自動(dòng)化儀器儀表與控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

一、自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的基本現(xiàn)狀

　　進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展，拉動(dòng)了對(duì)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的需求，我國(guó)新上的大型項(xiàng)目所用自動(dòng)化儀表和控制系統(tǒng)的先進(jìn)程度已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。當(dāng)前傳統(tǒng)制造業(yè)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)過(guò)了輝煌期，與之配套的自動(dòng)化儀表自然就增長(zhǎng)緩慢。自動(dòng)化儀表發(fā)展的熱點(diǎn)在新興市場(chǎng)的價(jià)格問(wèn)題從兩個(gè)方面夾擊儀表制造商，一是新興市場(chǎng)的用戶對(duì)產(chǎn)品價(jià)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(fā)跨國(guó)企業(yè)花大成本研制新型儀表。

　　近10年自動(dòng)化儀表技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域——現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展雖然取得了顯著成就，但是在應(yīng)用方面大體上還處在替代模擬傳輸線的階段。實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)總線不僅僅是信號(hào)制式的改變，它是為控制技術(shù)的信息化提供基礎(chǔ)的。用戶對(duì)系統(tǒng)底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)推廣的原始動(dòng)力。近些年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線在設(shè)備資產(chǎn)管理、預(yù)測(cè)診斷和平穩(wěn)操作等方面的潛力開始被挖掘出來(lái)，顯現(xiàn)了極富發(fā)展前景的勢(shì)頭。

　　但是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制和分布式只智能技術(shù)，到目前無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐上都未出現(xiàn)顯著突破：而現(xiàn)場(chǎng)總線的速度瓶頸是的在復(fù)雜控制和快速響應(yīng)方面有時(shí)還不如傳統(tǒng)儀表：持續(xù)多年的現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)至今在制造商中沒(méi)有贏家，又使用戶普通感覺(jué)厭倦，極大地消耗了各企業(yè)發(fā)展的資源。

　　國(guó)際上反映自動(dòng)化儀表產(chǎn)品動(dòng)向的幾個(gè)重要窗口：以ISA EXPO、Miconix等為代表的國(guó)際儀表展覽，以Readers’ Choice Award（讀者選擇獎(jiǎng)）為代表的獎(jiǎng)項(xiàng)。從近3年的讀者選擇獎(jiǎng)看，獲獎(jiǎng)產(chǎn)品變化不多。自動(dòng)化儀表今年發(fā)展的重點(diǎn)在儀表的應(yīng)用方面。

　　這種發(fā)展趨勢(shì)的變化是很自然的，數(shù)字化、智能化儀表和系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近10年的告訴發(fā)展，在應(yīng)用方面積累了一些問(wèn)題，智能儀表設(shè)計(jì)的許多創(chuàng)新功能也未得到充分的應(yīng)用。主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。

（1）數(shù)字儀表和系統(tǒng)的信息保密和安全問(wèn)題
（2）微程序和軟件的可*性問(wèn)題。
（3）通信的保密、安全和可*性問(wèn)題。
（4）智能儀表在運(yùn)行時(shí)是可以與控制系統(tǒng)互動(dòng)的以及如何進(jìn)行互動(dòng)。
（5）智能儀表提供了遠(yuǎn)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(wèn)題。
（7）儀表和系統(tǒng)的故障診斷以及故障診斷信息的可互操作問(wèn)題等。

　　上述問(wèn)題都是由于數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化而產(chǎn)生的，并不是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法解決這些問(wèn)題，只是可選的解決方案太多，而統(tǒng)一的解決方案才是最有效的。而如何統(tǒng)一是當(dāng)前正在研究的。

　　雖然自動(dòng)化儀表新產(chǎn)品的推出速度減緩，但是自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展史持續(xù)不斷的，儀表制造商近兩年新技術(shù)發(fā)展積極性不高，但儀表用戶發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)的積極性越來(lái)越高。最近，在信息技術(shù)的融入、儀表安全技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等各方面都有令人矚目的發(fā)展。另外國(guó)外新產(chǎn)品推出的減速，為我國(guó)儀表的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。國(guó)內(nèi)儀表近兩年繼續(xù)健康發(fā)展，行業(yè)的總體趨勢(shì)與《2006-2007儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告》的介紹未發(fā)生大的變化，因此也可以認(rèn)為本報(bào)告是它的補(bǔ)充。

