自动化仪表与控制系统.docx

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自动化仪表与控制系统

自动化仪表与控制系统

摘要

本部分首先介绍了自动化仪表与控制系统当前的基本现状，指出信息安全、安全、过程自动化、环境和质量控制、无线与网络通信、企业集成六方面是本领域的主要关注；相对于国内自动化仪表市场销售额的高速增长而言，自动化仪表新产品的推出显得稍慢；困扰发展的主要技术问题有：

仪表、系统和通信的信息保密和安全，微程序和软件的可靠性，可互操作问题，及智能仪表信息的利用问题。

然后本部分介绍了国内外的发展趋势，说明在控制系统在企业信息化及围绕工程项目的全局和全生命周期信息集成方面的进展，功能安全、无线通信和控制网络当前的发展动向，以及在新技术快速发展的条件下国际标准化成为各国和各跨国公司技术竞争的前沿，集中展示了各项对未来会产生重大影响的成熟和不完全成熟的新技术。

本部分第三章是有关国内本领域近两年的进展的，分别介绍温度、流量等测量仪表及阀门和执行机构产品的进展。

同时介绍了国内系统产品的发展以及在各项重大工程中成功应用的情况。

最后本部分就国内自动化仪表与控制系统的未来发展提出了建议。

Abstract

Atfirst,thecurrentsituationaboutprocessautomationinstrumentsandcontrolsystemsisintroducedinthispart.Andsecurity,safety,processautomation,environmentandqualitycontrol,wirelessandnetworkcommunication,andenterpriseintegrationaresixfocusesindicatedinthisarea.Processautomationinstruments’marketisexpendedquicklyinChina,whilethedevelopmentofnewproductsisalittleslowly,forwhich,securityandsafetyaboutinstruments,systemandcommunication,reliabilityaboutmicroprogramandsoftware,interoperability,andhowtousetheinformationinintelligentinstrumentsarethemaintechnicalreasons.

ThenthedevelopmenttrendinChinaandoverseaonenterpriseinformationmodelandintegration,engineeringsystemprojectsglobalscopeandwholelifetimeinformationintegration,functionsafety,wirelesscommunicationandcontrolnetworkareintroduced.Becauseofhigh-techfastdevelopment,internationalstandardizationbecomefrontareaoftechnologicalcompetitionbothfornationsandmultinationalcorporations,Besidestheinfluenceofnewtechniquesforfuture,matureornot,isfullyexpressed.

Domesticdevelopmentstateinrecenttwoyeariscontainedinthethirdchapterofthispart.Productssituationontemperature,flowandothermeasurementinstruments,valvesandactuators,controlsystemdevelopmentandsuccessfulappliedinsomeimportantprojectsareintroduced.

Atlastseveralsuggestionstofuturedevelopmentofprocessautomationinstrumentsandcontrolsystemsaregiven.

目录

自动化仪表与控制系统1

一、自动化仪表与控制系统的基本现状1

二、自动化仪表与控制系统的发展趋势3

（一）自动化仪表与企业的信息化3

（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5

（三）功能安全7

（四）无线通信10

（五）控制网络12

（六）国际标准化13

（七）产业竞争14

三、自动化仪表与控制系统的国内最新进展15

（一）温度仪表15

（二）流量仪表16

（三）其它测量仪表18

（四）控制阀及其执行机构18

（五）国产PLC产品开始复苏19

（六）国产DCS产品进入大型重点工程项目控制系统19

1.国产DCS系统进入大型超临界火电机组控制系统19

2.国产DCS系统成批进入大型石化工程项目20

3.国产仪表和系统进入核电站控制系统20

（七）国产MES软件的开发和应用取得进展20

（八）国内企业进入全球50强过程自动化公司榜21

四、针对自动化仪表与控制系统的对策和建议21

自动化仪表与控制系统

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国家，在那里自动化仪表的销售和应用持续以20%~30%的速度发展。

但是新兴市场的价格问题[1][2]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到非常便宜的替代品；这样就难以激发跨国企业花大成本研制新型仪表。

近十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使得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[3]至今在制造商中没有赢家，又使用户普遍感到厌倦，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是：

以ISAEXPO、Miconix等为代表的国际仪表展览，以Readers'ChoiceAward（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。

自动化仪表近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十年的高速发展，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：

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，如何进行互动，

5）智能仪表提供了远比模拟仪表多的信息，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，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是持续不断的，仪表制造商近两年很受伤，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》[4]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。

