仪器仪表与控制系统现状及发展趋势

       核心提示：虽然自动化仪表新产品的推出速度减缓，但是自动化仪表的技术发展史持续不断的，仪表制造商近两年新技术发展积极性不高，但仪表用户发展自动化技术的积极性越来越高。最近，在信息技术的融入、仪表安全技术、无线通信技术等各方面都有令人瞩目的发展。另外国外新产品推出的减速，为我国仪表的发展带来了机遇。国内仪表近两年继续健康发展，行业的总体趋势与《2006-2007仪器科学与技术学科发展报告》的介绍未发生大的变化，因此也可以认为本报告是它的补充。
　　一、自动化仪表与控制系统的基本现状
      进入21世纪，我国制造业的高速发展，拉动了对自动化仪表与控制系统的需求，我国新上的大型项目所用自动化仪表和控制系统的先进程度已经处于世界领先水平。当前传统制造业在发达国家已经过了辉煌期，与之配套的自动化仪表自然就增长缓慢。自动化仪表发展的热点在新兴市场的价格问题从两个方面夹击仪表制造商，一是新兴市场的用户对产品价格敏感度很高;二是在那里往往可以找非常便宜的替代品，这样就难以激发跨国企业花大成本研制新型仪表。
      近10年自动化仪表技术发展的重要领域——现场总线技术的发展虽然取得了显著成就，但是在应用方面大体上还处在替代模拟传输线的阶段。实际上现场总线不仅仅是信号制式的改变，它是为控制技术的信息化提供基础的。用户对系统底层信息化(控制、诊断、管理)改造的需求是现场总线技术推广的原始动力。近些年来现场总线在设备资产管理、预测诊断和平稳操作等方面的潜力开始被挖掘出来，显现了极富发展前景的势头。
      但是基于现场总线技术的网络化控制和分布式只智能技术，到目前无论在理论上还是在实践上都未出现显著突破：而现场总线的速度瓶颈是的在复杂控制和快速响应方面有时还不如传统仪表：持续多年的现场总线之争至今在制造商中没有赢家，又使用户普通感觉厌倦，极大地消耗了各企业发展的资源。
      国际上反映自动化仪表产品动向的几个重要窗口：以ISA EXPO、Miconix等为代表的国际仪表展览，以Readers’ Choice Award(读者选择奖)为代表的奖项。从近3年的读者选择奖看，获奖产品变化不多。自动化仪表今年发展的重点在仪表的应用方面。
      这种发展趋势的变化是很自然的，数字化、智能化仪表和系统经过近10年的告诉发展，在应用方面积累了一些问题，智能仪表设计的许多创新功能也未得到充分的应用。主要问题有以下几点。
      (1)数字仪表和系统的信息保密和安全问题
      (2)微程序和软件的可靠性问题。
      (3)通信的保密、安全和可靠性问题。
      (4)智能仪表在运行时是可以与控制系统互动的以及如何进行互动。
      (5)智能仪表提供了远比模拟仪表多的信息以及如何充分利用这些信息。
      (6)众多智能仪表的可互操作问题。
      (7)仪表和系统的故障诊断以及故障诊断信息的可互操作问题等.
