二十周年纪念文集
而今迈步从头越，再铸辉煌！
51综 述综合自动化技术的现状与发展趋势 （中国计算机学会工控机专业委员会，北京 100080） 刘 鑫 摘要：系统阐述了自动化综合技术的核心技术的最新进展、应用状况和存在的问题，以及今后的主要发展方向。 关键词：自动化综合技术；工控机；现场总线；组态软件；数控系统；仪器与测控；机器人 1 引言 近20年来，我国国民经济平均每年以8％左右的速度增长，为产业结构的调整和技术进步奠定了良好的基础，但我国经济增长的潜力还受制于产品创新和新技术应用。高新技术改造传统产业，用信息化带动工业化是我国经济继续腾飞的关键。 我国经过20年的研究和攻关，特别是在“九五”计划期间，产生了大批具有产业化前景的高技术成果和产品，内容涉及集散控制系统、PLC和工控机、现场总线、组态软件、先进控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、企业管理和生产调度系统软件、仪器仪表与测控、机电控制与传动控制、管控一体化、机器人等自动化综合技术，已缩短了与国际先进水平的差距，部分成果达到了国际先进水平，并广泛应用于国内众多企业，产生了巨大的经济效益和社会效益。 2 工控机与PLC 2.1 工控机 经过十几年的发展和两代工控工作者的努力，我国的工控机技术已经基本与国际接轨，产品种类与产品应用已经成型。目前有一定规模市场占有率和发展前景的产品主要有IPC、PC/104或PC/104-plus、VME/VXI、AT96、CompctPCI以及其它专用单板计算机（包括基于RISC、DSP和单片机的嵌入式专用计算机）等。 虽然IPC在国内市场占有率很高，但经过1997~2001年的鼎盛时期后，技术上基本没有新的突破，发展势头开始减弱。 PC/104凭借小尺寸优势，在小型军事和医疗设备领域基 收稿日期：2003－08－18 作者简介：刘鑫，研究员，学科带头人，现任北京康拓科技集团研发中心总工程师、国家工业控制机及系统工程技术研究中心副主任、中国计算机学会工业控制计算机专业委员会常务副秘书长、中国计算机行业协会PICMG/PRC代主任、国家“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”专项副总工程师。长期从事工业控制计算机及其系统技术研究和产品研制工作，曾主持过多项国家和行业重大新产品的研制工作，多次获得省部级科技进步奖。 本站稳了脚，并且随着国家对医疗设备研制和生产的重视以及投入的加大，还有进一步扩大市场的可能。PC/104通过PC/104-plus兼容PCI总线，向高性能应用拓展，以后主要发展方向是PC/104-plus。 VME/VXI总线借助于先入为主的优势，继续在军事设备和大型测试系统方面占有很大的市场份额，但已经受到CompactPCI/PXI产品强有力的冲击。目前VME/VXI虽然价格昂贵，但由于在多主配置和冗余设计等方面有先天的竞争优势，目前还不会在大范围内被CompactPCI/PXI产品所取代。但如果VME/VXI在系统的开放性和降低成本等方面不能取得突破性进展，随着CompactPCI/PXI高可用性技术的成熟和商业化，VME/VXI在国内市场最终被CompactPCI/PXI产品替代是不可避免的事情。 标准AT96总线工控机从1999年开始打入国内市场以来，得到了迅速的发展。它既具有IPC的技术优势，又有VME/VXI的可靠性，将在军事装备和工业现场得到进一步应用。 CompctPCI总线在中国计算机行业协会PICMG/PRC的统一组织下，经过5年的不懈努力，在国内已经形成了良好的发展势头。在工业和军事设备中正在逐渐扩大应用面，在电信领域已经得到了广泛的应用。国内从事CompctPCI总线工控机研制和生产的单位也与日俱增。随着CompctPCI总线冗余设计技术、热插拔技术、自诊断技术的成熟，构造高可用性系统的简化，CompctPCI总线工控机技术将得到迅速普及和广泛应用，成为国内继STD总线工控机、IPC工控机之后最具普及前景的新一代高性能工控机。 最近几年，DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）技术以及基于RISC架构的32位处理器的应用越来越普及，有可能替代传统单片机，成为专用嵌入式系统的热点。 工控机今后需要解决的主要问题是新技术的采用、产业化和建立应用示范工程。 2.2 PLC 长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制方案，在多年的生产实践中，逐渐与DCS和IPC形成了三足鼎立之势。究其发展主要因素，在于它能够为自动化应用提供安全可靠和比较完善的解决方案。但另一方面，PLC
也承受着来自其它技二十周年纪念文集
与你在一起，走出自己的一片天…… 52术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。目前，PLC需要解决的主要问题依然是新技术的采用、系统的开放性和价格降低。 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，其中还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，可以说PLC在我国尚未形成制造产业化。在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年大约新安装10万台套产品，年销售额约30亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要进一步加强。 一个或若干PLC通过网络与PC机相联构成系统，并将现场总线技术引入到PLC中是未来PLC发展的主要方向。采用PC技术，通过网络构造SoftPLC系统也将得到很大的发展，应该引起各方面的足够重视。