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观点〡中国工业自动化的回顾与思考

  如今,中国工业自动化技术、产业和应用都有了很大的发展,但依然存在着较多的问题,通过了解工业自动化发展的历程,了解目前发展现状,有助于我们找到发展的目标和方向。

  工业自动化通常是指利用数字技术对工业生产过程进行检测、控制、优化、调度、管理和决策,以达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等综合性目的。

  工业自动化的产品主要包括人机界面、控制器、伺服系统、步进系统、变频器、传感器及相关仪器仪表等,作为智能装备的重要组成部分,是发展先进制造技术和实现现代工业自动化、数字化、网络化和智能化的关键,目前广泛应用于各个行业。

  进入21世纪以来,以人工智能、机器人技术、电子信息技术、虚拟现实等为代表的第四次工业革命将工业自动化水平提升到了更高的水平,一些先进的工业化国家开始通过物联网的信息系统将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化,最后达到快速、有效、个人化的产品供应,即进入了所谓的“工业4.0”的智能制造时代。

  我国现代工业的发展起步于清末的洋务运动,新中国成立后,在苏联的援建下,我国开始大力发展重工业,在能源、冶金、机械、化学和国防工业领域布局重点工程,通过近30年的艰苦奋斗,建成了种类齐全、完整、独立的工业体系,基本完成了工业化的原始积累,为此后的改革开放和工业化的发展奠定了基础。

  总的来说,我国工业自动化在改革开放以来大致以十年为周期,经历了“开端—攻坚—推广—深化—创新”五个发展阶段。

  20世纪70年代,我国政府敏锐地意识到了这一工业自动化技术的广阔市场前景,在政府的主导下,航空、机床、石油、化工、钢铁等行业率先引进CAD 、CAE数控系统、MIS、DCS、PLC、现场控制仪表等,成为国内大范围工业自动化工具普及的开端。

  1986年3月,我国启动实施了“高技术研究发展计划”,针对我国经济发展有重大影响的七个高技术领域进行攻关,简称为“863计划”,其中计算机集成制造系统(CIMS)成为自动化技术领域的研究主题之一得以落实。

  十年内,CIMS应用示范企业扩展到800多家,覆盖了机械、电子、化工、航空、造船、纺织等20多个行业,产生了明显的经济效益和社会效益。例如,成都飞机公司利用CIMS技术在国内成功地加工了标志90年代飞机数控加工高技术的飞机整体框架,比传统方法缩短工时4.5倍,在某型号新机型研制过程中,节约1万多个生产及准备工时,对赢得美国麦道公司的承包合同也起了巨大作用。北京第一机床厂通过实施CIMS工程,主导产品变形设计周期缩短1/2,库存占用资金减少10%,生产计划编制效率提高40~60倍。

  1991年,时任国务委员宋健提出“甩掉绘图板”(后被简称为“甩图板”)的号召,我国政府开始重视CAD(计算机辅助设计)技术的应用推广,并促成了一场在工业各领域轰轰烈烈的企业革新。“甩图板”工程推动了二维CAD的普及和应用。该工程的推广不仅大大提高了设计质量、加快了进度,而且通过多方案的比选优化,一般可节约基建投资3%~5%。

  2000年之后,随着OpenDWG联盟的兴起,中望、浩辰、纬衡、华途等公司先后推出了对AutoCAD兼容性更好的二维CAD软件,并且在正版化浪潮中,实现了快速成长,并实现了国际化。

  制造业信息化工程重点是抓好数字化设计、数字化生产、数字化装备和数字化管理,以此为基础,形成一批数字化企业。

  “十一五”和“十二五”期间,国家科技部门继续大力推动我国制造业信息化工程,包括组织制造业企业实施设计制造一体化的“甩图纸”示范推广工程和经营管理信息化的“甩账表”示范推广工程。2006年5月,国务院办公厅发布《2006~2020年国家信息化发展战略》,同时,制造业信息化被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020)》中制造业科技发展的重点方向。

  2016年11月,工信部发布了《信息化和工业化融合发展规划(2016~2020年)》,进一步推进两化融合的重点任务和工程建设。

  第一是定制:众创定制将用户碎片化需求整合,由为库存生产到为用户创造,用户全流程参与设计、制造等,由“消费者”变成“创造者”;

