1 仪器仪表智能化 在控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制系统技术的发展而发展的。目前，控制理论已发展到智能控制的新阶段，自动化仪器仪表的智能化就成为必然了。 仪器仪表的智能化主要归结于微处理器和人工智能技术的发展与应用。 例如运用神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。 再如，运用模糊规则的模糊推理技术，对事物的各种模糊关系进行各种类型的模糊决策。 又如，用软件实现信号滤波，如快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等技术，是简化硬件，提高信噪比，改善传感器动态特性的有效途径。 还如，充分利用人工神经网络技术强有力的自学习、自适应、自组织能力，联想、记忆功能以及对非线性复杂关系的输入、输出间的黑箱映射特性等。 当前，我国智能化领域最薄弱、最需要发展的是仪器、仪表、传感器等基础产业。随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高，我国仪器仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。仪器仪表产品的高科技化，特别是智能化，将成为日后仪器仪表科技与产业的发展主流。 基于智能控制理论基础的智能仪器仪表目前大致有以下几方面的进展： 专家控制器 专家控制系统(expertcontrolsystem，ECS)是典型的基于知识控制系统，它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。它运用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。 模糊控制器 模糊控制器(FC-Fuzzy Controller)，也称模糊逻辑控制器(FLC-Fuzzy Logic Controller)。由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力，对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制，能解决一些用常规控制方法不能解决的问题，因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛的应用。 神经网络控制器 神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力，提高了系统的智能水平。所谓神经网络控制，简称神经控制，它是指采用神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模，或担当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等工作。 需要注意的是：在仪器仪表的智能化领域，无论是神经元网络、模糊控制或混沌控制，尽管我国学者发表的文章很多，但是，严格细致和自主创新的工作与成果却并不多。一些高端仪器仪表还仍然需要向国外进口。 2 控制系统网络化 21世纪的控制系统将是网络与控制结合的系统。对网络化控制系统(Networked Control System，简称NCS)的研究已经成为当前自动化领域中的前沿课题之一。随着通信网络作为一个系统环节嵌入控制系统，这很大地丰富了工业控制技术和手段，使自动化系统与工业控制系统在体系结构、控制方法以及人机协作方法等方面都发生了较大的变化，与此同时也带来了一些新的问题，如控制与通信的耦合、时间延迟、信息调度方法、分布式控制方式与故障疹断等。 这些新问题的出现，使得自动控制理论在网络环境下的控制方法和算法需要不断地创新。随着计算机技术、通信技术和网络技术的不断发展。 传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统)，到第二代的DCS(分散控制系统)，发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了工业以太网与控制网络的结合。 这种工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。 以信息化带动工业化既是保持国民经济持续快速发展的有力保证，也是传统工业体系结构转型的重要手段。网络技术作为信息技术的代表，其与工业控制系统的结合将极大地提高控制系统的水平，改变现有工业控制系统相对封闭的企业信息管理结构，适应现代企业综合自动化管理的需要。网络技术推动了传统工业控制系统结构的变革。 