工业自动化未来的发展方向.docx
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工业自动化未来的发展方向
工业自动化未来的发展方向
工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程
控制，在整个工业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动
物以外的能源与各种资讯来进行生产工作，即称为工业自动化生产，
而使工业能进行自动生产之过程称为工业自动化。
概述
工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，
按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。
自动
化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。
它是涉及机
械、微电子、计算机、机器视觉等技术领域的一门综合性技术。
工
业革命是自动化技术的助产士。
正是由于工业革命的需要，自动化
技术才冲破了卵壳，得到了蓬勃发展。
同时自动化技术也促进了工
业的进步，如今自动化技术已经被广泛的应用于机械制造、电力、
建筑、交通运输、信息技术等领域，成为提高劳动生产率的主要手
段。
[1]
随着我国制造厂商对自动化程度的提高，制造业生产线开始趋向个
性化，单一检测数据的仪器组成的检测环节需要投入大量的人力物
力，不适应快速检测。
因此，集合多种检测功能的快速自动检测设
备才是客户真正所需要的，快速自动检测仪是一种“非标测试设备”
，需要对客户生产线进行深入的需求调查，量身定制检测方案，因
此被称之为“定制检测”，“定制检测”在工业自动化快速检测中
起到重要作用。
自动化技术作为 20 世纪工业领域中最重要的技术之一，主要解决
的是生产效率和一致性问题。
无论是追求高速、连续和大批量的大
型企业，还是追求灵活、柔性的定制化的中心企业,都依赖自动化技
术的应用。
当今世界已经从产品经济过度到服务经济，过度到一个
需要客户体验的时代——大规模定制，也就是快速大批量制造符合
个性需求的产品，已经成为世界级的发展趋势。
这就需要生产企业
的具有很高的自动化水平来解决效率和柔性的矛盾。
自动化技术与
现代工业企业的关系已经远远超越了为企业提高效益的范畴，而是
成为企业赖以生存和发展的基础之一。
技术简介
工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信
息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决
策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性
高技术，包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业自动化
技术作为 20 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生
产效率与一致性问题。
无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔
性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的应用。
自动化系统本身
并不直接创造效益，但它对企业生产过程起着明显的提升作用：
（1）提高生产过程的安全性；
（2）提高生产效率；
（3）提高产品质量；
（4）减少生产过程的原材料、能源损耗。
据国际权威咨询机构统计，
对自动化系统投入和企业效益方面提升产出比约 1：
4 至 1：
6 之间。
特别在资金密集型企业中，自动化系统占设备总投资 10%以下，起
到“四两拨千金”的作用。
传统的工业自动化系统即机电一体化系
统主要是对设备和生产过程的控制，即由机械本体、动力部分、测
试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元、接口等
硬件元素，在软件程序和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下，
相互协调、有机融合和集成，形成物质和能量的有序规则运动，从
而组成工业自动化系统或产品。
在工业自动化领域，传统的控制系统经历了继基地式气动仪表控制
系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和
集散式控制系统 DCS 的发展历程。
随着控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交互沟通
的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理各个层次。
工
业控制机系统一般是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进
行测量与控制的自动化技术工具（包括自动测量仪表、控制装置）的
总称。
今天，对自动化最简单的理解也转变为：
用广义的机器（包
括计算机）来部分代替或完全取代或超越人的体力。
[2]
发展
第一阶段
40 年代--60 年代初
需求动力：
市场竞争，资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，
适应批量生产需要。
主要特点：
此阶段主要为单机自动化阶段，主
要特点是：
各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向
工业自动化
纵深方向发展。
典型成果和产品：
硬件数控系统的数控机床。
