中國工業(yè)自動化是伴隨著改革開放起步的: 20世紀(jì)70年代以政府主導(dǎo)的計算機輔助軟件的引進和開發(fā)是中國工業(yè)自動化的開端；進入80年后，“863”計劃將計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) 的開發(fā)作為主要攻克主題，有力地推動了工業(yè)自動化技術(shù)的突破；到了20世紀(jì)90年代，“甩圖板”工程促使企業(yè)進行技術(shù)革新；2000年之后，國家主推制造業(yè)信息化工程，使工業(yè)自動化得以普及；而2010年之后中國的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟快速發(fā)展，促進了“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”的一系列新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)，工業(yè)自動化朝著智能工廠的方向發(fā)展。

    如今，中國工業(yè)自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，但依然存在著較多的問題，建議通過以下幾點推進工業(yè)自動化的發(fā)展：第一，以應(yīng)用促提升，降低重大工程的自動化控制系統(tǒng)對外依存度；第二，推進基礎(chǔ)共性技術(shù)的研發(fā)，解決自動化行業(yè)科研能力不足、缺乏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的問題；第三，實施重大專項，由技術(shù)驅(qū)動向應(yīng)用驅(qū)動轉(zhuǎn)變，發(fā)展民族品牌；第四，緊跟互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢，整合已有市場信息，開發(fā)公共技術(shù)開發(fā)平臺和解決方案軟件。

一、工業(yè)自動化的定義及其發(fā)展歷史

    (一) 工業(yè)自動化的定義

    工業(yè)自動化是自動化技術(shù)的一種應(yīng)用，在英文中稱為Industrial Automation，通常是指利用數(shù)字技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程進行檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，以達到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等綜合性目的(Guarnieri，2010)。作為現(xiàn)代工業(yè)的支撐技術(shù)之一，工業(yè)自動化解決了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量一致性的難題，其廣泛應(yīng)用大幅提升了生產(chǎn)效率，改善了勞動條件，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化程度，并可以提高生產(chǎn)企業(yè)對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的預(yù)測及決策能力，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)規(guī)模、高效、精準(zhǔn)、智能、安全的重要前提和保證。

    工業(yè)自動化的產(chǎn)品主要包括人機界面、控制器、伺服系統(tǒng)、步進系統(tǒng)、變頻器、傳感器及相關(guān)儀器儀表等，作為智能裝備的重要組成部分，是發(fā)展先進制造技術(shù)和實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的關(guān)鍵，目前廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。

     (二)工業(yè)自動化的發(fā)展歷史

    世界工業(yè)自動化的發(fā)展歷史是伴隨著幾次工業(yè)革命推進的(見圖1) 。

 
圖1 世界工業(yè)自動化的發(fā)展歷史

    首先，17世紀(jì)第一次工業(yè)革命時期，蒸汽機的發(fā)明和使用引發(fā)了對溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、浮動調(diào)節(jié)、速度控制等自動控制系統(tǒng)的要求，通過反復(fù)試驗和大量的工程直覺，出現(xiàn)一些利用風(fēng)能、水 能、蒸汽動力等實現(xiàn)自動化工業(yè)流程的自動織機、自動紡紗機、自動面粉廠(Jacobson and Rouek，1959；Hounshell，1984)。不過，這一階段的自動化控制更多地取決于工程直覺而非科學(xué)，直到19世紀(jì)中期，數(shù)學(xué)成為自動控制理論的形式化語言，才得以保證反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    其次，到了19世紀(jì)中期的第二次工業(yè)革命時期，工廠電氣化引入了繼電器邏輯(Relay Logic)，利用控制器記錄儀表數(shù)據(jù)，通過彩色編碼燈發(fā)送信號，最后由操作員手動開關(guān)來實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制(Bennett，1993)。電氣化大大提高了工廠的生產(chǎn)率，進一步為工業(yè)自動化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)推動了大眾傳播和信號處理領(lǐng)域的重大進展，自動控制相關(guān)的微分方程、穩(wěn)定性理論和系統(tǒng)理論、頻域分析、隨機分析等也得到了關(guān)鍵進展。

    再次，20世紀(jì)中期的第三次工業(yè)革命又被稱為信息技術(shù)革命，隨著計算機、通信、微電子、電力電子、新材料等技術(shù)不斷更新，自動控制變得更為便利，工業(yè)自動化技術(shù)得到快速普及和發(fā)展，幾乎所有類型的制造和組裝過程都開始實施廣泛的自動化。1952年世界第一臺數(shù)控機床在美國誕生，工業(yè)自動化隨工業(yè)化大生產(chǎn)應(yīng)運而生。20世紀(jì)六七十年代在單機自動化的基礎(chǔ)上，各種組合機床、組合生產(chǎn)線相繼出現(xiàn)，同時軟件數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以后，為適應(yīng)工件的多品種和小批量生產(chǎn)，工業(yè)自動化向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化方向發(fā)展，代表性的應(yīng)用系統(tǒng)為計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)。

