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

    進入21世紀已經有十年時間，這十年中國變化巨大。中國科學技術發展已經進入了一個新時期，我們正在建設一個創新型國家，把推動科技進步和創新作為加快轉變經濟發展方式的主要途徑。確立戰略性新興的七大領域（節能環保、新興信息產業、生物產業、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業、新材料）。所以，自動化產業的從業人員有責任總結這十年來自動化技術和生產、科研、經營活動的現狀及發展趨勢。以下筆者將大致以技術、產業、市場的順序分述于后。

    1 關于檢測技術

    自動化系統從基本功能看，分為檢測、執行、控制、人機界面四個方面。

    檢測技術這些年的發展特點是：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、新材料等多種技術融合，MEMS微電子機械系統實用化；離散傳感器發展迅速（中國市場2006年銷售額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點溫度檢測變送器等）、多種現場總線并存（流程工業變送器情況是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），無線傳輸技術發展很快，特別是RFID無線視頻識別等。

    逐步智能化，流程工業用差壓變送器已有多種診斷信息；多傳感器數據融合技術在發展，逐步實現數據層融合、特征層融合、決策層（證據層）融合；PAT過程分析技術已逐步進入生產實踐。

    在線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了小型化/模塊化，這將從根本上改變工業分析的面貌。

    總之，人們已逐步統一到，把檢測技術作為IT信息產業的源頭的認識上來，當然檢測技術在自動化技術中的地位更是不言而喻的。傳感器技術正沿著微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化前進。

   2  關于執行器技術

    工業化進程逐步實現了由機械化、電氣化到自動化的過渡，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，雖然發展的較慢，但在數字化、智能化方面始終不斷前進著。工業中，特別是流程工業普遍為管道化，所以，目前執行器大多以氣動調節閥為主（電動、液動為輔），及以薄膜式執行機構為主（活塞式為輔）。隨著國家經濟總量的增長，國內執行器生產廠商產量大增，目前多國儀器儀表展覽會為此設立專館，就是一個很好的佐證。調節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，并開發出具有雙向數字通信功能的現場總線型執行器。所以執行器正在逐步實現數字化、智能化、網絡化。近年來，亦有人在調節閥本身節約能耗上作出努力。

    在電動機及泵等執行器類產品中，變頻器和軟啟動器的應用很廣泛。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 關于控制技術

    在DCS、PLC、IPC三足鼎立和PAC逐步發展的同時，原來的單回路調節器等數顯儀表也在發展，工業以太網直接插接I/O模塊、多種現場總線及相關現場設備等硬件形式，也在控制技術中發展。硬件上看是百花齊放，滿足著不同行業，不同規模的用戶要求，在系統集成中，完成不同的控制功能。

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

    智能算法及現代控制理論在工業現場中已得到應用。如PID自適應調節、APC先進控制等已在流程工業及其他行業得到推廣。PID調節仍然是流程工業中的重要控制方式。

    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。穩定和優化兩大主題之外，安全已上升為控制的一個主題。

    4  關于人機界面（HMI）

    除去在DCS和PLC系統中的操作站、工作站之外，HMI作為獨立的產品存在已經有10余年的歷史，它的硬件、軟件發展特點是硬件逐步通用，軟件功能由制作人機聯系的操作顯示畫面（系統流程圖畫面）進行控制策略組態（采用IEC61131-3）、系統配置組態、異構系統集成，發展為提供實時數據庫、歷史數據庫、管理用關系型數據庫等。

    其它還有工業電視（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方式在變化，人和機器的關系在變化，操作人員的培訓方式在變化，自動化與無人化之間的關系應提高到新的高度去研究。

    5 自動化通信系統及可互操作性

    以上回顧基礎自動化相關設備都經過數字通信系統集成為一個完整的自動化系統，主流方式為分層結構，具體結構分為現場層和控制室層。控制室層大量使用COTS式以太網、交換機、光纖，速率為100M bt/S以上。現場層大量使用現場總線，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種現場總線外，又添加了10余種，包括各種改進型的工業以太網（包括我國的EPA）和改進型的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互通的基礎上，以基金會現場總線（FF）為首開展了互操作性的技術工作，即在應用層（或用戶層）設置了電子設備描述語言（EDDL），對應FF、HART、PROFIBUS的聯合小組及后來形成的IEC61804-2；系統集成中不可或缺的OPC組織也發展了OPC UA(統一架構)，與EDDL組織進行合作；近年來又發展了FDT/DTM現場設備工具/設備類型管理器，該組織也是從事互操作性技術工作的一支新生力量。EDDL、OPC、FDT三者合作形成了FDI現場設備集成統一架構，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、離散工業有了互操作性，使開放性更臻完美。

    6  關于安全

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

    安全產品的種類非常多，但現在一個新的安全關注點更值得自動化行業重視，這就是“功能安全（Functional Safety）”。我國石化行業已有相關設計導則：石油化工緊急停車及安全連鎖系統設計導則（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執行正確的功能，所以被稱為“功能安全”，對應的系統稱為安全儀表系統SIS。
針對SIS目前有如下標準：美國的ISA-S84.01，國際的IEC61508及專門用于流程工業的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，應用新標準對現場安全進行完整性等級（SIL）劃分，儀表、系統等選用技術應該先行。