　　ISA EXPO2008的6大關(guān)注點(diǎn)是：信息安全、過(guò)程自動(dòng)化、環(huán)境和質(zhì)量控制、無(wú)線與網(wǎng)絡(luò)通信、企業(yè)集成。實(shí)際上包括我國(guó)的Miconix展在內(nèi)的全球各主要儀表展覽，近兩年的主題也在這之內(nèi)?？梢哉f(shuō)這個(gè)六個(gè)方面反映了近兩年自動(dòng)化儀表領(lǐng)域的主要發(fā)展動(dòng)向。六個(gè)方面中信息安全、過(guò)程自動(dòng)化和環(huán)境控制主要是由自動(dòng)化儀表領(lǐng)域外的技術(shù)推動(dòng)的，本報(bào)告的一下部分不將其作為重點(diǎn)。

　　中國(guó)投資咨詢網(wǎng)的《2009-2012年中國(guó)儀器儀表行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》，在簡(jiǎn)介中對(duì)國(guó)內(nèi)儀器儀表的論述也恰如其分地表達(dá)了國(guó)內(nèi)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域發(fā)展的不足，其論述是這樣的：“雖然中國(guó)儀器儀表工業(yè)有了一定的發(fā)展，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)以及社會(huì)生活等各個(gè)方面日益增長(zhǎng)的迫切需求。中國(guó)儀器儀表產(chǎn)品，絕大部分屬于中低檔技術(shù)水平，而且可*性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性指標(biāo)尚未全部達(dá)到要求。因此中國(guó)需做長(zhǎng)期規(guī)劃，將振興測(cè)量控制與儀器儀表行業(yè)作為一個(gè)系統(tǒng)工程，從影響測(cè)量控制與儀器儀表業(yè)的各主要方面，包括政府、企業(yè)、社會(huì)環(huán)境、科研和教育機(jī)構(gòu)等方面制定協(xié)調(diào)一致的戰(zhàn)略措施并認(rèn)真貫徹執(zhí)行。”

　　二、自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

　?。ㄒ唬┳詣?dòng)化儀表與企業(yè)的信息化

　　信息技術(shù)的發(fā)展給自動(dòng)化儀表帶來(lái)兩方面的影響：一方面信息技術(shù)與自動(dòng)化儀表爭(zhēng)奪人才，在IT發(fā)展的高潮，許多有經(jīng)驗(yàn)的儀表工作者轉(zhuǎn)向IT行業(yè)，這也是近年儀表產(chǎn)品推出減緩的原因之一；另一方面自動(dòng)化儀表借用了TI行業(yè)一些成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，加快了信息的步伐。

　　信息化是當(dāng)前時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，自動(dòng)化儀表技術(shù)包括了信息采集、信息處理以及信息的應(yīng)用這樣的過(guò)程，因此自動(dòng)化儀表技術(shù)實(shí)際上時(shí)信息技術(shù)的一個(gè)重要分支。所謂“企業(yè)集成”實(shí)際上是企業(yè)的信息集成和整合，所謂“信息爆炸”實(shí)際上時(shí)獲得信息超過(guò)了處理和應(yīng)用的能力，而為得到的應(yīng)用的一大障礙是信息表達(dá)的統(tǒng)一性不夠。如何提高處理和應(yīng)用信息的能力是當(dāng)前的主題。

　　信息化需要將現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體事物（包括原料、設(shè)備、產(chǎn)品、控制系統(tǒng)、儀表等），生產(chǎn)流程（包括制造方法、工藝等）。企業(yè)的管理（包括采購(gòu)、銷售、物流等）用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理0和1來(lái)描述，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將處理的結(jié)果再反作用到現(xiàn)實(shí)世界。

　　信息化的前提是將現(xiàn)實(shí)世界以及現(xiàn)實(shí)世界事物之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為0和1，不能做到這一步信息化是不可能實(shí)現(xiàn)的。做到這一步就是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界建立信息模型。

　　信息模型是用一組簡(jiǎn)化的信息。按一定規(guī)則對(duì)事物所做的抽象描述。

　　信息模型定義包括了簡(jiǎn)化、規(guī)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(guò)程包括了克服多樣性，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性的任務(wù)。自動(dòng)化儀表和系統(tǒng)信息模型的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)廣泛的可互操作性。

　　2006年9月，在德國(guó)柏林的IEC100周年慶活動(dòng)的自動(dòng)化論壇上，IFAC專家Diedrich教授作了題為《自動(dòng)化工廠的信息模型》的報(bào)告，介紹不同的控制層次，不同的生產(chǎn)階段的不同信息類型、不同信息處理技術(shù)和工具。

