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    作者簡介：卞正崗，男，教授級高級工程師，多年從事工業(yè)自動化儀表、集散系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的研制及自動化系統(tǒng)集成的工程實踐。

    進入21世紀已經(jīng)有十年時間，這十年中國變化巨大。中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)進入了一個新時期，我們正在建設(shè)一個創(chuàng)新型國家，把推動科技進步和創(chuàng)新作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的主要途徑。確立戰(zhàn)略性新興的七大領(lǐng)域（節(jié)能環(huán)保、新興信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)、新材料）。所以，自動化產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員有責任總結(jié)這十年來自動化技術(shù)和生產(chǎn)、科研、經(jīng)營活動的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。以下筆者將大致以技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、市場的順序分述于后。

    1 關(guān)于檢測技術(shù)

    自動化系統(tǒng)從基本功能看，分為檢測、執(zhí)行、控制、人機界面四個方面。

    檢測技術(shù)這些年的發(fā)展特點是：可檢測和可利用的信號、信息多樣化（如視覺機器或圖像傳感器、指紋等生物識別）；信號和信息獲取原理多樣化；新工藝、新材料等多種技術(shù)融合，MEMS微電子機械系統(tǒng)實用化；離散傳感器發(fā)展迅速（中國市場2006年銷售額14.5億元）等。

    檢測與變送或數(shù)字化傳輸一體化、數(shù)據(jù)通訊多樣化、多變量變送器普遍使用（如8點溫度檢測變送器等）、多種現(xiàn)場總線并存（流程工業(yè)變送器情況是4~20mAdc：HART：FF、PROFIBUS-PA的比例，由5：4：1逐步向新建項目大部分采用HART，部分采用FF、PROFIBUS-PA過渡），無線傳輸技術(shù)發(fā)展很快，特別是RFID無線視頻識別等。

    逐步智能化，流程工業(yè)用差壓變送器已有多種診斷信息；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在發(fā)展，逐步實現(xiàn)數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層（證據(jù)層）融合；PAT過程分析技術(shù)已逐步進入生產(chǎn)實踐。

    在線分析已超出了傳統(tǒng)印象，而且在新建工程中不惜投入大量資金。如分析儀器小屋、煙氣測量裝置的具體設(shè)備，已經(jīng)是龐然大物了。另外，新的采樣傳感器方案NeSSI（New Samping Sensor Initiative）新標準，使得在線分析儀在新的層次上實現(xiàn)了小型化/模塊化，這將從根本上改變工業(yè)分析的面貌。

    總之，人們已逐步統(tǒng)一到，把檢測技術(shù)作為IT信息產(chǎn)業(yè)的源頭的認識上來，當然檢測技術(shù)在自動化技術(shù)中的地位更是不言而喻的。傳感器技術(shù)正沿著微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化前進。

   2  關(guān)于執(zhí)行器技術(shù)

    工業(yè)化進程逐步實現(xiàn)了由機械化、電氣化到自動化的過渡，最初執(zhí)行器是人的手腳功能的延伸。它出現(xiàn)的最早，能減輕人們的體力，雖然發(fā)展的較慢，但在數(shù)字化、智能化方面始終不斷前進著。工業(yè)中，特別是流程工業(yè)普遍為管道化，所以，目前執(zhí)行器大多以氣動調(diào)節(jié)閥為主（電動、液動為輔），及以薄膜式執(zhí)行機構(gòu)為主（活塞式為輔）。隨著國家經(jīng)濟總量的增長，國內(nèi)執(zhí)行器生產(chǎn)廠商產(chǎn)量大增，目前多國儀器儀表展覽會為此設(shè)立專館，就是一個很好的佐證。調(diào)節(jié)閥及配套電氣閥門定位器的智能化，這些年有較大進步。采用電子技術(shù)取代力平衡和位移平衡原理機械結(jié)構(gòu)，可以做到執(zhí)行機構(gòu)輕型化、功率范圍拓寬、微處理機應(yīng)用及低噪聲、耐磨蝕，并開發(fā)出具有雙向數(shù)字通信功能的現(xiàn)場總線型執(zhí)行器。所以執(zhí)行器正在逐步實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。近年來，亦有人在調(diào)節(jié)閥本身節(jié)約能耗上作出努力。