      上述问题都是由于数字化和网络化而产生的，并不是现有技术无法解决这些问题，只是可选的解决方案太多，而统一的解决方案才是最有效的。而如何统一是当前正在研究的。
      虽然自动化仪表新产品的推出速度减缓，但是自动化仪表的技术发展史持续不断的，仪表制造商近两年新技术发展积极性不高，但仪表用户发展自动化技术的积极性越来越高。最近，在信息技术的融入、仪表安全技术、无线通信技术等各方面都有令人瞩目的发展。另外国外新产品推出的减速，为我国仪表的发展带来了机遇。国内仪表近两年继续健康发展，行业的总体趋势与《2006-2007仪器科学与技术学科发展报告》的介绍未发生大的变化，因此也可以认为本报告是它的补充。
      二、自动化仪表与控制系统的发展趋势
      (一)自动化仪表与企业的信息化
      信息技术的发展给自动化仪表带来两方面的影响：一方面信息技术与自动化仪表争夺人才，在IT发展的高潮，许多有经验的仪表工作者转向IT行业，这也是近年仪表产品推出减缓的原因之一;另一方面自动化仪表借用了TI行业一些成熟的技术和产品，加快了信息的步伐。
      信息化是当前时代发展的趋势，自动化仪表技术包括了信息采集、信息处理以及信息的应用这样的过程，因此自动化仪表技术实际上时信息技术的一个重要分支。所谓“企业集成”实际上是企业的信息集成和整合，所谓“信息爆炸”实际上时获得信息超过了处理和应用的能力，而为得到的应用的一大障碍是信息表达的统一性不够。如何提高处理和应用信息的能力是当前的主题。
      信息化需要将现实世界的实体事物(包括原料、设备、产品、控制系统、仪表等)，生产流程(包括制造方法、工艺等)。企业的管理(包括采购、销售、物流等)用计算机能够识别和处理0和1来描述，然后由计算机进行运算和处理，最后将处理的结果再反作用到现实世界。
      信息化的前提是将现实世界以及现实世界事物之间的关系转化为0和1，不能做到这一步信息化是不可能实现的。做到这一步就是对现实世界建立信息模型。
      信息模型是用一组简化的信息。按一定规则对事物所做的抽象描述。
      信息模型定义包括了简化、规则和抽象三要素，这三要素的多样性决定了可能的信息模型的多样化，建立信息模型的过程包括了克服多样性，实现统一性的任务。自动化仪表和系统信息模型的目标是：以毫不含糊的方式描述信息，以方便交换为基本定位，最终实现广泛的可互操作性。
      　建立信息模型的工作是自动化仪表领域的一项基本工作，也是统一信息表达的只能给药手段，主要内容包括：1.建立描述事物的规则;2.按照规则对所设计大量食物进行描述，建立模型库。
      建立描述事物的规则是一项繁杂的研究工作，因为随着文化背景的不同、宗教信仰的不同、描述事物侧重的不同、详细程度的不同，描述的方案有很多种，我们需要的是在当前信息处理能力相适应的、能被公众广泛接受的方案，这种方案最终往往以国际标准的形式出现。近两年在制定这类国际标准方面取得明显的进展。
      描述事物的规则按对象的属性可简化分为3类：
      (1)描述事物的信息模型。如描述生产原料、元件、控制系统仪生产用装置、设备、生产过程的状态、中间和最终产品内容的信息模型，这种类型的模型要把对象的基本属性描述出来，典型代表是IEC361987工业过程测量与控制过程设备目录中的数据结构和元素系列标准和IEC61360与电子元件分类方案相关的标准数据元素类型系列标准。
      (2)描述事物之间关系(尤其是定量关系)的模型。信息化的重要作用是对事物进行优化，优化的条件是了解事物之间的(定量)关系。这种模型常常以数学模型的形式出现。这类模型往往针对性很强，难以建立统一的广泛应用的模型，因此较少以国际标准的形式出现。
      (3)描述对象过程信息模型。如生产过程、管理过程，典型代表是IEC62264企业系统集成系列标准。
      在建立自动化仪表及应用的信息模型方面，我国高校和研究机构早有研究。但并没有将这项工作定位信息化促进工业化的重要基础，一直缺乏国家或行业层面，全面系统规划和大规模的工作。
