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我國工控行業搭建通用PLC平臺迫在眉睫

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-7-4 打印本頁

我國工控行業搭建通用PLC平臺迫在眉睫

  工業自動化控制是工業技術進步的重要方向,是機電一體化、推進兩化融合的基礎工作。但是,多年來一直缺少國家層面的關注和戰略性安排,處于嚴重落后階段,并存有重大隱患。

  什么是工廠自動化領域的自動控制技術?簡單講,用于連續流程的(電力、化工)即DCS,用于非連續過程的(冶金、造紙、紡織、機械加工等制造領域及環保等)為PLC。PLC用途廣泛,既解決單機自控,也提供流水線和工廠自動化解決方案。

  我國連續流程自動化(DCS)發展比較快,以能源和重化工為主,主要在應用方面,并且多年來得到國家政策支持,所以行業內部的認識和重視程度比較高,與國際先進水平的差距正在縮短。在斷續流程自動化(國外通常說“工廠自動化”FactoryAutomation,簡稱FA)領域,面臨的問題卻越來越緊迫。

  國際工控技術與產業的發展趨勢

  工業自動化控制是工業技術進步的重要方向:解決效率、產品質量、可靠性、一致性的基礎技術。

  普及工控是推進產業結構優化升級,以“信息技術改造傳統產業”,推進兩化融合的基礎工作。

  近幾十年,隨著ICT技術突飛猛進的發展,工業自控系統和儀表儀器技術進步很快,呈微型化、數字化、智能化、網絡化、集成化等特點。

  一般認為,工業自動化有兩個主要領域:以過程(流體運動)控制技術支撐的流程自動化(PA)和以運動控制技術支撐的工廠自動化(FA或離散型生產自動化)。前者從傳統的模擬式回路儀表起步,綜合ICT控制技術,發展為分布式(或集散式)控制系統DCS。其高度的可靠性、方便的組態軟件、豐富的控制算法、開放的聯網能力等優點,成為計算機工業控制系統的主流,廣泛應用于大型、設備眾多、工況復雜的流程型裝備的自動控制,如大型化工廠、火電廠等。

  可編程控制器(PLC):以繼電器技術為基礎,綜合ICT技術,以程序化方式實現設備的電氣控制。PLC結構緊湊、響應快、現場環境適應性與可靠性好(耐振動、噪聲、灰塵、油污等)、抗干擾能力強、價格較低,是與DCS并駕齊驅的另一主流控制系統。

  工業自動控制技術路線呈互相滲透、互相融合的趨勢。PLC應用范圍向中小型過程控制系統、近程維護服務系統、節能監控等領域擴展,在某些應用上取代了DCS。DCS也應用PLC與工控計算機聯合組網。總的趨勢是更加開放(細化分工合作)、標準化、產品化、集成化。

  上世紀90年代以來,現場總線技術FCS迅速發展。這是安裝在生產現場的數字式智能化儀表與測控設備,與自動控制裝置或系統間的多點通信、全分散、開放式的底層控制網絡系統。

  世界工控行業經過幾十年的大浪淘沙,已形成少數跨國公司規模生產、瓜分全球市場的寡頭壟斷局面。原來的幾百個廠商目前只剩下幾十個,最著名者如西門子、ABB、HONEYWELL、三菱、菲尼克斯等,其工控產品均號稱兼具DCS/PLC/FCS功能,在質量、價格、售后服務方面已經贏得了市場信譽。

  工業信息化是電子通信技術(ICT)與先進制造技術融合的產物,是設備可控性、測控設備適用性及信息優化應用的綜合成果。自控系統和儀表儀器是現代工業裝備以及交通、能源、國防、重大公益設備等的神經中樞、運行中心和安全屏障,其功能是監測控制整個工藝流程和產品質量,保障工業重大裝備安全可靠運行和實現高效優化。

  所以,推進制造環節自動化,是提升我國工業競爭力的核心技術之一,是兩化融合的基礎。推進工控技術自主創新,掌握工控行業發展主導權,扭轉目前過分依賴國外技術和受制于人的被動局面,是當前振興裝備工業的一個核心問題,是不能回避的戰略任務。

