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今日自动化的现状与趋势
     从目前来看,近年来自动化技术尚无明显的或获得突破性的进展,当然小的改进还是有的,这表现在:
     1、面对节能的形势,有关节能的仪表不断出现。如较标准孔板压力阻损较小的平衡孔板,有的厂商称之为整流孔板或多孔孔板。据说该项技术来自美国的航天飞机;生产住宅计量供暖的热量计的生产厂家日益增多;无线传感器网络试用的用户也在增加。
     2、在控制系统方面生产 PAC (可编程自动化控制器)的大厂商明显增多;经过 SIS (安全仪表系统)认证的 DCS 进入了功能安全领域。
     3、现场总线在流程行业中的应用,进展不大。例如FF在中国市场除了合资的石化大型企业尚能获得应用外,国内的石化大型企业则一概不用;Prfibus-PA 则正在九台和金陵电厂中试用。EPA 的推广也很缓慢。Profinet 在防爆现场的应用,也回避了供电和防爆问题,利用 Prfibus-PA 通过代理 (Proxy) 与 Profinet 相连接。从总的情况来看无论现场总线或是实时以太网都在向无线传感器网络 (WSN) 发展。
     4、在控制系统的理念方面,从CIMS (Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统)、PCS(Process Control System 过程控制系统)、 MES (Manufacturing Executive  System 制造执行系统)与ERP(Enterprise Resource Planning企业资源规划),集成(Intergration),一揽子解决方案(Total Solution),无缝连接 (Seamless Connection) 到现在,又出现了协作 (Collaboration)、协调 (Coordination) 和共存 (Coexistance) 的概念。但总的来讲并无太大的区别,不过还是分工与集成而已。
     5、在智能化方面,从灵巧式 (smart) 到智能化(intelligent) 到现在又有“智理化”的出现。
今日自动化的任务
     今日自动化的任务是要为绿色经济服务,绿色经济范围很广,我们的服务对象主要应该放在新能源(风电、太阳能与生物能)与节能减排(节能减排不光是CO2,而要包括 SO2 等等的有害物质在内)。
     1、从自动化产品的本身做起
     (1)减少功耗。如采用低耗芯片;研发低阻损节流装置;低功耗分析器(如氧化锆氧化分析器,要将锆管加热并保持在 900℃,耗电量大),高效电动机,高效变压器,高效蓄电池等等。
     (2)采用环保节能材料。
     (3)延长仪表生命周期。
     2、为新工艺流程、新工艺设备保驾护航,使之能安全、高效地运转。这样产生的效益要比上一项大得多。因此这是我们自动化工作者的重要任务。
今日自动化的热点
     今日自动化的热点是物联网和智能电网。
     1、物联网
     (1)什么叫做物联网
     顾名思义物联网 (Internet of things) 就是以物与物互联信息为主导的网络;而互联网 (Internet) 则是以人与人互联信息为主导的网络。互联网已经为我们所熟悉;而物联网则尚在发展之中。
     (2)物联网的组成
     物联网由感知层、网络层和应用层三部分组成。其中感知层是其基础,网络层是核心,而应用层则是其目的。
     (3)在感知层中,条码识读器、RFID 射频识别读写器、摄像头都已获得应用,而无线传感器网络则尚在研发之中,少数产品正在数据采集方面获得试用。
     (4)无线传感器网络
     随着市场需求的发展,技术的进步,无线传感器网络 ( Wireless Sensor Network,简称 WSN ) 技术应运而生,这成为当前所有应用领域内的新热点。而在工业方面的应用,工业无线传感器网络也正成为当前自动化领域的热点。
     A、由来。凡是新生事物的产生,首先是市场需求,其次是技术上的可行,当二者具备时,新生事物就会油然而生。
     a.市场需求。随着国防工业、农业、商业、食品、医疗和卫生等行业的发展,以及人们对环境保护和社会安全的日益重视,而且人们的生活质量不断提高,就需要一种技术的产品在一定范围内方便地进行实时感知、监测和采集多种信息并加以处理,从而采取适当措施加以控制。因此,WSN 就提上了日程。
     b.技术可行性。WSN 是一种跨学科的技术,随着现代传感器技术、微机电系统 (MEMS)、微电子技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和人工智能技术发展到一定程度,为实现 WSN 奠定了技术基础。
