自動化儀器儀表與控制系統現狀及發展趨勢
http://www.zouyunfu.com核心提示：雖然自動化儀表新產品的推出速度減緩，但是自動化儀表的技術發展史持續不斷的，儀表制造商近兩年新技術發展積極性不高，但儀表用戶發展自動化技術的積極性越來越高。近，在信息技術的融入、儀表安全技術、無線通信技術等各方面都有令人矚目的發展。另外國外新產品推出的減速，為我國儀表的發展帶來了機遇。國內儀表近兩年繼續健康發展，行業的總體趨勢與《2006-2007儀器科學與技術學科發展報告》的介紹未發生大的變化，因此也可以認為本報告是它的補充。
一、自動化儀表與控制系統的基本現狀
進入21世紀，我國制造業的高速發展，拉動了對自動化儀表與控制系統的需求，我國新上的大型項目所用自動化儀表和控制系統的先進程度已經處于水平。當前傳統制造業在發達國家已經過了輝煌期，與之配套的自動化儀表自然就增長緩慢。自動化儀表發展的熱點在新興市場的價格問題從兩個方面夾擊儀表制造商，一是新興市場的用戶對產品價格敏感度很高；二是在那里往往可以找非常便宜的替代品，這樣就難以激發跨國企業花大成本研制新型儀表。
近10年自動化儀表技術發展的重要領域——現場總線技術的發展雖然取得了顯著成就，但是在應用方面大體上還處在替代模擬傳輸線的階段。實際上現場總線不僅僅是信號制式的改變，它是為控制技術的信息化提供基礎的。用戶對系統底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現場總線技術推廣的原始動力。近些年來現場總線在設備資產管理、預測診斷和平穩操作等方面的潛力開始被挖掘出來，顯現了極富發展前景的勢頭。
但是基于現場總線技術的網絡化控制和分布式只智能技術，到目前無論在理論上還是在實踐上都未出現顯著突破：而現場總線的速度瓶頸是的在復雜控制和快速響應方面有時還不如傳統儀表：持續多年的現場總線之爭至今在制造商中沒有贏家，又使用戶普通感覺厭倦，極大地消耗了各企業發展的資源。
國際上反映自動化儀表產品動向的幾個重要窗口：以ISA EXPO、Miconix等為代表的國際儀表展覽，以Readers’ Choice Award(讀者選擇獎)為代表的獎項。從近3年的讀者選擇獎看，獲獎產品變化不多。自動化儀表今年發展的重點在儀表的應用方面。
這種發展趨勢的變化是很自然的，數字化、智能化儀表和系統經過近10年的告訴發展，在應用方面積累了一些問題，智能儀表設計的許多創新功能也未得到充分的應用。主要問題有以下幾點。
（1）數字儀表和系統的信息保密和安全問題
（2）微程序和軟件的可靠性問題。
（3）通信的保密、安全和可靠性問題。
（4）智能儀表在運行時是可以與控制系統互動的以及如何進行互動。
（5）智能儀表提供了遠比模擬儀表多的信息以及如何充分利用這些信息。
（6）眾多智能儀表的可互操作問題。
（7）儀表和系統的故障診斷以及故障診斷信息的可互操作問題等.
上述問題都是由于數字化和網絡化而產生的，并不是現有技術無法解決這些問題，只是可選的解決方案太多，而統一的解決方案才是有效的。而如何統一是當前正在研究的。
雖然自動化儀表新產品的推出速度減緩，但是自動化儀表的技術發展史持續不斷的，儀表制造商近兩年新技術發展積極性不高，但儀表用戶發展自動化技術的積極性越來越高。近，在信息技術的融入、儀表安全技術、無線通信技術等各方面都有令人矚目的發展。另外國外新產品推出的減速，為我國儀表的發展帶來了機遇。國內儀表近兩年繼續健康發展，行業的總體趨勢與《2006-2007儀器科學與技術學科發展報告》的介紹未發生大的變化，因此也可以認為本報告是它的補充。
ISA EXPO2008的6大關注點是：信息安全、過程自動化、環境和質量控制、無線與網絡通信、企業集成。實際上包括我國的Miconix展在內的全球各主要儀表展覽，近兩年的主題也在這之內。可以說這個六個方面反映了近兩年自動化儀表領域的主要發展動向。六個方面中信息安全、過程自動化和環境控制主要是由自動化儀表領域外的技術推動的，本報告的一下部分不將其作為重點。
中國投資咨詢網的《2009-2012年中國儀器儀表行業投資分析及前景預測報告》，在簡介中對國內儀器儀表的論述也恰如其分地表達了國內自動化儀表領域發展的不足，其論述是這樣的：“雖然中國儀器儀表工業有了一定的發展，但遠遠不能滿足國民經濟、科學研究、國防建設以及社會生活等各個方面日益增長的迫切需求。中國儀器儀表產品，大部分屬于中低檔技術水平，而且可靠性、穩定性等關鍵性指標尚未全部達到要求。因此中國需做長期規劃，將振興測量控制與儀器儀表行業作為一個系統工程，從影響測量控制與儀器儀表業的各主要方面，包括政府、企業、社會環境、科研和教育機構等方面制定協調一致的戰略措施并認真貫徹執行。”
