北京市自動化系統(tǒng)成套工程公司 卞正崗

智能化的自動化儀表和系統(tǒng)，是由智能制造裝備制造出來的，所以自動化工廠、智能制造裝備、柔性制造系統(tǒng)、MEMS、3D打印等的智能化與一般工業(yè)自動化儀表和系統(tǒng)的智能化是密不可分的，而且更重要。

1 引言

從我國十二五規(guī)劃執(zhí)行以來，作為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一的“高端”裝備制造產(chǎn)業(yè)，受到極大重視，包括智能制造裝備、高端智能裝備、高端智能制造裝備等等。雖然所指內(nèi)容有些差異，但是“智能”一詞成為關鍵詞，本文只是從工業(yè)自動化儀表及系統(tǒng)的智能化角度，談談現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，文中結合了MICONEX2014第二十五屆國際測量控制與儀表展覽會及技術交流的新鮮內(nèi)容。

這些年來，工業(yè)自動化儀表及系統(tǒng)在數(shù)字化、網(wǎng)絡化、集成化、智能化方面進展很快。數(shù)字化已相當全面，模擬儀表已經(jīng)在新建項目中不作為主流產(chǎn)品，在技術改造中也盡量被數(shù)字化儀表和系統(tǒng)所取代；網(wǎng)絡化方面最明顯的是無線通信的儀表和系統(tǒng)已經(jīng)過了試用階段，目前已經(jīng)成為以有線數(shù)據(jù)通信為主，無線通信融入其中，或成為遠程通信和油氣田等生產(chǎn)現(xiàn)場較分散的行業(yè)可選方案之一，特別是近來“移動互聯(lián)”及4G商業(yè)移動數(shù)據(jù)通訊的逐步完善，正蘊蓄著工業(yè)自動化儀表和系統(tǒng)在人機界面（HMI）和系統(tǒng)架構方面的變化；集成化是在數(shù)字化網(wǎng)絡化的基礎上改變的，不止是硬件模塊化，軟件功能塊化及組態(tài)化，而是工程設計、工程組織，并行工程方式上都在逐步改變；而智能化是貫徹在數(shù)字化、網(wǎng)絡化、集成化的過程中的，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、集成化為智能化打下了基礎，相反智能化因為反映了用戶更高的需求，是自動化的核心，所以智能化又促進了數(shù)字化、網(wǎng)絡化、集成化的進步。

兩化融合是近年來又一項促進智能化的大事，具體指信息化與工業(yè)化的融合，或者說信息化與自動化的融合。有一種說法是：信息化是指培養(yǎng)，發(fā)展以計算機為主以智能化工具為代表的新生產(chǎn)力；并把智能化工具相應的生產(chǎn)力轉化成信息化生產(chǎn)力；信息資源是信息化的基礎，開發(fā)利用信息資源是信息化的核心?，F(xiàn)在出現(xiàn)的云計算、大數(shù)據(jù)等都與智能化頗有淵源。

工業(yè)自動化儀表及系統(tǒng)的智能化，目前正從靈巧化（Smart）的初級階段走向高級智能的階段，有必要了解一下用戶的需求。目前最熱門的話題是安全、高效、節(jié)能和環(huán)保。在此基礎上，各大自動化儀表和系統(tǒng)的供應商的回應是提出了如下創(chuàng)新理念：電控儀控一體化，管控一體化、全生命周期管理、遠程診斷、遠程監(jiān)控、遠程仿真培訓、設備管理、預測性維護、數(shù)字化工廠、提高質量、降低成本、高可靠性、可維護性、可用性、功能安全等等，這些都是要通過提高自動化儀表和系統(tǒng)的智能化水平才能實現(xiàn)。

2 檢測儀表和執(zhí)行器的智能化

當今檢測儀表多含有嵌入式CPU微計算機系統(tǒng)，多可以完成現(xiàn)場數(shù)字顯示，一般產(chǎn)品名稱前標有“智能式XXX”的儀表，都可以完成數(shù)字濾波、非線性校正、自校零或自校準、自動量程切換、自動補償（溫度補償?shù)龋?、自診斷等功能，此外，各種儀表還可以完成各種專門功能。