      我国TC159全国工业自动化系统与集成标准化技术委员会和TC124全国工业过程测量和控制标准化技术委员会在跟踪和采用国际标准方面做了不少工作，除派出专家加入国际标准的工作组直接参加国际标准的指定外，还及时地将重要信息模型标准转化为国家标准。有了这些建立信息模型的方法标准，后面需要做的工作室：宣传、贯彻、学习这些手法，用这些方法建立各认可的具有可互操作性的信息库，应用这些信息库服务于企业的自动化。
      由于信息模型对于国内企业和工程师还是新事物，上述这些工作在初期还相当复杂，最重要的是我国制造企业较少主动提出信息化的需求，因此我国在这方面相对较落后，迫切需要引起重视。
      (二)自动化仪表工程项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实际上是自动化仪表系统的全面可互操作性。可互操作性是分层次的，最基本的是过程控制机的互操作，即控制系统与现场仪表表层免的可互操作，向上一层是控制系统维护与生产设备诊断信息的可互操作，在高一层是企业管理信息的客户操作。全局信息化整合至少要实现全局信息的可互操作。

(三)功能安全
      安全是一个非常广泛的主题，在自动化仪表领域今年主要关注功能安全方面。IEC61508电气/电子/科编程电子安全相关系统的功能安全系列国际标准早在1998年就开始陆续出版，2003年又出版了IEC61511过程仪表安全系统的功能安全系列国际标准。我国近两年出版了等同采用这些国际标准的系列国家标准GB/T20438电气/电子/科编程电子安全相关系统的功能安全和GB/T21109过程仪表安全系统的功能安全。
      自20世纪开展仪表的可靠性工程研究以来，仪表制造的质量大幅提高。但是由于可靠性数据都是由制造企业自己取得的，对用户的公信力较低，因此只有很少企业将可靠性的定量数据公布出来。所以可靠性对用户来说是经验性的、模糊地，人们更愿意相信品牌。
      20世纪的可靠性工程研究使仪表的光学、机械、电子部件的可靠性设计和处理有了获得公认的成熟框架。但是当前的仪表几乎都带微处理器，而嵌入式程序和计算机软件的可靠性却还没有公认的、得到定量数据的方法。这里最容易使人困惑的是：我们都知道Windows操作系统的错误很多，而我们的大部分自动化仪表系统软件是运行在Windows环境下邪恶，这样我们怎能相信自动化系统会有比Windows更好的可靠性呢?当前的功能安全研究和软件可靠性研究已经提供了一些诸如添加底层程序、冗余、容错等处理方法，使我们能够在不可靠的Windows上获得可靠的自动化系统。

　 我国许多研究机构今年开展了功能安全的研究工作，主要包括：对安全要求高的用户机构，如石油、化工、制药类机构，开展了如何提出和确定功能安全要求的研究。他们采用风险评估技术、可信性管理方法、HAZOP(Hazard /and/ Operability Study,危险与可靠性研究)分析等方法，确定目标对象对功能安全的定量要求。
      制定了宣传贯彻两个国家标准，培训功能安全工程师的工作。同时一些机构开展了工程项目和仪表产品的功能安全评定工作。
      一些仪表制造厂开始研制高可靠性的功能安全仪表产品。个别企业为了使用户对产品的认证有更好的认同，他们将产品向国际权威机构申请认证。
      总体上，虽然我国创新的功能安全研究成果还少，但功能安全的活动已经在国内启动，正逐步深入地展开。
      (四)系统维护与仪表诊断
      基于企业对安全和质量的要求，系统维护与仪表诊断受到用户、制造商和研究者各方面的关注。系统维护与仪表诊断分为4个层次:生产流程的诊断、生产装备的诊断、自动化控制系统的诊断、现场仪表的诊断。
