话自动化仪表工业（ZT）

作者 卞正岗

【摘要】文章分三个部分．第一部分讲述 DDZ－II、III型仪表的形成和4－20mADC国际统一信号的使用。第二部分讲过近20年DCS的广泛使用及PA、FA、OA的形成．第三段部分展望新世纪，指出市场对自动化仪表工业的需求和DCS的发展。
【关键词】电动单元组合仪表 国际统一信号 DCS PA
（过程自动化） FA（工厂自动化） OA（办公自动化）

1.70年代中期以前的发展
　  20世纪，自动化科学技术的建立以及工业的发展，逐渐形成了自动化仪表工业。50年代以前，PID调节已很流行，但集检测、调节、执行功能于一体的基地式仪表仍为主流热工仪表。功能分离、信号传输、中央控制室集中显示操作，这种可应用于多个行业的通用性强的自动化仪表模式还在酝酿之中。
　  60年代，以电子管为基础的DDZ－I型电动单元组合仪表，被以晶体管分立元件为基础的DDZ-II型电动单元组合仪表取代。这是面向石油、化工、冶金、电力、建材等行业，以温度、压力、流量、液位为主要控制参数的整套工业自动化仪表。这个时期由于生产设备的大型化，已经有了中央控制室，基地式仪表的操作方式逐步被取代，但各单元仪表之间的连络信号还不统一，以直流0～10mA的电流信号应用较广。
　  70年代，一机部组织了DDZ－Ill型仪表的统一设计工作。DDZ-III型是在线性集成电路（运算放大器）技术、国际统一信号、本质安全防爆等技术的基础上发展起来的，与此同时，组装式仪表装置也在兴起。
　  60年代末70年代初，国际电工委员会IEC规定了国际统一信号为直流4～20mA，直流l～5V为辅助信号。即以4～2（ADC为传输信号，以1～5VDC为接收信号。这个国际统一信号在当时执行起来，基本没有多大阻力，原因是其技术先进、切实可行，而且原来的制造厂和用户都迫切希望有统一的信号制。
　  DDZ－III型仪表总体设计时，为了顺应500万吨／年原油处理量的大型炼油厂的自控系统的要求，一是系统要求本质安全防爆，二是要考虑现场仪表与中控室距离较远（约500米以内）。在符合国际统一信号的基础上，选用24VDC统一供电和两线制变送器及安全栅的方案。当时线性集成电路和晶体管的水平能做到在24VDC供电条件下，控制室仪表外接导线电阻与两线制变送器内阻或执行器内阻串联，可具有恒流性能。4mA是为了保证两线制变送器放大器工作点必要的供电而设的。在要求防爆的场所，也能够承受24VDC、20mADC或比它稍高的电量，所以能满足上述两项要求。
DDZ-III型仪表的差压（压力）变送器，已经采用矢量机构的力平衡式的原理，比原来的位移式变送器机双杠杆力平衡式变话器有较大的进步。
　  DDZ-III型仪表及70年代后期引进的I系列仪表、EK系列仪表同属于模拟仪表的最后一代产品。模拟仪表技术或模拟电路技术的前途要看半导体器件的发展趋势而定，现在ASIC专用电格产品逐步普及，它与数字电路、微处理器技术融合是总的趋势，但模拟电路技术正像模拟量一样，是不会消失的。所以模拟仪表也不会消失，只是它不会再是主流仪表了！这令人想起，我国KC动圈式自动化仪表，虽然原理古老，但现在仍然有生存空间。事实证明，模拟仪表也可求得生存，因为市场需求是多方面的，所以自动化仪表也应多品种。
　  70年代，是自动化仪表工业的成长期，最终形成了上海、西安、重庆、天津、北京、大连几个基地。除了仪表生产之外，系统成套工程产业也在发展，以系统带单表的发展战略带来了“ 30万吨乙烯”工程等项目。燕山30万吨乙烯工程就是消化新技术进行国产化，从而使自动化仪表工业受到重视。这时期整装通道式仪表盘技术的发展和组件组装式仪表的出现和批量生产，使用户认可了购买系统和装置的新模式，这比购买单表前进了一大步，随之自动化仪表工业每年产值均较其它行业增长快得多。
　  从晶体管分立元件直至小规模、中规模集成电路沟研制成功了工业控制计算机。计算机外围的A I/O（模拟量输入输出）、D I/O（开关量输入输出）、卡件及DDC（直接数字控制）软件均成为自动化仪表工业的一部分，但是由于危险较集中，可靠性欠缺，只能用于工艺比较简单的装置如常减压炼油装置的控制系统。它在数据采集系统中应用较广，当时称为巡回检测装置。这一阶段为以后发展做了技术准备，即为大规模集成电路出现使自动化仪表工业飞跃发展打下基础。