　　建立信息模型的工作是自動(dòng)化儀表領(lǐng)域的一項(xiàng)基本工作，也是統(tǒng)一信息表達(dá)的只能給藥手段，主要內(nèi)容包括：1.建立描述事物的規(guī)則；2.按照規(guī)則對(duì)所設(shè)計(jì)大量食物進(jìn)行描述，建立模型庫(kù)。

　　建立描述事物的規(guī)則是一項(xiàng)繁雜的研究工作，因?yàn)殡S著文化背景的不同、宗教信仰的不同、描述事物側(cè)重的不同、詳細(xì)程度的不同，描述的方案有很多種，我們需要的是在當(dāng)前信息處理能力相適應(yīng)的、能被公眾廣泛接受的方案，這種方案最終往往以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)。近兩年在制定這類國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面取得明顯的進(jìn)展。

　　描述事物的規(guī)則按對(duì)象的屬性可簡(jiǎn)化分為3類：

　?。?）描述事物的信息模型。如描述生產(chǎn)原料、元件、控制系統(tǒng)儀生產(chǎn)用裝置、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)、中間和最終產(chǎn)品內(nèi)容的信息模型，這種類型的模型要把對(duì)象的基本屬性描述出來(lái)，典型代表是IEC361987工業(yè)過(guò)程測(cè)量與控制過(guò)程設(shè)備目錄中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和元素系列標(biāo)準(zhǔn)和IEC61360與電子元件分類方案相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)元素類型系列標(biāo)準(zhǔn)。

　　（2）描述事物之間關(guān)系（尤其是定量關(guān)系）的模型。信息化的重要作用是對(duì)事物進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的條件是了解事物之間的（定量）關(guān)系。這種模型常常以數(shù)學(xué)模型的形式出現(xiàn)。這類模型往往針對(duì)性很強(qiáng)，難以建立統(tǒng)一的廣泛應(yīng)用的模型，因此較少以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)。

　　（3）描述對(duì)象過(guò)程信息模型。如生產(chǎn)過(guò)程、管理過(guò)程，典型代表是IEC62264企業(yè)系統(tǒng)集成系列標(biāo)準(zhǔn)。

　　在建立自動(dòng)化儀表及應(yīng)用的信息模型方面，我國(guó)高校和研究機(jī)構(gòu)早有研究。但并沒(méi)有將這項(xiàng)工作定位信息化促進(jìn)工業(yè)化的重要基礎(chǔ)，一直缺乏國(guó)家或行業(yè)層面，全面系統(tǒng)規(guī)劃和大規(guī)模的工作。

　　我國(guó)TC159全國(guó)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和TC124全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在跟蹤和采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面做了不少工作，除派出專家加入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工作組直接參加國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的指定外，還及時(shí)地將重要信息模型標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。有了這些建立信息模型的方法標(biāo)準(zhǔn)，后面需要做的工作室：宣傳、貫徹、學(xué)習(xí)這些手法，用這些方法建立各認(rèn)可的具有可互操作性的信息庫(kù)，應(yīng)用這些信息庫(kù)服務(wù)于企業(yè)的自動(dòng)化。

　　由于信息模型對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)和工程師還是新事物，上述這些工作在初期還相當(dāng)復(fù)雜，最重要的是我國(guó)制造企業(yè)較少主動(dòng)提出信息化的需求，因此我國(guó)在這方面相對(duì)較落后，迫切需要引起重視。

　?。ǘ┳詣?dòng)化儀表工程項(xiàng)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(shí)際上是自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的全面可互操作性?？苫ゲ僮餍允欠謱哟蔚?，最基本的是過(guò)程控制機(jī)的互操作，即控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表表層免的可互操作，向上一層是控制系統(tǒng)維護(hù)與生產(chǎn)設(shè)備診斷信息的可互操作，在高一層是企業(yè)管理信息的客戶操作。全局信息化整合至少要實(shí)現(xiàn)全局信息的可互操作。

　　不同層級(jí)實(shí)現(xiàn)可互操作的技術(shù)和方法是不完全一樣的。在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表層主要技術(shù)史：功夫塊、EDDL（電子設(shè)備描述語(yǔ)言）、FDT/DTM（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工具/設(shè)備類型管理器）、OPC UA（原 Ole for Process Control，過(guò)程控制控制用對(duì)象鏈接和嵌入：現(xiàn)Openness，Productivity&Collaboration,開放、生產(chǎn)率和協(xié)作；企業(yè)管理層則部分借助于MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）技術(shù)。全局信息整合至少要使企業(yè)各層之間的信息交換無(wú)障礙。