第二阶段
60 年代中--70 年代初期
需求动力：
市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应
大中批量生产需要和减轻劳动强度。
主要特点：
此阶段主要以自动
生产线为标志，其主要特点是：
在单机自动化的基础上，各种组合
机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，
CAD、CAM 等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬
件加工设备适合于大中批量的生产和加工。
典型成果和产品：
用于
钻、镗、铣等加工的自动生产线。
第三阶段
70 年代中期--至今
需求动力：
市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问
题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技
术高度综合，发挥整体最佳效能。
主要特点：
自 70 年代初期美国
学者首次提出 CIM 概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主
要特点是：
CIM 已作为一种哲理、一种方法
工业自动化
逐步为人们所接受；CIM 也是一种实现集成的相应技术，把分散独
立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。
所谓哲理，就是企业
应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、
竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是：
数
据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、
软件的规范、标准等。
同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模
式自 80 年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步
促进单元自动化技术的集成。
典型成果和产品：
CIMS 工厂，柔性
制造系统（FMS）。
编辑本段制造业
蒸汽机—新时代的开端，设计自动化—CAD 和 CAPP，车间旧貌换
新颜，数控机床、柔性制造系统（FMS）、 虚拟机床、DNC 系统、
浅谈自动化孤岛、未来工厂—CIMS、自动化仓库 ABC、现场总线
技术、制造自动化：
并行工程、敏捷制造、精良生产、仿生制造、
智能制造、虚拟制造、虚拟现实技术 1、虚拟现实技术 2。
电力系统
管理控制
随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，电能的需要也在不断
地增加，发电设备也相应增多，电网结构和运行方式也越来越复杂，
人们对电能质量的要求也越来越高。
为了保证用户的用电，必须对
电网进行管理和控制。
电力系统运行管理和调度的任务很复杂，但简单说来，就是：
①、尽量维持电力系统的正常运行，安全是电力系统的头等大事，
系统一旦发生事故，其危害是难以估计的，因此，努力维持电力系
统的正常运行是首要任务；
②、为用户提供高质量的电能，反映电能质量的三个参数就是电压、
频率和波形。
这三个参数必须在规定范围内，才能保证电能的质量。
稳定电压的关键是调节系统中无功功率的平衡，频率
工业自动化
的变化，是整个系统有功功率的平衡问题，波形是由发电机决定的；
③、保证电力系统运行的经济性，使发电成本最经济。
电力系统是一个分布面广、设备量大、信息参数多的系统，发电厂
发出电能供给用户，必须经几级变压器变压才能传输。
各级电压通
过输电线路向用户供电，电压从低到高，再从高到低，以利于能量
的传送。
电压的变换，形成不同的电压级别，形成一个个不同电压
级别的变电站，变电站之间是输电线，因而形成了复杂的电力网拓
扑结构。
电网调度正是按照电网的这种拓扑结构进行管理和调度的。
一般情况下，电网按电压级别设置调度中心，电压级别越高，调度
中心的级别也越高。
整个系统是一个宝塔型的网络图。
分级调度可
以简化网络的拓扑结构，使信息的传送变得更加合理，从而大大节
省通信设备，并提高了系统运行的稳定性。
按中国的情况，电力系
统调度分为国家调度中心，大区网局级调度控制中心，省级调度控
制中心，地区调度控制中心，县级调度中心。
各级直接管理和调度
其下一层调度中心。
电网调度
电网调度自动化是一个总称，由于各级调度中心的任务不同，调度
自动化系统的规模也不同，但无论哪一级调度自动化系统，都具有
一种最基本的功能，就是监视控制和数据收集系统，又称 SCADA
系统功能（Supervisory Control And Data Acquisition）。
SCADA 主要包括以下一些功能：
⑴数据采集； ⑵信息显示；⑶监视控制； ⑷报警处理；⑸信息存储
及报告 ⑹事件顺序记录；⑺数据计算； ⑻具有 RTU（远端终端单
元）处理功能；⑼事件追忆功能。
自动发电控制功能 AGC：
AGC 系统主要要求达到对发电机发电多
少不是由电厂直接控制，而是由电厂上级的调度中心根据全局优化
的原则来进行控制。
经济调度控制功能 EDC（Economic Dispatch Control）：
EDC 的
目的是控制电力系统中各发电机的出力分配，使电网运行成本最小，
EDC 常包含在 AGC 中。
安全分析功能 SA（Security Analyze）：
SA 功能是电网调度为
了做到“防患于未然”而配备的功能。
它通过计算机对当前电网运
行状态的分析，估计出可能出现的故障，预先采取措施，避免事故
发生。
如果电网调度自动化系统具有了 SCADA+AGC/EDC+SA 功