二、自動化儀表與控制系統的發展趨勢
（一）自動化儀表與企業的信息化
信息技術的發展給自動化儀表帶來兩方面的影響：一方面信息技術與自動化儀表爭奪人才，在IT發展的高潮，許多有經驗的儀表工作者轉向IT行業，這也是近年儀表產品推出減緩的原因之一；另一方面自動化儀表借用了TI行業一些成熟的技術和產品，加快了信息的步伐。
信息化是當前時代發展的趨勢，自動化儀表技術包括了信息采集、信息處理以及信息的應用這樣的過程，因此自動化儀表技術實際上時信息技術的一個重要分支。所謂“企業集成”實際上是企業的信息集成和整合，所謂“信息”實際上時獲得信息過了處理和應用的能力，而為得到的應用的一大障礙是信息表達的統一性不夠。如何提高處理和應用信息的能力是當前的主題。
信息化需要將現實的實體事物（包括原料、設備、產品、控制系統、儀表等），生產流程（包括制造方法、工藝等）。企業的管理（包括采購、銷售、物流等）用計算機能夠識別和處理0和1來描述，然后由計算機進行運算和處理，后將處理的結果再反作用到現實。
信息化的前提是將現實以及現實事物之間的關系轉化為0和1，不能做到這一步信息化是不可能實現的。做到這一步就是對現實建立信息模型。
信息模型是用一組簡化的信息。按一定規則對事物所做的抽象描述。
信息模型定義包括了簡化、規則和抽象三要素，這三要素的多樣性決定了可能的信息模型的多樣化，建立信息模型的過程包括了克服多樣性，實現統一性的任務。自動化儀表和系統信息模型的目標是：以毫不含糊的方式描述信息，以方便交換為基本定位，終實現廣泛的可互操作性。
2006年9月，在德國柏林的IEC100周年慶活動的自動化論壇上，IFAC專家Diedrich教授作了題為《自動化工廠的信息模型》的報告，介紹不同的控制層次，不同的生產階段的不同信息類型、不同信息處理技術和工具。
建立信息模型的工作是自動化儀表領域的一項基本工作，也是統一信息表達的只能給藥手段，主要內容包括：1.建立描述事物的規則；2.按照規則對所設計大量食物進行描述，建立模型庫。
建立描述事物的規則是一項繁雜的研究工作，因為隨著文化背景的不同、宗教信仰的不同、描述事物側重的不同、詳細程度的不同，描述的方案有很多種，我們需要的是在當前信息處理能力相適應的、能被公眾廣泛接受的方案，這種方案終往往以國際標準的形式出現。近兩年在制定這類國際標準方面取得明顯的進展。
描述事物的規則按對象的屬性可簡化分為3類：
（1）描述事物的信息模型。如描述生產原料、元件、控制系統儀生產用裝置、設備、生產過程的狀態、中間和終產品內容的信息模型，這種類型的模型要把對象的基本屬性描述出來，典型代表是IEC361987工業過程測量與控制過程設備目錄中的數據結構和元素系列標準和IEC61360與電子元件分類方案相關的標準數據元素類型系列標準。
（2）描述事物之間關系（尤其是定量關系）的模型。信息化的重要作用是對事物進行優化，優化的條件是了解事物之間的（定量）關系。這種模型常常以數學模型的形式出現。這類模型往往針對性很強，難以建立統一的廣泛應用的模型，因此較少以國際標準的形式出現。
（3）描述對象過程信息模型。如生產過程、管理過程，典型代表是IEC62264企業系統集成系列標準。
在建立自動化儀表及應用的信息模型方面，我國高校和研究機構早有研究。但并沒有將這項工作定位信息化促進工業化的重要基礎，一直缺乏國家或行業層面，系統規劃和大規模的工作。
我國TC159全國工業自動化系統與集成標準化技術委員會和TC124全國工業過程測量和控制標準化技術委員會在跟蹤和采用國際標準方面做了不少工作，除派出專家加入國際標準的工作組直接參加國際標準的外，還及時地將重要信息模型標準轉化為國家標準。有了這些建立信息模型的方法標準，后面需要做的工作室：宣傳、貫徹、學習這些手法，用這些方法建立各認可的具有可互操作性的信息庫，應用這些信息庫服務于企業的自動化。
由于信息模型對于國內企業和工程師還是新事物，上述這些工作在初期還相當復雜，重要的是我國制造企業較少主動提出信息化的需求，因此我國在這方面相對較落后，迫切需要引起重視。
（二）自動化儀表工程項目全局信息和全生命周期信息的整合
全局和全生命周期的信息化整合實際上是自動化儀表系統的可互操作性。可互操作性是分層次的，基本的是過程控制機的互操作，即控制系統與現場儀表表層免的可互操作，向上一層是控制系統維護與生產設備診斷信息的可互操作，在高一層是企業管理信息的客戶操作。全局信息化整合至少要實現全局信息的可互操作。
