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我国工控行业亟待搭建通用PLC平台

什么是工厂自动化领域的自动控制技术？简单讲，用于连续流程的（电力、化工）即DCS，用于非连续过程的（冶金、造纸、纺织、机械加工等制造领域及环保等）为PLC。PLC用途广泛，既解决单机自控，也提供流水线和工厂自动化解决方案。

        可编程控制器（PLC）：以继电器技术为基础，综合ICT技术，以程序化方式实现设备的电气控制。PLC结构紧凑、响应快、现场环境适应性与可靠性好（耐振动、噪声、灰尘、油污等）、抗干扰能力强、价格较低，是与DCS并驾齐驱的另一主流控制系统。

国际工控技术与产业的发展趋势

      工业自动化控制是工业技术进步的重要方向：解决效率、产品质量、可靠性、一致性的基础技术。

      普及工控是推进产业结构优化升级，以“信息技术改造传统产业”，推进两化融合的基础工作。

      近几十年，随着ICT技术突飞猛进的发展，工业自控系统和仪表仪器技术进步很快，呈微型化、数字化、智能化、网络化、集成化等特点。

      一般认为，工业自动化有两个主要领域：以过程（流体运动）控制技术支撑的流程自动化（PA）和以运动控制技术支撑的工厂自动化（FA或离散型生产自动化）。前者从传统的模拟式回路仪表起步，综合ICT控制技术，发展为分布式（或集散式）控制系统DCS。其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，成为计算机工业控制系统的主流，广泛应用于大型、设备众多、工况复杂的流程型装备的自动控制，如大型化工厂、火电厂等。

       工业自动控制技术路线呈互相渗透、互相融合的趋势。PLC应用范围向中小型过程控制系统、近程维护服务系统、节能监控等领域扩展，在某些应用上取代了DCS。DCS也应用PLC与工控计算机联合组网。总的趋势是更加开放（细化分工合作）、标准化、产品化、集成化。

      上世纪90年代以来，现场总线技术FCS迅速发展。这是安装在生产现场的数字式智能化仪表与测控设备，与自动控制装置或系统间的多点通信、全分散、开放式的底层控制网络系统。

      世界工控行业经过几十年的大浪淘沙，已形成少数跨国公司规模生产、瓜分**市场的寡头局面。原来的几百个厂商目前只剩下几十个，较*者如西门子、ABB、HONEYWELL、三菱、菲尼克斯等，其工控产品均号称兼具DCS/PLC/FCS功能，在质量、价格、售后服务方面已经赢得了市场信誉。

      工业信息化是电子通信技术（ICT）与先进制造技术融合的产物，是设备可控性、测控设备适用性及信息优化应用的综合成果。自控系统和仪表仪器是现代工业装备以及交通、能源、、重大公益设备等的神经**、运行中心和安全屏障，其功能是监测控制整个工艺流程和产品质量，保障工业重大装备运行和实现优化。

      所以，推进制造环节自动化，是提升我国工业竞争力的核心技术之一，是两化融合的基础。推进工控技术自主创新，掌握工控行业发展主导权，扭转目前过分依赖国外技术和受制于人的被动局面，是当前振兴装备工业的一个核心问题，是不能回避的战略任务。

我国工控行业总体落后的现状与原因
       我国连续流程自动化（DCS）发展比较快，以能源和重化工为主，主要在应用方面，并且多年来得到国家政策支持，所以行业内部的认识和重视程度比较高，与国际水平的差距正在缩短。在断续流程自动化（国外通常说“工厂自动化”FactoryAutomation，简称FA）领域，面临的问题却越来越紧迫。

      国产控制系统难以进入重大工程的关键、核心、主体装备，这一市场的大部分仍被国外工控系统。

      工控发展滞后是中国工业大而不强的关键原因之一，也对产业安全和国家经济安全带来威胁。

      目前我国自主发展PLC工控系统，较需要的是形成一个具有较高通用性的工控系统平台。

      我国的工控行业目前总体上处于弱势地位，与国际水平仍有10~15年的差距。行业情况可概括为：技术差距大、市场信任度低、外资强势竞争等。

 （一）用于重大装备的DCS取得重要进展，现场仪表和**层系统薄弱。

       上世纪80年代，我国使用的DCS产品全部是国外产品，当时国家组织对进口成套重大装备的自控系统进行技术消化，原机械、电力两部协同攻关，在大型火电机组领域实现突破。目前自主研制的**临界300~600MW火电机组主控DCS系统已装机数十套、经受了多年运行检验。在这个过程中，一些中资企业脱颖而出，如北京和利时、浙大中控、新华中控等。上海自动化仪表、国电智深公司也在300~600MW机组主控DCS具备了相同能力。但由于工程应用能力、质量、声誉等原因，这些产品的应用对象，除电力外，仍以中小工程项目为主，或用于大型工程项目的非主要部分，用量更大的大型石化工程主控系统尚未能进入。

