作者簡(jiǎn)介：卞正崗，男，教授級高級工程師，多年從事工業(yè)自動(dòng)化儀表、集散系統和現場(chǎng)總線(xiàn)的研制及自動(dòng)化系統集成的工程實(shí)踐。

    進(jìn)入21世紀已經(jīng)有十年時(shí)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(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期，我們正在建設一個(gè)創(chuàng )新型國家，把推動(dòng)科技進(jìn)步和創(chuàng )新作為加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式的主要途徑。確立戰略性新興的七大領(lǐng)域（節能環(huán)保、新興信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、新能源、新能源汽車(chē)、高端裝備制造業(yè)、新材料）。所以，自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員有責任總結這十年來(lái)自動(dòng)化技術(shù)和生產(chǎn)、科研、經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的現狀及發(fā)展趨勢。以下筆者將大致以技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、市場(chǎng)的順序分述于后。

    1 關(guān)于檢測技術(shù)

    自動(dòng)化系統從基本功能看，分為檢測、執行、控制、人機界面四個(gè)方面。

    檢測技術(shù)這些年的發(fā)展特點(diǎn)是：可檢測和可利用的信號、信息多樣化（如視覺(jué)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微電子機械系統實(shí)用化；離散傳感器發(fā)展迅速（中國市場(chǎng)2006年銷(xiāo)售額14.5億元）等。

    檢測與變送或數字化傳輸一體化、數據通訊多樣化、多變量變送器普遍使用（如8點(diǎn)溫度檢測變送器等）、多種現場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)渡），無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)發(fā)展很快，特別是RFID無(wú)線(xiàn)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；多傳感器數據融合技術(shù)在發(fā)展，逐步實(shí)現數據層融合、特征層融合、決策層（證據層）融合；PAT過(guò)程分析技術(shù)已逐步進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)踐。

    在線(xiàn)分析已超出了傳統印象，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(xiàn)分析儀在新的層次上實(shí)現了小型化/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(lái)，當然檢測技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)中的地位更是不言而喻的。傳感器技術(shù)正沿著(zhù)微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化前進(jìn)。

   2  關(guān)于執行器技術(shù)

    工業(yè)化進(jìn)程逐步實(shí)現了由機械化、電氣化到自動(dòng)化的過(guò)渡，最初執行器是人的手腳功能的延伸。它出現的最早，能減輕人們的體力，雖然發(fā)展的較慢，但在數字化、智能化方面始終不斷前進(jìn)著(zhù)。工業(yè)中，特別是流程工業(yè)普遍為管道化，所以，目前執行器大多以氣動(dòng)調節閥為主（電動(dòng)、液動(dòng)為輔），及以薄膜式執行機構為主（活塞式為輔）。隨著(zhù)國家經(jīng)濟總量的增長(cháng)，國內執行器生產(chǎn)廠(chǎng)商產(chǎn)量大增，目前多國儀器儀表展覽會(huì )為此設立專(zhuān)館，就是一個(gè)很好的佐證。調節閥及配套電氣閥門(mén)定位器的智能化，這些年有較大進(jìn)步。采用電子技術(shù)取代力平衡和位移平衡原理機械結構，可以做到執行機構輕型化、功率范圍拓寬、微處理機應用及低噪聲、耐磨蝕，并開(kāi)發(fā)出具有雙向數字通信功能的現場(chǎng)總線(xiàn)型執行器。所以執行器正在逐步實(shí)現數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化。近年來(lái)，亦有人在調節閥本身節約能耗上作出努力。

    在電動(dòng)機及泵等執行器類(lèi)產(chǎn)品中，變頻器和軟啟動(dòng)器的應用很廣泛。機械手、伺服機構等執行器的應用正在逐步推廣。運動(dòng)控制、數控機床涉及的執行器，由于數字化、智能化，其響應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(shí)，原來(lái)的單回路調節器等數顯儀表也在發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)直接插接I/O模塊、多種現場(chǎng)總線(xiàn)及相關(guān)現場(chǎng)設備等硬件形式，也在控制技術(shù)中發(fā)展。硬件上看是百花齊放，滿(mǎn)足著(zhù)不同行業(yè)，不同規模的用戶(hù)要求，在系統集成中，完成不同的控制功能。