（1）壓力差壓變送器

橫河川儀EJA/EJX全數(shù)字智能變送器內(nèi)CPU為16位1.2MHz；精度+/-4%（參數(shù)級精度+/-0.025%）；有復合傳感特性，一機多用；應答速度90m/s；通過安全認證TUVSIL2，雙重化形式時為SIL3；連續(xù)工作十年不需調校；重量僅2.7kg。另外有引壓管的堵塞及蒸汽溫度的診斷功能。EJX910A/930A多變量變送器，給出多變量質量流量的解決方案，達到1.0%的質量流量精度，流量范圍大于10:1，同步輸出4～20mA和脈沖信號；有多種功能塊，可用5ALS、AR、IT、SC、IS和PID；循環(huán)顯示最多10個變量，多功能LCD顯示，大屏幕和英語顯示；有先進的診斷功能，有高低報警輸出等觸點輸出功能；支持各種符合國際標準的節(jié)流裝置，包括孔板，文丘里管，流量噴嘴，皮托管等；質量流量計算給出了自動補償模式，組態(tài)需用FSA120EJXMV TOOL軟件，工程時應用Fieldmate通用設備管理工具，這種組態(tài)工具，配合個人電腦PC，完成包括設備的初始設置、日常維護、故障診斷和設備更換時的組態(tài)備份等任務，可完成多種通訊方式的選擇，如FFHI、MART5、HART7、PROFIBUS PA及ISA100.11a無線通訊方式。近年來多家公司的壓力差壓變送器智能化水平均有提高，重慶川儀總廠與德國SIEMES公司聯(lián)合生產(chǎn)的PDS智能化變送器，量程比可達100:1。

（2）溫度變送器

上海自動化儀表股份有限公司在儀表和執(zhí)行器智能化方面及支持國內(nèi)標準化方面作出了貢獻，如BWQ型現(xiàn)場總線智能溫度變送器，能夠全套使用多種溫度傳感器（熱電偶B、E、J、K、N、R、S、T型）熱電阻pt100、pt1000型，量程范圍寬，參數(shù)設置功能有：零位、量程、寫保護、工程單位、上下限等，自診斷功能有：傳感器、A/D轉接、存貯器、電源自診斷等，總體精度為+/-0.2%（FS），環(huán)境溫度影響≤0.1%/FS/10℃，而且HART、FFHI、PROFIBUS PA、EPA均通過認證測試。對于溫度變送器智能化來說，硬件也很重要，如A/D變換芯片及片內(nèi)總線等，片間總線等集成電路的硬件技術，或稱ASIC專用集成電路。片間總線具體有SPI總線（Motorola公司）、I2C總線（Philips公司）、MICROWIRE通信接口（NS公司），另有SCI總線、1-WireBus總線等。這些國內(nèi)均有應用實例。

多點輸入智能溫度變送器：國際國內(nèi)均有這方面的產(chǎn)品，應用較廣的有艾默生公司的848T型八點輸入溫度變速器，可為熱電阻、熱電偶、MV信號、歐姆電阻信號各自選擇并獨立組態(tài)；輸出為FFHI信號，也可以通過3420現(xiàn)場總線接口模塊接入DCS系統(tǒng)；提供診斷和計算功能，可選擇最大值、最小值、中間點和多路傳感器的溫度平均值；有鏈路活動調度器（LAS）的備份功能，網(wǎng)絡功能強。由于可安裝在危險場所和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場（環(huán)境溫度-40～+85℃），且通過本質安全FISCO認證，為多邊溫度檢測提供了低成本，高性能的解決方案，且平均每監(jiān)測點安裝費用降低70%，所以被大型工程項目采用，如江西銅業(yè)公司貴溪冶煉廠大型閃速爐項目，已采用848T多臺運行將近10年，效果良好。

（3）其他儀表和執(zhí)行器

其它各種流量計、物位計和執(zhí)行器，由于測量較復雜，計算和補償?shù)刃枨筝^多，所以智能化進展也很快。如熱量表（北方冬季采暖用）在多變量測量基礎上，由微計算機配合溫度傳感器和流量傳感器組合，將配對溫度傳感器分別安裝在入口、出口管上，流量傳感器發(fā)出流量信號，經(jīng)過計算顯示出載熱液體從入口至出口所釋放出的熱量值，具體產(chǎn)品如北京遠東儀表公司FELR1000系列熱量表（一種電磁流量計）、重慶偉岸公司UH系列超聲波熱量計、唐山會中儀表公司CRL-H（L）用戶超聲熱（冷熱）量表等。大連海峰儀表公司的超聲波流量計可做到3路輸入壓力、液位、溫度等信號，2路輸入三線制PT100鉑電阻；信號輸出：1路隔離RS485輸出、1路4～20mA或0～20mA輸出、1路隔離OCT（脈沖寬度6～1000ms之間可編程，默認200ms）1路繼電器輸出（脈沖寬度200ms）；數(shù)據(jù)存儲選配內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲器（SD卡）可存儲時間、瞬時流量、累積流量、信號狀態(tài)，經(jīng)軟件配合，便于統(tǒng)計和管理。