能，就称为能量管理系统 EMS（Energy Management System）。
数字传输技术和光纤通信技术的提高，使得电网调度自动化也进入
了网络化，如今电网调度中的计算机配置大多采用了开发分布式计
算机系统。
随着中国国民经济的发展，中国也进入了大电网、大机
组、超高压输电的时代。
完全可以相信，随着中国新建电网自动化
系统的发展，中国电网调度自动化水平会进一步地提高，达到世界
先进水平。
[3]
柔性系统
简介
柔性制造技术（FMS）是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制
造加工的各种技术的总和。
柔性制造技术是技术密集型的技术群，
凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加
工技术都属于柔性制造技术。
柔性可以表述为两个方面。
第一方面是系统适应外部环境变化的能
力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应
内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，这时
系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔
性。
“
柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主
要实现单一品种的大批量生产。
其优点是生产率很高，由于设备是
固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。
但价格相当
昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。
如果想要获得其他品
种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，
其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。
刚性的
大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应
付多品种中小批量的生产。
随着社会进步和生活水平的提高，市场
更加需要具有特色、符合顾客个人要求样式和功能千差万别的产品。
激烈的市场竞争迫使传统的大规模生产方式发生改变，要求对传统
的零部件生产工艺加以改进。
传统的制造系统不能满足市场对多品
种小批量产品的需求，这就使系统的柔性对系统的生存越来越重要。
随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个
制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否
能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产
品的能力。
柔性已占有相当重要的位置。
分类
●机器柔性 当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化
而加工不同零件的难易程度。
●工艺柔性 一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；
二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程
度。
●产品柔性 一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速
地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继
承能力和兼容能力。
●维护柔性 采用
工业自动化
多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。
●生产能力柔性 当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。
对于
根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。
●扩展柔性 当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加
模块，构成一个更大系统的能力。
●运行柔性 利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的
能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。
柔性制造系统
是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率地制造中小批量
多品种零部件的自动化制造系统。
它具有：
●多个标准的制造单元，具有自动上下料功能的数控机床；
●一套物料存储运输系统，可以在机床的装夹工位之间运送工件和刀
具；FMS 是一套可编程的制造系统，含有自动物料输送设备，能在
计算机的支持下实现信息集成和物流集成，它
●可同时加工具有相似形体特征和加工工艺的多种零件；
●能自动更换刀具和工件；
●能方便地上网，容易于其它系统集成；
●能进行动态调度，局部故障时，可动态重组物流路径。
FMS 规模趋于小型化、低成本，演变成柔性制造单元 FMC，它可
能只有一台加工中心，但具有独立自动加工能力。
有的 FMC 具有
自动传送和监控管理的功能，有的 FMC 还可以实现 24 小时无人运
转。
用于装备的 FMS 称为柔性装备系统（FAS）。
智能制造
简介
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一种由智能机器和