    這些年來(lái)，控制算法模塊化、控制策略采用組態(tài)方式已很普及?？刂乒δ軓氐追稚⒒?，即“現場(chǎng)控制”（Control in Field）已在“DCS+FF”的系統中用于CIF的工業(yè)現場(chǎng)，而且得到了ARC權威自動(dòng)化咨詢(xún)機構的肯定。

    智能算法及現代控制理論在工業(yè)現場(chǎng)中已得到應用。如PID自適應調節、APC先進(jìn)控制等已在流程工業(yè)及其他行業(yè)得到推廣。PID調節仍然是流程工業(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。穩定和優(yōu)化兩大主題之外，安全已上升為控制的一個(gè)主題。

    4  關(guān)于人機界面（HMI）

    除去在DCS和PLC系統中的操作站、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(diǎn)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(huà)面（系統流程圖畫(huà)面）進(jìn)行控制策略組態(tài)（采用IEC61131-3）、系統配置組態(tài)、異構系統集成，發(fā)展為提供實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、管理用關(guān)系型數據庫等。

    其它還有工業(yè)電視（CCTV）、視頻墻（Video Wall）等，這些已使全廠(chǎng)的顯示操作集中，工廠(chǎng)的中央控制室的面貌大為改觀(guān)，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，操作人員的培訓方式在變化，自動(dòng)化與無(wú)人化之間的關(guān)系應提高到新的高度去研究。

    5 自動(dòng)化通信系統及可互操作性

    以上回顧基礎自動(dòng)化相關(guān)設備都經(jīng)過(guò)數字通信系統集成為一個(gè)完整的自動(dòng)化系統，主流方式為分層結構，具體結構分為現場(chǎng)層和控制室層?？刂剖覍哟罅渴褂肅OTS式以太網(wǎng)、交換機、光纖，速率為100M bt/S以上?，F場(chǎng)層大量使用現場(chǎng)總線(xiàn)，目前在工廠(chǎng)中使用的除了有在21世紀初（2000年1月初）公布的IEC-61158的9種現場(chǎng)總線(xiàn)外，又添加了10余種，包括各種改進(jìn)型的工業(yè)以太網(wǎng)（包括我國的EPA）和改進(jìn)型的HART（帶多路復用器）標準。在通信（7層標準）的物理層和數據鏈路層的互聯(lián)互通的基礎上，以基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）為首開(kāi)展了互操作性的技術(shù)工作，即在應用層（或用戶(hù)層）設置了電子設備描述語(yǔ)言（EDDL），對應FF、HART、PROFIBUS的聯(lián)合小組及后來(lái)形成的IEC61804-2；系統集成中不可或缺的OPC組織也發(fā)展了OPC UA(統一架構)，與EDDL組織進(jìn)行合作；近年來(lái)又發(fā)展了FDT/DTM現場(chǎng)設備工具/設備類(lèi)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現場(chǎng)設備集成統一架構，這使數字化通信達到縱向、橫向集成的更高層次，使數字化設備中流程工業(yè)、離散工業(yè)有了互操作性，使開(kāi)放性更臻完美。

    6  關(guān)于安全

    自動(dòng)化儀表和系統曾經(jīng)的安全關(guān)注點(diǎn)是可燃氣體爆炸性混合物等環(huán)境，這些年由于現場(chǎng)層數據通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化儀表和系統在安全方面也取得了不少成果，如本質(zhì)安全，即無(wú)火花型儀表的研究已有Entity（實(shí)體模型）、FISCO（現場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)安全）概念，后者在2002年形成了IECTS60079-27標準，它不僅省去了現場(chǎng)電纜參數計算，并可適用于更高等級的應用環(huán)境等。此外，還有FNICO（現場(chǎng)總線(xiàn)非易燃模型）、DART動(dòng)態(tài)電弧識別及關(guān)斷（Dynamic Are Recognition and Termination）等技術(shù)。這些系統安全問(wèn)題，國內同行還需要努力研究。

    安全產(chǎn)品的種類(lèi)非常多，但現在一個(gè)新的安全關(guān)注點(diǎn)更值得自動(dòng)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)設計導則：石油化工緊急停車(chē)及安全連鎖系統設計導則（SHB-Z06-1999）。這些緊急停車(chē)及安全連鎖的功能依賴(lài)于儀表和系統執行正確的功能，所以被稱(chēng)為“功能安全”，對應的系統稱(chēng)為安全儀表系統SIS。
針對SIS目前有如下標準：美國的ISA-S84.01，國際的IEC61508及專(zhuān)門(mén)用于流程工業(yè)的IEC61511，又有最新的S84-2004標準。我國應該迎頭趕上，制定符合國情的標準，應用新標準對現場(chǎng)安全進(jìn)行完整性等級（SIL）劃分，儀表、系統等選用技術(shù)應該先行。