    在電動機及泵等執(zhí)行器類產(chǎn)品中，變頻器和軟啟動器的應(yīng)用很廣泛。機械手、伺服機構(gòu)等執(zhí)行器的應(yīng)用正在逐步推廣。運動控制、數(shù)控機床涉及的執(zhí)行器，由于數(shù)字化、智能化，其響應(yīng)速度和分辨率等功能都有大幅度提高。

    3 關(guān)于控制技術(shù)

    在DCS、PLC、IPC三足鼎立和PAC逐步發(fā)展的同時，原來的單回路調(diào)節(jié)器等數(shù)顯儀表也在發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)直接插接I/O模塊、多種現(xiàn)場總線及相關(guān)現(xiàn)場設(shè)備等硬件形式，也在控制技術(shù)中發(fā)展。硬件上看是百花齊放，滿足著不同行業(yè)，不同規(guī)模的用戶要求，在系統(tǒng)集成中，完成不同的控制功能。

    這些年來，控制算法模塊化、控制策略采用組態(tài)方式已很普及。控制功能徹底分散化，即“現(xiàn)場控制”（Control in Field）已在“DCS+FF”的系統(tǒng)中用于CIF的工業(yè)現(xiàn)場，而且得到了ARC權(quán)威自動化咨詢機構(gòu)的肯定。

    智能算法及現(xiàn)代控制理論在工業(yè)現(xiàn)場中已得到應(yīng)用。如PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)、APC先進控制等已在流程工業(yè)及其他行業(yè)得到推廣。PID調(diào)節(jié)仍然是流程工業(yè)中的重要控制方式。

    順序控制與反饋控制（回路控制）在融合，電控和儀控逐漸一體化。穩(wěn)定和優(yōu)化兩大主題之外，安全已上升為控制的一個主題。

    4  關(guān)于人機界面（HMI）

    除去在DCS和PLC系統(tǒng)中的操作站、工作站之外，HMI作為獨立的產(chǎn)品存在已經(jīng)有10余年的歷史，它的硬件、軟件發(fā)展特點是硬件逐步通用，軟件功能由制作人機聯(lián)系的操作顯示畫面（系統(tǒng)流程圖畫面）進行控制策略組態(tài)（采用IEC61131-3）、系統(tǒng)配置組態(tài)、異構(gòu)系統(tǒng)集成，發(fā)展為提供實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、管理用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等。

    其它還有工業(yè)電視（CCTV）、視頻墻（Video Wall）等，這些已使全廠的顯示操作集中，工廠的中央控制室的面貌大為改觀，工藝操作人員的生產(chǎn)方式在變化，人和機器的關(guān)系在變化，操作人員的培訓(xùn)方式在變化，自動化與無人化之間的關(guān)系應(yīng)提高到新的高度去研究。

    5 自動化通信系統(tǒng)及可互操作性

    以上回顧基礎(chǔ)自動化相關(guān)設(shè)備都經(jīng)過數(shù)字通信系統(tǒng)集成為一個完整的自動化系統(tǒng)，主流方式為分層結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)場層和控制室層。控制室層大量使用COTS式以太網(wǎng)、交換機、光纖，速率為100M bt/S以上。現(xiàn)場層大量使用現(xiàn)場總線，目前在工廠中使用的除了有在21世紀初（2000年1月初）公布的IEC-61158的9種現(xiàn)場總線外，又添加了10余種，包括各種改進型的工業(yè)以太網(wǎng)（包括我國的EPA）和改進型的HART（帶多路復(fù)用器）標準。在通信（7層標準）的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，以基金會現(xiàn)場總線（FF）為首開展了互操作性的技術(shù)工作，即在應(yīng)用層（或用戶層）設(shè)置了電子設(shè)備描述語言（EDDL），對應(yīng)FF、HART、PROFIBUS的聯(lián)合小組及后來形成的IEC61804-2；系統(tǒng)集成中不可或缺的OPC組織也發(fā)展了OPC UA(統(tǒng)一架構(gòu))，與EDDL組織進行合作；近年來又發(fā)展了FDT/DTM現(xiàn)場設(shè)備工具/設(shè)備類型管理器，該組織也是從事互操作性技術(shù)工作的一支新生力量。EDDL、OPC、FDT三者合作形成了FDI現(xiàn)場設(shè)備集成統(tǒng)一架構(gòu)，這使數(shù)字化通信達到縱向、橫向集成的更高層次，使數(shù)字化設(shè)備中流程工業(yè)、離散工業(yè)有了互操作性，使開放性更臻完美。

