自動(dòng)化儀器儀表與控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
http://www.zouyunfu.com核心提示：雖然自動(dòng)化儀表新產(chǎn)品的推出速度減緩，但是自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展史持續(xù)不斷的，儀表制造商近兩年新技術(shù)發(fā)展積極性不高，但儀表用戶發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)的積極性越來越高。近，在信息技術(shù)的融入、儀表安全技術(shù)、無線通信技術(shù)等各方面都有令人矚目的發(fā)展。另外國外新產(chǎn)品推出的減速，為我國儀表的發(fā)展帶來了機(jī)遇。國內(nèi)儀表近兩年繼續(xù)健康發(fā)展，行業(yè)的總體趨勢(shì)與《2006-2007儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告》的介紹未發(fā)生大的變化，因此也可以認(rèn)為本報(bào)告是它的補(bǔ)充。
一、自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的基本現(xiàn)狀
進(jìn)入21世紀(jì)，我國制造業(yè)的高速發(fā)展，拉動(dòng)了對(duì)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的需求，我國新上的大型項(xiàng)目所用自動(dòng)化儀表和控制系統(tǒng)的先進(jìn)程度已經(jīng)處于水平。當(dāng)前傳統(tǒng)制造業(yè)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)過了輝煌期，與之配套的自動(dòng)化儀表自然就增長(zhǎng)緩慢。自動(dòng)化儀表發(fā)展的熱點(diǎn)在新興市場(chǎng)的價(jià)格問題從兩個(gè)方面夾擊儀表制造商，一是新興市場(chǎng)的用戶對(duì)產(chǎn)品價(jià)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(fā)跨國企業(yè)花大成本研制新型儀表。
近10年自動(dòng)化儀表技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域——現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展雖然取得了顯著成就，但是在應(yīng)用方面大體上還處在替代模擬傳輸線的階段。實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)總線不僅僅是信號(hào)制式的改變，它是為控制技術(shù)的信息化提供基礎(chǔ)的。用戶對(duì)系統(tǒng)底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)推廣的原始動(dòng)力。近些年來現(xiàn)場(chǎng)總線在設(shè)備資產(chǎn)管理、預(yù)測(cè)診斷和平穩(wěn)操作等方面的潛力開始被挖掘出來，顯現(xiàn)了極富發(fā)展前景的勢(shì)頭。
但是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制和分布式只智能技術(shù)，到目前無論在理論上還是在實(shí)踐上都未出現(xiàn)顯著突破：而現(xiàn)場(chǎng)總線的速度瓶頸是的在復(fù)雜控制和快速響應(yīng)方面有時(shí)還不如傳統(tǒng)儀表：持續(xù)多年的現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)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(yè)發(fā)展的資源。
國際上反映自動(dòng)化儀表產(chǎn)品動(dòng)向的幾個(gè)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(jiǎng))為代表的獎(jiǎng)項(xiàng)。從近3年的讀者選擇獎(jiǎng)看，獲獎(jiǎng)產(chǎn)品變化不多。自動(dòng)化儀表今年發(fā)展的重點(diǎn)在儀表的應(yīng)用方面。
這種發(fā)展趨勢(shì)的變化是很自然的，數(shù)字化、智能化儀表和系統(tǒng)經(jīng)過近10年的告訴發(fā)展，在應(yīng)用方面積累了一些問題，智能儀表設(shè)計(jì)的許多創(chuàng)新功能也未得到充分的應(yīng)用。主要問題有以下幾點(diǎn)。
（1）數(shù)字儀表和系統(tǒng)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(yùn)行時(shí)是可以與控制系統(tǒng)互動(dòng)的以及如何進(jìn)行互動(dòng)。
（5）智能儀表提供了遠(yuǎn)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(tǒng)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(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化而產(chǎn)生的，并不是現(xiàn)有技術(shù)無法解決這些問題，只是可選的解決方案太多，而統(tǒng)一的解決方案才是有效的。而如何統(tǒng)一是當(dāng)前正在研究的。
雖然自動(dòng)化儀表新產(chǎn)品的推出速度減緩，但是自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展史持續(xù)不斷的，儀表制造商近兩年新技術(shù)發(fā)展積極性不高，但儀表用戶發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)的積極性越來越高。近，在信息技術(shù)的融入、儀表安全技術(shù)、無線通信技術(shù)等各方面都有令人矚目的發(fā)展。另外國外新產(chǎn)品推出的減速，為我國儀表的發(fā)展帶來了機(jī)遇。國內(nèi)儀表近兩年繼續(xù)健康發(fā)展，行業(yè)的總體趨勢(shì)與《2006-2007儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告》的介紹未發(fā)生大的變化，因此也可以認(rèn)為本報(bào)告是它的補(bǔ)充。