人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行
智能活动，诸如分析、推理、判断、构思。
和决策等。
通过人与智
能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过
程中的脑力劳动。
它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智
能化和高度集成化。
谈起智能制造，首先应介绍日本在 1990 年 4 月所倡导的“智能制
造系统 IMS”国际合作研究计划。
许多发达国家如美国、欧洲共同
体、加拿大、澳大利亚等参加了该项计划。
该计划共计划投资 10
亿美元，对 100 个项目实施前期科研计划。
毫无疑问，智能化是制造自动化的发展方向。
在制造过程的各个环
节几乎都广泛应用人工智能技术。
专家系统技术可以用于工程设计，
工艺过程设计，生产调度，故障诊断等。
也可以将神经网络和模糊
控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方，生产调度等，
实现制造过程智能化。
而人工智能技术尤其适合于解决特别复杂和
不确定的问题。
但同样显然的是，要在企业制造的全过程中全部实
现智能化，如果不是完全做不到的事情，至少也是在遥远的将来。
有人甚至提出这样的问题，下个世
工业自动化
纪会实现智能自动化吗？
而如果只是在企业的某个局部缓解实现智
能化，而又无法保证全局的优化，则这种智能化的意义是有限的。
从广义概念上来理解，CIMS（计算机集成制造系统），敏捷制造等
都可以看作是智能自动化的例子。
的确，除了制造过程本身可以实
现智能化外，还可以逐步实现智能设计，智能管理等，再加上信息
集成，全局优化，逐步提高系统的智能化水平，最终建立智能制造
系统。
这可能是实现智能制造的一种可行途径。
多智能体（Multi-Agent）系统
Agent 原为代理商，是指在商品经济活动中被授权代表委托人的一
方。
后来被借用到人工智能和计算机科学等领域，以描述计算机软
件的智能行为，称为智能体。
1992 年曾经有人预言：
“基于
Agent 的计算将可能成为下一代软件开发的重大突破。
"随着人工智
能和计算机技术在制造业中的广泛应用，多智能体系统技术对解决
产品设计、生产制造乃至产品的整个生命周期中的多领域间的协调
合作提供了一种智能化的方法，也为系统集成、并行设计，并实现
智能制造提供了更有效的手段。
整子系统（Holonic System）
整子系统的基本构件是整子（Holon）。
Holon 是从希腊语借过来
的，人们用 Holon 表示系统的最小组成个体，整子系统就是由很多
不同种类的整子构成。
整子的最本质特征是：
●自治性，每个整子可以对其自身的操作行为作出规划，可以对意外
事件（如制造资源变化、制造任务货物要求变化等）作出反应，并
且其行为可控；
●合作性，每个整子可以请求其它整子执行某种操作行为，也可以对
工业自动化
其他整子提出的操作申请提供服务；
●智能性，整子具有推理、判断等智力，这也是它具有自治性和合作
性的内在原因。
整子的上述特点表明，它与智能体的概念相似。
由
于整子的全能性，有人把它也译为全能系统。
整子系统的特点是：
●敏捷性，具有自组织能力，可快速、可靠地组建新系统。
●柔性，对于快速变化的市场、变化的制造要求有很强的适应性。
除
此之外，还有生物制造、绿色制造、分形制造等模式。
制造模式主
要反映了管理科学的发展，也是自动化、系统技术的研究成果，它
将对各种单元自动化技术提出新的课题，从而在整体上影响到制造
自动化的发展方向。
展望未来，21 世纪的制造自动化将沿着历史的
轨道继续前进。
[4]
热点技术
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其
它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理
和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的
综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工
业控制自动化技术作为 20 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，
主要解决生产效率与一致性问题。
虽然自动化系统本身并不直接创
造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。
中国工控自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消
化吸收，然后进行二次开发和应用。
中国工业控制自动化技术、产
业和应用都有了很大的发展，中国工业计算机系统行业已经形成。
工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
⒈以工业 PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流
众所周知，从 20 世纪 60 年代开始，西方国家就依靠技术进步（即
新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工
业得到飞速发展。
20 世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。
全球市场导致竞争空前激烈， 促使企业必须加快新产品投放市场时
间（Time to Market）、改善质量（Quality）、降低成本
（Cost）以及完善服务体系（Service），这就是企业的 T.Q.C.S.。