       我国自控产业链的两头——底层的现场仪表（尤其是变送器和执行机构）、上层的综合自动化软件是较薄弱环节。我国自行设计制造的智能变送器只占国内市场的9%。**层综合控制软件能力弱，一方面是因为工控企业对用户的工艺特征理解不深刻，经验积累不足，从而制约了**层集成能力和快速进入细分市场的能力（工控企业受制于国家关于设计企业门槛的规定也是一方面原因）。用户市场对本国工控技术/产品的不认同，制约了自主研发的工控产品实践提高的机会。

       由于上述原因，国产控制系统难以进入重大工程的关键、核心、主体装备，这一市场的大部分仍被国外工控系统。

    （二）用于广大离散型工厂自动化的PLC系统，情况不容乐观。

       当前PLC技术的应用范围，涵盖了除大型化工、电力企业之外的几乎所有工业行业。但是，目前我国PLC应用市场，95%以上被外国产品**，本国企业处于**劣势。

       跨国公司的产品享受零部件进口等政策优惠，本国厂商在家门口面对强势国际竞争，毫无招架之力。

     （三）PLC系统难自立，行业研发平台缺失。

       一是本国企业和机构，规模小、业务分散，形不成气候。此类企业中，有些是原工业部门承担行业共性技术的研究所或大学科研单位改制而来，如和利时、浙大中控、北京机械自动化研究所等。

       二是到目前为止，我国企业尚未真正掌握FA工控的核心技术。本国PLC厂商技术都是架构在外国的控制技术上，主干基础硬件几乎全部由外国公司提供，基础软件也依赖进口。我国PLC厂商的业务，只是局限在运用进口硬件与基础软件，针对具体工艺控制的需求，运用ICT技术进行集成、做应用软件。在系统的设计诀窍方面，在系统可靠性、产品质量（一致性、可靠性）、市场信誉方面，与国外先进水平尚有较大差距。就是国内引为自豪的数控系统，情况也大体如此。

       三是作为科研型的工控企业，由于规模小和专业分散，缺乏国内统一标准的硬件和基础软件支撑，单打*斗，形不成规模。

       四是受外资控制与挤压，竞争能力差。我国一些企业曾经自主开发PLC硬件平台，但产品刚有眉目，跨国公司立即降价。由于PLC系统是技术密集型的成熟产品，本国产品初次面世，性能与价格都缺乏竞争优势。加上缺乏国家政策支持，在市场上根本无法立足，陷入了“市场信誉度低—缺乏实践与改进机会—市场信誉进一步降低”的恶性循环。

       五是产学研结合的现实困境：国家工业管理机构多次变更，一些共性技术研究所改企业，原有的研究进程中断，技术积累流失或老化。

自主发展能力关系国家工业发展战略

      工控行业自主发展能力关系国家的工业发展战略，也考验其战略规划的眼光。

      建设企业为主体、官产学研用相结合的创新体系和相应的行业管理机制，是国际通用模式。

      通过对工控产业现状和问题的调研，感到我国工业的指导思想和体制政策方面，有若干值得思考之处。

    （一）关于工业发展的战略指导思想。

      **推动了我国在市场化条件下加入世界产业分工体系。在用劳动密集型产品换取国外技术密集型产品的同时，关系到工业结构中必须坚守的战略要点（如工控行业），也不自觉地遵从“国际分工”，给产业升级带来不利的影响。

     上世纪80年代引进国外先进生产线，为节约外汇仅对单台自动化技术感兴趣，指导思想是能用人工的尽量用人工。由于当时对工厂自动化的意义认识不完整，重点考虑效率，把自动生产线加工精度和质量放在*二位，以致**了赶上工厂自动化国际潮流的历史机遇。