　　自動(dòng)化系統(tǒng)工程師項(xiàng)目從論證一直到建成投產(chǎn)運(yùn)行、目后大修維護(hù)，整個(gè)過(guò)程的每個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生許多技術(shù)文件，各階段的文件又有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，而且這些文檔現(xiàn)在都以二進(jìn)制形式存在計(jì)算機(jī)里。涂過(guò)各階段采用統(tǒng)一的信息模型，那么下階段的文件相對(duì)上階段就可以有很好的繼承性。例如，在項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)階段就會(huì)編制控制邏輯配置圖，如果使用了統(tǒng)一的信息模型，那么到開車調(diào)試階段就可以直接用這個(gè)圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。全生命周期信息整合就是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各生面階段之間可互操作，

　　這樣的信息化整合方案是由儀表的用戶提供的。儀表的用戶企業(yè)由于貼近生產(chǎn)過(guò)程，貼近應(yīng)用，一些用戶組織對(duì)自動(dòng)化儀表的應(yīng)用提出許多要求，制訂了一些團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在他們逐步地將這些團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61242過(guò)程控制工程的表示方法——對(duì)P&I圖和P&ID工具與PCE-CAE工具之間數(shù)據(jù)交換的要求和IEC61987的若干部分（P&I，管線工程與儀表裝置；P&ID，管線工程和儀表裝置系統(tǒng)圖；PCE，過(guò)程控制工程；CAE，計(jì)算機(jī)輔助工程）。

　　自動(dòng)化儀表工程項(xiàng)目全局、全生命周期的信息化整合式一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，近兩年IEC62424標(biāo)準(zhǔn)的推出是發(fā)展中的一個(gè)重要標(biāo)志。

　　我國(guó)一直有研究機(jī)構(gòu)在跟蹤全局、全生命周期的信息化整合技術(shù)的發(fā)展方向，當(dāng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件由技術(shù)團(tuán)體提交國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，TC124會(huì)很快安排專家加入起草工作組，這種跟蹤已經(jīng)持續(xù)多年了。同時(shí)TC124還及時(shí)將出版的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

　　全生命周期的信息化整合的概念對(duì)我國(guó)工程師還比較新，雖然一些工程項(xiàng)目中用了可以進(jìn)行全生命周期的信息化整合的工具軟件InTools，但人們還只是將它置于某個(gè)生命階段。

　　我國(guó)對(duì)自動(dòng)化儀表在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的信息整合做的很不夠，及時(shí)用了現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表，數(shù)據(jù)通信業(yè)僅僅起替代傳遞的功能。產(chǎn)生這種情況的原因，一方面是我國(guó)用戶對(duì)企業(yè)信息化的需求并不迫切；另一方面我們?nèi)狈Ψ衔覈?guó)各行業(yè)實(shí)際情況的、有效的信息化整合軟件。自動(dòng)化儀表工作者對(duì)信息化可以做什么了解不夠，而用戶對(duì)信息化有什么好處不清楚，對(duì)怎么做更提不出要求。這些因素影響了信息化整合技術(shù)的發(fā)展。

　　有人認(rèn)為以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為代表的智能儀表發(fā)展有三個(gè)階段：第一階段是數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表替代模擬儀表，重點(diǎn)是發(fā)揮節(jié)省安裝費(fèi)用、提高儀表性能的作用；第二階段是工程和儀表的全局信息和全生生命周期信息的整合，實(shí)現(xiàn)信息化，重點(diǎn)是提高項(xiàng)目工程的管理水平和運(yùn)行效益；第三階段是以無(wú)線通信儀表為重要特征，實(shí)現(xiàn)所謂“無(wú)所不在的測(cè)量、無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)、無(wú)所不在的計(jì)算”，實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)化控制，重點(diǎn)是全面提高企業(yè)的效益。三階段的目標(biāo)相當(dāng)遠(yuǎn)大，可以說(shuō)是整個(gè)21世紀(jì)自動(dòng)化儀表的目標(biāo)。目前我國(guó)第一階段的工作已經(jīng)全面展開，第二階段的工作開始啟動(dòng)，第三階段的工作正在探索。

　?。ㄈ┕δ馨踩?/p>

　　安全是一個(gè)非常廣泛的主題，在自動(dòng)化儀表領(lǐng)域今年主要關(guān)注功能安全方面。IEC61508電氣/電子/科編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)早在1998年就開始陸續(xù)出版，2003年又出版了IEC61511過(guò)程儀表安全系統(tǒng)的功能安全系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)近兩年出版了等同采用這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438電氣/電子/科編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全和GB/T21109過(guò)程儀表安全系統(tǒng)的功能安全。

