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　　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世界領先水平。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最有效的。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。最近，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。

　　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“信息爆炸”實際上時獲得信息超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。

　　信息化需要將現實世界的實體事物(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，最后將處理的結果再反作用到現實世界。

　　信息化的前提是將現實世界以及現實世界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世界建立信息模型。

　　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，最終實現廣泛的可互操作性。

　　　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，這種方案最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、中間和最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，全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指定外，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，最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全面可互操作性。可互操作性是分層次的，最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。

(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。

　　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。

　　20世紀的可靠性工程研究使儀表的光學、機械、電子部件的可靠性設計和處理有了獲得公認的成熟框架。但是當前的儀表幾乎都帶微處理器，而嵌入式程序和計算機軟件的可靠性卻還沒有公認的、得到定量數據的方法。這里最容易使人困惑的是：我們都知道Windows操作系統的錯誤很多，而我們的大部分自動化儀表系統軟件是運行在Windows環境下邪惡，這樣我們怎能相信自動化系統會有比Windows更好的可靠性呢?當前的功能安全研究和軟件可靠性研究已經提供了一些諸如添加底層程序、冗余、容錯等處理方法，使我們能夠在不可靠的Windows上獲得可靠的自動化系統。

　    我國許多研究機構今年開展了功能安全的研究工作，主要包括：對安全要求高的用戶機構，如石油、化工、制藥類機構，開展了如何提出和確定功能安全要求的研究。他們采用風險評估技術、可信性管理方法、HAZOP(Hazard /and/ Operability Study,危險與可靠性研究)分析等方法，確定目標對象對功能安全的定量要求。

　　制定了宣傳貫徹兩個國家標準，培訓功能安全工程師的工作。同時一些機構開展了工程項目和儀表產品的功能安全評定工作。

　　一些儀表制造廠開始研制高可靠性的功能安全儀表產品。個別企業為了使用戶對產品的認證有更好的認同，他們將產品向國際權威機構申請認證。

　　總體上，雖然我國創新的功能安全研究成果還少，但功能安全的活動已經在國內啟動，正逐步深入地展開。

　　(四)系統維護與儀表診斷

　　基于企業對安全和質量的要求，系統維護與儀表診斷受到用戶、制造商和研究者各方面的關注。系統維護與儀表診斷分為4個層次:生產流程的診斷、生產裝備的診斷、自動化控制系統的診斷、現場儀表的診斷。

　　生產流程的診斷原則上不屬于自動化儀表范疇，但是診斷信息的交換涉及自動化儀表系統。國外儀表用戶成立了一個用戶組織——MIMOSA(an Operations /and/ Maintenance Information Open Systems Alliance,運行和維護信息開放系統聯盟)。該組織的使命是開發和鼓勵企業在O&M(Operations /and/ Maintenance,運行和維護)中和CALM(Collaborative Asset Lifecycle Management，資產生命周期管理協作)中采用開放信息標準。它提供一系列相關信息標準。CCOM(Common Conceptual Object Model，通用總體對象模型)是所有MIMOSA標準的基礎,而CRIS(Common Relational Information Schema,通用相關信息模式)則提供了儲存企業運行管理信息的手段。它還提供元數據參考庫和采用XML和SQL的系列信息交換標準。該組織還與OPC合作，成立了Open P&M(Open Operations /and/ Maintenance，開放運行于維護)組織。他們制定的基礎信息標準用語多種行業，MIMOSA提供資產管理相關信息標準，OPC提供數據獲得喝傳輸標準。

　　針對生產裝備的監控、診斷儀表系統是近兩年推向市場的新產品。主要用于對某些典型生產裝備(如旋轉機械、流體管線)的監控和診斷。這些系統使用的檢測手段包括振動測量、激光測量、紅外熱像、超聲掃描以及普通的溫度壓力測量，將監測的信息通過統計分析、頻譜分析、模式識別、數據挖掘等專家系統的分析，得出對設備的診斷。典型產品有Emerson公司的CSI機械設備狀態管理系統。

　　自動化控制系統的診斷通常是控制系統中設備管理軟件的一個模塊或一種功能，負責控制系統自身以及現場以表達的實時診斷和預測維護。現在各家自動化儀表跨國公司幾乎都有自己的產品，例如Emerson公司的AMS(資產管理系統)，Siemens公司的PDM(過程設備管理)，在此不一一列舉。自動化控制系統診斷產品看的發展很快，功能和性能不斷增強;現在生產裝備的監控與自動化控制系統自身的診斷往往是在同一個平臺上進行。為了改善這一層面的可互操作性，近年Emerson 公司、Siemens 公司及OPC等幾家承諾相互合作推進互操作技術的統一。

　　現場儀表的診斷與上述幾層的維護、診斷在方法上有很大區別。首先，上述方法都是通過傳感器采集信息，通過各種手段的分析實現診斷。現場儀表本身體積較小、功耗低，可用于診斷的信息資源很少;其次，現場儀表的診斷結果顯示往往借助控制系統軟件或手持操作器，因此其診斷過程中常常有現場儀表與另一端的互動，以補充自身資源的不足。

　　現場儀表的診斷難度較大，HART基金會的《HART 診斷指南(草案)》將維護分為三級：要求維護(已經發生故障)、需要維護(儀表已超過維護周期)、建議維護(儀表到了維護周期)。而維護周期由智能儀表根據儀表的損耗情況或固定的時間確定。