在PLC基础上，融合各种新技术产生的可编程自动控制器（PCA）概念已经形成，它是PLC发展的新动向。 3 嵌入式操作系统、组态软件和先进控制软件 3.1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统（Real-Time Embedded Operating System，RTOS）是一种实时的、多任务的、支持嵌入式系统应用的软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面以及标准化浏览器等。目前，嵌入式操作系统的品种较多，其中较为流行的有微软的嵌入式Windows CE，3COM的Palm OS，FSMlabs的RT-Linux，Wind River Systems的VxWorks，Integrated Systems的pSOS，Accelerated Technology的Nucleus+，Lynx Teal-time Systems的LynxOS，Microware 的OS-9，QNX Software Systems Ltd的QNX，中国单片机公共实验室引进的CMX和RTXC，以及源码公开的µC/OS-II等。国内产品主要有北京科银京城技术有限公司的DeltaOS和中科红旗软件公司的嵌入式红旗Linux操作系统等。 由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特殊性，一般要求提供系统源码层次上的支持，而嵌入式Linux恰好适应了这一需求，所以，目前各种嵌入式Linux操作系统得到了迅速发展。 伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向 Internet网络的和特定应用的嵌入式操作系统正日益引起业界的关注，成为重要的发展方向之一。嵌入式系统与Internet的结合、嵌入式操作系统与应用设备的结合代表着嵌入式操作系统发展的未来。 3.2 工控组态软件 计算机技术的发展，使得设计更加完善的控制系统，获得更方便、可靠、快速的控制成为可能。工程技术人员对传统仪表控制方式很熟悉，但往往缺乏专业的计算机知识，而专业的计算机技术人员又缺乏实际的控制经验。这样在计算机与控制之间就存在着一个巨大的障碍，而监控组态软件则成为了逾越这一障碍的桥梁。监控组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态等。 目前，自动化软件的发展趋势主要有两个方面，一方面是向大型的平台软件发展，直接由组态软件发展成大型的CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统）、ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）等系统软件；另一方面是向小型化发展，由通用的组态软件演变成嵌入式组态软件。相对而言，组态软件向嵌入式发展，可以使大量的工业控制设备或生产设备具有更多的自动化功能，推动了国家工业自动化程度的快速提高，应该是国内组态软件发展的主要方向。目前在嵌入式组态软件研制方面，国内的昆仑通态公司处于领先水平。组态软件向大型平台软件发展，需要与现有的大型平台软件结合，实现工业控制领域的相关数据和信息共享。在这方面，国内的用友、金碟和神州数码等厂商已经走在了前头。 目前，国内工控组态软件行业已经形成“百花齐放，百家争鸣”的局面，在组态软件研制方面也取得了较大进展，如把Excel的报表功能集成到组态软件中；推出了基于Web浏览器的组态软件；推出了基于Windows CE的嵌入式组态软件；推出了基于Windows CE的嵌入式人机界面（HMI）产品。据统计，在国内从事组态软件研发的厂家达几十家，从事组态软件研制的人员超过两千人，而且，这些厂家都在高速的发展，不断的扩大。 嵌入式HMI产品是组态软件向软件和硬件相结合的一体化方向发展的产物，已经被市场广为采纳和接受。今天的HMI软件将传统的操作员界面、过程的可视性、数据的采集和报警以及基于实时生产数据的企业完整解决方案结合在一起。这些产品不只是作为人机界面，同时也成为实时信息自动化系统和任何需要实时信息的系统之间的纽带和桥梁。人机界面（HMI）市场，2001年市场总额为4.14亿美元，在2006年将接近5.9亿美元，在今后5年内的平均年增长率（CAGR）将达到7.3%。 组态软件行业下一步的主要工作，应该是在完善已有嵌入式组态软件的同时，尽快推出基于Linux的嵌入式组态软件，并投放嵌入式系统市场。 3.3 面向对象的OPC技术 1996年8月，工业界的著名厂商Fisher-Rosemount，Intellution，Rockwell Software，Opto22以及Intuitive Technology联合成立了OPC基金会。其目标是制订一套针对于控制对象和设备的公共接口标准，即“软总线”，它可以让任何 OPC客户机去请求和获取 OPC服务器的数据。这里的OPC客户机和服务器可以是任何厂商的任何产品。目前，OPC基金会的成员已发展到了200多家。COM标准将程序界面的定义作为独立的部分，分布式的组件对象模型（DCOM）允许通过网络调用对象。COM 和DCOM是OPC标准的技术基础。 OPC的主要技术优势是硬件驱动程序开发单一化，应用软件接口统一化，用户设备选型自主化，以及控制系统组态化。OPC技术的主要应用方向是用于多种现场总线间的数据共享，用于DCS、PLC、FCS（Fieldbus Control System，现场总线控制系统）系统的集成。 二十周年纪念文集