  我國工控行業總體落后的現狀與原因

  國產控制系統難以進入重大工程的關鍵、核心、主體裝備,這一市場的大部分仍被國外工控系統壟斷。

  工控發展滯后是中國工業大而不強的關鍵原因之一,也對產業安全和國家經濟安全帶來威脅。

  目前我國自主發展PLC工控系統,最需要的是形成一個具有較高通用性的工控系統平臺。

  我國的工控行業目前總體上處于弱勢地位,與國際先進水平仍有10~15年的差距。行業情況可概括為:技術差距大、市場信任度低、外資強勢競爭等。

  (一)用于重大裝備的DCS取得重要進展,現場儀表和頂層系統薄弱。

  上世紀80年代,我國使用的DCS產品全部是國外產品,當時國家組織對進口成套重大裝備的自控系統進行技術消化,原機械、電力兩部協同攻關,率先在大型火電機組領域實現突破。目前自主研制的超臨界300~600MW火電機組主控DCS系統已裝機數十套、經受了多年運行檢驗。在這個過程中,一些中資企業脫穎而出,如北京和利時、浙大中控、新華中控等。上海自動化儀表、國電智深公司也在300~600MW機組主控DCS具備了相同能力。但由于工程應用能力、質量、聲譽等原因,這些產品的應用對象,除電力外,仍以中小工程項目為主,或用于大型工程項目的非主要部分,用量更大的大型石化工程主控系統尚未能進入。

  我國自控產業鏈的兩頭——底層的現場儀表(尤其是變送器和執行機構)、上層的綜合自動化軟件是最薄弱環節。我國自行設計制造的智能變送器只占國內市場的9%。頂層綜合控制軟件能力弱,一方面是因為工控企業對用戶的工藝特征理解不深刻,經驗積累不足,從而制約了頂層集成能力和快速進入細分市場的能力(工控企業受制于國家關于設計企業資質門檻的規定也是一方面原因)。用戶市場對本國工控技術/產品的不認同,制約了自主研發的工控產品實踐提高的機會。

  由于上述原因,國產控制系統難以進入重大工程的關鍵、核心、主體裝備,這一市場的大部分仍被國外工控系統壟斷。
(二)用于廣大離散型工廠自動化的PLC系統,情況不容樂觀。

  當前PLC技術的應用范圍,涵蓋了除大型化工、電力企業之外的幾乎所有工業行業。但是,目前我國PLC應用市場,95%以上被外國產品占領,本國企業處于絕對劣勢。

  跨國公司的產品享受零部件進口免稅等政策優惠,本國廠商在家門口面對強勢國際競爭,毫無招架之力。

  (三)PLC系統難自立,行業研發平臺缺失。

  一是本國企業和機構,規模小、業務分散,形不成氣候。此類企業中,有些是原工業部門承擔行業共性技術的研究所或大學科研單位改制而來,如和利時、浙大中控、北京機械自動化研究所等。

  二是到目前為止,我國企業尚未真正掌握FA工控的核心技術。本國PLC廠商技術都是架構在外國的控制技術上,主干基礎硬件幾乎全部由外國公司提供,基礎軟件也依賴進口。我國PLC廠商的業務,只是局限在運用進口硬件與基礎軟件,針對具體工藝控制的需求,運用ICT技術進行集成、做應用軟件。在系統的設計訣竅方面,在系統可靠性、產品質量(一致性、可靠性)、市場信譽方面,與國外先進水平尚有較大差距。就是國內引為自豪的數控系統,情況也大體如此。

  三是作為科研型的工控企業,由于規模小和專業分散,缺乏國內統一標準的硬件和基礎軟件支撐,單打獨斗,形不成規模。

  四是受外資控制與擠壓,競爭能力差。我國一些企業曾經自主開發PLC硬件平臺,但產品剛有眉目,跨國公司立即降價。由于PLC系統是技術密集型的成熟產品,本國產品初次面世,性能與價格都缺乏競爭優勢。加上缺乏國家政策支持,在市場上根本無法立足,陷入了“市場信譽度低—缺乏實踐與改進機會—市場信譽進一步降低”的惡性循環。

  五是產學研結合的現實困境:國家工業管理機構多次變更,一些共性技術研究所改企業,原有的研究進程中斷,技術積累流失或老化。

  自主發展能力關系國家工業發展戰略

  工控行業自主發展能力關系國家的工業發展戰略,也考驗其戰略規劃的眼光。

  建設企業為主體、官產學研用相結合的創新體系和相應的行業管理機制,是國際通用模式。

  通過對工控產業現狀和問題的調研,感到我國工業的指導思想和體制政策方面,有若干值得思考之處。

  (一)關于工業發展的戰略指導思想。
  
  改革開放推動了我國在市場化條件下加入世界產業分工體系。在用勞動密集型產品換取國外技術密集型產品的同時,關系到工業結構中必須堅守的戰略要點(如工控行業),也不自覺地遵從“國際分工”,給產業升級帶來不利的影響。