      国家在重大装备的发展规划中，把重点放在“可购买差的战略性产品”上。而市场规模较大的中小型PLC系统，由于进口方便、政策鼓励，又受到用户追捧，其消化创新、自主发展的问题就容易被管理层忽视。对事关战略的核心技术持“能买就买”、“买不到才自己干”的被动响应的态度，等于不自觉地跟随西方划定的国际分工格局，模糊了自己的努力目标。

      （二）关于工业发展规划中的倾向性。

      我国各类发展规划中，制定重点项目，通常选择通过重大产品带动研发的方式，特别是具有重大标志性、产业拉动作用较显著的主机产品，如核电、新能源、大飞机、汽车、数控机床等。这一原则本身是正确的。但在具体执行中，容易发生畸轻畸重的倾向。

      一是“有形先于无形，整机重于零部件”。传统思维将“制造业”与“电子信息”分开，但现代装备制造已经基本实现控制系统与机电系统的融合。而我国的工业规划至今还将工业自动控制置于“配角”地位。推进两化融合，必须转变固有的“制造业”思维定式。

      二是缺乏工业的整体发展意识。工业结构呈“主机—控制—零部件—材料—工艺”的金字塔形结构。工业的“中间部门”如内燃机、泵阀液压密封紧固件等通用基础件、材料，以及共制造技术、机电一体化的控制装置等，其技术的不断进步，是各类主机品质性能得以提高的基础，是工业竞争力的根基。基础长期依赖外来技术，国家的工业发展就等于建立在沙滩上。

      在工控领域，也存在畸重畸轻问题。国家比较重视DCS系统，尤其是重大装备自控系统中的主控DCS部分，但对其两端则投入不足；对量大面广的PLC系统，因有可买、小企业多、行业组织难等问题，则至今未能列入“十二五”发展规划。

      在中间产品、基础材料和制造工艺方面，目前与国际水平差距较大。尤其中间产品领域主要是中小企业，面对德国西门子、博世这样的零部件巨型跨国企业的强势压迫，广大中小企业只能维持生存，没有充当技术创新主体的实力。而这一领域恰恰是较需要加强基础科技支持的。

     （三）建设企业为主体、官产学研用相结合的创新体系和相应的行业管理机制，是国际通用模式。
应当注意的是，企业规模大、产业集中度高的和企业规模偏小、产业集中度低的，两者的技术进步机制有很大不同。在工控行业，DCS能在火电领域站住脚，首先在于得到具有地位的电力用户的支持。而多数竞争充分、企业小而散的机械企业，“以企业为主体”的研发体制，必须以行业的组织力为前提。

四方面入手解决工控发展瓶颈问题

振兴装备工业，需高度重视基础科学支撑，重视共性技术研发、基础零部件的同步发展。

       建议“十二五”就“工厂自动化控制系统平台”进行科研与产业化立项，支持PLC共平台研发与重点应用领域的结合、推广。

      PLC用途广泛，必须使研发与制造高度合作，注重发挥相关行业协会的协调作用、牵头重点研发企业与应用企业，共同组成研发团队。

      因为发展阶段问题，我国目前比较重视可购买差的、有战略性强度以及拉动性较大的产业，如核电站、风电、太阳能、大飞机、汽车等，但是上述这些产业都少不了PLC，每一台机器都是要一台甚至多台PLC来控制。

       控制系统应该是属于*二层次，但是不等于其重要性也是*二层次。
       **，PLC通用平台，无论是作为信息化产品、控制技术产品还是两化融合的骨干产品，都应该被重点关注。
      遗憾的是，国家的装备制造业振兴规划只有在基础零部件的最后一句提到了工业自动化控制系统，但是基础零部件跟工业自动化控制系统关系并不大，技术的复杂性和非单一性比铸件、锻件等基础零部件要强得多，将其归入基础零部件是不科学的。

      有些产品虽然成熟度大，但批量生产不容易，比如大飞机，可PLC不存在这样的问题，国外**企业已经把批量化做得很完善了。然而，越是可以批量生产的东西，越是成熟，门槛也就越高，如果没有国家的支持，中国的企业不可能具有实力和外国企业竞争。中国要打造的PLC平台，应该是一个包括研发平台、制造平台和应用平台的综合型平台。