2. 近20年的发展
　  70年代中期，大规模集成电路问世，由于其性能价格比较优越，使自动化仪表工业发生了巨大的变化。首先是DCS分散型控制系统的出现，逐步成为大中型设备首选的配套自控系统；其次是PLC可编程序控制器的出现取代了中小规模集成电路的逻辑元件、二极管矩阵电路和继电器线路，进而逐步使顺序控制、连锁保护与模拟量回路控制相融合，即电控和仪控一体化；电动单元组合仪表也更新换代为每个单元仪表内有CPU芯片的单回路智能式仪表，我国统一设计称DDZ-S型仪表虽未能普及，但其系列中的 YS-80等引进产品在国内已成批生产。
　  进入80年代，‘由于DCS的普及，工艺操作人员逐渐习惯了用CRT屏幕、操作键盘和鼠标进行人机对话的方式。中央控制室更像计算机房，从而自动化程度有比较大的提高。但是无形中工程技术人员软件编程组态工作增加了，把以前用硬件实现的仪表功能、仪表间的接线模拟盘制作等都改为由工程技术人员在计算机工作站上编程组态。更深层次的是将4C技术（通讯COrmmu-nication、计算机Computer、控制Control、CRT阴极射线管技术）融合，设计制造出DCS系统，这使我国技术人员适应起来要难得多。经过10多年的努力，我国在DCS制造生产方面有了新的破，开始打破了国外DCS全面占领中国市场的局面。在PLC的普及方面，虽然有些重复DCS应用的情况，但国人已有多位实业家在这方面作出努力，可以断言，国外的PLC产品不会长期垄断国内市场。工控机是应用较广的工业自动化的产品，国内从研制STD总线、PC总线产品开始，一直走着我国特有的道路。近年兴起的在PC机上运行的监控图形软件（SCADA软件），国人更是不甘寂寞，“组态王”等软件都有一定水平，而且比国外产品具有一定竞争力。智能式单回路调节器和数显仪更如雨后春笋，满足了多层次的对自动化仪表的需求。
　  80年代，差压变送器中采用了半导体制造工艺，省去了原来力平衡式仪表的大量机械零件，解决了抗振性差、抗静压能力差、对安装位置要求严等问题，使性能有了很大进步。国内通过合资引进了电容式、扩散硅式、硅谐振式等多种原理的变送器制造技术，满足了国内用户的需要。其它的流量变送器也有多项新技术引进。近年来变送器数字化、智能化的发展也进展很快。与变送器相比，执行器虽有进步，但是引进和技术进步尚需努力，这可以由每年现场大修的工作量来看，调节阀等维修量是相当可观的。电子秤等物料重量和流量的测量仪表、速度的测量和控制仪表（特别是交流电动机的变频调速器）、成分分析的在线测量和控制、多种电量的在线测量和变送、无线的遥测、遥讯、遥控等等都已形成了成熟的产品。80年代以来，微机的使用特别是PC机的普及，使系统集成成为自动化系统成套工程产业的新潮流。管理和控制一体化的CIMS和CIPS系统是一个热点，电控和仪控一体化是另一个热点。而集成的系统已由多级递阶结构向扁平化方向发展，特别是近几年兴起的现场总线热和互联网热（Internet和Intranet）更使系统集成出现了日新月异的局面。
　  由于技术的进步和需求的多样化，自动化仪表工业已由传统的连续流程工业的自动化（PA）扩展到机械产品加工工业的工厂自动化（FA）和事务处理为特征的办公自动化（ OA），后两者在我国近几年发展也很快，今天的FA已发展成具有CAD,CAM,CIMS的全盘自动化。在我国的长春一汽、湖北二汽、上海大众等地已有多处使用机器人的生产线，而作为自动化仪表工业一部分的数控设备生产也形成了产业，我国机电仪一体化的技术方向也受到极大的重视。至于OA也逐步由单机自动化、办公室事务处理等发展成为交通管理、环保管理、市政管理、金融管理、商业物流管理、智能大厦、家庭自动化等多个分支，而且系统也提供事务和事件的处理、调度和辅助决策，这些将会影响到下世纪人们的生活方式。


