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作者簡介

卞正崗（1936-），男，教授級高級工程師，1961年畢業于清華大學電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業自動化儀表、集散系統與現場總線的研制和自動化系統集成的工程實踐，享受政府特殊津貼，中國自動化學會科普工作委員會委員，曾獲得有色總公司科技進步一等獎和國家機械總局科技進步三等獎。

1　前言

李克強總理在2015年3月25日正式部署加快推進實施《中國制造2025》，實現制造業升級，并指出重點發展新一代信息技術、高檔數控機床和機器人，航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械、農業機械裝備10大領域。此前還提出十年、三十年、五十年等長期愿景，對“十三五”規劃更是已細化到桌面上。

儀器儀表是信息技術的一部分，它是信息的源頭和傳送、控制、執行、人機聯系不可或缺的一部分，它在眾多行業和重點發展行業中起到“四兩撥千斤”的作用，它是先行者，是基礎產業。而儀器儀表行業還是古老而年輕的產業，技術含量高，生產難度大，不能全靠國外技術轉讓來解決自有關鍵技術。我國要在制造業上來一個大飛躍，勢必要在儀器儀表行業先來一個飛躍，明年開始的五年，又是最關鍵的五年。

儀器儀表行業作為“工業強基”的一部分，即關鍵基礎材料、核心基礎部件（元器件）、先進基礎工藝、產業技術基礎（四基）等工業技術能力，一定要先行，這是多年總結出來的經驗教訓，做到這些，一定會一通百通、事半功倍。改革開放以來，已聚積了足夠的人力、財力、物力、創新能力，可以在新常態下，穩中求進，實現我國儀器儀表行業質的躍進，圓一個儀器儀表人共同的中國夢。

2　現狀

儀器儀表行業現下分20個小行業，即工業自動控制系統裝置制造；電工儀器儀表制造；繪圖、計算及測量儀器制造；實驗分析儀器制造；試驗機制造；供應用儀表及其他通用儀器制造；環境監測專用儀器儀表制造；汽車及其他用計數儀表制造；導航、氣象及海洋專用儀器制造；農林牧漁專用儀器儀表制造；地質勘探和地震專用儀器制造；教學專用儀器制造；核子及核輻射測量儀器制造；電子測量儀器制造；其他專用儀器制造；鐘表及計時儀器制造；光學儀器制造其他儀器儀表的制造及修理；衡器制造；醫療診斷、監護及治療設備制造。2014年主營業務收入879,642,303千元，小行業工業自動控制系統裝置制造為330,442,480千元，約占37.5%，但是其他小行業對于自動化領域來說，也是不可或缺的。

反映儀器儀表行業現狀，2014年相關統計數據還有：主營業務收入同比增長11.07%；利潤總額77,297,607千元，同比增長10.5%；出口交貨值135,693,828千元，同比增長6.18%（增加值增速為9.4%，比上年低2.2個百分點，為近年新低）；進口437.7億美元，同比增長8.84%，出口260.5億美元，同比增長10.3%，進出口逆差177億美元，為近年新高，但傳統優勢出口商品整體表現尚佳。

全國2014年儀器儀表行業企業數為4116家，其中自動化儀表單表和系統的制造企業為1104家，約占1/4；按企業規模分列為大型企業94家，中型企業720家，小型企業3302家，主營業務收入各占比例2:3:3.8；按企業經濟類型分列為國有及國有控股企業221家，民營企業2916家，三資企業790家，其他189家，主營業務收入各占比例0.7:5.6:2.2:0.26。

總的來說，我國儀器儀表行業年主營業務收入近萬億元，年增長率超過10%；國有、民營、三資企業三足鼎立，民營企業發展勢頭看好。

由于歷史的原因，近年來自動化技術領域興起的多種傳感器、機器人、機器視覺、可穿戴設備（如智能手表）等，儀器儀表行業并未在相應的工業行業代碼分列或機械行業代碼分列中得到統計的許可。現在眾多的產業聯盟（行業組織）方興未艾，也可能是對儀器儀表行業的鞭策，我們還須“自奮蹄”跟上新生事物的發展。

