论自动化产业的现状及发展趋势 回顾新世纪的第一个十年--控制网



论自动化产业的现状及发展趋势
回顾新世纪的第一个十年
企业：控制网 日期：2010-11-08
领域：工业无线 点击数：2036

                

    作者简介：卞正岗，男，教授级高级工程师，多年从事工业自动化仪表、集散系统和现场总线的研制及自动化系统集成的工程实践。

    进入21世纪已经有十年时间，这十年中国变化巨大。中国科学技术发展已经进入了一个新时期，我们正在建设一个创新型国家，把推动科技进步和创新作为加快转变经济发展方式的主要途径。确立战略性新兴的七大领域（节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业、新材料）。所以，自动化产业的从业人员有责任总结这十年来自动化技术和生产、科研、经营活动的现状及发展趋势。以下笔者将大致以技术、产业、市场的顺序分述于后。

    1 关于检测技术

    自动化系统从基本功能看，分为检测、执行、控制、人机界面四个方面。

    检测技术这些年的发展特点是：可检测和可利用的信号、信息多样化（如视觉机器或图像传感器、指纹等生物识别）；信号和信息获取原理多样化；新工艺、新材料等多种技术融合，MEMS微电子机械系统实用化；离散传感器发展迅速（中国市场2006年销售额14.5亿元）等。

    检测与变送或数字化传输一体化、数据通讯多样化、多变量变送器普遍使用（如8点温度检测变送器等）、多种现场总线并存（流程工业变送器情况是4~20mAdc：HART：FF、PROFIBUS-PA的比例，由5：4：1逐步向新建项目大部分采用HART，部分采用FF、PROFIBUS-PA过渡），无线传输技术发展很快，特别是RFID无线视频识别等。

    逐步智能化，流程工业用差压变送器已有多种诊断信息；多传感器数据融合技术在发展，逐步实现数据层融合、特征层融合、决策层（证据层）融合；PAT过程分析技术已逐步进入生产实践。

    在线分析已超出了传统印象，而且在新建工程中不惜投入大量资金。如分析仪器小屋、烟气测量装置的具体设备，已经是庞然大物了。另外，新的采样传感器方案NeSSI（New Samping Sensor Initiative）新标准，使得在线分析仪在新的层次上实现了小型化/模块化，这将从根本上改变工业分析的面貌。

    总之，人们已逐步统一到，把检测技术作为IT信息产业的源头的认识上来，当然检测技术在自动化技术中的地位更是不言而喻的。传感器技术正沿着微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化前进。

   2  关于执行器技术

    工业化进程逐步实现了由机械化、电气化到自动化的过渡，最初执行器是人的手脚功能的延伸。它出现的最早，能减轻人们的体力，虽然发展的较慢，但在数字化、智能化方面始终不断前进着。工业中，特别是流程工业普遍为管道化，所以，目前执行器大多以气动调节阀为主（电动、液动为辅），及以薄膜式执行机构为主（活塞式为辅）。随着国家经济总量的增长，国内执行器生产厂商产量大增，目前多国仪器仪表展览会为此设立专馆，就是一个很好的佐证。调节阀及配套电气阀门定位器的智能化，这些年有较大进步。采用电子技术取代力平衡和位移平衡原理机械结构，可以做到执行机构轻型化、功率范围拓宽、微处理机应用及低噪声、耐磨蚀，并开发出具有双向数字通信功能的现场总线型执行器。所以执行器正在逐步实现数字化、智能化、网络化。近年来，亦有人在调节阀本身节约能耗上作出努力。

    在电动机及泵等执行器类产品中，变频器和软启动器的应用很广泛。机械手、伺服机构等执行器的应用正在逐步推广。运动控制、数控机床涉及的执行器，由于数字化、智能化，其响应速度和分辨率等功能都有大幅度提高。

    3 关于控制技术

    在DCS、PLC、IPC三足鼎立和PAC逐步发展的同时，原来的单回路调节器等数显仪表也在发展，工业以太网直接插接I/O模块、多种现场总线及相关现场设备等硬件形式，也在控制技术中发展。硬件上看是百花齐放，满足着不同行业，不同规模的用户要求，在系统集成中，完成不同的控制功能。