    最后，進入21世紀(jì)以來，以人工智能、機器人技術(shù)、電子信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等為代表的第四次工業(yè)革命將工業(yè)自動化水平提升到了更高的水平，一些先進的工業(yè)化國家開始通過物聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達到快速、有效、個人化的產(chǎn)品供應(yīng)，即進入了所謂的“工業(yè)4.0”的智能制造時代。

二、我國工業(yè)自動化的發(fā)展歷程

    我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起步于清末的洋務(wù)運動，創(chuàng)辦了一批近代軍事工業(yè)、民用工礦業(yè)和運輸業(yè)，例如江南機器制造總局、福州船政局、開平礦務(wù)局等，促使了近代企業(yè)和民族資本主義的誕生。但是由于洋務(wù)運動時期的工廠基本全部購買國外現(xiàn)成的機器設(shè)備，聘用國外專業(yè)技術(shù)人員，且經(jīng)過多年的動亂和戰(zhàn)爭，少之又少的工廠遭到摧毀，到新中國成立時，中國的現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)近乎于無。新中國成立后，在蘇聯(lián)的援建下，我國開始大力發(fā)展重工業(yè)，在能源、冶金、機械、化學(xué)和國防工業(yè)領(lǐng)域布局重點工程，通過近30年的艱苦奮斗，建成了種類齊全、完整、獨立的工業(yè)體系，基本完成了工業(yè)化的原始積累，為此后的改革開放和工業(yè)化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

    中國工業(yè)自動化的過程是伴隨著中國工業(yè)化的發(fā)展同步推進的，尤其是改革開放正好趕上信息技術(shù)為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，信息技術(shù)具有高滲透性和高帶動性，有力地加速了我國工業(yè)自動化的進程(吳澄，2013)�？偟膩碚f，我國工業(yè)自動化在改革開放以來大致以十年為周期，經(jīng)歷了“開端—攻堅—推廣—深化—創(chuàng)新”五個發(fā)展階段(見圖2)。

 
圖2 我國工業(yè)自動化歷史的簡要回顧

     (一) 開端——20世紀(jì)70年代計算機輔助軟件的引入

    20世紀(jì)70年代，當(dāng)時一些知名的國外軟件公司開發(fā)和推出了各類計算機輔助系統(tǒng)的軟件，比如CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAE(計算機輔助求解復(fù)雜工程)、CAM(計算機輔助制造)。例如，美國洛克希德公司從1974年起向市場推出了CADAM系統(tǒng)，20世紀(jì)成為70年代中至80年代末國際上最流行的第一代IBM主機版交互繪圖系統(tǒng)；麥道公司從1976年起開發(fā)Ungraphics系統(tǒng)，至今仍是機械行業(yè)CAD/CAM的高端四大主流系統(tǒng)之一。這些軟件可應(yīng)用于航空、汽車等復(fù)雜裝備行業(yè)，以提高這些行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和制造中的零部件精度問題。

    我國政府敏銳地意識到了這一工業(yè)自動化技術(shù)的廣闊市場前景，在政府的主導(dǎo)下，航空、機床、石油、化工、鋼鐵等行業(yè)率先引進CAD (計算機輔助設(shè)計)、CAE(計算機輔助求解復(fù)雜工程) 數(shù)控系統(tǒng)、MIS(管理信息服務(wù)器)、DCS(數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng))、PLC(可編程邏輯控制器)、現(xiàn)場控制儀表等，成為國內(nèi)大范圍工業(yè)自動化工具普及的開端。具體引進操作上，主要通過合作開發(fā)和技術(shù)學(xué)習(xí)，例如，航空工業(yè)部在1983年初與西德MBB公司互訪，商定合作開發(fā)飛機設(shè)計制造管理集成系統(tǒng)，稱作CADEMAS計劃，中方從部屬廠、所、校抽調(diào)技術(shù)骨干20余人，在德國工作到1988年。在技術(shù)引進的同時，政府也注重軟件國產(chǎn)化，“七五”期間機械工業(yè)部投入8200萬元，組織浙江大學(xué)、中科院沈陽計算所、北京自動化所、武漢外部設(shè)備所分別開發(fā)四套CAD通用支撐軟件，并由34家下屬廠、所、校合作開發(fā)24種重點產(chǎn)品的CAD應(yīng)用系統(tǒng)。在CAE的應(yīng)用研發(fā)上，1979年美國的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析程序向國內(nèi)引進移植成功，也掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。

    (二) 攻關(guān)——20世紀(jì)80年代“863計劃”攻克計算機集成制造系統(tǒng)CIMS

    計算機輔助軟件基本只能滿足單一過程的測管控，隨著工業(yè)化大生產(chǎn)的發(fā)展，對于系統(tǒng)集成的要求越來越高。美國學(xué)者約瑟夫·哈林頓博士最早于1973年就提出了計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)的概念，是通過計算機硬軟件，并綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關(guān)的人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息與物流有機集成并優(yōu)化運行的復(fù)雜大系統(tǒng)。CIMS將計算機的單機運行轉(zhuǎn)化為集成運行，是一個非常大的跨越，其技術(shù)構(gòu)成包括制造技術(shù)、敏捷制造、虛擬制造和并行工程，是工業(yè)自動化的革命性成果。