我國儀器儀表行業規模之大已見一斑，其中電能表、水表、煤氣表、數字萬用表、望遠鏡、顯微鏡等產量均居世界第一，自動化用的差壓變送器等變送器、執行器產量也居世界前幾位，測繪儀器、金屬材料試驗機等也名列世界前茅。年增長速度最高時可達到20%，百分數為兩位數是常態，總產值2014年為2005年的14倍。產業規模迅速壯大，是現狀的一大特點。

在技術水平提高方面的特點是已完成了產品從模擬技術向數字技術的轉變，在網絡化方面特提高很大，已有了DCS、PLC、遠程測控系統及用于軌道交通、智能建筑等的專用系統，正在逐步實現互連、互通、互操作。0.075%高精度的壓力/差壓變送器的自主研制的產品已投入了批量生產。

此外還出現了不斷提高企業競爭力、加強自主創新能力及在國際標準制定方面有了較大話語權等特點。

我國儀器儀表行業存在的差距有：產品以中低檔為主；高檔儀器儀表主要依賴進口；國產產品的穩定性、可靠性較差；面大量廣的儀器儀表中，還有不少國產產品的產業化發展速度較慢，如PLC等；應用技術開發滯后，系統集成和兩化（工業化和信息化）融合較差；面對技術的最新進展，國內企業缺乏技術儲備，基礎仍很薄弱。舉個例子來說，2014年出口交貨值中，國有及國有控股企業為1,641,290千元，民營企業為36,534,986千元，三資企業為94,095,846千元，即比例為1.64:36.53:94.1，或為1:22.3:57.3。

3　應用

不用諱言，儀器儀表行業中工業自動控制系統裝置制造這個小行業，加上其為之服務的工業企業所用的其他儀器儀表，都是為工業、特別是為流程工業服務的，而流程工業以外的離散工業，不少也是屬于流程工業的最后幾道工序，所以談到應用，儀器儀表在流程工業中的應用應該著重研討。其它汽車制造行業等離散工業中儀器儀表的應用，是《中國制造2025》重點關注對象，所以也要探討一下，以改變原來以重化工為主的大量出口基礎原材料為主的產業結構形式，使儀器儀表行業更多地關注機械制造業的需求。

3.1　儀器儀表用于大型煉油廠

近十年來我國已上馬了多座年產量達千萬噸的新型或改擴建的大型煉油廠，以揚子石化煉油廠改造項目為例，它由800萬噸/年改擴建為1400萬噸/年，2012年正式啟動，經過2年建設，于2014年全面建成投用。自動控制系統和信息管理系統分為三層，即PCS生產運行控制層、MES生產運行管理層、ERP生產經營管理層。PCS下包括：DCS、SIS、MAS（儲運）、CCS（壓縮機組）、FGS（火災及可燃有毒氣體監控）、AMS（自控設備管理）、APC（先進控制）等部分。MES下包括：生產調度、生產成本控制、操作管理、收率管理、物料管理、能耗管理、計量管理、油品移動調和與發運、質量管理等模塊，其中還包括了實驗室信息管理系統LIMS（注：LIMS是儀器儀表中分析儀表相關的又在眾多工業自動化儀表和系統之外的，國際上已經較流行的，標準化的信息系統，應引起人們關注）。ERP下包括財務管理、銷售管理、物資管理、工廠維護管理、人力資源管理、績效考核和經營計劃等模塊，同時建立了門戶網站、文檔管理、辦公自動化和電子商務（EC）等系統。最終做到公司高層領導無論何時何地都能對企業的生產狀態、經營情況、資金流動、倉儲情況、市場信息、人員安排等，做到決策有據。