　　近兩年功能安全的重要發(fā)展是：將大量經(jīng)過(guò)功能安全認(rèn)證的儀表推向市場(chǎng)。這對(duì)儀表的市場(chǎng)有很大影響，因此功能安全儀表并不只是用在有安全要求的系統(tǒng)中，功能安全認(rèn)證還起到對(duì)儀表可*性一定的定量確認(rèn)的作用，為了爭(zhēng)取競(jìng)爭(zhēng)中的有利地位，實(shí)際上幾乎所有儀表制造商都會(huì)開展功能安全研究。

　　自20世紀(jì)開展儀表的可*性工程研究以來(lái)，儀表制造的質(zhì)量大幅提高。但是由于可*性數(shù)據(jù)都是由制造企業(yè)自己取得的，對(duì)用戶的公信力較低，因此只有很少企業(yè)將可*性的定量數(shù)據(jù)公布出來(lái)。所以可*性對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是經(jīng)驗(yàn)性的、模糊地，人們更愿意相信品牌。
　　
　　20世紀(jì)的可*性工程研究使儀表的光學(xué)、機(jī)械、電子部件的可*性設(shè)計(jì)和處理有了獲得公認(rèn)的成熟框架。但是當(dāng)前的儀表幾乎都帶微處理器，而嵌入式程序和計(jì)算機(jī)軟件的可*性卻還沒(méi)有公認(rèn)的、得到定量數(shù)據(jù)的方法。這里最容易使人困惑的是：我們都知道Windows操作系統(tǒng)的錯(cuò)誤很多，而我們的大部分自動(dòng)化儀表系統(tǒng)軟件是運(yùn)行在Windows環(huán)境下邪惡，這樣我們?cè)跄芟嘈抛詣?dòng)化系統(tǒng)會(huì)有比Windows更好的可*性呢？當(dāng)前的功能安全研究和軟件可*性研究已經(jīng)提供了一些諸如添加底層程序、冗余、容錯(cuò)等處理方法，使我們能夠在不可*的Windows上獲得可*的自動(dòng)化系統(tǒng)。

　　在IEC61508和IEC61511里，對(duì)嵌入式程序和計(jì)算機(jī)軟件的可*性和安全性的評(píng)估提供了一些方法，流派較多。但是這些內(nèi)容多半比較原則，實(shí)施時(shí)嚴(yán)重依賴評(píng)估者的經(jīng)驗(yàn)和水平設(shè)計(jì)和評(píng)估是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這些方面的需求促使各方面加大了嵌入式程序和計(jì)算機(jī)軟件的可*性的研究。從編程語(yǔ)言的角度看，IEC 61508-3電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全第3部分：軟件要求對(duì)全可變語(yǔ)言（FVL，如C、C 、匯編語(yǔ)言）在安全應(yīng)用程序?qū)哟魏颓度胧杰浖?、固件、操作系統(tǒng)層次做了原則性的規(guī)范；而對(duì)有限可變語(yǔ)言（LVL，如IEC61131-3的PLCopen組織安全擴(kuò)展）在安全應(yīng)用軟件層次的規(guī)范，則在IEC標(biāo)準(zhǔn)和ISA的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)ISA84過(guò)程儀表安全系統(tǒng)的功能安全及相關(guān)技術(shù)報(bào)告中對(duì)此部分做了細(xì)化和補(bǔ)充，雖然離公認(rèn)，統(tǒng)一解決方案尚有距離，但已足以使各企業(yè)可以開展功能安全的開發(fā)和設(shè)計(jì)了。

　　功能安全標(biāo)準(zhǔn)雖然已經(jīng)出版，功能安全研究的范圍還在深入和擴(kuò)大。一方面是現(xiàn)場(chǎng)通信的功能安全問(wèn)題研究，這些研究成果已經(jīng)部分反映在一些現(xiàn)場(chǎng)總線系列的標(biāo)準(zhǔn)中；另一方面是電磁環(huán)境對(duì)功能安全的影響，這些研究成果開始在修訂的過(guò)程控制儀表的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)。

　　我國(guó)許多研究機(jī)構(gòu)今年開展了功能安全的研究工作，主要包括：對(duì)安全要求高的用戶機(jī)構(gòu)，如石油、化工、制藥類機(jī)構(gòu)，開展了如何提出和確定功能安全要求的研究。他們采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)、可信性管理方法、HAZOP（Hazard /and/ Operability Study,危險(xiǎn)與可*性研究）分析等方法，確定目標(biāo)對(duì)象對(duì)功能安全的定量要求。