    1986年3月，我國啟動實施了“高技術(shù)研究發(fā)展計劃”，針對我國經(jīng)濟發(fā)展有重大影響的七個高技術(shù)領(lǐng)域進行攻關(guān)，簡稱為“863計劃”，其中計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)成為自動化技術(shù)領(lǐng)域的研究主題之一得以落實。具體在清華大學(xué)建成了國家CIMS工程研究中心，負責(zé)CIMS關(guān)鍵技術(shù)的研究，技術(shù)成果的推廣應(yīng)用，以及技術(shù)人才的培訓(xùn)。十年內(nèi)，CIMS應(yīng)用示范企業(yè)擴展到800多家，覆蓋了機械、電子、化工、航空、造船、紡織等20多個行業(yè)，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。例如，成都飛機公司利用CIMS技術(shù)在國內(nèi)成功地加工了標(biāo)志90年代飛機數(shù)控加工高技術(shù)的飛機整體框架，比傳統(tǒng)方法縮短工時4.5倍，在某型號新機型研制過程中，節(jié)約1萬多個生產(chǎn)及準(zhǔn)備工時，對贏得美國麥道公司的承包合同也起了巨大作用。北京第一機床廠通過實施CIMS工程，主導(dǎo)產(chǎn)品變形設(shè)計周期縮短1/2，庫存占用資金減少10%，生產(chǎn)計劃編制效率提高40～60倍。1994年和1999年，國家CIMS工程研究中心和華中理工大學(xué)分別獲美國制造工程師學(xué)會的“大學(xué)領(lǐng)先獎”，1995年，北京第一機床廠的CIMS工程相繼獲得美國制造工程師學(xué)會的“工業(yè)領(lǐng)先獎”和聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織的“可持續(xù)工業(yè)發(fā)展獎”，表明我國的CIMS研究開發(fā)和應(yīng)用開始進入國際先進行列。

    (三) 推廣——20世紀(jì)90年代“甩圖板”工程革命

    1991年，時任國務(wù)委員宋健提出“甩掉繪圖板”(后被簡稱為“甩圖板”)的號召，我國政府開始重視CAD(計算機輔助設(shè)計)技術(shù)的應(yīng)用推廣，并促成了一場在工業(yè)各領(lǐng)域轟轟烈烈的企業(yè)革新。“甩圖板”工程推動了二維CAD的普及和應(yīng)用。該工程的推廣不僅大大提高了設(shè)計質(zhì)量、加快了進度，而且通過多方案的比選優(yōu)化，一般可節(jié)約基建投資3%～5%。

    在“甩圖板”工程的推動下，我國計算機輔助技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得了較大進步，眾多國產(chǎn)CAD企業(yè)如雨后春筍般建立起來。在發(fā)展初期，產(chǎn)生了凱思(中科院軟件所)、開目(華中理工大學(xué))、中國CAD(深圳喬納森)、高華CAD(清華大學(xué))等自主平臺的二維CAD系統(tǒng)，以及基于AutoCAD二次開發(fā)的InteCAD(天喻CAD的前身，華中理工大學(xué))、艾克斯特(清華大學(xué))等系統(tǒng)，開創(chuàng)了一段國產(chǎn)二維機械CAD發(fā)展的黃金時代。2000年之后，隨著OpenDWG聯(lián)盟的興起，中望、浩辰、緯衡、華途等公司先后推出了對AutoCAD兼容性更好的二維CAD軟件，并且在正版化浪潮中，實現(xiàn)了快速成長，并實現(xiàn)了國際化。

    除了自動化產(chǎn)業(yè)本身的發(fā)展，“甩圖板”工程同時推動了各行業(yè)的企業(yè)信息化普及高潮:在600多家企業(yè)進行了CAD技術(shù)應(yīng)用示范，3000多家企業(yè)進行了重點應(yīng)用，并帶動數(shù)萬家企業(yè)開展CAD應(yīng)用。

    (四) 深化——2000～2010年國家制造業(yè)信息化工程

    世紀(jì)之交，中國加入世貿(mào)組織，面臨經(jīng)濟全球化的重大機遇與挑戰(zhàn)，為了盡快提高我國制造業(yè)的整體素質(zhì)和競爭力，科技部從“863計劃”和攻關(guān)計劃中拿出8億元資金，組織實施“制造業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范工程”，簡稱“制造業(yè)信息化工程”重大項目。這是加入世貿(mào)組織以后，科技部在以信息化帶動工業(yè)化，以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面的一個重要舉措。制造業(yè)信息化工程重點是抓好數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化裝備和數(shù)字化管理，以此為基礎(chǔ)，形成一批數(shù)字化企業(yè)。這一工程沿著兩條主線推進，一是全國各省市制造業(yè)信息化工程建設(shè)，主要任務(wù)包括應(yīng)用示范、技術(shù)服務(wù)和應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)等；二是關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，包括企業(yè)資源管理、制造執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)控裝備、企業(yè)集成平臺和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)制造等7項關(guān)鍵技術(shù)，與企業(yè)應(yīng)用示范和技術(shù)服務(wù)等緊密結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