該項目各裝置的DCS系統均采用浙江中控公司生產的ECS700系統。300LB、600LB以內的低壓控制閥全部采用國產調節閥和切斷閥，做到控制閥比例為總數的70%，另外滑閥和手動耐磨球閥、PSA程控閥選用了國產閥門，國內的合資企業產品也有一些在主流裝置上應用。其他溫度儀表、壓力儀表流量儀表、液位儀表、在線分析儀表、油品調合系統、電信系統（中控室CCTV集中監控系統），均立足于市場上應用，成熟的進口品牌儀表和國內技術成熟的軟硬件產品，工程全部由國內的成套工程公司集成建設。此外，兩個罐區選用了美國霍尼韋爾和艾默生的無線產品，形成了貯運廠罐區和煉油廠罐區兩個品牌的無線儀表網絡。

總之，煉油工程項目儀表國產化率是很高的。常減壓工段基本上全部實現了國產化；催化、焦化等工藝部分采用了進口品牌的產品。

3.2　儀器儀表用于大型乙烯行業

近十多年來，我國已有多個年產量達百萬噸的大型乙烯石化聯合企業，通過這些企業的建設，我國儀器儀表行業、設計、施工、開車投運、日常運營維護等相關人員，都受到鍛煉，走在了世界前頭。2003年3月~2005年3月的上海賽科（SECCO）、2003年1月~2006年2月的惠州中海油殼牌（CSPC）項目，均使用FF現場總線，已運行至目前，而且中間均經過了系統升級、大修、擴建等考驗，十多年的經驗已證實了現場層數據通信、現場控制的技術是切實可行的。在這之后，福建煉化一體化（FREP）及其他項目現場層有FF、Pro Fib us-PA、HART等多種形式，都很成功。

到目前為止，控制系統、調節閥、現場儀表、在線分析儀表、機組狀態監控儀表、先進控制等，還是以采用進口品牌產品為主。無線儀表有近二百臺霍尼韋爾無線儀表已在武漢石化乙烯裝置相關的乙烯罐壓使用成功。又華東理工大學開發的APC先進控制系統，已在揚子石化乙烯新區五臺裂解爐的APC和RTO全部上線，而且已推廣至上海石化、鎮海煉化、齊魯石化、天津石化、廣州石化、中石油吉林石化等企業。聚光科技的國產Mars在線質譜儀已經在揚子乙二醇裝置進行工業化完成應用考核。目前已有一批國內企業對開發大型石化項目機械、儀表設備、先進控制裝置正在努力，形成了有較高競爭力的自動化系統和儀表的制造企業，這些必將獲得石化企業的認可。

3.3　離散工業汽車制造業的自動化

一般人都認為離散工業與儀器儀表行業的關系主要是指光電開關、接近開關等傳感器和PLC可編程控制器等產品，實際上分析自動化系統或現在流行的管控一體化的前世今生，是從數控機床（CNC）的數控設備和CIMS計算機集成制造系統開始，而逐步向流程工業延伸的。

本人有幸在1979年見到日本豐田汽車制造生產線，又在2000年前見到長春一汽引進的汽車生產線，這見證了離散工業自動化技術的進步；近來見到“國之重器”紀錄片中提到濟南二機床向美國提供的汽車制造沖壓生產線，這是多么大的進步啊！這使我見到了我國由制造大國走向制造強國之路是灑滿陽光的。下面就以易往信息技術有限公司有關汽車制造方面的應用實例進行闡述。

該公司成立于2003年，先后為數十家汽車制造廠、食品生產廠提供各類解決方案，在ERP企業資源計劃/MES制造執行系統/controls控制三層結構中，該公司對MES系統產品化有較多成績，核心軟件產品有EW-MES、EW-WMS（倉庫管理系統）、EW-APS（高級計劃與排程系統）、EW-SCM（供應鏈管理系統）等。

（1）江鈴汽車涂裝車間輸送線自動化車身由輸送系統控制下全自動執行無人操作，車身預處理和電泳由12個步驟和7道工序。電氣控制系統由該公司承接，分基礎層、數據層和網絡層三個層面。基礎層有遠程I/O、共線辨識（主要節點為RFID由外部讀取車型信息）幾部分，數據層和網絡層有光纖通訊，Rockwell Automation通訊設備、Ethernet/IP通信技術、安全型PLC等部分。