    國內在安全儀表系統的研制方面應走國際合作道路。在獨立的SIS之外，今年還發(fā)展了DCS統一系統架構下的SIS系統，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的功能安全。國內DCS廠(chǎng)商，如在此基礎上開(kāi)發(fā)SIS系統，將不失為一條捷徑。

    在中控室還有FGS火氣系統，MMS輔助機械設備監控系統等也與安全有關(guān)，現也被普遍采用。

    由于大量在自動(dòng)化系統中采用COTS以太網(wǎng)、交換機等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，所以，防止來(lái)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)于管控一體化及設備管理系統

    在工業(yè)化與信息化兩化融合的形勢下，自動(dòng)化與信息化融合或在工廠(chǎng)中管理與基礎自動(dòng)化融合，已經(jīng)深入發(fā)展。各DCS廠(chǎng)商均推出新一代的DCS，而且符合ERP/MES/PCS的三層結構的要求，在全面集成的基礎上，加大了對制造執行系統MES的開(kāi)發(fā)力度，同時(shí)與企業(yè)管理模式的改造相結合，這不能急功近利，應實(shí)行整體規劃、分步實(shí)施、重點(diǎn)突破的原則，要結合各行業(yè)的特點(diǎn)，使石化、鋼鐵、電力、煙草、汽車(chē)等行業(yè)有所突破。目前普遍對企業(yè)的關(guān)鍵績(jì)效考核指標設計（KPI）比較關(guān)心，它的量化，可為輔助決策提供數據支撐。目前又提出運營(yíng)管理平臺（OMP，Operation Management Platform）架構，使ERP、MES和PCS實(shí)現協(xié)同制造管理，做到柔性生產(chǎn)和動(dòng)態(tài)管理，而且可以采用逐步積累方式，使用戶(hù)在看到效益或盈利后逐步追加內容。

    作為管控一體化的特例，DCS廠(chǎng)商把現場(chǎng)的自動(dòng)化儀表等設備資產(chǎn)管理，形成了一個(gè)AMS設備管理組合，或稱(chēng)設備管理系統，它可以在中控室的AMS操作臺上看到現場(chǎng)儀表的臺賬、運行情況及維修計劃，可進(jìn)行遠方檢查、簡(jiǎn)化設備更換作業(yè)，這就為儀表維護帶來(lái)很多便利，為系統維護打下了基礎?，F在A(yíng)MS已經(jīng)成為與DCS同時(shí)被采用的中控室的主流設計方案。請注意該系統對現場(chǎng)設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(huì )把被管理的設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(wú)線(xiàn)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(chē)載無(wú)線(xiàn)電臺的數據傳輸等，工業(yè)上利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的起步較早，但進(jìn)步慢，收效不及手機等移動(dòng)通信快，但近來(lái)RFID射頻識別技術(shù)、WSN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、UWB低功耗高帶寬無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以及用于工業(yè)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（符合IEEE802.11標準）和相應無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表的出現，無(wú)線(xiàn)數字通信技術(shù)形成了一個(gè)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(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)很大，所以可以迎頭趕上。作為世界組織——現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )對于FF體系下無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)合作小組（WCT），并做出規劃，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(gè)階段，逐步使無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)融入工業(yè)應用之中。

    物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由感知層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層構成的，融合了感知技術(shù)及多種應用與服務(wù)的龐大社會(huì )信息化系統。在自動(dòng)化技術(shù)中，應用RFID于物流管理、工廠(chǎng)內生產(chǎn)管理已有成功范例，我們應該全面規劃、制定標準、創(chuàng )新實(shí)踐、講究實(shí)教等原則下，按照開(kāi)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維護