      要解决PLC的根本问题，研发、制造、应用三个平台缺一不可。这是一个大工程，可以分阶段来完成，在一个五年计划里很难全部实现。所以有必要列个项目，组织研究这个对国民经济有重大意义的关键产品。在国家支撑下，建立研发、制造和应用平台，而不单是应用平台。至于怎么组织、组织谁还要进一步讨论，但是首先要把它放对位置，这涉及到我们整个断续流程工业的发展和做大做强问题，涉及到整个两化融合是不是真正能够在断续流程的工业里真正地推广下去。

      *二，从市场细分着手，以软件带动硬件发展。

      要想与国外优势企业正面竞争，仅仅依靠模和跟随，人家做什么我们做什么，中国企业的赢面很小。因为从价格层面看，国外已经形成批量生产，成本控制得很好，价格已经很低了，我们就算再便宜20%，就PLC这一产品来说，对于整套设备购买来说，价格差别也不会很大。所以只有从特点上、从市场细分上与国外企业较量。

      因此，我国应用平台的建设需要系统集成商参与进来。比如金自天正，该公司已经可以做钢铁行业的自动化总包了，对钢铁生产线所有的应用软件都很清楚。如果这样的企业能参加PLC平台的建设，将来发展起来，容易得到用户对产品的认可，用替换的方式把国产PLC逐步立起来。

      所以公共平台的开发要和用户结合起来，跟有实力的集成商和必须使用PLC的大设备制造商结合起来，做市场细分。另外，要研究一些相对技术含量比较高的，能够提炼出来的技术，如控制算法等，把这些成果提供给系统集成商，让他们做到软件里面，变成我们*有的拥有知识产权的应用软件，并在此基础上做PLC硬件。

      *三，共性技术的开发及所有权应归国家，推广可以借鉴国外经验。

      共性技术的关键在于其成果的推广，有各方的利益关系在其中纠葛。如果共性技术的开发，国家只是拨一部分钱，其他的要企业自筹，问题就会变得复杂：知识产权属于谁？是不是所有企业都要花钱购买？技术成果什么价格？怎么推广？

      用一个小团体推广共性技术，最后可能是搞科研的单位成为企业的竞争对手。较近美国提出了一个振兴装备制造业的框架意见，里面有一个建议是：较基本的成果，或者说带有共性技术的成果，应该由国家承担全部资金支持，较终成果归国家所有。国家拿到成果以后，进行公开招标，企业自己分析这个成果有没有前途，有没有市场前景。产品招标国家不负担任何费用，企业认为投资进去、产业化、做市场，最后一年能卖出多少，拿指标来进行投标。国家把这个技术给企业，如果真的达到了预期目标，国家用减税的方式给予补助。简言之，只有真的推广起来了，企业才能从国家得到补助。没有销量就没有减税，这不失为新技术推广切实可行的一个办法。
      具体政策建议：

      一是建议国家“十二五”规划中关于装备工业领域，设立“工厂自动化控制系统平台的科研与产业化”项目，支持PLC共平台研发以及重点领域的应用推广。

      二是建议由相关部门**，仪器仪表行业协会牵头，组织有关单位企业组成官产学研用结合的技术攻关组织，作为承担该项目的责任主体。

      三是项目的主体任务，首先是建立我国具有较广泛通用性的工控PLC平台。

      平台包括研发/设计、制造、应用三部分，并给出通用PLC平台具体产品目标要求（系统硬件、软件）、功能要求（硬件、软件的通用性技术指标，性能的先进性与可靠性指标）。

      四是配套政策跟进，如首台套须给以足够支持、资助示范工程、试运行改进、首台套采购政策等

PLC发展趋势透析

 PLC发展至今已有近40年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦再不断的发展，挣朝着新的技术发展。

PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势：

        一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除外形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线、同轴电缆、光缆）链接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩展更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。

PLC向高性能小型化方向发展：

        PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-IS系列PLC，较小的机种，体积仅为60×90×75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。

PLC操作向简易化方向发展：

        目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了**者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。