　　制定了宣傳貫徹兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，培訓(xùn)功能安全工程師的工作。同時(shí)一些機(jī)構(gòu)開展了工程項(xiàng)目和儀表產(chǎn)品的功能安全評(píng)定工作。

　　一些儀表制造廠開始研制高可*性的功能安全儀表產(chǎn)品。個(gè)別企業(yè)為了使用戶對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)證有更好的認(rèn)同，他們將產(chǎn)品向國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)申請(qǐng)認(rèn)證。

　　總體上，雖然我國(guó)創(chuàng)新的功能安全研究成果還少，但功能安全的活動(dòng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)啟動(dòng)，正逐步深入地展開。

　　（四）系統(tǒng)維護(hù)與儀表診斷

　　基于企業(yè)對(duì)安全和質(zhì)量的要求，系統(tǒng)維護(hù)與儀表診斷受到用戶、制造商和研究者各方面的關(guān)注。系統(tǒng)維護(hù)與儀表診斷分為4個(gè)層次:生產(chǎn)流程的診斷、生產(chǎn)裝備的診斷、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的診斷、現(xiàn)場(chǎng)儀表的診斷。

　　生產(chǎn)流程的診斷原則上不屬于自動(dòng)化儀表范疇，但是診斷信息的交換涉及自動(dòng)化儀表系統(tǒng)。國(guó)外儀表用戶成立了一個(gè)用戶組織——MIMOSA（an Operations /and/ Maintenance Information Open Systems Alliance,運(yùn)行和維護(hù)信息開放系統(tǒng)聯(lián)盟）。該組織的使命是開發(fā)和鼓勵(lì)企業(yè)在O&M（Operations /and/ Maintenance,運(yùn)行和維護(hù)）中和CALM（Collaborative Asset Lifecycle Management，資產(chǎn)生命周期管理協(xié)作）中采用開放信息標(biāo)準(zhǔn)。它提供一系列相關(guān)信息標(biāo)準(zhǔn)。CCOM（Common Conceptual Object Model，通用總體對(duì)象模型）是所有MIMOSA標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ),而CRIS（Common Relational Information Schema,通用相關(guān)信息模式）則提供了儲(chǔ)存企業(yè)運(yùn)行管理信息的手段。它還提供元數(shù)據(jù)參考庫(kù)和采用XML和SQL的系列信息交換標(biāo)準(zhǔn)。該組織還與OPC合作，成立了Open P&M（Open Operations /and/ Maintenance，開放運(yùn)行于維護(hù)）組織。他們制定的基礎(chǔ)信息標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)多種行業(yè)，MIMOSA提供資產(chǎn)管理相關(guān)信息標(biāo)準(zhǔn)，OPC提供數(shù)據(jù)獲得喝傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

　　針對(duì)生產(chǎn)裝備的監(jiān)控、診斷儀表系統(tǒng)是近兩年推向市場(chǎng)的新產(chǎn)品。主要用于對(duì)某些典型生產(chǎn)裝備（如旋轉(zhuǎn)機(jī)械、流體管線）的監(jiān)控和診斷。這些系統(tǒng)使用的檢測(cè)手段包括振動(dòng)測(cè)量、激光測(cè)量、紅外熱像、超聲掃描以及普通的溫度壓力測(cè)量，將監(jiān)測(cè)的信息通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、頻譜分析、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等專家系統(tǒng)的分析，得出對(duì)設(shè)備的診斷。典型產(chǎn)品有Emerson公司的CSI機(jī)械設(shè)備狀態(tài)管理系統(tǒng)。

　　自動(dòng)化控制系統(tǒng)的診斷通常是控制系統(tǒng)中設(shè)備管理軟件的一個(gè)模塊或一種功能，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)自身以及現(xiàn)場(chǎng)以表達(dá)的實(shí)時(shí)診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)?，F(xiàn)在各家自動(dòng)化儀表跨國(guó)公司幾乎都有自己的產(chǎn)品，例如Emerson公司的AMS（資產(chǎn)管理系統(tǒng)），Siemens公司的PDM（過(guò)程設(shè)備管理），在此不一一列舉。自動(dòng)化控制系統(tǒng)診斷產(chǎn)品看的發(fā)展很快，功能和性能不斷增強(qiáng)；現(xiàn)在生產(chǎn)裝備的監(jiān)控與自動(dòng)化控制系統(tǒng)自身的診斷往往是在同一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)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(jìn)互操作技術(shù)的統(tǒng)一。