3.展望新世纪
　  在即将到来的对世纪，自动化仪表工业特别是PA自动化仪表还会有更大的发展。从市场需求来看，仍是石油化工占市场份额最多，其次是钢铁、电力、纺织、轻工、建材、造纸等行业。对自控的要求，不只是自动化仪表需求量的增加；更重要的是需要质量高、寿命长、可靠性高、价格低的自动化仪表；需要提供完整的系统和优化的软件；需要能与工艺人员结合的自控工程师；需要能与管理人员结合的系统工程师。
　  这里需要讨论的是21世纪里DCS前途如何？DCS已经充当了20多年的主角，在今后的20年里是否会被淘汰？或者说在今后的10多年里是否还可以充当主角？首先成协它的是PLC，因为PLC的确近年来由于增强了模拟量处理的能力、改善了人机联系和数据通讯能力，挤占了中小系统及钢铁、污水处理等行业部分大中系统。但由于其原设计定位就是以处理开关量及针对机械行业为主的低成本自动化产品，对于有人重复杂控制回路和人机联系较高的石化行业大型设备的控制，用PLC是不适合的。其次是工控机系统，通过这些年的努力，在中小测控系统中虽然市场占有率一直处于上升趋势，在大中系统中也有一些成功的实例，美国GM公司还提出OMAC开放模块结构控制器的10项要求，但由于软件和I/O设备还不及DCS成熟，对系统集成商要求很高，所以作为石化等行业，由于主设备昂贵、连续生产、安全可靠要求高，事故的损失严重，所以不会轻易放弃已有成熟应用业绩的DCS系统而轻易采用价格低廉的工控机系统。当然DCS本身也要改进，一是价格要适当降低。二是开放性要加强，如以太网上控操作站，本身硬件采用通用计算机，本身软件采用通用 WINDOWS／ NT和OPC等软件。三是控制站控制回路数不宜过多，虽然冗余热各措施有两重化、四重化等方式，但还是遵循“控制分散可以消除危险”的原则为好。四是在DCS应用时也要发挥控制站分散设置在接近现场的初衷，即如TDC3000系统DHW数据高速通道总线可以长达2公里，控制站可以分散在各设备附近，而LCN局部控制网络仅放在中央控制室内作连接操作站、历史模件、应用模件之用，这样可以减少系统接线和中央控制室面积，现在大型装置的中央控制室有一个足球场那么大，而且控制站机柜全集中在中央控制室，这是一种理想的中央控制室吗？值得思考。由此引发出的是DCS应尽快与现场总线技术相结合，这是目前最好的方案。再过 10到20年， FCS（现场总线控制系统）也应该是在DCS＋FieldBus的基础上诞生，那时FCS才能成为真正新一代的PA产品。至于I/O自治服务系统、测量、控制、执行一体化的新型基地式仪表+数据通讯（现场总线），及虚拟“主机”系统、操作站（如为一般PC机）为即插即用方式，即操作人员需要观察和操作时才插到网络中等理想的FCS，那是要经过一、两代人的努力，才能够实现的。
　  在新世纪里，自动化的需求是多方面的。自动化仪表工业也应走与各行业进一步融合的道路。过程控制领域，特别是象大型石油化工企业等行业，由于它们存在快速、易燃、易爆、高温、高压。腐蚀及管道化、密封性容器等无法用人工观察和控制的特点，所以必须要实现自动化。这已为人们所共识，而其它行业自动化问题向看法就不一致了，不可回避的是自动化与就业问题。因本文篇幅有限，只能结论性的回答。为了使机械加工、轻工、服务等行业产品质量提高、成本降低、与国际接轨并在世界上有竞争力，必须要实行自动化。只是从事这方面工作的人素质要提高，从前台走向后台，减少操作人员，增加编程人员和维护服务人员，用知识创造财富，这就是“知识经济初见端睨”。