虽然计算机集成制造系统（CIMS）结合信息集成和系统集成，追求
更完善的 T.Q.C.S.，使企业实现“在正确的时间，将正确的信息以
正确的方式传给正确的人，以便作出正确的决策”，即“五个正确”
。
然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效益同
时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。
在中国，
中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。
工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、
过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。
传统的自动化系统，基础自动化部分基本被 PLC 和 DCS 所垄断，
过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小
型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令众多企业望
而却步。
20 世纪 90 年代以来，由于 PC-based 的工业计算机（简称工业
PC）的发展，以工业 PC、I/O 装置、监控装置、控制网络组成的
PC-based 的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自
动化的重要途径。
中国重庆钢铁公司这样的大企业的几乎全部大型
加热炉，也拆除了原来 DCS 或单回路数字式调节器，而改用工业
PC 来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良好效果。
由于基于 PC 的控制器被证明可以像 PLC 一样可靠，并且被操作和
维护人员接受，所以，一个接一个的制造商至少在部分生产中正在
采用 PC 控制方案。
基于 PC 的控制系统易于安装和使用，有高级的
诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC
控制系统维护成本低。
由于可编程控制器（PLC）受 PC 控制的威胁
最大，所以 PLC 供应商对 PC 的应用感到很不安。
事实上，他们也
加入到了 PC 控制“浪潮”中。
工业 PC 在中国得到了异常迅速的发展。
从世界范围来看，工业 PC
主要包含两种类型：
IPC 工控机和 Compact PCI 工控机以及它们的
变形机，如 AT96 总线工控机等。
由于基础自动化和过程自动化对
工业 PC 的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的 IPC
已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是
CompactPCI-based 工控机，而 IPC 将占据管理自动化层。
国家于
2001 年设立了“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”
工业自动化重大专项，目标就是发展具有自主知识产权的 PC-
based 控制系统，在 3（5 年内，占领 30%（50%的国内市场，并
实现产业化。
几年前，当“软 PLC”出现时，业界曾认为工业 PC 将会取代
PLC。
然而，时至今日工业 PC 并没有代替 PLC，主要有两个原因：
一个是系统集成原因；另一个是软件操作系统 Windows NT 的原因。
一个成功的 PC-based 控制系统要具备两点：
一是所有工作要由一
个平台上的软件完成；二是向客户提供所需要的所有东西。
可以预
见，工业 PC 与 PLC 的竞争将主要在高端应用上，其数据复杂且设
备集成度高。
工业 PC 不可能与低价的微型 PLC 竞争，这也是 PLC
市场增长最快的一部分。
从发展趋势看，控制系统的将来很可能存
在于工业 PC 和 PLC 之间，这些融合的迹象已经出现。
和 PLC 一样，工业 PC 市场在过去的两年里保持平稳。
与 PLC 相比，
工业 PC 软件很便宜。
据 Frost & Sullivan 公司估计，全世界每年
7 亿美元工业 PC 市场里，大约 8500 万美元为控制软件，一亿美元
为操作系统。
到 2007 年会翻一番，工业 PC 市场变得非常可观。
⒉PLC 在向微型化、网络化、PC 化和开放性方向发展
全世界 PLC 生产厂家约 200 家，生产 300 多种产品。
国内 PLC 市
场仍以国外产品为主，如 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、
三菱、GE 的产品。
经过多年的发展，国内 PLC 生产厂家约有三十
家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说 PLC 在
中国尚未形成制造产业化。
在 PLC 应用方面，中国是很活跃的，应
用的行业也很广。
专家估计，2000 年 PLC 的国内市场销量为
15（20 万套（其中进口占 90%左右），约 25（35 亿元人民币，
年增长率约为 12%。
预计到 2005 年全国 PLC 需求量将达到 25 万
套左右，约 35（45 亿元人民币。
PLC 市场也反映了全世界制造业的状况，2000 后大幅度下滑。
但是，
按照 Automation Research Corp 的预测，尽管全球经济下滑，
PLC 市场将会复苏，估计全球 PLC 市场在 2000 年为 7
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