　　現(xiàn)場(chǎng)儀表的診斷與上述幾層的維護(hù)、診斷在方法上有很大區(qū)別。首先，上述方法都是通過(guò)傳感器采集信息，通過(guò)各種手段的分析實(shí)現(xiàn)診斷?，F(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)儀表的診斷結(jié)果顯示往往借助控制系統(tǒng)軟件或手持操作器，因此其診斷過(guò)程中常常有現(xiàn)場(chǎng)儀表與另一端的互動(dòng)，以補(bǔ)充自身資源的不足。
現(xiàn)場(chǎng)儀表的診斷難度較大，HART基金會(huì)的《HART 診斷指南（草案）》將維護(hù)分為三級(jí)：要求維護(hù)（已經(jīng)發(fā)生故障）、需要維護(hù)（儀表已超過(guò)維護(hù)周期）、建議維護(hù)（儀表到了維護(hù)周期）。而維護(hù)周期由智能儀表根據(jù)儀表的損耗情況或固定的時(shí)間確定。

　　我國(guó)大型設(shè)備方面的維護(hù)和診斷研究已有多年的歷史，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械等典型裝備方面有不錯(cuò)的成果和成功的應(yīng)用，有兩個(gè)學(xué)會(huì)組織聚集了我國(guó)這方面的力量：中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)故障診斷專業(yè)委員會(huì)和中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)技術(shù)過(guò)程故障診斷與安全性技術(shù)委員會(huì)。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)自身的診斷方面雖然也有一些研究，但應(yīng)用較少，在檢測(cè)儀表和執(zhí)行器的診斷方面更加薄弱，無(wú)論在維護(hù)和診斷理論研究還是開發(fā)實(shí)踐方面都與國(guó)際水平有較大差距。國(guó)產(chǎn)的大部分儀表在故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)方面存在空白。

　　國(guó)外近年在維護(hù)和診斷方面發(fā)表的論文和專利很多，反映該項(xiàng)目?jī)?nèi)容在國(guó)外也正是熱點(diǎn)，我國(guó)企業(yè)現(xiàn)在急起直追為時(shí)不晚。

　?。ㄎ澹o(wú)線通信

　　工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展是近兩年自動(dòng)化儀表領(lǐng)域顯著的亮點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　?。?）技術(shù)方案多樣化。有基于WPAN（無(wú)線個(gè)域網(wǎng)）的多種方案，有基于WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）的方案，也有基于無(wú)線公網(wǎng)（如GPRS、CDMA）的方案。各種方案針對(duì)一定的對(duì)象和應(yīng)用，在某些局部具有優(yōu)勢(shì)。

　　（2）參與者迅速增加。有學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)、自動(dòng)化儀表企業(yè)，還有一些半導(dǎo)體器件制造企業(yè)和具有專項(xiàng)技術(shù)的小型高技術(shù)企業(yè)。

　?。?）成立了專業(yè)組織。有新成立的專項(xiàng)組織，如WINA（The Wireless Industrial Networking Alliance，無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟），也有許多老牌組織新成立無(wú)線通信工作組，如IEEE的多個(gè)工作組，歐盟的R-Fieldbus項(xiàng)目（無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)總線項(xiàng)目）、ISA的SP100工作組、HART的無(wú)線HART工作組以及各現(xiàn)場(chǎng)總線的無(wú)線工作組等。

　?。?）推出多種無(wú)線演示系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x表樣機(jī)，成為今年全球各主要自動(dòng)化儀表展的熱點(diǎn)。如Honeywell公司符合ISA100.11a的One Wireless系列，Emerson公司符合WirelessHART的Smart Wireless。這些產(chǎn)品雖已在一些場(chǎng)合投入應(yīng)用，但從總體來(lái)講，一則數(shù)量有限；二則系統(tǒng)規(guī)模較小，不過(guò)數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)。各種供自動(dòng)化儀表企業(yè)開發(fā)無(wú)線產(chǎn)品各種無(wú)線模塊更是不計(jì)其數(shù)，而提供這些模塊的企業(yè)往往才是無(wú)線技術(shù)的真正持有者。