（2）江鈴汽車WMS倉庫管理系統

該項目為江鈴汽車小藍基地30萬輛整車項目，2010年開工，2012年6月投產。WMS功能為：基于江鈴收貨業務的入庫流整合功能、基于江鈴發貨業務的出庫流程整合功能、庫存管理功能、碼頭調度功能、無線手持終端功能、業務規劃配置功能、報表及分析功能、與SAP以及MES的實時數據交互功能。這些功能的實現，達到了客戶的預期效果。

（3）東風汽車通過MES打開了生產管理的黑匣子相關資料內容豐富，將應用效果摘錄如下：交貨期可視化、物流標準化和指標化、成本透明化、生產模式發生變化、質量檢查與零部件入庫及制造過程銜接提升產品質量、管理提升等。

3.4　其他應用

以上看出，儀器儀表、自動化技術都是呈系統或完整解決方案形式，向客戶提供的。其他還有節能環保方面的節能監控系統、CEMS連續排放監測系統（用于氣體排放固定污染源）和在線水質分析儀排放監控系統、智能建筑系統、輸油、輸氣管線SCADA系統等，還發展到城市公共資源的交通、水務、公共物資的大型綜合指揮中心等遠程測控系統。應用雖不廣泛，但是發展空間很大，還有LIMS實驗室信息管理系統等，它與實驗室大型分析儀表和其他科學儀器及標準氣樣、標準計量儀器、標準物品及各批送試樣品管理、文檔管理等都關系很大，而且除大型工業企業以外，科研、司法等部門都迫切需要它，在十三五規劃中應關注LIMS的應用。

4　儀器儀表的智能化和智能制造

當今國內儀器儀表已在數字化、網絡化、集成化進程中，逐步走向智能化。兩化融合又進一步促進了智能化。有一種說法：信息化是指培養、發展以計算機為主的智能化工具為代表的新生產力；并把智能化工具相應的生產力稱為信息化生產力；信息資源是信息化的基礎，開發利用信息資源是信息化的核心。現在出現的云計算、大數據等都與智能化有緣（例：上海通用汽車公司王玲指出，汽車車身工藝的數字化，采用大數據技術，價值回報高）。我國儀器儀表正從靈巧化（smart）的初級階段，走向高級智能化的階段，目前的熱門話題是：設備管理、預測性維護、全生命周期管理、遠程診斷、遠程監控、遠程仿真培訓等。關于檢測儀表的智能化，一方面是在精度、適用更嚴酷的環境、低功耗、無線通信、人機界面好、便于使用維護等之外，多點測量和多參數測量的單個檢測儀表及檢測執行一體化的現場儀表，機器健康狀況檢測儀、在線實時分析儀大量出現，更適于普適感知，建立傳感器網絡，為安全、節能、環保、穩定運行提供分析、推理、決策的信息。各種單個儀表的智能化要匯成系統智能化，這是必由之路。

智能制造，本身就是智能化的儀器儀表制造的需求，當然更重要的是為十二五規劃提出七大戰略性新興產業服務，為《中國智造2025》提出的十大領域服務。機械制造行業金屬切削加工由數控機床實現了一個工序自動化，發展成加工中心實現了機械零部件等至整個機器機械加工過程的逐步自動化。工業機器人的出現，彌補了加工中心的工件進料、出料、搬運、分揀、擺放、碼垛、裝配以及焊接、噴涂、拋光、打磨等的不足，使生產線上好多人工勞動得到解放，更重要的是這一切都可以在PLC或計算機系統協調下完成柔性制造（FM）。當然近年興起的3D打印（快速成型）的增材系統還有待成熟。與之同步開展的是機械產品設計自動化、工藝設計自動化，即CAD、CAE、CAPP、CAM等，這統稱為CAX計算機輔助軟件，這些與數控機床、加工中心、機器人、傳送帶、自動引導小車、交換工作站、自動化倉庫及冷卻系統、排屑系統、刀具監控等附屬系統配合，形成了一個生產系統，同時又是一個新產品試制系統。