    這里所說(shuō)的全生命周期是指自動(dòng)化儀表和系統在制造、設計施工安裝、調試、開(kāi)車(chē)、運行、維護、淘汰、更新等全過(guò)程，如把與用戶(hù)有關(guān)的設計、采購、成套、施工、安裝、調試、開(kāi)車(chē)階段稱(chēng)為投資，產(chǎn)生的成本稱(chēng)為投資成本（CAPEX），而后的運行維護等產(chǎn)生的成本，則稱(chēng)為運行成本（OPEX）。在儀表和系統的選型中應綜合兩者來(lái)評審，這樣就對運行、維護提出了更高的要求。一是，儀表和系統有這方面優(yōu)越性，另一方面，是運行、維護管理要適應儀表和系統的特性。諸因素中在預維護方面，這些年頗有研究，在新型工廠(chǎng)中已逐漸由反應性維護轉變?yōu)轭A防性維護、預見(jiàn)性維護。特別是現場(chǎng)總線(xiàn)儀表和系統采用第七節中所述的設備管理系統之后，設備生產(chǎn)力、人工效率、設備壽命分別比系統維護提高了30%、20%、10%，而過(guò)失、停工時(shí)間、存儲清理成本及非計劃崩潰幾項分別降低了10%、20%、25%、50%，總體預算節約20%。

    要實(shí)行全生命周期管理，就要逐步實(shí)行數字化工廠(chǎng)。一個(gè)工廠(chǎng)的誕生要從規劃開(kāi)始就積累數據，隨著(zhù)工廠(chǎng)建設的展開(kāi)，會(huì )不斷有人進(jìn)出，但數據能存留，這是知識的積累，也是財富的積累，需要精心設計、精心施工、精心運營(yíng)、轉變產(chǎn)業(yè)結構，更需要轉變粗放的管理方式。

    10  關(guān)于自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)

    近十年由于我國經(jīng)濟總量的增長(cháng)，自動(dòng)化儀表和系統的年銷(xiāo)售額約為1千億元，而且民營(yíng)、三資、國資（或國資控股）三類(lèi)企業(yè)的銷(xiāo)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，由于國內民營(yíng)企業(yè)的努力，也擁有了較大份額。三類(lèi)企業(yè)都在國內加強研發(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)的建設速度很快，3年左右約為一個(gè)建設周期，自動(dòng)化行業(yè)也從中學(xué)會(huì )了MAC主自控承包商方式，而且不少制造商設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)方向轉變。

    除制造、設計、工程施工的企業(yè)以外，最終用戶(hù)的維護人員也形成了一個(gè)團隊。在逐步剝離主業(yè)之后，也成為自動(dòng)化儀表和系統全生命周期中不可或缺的一部分。在自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中，最終用戶(hù)是有話(huà)語(yǔ)權的。我國也意識到了國際上的一些最終用戶(hù)組織的作用。我們應把國內最終用戶(hù)組織起來(lái)，使制造業(yè)、產(chǎn)品供應商和最終用戶(hù)形成一個(gè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作的和諧局面。

    11  關(guān)于自動(dòng)化的市場(chǎng)

    這些年來(lái)，我國乙烯、電力、鋼鐵、水泥、汽車(chē)及高鐵等行業(yè)對自動(dòng)化產(chǎn)品的需求旺盛，市場(chǎng)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(wàn)噸乙烯的特大型項目，都較全面地采用了FF、HART、PROFIBUS全數字化的自動(dòng)化系統，運行非常成功。其它還有廣東茂名、天津、鎮海三大年產(chǎn)100萬(wàn)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(jìn)系統；未來(lái)幾年還有盤(pán)錦（45萬(wàn)噸乙烯）、神華（煤制烯烴）、撫順（80萬(wàn)噸乙烯）、四川石化（80萬(wàn)噸乙烯）、蘭州石化（71萬(wàn)噸擴至92萬(wàn)噸乙烯）、武漢石化（80萬(wàn)噸乙烯）、大慶石化（60萬(wàn)噸擴至120萬(wàn)噸乙烯）等項目，其中自動(dòng)化系統的采用均占到了總投資額的10%。

    據統計，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(wàn)噸/年），中石油為第八名（產(chǎn)能為371.4萬(wàn)噸/年）。由他們帶動(dòng)的下游產(chǎn)品制造、服務(wù)業(yè)也與自動(dòng)化相關(guān)。由此可見(jiàn)，自動(dòng)化市場(chǎng)非常巨大，大有用武之地。

    12  結語(yǔ)

    新世紀的十年里，自動(dòng)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(shí)現安、穩、長(cháng)、滿(mǎn)、優(yōu)貢獻出力量。國內自動(dòng)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“感性認識的基礎上，把所獲得的感性材料，經(jīng)過(guò)思考、分析、加以整理和改造，形成概念、判斷、推理。”相信自動(dòng)化儀表和系統實(shí)現數字化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò )化的那一天并不會(huì )太遠。