    “十五”期間的制造業(yè)信息化工程建設(shè)取得了良好的效果，培育了一批制造業(yè)信息化專業(yè)服務(wù)機構(gòu)，在27個省、49個重點城市和6000多家企業(yè)推廣了制造業(yè)信息化工程。在隨后的“十一五”和“十二五”期間，國家科技部門繼續(xù)大力推動我國制造業(yè)信息化工程，包括組織制造業(yè)企業(yè)實施設(shè)計制造一體化的“甩圖紙”示范推廣工程和經(jīng)營管理信息化的“甩賬表”示范推廣工程。2006年5月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《2006～2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》，同時，制造業(yè)信息化被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》中制造業(yè)科技發(fā)展的重點方向。黨的十六期間提出兩化融合的概念，即“以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化”。到了黨的十七大，進一步上升為“促進信息化與工業(yè)化融合，走新型工業(yè)化道路”。2016年11月，工信部發(fā)布了《信息化和工業(yè)化融合發(fā)展規(guī)劃(2016～2020年)》，進一步推進兩化融合的重點任務(wù)和工程建設(shè)。

    (五) 創(chuàng)新——2010～2020年“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”

    隨著第四次工業(yè)革命以及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模制造向大規(guī)模定制轉(zhuǎn)型，工業(yè)自動化更多地需要搜集用戶碎片化的需求數(shù)據(jù)，并且通過實時互聯(lián)，保證用戶的全流程參與和可視化。概括來說，互聯(lián)工廠有三個基本特征。第一是定制：眾創(chuàng)定制將用戶碎片化需求整合，由為庫存生產(chǎn)到為用戶創(chuàng)造，用戶全流程參與設(shè)計、制造等，由“消費者”變成“創(chuàng)造者”；第二是互聯(lián)：與用戶實時互聯(lián)，從產(chǎn)品的研發(fā)到產(chǎn)品的制造，再到供應(yīng)商、物流商，全流程、全供鏈的整合；第三是可視：全流程體驗可視化，用戶實時體驗產(chǎn)品創(chuàng)造過程。

    為了順應(yīng)這一潮流，2015年7月，國務(wù)院印發(fā)《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，鼓勵利用互聯(lián)網(wǎng)思維發(fā)展新的業(yè)態(tài)模式，提升社會創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，在工業(yè)領(lǐng)域，“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”即傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)采用移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)眾包等信息通信技術(shù)，改造原有產(chǎn)品及研發(fā)生產(chǎn)方式，與“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)4.0”的內(nèi)涵一致。具體來看，包括表1中所示的幾個模式。隨著《中國制造2025》和“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的推進，國內(nèi)涌現(xiàn)出一批物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和模式的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的標(biāo)桿性企業(yè)，如1001號云制造平臺、華虹IC工廠的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、美克家居個性化定制智能制造項目、海爾互聯(lián)工廠、航天云網(wǎng)等(工信部，2016)。

 表1 “互聯(lián)網(wǎng) + 工業(yè)”的幾種模式

三、我國工業(yè)自動化的發(fā)展現(xiàn)狀

    中國工業(yè)自動化的發(fā)展道路，大多是在引進成套設(shè)備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發(fā)和應(yīng)用。如今，中國工業(yè)控制自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，中國工業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成(劉鑫，2003)。

    (一) 以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化成為主流

    工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)，基礎(chǔ)自動化部分基本被PLC(可編程邏輯控制器)和DCS(分布式控制系統(tǒng))所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進口的過程計算機或小型機組成，其硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的價格之高令眾多企業(yè)望而卻步。20世紀(jì)90年代以來，由于基于PC的工業(yè)計算機(簡稱工業(yè)PC)的發(fā)展，以工業(yè)PC、I/O裝置、監(jiān)控裝置、控制網(wǎng)絡(luò)組成的基于PC的自動化系統(tǒng)得到了迅速普及，成為實現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑�；�于PC的控制系統(tǒng)易于安裝和使用，有高級的診斷功能，為系統(tǒng)集成商提供了更靈活的選擇，并且從長遠角度看，PC控制系統(tǒng)維護成本低。在中國，中小型企業(yè)以及準(zhǔn)大型企業(yè)走的還是低成本工業(yè)控制自動化的道路，因此工業(yè)PC在中國得到了迅速的發(fā)展成為主流。

    (二) 國產(chǎn)分布式控制系統(tǒng)DCS發(fā)展勢頭良好

    自1975年霍尼韋爾公司推出世界上第一套分布式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)系統(tǒng)以來，成功幫助眾多企業(yè)解決了生產(chǎn)裝置大型化和生產(chǎn)過程持續(xù)化所面臨的控制問題，給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益的同時，DCS的應(yīng)用也得到了廣泛的傳播。