     B、国内外政府及有关部门的大力支持促进了 WSN 的快速发展。美国军方早在 1978 年就开始部署,美国能源部还在 2002 年将之作为到 2020 年把工业整体能耗降低5% 的手段。而美国总统科技顾问委员会在“面向 21 世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出,工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高 10%,并使排放污染降低 25%。
     我国政府在国家“十一五”规划和《国家中长期科技发展纲要》中将“传感器网络及信息处理”列入其中,国家 863、973 计划中也将 WSN 列为支持项目。此外国家自然科学基金、各省市的大型企业等也都有资助,为 WSN 的快速发展创造了条件。
     C、媒体的高度评价。WSN 出现以后,1999 年美国商业周刊将 WSN 列为 21 世纪最具影响的 21 项技术之一;2003 年 MIT (美国麻省理工学院)技术评论在预测未来技术发展的报告中,就将其列为改变世界十大新技术之一;2003 年美国商业周刊又在其未来技术专版中发表文章指出 WSN 是全球未来四大技术产业之一,将掀起新的产业浪潮。
     D、有关 WSN 标准或协议的制订和出台。产品和技术的发展与标准的适应至关重要。在 IEEE802.15 标准中,家用和办公领域内已有蓝牙 (blue tooth)、Zigbee;而在工业领域内则有 HART7.1,ISA (美国仪表学会) 100 和中国的 WIA-PA。
     其中,  HART 基金会的  HART7.1 (无线  HART)  还于 2008 年 9 月 19 日正式获得 IEC 的认可,成为公共可用的规范(Public Available Specification,简称PAS)IEC/PAS 62591 Ed.1。
     WIA-PA(Wireless lndustrial Automation-Process Automation) 是由我国中国科学院沈阳自动化研究所牵头制定的中国 WSN 标准,已于 2008 年 10 月 31 日获得了 IEC 的认可成为 PAS 62601 文件。
     而ISA (美国仪表学会)的 ISA100 标准要向 IEC 申请成为 PAS 文件时,由于内部矛盾,投票表决时,仅以一票之差未能通过。相信其文本经过修改后,成为 PAS 文件是没有什么问题的。
     E、WSN 的特点。清华大学王雪教授在其所著的WSN 技术一书中指出,可用 12 个字概括,即“低耗自组、异构互连、泛在协调”。
     a.低耗自组。低耗自组是 WSN 最重要的特点。因为耗电多就不能用电池供电,若不用电池供电,由电源供电就无法实现无线。自组则是在 WSN 的网状(mesh)网络中具有自组织性 (ad hoc),也就是说,网络中各个节点通过分布式算法来协调彼此的行为,无需人工干预和任何其他装置的网络设施,可以在任何时间、任何地方快速展开并自动组网。当一个节点退出或加入,或者一个节点和某一节点通信路径被阻断时,WSN 都能重新自动进行组织恢复工作。因此,WSN有自组(织)、自优(化)、自痊(愈)的特点。
     b.异构互连。异构互联包括两部分:即节点级和网络级的互连。前者指在同一网络内允许不同结构的节点,如传感器、变送器、路由器等的互连;而后者指异构网络的互连,如不同协议的无线网络或现有的有线网络的互连。节点级的异构互连的关键是设计适用于 WSN 的开放体系结构,核心是通信协议的设计和研究,包括了无线信号的调制解调、MAC 协议和路由算法等。实现网络间异构互连的关键是网关的设计和配置。总之,异构互连大大地解决了网络的可扩性问题。
     c.泛在协调。在自然界内,要感知的东西可以说无所不在,即使在工业领域内,一个大型机组或项目需要测量或控制的参数也动辄成千上万,泛在就是指这种应用状况。但是每个节点的能量、传感、存储和计算能力相当有限,而对大量节点之间所测得的数据和信息进行协同处理和控制的有效利用,对增加企业产品的竞争力和产生的效益是十分重要的。因此,这也是 WSN 的关键技术的特点之一。
     F、目前产品的状况。目前已有 Emerson 与Honeywell 两家国外大公司推出的 WSN 产品,前者符合无线 HART 7.1 版本的标准;而后者采用了 ISA 100 标准。但大多数只限于温度、压力、流量及物位耗电量小的变送器。国内川仪和重庆邮电大学合作也已生产出无线系列变送器及执行器的样机,而WLA-PA 在鞍钢冷轧机测量轴承温度也已使用成功(测点已达 400 点)。国外两家公司的产品在国外也已有了多个应用案例。