    这些年来，控制算法模块化、控制策略采用组态方式已很普及。控制功能彻底分散化，即“现场控制”（Control in Field）已在“DCS+FF”的系统中用于CIF的工业现场，而且得到了ARC权威自动化咨询机构的肯定。

    智能算法及现代控制理论在工业现场中已得到应用。如PID自适应调节、APC先进控制等已在流程工业及其他行业得到推广。PID调节仍然是流程工业中的重要控制方式。

    顺序控制与反馈控制（回路控制）在融合，电控和仪控逐渐一体化。稳定和优化两大主题之外，安全已上升为控制的一个主题。

    4  关于人机界面（HMI）

    除去在DCS和PLC系统中的操作站、工作站之外，HMI作为独立的产品存在已经有10余年的历史，它的硬件、软件发展特点是硬件逐步通用，软件功能由制作人机联系的操作显示画面（系统流程图画面）进行控制策略组态（采用IEC61131-3）、系统配置组态、异构系统集成，发展为提供实时数据库、历史数据库、管理用关系型数据库等。

    其它还有工业电视（CCTV）、视频墙（Video Wall）等，这些已使全厂的显示操作集中，工厂的中央控制室的面貌大为改观，工艺操作人员的生产方式在变化，人和机器的关系在变化，操作人员的培训方式在变化，自动化与无人化之间的关系应提高到新的高度去研究。

    5 自动化通信系统及可互操作性

    以上回顾基础自动化相关设备都经过数字通信系统集成为一个完整的自动化系统，主流方式为分层结构，具体结构分为现场层和控制室层。控制室层大量使用COTS式以太网、交换机、光纤，速率为100M bt/S以上。现场层大量使用现场总线，目前在工厂中使用的除了有在21世纪初（2000年1月初）公布的IEC-61158的9种现场总线外，又添加了10余种，包括各种改进型的工业以太网（包括我国的EPA）和改进型的HART（带多路复用器）标准。在通信（7层标准）的物理层和数据链路层的互联互通的基础上，以基金会现场总线（FF）为首开展了互操作性的技术工作，即在应用层（或用户层）设置了电子设备描述语言（EDDL），对应FF、HART、PROFIBUS的联合小组及后来形成的IEC61804-2；系统集成中不可或缺的OPC组织也发展了OPC UA(统一架构)，与EDDL组织进行合作；近年来又发展了FDT/DTM现场设备工具/设备类型管理器，该组织也是从事互操作性技术工作的一支新生力量。EDDL、OPC、FDT三者合作形成了FDI现场设备集成统一架构，这使数字化通信达到纵向、横向集成的更高层次，使数字化设备中流程工业、离散工业有了互操作性，使开放性更臻完美。

    6  关于安全

    自动化仪表和系统曾经的安全关注点是可燃气体爆炸性混合物等环境，这些年由于现场层数据通信技术的发展，自动化仪表和系统在安全方面也取得了不少成果，如本质安全，即无火花型仪表的研究已有Entity（实体模型）、FISCO（现场总线本质安全）概念，后者在2002年形成了IECTS60079-27标准，它不仅省去了现场电缆参数计算，并可适用于更高等级的应用环境等。此外，还有FNICO（现场总线非易燃模型）、DART动态电弧识别及关断（Dynamic Are Recognition and Termination）等技术。这些系统安全问题，国内同行还需要努力研究。

    安全产品的种类非常多，但现在一个新的安全关注点更值得自动化行业重视，这就是“功能安全（Functional Safety）”。我国石化行业已有相关设计导则：石油化工紧急停车及安全连锁系统设计导则（SHB-Z06-1999）。这些紧急停车及安全连锁的功能依赖于仪表和系统执行正确的功能，所以被称为“功能安全”，对应的系统称为安全仪表系统SIS。
针对SIS目前有如下标准：美国的ISA-S84.01，国际的IEC61508及专门用于流程工业的IEC61511，又有最新的S84-2004标准。我国应该迎头赶上，制定符合国情的标准，应用新标准对现场安全进行完整性等级（SIL）划分，仪表、系统等选用技术应该先行。