　　無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)已經(jīng)開始。2007年HART基金發(fā)布WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)時(shí)Honeywell過(guò)程系統(tǒng)公司總裁Jack Bolick發(fā)表了一封公開信，使Honeywell與Emerson在無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)方面的分歧公開化。此后，各種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的方案紛紛正式向標(biāo)準(zhǔn)化組織提出。除了前兩種針對(duì)過(guò)程控制目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)外，還有類似ZigBee Pro 這種并不主要針對(duì)過(guò)程控制，但一直想向過(guò)程控制領(lǐng)域滲透的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)自2003年公布以來(lái)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(gè)特征集——ZigBee Pro。業(yè)內(nèi)人士出于對(duì)前10多年現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)的厭倦，大公司們挑起了爭(zhēng)端但沒(méi)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(jī)會(huì)。人們都希望能避免再次出現(xiàn)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)。3種技術(shù)合作的技術(shù)基礎(chǔ)原本是存在的，因?yàn)镮SA100.11a、WirelessHART和ZigBee的底層協(xié)議都是IEEE802.15.4，而且提供芯片和通信協(xié)議棧的企業(yè)往往同時(shí)提供這三種技術(shù)的部件，因此三種技術(shù)相互滲透不可避免。但是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是不以人們意志轉(zhuǎn)移的，我們可能不得不面對(duì)又一場(chǎng)曠目持久的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)。

　　我國(guó)進(jìn)入工業(yè)無(wú)線通信領(lǐng)域并不晚。HART基金會(huì)是2004年11月才成立無(wú)線工作組的，而我國(guó)許多單位在這之前就開始研究了。在“十一五：器件，國(guó)家科技部的“863”項(xiàng)目給予工業(yè)無(wú)線通信項(xiàng)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(duì)該領(lǐng)域多方面的支持。

　　我國(guó)以ZigBee為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的單位很多，因此比較容易采購(gòu)到元器件獲得技術(shù)支持。有若干單位加入了ISA100工作組，從事相關(guān)的研究；其中重重慶郵電大學(xué)向工作組遞交了多項(xiàng)建議。有27條ISA100.11a委員會(huì)完全接受并采納。我國(guó)真正獨(dú)立從事WirelessHART開發(fā)的單位比較少，因?yàn)閃irelessHART自己也還在繼續(xù)開發(fā)中，現(xiàn)在對(duì)外提供的技術(shù)支持相當(dāng)少。

　　從2008年Miconex展覽看，我國(guó)目前研究的規(guī)模和水平也不輸國(guó)外的平均水平，展出了多種演示系統(tǒng)和產(chǎn)品。我國(guó)在工業(yè)無(wú)線通信領(lǐng)域研究最顯著的成績(jī)是，以中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為首的研究團(tuán)體研究開發(fā)的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA成為了IEC可公開提供的技術(shù)規(guī)范（IEC/PAS62601：2008工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)已現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范-WIA-PA通信網(wǎng)絡(luò)和通信行規(guī)），與WirelessHART同時(shí)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　?。┛刂凭W(wǎng)絡(luò)

　　以現(xiàn)場(chǎng)為代表的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)逐步得到推廣，自上海賽科項(xiàng)目大規(guī)模采用現(xiàn)場(chǎng)總線以來(lái)，各種工程項(xiàng)目采用現(xiàn)場(chǎng)總線的心理障礙已經(jīng)基本消除。人們已經(jīng)越來(lái)越少問(wèn)“是否能用”，而越來(lái)越多問(wèn)“如何好用”。由于近年我國(guó)上的大型工程項(xiàng)目多，我國(guó)無(wú)論在采用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的項(xiàng)目規(guī)模還是在采用的數(shù)量方面都處于國(guó)際領(lǐng)先位置。不過(guò)一些項(xiàng)目雖然采用了先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表，但應(yīng)用的水平卻不高，主要是未充分應(yīng)用智能儀表可以提供的信息和信息服務(wù)。

在控制網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)方面，我國(guó)基本上全面跟蹤著國(guó)際動(dòng)向。在IEC涉及工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的幾乎每個(gè)工作組里都有中國(guó)專家，而且針對(duì)大部分國(guó)際熱點(diǎn)議題我國(guó)都提出了自己的標(biāo)準(zhǔn)建議。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20171-2006用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范獲得2008年中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。EPA系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)入IEC的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。EPA系列產(chǎn)品在多個(gè)示范點(diǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行。

　　我國(guó)在控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域與國(guó)外的主要差距在于產(chǎn)品，無(wú)論是在現(xiàn)場(chǎng)總線智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表方面，還是在系統(tǒng)產(chǎn)品和軟件方面都有差距。

　　國(guó)際方面在控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展上也進(jìn)入了水平不高的平穩(wěn)期，為達(dá)到人們預(yù)期的高度。這里有兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題和一個(gè)非技術(shù)的問(wèn)題。