     G、目前应用的范围与水平。由于 WSN 目前尚处于研发与不断完善的阶段,功能有限,例如无线HART 目前的水平是:无线通信距离在 200 m 以内,电池寿命为 5~10 年,可靠性为 99%。而 Honeywell 的产品则在一个 mesh 主干网可以有 22 个多功能节点(相当于网点),每个多功能节点可以连接 100 台现场设备,无线仪表的刷新速度为 1、5、10 和 30 s 四种(未来可达到 0.25 s),电池寿命在 1 s 刷新时为 4~5年,5 s 刷新时为 10 年。
     综上所述,WSN 目前的应用范围只能局限在数据的监控和采集方面 (SCADA),尚不能用在控制和安全的场合。
     H、WSN 攻关的难点。目前 WSN 的难点在于一方面用了无线,就不能要求用电缆供电,而必须用电池。而电池又不能经常去更换,这就要求低耗;而另一方面,通信的要求则是需要具有三性,即实时性、可靠性和安全性。要做到这一点又必须增加开销,这就又要多耗电,这两者是矛盾的,因此只能在目前的条件下,找出其平衡点,达到整体的优化。
     当前国内外的一些研发部门莫不殚精竭虑,各显其能,在软、硬件方面大做文章,现在已有了阶段性成果。如在低耗方面,已做出了一些低耗芯片。高性能电池或在节点不工作的时间内进行休眠或半休眠等等节能措施;或者利用光能、机械能(振动)等能量将之转化为电能。
     在保证信息的三性方面,也在制订各种协议以达到三性的目的。
     I、 WSN 的前途。由于用户的需要、技术的发展,WSN 的前景是光明的。据有关专家统计,要攻克上述难点大概还需要 5~10 年的时间。
     根据现场总线的经验,只要没有多标准,制造厂商和研发部门也不要刻意去炒作;用户也不要为新技术而新技术,为无线而无线,要坚持从实际出发,讲究以最少的投资实现最大的生产效益,这样 WSN 才能获得健康而较快的发展。
     J、物联网市场的预计
     根据我国“物联网产业发展研究”(2010)报告,未来 10 年物联网将经历应用创新、技术创新和服务创新 3 个阶段,形成公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用三大市场。其产业的总体规模,预计到2015 年将超过 1 万亿元,2020 年将超过 5 万亿元。可见其发展规模的潜力是多么巨大。
     2、智能电网
     (1)由来
     由于新能源的发展,风电,太阳能的发展非常迅速,例如我国的风电装机容量从 2008 年的 1210 万kW 跃至 2009 年的 2510 万 kW,但是风电与太阳能发电都受气候的影响,而且二者所发出来的电能很难存储,需要靠电网吸纳的有效地调度。于是智能电网就提到日程上来了。
     (2) 实施的方法
     2009 年 5 月,国家电网公司发布了以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,以信息化、自动化和互动化为特征的坚强智能电网概念,并明确了公司建设坚强智能电网的战略目标和发展路线。智能电网现已成为世界电网发展的共同趋势。世界各国特别是欧美等发达国家,根据各自的国情及电力工业的特点提出了不同的智能电网的定义,其核心理念都是利用现代信息、通信和控制等先进技术,提升智能化水平,适应再生能源接入双向互动等多元化电网服务要求,提供安全、可靠、经济及高效的可持续电力供应。坚强智能电网通过提升发电利用率、输电效率和电能在终端用户的使用率,以及推动水电、核电、风能及太阳能等清洁能源开发利用来实现节能减排的效益。
智能电网初定 2020 年建成,国家电网已采纳或确定 22 项智能电网核心标准,届时我国每年可减少消耗 4.7 亿 t 标准煤,减排 CO213.8 亿 t 。
今日自动化的要点
     当前自动化需要注意的问题有二:
     1、要重视用户在应用科技工作中的地位
     在市场经济的条件下,如果不重视用户的需求,则任何工作就成为无本之木,无源之水。
     (1)科研的立项有的不重视市场,尤其是国内市场的调查和用户的需求,有的出于长官意志;有的则是国外有什么,我们就要什么,不研究中国国情,其成果的推广存在着艰险。如 EPA,WIA-PA。再看FF在中国的大用户推广不了即为一例。
     (2)国外对用户十分重视。如无线传感器网络 ISA l00 的标准研发部门,曾花了 2 年的时间与大用户共同进行市场调查。而我们呢?专题组有没有用户参加呢?