  上世紀80年代引進國外先進生產線,為節約外匯僅對單臺自動化技術感興趣,指導思想是能用人工的盡量用人工。由于當時對工廠自動化的意義認識不完整,重點考慮效率,把自動生產線加工精度和質量放在第二位,以致錯過了趕上工廠自動化國際潮流的歷史機遇。

  國家在重大裝備的發展規劃中,把重點放在“可購買性差的戰略性產品”上。而市場規模較大的中小型PLC系統,由于進口方便、政策鼓勵,又受到用戶追捧,其消化創新、自主發展的問題就容易被管理層忽視。對事關戰略的核心技術持“能買就買”、“買不到才自己干”的被動響應的態度,等于不自覺地跟隨西方劃定的國際分工格局,模糊了自己的努力目標。

  (二)關于工業發展規劃中的傾向性。

  我國各類發展規劃中,制定重點項目,通常選擇通過重大產品帶動研發的方式,特別是具有重大標志性、產業拉動作用較顯著的主機產品,如核電、新能源、大飛機、汽車、數控機床等。這一原則本身是正確的。但在具體執行中,容易發生畸輕畸重的傾向。

  一是“有形先于無形,整機重于零部件”。傳統思維將“制造業”與“電子信息”分開,但現代裝備制造已經基本實現控制系統與機電系統的融合。而我國的工業規劃至今還將工業自動控制置于“配角”地位。推進兩化融合,必須轉變固有的“制造業”思維定式。

  二是缺乏工業的整體發展意識。工業結構呈“主機—控制—零部件—材料—工藝”的金字塔形結構。工業的“中間部門”如內燃機、泵閥液壓密封緊固件等通用基礎件、材料,以及共性制造技術、機電一體化的控制裝置等,其技術的不斷進步,是各類主機品質性能得以提高的基礎,是工業競爭力的根基。基礎長期依賴外來技術,國家的工業發展就等于建立在沙灘上。

  在工控領域,也存在畸重畸輕問題。國家比較重視DCS系統,尤其是重大裝備自控系統中的主控DCS部分,但對其兩端則投入不足;對量大面廣的PLC系統,因有可買性、小企業多、行業組織難等問題,則至今未能列入“十二五”發展規劃。

  在中間產品、基礎材料和制造工藝方面,目前與國際先進水平差距較大。尤其中間產品領域主要是中小企業,面對德國西門子、博世這樣的零部件巨型跨國企業的強勢壓迫,廣大中小企業只能維持生存,沒有充當技術創新主體的實力。而這一領域恰恰是最需要加強基礎科技支持的。

  (三)建設企業為主體、官產學研用相結合的創新體系和相應的行業管理機制,是國際通用模式。
  應當注意的是,企業規模大、產業集中度高的行業和企業規模偏小、產業集中度低的行業,兩者的技術進步機制有很大不同。在工控行業,DCS能在火電領域站住腳,首先在于得到具有壟斷地位的電力用戶的支持。而多數競爭充分、企業小而散的機械企業,“以企業為主體”的研發體制,必須以行業的組織力為前提。

  四方面入手解決工控發展瓶頸問題

  振興裝備工業,需高度重視基礎科學支撐,重視共性技術研發、基礎零部件的同步發展。

  建議“十二五”就“工廠自動化控制系統平臺”進行科研與產業化立項,支持PLC共性平臺研發與重點應用領域的結合、推廣。

  PLC用途廣泛,必須使研發與制造高度合作,注重發揮相關行業協會的協調作用、牽頭重點研發企業與應用企業,共同組成研發團隊。

  業內專家就此問題,提出相關對策思路:第一,建設一個國家層面的、通用的、共性的、全面的PLC平臺。

  因為發展階段問題,我國目前比較重視可購買性差的、有戰略性強度以及拉動性較大的產業,如核電站、風電、太陽能、大飛機、汽車等,但是上述這些產業都少不了PLC,每一臺機器都是要一臺甚至多臺PLC來控制。

  控制系統應該是屬于第二層次,但是不等于其重要性也是第二層次。

  一個PLC通用平臺,無論是作為信息化產品、控制技術產品還是兩化融合的骨干產品,都應該被重點關注。遺憾的是,國家的裝備制造業振興規劃只有在基礎零部件的最后一句提到了工業自動化控制系統,但是基礎零部件跟工業自動化控制系統關系并不大,技術的復雜性和非單一性比鑄件、鍛件等基礎零部件要強得多,將其歸入基礎零部件是不科學的。

