圖說工業自動化儀表與控制的變遷

回顧新中國60年的工業發展進程中，工業自動化儀表和技術起著重要作用，本文試圖以圖片為主的形式來簡述我國儀表自動化技術和應用的發展歷程。通過《流程工業》平臺，拋磚引玉，請自動化儀表前輩執筆，把自己豐富的經歷記錄下來，給后人留下寶貴的經驗和資料，供同仁分享，見證歷史，開創未來。

縱觀工業自動化儀表發展的60年，可以用圖1、2和3來展示。

中國古代論語“溫故而知新，可以為師矣。從圖1、2、3可以看出我國工業自動化儀表都由機械式儀表開始，經模擬式向數字式發展。歷史充分說明，只有不斷吸收當代新技術來完善自身功能，才能與時俱進、延長產品的生命周期，生存發展。

20世紀40年代以來，從儀表的測量（傳感變送）、控制（運算)、顯示（記錄)和執行四大功能的演變來看：最初，在自力式調節器中4種功能高度集中；40年代后期，出現了基地式調節儀表，把執行功能分離出去，而氣動、電動單元組合儀表則把另外3種功能也徹底分散為各個單元；80年代后期，由于計算機技術的引入，又把控制（運算）和顯示（記錄)功能分別集中于控制站和操作站；如今，由于現場總線和無線技術的推廣應用，各功能重新組合集成于變送器或執行機構中，似乎又回到了基地式調節儀表的結構。真可謂“分久必合，合久必分”，從技術角度而言，這是周而復始地呈螺旋式上升。

工業自動化儀表發展軌跡同樣符后技術系統的S曲線進化法則。典型的S曲線是描述一個技術系統的完整生命周期。工業自動化儀表發展的S曲線如圖4所示。

當一個技術系統的進化完成4個階段后，必然會出現一個新的技術系統或產品來替代它，或用新技術來完善延長其生命周期，如此不斷的向前發展。

溫度測量技術的進展

溫度測量技術從50~60年代起，現場操作要求在設備上能看到溫度測量值，主要使用工業水銀溫度計，由于儀表無水銀化測量的要求已逐步被工業雙金屬溫度計等所取代，其次是變色測溫片和溫包式溫度計等 。如今最普及應用的測溫元件是熱電阻和熱電偶。70年代以來，伴隨工業自動化儀表技術發展，氣動、電動、一體化和無線溫度變送器等系列產品均先后進入市場，廣泛使甪。

當被測量的溫度高于熱電偶所能使用的范圍，以及熱電偶不可能安裝或不適宜安裝的場所，70年代用光學高溫計一般可以滿足這個要求。 它廣泛地用來測量冶煉、澆鑄、軋鋼、熱處理等溫度，是冶金、化工和機械等工業生產過程中不可缺少的溫度測量儀表之一。80年代起采用數字式紅外線點溫度計。它是將物體發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的點溫度。21世紀紅外測溫技術已發展到可對有熱變化表面進行掃描測溫，確定其溫度分布圖像，迅速檢測出隱藏的溫差， 這就是紅外熱像儀．紅外熱像儀是一種用來探測目標物體的紅外輻射，紅外熱成像儀，具有上萬個探測器 ，并通過光電轉換、電信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的高科技產品，可以用來測量運動物體的溫度場的變化。

紅外熱像儀是一個發展前景非常廣闊的新興高科技產品，紅外熱像儀廣泛應用于軍民兩個領域。在現代戰爭條件下，紅外熱像儀已在衛星、導彈、飛機等軍事武器上獲得了廣泛的應用；同時，隨著非制冷紅外熱成像技術的發展，尤其是隨著產業化過程中生產成本的大幅度降低，紅外熱像儀已在電力、消防、工業、醫療、安防等國民經濟的各個部門得到了非常廣泛的應用。適合工業設備熱故障查尋的安全檢測設備 ，可以對運動的物體進行測溫 。是目前最佳的無損檢測手段之一，深受業界重視。詳見圖5溫度測量技術的進展。