    6  關(guān)于安全

    自動化儀表和系統(tǒng)曾經(jīng)的安全關(guān)注點是可燃氣體爆炸性混合物等環(huán)境，這些年由于現(xiàn)場層數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，自動化儀表和系統(tǒng)在安全方面也取得了不少成果，如本質(zhì)安全，即無火花型儀表的研究已有Entity（實體模型）、FISCO（現(xiàn)場總線本質(zhì)安全）概念，后者在2002年形成了IECTS60079-27標準，它不僅省去了現(xiàn)場電纜參數(shù)計算，并可適用于更高等級的應(yīng)用環(huán)境等。此外，還有FNICO（現(xiàn)場總線非易燃模型）、DART動態(tài)電弧識別及關(guān)斷（Dynamic Are Recognition and Termination）等技術(shù)。這些系統(tǒng)安全問題，國內(nèi)同行還需要努力研究。

    安全產(chǎn)品的種類非常多，但現(xiàn)在一個新的安全關(guān)注點更值得自動化行業(yè)重視，這就是“功能安全（Functional Safety）”。我國石化行業(yè)已有相關(guān)設(shè)計導(dǎo)則：石油化工緊急停車及安全連鎖系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則（SHB-Z06-1999）。這些緊急停車及安全連鎖的功能依賴于儀表和系統(tǒng)執(zhí)行正確的功能，所以被稱為“功能安全”，對應(yīng)的系統(tǒng)稱為安全儀表系統(tǒng)SIS。
針對SIS目前有如下標準：美國的ISA-S84.01，國際的IEC61508及專門用于流程工業(yè)的IEC61511，又有最新的S84-2004標準。我國應(yīng)該迎頭趕上，制定符合國情的標準，應(yīng)用新標準對現(xiàn)場安全進行完整性等級（SIL）劃分，儀表、系統(tǒng)等選用技術(shù)應(yīng)該先行。

    國內(nèi)在安全儀表系統(tǒng)的研制方面應(yīng)走國際合作道路。在獨立的SIS之外，今年還發(fā)展了DCS統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)下的SIS系統(tǒng)，如FF-SIS（或FF-SIF）已得到了TÜV的認證，符合IEC61508標準，也符合IEC61511標準，適用于流程工業(yè)的可編程電子繼電系統(tǒng)的功能安全。國內(nèi)DCS廠商，如在此基礎(chǔ)上開發(fā)SIS系統(tǒng)，將不失為一條捷徑。

    在中控室還有FGS火氣系統(tǒng)，MMS輔助機械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等也與安全有關(guān)，現(xiàn)也被普遍采用。

    由于大量在自動化系統(tǒng)中采用COTS以太網(wǎng)、交換機等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以，防止來自互聯(lián)網(wǎng)等處的病毒，也是一項安全技術(shù)。這方面的產(chǎn)品也在發(fā)展中。

    7  關(guān)于管控一體化及設(shè)備管理系統(tǒng)

    在工業(yè)化與信息化兩化融合的形勢下，自動化與信息化融合或在工廠中管理與基礎(chǔ)自動化融合，已經(jīng)深入發(fā)展。各DCS廠商均推出新一代的DCS，而且符合ERP/MES/PCS的三層結(jié)構(gòu)的要求，在全面集成的基礎(chǔ)上，加大了對制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的開發(fā)力度，同時與企業(yè)管理模式的改造相結(jié)合，這不能急功近利，應(yīng)實行整體規(guī)劃、分步實施、重點突破的原則，要結(jié)合各行業(yè)的特點，使石化、鋼鐵、電力、煙草、汽車等行業(yè)有所突破。目前普遍對企業(yè)的關(guān)鍵績效考核指標設(shè)計（KPI）比較關(guān)心，它的量化，可為輔助決策提供數(shù)據(jù)支撐。目前又提出運營管理平臺（OMP，Operation Management Platform）架構(gòu)，使ERP、MES和PCS實現(xiàn)協(xié)同制造管理，做到柔性生產(chǎn)和動態(tài)管理，而且可以采用逐步積累方式，使用戶在看到效益或盈利后逐步追加內(nèi)容。