  第二是互联:与用户实时互联,从产品的研发到产品的制造,再到供应商、物流商,全流程、全供链的整合;

  随着《中国制造2025》和“互联网+”行动计划的推进,国内涌现出一批物联网、云计算、大数据、人工智能、工业互联网等技术和模式的产业化应用的标杆性企业,如1001号云制造平台、华虹IC工厂的供应链网络协同、美克家居个性化定制智能制造项目、海尔互联工厂、航天云网等。

  中国工业自动化的发展道路,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。

  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。

  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,并且从长远角度看,PC控制系统维护成本低。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,因此工业PC在中国得到了迅速的发展成为主流。

  自1975年霍尼韦尔公司推出世界上第一套分布式控制系统DCS系统以来,成功帮助众多企业解决了生产装置大型化和生产过程持续化所面临的控制问题,给企业带来经济效益的同时,DCS的应用也得到了广泛的传播。

  我国DCS技术的研发在20世纪80年代才开始,起步较晚,其产品技术发展上落后于国外。目前国外企业如艾默生、ABB、霍尼韦尔、横河、西门子等厂商仍占据国内DCS系统较大的市场份额,但近年来,由于中小型项目的快速发展,浙大中控、和利时等几个DCS厂商发展势头喜人,DCS市场份额大幅提高,已经位居国内市场前列。

  从未来的市场前景来看,DCS除了可以在传统的石化、化工、电力行业的应用之外,在市政、医药、太阳能、精细化工等行业的智能制造项目中也有广阔的应用空间;并且随着DCS功能的日趋完善,DCS平台的衍生产品和解决方案也在不断升级,如先进控制、能源管理、移动解决方案等,DCS服务市场的比重将不断扩大。

  无线通信技术给人们工作和生活带来的影响是空前的,正在向提供数据、语音、视频等多种全面服务转变。

  在工业自动化领域,有成千上万的感应器、检测器、计算机、PLC、读卡器等设备,需要互相连接形成一个控制网络,无线局域网设备有效地扩展了工业设备的联网通信能力。

  而计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合,将产生“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下,为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构,在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足,进一步完善了工业控制网络的通信性能。

  目前,中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,成为亚洲除日本之外第二大仪器仪表生产国。

  在中国仪器仪表各细分行业中,高端产品市场依然被国外大型企业所主导。专业化的仪器和装置是工业自动化的基础。从历年来我国专业、科学及控制用仪器和装置的进出口数据来看历年来进口的额度均大于出口,可见仪器仪表行业对外依存度依然较高,尤其是高端精密的仪器装置。我国仪器仪表产业虽然得到了快速发展,但与国外的差距仍然较大,主要体现在科技创新及其产业化进展缓慢;关键核心技术匮乏,低水平重复异常突出;产品稳定性和可靠性长期得不到根本性解决等。随着国际上数字化、智能化、网络化、微型化的产品逐渐成为主流,差距还将进一步加大。

  数控技术是一种数字化信息对加工工艺与机械运动过程进行控制的技术,主要应用于机床。1952年,美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控机床,开创了数字电气化控制的新纪元,标志着制造领域计算机时代的开始。随着计算机技术的飞速发展,各种不同层次的开放式数控系统应运而生。

  总体来看,我国数控系统市场基本上处于低档自给自足,中档受制于人,高档依赖进口的局面。从历年来中国的金属加工机床进出口结构来看,近年来每年出口数量超过800万台,但总出口金额仅39亿美元左右,平均每台的价格为几百美元;相反,进口金属加工机床2016年仅7万台,但金额高达75亿美元,平均每台金额高达十万美元以上,

  随着国民经济的发展,汽车、船舶、工程机械、航空航天等行业对我国机床行业的需求巨大,产品结构也逐渐向中高端转化,因而国内数控系统的市场潜力巨大。

  经过多年高速的发展,我国已基本实现工业机械化,但距离工业自动化还有很大差距。随着机器人、人工智能的升温,工业自动化趋势愈演愈烈,未来发展前景日趋明朗。推动工业自动化发展,不仅有助于促进传统行业进行改革,还将提升我国工业信息化程度,发展潜力巨大。

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