差壓式流量計的進展

我們不妨再以差壓式流量計產品發展為例再來回顧一下這段歷史，詳見圖6所示。

自1738年瑞士人丹尼爾以伯努利方程為基礎，利用差壓法測量水流量以來，此技術已很成熟。該方法約占各種流量測量方法的70％。在這漫長的發展進程中，節流裝置一直沿用至今。作為差壓式流量計的差壓檢測部件，即差壓變送器，最初采用U型雙管差壓計和仿蘇的機械式浮子水銀差壓計，后為實現無水銀化檢測，被雙波紋差壓計所取代。20世紀50年代的電感膜盒式差壓變送器，是利用壓差使鐵芯在線圈內上下移，形成電感量發生變化，能將差壓信號轉成電信號進行遠傳。60年代出現了氣動、電動式力平衡式差壓變送器。70年代出現了原理上有大的創新的微位移式差壓變送器，上述都以模擬技術為主要特征。80年代，因智能變送器的出現，以數?；旌霞夹g為特征，標志著模擬儀表向數字化智能儀表的轉變，形成一體化(集成)差壓變送器產品。21世紀以來，無線、多變量變送器和太陽能供電變送器均紛紛上市。

差壓變送器傳遞的模擬信號，也由多種電氣信號0~10mv、0~10mA、0~20mA等輸出，發展到采用國際統一標準4~20mA信號，或帶HARA協議輸出，進入數字式后，有多種總線協議共存的現象，在眾多的現場總線協議中，由浙江中控領銜制定的EPA協議已納入國際標準，正在推廣應用，為國人贏得話語權，這是一個良好的開端，目前正在積極推廣應用中，差壓變送器的檢測信號傳輸的演變如圖7所示。

流程工業控制操作的演變

人類在同自然進行長期的艱苦斗爭中，積累了豐富的經驗教訓，有了飛躍的發展。在手工作坊時代，人類用手工操作方法制造機器，后來進入以金屬（主要是鐵）為材料、用機器進行生產加工的機械化時代，這就是第一次技術革命。隨后是第二次技術革命的電氣時代和第三次技術革命的電子時代，現在又在醞釀新的技術革命，用一種時髦的說法就是信息時代，或知識經濟社會等等。綜觀這三次技術革命，不難發現，由于工藝流程的改進和生產規模的擴大，儀器儀表與自動化技術的發展對流程工業的操作演變起著決定性作用。一旦了解這種總體的歷史背景，就能理解，在新中國成立60年來流程工業控制操作方式的演變軌跡中，儀器儀表與自動化技術的發展同樣起到不可替代的作用。60年來控制操作方式的演變如圖8所示。

就地檢測儀表操作

在20世紀50年代，主要是在工藝設備上直接安裝工業溫度計、彈簧管壓力表和玻璃管液位計，進行現場目測參數，人工操作閥門，此方法一直保留至今。例如北京嘉銘園小區的自來水流量切換分流，就利用壓力表和手動切換閥改變流向。

就地儀表盤操作

在20世紀60、70年代里常采用就地儀表盤操作。就是在工藝設備附近，設置就地儀表盤（柜），將檢測或調節儀表直接裝在儀表盤（柜）上。浙江大學化工自動化及儀表專出于1962年建立的實驗裝置采用就地儀表盤方式，增加了參數記錄功能。當工藝裝置檢測點達到幾十個時，通常在設備附近設立現場儀表盤（柜），為操作閥門方便，在工藝配管時有意把需操作的閥門集中安裝在現場儀表盤（柜）附近，或加長閥門的手柄，便于就地集中操作，減輕勞動強度?？梢灾v目前某些設備或機組自帶的專用儀表柜是在此基礎上發展而成的。如能實現就地數字化儀表柜，進行就地監控，獨立正常運行，再利用通訊手段與上級控制室保持聯系，也是一種良策。