    我國DCS技術(shù)的研發(fā)在20世紀(jì)80年代才開始，起步較晚，其產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展上落后于國外。目前國外企業(yè)如艾默生、ABB、霍尼韋爾、橫河、西門子等廠商仍占據(jù)國內(nèi)DCS系統(tǒng)較大的市場份額，但近年來，由于中小型項目的快速發(fā)展，浙大中控、和利時等幾個DCS廠商發(fā)展勢頭喜人，DCS市場份額大幅提高，已經(jīng)位居國內(nèi)市場前列。

    如圖3所示，2016年中國DCS市場規(guī)模為60.52億元人民幣，其中浙大中控、和利時的占比分別為19%、18%，位居行業(yè)第一位、第三位。近年來，國內(nèi)品牌由于進入行業(yè)早、項目積累多，加上價格優(yōu)勢，逐漸從外資品牌口中搶奪市場份額，業(yè)績處于小幅提升的狀態(tài)，外資品牌均有不同程度的下滑，如霍尼韋爾、施耐德、ABB等2016年的業(yè)績下滑都在20%以上。從未來的市場前景來看，DCS除了可以在傳統(tǒng)的石化、化工、電力行業(yè)的應(yīng)用之外，在市政、醫(yī)藥、太陽能、精細化工等行業(yè)的智能制造項目中也有廣闊的應(yīng)用空間；并且隨著DCS功能的日趨完善，DCS平臺的衍生產(chǎn)品和解決方案也在不斷升級，如先進控制、能源管理、移動解決方案等，DCS服務(wù)市場的比重將不斷擴大。

圖3 2016年中國DCS主要供貨商市場份額

    (三) 移動通信技術(shù)全球領(lǐng)跑

    無線通信技術(shù)給人們工作和生活帶來的影響是空前的，目前全球范圍內(nèi)第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)正在快速向5G演變。5G技術(shù)相比目前4G技術(shù)，其峰值速率將增長數(shù)十倍，從4G的100Mb/s提高到幾十Gb/s。移動通信正在向提供數(shù)據(jù)、語音、視頻等多種全面服務(wù)轉(zhuǎn)變。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，有成千上萬的感應(yīng)器、檢測器、計算機、PLC、讀卡器等設(shè)備，需要互相連接形成一個控制網(wǎng)絡(luò)，通常這些設(shè)備提供的通信接口是RS-232或RS-485。無線局域網(wǎng)設(shè)備使用隔離型信號轉(zhuǎn)換器，將工業(yè)設(shè)備的RS-232串口信號與無線局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡(luò)信號相互轉(zhuǎn)換，符合無線局域網(wǎng)IEEE 802.11b和以太網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，有效地擴展了工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通信能力。而計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的結(jié)合，將產(chǎn)生“基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器”的全新概念。這種基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使得工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。無線局域網(wǎng)技術(shù)能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場設(shè)備、移動機器人以及各種自動化設(shè)備之間的通信提供高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進一步完善了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能。

    我國移動通信技術(shù)起步雖晚，但在5G標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)上正逐漸成為全球的領(lǐng)跑者。華為、中興、大唐等國內(nèi)領(lǐng)軍通信設(shè)備企業(yè)高度重視對5G技術(shù)的研發(fā)布局，在標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面已獲得業(yè)界認(rèn)可。如中興早在2014年就聯(lián)合國移動在深圳完成全球首個TD-LTE 3D/Massive MIMO基站的預(yù)商用測試，2016年開始規(guī)模部署在全球建設(shè)10張商用網(wǎng)絡(luò)。華為已經(jīng)在5G新空口技術(shù)、組網(wǎng)架構(gòu)、虛擬化接入技術(shù)和新射頻技術(shù)等方面取得重大突破，其polar碼方案成為5G國際標(biāo)準(zhǔn)碼方案。