将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天，这一工业控制系统网络化及其构成模式使得企业能够适应空前激烈的市场竞争，有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务，具有广阔的发展前景。 3 工业通信无线化 工业通信无线化也是当前自动化领域探讨比较热烈的问题。工业控制企业已经逐步认识到无线技术将是下一个技术腾飞的基础，将能够大大提升工厂效能与保证用户的安全。 随着无线技术日益普及，各家供应商正在提供一系列软硬件技术，协助在产品中增加通信功能。这些技术支持的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS(全球定位系统)、5G以及WiMax(全球微波接入互操作)。然而，在增加无线连网功能时，芯片及相关软件的选择(假设所选择的实现能正常工作，并满足相关的论证要求)可能极具挑战性。即使做出了一个可行的设计，但如果未优化性能、功耗、成本和规模，则可能不会取得市场上的成功。今天最热门的东西未必是最好的通信标准和客户需要的东西，因此选择的软硬件实现方案应有这样的特点：每个新一代产品都不需要彻底从头开始适应。 无线技术进入工业领域的趋势是毋庸置疑的，特别是在有线无法使用的场合，更显得无线具有优势。但是这要求无线技术本身性能的完善，可靠性、通信的确定性与实时性、兼容性等性能有待加强。所以，在近期，工业无线技术仍将是传统有线技术的延伸，大多数仪表以及自动化产品会嵌入无线传输的功能。国际上对于无线技术的研究还处于起步阶段，相关的标准也在制订之中，我国的科研机构也参与其中，这在一定程度上推动了无线技术在我国流程工业的发展。 由于无线技术尚处于研发与不断完善的阶段，功能毕竟有限。而且在自动化技术领域，还没有公认的且证实的在实时控制中应用较为可靠的无线技术标准，在工作循环时间很短的情况下，这表现得尤为突出。所以，目前无线技术的应用范围只能局限在数据的采集与监控方面(SCADA)。 但随着可靠性的增强，无线技术将会有更广范围的应用。无线通讯将在未来的若干年快速地增长，但无线并不会替代有线通讯。有线具有稳定、可靠和安全性并不会消失，无线只有在有线不方便实现或成本高的地方去替代有线方案。如果无线与有线有机地结合起来，双方发挥各自的优势，将为增长生产率提供新的方案。在适宜有线通讯的地方使用有线通讯，在适宜无线通讯的地方使用无线通讯，由于有线和无线通讯都支持TCP/IP协议，这两种通讯方式能够有机地结合在一起，发挥各自特长，并能够提高生产效率。 4 物联网与自动化 当今，物联网可谓是在各大媒体出镜率最高、而且与“智能”联系密切的名词之一。从“管理、控制、智能”的角度来看，其实物联网与工业自动化是一脉相承的，工业自动化包含采集、传输、计算等环节，而物联网是全面感知、可靠传递、智慧处理，两者是相通的。 物联网只是更加强调无线、海量采访、智能计算。物联网与自动化技术有着十分密切的联系。两者的区别是：“传统的自动化网络多是通过有线网络来实现，网络连接范围较窄，而在传感网络中，无线网络成为主要的传输路径，且连接的范围更加广泛。”一脉相承的天性，工业自动化厂商热衷于关注物联网的发展是顺其自然的事情。 物联网的应用领域，诸如： 物流、供应链、仓储的管理系统; 工业制品生产、追踪、进度监管、质量追踪等方面; 贵重商品、危险品的监管、追踪和防伪应用系统; 大型会议、高层会议以及重要会议的电子证件、大型赛事、演唱会、景区等人员快递流通区的电子门票(如：上海世博会); 交通收费、各类型车辆的远距离自动识别和管理; 区域内的人员自动识别、记录、定位以及查询; 动物、食品行业链的全流程追溯; 农业、救灾与抢险等方面的各个领域; 贵重资产和重要资产; 品牌服饰的全流程; 图书领域; 军队枪械管理、人员管理、车辆管理、物资管理、安全保密等领域; 在航空、汽车等领域; 零售业; 社会安全领域; 智能城市领域等。 “物联网”颠覆了人类之前物理基础设施和IT基础设施截然分开的传统思维，将公路、建筑物等物理设施与个人电脑、手机、家电、交通设施、IT设施有效的联系在一起，使得政府管理、生产制造、社会管理，以及人们的个人生活全面实现互联互通。 从物联网需要的产业链的角度看，物联网所需要的自动控制、信息传感、射频识别等属于其上游技术和产业，而下游则是物联网的应用问题。有行业专家更认为：“传统工业自动化领域其实是物联网的一部分。”号召工控自动化厂商成为物联网真正落地的推手。物联网作为信息化和自动化的结合点，具有无限放大的潜力和优势，有些单位敏锐地觉察到了物联网在管理流程和生产过程优化方面的潜力，并取得了初步的成果。传统的自动化网络与物联网中的传感网络十分相似。 5 云计算与自动化 云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。