北京金德創(chuàng)業(yè)測控公司把以色列APM公司3D物位掃描儀，俄羅斯利馬克公司9GHz超高頻雷達物位計技術及產(chǎn)品引入中國，解決了高粉塵工況、高溫工況、蒸汽工況等物位測量難題，智能水平達到了一定高度。

執(zhí)行器中電氣閥門定位智能化的提高，解決了生產(chǎn)中的問題。另外就是用于機械設備的多變量健康狀況儀表的出現(xiàn)，引發(fā)了對于多種溫、壓、物、流常用的參數(shù)以外迫切需要傳感器智能化的問題。

（4）發(fā)展趨勢

作為以安裝在現(xiàn)場為主的檢測儀表和執(zhí)行器，是智能化的主戰(zhàn)場，現(xiàn)在的智能化成果雖大，但是發(fā)展空間很小，由smart向高級智能化過渡，目前關鍵還不是軟件，更重要的是第一步的感知，即多利用新型傳感器技術，測出諸如引壓管堵塞的故障信號，測出旋轉機械的潤滑油成分變化和溫度升高的健康信號，測出設備周圍環(huán)境中震動或腐蝕性氣體變化信息等與安全、節(jié)能環(huán)保維護可靠運行相關的信息，然后才有可能，進行分析、推理、決策和控制。這就是面大量廣的檢測儀表和執(zhí)行器智能化的當務之急。

3 在線分析儀表智能化

PAT過程分析技術被列為新世紀的關鍵技術以來，在線分析儀表智能化受到了極大重視。

作為物性在線分析儀，pH酸堿度傳感器用途很廣，很長時間內(nèi)由于其可用性受到質疑而不易推廣，但近年在電極本身及采樣系統(tǒng)中有多項專利出現(xiàn)，運行、推廣水平得到提高，又可做到在實驗室進行標定，之后運行時通過感應線圈確定pH傳感器與傳送器之間通信順暢，標定值存儲在傳感器中，具體如E+H公司的Memosons智能pH測量系統(tǒng)，已得到廣泛的應用。

重慶川儀分析儀器公司PA200-DH智能微量氧分析儀，采用了線性好、靈敏度高的固體電化學傳感器，并采用單片微處理器完成數(shù)據(jù)處理顯示，自檢故障，標準信號隔離輸出及通信接口等，做到可靠性高，維護量小，使用方便，廣泛用于空分、冶金及化工流程中微量氧的測量。PA200系列智能化氣體分析儀表，可選擇紅外、熱導、磁機械、磁壓力式、電化學式分析原理，測量組分：CO2、CO、CH4、SO2、NO、H2O、NH3、H2、O2、Ar等，大屏幕液晶顯示，獨特菜單操作，標準信號隔離輸出。此外還有Liqour7000-TB智能濁度分析儀。

英國城市技術（city）公司生產(chǎn)多種氣體傳感器，他們推出的智能輸出板可通過為多種關鍵氣體傳感器提供標準化轉出，縮短OEM廠商的開發(fā)時間，減少新產(chǎn)品設計的成本和風險，并提高儀表的可靠性，還可以記錄傳感器的關鍵數(shù)據(jù)以供客戶審查和分析。

目前國內(nèi)分析儀表、工業(yè)色譜、質譜智能化方面也已由連續(xù)自動測量、指示、記錄流程中相關參數(shù)，及以菜單形式操作，實現(xiàn)多種自動功能，向進一步改進結構（模塊化）及現(xiàn)場安裝，適應于防爆和其它惡劣環(huán)境方向發(fā)展，而且在過程分析系統(tǒng)方面，也逐步形成了煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）、水質分析成套系統(tǒng)、移動式車載測試監(jiān)測系統(tǒng)、空分過程分析系統(tǒng)、焚燒爐、水泥窯、焦爐煤氣及冶金、石化、醫(yī)藥、建材、過程分析系統(tǒng)，這些系統(tǒng)成套工程也有利于在線分析儀表智能化的發(fā)展。