 
圖4 1995～2017中國專業(yè)、科學(xué)及控制用儀器和裝置進出口金額

    (四) 儀器儀表技術(shù)與國外差距較大

    目前，中國儀器儀表工業(yè)已有相當(dāng)基礎(chǔ)，初步形成了門類比較齊全的生產(chǎn)、科研、營銷體系，成為亞洲除日本之外第二大儀器儀表生產(chǎn)國。數(shù)據(jù)顯示2016年，儀器儀表行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)實現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入9355.4億元，同比增長9.1%，實現(xiàn)利潤總額790.3億元，同比增長8.2%，其增長率分別比2015年高3.3個和2.1個百分點。在中國儀器儀表各細分行業(yè)中，國內(nèi)企業(yè)在電工儀器儀表、工業(yè)測量和科學(xué)測試儀器儀表領(lǐng)域具備了一定的競爭優(yōu)勢，誕生了一批具備國際競爭能力的企業(yè)，高端產(chǎn)品市場依然被國外大型企業(yè)所主導(dǎo)。專業(yè)化的儀器和裝置是工業(yè)自動化的基礎(chǔ)。從歷年來我國專業(yè)、科學(xué)及控制用儀器和裝置的進出口數(shù)據(jù)來看(見圖4)，我國的儀器儀表的進出口大約在2003年之后快速上升，在2013年達到頂峰，進口880億美元，出口600億美元，隨后有所下降，近年來每年進口金額依然超過700億美元，歷年來進口的額度均大于出口，可見儀器儀表行業(yè)對外依存度依然較高，尤其是高端精密的儀器裝置。我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)雖然得到了快速發(fā)展，但與國外的差距仍然較大，主要體現(xiàn)在科技創(chuàng)新及其產(chǎn)業(yè)化進展緩慢；關(guān)鍵核心技術(shù)匱乏，低水平重復(fù)異常突出；產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性長期得不到根本性解決等。隨著國際上數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化的產(chǎn)品逐漸成為主流，差距還將進一步加大。

 
 圖5 1999～2016 年中國進出口金屬加工機床數(shù)量與金額

    (五) 數(shù)控系統(tǒng)低檔自給自足、中檔受制于人、高檔依賴進口

    數(shù)控技術(shù)是一種數(shù)字化信息對加工工藝與機械運動過程進行控制的技術(shù)，主要應(yīng)用于機床。1952年，美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數(shù)控機床，開創(chuàng)了數(shù)字電氣化控制的新紀(jì)元，標(biāo)志著制造領(lǐng)域計算機時代的開始。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。中國數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與生產(chǎn)，通過“七五”引進、消化、吸收，“八五”攻關(guān)和“九五”產(chǎn)業(yè)化，取得了很大的進展，基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)、生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)，也帶動了機電控制與傳動控制技術(shù)的發(fā)展。同時，具有中國特色的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過這些年來的發(fā)展，產(chǎn)品的性能和可靠性有了較大的提高，逐漸被用戶認(rèn)可。總體來看，我國數(shù)控系統(tǒng)市場基本上處于低檔自給自足，中檔受制于人，高檔依賴進口的局面。從歷年來中國的金屬加工機床進出口結(jié)構(gòu)來看(見圖5)，近年來每年出口數(shù)量超過800萬臺，但總出口金額僅39億美元左右，平均每臺的價格為幾百美元；相反，進口金屬加工機床2016年僅7萬臺，但金額高達75億美元，平均每臺金額高達十萬美元以上，可見多為中檔、高端金屬加工數(shù)控機床。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，汽車、船舶、工程機械、航空航天等行業(yè)對我國機床行業(yè)的需求巨大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也逐漸向中高端轉(zhuǎn)化，因而國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的市場潛力巨大。

四、問題與對策

    工業(yè)自動化是現(xiàn)代工業(yè)的“神經(jīng)”和“心臟”，與我國推進工業(yè)化是極其緊密的相互依存、相互滲透和相互深化的關(guān)系，是落實《中國制造2025》的關(guān)鍵。當(dāng)前，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》已經(jīng)明確指出了制造業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題之一是“流程工業(yè)的綠色化、自動化及裝備”。國務(wù)院《關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》又明確指出要“重點支持系統(tǒng)集成技術(shù)、自動化控制技術(shù)以及關(guān)鍵共性制造技術(shù)、基礎(chǔ)性技術(shù)和原創(chuàng)性技術(shù)的研究開發(fā)”，并且將“發(fā)展重大工程自動化控制系統(tǒng)和關(guān)鍵精密測試儀器，滿足重點建設(shè)工程及其他重大配套技術(shù)裝備高度自動化和智能化的需要”作為實現(xiàn)重點突破領(lǐng)域之一。結(jié)合我國工業(yè)自動化發(fā)展的短板，建議從以下幾點推進工業(yè)自動化的發(fā)展。

    (一) 以應(yīng)用促提升，降低重大工程的自動化控制系統(tǒng)對外依存度

    我國工業(yè)化經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)闹卮蠊こ萄b備的設(shè)計和制造能力，如大型數(shù)控機床、大型礦山機械、大型化工裝備、大型發(fā)電裝備、大型煉油裝備等，但在與之配套的自動化控制系統(tǒng)和自動化控制裝備卻存在嚴(yán)重的短板。如重大核電工程國產(chǎn)自動化控制裝備，在秦山核電站、大亞灣核電站等已經(jīng)應(yīng)用24套，但全部都在外核，沒有進入核島；又如重大石化工程，國產(chǎn)計算控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用3800余套，但關(guān)鍵裝置、核心裝置應(yīng)用還不足150套；我國自主設(shè)計制造的大型注塑機，其控制系統(tǒng)95%依靠進口；大型挖掘機的液壓控制系統(tǒng)，幾乎全部從德國引進；3000立方米以上的特大型高爐，自動化控制系統(tǒng)100%由外商提供。總體來看，目前國內(nèi)煉油、石化、電力、冶金、高鐵等重大工程的自動化控制系統(tǒng)和控制裝備，高端技術(shù)市場基本上為進口產(chǎn)品所壟斷，重大工程自動化控制系統(tǒng)與裝備約85%依賴進口，而這些重大工程裝備是我國國民經(jīng)濟的命脈，實際上已經(jīng)被發(fā)達國家不同程度地掌握。因此，大力發(fā)展重大工程高端自動化控制裝備，是加快振興我國裝備制造業(yè)，確保國民經(jīng)濟安全的迫切需要。