它的核心是海量数据的存储和计算，特别强调虚拟化技术的应用。简言之，云计算就是一种依托internet的超级计算模型，将巨大的资源联系在一起为用户提供各种IT服务。 例如，云计算模式将来带来自动化软件行业的巨大变革。主要有： (1)自动化系统的架构将更加灵活，分布式架构将扩展到更大范围 现代的大型工业自动化和信息化项目中，系统变得日益庞大和复杂，现有的网络和系统体系架构已经无法从容应对这些挑战。云计算这一革命性理念的提出，彻底打破了自动化系统中原来的僵化的体系结构。在云计算的系统中，自动化和信息化系统并不是简单运行在某一台固定的计算机上，而是运行于包括Internet在内的整个网络之上，基于整个网络来分配系统的资源及实现各种功能。 (2)海量信息的分析与处理将成为自动化软件的常规功能 在现代大型自动化项目中，自动化信息化数据量越来越大，用“海量”形容也并不为过。所以目前自动化软件中所用的数据库类型，数据存储模式和数据的读取、查询模式，各项技术目前都在围绕大量数据的准确、及时处理来进行。海量信息的处理，已经成为制约自动化软件发展的瓶颈之一。 而在云计算时代，用户可以在不同的层面发挥不同硬件平台和网络的计算能力，可以很容易地利用“云”中的服务(SaaS)，平台(PaaS)和计算硬件及网络资源(IaaS)，充分整合公共网络的计算能力，使得对海量自动化和信息化信息的分析和处理变成现实，满足大规模应用系统的需要，同时也能够实现复杂的自动化信息化系统的控制。 (3)彻底改变工程开发模式 在云计算时代，工程项目的开发将不再拘泥于单台计算机，SaaS模式使用户可以通过Internet，直接利用自动化软件供应商服务器上的软件进行开发，开发过程在云计算网络中进行，开发完成后，生成可直接运行的工程项目即可。 (4)转变软件供应商的服务模式，降低维护成本 云计算的模式也将降低软件供应商的服务成本。以往软件供应商需要对运行在各种软硬件环境中的自动化软件进行技术支持与维护，而云计算时代，他们只需要维护本服务器上的一套软件即可。 (5)降低自动化系统对硬件的要求，提升软件的行业地位 无论是基于企业内部网络的私有云，或与外网有一定连接的混合云，都以动态分配系统计算能力为目的，可以使系统的运算进行地更加平缓稳定，从而在不降低运行效率的前提下，极大地降低企业对硬件系统的要求。众所周知，在目前的自动化系统中，软件处于“灵魂”的地位，但价值却相对低廉，只占5%-10%。在云计算时代，系统对硬件的要求降低，而对软件的要求则越来越高，所以软件在自动化行业中的价值比重和重要性，都将有很大提高。 (6)新技术与新的产品理念将成为竞争的核心 毫无疑问，云计算模式将来带来自动化软件行业的巨大变革。如何把握IT发展的潮流趋势?如何开发基于云计算的新一代自动化软件?如何将旧的自动化软件版本兼容于云计算平台?如何将传统的自动化工程系统升级为云计算系统?将成为业内企业考虑的首要问题。相信随着云计算技术的日趋成熟及自动化界的努力，我国利用“云计算”的自动化系统的发展将日新月异。这也是中国自动化界应当注意的问题。 6 低碳经济自动化 低碳经济自动化是一个广泛而重要的课题。我们以流程工业为例来说明之。流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等在国民经济中占主导地位的行业，我国流程工业企业年产值占全国工业企业年总产值的66%。 流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础。流程工业是一个非常巨大的产业，在产业中占据重要的地位，是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业，是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主，产品多以大批量的形式生产。 流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等。在知识经济时代的21世纪，作为传统工业的流程工业将仍然是经济发展的重要支柱产业。流程工业既是能源、各种原材料的产生者，也是能源的主要消耗者，节能降耗与减排至关重要。这些行业普遍存在能耗大、污染污染严重、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等缺点。 工业是我国经济的最大主体，也是耗费能源、资源，产生环境污染的最主要行业。流程工业首当其冲成为了主要目标，尤其在石油加工、化工、钢铁、电力、有色、建材等六大行业，其能源消耗占全国工业能耗的近70%。 对于企业应当在考虑企业发展的战略时，考虑企业如何制定“低碳战略”，并力求与国家的可持续发展趋势同步增长。