就地控制室儀表盤操作

當工藝裝置檢測點達到幾十個時，又有易燃易爆有毒的泄漏氣體時，不能在設備附近設立就地儀表盤（柜）進行操作，儀表盤（柜）與工藝設備環境需要隔離，則可在設備附近開辟單獨房間，有自己單獨的進風排風系統，來滿足有防爆和防毒要求的工藝。例北京化工研究院1962年建成的深冷分離乙烯丙烯中試裝置是配合蘭化沙子爐裂解裝置而研發的，由胡滿江主任率呂武宣、陳書昆、王文均等人進行儀表自動化設計，而我參加了安裝調試工作。當年北京化工研究院魏文德副院長指派我到蘭州西固找蘭州化學公司領導林華，邀請蘭化304廠派儀表師傅前來指導安裝。乙烯丙烯易爆易燃，要求采取防爆措施。就地儀表柜內要保持微正壓，才能防止易爆易燃氣體侵入，為此柜內要節耗大量壓縮空氣，故不宜設置就地儀表柜。就在裝置區附近專設就地控制室。溫度電偶信號用補償導線引入控制室；壓力、差壓信號用14×2引壓管引入。如工藝介質是易燃物質則應采用隔離罐進行隔離，隔離罐內充隔離液，隔離液應不與工藝介質發生化學反應且性能穩定，常用硅油或變壓器油等。所有進控制室的管線均通過防爆隔離板，起防爆隔離作用。這些措施和如今的安全柵、隔離柵等功能相似。液位采用氣動浮筒液位調節儀，具有PI調節作用，輸出到動氣動調節閥進行精餾塔塔釜液位調節。這種就地氣動PI調節在20世紀60年代就廣泛應用。深冷分離就地控制室儀表盤上安裝基地式氣動PID調節器、手動/自動切換器、園圖位置控制記錄儀和12點溫度記錄儀等。另外還設操作臺，裝有報警和運行信號燈及機泵啟停操作開關等。就地控制室儀表盤如圖9所示。

模擬工藝流程儀表盤操作

隨著生產規模不斷擴大，工藝生產過程對儀表自控的要求越來越高，檢測控制點越來越多，基地式儀表和就地控制室操作方式滿足不了比較復雜的工藝過程的要求。當時為觀察工藝測量參數和便于實施現場操作，在儀表盤上增加模擬屏。模擬屏上人工繪制帶檢測點的主要工藝流程圖，并安裝運行和報警信號燈等來顯示操作現狀況，構成半模似流程操作盤。它可以直觀形象地顯示工藝流程和檢測點，通過信號燈動態顯示設備的運行和故障報警狀態。也有在儀表盤上直接繪制主工藝流程，在檢測點上開孔安裝相應的儀表，顯示當前設備的參數，構成全流程模擬操作盤。在20世紀60年代，這些帶工藝流程的模擬屏均需向儀表盤制造廠特殊定制。20世紀90年代以來各高校和儀表盤制造廠先后研發推出了各種模擬屏系統，生產了一系列產品，如微電腦調度模擬屏、智能調度模擬屏、馬賽克模擬工藝流程屏、污水處理屏、DLP大屏幕系統、LED電子顯示屏系統等，廣泛應用于石油化工廠、污水處理、煤礦選煤工藝、大型廠礦能源管理等領域。圖14是污水水處理廠工藝流程模擬屏。

由硬件來組成的工藝流程模擬屏雖不太靈活和豐富生動，但這與目前DCS系統CRT操作站上由軟件組態的工藝操作畫面的操作指導思想是有共同之處。

基地式儀表在20世紀50~60年代以氣動04型調節儀表為主，它具有PID調節功能，采用機械式機構，以壓縮空能為動力，采用統一信號0.2~1kg/cm2。當年的仿蘇04型壓力調節儀表如圖15所示。用氣動差壓調節儀表組成的流量調節系統如圖16所示。用于自動調節溫度的氣動調節電子平衡電橋，利用電阻體作為測溫元件，如圖17所示。

基地式氣動調節儀表采用統一的標準氣源（1.4kg/cm2），用標準的輸入輸出信號（0.2~1.0kg/cm2），把測量、記錄、調節功能組合在一起，調節輸出到氣動調節閥，很容易構成單回路調節系統，適合直接安裝在工藝裝置附近，用于現場型單回路調節系統，可降低制造成本，縮短傳輸距離，提高響應速度，增強穩定性、可靠性。所以講PID調節功能置于現場早在50年代就有了，可惜是機械模擬量的控制，遠不及現埸總線采用數字量的優越。

也可安裝在就地控制室儀表盤上，但距離受限制，容易導致信號傳遞滯后。又因儀表面尺寸大，在儀表盤上安裝數量有限，所以只適合幾十個測控點場合。應用實踐證明只要氣源壓縮空氣符合要求，氣動單回路PID調節就能長期穩定工作，具有可靠性高、本質安全防爆、價格便宜等優點，其缺點是信號難以遠傳，實現的功能也有限制。