不同層級實現可互操作的技術和方法是不完全一樣的。在控制系統與現場儀表層主要技術史：功夫塊、EDDL（電子設備描述語言）、FDT/DTM（現場設備工具/設備類型管理器）、OPC UA（原 Ole for Process Control，過程控制控制用對象鏈接和嵌入：現Openness，Productivity&Collaboration,開放、生產率和協作；企業管理層則部分借助于MES（制造執行系統）技術。全局信息整合至少要使企業各層之間的信息交換無障礙。
自動化系統工程師項目從論證一直到建成投產運行、目后大修維護，整個過程的每個階段會產生許多技術文件，各階段的文件又有很強的關聯，而且這些文檔現在都以二進制形式存在計算機里。涂過各階段采用統一的信息模型，那么下階段的文件相對上階段就可以有很好的繼承性。例如，在項目的工程設計階段就會編制控制邏輯配置圖，如果使用了統一的信息模型，那么到開車調試階段就可以直接用這個圖對系統進行組態。全生命周期信息整合就是要實現系統各生面階段之間可互操作，這樣的信息化整合方案是由儀表的用戶提供的。儀表的用戶企業由于貼近生產過程，貼近應用，一些用戶組織對自動化儀表的應用提出許多要求，制訂了一些團體標準。現在他們逐步地將這些團體標準轉化為國家標、歐洲標準或國際標準，如IEC61242過程控制工程的表示方法——對P&I圖和P&ID工具與PCE-CAE工具之間數據交換的要求和IEC61987的若干部分（P&I，管線工程與儀表裝置；P&ID，管線工程和儀表裝置系統圖；PCE，過程控制工程；CAE，計算機輔助工程）。
自動化儀表工程項目全局、全生命周期的信息化整合式一個漫長的過程，近兩年IEC62424標準的推出是發展中的一個重要標志。
我國一直有研究機構在跟蹤全局、全生命周期的信息化整合技術的發展方向，當有關標準文件由技術團體提交國際標準化組織，TC124會很快安排專家加入起草工作組，這種跟蹤已經持續多年了。同時TC124還及時將出版的國際標準轉化為國家標準。
全生命周期的信息化整合的概念對我國工程師還比較新，雖然一些工程項目中用了可以進行全生命周期的信息化整合的工具軟件InTools，但人們還只是將它置于某個生命階段。
我國對自動化儀表在系統運行過程中的信息整合做的很不夠，及時用了現場總線智能儀表，數據通信業僅僅起替代傳遞的功能。產生這種情況的原因，一方面是我國用戶對企業信息化的需求并不迫切；另一方面我們缺乏符合我國各行業實際情況的、有效的信息化整合軟件。自動化儀表工作者對信息化可以做什么了解不夠，而用戶對信息化有什么好處不清楚，對怎么做更提不出要求。這些因素影響了信息化整合技術的發展.
有人認為以數字化、網絡化為代表的智能儀表發展有三個階段：階段是數字化現場總線智能儀表替代模擬儀表，重點是發揮節省安裝費用、提高儀表性能的作用；第二階段是工程和儀表的全局信息和全生生命周期信息的整合，實現信息化，重點是提高項目工程的管理水平和運行效益；第三階段是以無線通信儀表為重要特征，實現所謂“無所不在的測量、無所不在的網絡、無所不在的計算”，實現真正的網絡化控制，重點是提高企業的效益。三階段的目標相當遠大，可以說是整個21世紀自動化儀表的目標。目前我國階段的工作已經展開，第二階段的工作開始啟動，第三階段的工作正在探索。
（三）功能安全
安全是一個非常廣泛的主題，在自動化儀表領域今年主要關注功能安全方面。IEC61508電氣/電子/科編程電子安全相關系統的功能安全系列國際標準早在1998年就開始陸續出版，2003年又出版了IEC61511過程儀表安全系統的功能安全系列國際標準。我國近兩年出版了等同采用這些國際標準的系列國家標準GB/T20438電氣/電子/科編程電子安全相關系統的功能安全和GB/T21109過程儀表安全系統的功能安全。
近兩年功能安全的重要發展是：將大量經過功能安全認證的儀表推向市場。這對儀表的市場有很大影響，因此功能安全儀表并不只是用在有安全要求的系統中，功能安全認證還起到對儀表可靠性一定的定量確認的作用，為了爭取競爭中的有利地位，實際上幾乎所有儀表制造商都會開展功能安全研究。
自20世紀開展儀表的可靠性工程研究以來，儀表制造的質量大幅提高。但是由于可靠性數據都是由制造企業自己取得的，對用戶的公信力較低，因此只有很少企業將可靠性的定量數據公布出來。所以可靠性對用戶來說是經驗性的、模糊地，人們更愿意相信品牌。
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