三菱FX2N系列PLC的TO指令、FROM指令及实例FX2N-4AD应用程序

TO指令是从PLC对增设的特殊单元(如FX2N-4DA)缓冲存储器(BFM)写入数据的指令

TO，TOP：十六位连续执行和脉冲执行型指令

DTO，DTOP：三十二位连续执行和脉冲执行型指令

TO指令的编程格式：TO K1 K12 D0 K2

*K1：特殊模块的地址编号，只能用数值，范围：0---7

*K12：特殊模块的缓冲存储器起始地址编号，只能用数值，范围：0---32767

*D0：源寄存器起始地址编号，可以用T，C，D数值和位元件组合如K4X0

*K2：传送的点数，只能用数值。范围：1---32767

TOK1K12D0K2指令的作用是：将PLC的16位寄存器D0，D1的数值分别写入特殊单元（或模块）N0.1的缓冲寄存器（BFM）#12，#13中。

1、在特殊辅助继电器M8164闭合时，D8164内的数据做为传送点数。

2、特殊辅助继电器M8028断开状态，在TO指令执行时，自动进入中断禁止状态，输入中断和定时器中断不能执行。在这期间发生的中断只能等FROM指令执行完后开始执行。TO指令可以在中断程序中使用。

3、特殊辅助继电器M8028闭合状态,在TO指令执行时,如发生中断则执行中断程序，TO指令不能在中断程序中使用。

FROM指令是将PLC增设的特殊单元(如FX2N-4AD)缓冲存储器(BFM)的内容读到可编程控制器的指令

FROM、FROMP：十六位连续执行和脉冲执行型指令

DFROM、DFROMP：三十二位连续执行和脉冲执行型指令

读出指令FROM的编程格式：FROMK1K29D0K2

*K1：特殊模块的地址编号，只能用数值，范围：0---7

*K29：特殊模块的缓冲存储器起始地址编号，只能用数值，范围：0---32767

*D0：目标寄存器起始地址编号，可以用T，C，D和除X外的位元件组合如K4Y0

*K2：传送的点数，只能用数值。范围：1---32767

FROMK1K29D0K2指令的作用是：从特殊单元（或模块）N0.1的缓冲寄存器（BFM）#29，#30中读出16位数据传送至PLC的D0，D1寄存器里。

1、在特殊辅助继电器M8164闭合时，D8164内的数据做为传送点数。

2、特殊辅助继电器M8028断开状态，在FROM指令执行时，自动进入中断禁止状态，输入中断和定时器中断不能执行。在这期间发生的中断只能等FROM指令执行完后开始执行。FROM指令可以在中断程序中使用。

3、特殊辅助继电器M8028闭合状态,在FROM指令执行时,如发生中断则执行中断程序，FROM指令不能在中断程序中使用。

FX2N-4AD是将输入通道接收到的模拟信号转换成数字量，此模块有四个输入通道，较大分辨率是12位。

FX2N-4AD：

1、可选用的模拟值范围是-10V到10VDC（分辨率：5mV），或者是4到20mA，-20mA到20mA(分辨率20μA)。

2、FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器（每个是16位数据）。

3、FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。FX2N-4AD消耗FX2N主单元或有源扩展单元5V电源槽30mA的电流。

缓冲存储器（BFM）的分配如下：

*#0：通道初始化，缺省值H0000。

*#1---#4：通道1---通道4的平均采样数（1---4096），用于得到平均结果。缺省值高设为8（正常速度），高速操作可选择1。

#5---#8：通道1---通道4采样数的平均输入值，即根据#1---#4规定的平均采样次数，得出所有采样的平均值。

#9---#12：通道1---通道4读入的当前值。

#13，#14：保留，用户不可以更改。

*#15：选择A/D转换速度，设为0（缺省值）则选择正常速度（15ms/通道）；设为1则选择高速（15ms/通道）。

#16---#19：保留，用户不可以更改。

*#20：复位到缺省值和预设。缺省值为0。

*#21：禁止调整偏移、增益值。缺省值为（0，1）允许状态。

*#22：偏移，增益调整G4O4G3O3G2O2G1O1。

*#23：偏移值缺省值为0。

*#24：增益值缺省值为5000。

#25---#28：保留，用户不可以更改。

#29：错误状态。

#30：识别码K2010。

#31：禁用。

带*标志的缓冲区（如#0）可以用BFM写入指令TO从PLC写入。不带*标志的缓冲区(如#5)可以用BFM读出指令FROM读入到PLC。偏移的定义：当数字输出为0时的模拟量输入值。增益的定义：当数字量输出为+1000时的模拟量输入值。

实例如图：通道1与通道2用作电压输入，FX2N-4AD模块连接在特殊功能模块的0号位置，平均数设为4，PLC的D0，D1接收平均数字值。