国际知名的管理大师彼得?杜拉克有一句名言：“无人能够左右变化，惟有走在变化之前”!中国的流程工业亦应如此，努力走在变化之前!低碳减排是国家的行动，低碳减排是历史的使命，低碳减排是流程工业企业应尽的义务。“低碳”同样是流程企业的重大使命。 7 安全生产自动化 安全生产自动化是近年来，频繁出现的“词汇”。这是由于由于各种安全生产事故不断发生，应用自动化技术促使安全生产的需求日益增长。如何高效地利用自动化与信息化等高新技术，提高安全生产的水平成为当务之急。因而国家提出了“科技兴安”战略!安全的发展也同样离不开自动化。制造业的安全可以分为机械安全和过程安全。 机械安全主要保障的是人身，已经受到了高度重视，安全开关、安全按钮、安全门、安全地毯相继成为工厂内的宠儿，伴之而来的还有安全传感器、安全PLC、安全总线、安全以太网等产品。过程安全则是保障生产过程的安全性。如今，许多自动化供应商已经在考虑安全解决方案的提供，真正的安全解决方案不仅仅是提供一种或几种安全产品，而更多的是提高用户设备的安全性。如何将安全功能嵌入到用户机械设备中去，在不影响生产过程的情况下提高安全保障，还亟待有更好的发展。 自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能、极大地提高劳动生产率、增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，机器设备、系统或过程(生产、管理过程)，在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标。 安全自动化则是利用自动化技术贯彻落实“科技兴安”战略，实现安全生产的统称。安全自动化具体到结合各行各业则有各自不同的内容，如：煤矿安全生产自动化、石化安全生产自动化、化工安全生产自动化、冶金安全生产自动化、交通安全生产自动化、智能建筑安全生产自动化、其他行业的安全生产自动化等等。 8 节约降耗自动化 近年来，“节能降耗”成为我国自动化技术发展中备受关注的词汇之一，其意义十分重大。“节能减排、科学发展”已成为我国经济发展的战略指导思想。 据测算，我国每创造1美元GDP所消耗的能源是美国的4.3倍，是日本的11.5倍，我国的能源利用率仅为美国的26.9%、日本的11.5%。由此可见，在我国企业的产品成本中，能源消耗的成本比较大，同时也说明，我国企业节能的空间十分巨大，完全可以通过节能降耗来增加产品的竞争力。 装备制造业作为技术的载体和转化的媒体，是“手段性”的基础产业，其产品是各行各业的生产装备，是基础中的基础，其特点是：范围广，门类多，技术含量高，与其他产业的关联度大。经过多年发展，我国装备制造业已经形成门类齐全、规模较大、具有一定技术水平的产业体系，是国民经济的重要支柱性产业。节约能源、提高能源利用率，既是保障企业正常生产经营，实现企业健康可持续发展的长久之计，也是企业适应市场需要，降低成本、增加效益、改善环境，提高企业竞争力的必然选择。企业要获得长足发展，实施节能降耗势在必行。 随着时代发展，节能减排的任务将更加艰巨，控制指标日益苛刻，这些指标的提出将对工业运行提出更高的要求。积极地采用先进的节能降耗技术，实现科学的管理理念、模式、流程是企业节能降耗的重要途径，以技术创新为基础的新技术、新工艺、新材料和新方法的推广应用，可以逐步淘汰低效设备和高耗能产品群在企业生产中的应用，对于实现节能降耗有着重要的推动作用。以高新技术创新来推动节能降耗是装备制造业必须迈出的步伐。这是因为，现代高新技术深刻、广泛地影响装备制造业的发展。现代高新技术的发展，对装备制造业的发展提出了更高、更新、更好的要求。在装备制造业的“节能降耗”中同样贯穿着高科技的支持。 例如，电机节能、过程优化、变废为宝、余热利用、企业改造、新能源利用等无不和采用自动化技术密切相关。 9 工控软件的发展 工控软件的发展同样是自动化技术发展的重要方面。自上世纪90年代起，IBM接连收购了一系列中间件厂商，使中间件成为了企业IT架构的核心，也让人们逐渐认识到软件的重要性及其核心地位。之后，IBM又陆续收购了一些知名的软件企业，如Lotus、DB2.软件开始与硬件齐头并进，而在2004年IBM进一步将PC业务卖给联想，此事件向人们昭示：属于硬件的辉煌时代已成为历史，软件发生高潮的时代已经到来。 而在工业控制领域里面，硬件软件化就是一种发展趋势。如嵌入式软PLC的出现等。目前，市场上德国三S软件公司首推的最新版本CoDeSysV3.4软件(基于CoDeSys平台下的嵌入式系统软PLC)。倡导以“可复用”为宗旨的“开放式、可重构的自动化”理念。该软件是靠IEC61131的开发环境，支持梯形图、流程图、结构图、高级ST语言等自动控制工业标准的几种语言。 