    作為管控一體化的特例，DCS廠商把現(xiàn)場的自動化儀表等設(shè)備資產(chǎn)管理，形成了一個AMS設(shè)備管理組合，或稱設(shè)備管理系統(tǒng)，它可以在中控室的AMS操作臺上看到現(xiàn)場儀表的臺賬、運行情況及維修計劃，可進行遠方檢查、簡化設(shè)備更換作業(yè)，這就為儀表維護帶來很多便利，為系統(tǒng)維護打下了基礎(chǔ)。現(xiàn)在AMS已經(jīng)成為與DCS同時被采用的中控室的主流設(shè)計方案。請注意該系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備智能化的要求提高了，如要求有差壓變送器的引壓管阻塞診斷功能、控制閥的壓蓋密封診斷功能等。相信下一步將會把被管理的設(shè)備擴大到更多的資產(chǎn)中，使資產(chǎn)優(yōu)化由管理層下延至控制層。

    8  關(guān)于無線通信及物聯(lián)網(wǎng)

    從上世紀工業(yè)上的“三遙”或“四遙”，一直到上世紀末的RTU遠程終端及車載無線電臺的數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋I(yè)上利用無線通信技術(shù)的起步較早，但進步慢，收效不及手機等移動通信快，但近來RFID射頻識別技術(shù)、WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、UWB低功耗高帶寬無線通信技術(shù)，以及用于工業(yè)的無線局域網(wǎng)（符合IEEE802.11標準）和相應(yīng)無線現(xiàn)場儀表的出現(xiàn)，無線數(shù)字通信技術(shù)形成了一個井噴式的發(fā)展局面。

    這方面我國標準工作走在前面，而且工業(yè)無線通信市場很大，所以可以迎頭趕上。作為世界組織——現(xiàn)場總線基金會對于FF體系下無線技術(shù)的發(fā)展做了很多努力。首先于2008年成立由FF、HART、PROFIBUS（PROFINET）參加的無線合作小組（WCT），并做出規(guī)劃，分WIO Phase1~4，即HSE Remote I/O、HSE Back haul & wireless HART I/F、Flexble Fanction Blocks& I/F to other Networks、ISA100 I/F四個階段，逐步使無線通信技術(shù)融入工業(yè)應(yīng)用之中。

    物聯(lián)網(wǎng)是一個由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)成的，融合了感知技術(shù)及多種應(yīng)用與服務(wù)的龐大社會信息化系統(tǒng)。在自動化技術(shù)中，應(yīng)用RFID于物流管理、工廠內(nèi)生產(chǎn)管理已有成功范例，我們應(yīng)該全面規(guī)劃、制定標準、創(chuàng)新實踐、講究實教等原則下，按照開創(chuàng)新興產(chǎn)業(yè)的要求，走在世界的前列。

    9  關(guān)于全面生命周期管理和預(yù)維護

    這里所說的全生命周期是指自動化儀表和系統(tǒng)在制造、設(shè)計施工安裝、調(diào)試、開車、運行、維護、淘汰、更新等全過程，如把與用戶有關(guān)的設(shè)計、采購、成套、施工、安裝、調(diào)試、開車階段稱為投資，產(chǎn)生的成本稱為投資成本（CAPEX），而后的運行維護等產(chǎn)生的成本，則稱為運行成本（OPEX）。在儀表和系統(tǒng)的選型中應(yīng)綜合兩者來評審，這樣就對運行、維護提出了更高的要求。一是，儀表和系統(tǒng)有這方面優(yōu)越性，另一方面，是運行、維護管理要適應(yīng)儀表和系統(tǒng)的特性。諸因素中在預(yù)維護方面，這些年頗有研究，在新型工廠中已逐漸由反應(yīng)性維護轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防性維護、預(yù)見性維護。特別是現(xiàn)場總線儀表和系統(tǒng)采用第七節(jié)中所述的設(shè)備管理系統(tǒng)之后，設(shè)備生產(chǎn)力、人工效率、設(shè)備壽命分別比系統(tǒng)維護提高了30%、20%、10%，而過失、停工時間、存儲清理成本及非計劃崩潰幾項分別降低了10%、20%、25%、50%，總體預(yù)算節(jié)約20%。