  有些產品雖然成熟度大,但批量生產不容易,比如大飛機,可PLC不存在這樣的問題,國外知名企業已經把批量化做得很完善了。然而,越是可以批量生產的東西,越是成熟,門檻也就越高,如果沒有國家的支持,中國的企業不可能具有實力和外國企業競爭。中國要打造的PLC平臺,應該是一個包括研發平臺、制造平臺和應用平臺的綜合型平臺。

  要解決PLC的根本問題,研發、制造、應用三個平臺缺一不可。這是一個大工程,可以分階段來完成,在一個五年計劃里很難全部實現。所以有必要列個項目,組織研究這個對國民經濟有重大意義的關鍵產品。在國家支撐下,建立研發、制造和應用平臺,而不單是應用平臺。至于怎么組織、組織誰還要進一步討論,但是首先要把它放對位置,這涉及到我們整個斷續流程工業的發展和做大做強問題,涉及到整個兩化融合是不是真正能夠在斷續流程的工業里真正地推廣下去。

  第二,從市場細分著手,以軟件帶動硬件發展。

  要想與國外優勢企業正面競爭,僅僅依靠模仿和跟隨,人家做什么我們做什么,中國企業的贏面很小。因為從價格層面看,國外已經形成批量生產,成本控制得很好,價格已經很低了,我們就算再便宜20%,就PLC這一產品來說,對于整套設備購買來說,價格差別也不會很大。所以只有從特點上、從市場細分上與國外企業較量。

  因此,我國應用平臺的建設需要系統集成商參與進來。比如金自天正,該公司已經可以做鋼鐵行業的自動化總包了,對鋼鐵生產線所有的應用軟件都很清楚。如果這樣的企業能參加PLC平臺的建設,將來發展起來,容易得到用戶對產品的認可,用替換的方式把國產PLC逐步立起來。

  所以公共平臺的開發要和用戶結合起來,跟有實力的集成商和必須使用PLC的大設備制造商結合起來,做市場細分。另外,要研究一些相對技術含量比較高的,能夠提煉出來的技術,如控制算法等,把這些成果提供給系統集成商,讓他們做到軟件里面,變成我們獨有的擁有知識產權的應用軟件,并在此基礎上做PLC硬件。

  第三,共性技術的開發及所有權應歸國家,推廣可以借鑒國外經驗。

  共性技術的關鍵在于其成果的推廣,有各方的利益關系在其中糾葛。如果共性技術的開發,國家只是撥一部分錢,其他的要企業自籌,問題就會變得復雜:知識產權屬于誰?是不是所有企業都要花錢購買?技術成果什么價格?怎么推廣?

  用一個小團體推廣共性技術,最后可能是搞科研的單位成為企業的競爭對手。最近美國提出了一個振興裝備制造業的框架意見,里面有一個建議是:最基本的成果,或者說帶有共性技術的成果,應該由國家承擔全部資金支持,最終成果歸國家所有。國家拿到成果以后,進行公開招標,企業自己分析這個成果有沒有前途,有沒有市場前景。產品招標國家不負擔任何費用,企業認為投資進去、產業化、做市場,最后一年能賣出多少,拿指標來進行投標。國家把這個技術給企業,如果真的達到了預期目標,國家用減稅的方式給予補助。簡言之,只有真的推廣起來了,企業才能從國家得到補助。沒有銷量就沒有減稅,這不失為新技術推廣切實可行的一個辦法。

  具體政策建議:

  一是建議國家“十二五”規劃中關于裝備工業領域,設立“工廠自動化控制系統平臺的科研與產業化”項目,支持PLC共性平臺研發以及重點領域的應用推廣。

  二是建議由國務院相關部門領導,儀器儀表行業協會牽頭,組織有關單位企業組成官產學研用結合的技術攻關組織,作為承擔該項目的責任主體。

  三是項目的主體任務,首先是建立我國具有較廣泛通用性的工控PLC平臺。

  平臺包括研發/設計、制造、應用三部分,并給出通用PLC平臺具體產品目標要求(系統硬件、軟件)、功能要求(硬件、軟件的通用性技術指標,性能的先進性與可靠性指標)。

  四是配套政策跟進,如首臺套須給以足夠支持、資助示范工程、試運行改進、首臺套采購政策等。

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