而今迈步从头越，再铸辉煌！ 533.4 先进控制软件技术 流程模型、先进控制和过程优化技术的研究与应用是流程工业过程的一个重要方面，它已成为提高企业的经济效益、降低生产成本，提高在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综合竞争力的主要技术手段之一。开发具有我国自主知识产权的流程模型、先进控制和过程优化技术及其产品，不仅具有广阔的市场前景和巨大的经济效益，而且可以打破国外产品在技术和市场上的垄断，对于我国流程工业信息技术的健康发展具有十分重要的意义。这项工作的大力开展，有可能最终形成我国自主的流程模拟和过程优化技术产业，成为流程工业新的经济增长点。 对经济效益与投资比例的研究分析表明：用DCS改造常规仪表，投资大约占总投资的70％，取得的经济效益约占总效益的10％；利用DCS实现常规的复杂控制，得到的效益和投资大约各占总的10％；在DCS基础上实现先进控制（APC），增加约10％的成本，可取得约40％的效益。在先进控制的基础上，实现装置的实时优化功能，成本增加约 10％，又可获得约40％的效益。因此，过程模型技术、先进控制技术和优化技术，特别是在线优化技术，是未来流程工业领域重点发展的技术。 4 现场总线、DCS与FCS 我国从70年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。在引进、消化和吸收同时，开始研制国产化的DCS。经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其产品应用于大中小各类过程工业，其中和利时、浙大中控、上海新华、浙江威盛已具有相当规模。目前国外DCS产品在国内市场中占有率还较高，其中主要是Honeywell和横河公司的产品。我国DCS的市场年增长率约为20％，年市场额约为30~35亿元。由于近5年内DCS在石化行业大型自控装置中没有可替代产品，所以其市场增长率不会下降。据统计，到2005年，我国石化行业有1 000多套装置需要应用DCS控制；电力系统每年新装1 000多万千瓦发电机组，需要DCS实现监控；不少企业已使用DCS近15~20年，需要更新和改造。所以，今后5年内DCS作为自动化仪表行业主要产品的地位不会动摇，但必须进一步改善其功能，兼容各种新技术，降低价格、提高应用水平。 目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS共享。今后小型DCS可能首先与这3种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。 到目前为止，DCS所存在的问题主要有三个方面的问题，即系统开放性问题，与现场传感器、变送器、执行器的接线问题，价格较高问题。这些问题在新一代DCS中已开始得到解决。未来，DCS的现场接线繁杂问题、DCS控制站控制比较集中问题、FCS与DCS控制站的相互关系问题、智能控制、先进控制与优化如何在DCS、FCS中实现等问题，都需要在技术创新和实践中逐步得到解决。 计算机控制系统的发展在经历了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以及集散控制系统（DCS）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，但FCS发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程，同时DCS本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是，结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。 近几年，现场总线发展迅速，处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出40多种现场总线，较流行的有5种，分别是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。今后在相当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临复杂的局面。 目前在各种现场总线的竞争中，以Ethernet为代表的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。其关注的焦点主要集中在两个方面： (1) 能否出现全世界统一的现场总线标准； (2) 现场总线系统能否全面取代现时风靡世界的DCS系统。 5 仪器与测控 经过五十年的发展，我国仪器仪表工业已有相当基础，初步形成了门类比较齐全的生产、科研、营销体系。由于仪表产品技术更新速度快、涉及高新技术多，我国仪表产品的品种、质量、技术水平都远远适应不了经济发展的需求，在国内外市场缺乏竞争力，许多企业，特别是重点国有大中型企业处于比较困难的境地。 目前，仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展，产品性能向高精度、高可靠性、高环境适应性方向发展。“十五”期间，基于现场总线技术的智能仪表及主控系统发展的主要内容有： (1) 研制基于现场总线技术的数字化的智能仪表，典型产品为智能变送器、智能阀门定位器、智能执行器等。 (2) 智能仪表及精密科学测试仪器配套所需的新型传感器。 (3) 基于现场总线技术的控制网络软、硬件研制，实现系统的数字化、全开放、可互操作。 (4) 网络集成技术的研制，数据网络和控制网络相结合，实现远程控制。 (5) 改造和发展融入现场总线技术的DCS、PLC产品。 (6) 研制和发展特种介质、恶劣环境、特殊规格、行业专用等特种检测仪表。 网络化的虚拟仪器系统近几年发展迅速。计算机网络技术与虚拟仪器技术的发展与结合，进一步拓宽了虚拟仪器的应用，使虚拟仪器在测试自动化、远程教学等方面得以发展和应用。 测控技术在当前信息技术突飞猛进的时代已成为主攻的关键技术之一，出现了微小化、集成化、智能化、网络化的基