     (3)国外对用户非常尊重。如日本在征求用户的意见时,会议设共同主席(用户与制造厂各一名),会议座席将用户放在前排,用户发言时,制造商并不插言,也不辩解,认真记录,会后研究再行答复。他们的体会是:对用户要有耐心,这样的会开过二三次后,用户就提出有价值的意见出来了,而我们呢?对用户的态度呢?以本人的感觉而言,有些时候有些人甚至瞧不起用户。在国外,用户就是上帝;而我们应该是伙伴关系。
     (4)“产学研”应该是“产学研用”。——便于导向。
     2、自动化要为工艺生产服务,当好配角。否则皮之不存,毛将安焉附
     (1)要充分意识到要使工业生产尽量发挥资源的充分利用,保护环境,安全生产,以最少的投入创造最大的效益,主要是依靠工艺生产流程的变革和方法的创新。自动化只能起到保驾护航的作用,只有在个别场合才会起到“画龙点睛”的作用。
     实例如下:
     A、炼钢工艺。20 世纪 60 年代,炼钢工艺从平炉改为氧气顶吹转炉。不但缩小了厂房面积,减少了冶炼时间,不需煤气加热反而获得了二次能源——转炉煤气。自动化项目中的副枪测温定碳,炉顶压力控制与炉气回收控制都起到了重要作用。
     B、钢水浇铸。20 世纪 50 年代,工艺从模铸改为连铸,不但省去了铸模场、均热炉和初轧机,直接将钢水通过连铸机铸成板坯。显著地减少了投资,节约能源。其中,结晶器的钢水液位检测和控制起到了关键作用,否则就不能安全和顺利生产。
     C、切忌将自动化形成为“自我为中心”,凌驾于工艺之上。
     当信息工业、自动化技术得到快速发展的时候,自动化工作者往往会自觉或不自觉地以自我为中心,甚至凌驾于工艺之上,这是非常有害的。
     历史上,20 世纪 60 年代的计算机热,以失败而告终。20 世纪 80 年代的 DCS 热,使绝大多数高价引进的 DCS,处于低水平运行,浪费了大量外汇。这是由于工艺发展的速度远低于信息工业和自动化的发展速度所致。
今日自动化的难点
     今日自动化的难点在于创新,当然创新是个永恒的话题,也永远是个不容易做的事情,但对我们当前来说显得特别重要,因为创新目前已经是我们的国策,特别是处于国际金融风暴的后期,要推动我国经济的不断快速发展,自主创新实在刻不容缓。
     1、创新的方法很多
     (1)在美国有顿悟法。
     (2)在前苏联有 TRIZ (萃智)法。
     (3)在日本有二次开发法。
     (4)在中国就有群众智慧法。早些时候就有“三个臭皮匠,顶个诸葛亮”之说,后来就有群众智慧法。遇事开个小组会以集思广益。
     (5)当前,国家就提出“引进、消化、吸收、创新”的方法,而且要以企业为主体。
     2、引进、消化、吸收、创新符合我国的国情,且已初见成效。
     以 DCS 为例,20 世纪 80 年代,我国引进了不少 DCS,当时外商不但要价很高,而且姿态奇傲;但进入 21 世纪以后,中控、和利时、上仪集团和上海新华等公司相继研发出自己的 DCS 。目前在国内已占有半壁江山的市场。他们走的就是“引进、消化、吸收、创新”这条道路。
     3、需要进行总结提高
     引进、消化、吸收、创新的成果来之不易,相信各家公司各有其经验与诀窍,因此如何总结各家经验,从理论上加以提升,从方法上进行提炼,使之像TRIZ 那样的有可操作性,这样就便于推广,有利于像核电、风电等技术的自主创新。
     这样做难度是有的,但是“鸭子上架”,势在必行。
今日自动化的发展方向
     今日自动化的发展方向是智理化 (wisdom) 。从智能化的发展来看有三个阶段:灵巧化 (smart) 、智能化 (Intelligent) 及智理化 (wisdom) 。
     1、灵巧化是智能化初级阶段,只能做一些逻辑推断或简单的运算。例如,像传感嚣、变送器,实现压力、温度和流量的开关或流量的温度、压力补偿的运算功能等。
     2、智能化是继灵巧化的继续发展和提升,实现了人工智能,如模糊控制、专家系统及神经元网络等。
     3、智理化则是智能化发展的高级阶段,是要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变,这就要求智能系统最终必须能够像人一样具备做出符合人文伦理和生态环境伦理的行为。因此,智理化是既智能又具有符合伦理标准的功能。
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