ISA EXPO2008的6大關(guān)注點(diǎn)是：信息安全、過程自動(dòng)化、環(huán)境和質(zhì)量控制、無線與網(wǎng)絡(luò)通信、企業(yè)集成。實(shí)際上包括我國的Miconix展在內(nèi)的全球各主要儀表展覽，近兩年的主題也在這之內(nèi)。可以說這個(gè)六個(gè)方面反映了近兩年自動(dòng)化儀表領(lǐng)域的主要發(fā)展動(dòng)向。六個(gè)方面中信息安全、過程自動(dòng)化和環(huán)境控制主要是由自動(dòng)化儀表領(lǐng)域外的技術(shù)推動(dòng)的，本報(bào)告的一下部分不將其作為重點(diǎn)。
中國投資咨詢網(wǎng)的《2009-2012年中國儀器儀表行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》，在簡(jiǎn)介中對(duì)國內(nèi)儀器儀表的論述也恰如其分地表達(dá)了國內(nèi)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域發(fā)展的不足，其論述是這樣的：“雖然中國儀器儀表工業(yè)有了一定的發(fā)展，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及社會(huì)生活等各個(gè)方面日益增長(zhǎng)的迫切需求。中國儀器儀表產(chǎn)品，大部分屬于中低檔技術(shù)水平，而且可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性指標(biāo)尚未全部達(dá)到要求。因此中國需做長(zhǎng)期規(guī)劃，將振興測(cè)量控制與儀器儀表行業(yè)作為一個(gè)系統(tǒng)工程，從影響測(cè)量控制與儀器儀表業(yè)的各主要方面，包括政府、企業(yè)、社會(huì)環(huán)境、科研和教育機(jī)構(gòu)等方面制定協(xié)調(diào)一致的戰(zhàn)略措施并認(rèn)真貫徹執(zhí)行。”
二、自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
（一）自動(dòng)化儀表與企業(yè)的信息化
信息技術(shù)的發(fā)展給自動(dòng)化儀表帶來兩方面的影響：一方面信息技術(shù)與自動(dòng)化儀表爭(zhēng)奪人才，在IT發(fā)展的高潮，許多有經(jīng)驗(yàn)的儀表工作者轉(zhuǎn)向IT行業(yè)，這也是近年儀表產(chǎn)品推出減緩的原因之一；另一方面自動(dòng)化儀表借用了TI行業(yè)一些成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，加快了信息的步伐。
信息化是當(dāng)前時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，自動(dòng)化儀表技術(shù)包括了信息采集、信息處理以及信息的應(yīng)用這樣的過程，因此自動(dòng)化儀表技術(shù)實(shí)際上時(shí)信息技術(shù)的一個(gè)重要分支。所謂“企業(yè)集成”實(shí)際上是企業(yè)的信息集成和整合，所謂“信息”實(shí)際上時(shí)獲得信息過了處理和應(yīng)用的能力，而為得到的應(yīng)用的一大障礙是信息表達(dá)的統(tǒng)一性不夠。如何提高處理和應(yīng)用信息的能力是當(dāng)前的主題。
信息化需要將現(xiàn)實(shí)的實(shí)體事物（包括原料、設(shè)備、產(chǎn)品、控制系統(tǒng)、儀表等），生產(chǎn)流程（包括制造方法、工藝等）。企業(yè)的管理（包括采購、銷售、物流等）用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理0和1來描述，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理，后將處理的結(jié)果再反作用到現(xiàn)實(shí)。
信息化的前提是將現(xiàn)實(shí)以及現(xiàn)實(shí)事物之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為0和1，不能做到這一步信息化是不可能實(shí)現(xiàn)的。做到這一步就是對(duì)現(xiàn)實(shí)建立信息模型。
信息模型是用一組簡(jiǎn)化的信息。按一定規(guī)則對(duì)事物所做的抽象描述。
信息模型定義包括了簡(jiǎn)化、規(guī)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(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性的任務(wù)。自動(dòng)化儀表和系統(tǒng)信息模型的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)廣泛的可互操作性。
2006年9月，在德國柏林的IEC100周年慶活動(dòng)的自動(dòng)化論壇上，IFAC專家Diedrich教授作了題為《自動(dòng)化工廠的信息模型》的報(bào)告，介紹不同的控制層次，不同的生產(chǎn)階段的不同信息類型、不同信息處理技術(shù)和工具。
建立信息模型的工作是自動(dòng)化儀表領(lǐng)域的一項(xiàng)基本工作，也是統(tǒng)一信息表達(dá)的只能給藥手段，主要內(nèi)容包括：1.建立描述事物的規(guī)則；2.按照規(guī)則對(duì)所設(shè)計(jì)大量食物進(jìn)行描述，建立模型庫。