隨著工業規模的不斷擴大，特別是石油化工工業的迅速發展，工業生產過程的檢測點增加，要求儀表盤上進行高密度的安裝， 進行集中操作與控制，基地式儀表越來越不適應這一新的形勢要求，且結構也不夠靈活，于是產生不如將其分解為若干基本單元的想法， 例如變送單元、顯示單元、控制單元等，每一個單元都能獨立完成一定功能，各單元間以統一標準的信號相互聯系；使用時可以根據檢測與控制的需要，選擇一定單元，用硬線把各個單元連接起來，就能組成各種單參數或多參數的自動控制系統。
為了適應和滿足時代的需要，研發單元組合儀表就有了社會基礎。

單元組合儀表控制室操作

1.氣動單元組合儀表

氣動單元組合儀表的組成表詳見圖14。

20世紀50年代后期，我國的工業自動化水平還比較落后。第一個五年計劃期間，時為“老大哥”的前蘇聯援助中國156個項目，其中之一為年處理能力100萬噸原油的蘭州煉油廠，該廠配備的自動化工具主要是前蘇聯生產的AYC氣動單元組合儀表、04型氣動溫度調節儀表和氣動執行機構。蘭州一些大型化工廠、化肥廠由于當時電動單元組合儀表的安全防爆問題尚未徹底解決，難以滿足化工、煉油等對防火防爆要求，也大量使用了氣動儀表。

按照當時的機械部儀表局下達的氣動單元組合儀表聯合設計的要求，上海熱工儀表研究所首先與廣東儀表廠合作，試制QDZ型氣動單元組合儀表。廠所合作，歷時數月，1963年完成了QDZ型氣動單元組合儀表部分單元的試制。研究人員分別到西安儀表廠和上海自動化儀表一廠，同廠里的技術人員聯合設計其他品種，并試制投產。1974年開始聯合設計QDZ-III型氣動單元組合儀表，由重慶工業自動化儀表研究所負責，參加單位有廣東儀表廠、天津自動化儀表五廠、沈陽氣動儀表廠、川儀十六廠等。QDZ-III型的基本產品于1977年在山東勝利煉油廠進行現場運行考核試驗。1988年通過部級鑒定，獲科技成果三等獎。

需要說明的是，氣動單元組合儀表從QDZ型直接進入QDZ--III型，中間沒有II型。這是由于氣動儀表發展的特點，要與電動單元組合儀表的型號命名相呼應的原因。

2.電動單元組合儀表

我國電動單元組合儀表按其發展，可分為DDZ I、II、III、S型，發展過程如圖15所示。其系統結構如圖16所示，應用實例如圖17所示。

圖18是電動單元組合儀表組成的控制室，是我國20世紀70、80年代工業自動化儀表主流操作控制方式，在流程工業生產裝置控制中占據首位。后來由于計算機技術、通信技術和CRT顯示技術的發展，逐步被集中操作分散控制DCS系統所取代。

CRT顯示控制室操作和中央控制室DCS和FCS系統控制操作

20世紀80年代初在流程工業裝置改擴建項目時，因擔心DCS系統的可靠性，且價格昂貴，仍保留原儀表盤作為備用。新建項目采用DCS系統時，還另設立輔助操作臺，設置重要工藝參數的記錄和報警燈，安全操作開關等作為輔助措施，以節約DCS冗余系統的投資。圖19左上是1986年開始籌建的中石化岳化橡膠廠丁苯熱塑彈性體SBS聚合裝置的控制室內DCS系統和輔助操作臺，右上則為間歇聚程序控制仿真調試，采用日本富士電機的高速程序控制站HDC，程序編制利用SPAC語言和FM功能塊。如今由于DCS系統成本下降，技術不斷完善，20世紀90年代開始廣泛取代傳統的控制室內的儀表盤，至今己成為工業自動控制主流產品。圖23下左是上海賽克石化裝置中央控制室，下右是福建煉化一體化裝置中央控制室，具有幾千到上萬個I/O檢測點和現場總線儀表，具有世界一流水平。

從20世紀末至今，工業自動化技術得到很大重視與發展，特別是PLC、DCS以至總線技術幾乎成了絕對熱門。全球工業朝著大系統、大生產方向發展，這是大勢所趨。這就要求自動化不只關注生產，而且要關注從原材料到應用的整個過程，這個過程就是系統。新自動化的要求必然是系統集成，對今后的控制操作方式必將產生深遠影響，也是值得大家深思的。

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