    隨著當(dāng)前千萬噸級煉油、百萬噸級乙烯、百萬千瓦火電、百萬千瓦核電、萬里高速公路、綜合電網(wǎng)等重大工程的推進，政府需為國產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)和裝備提供一定的應(yīng)用機會，尤其在關(guān)鍵裝置、核心裝置上，為國內(nèi)自動化控制系統(tǒng)及裝備的研究開發(fā)提供重大的應(yīng)用業(yè)績，積累實踐應(yīng)用經(jīng)驗，從而形成良性循環(huán)，樹立國產(chǎn)自動化控制裝備的先進性和優(yōu)越性的形象。

    (二) 推進基礎(chǔ)共性技術(shù)的研發(fā)，解決自動化行業(yè)科研能力不足、缺乏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的問題

    全球自動化行業(yè)從無序到有序，與其自動化的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)是相輔相成、共同推進的。我國工業(yè)自動化的起步較晚，在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平上均落后于國外先進國家的知名企業(yè)，從而在技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上還處于接納和模仿階段，長期以來把采用國際標(biāo)準(zhǔn)作為學(xué)習(xí)國外先進技術(shù)的一種手段和捷徑。但技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要被企業(yè)真正接受，充分理解其中的指標(biāo)含義，還需要進一步地消化吸收。從企業(yè)發(fā)展層面來看，我國工業(yè)自動化行業(yè)還主要以中小企業(yè)為主，還沒有出現(xiàn)西門子、ABB等具備完整產(chǎn)業(yè)鏈的大型公司，各個領(lǐng)域非常分散，技術(shù)的研發(fā)依賴于各個廠商自身的研發(fā)水平，各自建立研發(fā)平臺，從而導(dǎo)致重復(fù)開發(fā)的現(xiàn)象普遍存在，各個平臺難以形成一個共享的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)平臺，使得國內(nèi)許多自動化產(chǎn)品缺乏標(biāo)準(zhǔn)型，也導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)在巨大的市場需求面前，發(fā)展速度依然緩慢。同時，大部分自動化技術(shù)開發(fā)周期長、售后維護復(fù)雜也導(dǎo)致了國內(nèi)企業(yè)發(fā)展緩慢。例如，由于缺乏統(tǒng)一的制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)MES(Manufacturing Execution System) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)MES產(chǎn)品從功能、接口、開發(fā)、實施、維護等方面呈現(xiàn)“百花齊放”的局面，影響了 MES 產(chǎn)品本身的技術(shù)性能，也影響了MES與周邊系統(tǒng)平滑銜接的性能，加大了系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用和維護的成本，與國外同類MES產(chǎn)品競爭缺少優(yōu)勢。

    國家應(yīng)該進一步推進基礎(chǔ)共性技術(shù)的研發(fā)，制定高端統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為中小企業(yè)提供科技創(chuàng)新的支持。在市場經(jīng)濟的大潮中，大部分企業(yè)均會把生存作為第一標(biāo)準(zhǔn)，而忽略基礎(chǔ)技術(shù)的研究。而我國原有的一些公益性的研究所在改制為企業(yè)后，也將更多的精力放在市場打拼中，而忽視了對基礎(chǔ)技術(shù)研究的工作。我國工業(yè)自動化技術(shù)還處于較為落后的階段，許多核心技術(shù)亟待創(chuàng)新和突破，并且還存在不少技術(shù)孤島，迫切地需要國家投入更多的科研資源進行共性技術(shù)的研發(fā)和突破。