    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，適用于流程工業的可編程電子繼電系統的功能安全。國內DCS廠商，如在此基礎上開發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，現也被普遍采用。

    由于大量在自動化系統中采用COTS以太網、交換機等網絡技術，所以，防止來自互聯網等處的病毒，也是一項安全技術。這方面的產品也在發展中。

    7  關于管控一體化及設備管理系統

    在工業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自動化融合，已經深入發展。各DCS廠商均推出新一代的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的開發力度，同時與企業管理模式的改造相結合，這不能急功近利，應實行整體規劃、分步實施、重點突破的原則，要結合各行業的特點，使石化、鋼鐵、電力、煙草、汽車等行業有所突破。目前普遍對企業的關鍵績效考核指標設計（KPI）比較關心，它的量化，可為輔助決策提供數據支撐。目前又提出運營管理平臺（OMP，Operation Management Platform）架構，使ERP、MES和PCS實現協同制造管理，做到柔性生產和動態管理，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容。

    作為管控一體化的特例，DCS廠商把現場的自動化儀表等設備資產管理，形成了一個AMS設備管理組合，或稱設備管理系統，它可以在中控室的AMS操作臺上看到現場儀表的臺賬、運行情況及維修計劃，可進行遠方檢查、簡化設備更換作業，這就為儀表維護帶來很多便利，為系統維護打下了基礎。現在AMS已經成為與DCS同時被采用的中控室的主流設計方案。請注意該系統對現場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。相信下一步將會把被管理的設備擴大到更多的資產中，使資產優化由管理層下延至控制層。

    8  關于無線通信及物聯網

    從上世紀工業上的“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據傳輸等，工業上利用無線通信技術的起步較早，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、WSN無線傳感器網絡、UWB低功耗高帶寬無線通信技術，以及用于工業的無線局域網（符合IEEE802.11標準）和相應無線現場儀表的出現，無線數字通信技術形成了一個井噴式的發展局面。

    這方面我國標準工作走在前面，而且工業無線通信市場很大，所以可以迎頭趕上。作為世界組織——現場總線基金會對于FF體系下無線技術的發展做了很多努力。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融入工業應用之中。

    物聯網是一個由感知層、網絡層、應用層構成的，融合了感知技術及多種應用與服務的龐大社會信息化系統。在自動化技術中，應用RFID于物流管理、工廠內生產管理已有成功范例，我們應該全面規劃、制定標準、創新實踐、講究實教等原則下，按照開創新興產業的要求，走在世界的前列。

    9  關于全面生命周期管理和預維護

    這里所說的全生命周期是指自動化儀表和系統在制造、設計施工安裝、調試、開車、運行、維護、淘汰、更新等全過程，如把與用戶有關的設計、采購、成套、施工、安裝、調試、開車階段稱為投資，產生的成本稱為投資成本（CAPEX），而后的運行維護等產生的成本，則稱為運行成本（OPEX）。在儀表和系統的選型中應綜合兩者來評審，這樣就對運行、維護提出了更高的要求。一是，儀表和系統有這方面優越性，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，在新型工廠中已逐漸由反應性維護轉變為預防性維護、預見性維護。特別是現場總線儀表和系統采用第七節中所述的設備管理系統之后，設備生產力、人工效率、設備壽命分別比系統維護提高了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%，總體預算節約20%。

    要實行全生命周期管理，就要逐步實行數字化工廠。一個工廠的誕生要從規劃開始就積累數據，隨著工廠建設的展開，會不斷有人進出，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、轉變產業結構，更需要轉變粗放的管理方式。

    10  關于自動化產業

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

    我國新建大型重化工企業的建設速度很快，3年左右約為一個建設周期，自動化行業也從中學會了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方向轉變。

    除制造、設計、工程施工的企業以外，最終用戶的維護人員也形成了一個團隊。在逐步剝離主業之后，也成為自動化儀表和系統全生命周期中不可或缺的一部分。在自動化產業中，最終用戶是有話語權的。我國也意識到了國際上的一些最終用戶組織的作用。我們應把國內最終用戶組織起來，使制造業、產品供應商和最終用戶形成一個自動化產業協同合作的和諧局面。

    11  關于自動化的市場

    這些年來，我國乙烯、電力、鋼鐵、水泥、汽車及高鐵等行業對自動化產品的需求旺盛，市場巨大。僅以乙烯生產為例，上海賽科、廣東惠州中海油殼牌、福建聯合石化公司年產約100萬噸乙烯的特大型項目，都較全面地采用了FF、HART、PROFIBUS全數字化的自動化系統，運行非常成功。其它還有廣東茂名、天津、鎮海三大年產100萬噸乙烯項目，亦已投產。雖未采用FF，但大量采用HART、AMS等先進系統；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商排名中，中石化為第三名（產能為728.5萬噸/年），中石油為第八名（產能為371.4萬噸/年）。由他們帶動的下游產品制造、服務業也與自動化相關。由此可見，自動化市場非常巨大，大有用武之地。

    12  結語

    新世紀的十年里，自動化產業已經步入壯年，它不再是“錦上添花”、“形象工程”，而是真正可以為企業實現安、穩、長、滿、優貢獻出力量。國內自動化技術創新能力在增強，集成創新方式得到了肯定，而且是走向了有“理念”的創新之路，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實現數字化、智能化、集成化、網絡化的那一天并不會太遠。