    国内在安全仪表系统的研制方面应走国际合作道路。在独立的SIS之外，今年还发展了DCS统一系统架构下的SIS系统，如FF-SIS（或FF-SIF）已得到了TÜV的认证，符合IEC61508标准，也符合IEC61511标准，适用于流程工业的可编程电子继电系统的功能安全。国内DCS厂商，如在此基础上开发SIS系统，将不失为一条捷径。

    在中控室还有FGS火气系统，MMS辅助机械设备监控系统等也与安全有关，现也被普遍采用。

    由于大量在自动化系统中采用COTS以太网、交换机等网络技术，所以，防止来自互联网等处的病毒，也是一项安全技术。这方面的产品也在发展中。

    7  关于管控一体化及设备管理系统

    在工业化与信息化两化融合的形势下，自动化与信息化融合或在工厂中管理与基础自动化融合，已经深入发展。各DCS厂商均推出新一代的DCS，而且符合ERP/MES/PCS的三层结构的要求，在全面集成的基础上，加大了对制造执行系统MES的开发力度，同时与企业管理模式的改造相结合，这不能急功近利，应实行整体规划、分步实施、重点突破的原则，要结合各行业的特点，使石化、钢铁、电力、烟草、汽车等行业有所突破。目前普遍对企业的关键绩效考核指标设计（KPI）比较关心，它的量化，可为辅助决策提供数据支撑。目前又提出运营管理平台（OMP，Operation Management Platform）架构，使ERP、MES和PCS实现协同制造管理，做到柔性生产和动态管理，而且可以采用逐步积累方式，使用户在看到效益或盈利后逐步追加内容。

    作为管控一体化的特例，DCS厂商把现场的自动化仪表等设备资产管理，形成了一个AMS设备管理组合，或称设备管理系统，它可以在中控室的AMS操作台上看到现场仪表的台账、运行情况及维修计划，可进行远方检查、简化设备更换作业，这就为仪表维护带来很多便利，为系统维护打下了基础。现在AMS已经成为与DCS同时被采用的中控室的主流设计方案。请注意该系统对现场设备智能化的要求提高了，如要求有差压变送器的引压管阻塞诊断功能、控制阀的压盖密封诊断功能等。相信下一步将会把被管理的设备扩大到更多的资产中，使资产优化由管理层下延至控制层。

    8  关于无线通信及物联网

    从上世纪工业上的“三遥”或“四遥”，一直到上世纪末的RTU远程终端及车载无线电台的数据传输等，工业上利用无线通信技术的起步较早，但进步慢，收效不及手机等移动通信快，但近来RFID射频识别技术、WSN无线传感器网络、UWB低功耗高带宽无线通信技术，以及用于工业的无线局域网（符合IEEE802.11标准）和相应无线现场仪表的出现，无线数字通信技术形成了一个井喷式的发展局面。

    这方面我国标准工作走在前面，而且工业无线通信市场很大，所以可以迎头赶上。作为世界组织——现场总线基金会对于FF体系下无线技术的发展做了很多努力。首先于2008年成立由FF、HART、PROFIBUS（PROFINET）参加的无线合作小组（WCT），并做出规划，分WIO Phase1~4，即HSE Remote I/O、HSE Back haul & wireless HART I/F、Flexble Fanction Blocks& I/F to other Networks、ISA100 I/F四个阶段，逐步使无线通信技术融入工业应用之中。

    物联网是一个由感知层、网络层、应用层构成的，融合了感知技术及多种应用与服务的庞大社会信息化系统。在自动化技术中，应用RFID于物流管理、工厂内生产管理已有成功范例，我们应该全面规划、制定标准、创新实践、讲究实教等原则下，按照开创新兴产业的要求，走在世界的前列。