    (三) 實施重大專項，由技術(shù)驅(qū)動向應(yīng)用驅(qū)動轉(zhuǎn)變，發(fā)展民族品牌

    我國當(dāng)前工業(yè)軟件整體來看，國外巨頭在工業(yè)軟件應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，如SAP、甲骨文，國產(chǎn)工業(yè)軟件品種較少，功能不全，缺乏核心技術(shù)的創(chuàng)新和突破，研發(fā)推廣應(yīng)用的進度無法跟上國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的需求。從嵌入式軟件的發(fā)展來看，由于我國高端嵌入式芯片領(lǐng)域的整體技術(shù)水平和國外仍有一定的差距，因而產(chǎn)業(yè)基本處于中下游的應(yīng)用軟件研發(fā)，缺乏核心技術(shù)的開發(fā)能力。在經(jīng)營管理類軟件中，目前高端市場仍然基本被SAP等國際軟件巨頭所占據(jù)，但國內(nèi)經(jīng)營管理類軟件廠商在經(jīng)歷了學(xué)習(xí)、吸收和結(jié)合國情自主開發(fā)的基礎(chǔ)上已經(jīng)逐漸成熟起來，在實用性、實施周期短、風(fēng)險低、見效快等方面存在一定優(yōu)勢，但也存在軟件可配性較差、售后服務(wù)不足、管理觀念轉(zhuǎn)變滯后等缺點。在產(chǎn)品研發(fā)類軟件中，經(jīng)過多年的推廣，我國產(chǎn)品研發(fā)類軟件的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，除了傳統(tǒng)的汽車、航空、機械等主要應(yīng)用領(lǐng)域，快速消費品、制藥、鋼鐵等流程制造行業(yè)正成為產(chǎn)品研發(fā)類軟件應(yīng)用的新興市場，其中CAD軟件在國內(nèi)企業(yè)中有較好的應(yīng)用，但還是存在應(yīng)用不平衡、投資回報率低、咨詢服務(wù)水平較低等問題。

    在未來的發(fā)展中，國產(chǎn)工業(yè)軟件還需要投入大量資金和人力在技術(shù)創(chuàng)新上，突破關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)，研發(fā)功能強大、易用好用、性價比高的產(chǎn)品，與國際品牌抗?fàn)�。從國家政策和行業(yè)制度來講，優(yōu)先安排對擴大內(nèi)需作用直接、能盡快形成產(chǎn)業(yè)化能力的軟件項目，實施重大專項，提高基礎(chǔ)軟件自主創(chuàng)新能力，能夠?qū)ξ覈�工業(yè)軟件的發(fā)展帶來根本性的進步。從我國實施一系列五年計劃以來，我國軟件發(fā)展基本上是技術(shù)先行，現(xiàn)在要由技術(shù)驅(qū)動向應(yīng)用驅(qū)動轉(zhuǎn)變。工業(yè)軟件首先具有的是其工業(yè)范圍內(nèi)的特點，同時它也是軟件，需要從軟件技術(shù)上支持它的發(fā)展。這就要求工業(yè)軟件在發(fā)展時，工業(yè)界與軟件界必須進行合理分工，把軟件放在支撐的位置上而不是指導(dǎo)地位，以市場需求、工業(yè)化發(fā)展為導(dǎo)向，去發(fā)展工業(yè)軟件。

    (四) 緊跟互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢，整合已有市場信息，開發(fā)公共技術(shù)開發(fā)平臺和解決方案軟件

    隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和計算機應(yīng)用的不斷拓展，分布、并發(fā)的復(fù)雜應(yīng)用，以及互通、互聯(lián)、互操作的應(yīng)用需求不斷增加，促進了更加豐富的中間件支撐技術(shù)得到快速發(fā)展，并形成較為完整的軟件平臺體系。軟件的競爭已經(jīng)從產(chǎn)品競爭發(fā)展成體系競爭，軟件平臺體系發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下各種應(yīng)用的支持基礎(chǔ)。以嵌入式軟件領(lǐng)域為例，GPL(通用性公開許可證)概念正對嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響。嵌入式Linux多種原型的提出，和GNU(通用公共許可證)軟件開發(fā)工具軟件的適用性進展，正為我國加快發(fā)展嵌入式軟件技術(shù)提供極好的機遇和條件。此外，開放源代碼的、基于Java的可擴展開發(fā)平臺Eclipse，其靈活的技術(shù)和授權(quán)模式使得嵌入式供應(yīng)商能創(chuàng)建用戶友好的嵌入式工具。在過去幾年中，大部分嵌入式開發(fā)人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向Eclipse作為他們選擇的平臺方案。大多數(shù)實時操作系統(tǒng)供應(yīng)商擁有Eclipse開發(fā)環(huán)境，而且大多數(shù)芯片/內(nèi)核供應(yīng)商已經(jīng)為那些希望開發(fā)自有架構(gòu)的軟件開發(fā)人員提供Eclipse鏈接。這些開源技術(shù)的開發(fā)，為構(gòu)建嵌入式軟件公共技術(shù)開發(fā)平臺提供了良好的基礎(chǔ)。

    國外軟件企業(yè)善于把需求通用化，他們研發(fā)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和通用應(yīng)用軟件等，中國軟件企業(yè)的最大軟肋是不善于把需求通用化、平臺化，所以盡管多年服務(wù)于中國信息化市場，有大量的行業(yè)資產(chǎn)，但是和國外巨頭相比，國內(nèi)軟件企業(yè)的軟件還不強大。需要轉(zhuǎn)變思路，善于把行業(yè)資產(chǎn)進行固化、通用化和平臺化。只有把所有軟件加在一起支持各種應(yīng)用，支持互通互聯(lián)，形成不同行業(yè)、不同應(yīng)用的國產(chǎn)軟件解決方案，這樣中國工業(yè)的快速發(fā)展才會帶動國產(chǎn)工業(yè)軟件的發(fā)展，從而在未來中國也會出現(xiàn)世界級的工業(yè)軟件公司。

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