    要實行全生命周期管理，就要逐步實行數(shù)字化工廠。一個工廠的誕生要從規(guī)劃開始就積累數(shù)據(jù)，隨著工廠建設(shè)的展開，會不斷有人進出，但數(shù)據(jù)能存留，這是知識的積累，也是財富的積累，需要精心設(shè)計、精心施工、精心運營、轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，更需要轉(zhuǎn)變粗放的管理方式。

    10  關(guān)于自動化產(chǎn)業(yè)

    近十年由于我國經(jīng)濟總量的增長，自動化儀表和系統(tǒng)的年銷售額約為1千億元，而且民營、三資、國資（或國資控股）三類企業(yè)的銷售額比例約為4:3:1，高端產(chǎn)品中三資企業(yè)占有較多份額，但DCS等高端產(chǎn)品，由于國內(nèi)民營企業(yè)的努力，也擁有了較大份額。三類企業(yè)都在國內(nèi)加強研發(fā)力量，有些外資企業(yè)甚至已經(jīng)把一部分在國外的研發(fā)中心移到了中國。

    我國新建大型重化工企業(yè)的建設(shè)速度很快，3年左右約為一個建設(shè)周期，自動化行業(yè)也從中學(xué)會了MAC主自控承包商方式，而且不少制造商設(shè)計院也改行成為了工程公司，這有利于向提供解決方案的服務(wù)方向轉(zhuǎn)變。

    除制造、設(shè)計、工程施工的企業(yè)以外，最終用戶的維護人員也形成了一個團隊。在逐步剝離主業(yè)之后，也成為自動化儀表和系統(tǒng)全生命周期中不可或缺的一部分。在自動化產(chǎn)業(yè)中，最終用戶是有話語權(quán)的。我國也意識到了國際上的一些最終用戶組織的作用。我們應(yīng)把國內(nèi)最終用戶組織起來，使制造業(yè)、產(chǎn)品供應(yīng)商和最終用戶形成一個自動化產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作的和諧局面。

    11  關(guān)于自動化的市場

    這些年來，我國乙烯、電力、鋼鐵、水泥、汽車及高鐵等行業(yè)對自動化產(chǎn)品的需求旺盛，市場巨大。僅以乙烯生產(chǎn)為例，上海賽科、廣東惠州中海油殼牌、福建聯(lián)合石化公司年產(chǎn)約100萬噸乙烯的特大型項目，都較全面地采用了FF、HART、PROFIBUS全數(shù)字化的自動化系統(tǒng)，運行非常成功。其它還有廣東茂名、天津、鎮(zhèn)海三大年產(chǎn)100萬噸乙烯項目，亦已投產(chǎn)。雖未采用FF，但大量采用HART、AMS等先進系統(tǒng)；未來幾年還有盤錦（45萬噸乙烯）、神華（煤制烯烴）、撫順（80萬噸乙烯）、四川石化（80萬噸乙烯）、蘭州石化（71萬噸擴至92萬噸乙烯）、武漢石化（80萬噸乙烯）、大慶石化（60萬噸擴至120萬噸乙烯）等項目，其中自動化系統(tǒng)的采用均占到了總投資額的10%。

    據(jù)統(tǒng)計，至2010年3月底為止，在全球十大乙烯生產(chǎn)商排名中，中石化為第三名（產(chǎn)能為728.5萬噸/年），中石油為第八名（產(chǎn)能為371.4萬噸/年）。由他們帶動的下游產(chǎn)品制造、服務(wù)業(yè)也與自動化相關(guān)。由此可見，自動化市場非常巨大，大有用武之地。

    12  結(jié)語

    新世紀的十年里，自動化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入壯年，它不再是“錦上添花”、“形象工程”，而是真正可以為企業(yè)實現(xiàn)安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)貢獻出力量。國內(nèi)自動化技術(shù)創(chuàng)新能力在增強，集成創(chuàng)新方式得到了肯定，而且是走向了有“理念”的創(chuàng)新之路，也就是能在“感性認識的基礎(chǔ)上，把所獲得的感性材料，經(jīng)過思考、分析、加以整理和改造，形成概念、判斷、推理。”相信自動化儀表和系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的那一天并不會太遠。