软件复用化是一种计算机软件工程的方法和理论，其实质就是一种在软件开发中避免重复劳动的解决方案。软件复用化是提高软件开发生产率和软件产品质量的一条行之有效的途径。软件复用化是将已有的软件及其有效成分用于构造新的软件或系统，以缩减软件开发时间和维护费用.软件复用是提高软件生产力和质量的一种重要技术。 实现软件复用化的关键因素(技术和非技术因素)主要包括：软件构件技术、软件构架、领域工程、软件再工程、开放系件过程、CASE(Computer Aided Software Engineering，计算机辅助软件工程)技术以及各种非技术因素等七个方面。 软件复用化的好处是： 较高的生产效率(以及随之而来的成本降低); 较高的软件质量(错误可以更快的被纠正); 恰当的使用软件复用可以改善系统的可维护性。 除了软件复用化的好处之外，CoDeSys软件还具有可重构制造的特点，可重构制造是一种指导管理和控制制造系统重构的过程。它使制造系统有效地响应不断变化的环境。可重构性是指在一个系统中，其硬件模块或(和)软件模块均能根据变化的数据流或控制流对系统结构和算法进行重新配置(或重新设置)。其具有：组织可重构性、业务过程可重构性、产品的可重构性、车间加工系统的可重构性与可重构信息平台等。 可重构系统最突出的优点就是能够根据不同的应用需求，改变自身的体系结构，以便与具体的应用需求相匹配。面对市场的千变万化，如何使制造系统快速而经济地响应市场需求的变化，是对当今制造业的一个巨大挑战。传统的机械自动化生产线具有批量生产的效益，但面对市场的变化不能快速响应;而柔性制造系统虽能缩短产品的试制和生产周期，但投资巨大，回收周期长。因此，迫切需要建立一种既具有规模生产的效益，又能快速适应动态多变的制造环境，并能充分利用现有制造资源的新型制造模式。对此，新近提出的可重构制造系统是适应这一需求的一条有效途径。 另外，西门子公司推荐的TIA博途，是西门子公司在TIA(全集成自动化)理念的基础上推出了创新的工程软件平台——TIAPortal(博途)。其可以在一个工程组态环境下对所有自动化任务进行管理，使得设计工程师的工作“化繁为简”，更加高效，且更节省成本。它在实现统一通讯、统一编程以及统一数据的基础上，构成一个完整的有机统一体，从而满足了所有产业对于一个执行自动化解决方案的全整合平台的期待，实现了从产品设计到机械设计再到自动化设计全部集中在一个软件下进行。因而，它是目前最直观、高效和可靠的工程技术软件平台。这也是工业控制行业应当关注的。 10 模拟仿真普适化 网络化建模与仿真技术是目前建模与仿真界的一个研究热点。当前，网络化建模与仿真的技术内涵和应用模式正随着网络技术的发展而不断地扩展和丰富，网络技术和计算技术的快速发展，将带领我们进入普适计算时代。普适计算是建立一个由计算和通信构成的信息空间与人们生活的物理空间相融合，形成智能化空间。 在这个智能化空间中，人们可以随时随地透明地获得计算和信息服务。网络化建模与仿真技术将向着普适化的方向发展。融合了普适计算技术的“普适化仿真技术”实现了信息空间与物理空间的结合，将推动现代建模仿真研究、开发与应用进入到一个崭新的时代。 面向未来复杂、异构、动态的普适计算环境，普适仿真系统具有以下基本特征： (1)普及泛在 仿真资源无所不在。仿真网格借助于网格技术，实现了人们生活中的各种软、硬件仿真资源的服务化，为用户屏蔽了复杂、异构的普适计算环境，使得仿真资源无所不在，解决了“普及”的问题。 (2)随时随地 人们可以在工作、生活的现场获得仿真服务，而不需端坐在一个专门的计算机面前。网格技术使得仿真应用的终端延伸到网络的每一个角落，彻底摆脱了时间和空间的束缚，人们使用任何联网设备，即可以访问网格环境中的仿真资源和服务，满足了对“随时随地”的需求。 (3)自适应 仿真信息空间能以适合用户的方式，提供计算环境能适应变化的、连贯的仿真服务。 (4)透明 用户获得仿真服务时不需要花费很多注意力，仿真服务的访问方式是十分自然的甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互。 如果在仿真网格中引入普适计算的思想和技术，就能很好地满足普适仿真环境对仿真网格在移动性、自适应性、智能化、应用模式上的新需求，使得仿真信息空间能以适合用户的方式，提供适应变化的仿真环境和连贯的仿真服务。融合了网格技术和普适计算技术的普适化仿真网格技术，将成为网络化建模仿真研究应用关注的新焦点。 综上所述，从当前十大自动化热门技术发展趋势可以看到自动化创新可以用几个词来概括：集成、通讯、协同、节能、安全、标准与开放。随着也诞生了许多新的产品和理念。 多少年来，新自动化都是推动制造业高速发展的最直接力量，而这种力量，必然将会搭载着“创新”的源动力，在智能制造时代大放光彩! 信息来源：金属加工 本网编辑 何洋/整理 |