    9  关于全面生命周期管理和预维护

    这里所说的全生命周期是指自动化仪表和系统在制造、设计施工安装、调试、开车、运行、维护、淘汰、更新等全过程，如把与用户有关的设计、采购、成套、施工、安装、调试、开车阶段称为投资，产生的成本称为投资成本（CAPEX），而后的运行维护等产生的成本，则称为运行成本（OPEX）。在仪表和系统的选型中应综合两者来评审，这样就对运行、维护提出了更高的要求。一是，仪表和系统有这方面优越性，另一方面，是运行、维护管理要适应仪表和系统的特性。诸因素中在预维护方面，这些年颇有研究，在新型工厂中已逐渐由反应性维护转变为预防性维护、预见性维护。特别是现场总线仪表和系统采用第七节中所述的设备管理系统之后，设备生产力、人工效率、设备寿命分别比系统维护提高了30%、20%、10%，而过失、停工时间、存储清理成本及非计划崩溃几项分别降低了10%、20%、25%、50%，总体预算节约20%。

    要实行全生命周期管理，就要逐步实行数字化工厂。一个工厂的诞生要从规划开始就积累数据，随着工厂建设的展开，会不断有人进出，但数据能存留，这是知识的积累，也是财富的积累，需要精心设计、精心施工、精心运营、转变产业结构，更需要转变粗放的管理方式。

    10  关于自动化产业

    近十年由于我国经济总量的增长，自动化仪表和系统的年销售额约为1千亿元，而且民营、三资、国资（或国资控股）三类企业的销售额比例约为4:3:1，高端产品中三资企业占有较多份额，但DCS等高端产品，由于国内民营企业的努力，也拥有了较大份额。三类企业都在国内加强研发力量，有些外资企业甚至已经把一部分在国外的研发中心移到了中国。

    我国新建大型重化工企业的建设速度很快，3年左右约为一个建设周期，自动化行业也从中学会了MAC主自控承包商方式，而且不少制造商设计院也改行成为了工程公司，这有利于向提供解决方案的服务方向转变。

    除制造、设计、工程施工的企业以外，最终用户的维护人员也形成了一个团队。在逐步剥离主业之后，也成为自动化仪表和系统全生命周期中不可或缺的一部分。在自动化产业中，最终用户是有话语权的。我国也意识到了国际上的一些最终用户组织的作用。我们应把国内最终用户组织起来，使制造业、产品供应商和最终用户形成一个自动化产业协同合作的和谐局面。

    11  关于自动化的市场

    这些年来，我国乙烯、电力、钢铁、水泥、汽车及高铁等行业对自动化产品的需求旺盛，市场巨大。仅以乙烯生产为例，上海赛科、广东惠州中海油壳牌、福建联合石化公司年产约100万吨乙烯的特大型项目，都较全面地采用了FF、HART、PROFIBUS全数字化的自动化系统，运行非常成功。其它还有广东茂名、天津、镇海三大年产100万吨乙烯项目，亦已投产。虽未采用FF，但大量采用HART、AMS等先进系统；未来几年还有盘锦（45万吨乙烯）、神华（煤制烯烃）、抚顺（80万吨乙烯）、四川石化（80万吨乙烯）、兰州石化（71万吨扩至92万吨乙烯）、武汉石化（80万吨乙烯）、大庆石化（60万吨扩至120万吨乙烯）等项目，其中自动化系统的采用均占到了总投资额的10%。

    据统计，至2010年3月底为止，在全球十大乙烯生产商排名中，中石化为第三名（产能为728.5万吨/年），中石油为第八名（产能为371.4万吨/年）。由他们带动的下游产品制造、服务业也与自动化相关。由此可见，自动化市场非常巨大，大有用武之地。

    12  结语

    新世纪的十年里，自动化产业已经步入壮年，它不再是“锦上添花”、“形象工程”，而是真正可以为企业实现安、稳、长、满、优贡献出力量。国内自动化技术创新能力在增强，集成创新方式得到了肯定，而且是走向了有“理念”的创新之路，也就是能在“感性认识的基础上，把所获得的感性材料，经过思考、分析、加以整理和改造，形成概念、判断、推理。”相信自动化仪表和系统实现数字化、智能化、集成化、网络化的那一天并不会太远。
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