ISAEXPO2008的6大关注是：

信息安全、安全、过程自动化、环境和质量控制、无线与网络通信、企业集成。

实际上包括我国的Miconix展在内的全球各主要仪表展览，近两年的主题也在这之内。

可以说这6个方面反映了近两年自动化仪表领域的主要发展动向。

6方面中信息安全、过程自动化和环境控制主要是由自动化仪表领域外的技术推动的，本报告的以下部分不将其作为重点。

中国投资咨询网出品的《2009-2012年中国仪器仪表行业投资分析及前景预测报告》，在简介中对国内仪器仪表的论述也恰如其分地表达了国内自动化仪表领域发展的不足，其论述是这样的：

“虽然中国仪器仪表工业有了一定的发展，但远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会生活等各个方面日益增长的迫切需求。

中国仪器仪表产品，绝大部分属于中低档技术水平，而且可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求。

……因此中国需做长期规划，将振兴测量控制与仪器仪表业作为一个系统工程，从影响测量控制与仪器仪表业的各主要方面，包括政府、企业、社会环境、科研和教育机构等方面制定协调一致的战略措施并认真贯彻执行”。

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IT行业一些成熟的技术和产品，加快了信息化的步伐。

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是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”实际上是获得的信息超过了处理和应用的能力。

当前自动化工程中已经获得和比较容易获得的信息有许多未得到处理和应用，而未得到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的“0”和“1”来描述，然后由计算机来进行运算和处理，最后将处理的结果再反作用到现实世界。

信息化的前提条件是将现实世界以及现实世界事物之间的关系“化”为“0”和“1”，不能做到这一步信息化是不可能实现的。

做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性，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[5]。

2006年9月，在德国柏林的IEC100周年庆活动，自动化论坛上，IFAC专家Diedrich教授做了题为《自动化工厂的信息模型》[5]的报告，介绍不同的控制层次、不同的生产阶段的不同信息类型、不同信息处理技术和工具。

建立信息模型的工作是自动化仪表领域的一项基础工作，也是统一信息表达的重要手段；主要内容包括：

1.建立描述事物的规则，2.按照规则对所涉及大量事物进行描述，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，我们需要的是与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三类：

描述事物的信息模型。

如描述生产原料、元件、控制系统仪表、生产用装置、设备、生产过程的状态、中间和最终产品等内容的信息模型，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IEC61987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。

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，优化的先决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。

描述对象过程信息模型。

如生产过程、管理过程等，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其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为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制定外，还及时地将重要的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，后面需要做的工作是：

宣贯和学习这些方法，用这些方法建立各方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。

可互操作性是分层次的，最基本的是过程控制级的互操作，即控制系统与现场仪表层面的可互操作；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；再高一层是企业管理信息的可互操作。

全局信息化整合至少要实现全局信息的可互操作。

不同层级实现可互操作的技术和方法是不完全一样的。

在控制系统与现场仪表层主要技术是：

功能块、EDDL（电子设备描述语言）、FDT/DTM（现场设备工具/设备类型管理器）、OPCUA（原OleforProcessControl，过程控制用对象链接和嵌入；现Openness，Productivity&Collaboration，开放、生产率和协作；UnifiedArchitecture，统一架构）等。

控制系统维护与生产设备诊断层的情况后面谈，企业管理层则部分借助于MES（制造执行系统）技术。

全局信息整合至少要使企业各层及各层之间的信息交换无障碍。

自动化系统工程项目从论证一直到建成投产运行、日后大修维护，整个过程的每个阶段会产生许多技术文件，各阶段的文件又有很强的关联，而且现在这些文档现在都以二进制型式存在计算机里。

如果各阶段采用统一的信息模型，那么下阶段的文件相对上阶段就可以有很好的继承性。

例如：

在项目的工程设计阶段就会编制控制逻辑配置图，如果使用了统一的信息模型，那么到开车调试阶段就可以直接用这个图对系统进行组态。

全生命周期信息整合就是要实现系统各生命阶段之间可互操作。

这样的信息化整合方案是由仪表的用户方提出的。

仪表的用户企业由于贴近生产过程，贴近应用，一些用户组织对自动化仪表的应用提出许多要求，制定了一些团体标准。

现在他们逐步地将这些团体标准转为国家标准、欧洲标准或国际标准，如：

IEC62424过程控制工程的表示方法——对P&I图和P&ID工具与PCE-CAE工具之间数据交换的要求和IEC61987的若干部分。

（P&I，管线工程与仪表装置；P&ID，管线工程和仪表装置系统图；PCE，过程控制工程；CAE，计算机辅助工程）。

自动化仪表工程项目全局、全生命周期的信息化整合是一个漫长的过程，近两年IEC62424标准的出版、InTools工具软件功能的扩充以及控制系统与现场仪表层各项可互操作标准的推出是发展中的一个重要标志点。