　　我國大型設備方面的維護和診斷研究已有多年的歷史，在旋轉機械等典型裝備方面有不錯的成果和成功的應用，有兩個學會組織聚集了我國這方面的力量：中國振動工程學會故障診斷專業委員會和中國自動化學會技術過程故障診斷與安全性技術委員會。在自動化控制系統自身的診斷方面雖然也有一些研究，但應用較少，在檢測儀表和執行器的診斷方面更加薄弱，無論在維護和診斷理論研究還是開發實踐方面都與國際水平有較大差距。國產的大部分儀表在故障診斷和預測性維護方面存在空白。

　　國外近年在維護和診斷方面發表的論文和專利很多，反映該項目內容在國外也正是熱點，我國企業現在急起直追為時不晚。

(五)無線通信

　　工業無線通信技術的快速發展是近兩年自動化儀表領域顯著的亮點，主要表現在以下幾個方面。

　　(1)技術方案多樣化。有基于WPAN(無線個域網)的多種方案，有基于WLAN(無線局域網)的方案，也有基于無線公網(如GPRS、CDMA)的方案。各種方案針對一定的對象和應用，在某些局部具有優勢。

　　(2)參與者迅速增加。有學校、研究機構、自動化儀表企業，還有一些半導體器件制造企業和具有專項技術的小型高技術企業。

　　(3)成立了專業組織。有新成立的專項組織，如WINA(The Wireless Industrial Networking Alliance，無線工業網絡聯盟)，也有許多老牌組織新成立無線通信工作組，如IEEE的多個工作組，歐盟的R-Fieldbus項目(無線現場總線項目)、ISA的SP100工作組、HART的無線HART工作組以及各現場總線的無線工作組等。

　　(4)推出多種無線演示系統、測量儀表樣機，成為今年全球各主要自動化儀表展的熱點。如Honeywell公司符合的One Wireless系列，Emerson公司符合WirelessHART的Smart Wireless。這些產品雖已在一些場合投入應用，但從總體來講，一則數量有限;二則系統規模較小，不過數十個節點。各種供自動化儀表企業開發無線產品各種無線模塊更是不計其數，而提供這些模塊的企業往往才是無線技術的真正持有者。

　　無線通信標準之爭已經開始。2007年HART基金發布WirelessHART標準時Honeywell過程系統公司總裁Jack Bolick發表了一封公開信，使Honeywell與Emerson在無線通信標準方面的分歧公開化。此后，各種無線通信標準的方案紛紛正式向標準化組織提出。除了前兩種針對過程控制目標的標準外，還有類似ZigBee Pro 這種并不主要針對過程控制，但一直想向過程控制領域滲透的標準。ZigBee 標準自2003年公布以來頻繁的更新：2006年公布了新一版，2007年又公布了ZigBee2007,包含了兩個特征集——ZigBee Pro。業內人士出于對前10多年現場總線之爭的厭倦，大公司們挑起了爭端但沒有撈到明顯的好處，反而給了中小儀表公司給了中小儀表公司機會。人們都希望能避免再次出現無線通信標準之爭。3種技術合作的技術基礎原本是存在的，因為、WirelessHART和ZigBee的底層協議都是.4，而且提供芯片和通信協議棧的企業往往同時提供這三種技術的部件，因此三種技術相互滲透不可避免。但是市場競爭是不以人們意志轉移的，我們可能不得不面對又一場曠目持久的標準之爭。

　　我國進入工業無線通信領域并不晚。HART基金會是2004年11月才成立無線工作組的，而我國許多單位在這之前就開始研究了。在“十一五：器件，國家科技部的“863”項目給予工業無線通信項目有力的支持，這之前，科技和教育部門的各種基金、地方科技部門等也對該領域多方面的支持。

　　我國以ZigBee為基礎進行研究的單位很多，因此比較容易采購到元器件獲得技術支持。有若干單位加入了ISA100工作組，從事相關的研究;其中重重慶郵電大學向工作組遞交了多項建議。有27條委員會完全接受并采納。我國真正獨立從事WirelessHART開發的單位比較少，因為WirelessHART自己也還在繼續開發中，現在對外提供的技術支持相當少。

　　　(六)控制網絡

　　以現場為代表的控制網絡技術在我國已經逐步得到推廣，自上海賽科項目大規模采用現場總線以來，各種工程項目采用現場總線的心理障礙已經基本消除。人們已經越來越少問“是否能用”，而越來越多問“如何好用”。由于近年我國上的大型工程項目多，我國無論在采用現場總線儀表的項目規模還是在采用的數量方面都處于國際領先位置。不過一些項目雖然采用了先進的現場總線智能儀表，但應用的水平卻不高，主要是未充分應用智能儀表可以提供的信息和信息服務。

　　在控制網絡的研究開發方面，我國基本上全面跟蹤著國際動向。在IEC涉及工業通信網絡的幾乎每個工作組里都有中國專家，而且針對大部分國際熱點議題我國都提出了自己的標準建議。國家標準GB/T20171-2006用于工業測量與控制系統的EPA系統結構與通信規范獲得2008年中國標準創新貢獻獎。EPA系列標準已經進入IEC的多個標準。EPA系列產品在多個示范點長期運行。

　　我國在控制網絡領域與國外的主要差距在于產品，無論是在現場總線智能化現場儀表方面，還是在系統產品和軟件方面都有差距。

　　國際方面在控制網絡的發展上也進入了水平不高的平穩期，為達到人們預期的高度。這里有兩個技術問題和一個非技術的問題.