現今的CIMS系統更強調的是以財務為中心的管控一體化系統，它以小批量、客制化多品種生產為前提，所以又稱為柔性制造系統FMS，它的管理層統稱為ERP企業資源規劃，實際還包含了SSM銷售服務管理和SCM供應鏈管理等，智能制造貫徹于CIMS各層中，目前MES制造執行系統是正在解決之中，控制層PLC及派生出的PAC的應用技術國內已經相當成熟，在工業機器人、多關節機器人和并聯型機器人方面國內已有企業能夠成批生產，而智能機器人在生產中應用較少，但與機器視覺有關的一些智能算法已經成熟，可以逐步推廣。

智能制造是硬件和軟件同樣重要，單表和系統應同時并舉，應該制定出路線圖來，真抓實干，應有早期收獲清單。

5　十三五規劃在儀器儀表方面的目標和展望

（1）加強“四基”特別是MEMS微機電系統的工藝，要實現產業化。

（2）加強離散制造的管控一體化系統，特別是MES和PDM（產品數據管理）軟件的研發能力，并在面大量廣的儀器儀表制造中，建立FMS系統或Pseudo-FMS系統（準柔性制造系統），作為儀器儀表制造業的試點。并且以傳統優勢出口儀器儀表等面大量廣基礎性儀器儀表生產線改造項目為例，實現早期收獲。

（3）加強國產PLC（或PAC）產業化工作，使之能占有50%的中國市場，加強離散控制有關的運動控制、機器人、機器視覺技術及離散型傳感器的研發和產業化工作，使離散制造的基礎產業得到發展。

（4）加強DCS、遠程測控系統的產業化和向世界水平繼續前進，加強先進控制、人工智能、智能控制的理論和產業化的工作，滿足我國眾多行業發展的要求，探討“工業4.0”或CPS（Cyber-Physical System）信息物理融合系統的發展方案。

（5）加強在線分析儀表的產業化水平，使PAT過程分析技術能在工業實踐中節能增效，實現綠色發展。

（6）加強系統安全業務，為信息安全、功能安全和傳統安全服務。

（7）繼續實行改革開放政策，在引進基礎上，加強消化、吸收，加強國際交流，加強與國際組織合作，開展標準化工作，特別是配合智能化要求，適時和提前制訂智能化方面的標準，對無人汽車、無人機（飛機）、可穿戴設備等事關倫理、事關社會秩序的自組織、自學習技術要引導或適當規范。

（8）加強服務業相關的工作，這是為各行各業服務的儀器儀表行業義不容辭的義務，積極參加環境監測等公共事業，要對提高大型儀器設備的利用率，特別是為科研和市場服務，率先做好行業工作。

（9）加強儀器儀表、自動化的教育工作，要在向下培養高素質的技術工人和向上培養動手能力強、基礎知識廣而專的科研隊伍方面都下功夫，為今后的十年和三十年打好人才隊伍的基礎。要使教學專用儀器制造小行業（包括生命科學相關的儀器儀表）升級換代，使我國的儀器儀表和自動化的學校實驗室中，國產品牌設備更多一些。

（10）三種類型經濟的企業都要加強開發新產品的投入，都要保持一定數量的大型企業，使企業有生命力，以適應“一帶一路”走出去的戰略，同時要實行企業間及三大區域協同發展的戰略。

五年之后，我國儀器儀表行業將調整好產業結構，提前成為全球儀器儀表制造行業的第二方陣的一員，邁著健康的步伐，向世人提供出耳聰目明、頭腦智慧、弛張有度、形象美麗的儀器儀表和系統。

參考文獻：

[1] 中國儀器儀表年鑒 (自動化儀表分冊) [M]. 北京: 中國商業出版社,2014.

[2] 卞正崗. 機械制造自動化與儀器儀表制造自動化的發展[J]. 中國儀器儀表, 2013, (8) .

[3] 卞正崗. 機器人與自動化技術[J]. 自動化博覽, 2015, (3) .

摘自《自動化博覽》2015年11月增刊