我国一直有研究机构在跟踪全局、全生命周期的信息化整合技术的发展动向，当有关标准文件由技术团体提交给国际标准化组织，TC124会很快安排专家加入起草工作组，这种跟踪已经持续多年了。

同时TC124还及时将出版的国际标准转化为国家标准。

全生命周期的信息化整合的概念对我国工程师还比较新，虽然一些工程项目中用了可以进行全生命周期的信息化整合的工具软件InTools，但人们还只是将它在某个生命阶段。

我国对自动化仪表在系统运行过程中的信息整合做得很不够，即使用了现场总线智能仪表，数据通信也仅仅起替代模拟信息传递的功能。

产生这种情况的原因，一方面是我国用户对企业信息化的需求并不迫切，另一方面我们缺乏符合我国各行业实际情况的，有效的信息化整合软件。

自动化仪表工作者对信息化可以做什么了解不够，用户对有什么好处不清楚，对怎么做提不出要求。

这些因素影响了信息化整合技术的发展。

有人认为以数字化、网络化为代表的智能仪表发展有三个阶段：

第1阶段是数字化现场总线智能仪表替代模拟仪表，重点是发挥节省安装费用、提高仪表性能的作用；第2阶段是工程和仪表的全局信息和全生命周期信息的整合，实现信息化，重点是提高项目工程的管理水平和运行效益；第3阶段是以无线通信仪表为重要特征的，实现所谓“无所不在的测量、无所不在的网络、无所不在的计算”，实现真正的网络化控制，重点是全面提高企业的效益。

三阶段的目标相当远大，可以说是整个21世纪自动化仪表的目标。

目前我国第1阶段的工作已经全面展开，第2阶段的工作开始启动，第3阶段的工作正在探索。

（三）功能安全

安全是一个非常广泛的主题，在自动化仪表领域近年主要关注功能安全方面。

IEC61508电气/电子/可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/可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。

近两年功能安全的重要发展是：

大量经过功能安全认证的仪表推向市场。

这对仪表的市场有很大影响，因为功能安全仪表并不只是用在有安全要求的系统中，功能安全认证还起到仪表的可靠性半定量确认的作用，为了争取竞争中的有利地位，实际上几乎所有仪表制造商都会开展功能安全研究。

自上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、模糊的，人们更愿意相信品牌。

上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环境下的，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。

在IEC61508和IEC61511里，对嵌入式程序和计算机软件的可靠性和安全性的评估提供了一些方法，流派较多。

但是这些内容多半比较原则，实施时严重依赖评估者的经验和水平；另外，按不同方法评估的结果是否具有可比性也存在疑问。

这对于广泛开展功能安全设计和评估是远远不够的，这方面的需求促使各方加大了嵌入式程序和计算机软件的可靠性的研究。

从编程语言的角度看，IEC61508-3电气／电子／可编程电子安全相关系统的功能安全第3部分：

软件要求对全可变语言（FVL，如C、C++、汇编语言等）在安全应用程序层次和嵌入式软件、固件、操作系统层次做了原则性的规范；而对有限可变语言（LVL，如IEC61131-3的PLCopen组织安全扩展）在安全应用软件层次的规范，则在IEC62061机械的安全安全相关系统电气／电子／可编程电子控制系统的功能安全中描述。

在这些IEC标准和ISA的对应标准ISA84过程仪表安全系统的功能安全及相关技术报告中对此部分做了细化和补充；虽然离公认、统一解决方案尚有距离，但已足以使各企业可以开展功能安全的开发和设计了。

功能安全标准虽然已经出版，功能安全研究的范围还在深入和扩大。

一方面是现场通信的功能安全问题研究，这些研究成果已经部分反映在一些现场总线系列的标准中。

另一方面是电磁环境对功能安全的影响，这些研究成果开始在修订的过程控制仪表的电磁兼容性标准中体现。

我国许多研究机构近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（HazardandOperabilityStudy，危险与可操作性研究）分析等方法，确定目标对象对功能安全的定量要求。

制定了等同采用IEC标准的系列国家标准GB/T20438电气/电子/可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。

展开宣贯两个国家标准，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的关注。

系统维护与仪表诊断分为四个层次：

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（anOperationsandMaintenanceInformationOpenSystemsAlliance，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（OperationsandMaintenance，运行和维护）中和CALM（CollaborativeAssetLifecycleManagement，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（CommonConceptualObjectModel，通用总体对象模型）是所有MIMOSA标准的基础，而