      生产流程的诊断原则上不属于自动化仪表范畴，但是诊断信息的交换涉及自动化仪表系统。国外仪表用户成立了一个用户组织——MIMOSA(an Operations /and/ Maintenance Information Open Systems Alliance,运行和维护信息开放系统联盟)。该组织的使命是开发和鼓励企业在O&M(Operations /and/ Maintenance,运行和维护)中和CALM(Collaborative Asset Lifecycle Management，资产生命周期管理协作)中采用开放信息标准。它提供一系列相关信息标准。CCOM(Common Conceptual Object Model，通用总体对象模型)是所有MIMOSA标准的基础,而CRIS(Common Relational Information Schema,通用相关信息模式)则提供了储存企业运行管理信息的手段。它还提供元数据参考库和采用XML和SQL的系列信息交换标准。该组织还与OPC合作，成立了Open P&M(Open Operations /and/ Maintenance，开放运行于维护)组织。他们制定的基础信息标准用语多种行业，MIMOSA提供资产管理相关信息标准，OPC提供数据获得喝传输标准。
      针对生产装备的监控、诊断仪表系统是近两年推向市场的新产品。主要用于对某些典型生产装备(如旋转机械、流体管线)的监控和诊断。这些系统使用的检测手段包括振动测量、激光测量、红外热像、超声扫描以及普通的温度压力测量，将监测的信息通过统计分析、频谱分析、模式识别、数据挖掘等专家系统的分析，得出对设备的诊断。典型产品有Emerson公司的CSI机械设备状态管理系统。
      自动化控制系统的诊断通常是控制系统中设备管理软件的一个模块或一种功能，负责控制系统自身以及现场以表达的实时诊断和预测维护。现在各家自动化仪表跨国公司几乎都有自己的产品，例如Emerson公司的AMS(资产管理系统)，Siemens公司的PDM(过程设备管理)，在此不一一列举。自动化控制系统诊断产品看的发展很快，功能和性能不断增强;现在生产装备的监控与自动化控制系统自身的诊断往往是在同一个平台上进行。为了改善这一层面的可互操作性，近年Emerson 公司、Siemens 公司及OPC等几家承诺相互合作推进互操作技术的统一。
      现场仪表的诊断与上述几层的维护、诊断在方法上有很大区别。首先，上述方法都是通过传感器采集信息，通过各种手段的分析实现诊断。现场仪表本身体积较小、功耗低，可用于诊断的信息资源很少;其次，现场仪表的诊断结果显示往往借助控制系统软件或手持操作器，因此其诊断过程中常常有现场仪表与另一端的互动，以补充自身资源的不足。
      现场仪表的诊断难度较大，HART基金会的《HART 诊断指南(草案)》将维护分为三级：要求维护(已经发生故障)、需要维护(仪表已超过维护周期)、建议维护(仪表到了维护周期)。而维护周期由智能仪表根据仪表的损耗情况或固定的时间确定。
      我国大型设备方面的维护和诊断研究已有多年的历史，在旋转机械等典型装备方面有不错的成果和成功的应用，有两个学会组织聚集了我国这方面的力量：中国振动工程学会故障诊断专业委员会和中国自动化学会技术过程故障诊断与安全性技术委员会。在自动化控制系统自身的诊断方面虽然也有一些研究，但应用较少，在检测仪表和执行器的诊断方面更加薄弱，无论在维护和诊断理论研究还是开发实践方面都与国际水平有较大差距。国产的大部分仪表在故障诊断和预测性维护方面存在空白。
      国外近年在维护和诊断方面发表的论文和专利很多，反映该项目内容在国外也正是热点，我国企业现在急起直追为时不晚。



(五)无线通信
      工业无线通信技术的快速发展是近两年自动化仪表领域显著的亮点，主要表现在以下几个方面。
      (1)技术方案多样化。有基于WPAN(无线个域网)的多种方案，有基于WLAN(无线局域网)的方案，也有基于无线公网(如GPRS、CDMA)的方案。各种方案针对一定的对象和应用，在某些局部具有优势。
      (2)参与者迅速增加。有学校、研究机构、自动化仪表企业，还有一些半导体器件制造企业和具有专项技术的小型高技术企业。
      (3)成立了专业组织。有新成立的专项组织，如WINA(The Wireless Industrial Networking Alliance，无线工业网络联盟)，也有许多老牌组织新成立无线通信工作组，如IEEE的多个工作组，欧盟的R-Fieldbus项目(无线现场总线项目)、ISA的SP100工作组、HART的无线HART工作组以及各现场总线的无线工作组等。