4 其他儀表和系統(tǒng)的智能化及發(fā)展趨勢

（1）數(shù)字顯示控制儀表屬于自動化儀表行業(yè)基礎性二次儀表，其它還有無紙記錄儀等多種產(chǎn)品，在智能化方面進展很快。虹潤儀器公司的PID模糊調節(jié)器，宇電自動化公司的AI人工智能控制器等就是典型，AI-818高性能人工智能溫度控制器/調節(jié)器，應用業(yè)績頗多。它具備標準PID、AI人工智能調節(jié)APID或MPT等多種調節(jié)方式，具備自整定自學習功能，無超調及無欠調的優(yōu)良控制特性，具備上電免除報警功能（避免上電報警誤動作）；采用可編程萬能輸入技術及非線性輸入自定義多點校正功能；允許自編程操作權限界面，并可自設定密碼，形成“定制”自己的儀表；AI-808p具備程序控制，程序設定功能，采用具備曲線擬合功能的AI人工智能調節(jié)算法，能獲得光滑平順的曲線控制效果，采用先進的模塊化結構，提供豐富的輸出規(guī)格，能廣泛滿足各種應用場合的需要。

DCS及各種專用的控制系統(tǒng)的智能化水平比數(shù)字顯示控制儀表更高得多，如有些DCS公司提供的各種部件都已智能化，而且通過全數(shù)字信息進行協(xié)調控制，有些公司提出機組智能診控一體化系統(tǒng)等，但智能算法、先進控制在實際運行中應用還不普及，這將是智能化的一項義不容辭的任務。

真正實行“e網(wǎng)到底”,實現(xiàn)協(xié)同自動化，保證開放性、安全性，做到無需停機即可實施運行中的應用更新，通過以太網(wǎng)訪問動態(tài)信息，做到在控制層面、營運層面、企業(yè)層面之間的互聯(lián)互通，將是控制系統(tǒng)智能化未來的發(fā)展方向。

這些主要是指流程工業(yè)的控制系統(tǒng)，即PA過程自動化，而自動化的另一半即FA工廠自動化范疇內(nèi)，就不是這樣了。

（2）工廠自動化中，智能化的課題是很多的，為了實現(xiàn)工廠自動化，首先是要對開關量如接近傳感器及位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器的智能化進行關注，另外，運動控制本身也有不少智能化的問題值得關注。

如何實現(xiàn)機器人內(nèi)傳感器和相關的交流伺服系統(tǒng)智能化，可以在自動化技術中應用反饋控制理論來解決；而機器人外傳感器及相關的視覺、觸覺、力覺、嗅覺、味覺、滑覺的感知、分析、推理、決策和控制，則是一片正在開墾的處女地，又比如數(shù)控機床在加工中心之外，新生的3D打印機和快速成型系統(tǒng)，也是智能化大有可為的新天地。

最后要說明的是：智能化的自動化儀表和系統(tǒng)是由智能制造裝備制造出來的，所以自動化工廠、智能制造裝備、柔性制造系統(tǒng)、MEMS、3D打印等的智能化與一般工業(yè)自動化儀表和系統(tǒng)的智能化是密不可分的，而且更重要。注意了這一點，我國的儀表和系統(tǒng)的智能化才更有希望。

5 結語

上面提到的虹潤儀器公司，宇電自動化公司均出自福建，現(xiàn)在就以2013年福建省政府同意多單位聯(lián)合印發(fā)的《關于福建省機器人、傳感器及智能化儀器儀表發(fā)展的若干意見》來作為結束語。

該省提出，在2015年，實現(xiàn)一批機器人、高精度傳感器、智能化儀表、光學儀器的自主開發(fā)，培育一批年產(chǎn)值超億元企業(yè)，創(chuàng)建2個技術創(chuàng)新公共服務平臺和2個產(chǎn)業(yè)化示范基地。到2020年，形成較完善的產(chǎn)業(yè)鏈和技術研發(fā)體系，培育一批年產(chǎn)值超10億元企業(yè)，建成5個創(chuàng)新的公共服務平臺和5個產(chǎn)業(yè)化示范基地。該省同時制定了一系列政策舉措。

真抓實干，我國儀器儀表智能化前途會更好。