是否还有别的路？是否还可以走老路？结论是在开放的环境下，谁不走自动化的路，谁就要被淘汰。关于自动化的需求是多方面的构想，还应该有新世纪里最有希望的生物工程和新能源、环境保护等方面对自动化仪表工业有需求的思想准备。这可能是10年以后的事，但是这一天终究会到来。首先自动化仪表工业应为农业和畜牧业服务，随着“科学种田”的深入，这方面的需求是会出现的。如激光用于“水稻试验工厂”中，可使水稻主长期缩短为70无，这就可使水稻单产提高600倍，使大跃进期间的“亩产万二”的梦想成为现实，这是现代化农业，是生物工程，也是自动化工程。因为这不仅要像20世纪里人们在工业设备中控制温度、压力、流量等那么简单，而且是要创造出比大自然（太阳、空气、水和土壤）的环境还要适合于水稻生长的环境，是非要实行自动控制不可的！而且是要经济适用的自动化。到那时，“农业自动化”就像现在的化工自动化、钢铁自动化一样成为产业了。生物工程比现代化农业对自动化技术在信息的获得和处理方面的要求更高，应设计出新型的自动化仪表来，而这就需要用到自动化科学技术的新领域——人工智能，以适应生物遗传基因信息及其它生物化学信息的特殊模式的要求。
　  在讨论到能源对自动化仪表工业的需求时首先应明确由于中国是富煤贫油的国家，在中近（2030年以前）我国的一次能源仍以煤炭为主，这就使20世纪初由于蒸汽机、汽轮机等动力的需要而发展起来的锅炉控制所需的热工仪表的大局未变，只是由于洁净煤技术（CCT）及能源高效利用技术的需求，对自动化仪表工业提出了更高的要求。这方面笔者深有体会，仅燃烧自动控制技术中并联串级交叉控制和烟气含氧量校正空燃比的控制，在国内就远未普及或虽已有设计，但在生产操作中真正投入运行的不多。在国外仅这一项就可以做到节能5％及防止冒黑烟，而在国内做到这一步，需我们自动化技术人员作出更大努力。从远期来看，能量应是多元结构，即煤炭以外，水力发电、石化能、核能、太阳能等能源也将占有较大份额，此外还有风力发电、生物质能（如农村沼气等），这就使我们自动化仪表工业有更大的发展空间，可以说20世纪是热工仪表造就了自动化仪表工业，对世纪的新能源、新材料工业将推动自动仪表工业出现更加繁荣的局面。谈到能源，当然让人们想起环境保护和可持续发展的问题。我们知道诸破坏生态平衡或污染的因素当中，能源工业和能源消费（终端消费）的燃烧等造成的污染是最主要的。人们生活要改善，主要一点是消费能量要增加，而这又是把有限的地下宝藏消费掉了，不利于可持续发展。所以，对世纪里，我国应一方面开发新能源。一方面改善能源的终端消费结构。后者近期是向用电、热电联供和集中供热料转变，远期是开发新的能源终端消费结构如燃料电池等，特别是适应市场经济要求，对居民的能量计量收费管理等自动化技术大有可为，这本身也是节能的重要措施。
　  在新世纪里，自动化仪表工业本身，将会进一步趋向于“哑铃形”的模式，即开发和市场两头大而制作生产小的模式，自动化仪表的生产线也会更加自动化，即建成适应小批量、多品种生“的柔性加工系统、敏捷生产系统。自动化仪表工业是高新技术产业，应该用现代企业机制来管理它，应以企业为中心形成技术创新的动力，它可以是独立的行业，更可以是隶属于某个能源集团、原材料生产集团、大型设备生产集团，总之是多姿多彩的，以充满活力的崭新的面貌，进入21世纪。

《自动化博览》2000年01期

作者 卞正岗，教授级高工，享受政府津贴，现为中国仪器仪表行业协¬会现场总线专业委员会技术顾问。多年从事自动化仪器仪表和系统的研究和应用。