建立描述事物的規(guī)則是一項(xiàng)繁雜的研究工作，因?yàn)殡S著文化背景的不同、宗教信仰的不同、描述事物側(cè)重的不同、詳細(xì)程度的不同，描述的方案有很多種，我們需要的是在當(dāng)前信息處理能力相適應(yīng)的、能被公眾廣泛接受的方案，這種方案終往往以國際標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)。近兩年在制定這類國際標(biāo)準(zhǔn)方面取得明顯的進(jìn)展。
描述事物的規(guī)則按對(duì)象的屬性可簡(jiǎn)化分為3類：
（1）描述事物的信息模型。如描述生產(chǎn)原料、元件、控制系統(tǒng)儀生產(chǎn)用裝置、設(shè)備、生產(chǎn)過程的狀態(tài)、中間和終產(chǎn)品內(nèi)容的信息模型，這種類型的模型要把對(duì)象的基本屬性描述出來，典型代表是IEC361987工業(yè)過程測(cè)量與控制過程設(shè)備目錄中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和元素系列標(biāo)準(zhǔn)和IEC61360與電子元件分類方案相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)元素類型系列標(biāo)準(zhǔn)。
（2）描述事物之間關(guān)系（尤其是定量關(guān)系）的模型。信息化的重要作用是對(duì)事物進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的條件是了解事物之間的（定量）關(guān)系。這種模型常常以數(shù)學(xué)模型的形式出現(xiàn)。這類模型往往針對(duì)性很強(qiáng)，難以建立統(tǒng)一的廣泛應(yīng)用的模型，因此較少以國際標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)。
（3）描述對(duì)象過程信息模型。如生產(chǎn)過程、管理過程，典型代表是IEC62264企業(yè)系統(tǒng)集成系列標(biāo)準(zhǔn)。
在建立自動(dòng)化儀表及應(yīng)用的信息模型方面，我國高校和研究機(jī)構(gòu)早有研究。但并沒有將這項(xiàng)工作定位信息化促進(jìn)工業(yè)化的重要基礎(chǔ)，一直缺乏國家或行業(yè)層面，系統(tǒng)規(guī)劃和大規(guī)模的工作。
我國TC159全國工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和TC124全國工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在跟蹤和采用國際標(biāo)準(zhǔn)方面做了不少工作，除派出專家加入國際標(biāo)準(zhǔn)的工作組直接參加國際標(biāo)準(zhǔn)的外，還及時(shí)地將重要信息模型標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)。有了這些建立信息模型的方法標(biāo)準(zhǔn)，后面需要做的工作室：宣傳、貫徹、學(xué)習(xí)這些手法，用這些方法建立各認(rèn)可的具有可互操作性的信息庫，應(yīng)用這些信息庫服務(wù)于企業(yè)的自動(dòng)化。
由于信息模型對(duì)于國內(nèi)企業(yè)和工程師還是新事物，上述這些工作在初期還相當(dāng)復(fù)雜，重要的是我國制造企業(yè)較少主動(dòng)提出信息化的需求，因此我國在這方面相對(duì)較落后，迫切需要引起重視。
（二）自動(dòng)化儀表工程項(xiàng)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(shí)際上是自動(dòng)化儀表系統(tǒng)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(jī)的互操作，即控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表表層免的可互操作，向上一層是控制系統(tǒng)維護(hù)與生產(chǎn)設(shè)備診斷信息的可互操作，在高一層是企業(yè)管理信息的客戶操作。全局信息化整合至少要實(shí)現(xiàn)全局信息的可互操作。
不同層級(jí)實(shí)現(xiàn)可互操作的技術(shù)和方法是不完全一樣的。在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表層主要技術(shù)史：功夫塊、EDDL（電子設(shè)備描述語言）、FDT/DTM（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工具/設(shè)備類型管理器）、OPC UA（原 Ole for Process Control，過程控制控制用對(duì)象鏈接和嵌入：現(xiàn)Openness，Productivity&Collaboration,開放、生產(chǎn)率和協(xié)作；企業(yè)管理層則部分借助于MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）技術(shù)。全局信息整合至少要使企業(yè)各層之間的信息交換無障礙。
自動(dòng)化系統(tǒng)工程師項(xiàng)目從論證一直到建成投產(chǎn)運(yùn)行、目后大修維護(hù)，整個(gè)過程的每個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生許多技術(shù)文件，各階段的文件又有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，而且這些文檔現(xiàn)在都以二進(jìn)制形式存在計(jì)算機(jī)里。涂過各階段采用統(tǒng)一的信息模型，那么下階段的文件相對(duì)上階段就可以有很好的繼承性。例如，在項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)階段就會(huì)編制控制邏輯配置圖，如果使用了統(tǒng)一的信息模型，那么到開車調(diào)試階段就可以直接用這個(gè)圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。全生命周期信息整合就是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(yè)由于貼近生產(chǎn)過程，貼近應(yīng)用，一些用戶組織對(duì)自動(dòng)化儀表的應(yīng)用提出許多要求，制訂了一些團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在他們逐步地將這些團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61242過程控制工程的表示方法——對(duì)P&I圖和P&ID工具與PCE-CAE工具之間數(shù)據(jù)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(tǒng)圖；PCE，過程控制工程；CAE，計(jì)算機(jī)輔助工程）。