      (4)推出多种无线演示系统、测量仪表样机，成为今年全球各主要自动化仪表展的热点。如Honeywell公司符合ISA100.11a的One Wireless系列，Emerson公司符合WirelessHART的Smart Wireless。这些产品虽已在一些场合投入应用，但从总体来讲，一则数量有限;二则系统规模较小，不过数十个节点。各种供自动化仪表企业开发无线产品各种无线模块更是不计其数，而提供这些模块的企业往往才是无线技术的真正持有者。
      无线通信标准之争已经开始。2007年HART基金发布WirelessHART标准时Honeywell过程系统公司总裁Jack Bolick发表了一封公开信，使Honeywell与Emerson在无线通信标准方面的分歧公开化。此后，各种无线通信标准的方案纷纷正式向标准化组织提出。除了前两种针对过程控制目标的标准外，还有类似ZigBee Pro 这种并不主要针对过程控制，但一直想向过程控制领域渗透的标准。ZigBee 标准自2003年公布以来频繁的更新：2006年公布了新一版，2007年又公布了ZigBee2007,包含了两个特征集——ZigBee Pro。业内人士出于对前10多年现场总线之争的厌倦，大公司们挑起了争端但没有捞到明显的好处，反而给了中小仪表公司给了中小仪表公司机会。人们都希望能避免再次出现无线通信标准之争。3种技术合作的技术基础原本是存在的，因为ISA100.11a、WirelessHART和ZigBee的底层协议都是IEEE802.15.4，而且提供芯片和通信协议栈的企业往往同时提供这三种技术的部件，因此三种技术相互渗透不可避免。但是市场竞争是不以人们意志转移的，我们可能不得不面对又一场旷目持久的标准之争。
      我国进入工业无线通信领域并不晚。HART基金会是2004年11月才成立无线工作组的，而我国许多单位在这之前就开始研究了。在“十一五：器件，国家科技部的“863”项目给予工业无线通信项目有力的支持，这之前，科技和教育部门的各种基金、地方科技部门等也对该领域多方面的支持。
      我国以ZigBee为基础进行研究的单位很多，因此比较容易采购到元器件获得技术支持。有若干单位加入了ISA100工作组，从事相关的研究;其中重重庆邮电大学向工作组递交了多项建议。有27条ISA100.11a委员会完全接受并采纳。我国真正独立从事WirelessHART开发的单位比较少，因为WirelessHART自己也还在继续开发中，现在对外提供的技术支持相当少。
      　(六)控制网络
      以现场为代表的控制网络技术在我国已经逐步得到推广，自上海赛科项目大规模采用现场总线以来，各种工程项目采用现场总线的心理障碍已经基本消除。人们已经越来越少问“是否能用”，而越来越多问“如何好用”。由于近年我国上的大型工程项目多，我国无论在采用现场总线仪表的项目规模还是在采用的数量方面都处于国际领先位置。不过一些项目虽然采用了先进的现场总线智能仪表，但应用的水平却不高，主要是未充分应用智能仪表可以提供的信息和信息服务。
      在控制网络的研究开发方面，我国基本上全面跟踪着国际动向。在IEC涉及工业通信网络的几乎每个工作组里都有中国专家，而且针对大部分国际热点议题我国都提出了自己的标准建议。国家标准GB/T20171-2006用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范获得2008年中国标准创新贡献奖。EPA系列标准已经进入IEC的多个标准。EPA系列产品在多个示范点长期运行。
      我国在控制网络领域与国外的主要差距在于产品，无论是在现场总线智能化现场仪表方面，还是在系统产品和软件方面都有差距。
      国际方面在控制网络的发展上也进入了水平不高的平稳期，为达到人们预期的高度。这里有两个技术问题和一个非技术的问题.