自動(dòng)化儀表工程項(xiàng)目全局、全生命周期的信息化整合式一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，近兩年IEC62424標(biāo)準(zhǔn)的推出是發(fā)展中的一個(gè)重要標(biāo)志。
我國一直有研究機(jī)構(gòu)在跟蹤全局、全生命周期的信息化整合技術(shù)的發(fā)展方向，當(dāng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件由技術(shù)團(tuán)體提交國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，TC124會(huì)很快安排專家加入起草工作組，這種跟蹤已經(jīng)持續(xù)多年了。同時(shí)TC124還及時(shí)將出版的國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)。
全生命周期的信息化整合的概念對(duì)我國工程師還比較新，雖然一些工程項(xiàng)目中用了可以進(jìn)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(gè)生命階段。
我國對(duì)自動(dòng)化儀表在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的信息整合做的很不夠，及時(shí)用了現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表，數(shù)據(jù)通信業(yè)僅僅起替代傳遞的功能。產(chǎn)生這種情況的原因，一方面是我國用戶對(duì)企業(yè)信息化的需求并不迫切；另一方面我們?nèi)狈Ψ衔覈餍袠I(yè)實(shí)際情況的、有效的信息化整合軟件。自動(dòng)化儀表工作者對(duì)信息化可以做什么了解不夠，而用戶對(duì)信息化有什么好處不清楚，對(duì)怎么做更提不出要求。這些因素影響了信息化整合技術(shù)的發(fā)展.
有人認(rèn)為以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為代表的智能儀表發(fā)展有三個(gè)階段：階段是數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表替代模擬儀表，重點(diǎn)是發(fā)揮節(jié)省安裝費(fèi)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(shí)現(xiàn)信息化，重點(diǎn)是提高項(xiàng)目工程的管理水平和運(yùn)行效益；第三階段是以無線通信儀表為重要特征，實(shí)現(xiàn)所謂“無所不在的測(cè)量、無所不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不在的計(jì)算”，實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)化控制，重點(diǎn)是提高企業(yè)的效益。三階段的目標(biāo)相當(dāng)遠(yuǎn)大，可以說是整個(gè)21世紀(jì)自動(dòng)化儀表的目標(biāo)。目前我國階段的工作已經(jīng)展開，第二階段的工作開始啟動(dòng)，第三階段的工作正在探索。
（三）功能安全
安全是一個(gè)非常廣泛的主題，在自動(dòng)化儀表領(lǐng)域今年主要關(guān)注功能安全方面。IEC61508電氣/電子/科編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全系列國際標(biāo)準(zhǔn)早在1998年就開始陸續(xù)出版，2003年又出版了IEC61511過程儀表安全系統(tǒng)的功能安全系列國際標(biāo)準(zhǔn)。我國近兩年出版了等同采用這些國際標(biāo)準(zhǔn)的系列國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438電氣/電子/科編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全和GB/T21109過程儀表安全系統(tǒng)的功能安全。
近兩年功能安全的重要發(fā)展是：將大量經(jīng)過功能安全認(rèn)證的儀表推向市場(chǎng)。這對(duì)儀表的市場(chǎng)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(tǒng)中，功能安全認(rèn)證還起到對(duì)儀表可靠性一定的定量確認(rèn)的作用，為了爭(zhēng)取競(jìng)爭(zhēng)中的有利地位，實(shí)際上幾乎所有儀表制造商都會(huì)開展功能安全研究。
自20世紀(jì)開展儀表的可靠性工程研究以來，儀表制造的質(zhì)量大幅提高。但是由于可靠性數(shù)據(jù)都是由制造企業(yè)自己取得的，對(duì)用戶的公信力較低，因此只有很少企業(yè)將可靠性的定量數(shù)據(jù)公布出來。所以可靠性對(duì)用戶來說是經(jīng)驗(yàn)性的、模糊地，人們更愿意相信品牌。
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