“道”是萬事萬物的自然規(guī)律和發(fā)展方向，即“天道”；“法”是循道而行、為達(dá)目標(biāo)所遵循的方法和技能，即“人法”；“術(shù)”是為使“人法”得到實(shí)施所采取的技術(shù)技巧和手段；“器”是為使“術(shù)”取得更完美、更有效結(jié)果所必需的工具。《道德經(jīng)》論述的“道”、“法”、“術(shù)”和“器”四個(gè)層次與過程控制的知識層次是可以一一對應(yīng)起來的。
“器”(Devices, Instruments, Control Systems)，如傳感器、變送器、調(diào)節(jié)閥、PID控制器、DCS、PLC、SIS和MPC控制模塊等毫無疑問都屬于“器”的層次范疇。“工欲善其事，必先利其器”，過程控制工程師應(yīng)該熟悉這些必需之器的功用，做到得心應(yīng)手。但這些“器”各自有專門的技術(shù)工種負(fù)責(zé)，因此過程控制工程師對“器”的掌握一定要基于需求，適可而止，“有所為，而有所不為，”一個(gè)優(yōu)秀的過程控制工程師不一定要求能熟練地搭建MPC與DCS通訊系統(tǒng)。
“術(shù)”(Methods, Tricks, Procedures)，常見的控制算法和手段，比如回路整定、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、信號變換、信號補(bǔ)償、“三傳一反”、壓縮機(jī)動態(tài)特性等都屬于“術(shù)”的層次范疇。“術(shù)”的特點(diǎn)是知之為知之，不知為不知，可教可學(xué)。但是這些“術(shù)”的知識必須有選擇性地掌握，懂得取舍，必要的知識既要知其然也要知其所以然，熟悉其應(yīng)用場景，融會貫通。然而，一個(gè)過程控制工程師不需要像數(shù)據(jù)科學(xué)家那樣對各種數(shù)據(jù)分析算法了如指掌，也不需要像一個(gè)工藝工程師那樣熟悉精餾塔的塔板特性，有些知識可以臨時(shí)抱佛腳，或虛心向團(tuán)隊(duì)里的相關(guān)專家求教。
“器”和“術(shù)”都是易學(xué)易用的，熟練掌握常見和常用的“術(shù)”是維持控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的必需，是對過程控制工程師的基本要求。但很多過程控制工程師花費(fèi)大量時(shí)間在“術(shù)”和“器”上，比如PID回路整定或DCS組態(tài)微調(diào)，樂此不疲，忘記了“術(shù)”和“器”是為了更高層次的任務(wù)。一個(gè)有問題的控制回路很難通過整定PID參數(shù)來改善其控制性能；一個(gè)物料不平衡的工藝過程不可能靠增加幾個(gè)控制器來達(dá)到整體穩(wěn)定。通常情況下，局部的改善或改進(jìn)是難以補(bǔ)救整體方案固有的缺陷，也很難修補(bǔ)整體方案缺陷帶來的禍害。
“法”(Skills, Methodologies)，是過程控制工程師應(yīng)具備的特質(zhì)，也就是具有上分析問題的能力和解決問題的技能，具體來說就是控制方案的分析和設(shè)計(jì)，以及控制問故障的診斷和排除。“法”是行之有效的最佳實(shí)踐，要達(dá)到“法”的高度，必須對“術(shù)”和“器”能靈活應(yīng)用。需要多年知行合一的修真苦煉，不但要學(xué)習(xí)成功的經(jīng)驗(yàn)，也要接觸足夠多的失敗案例，反中求正，不蹈覆轍。理論和實(shí)踐存在很大區(qū)別，前者只談什么是正確的，后者更需要知道什么是錯(cuò)誤的。比如在Matlab里仿真一個(gè)PID回路是簡單的，但在DCS上實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠24/7連續(xù)工作的PID控制回路就相對難了，因?yàn)樗獞?yīng)對各種想得到和想不到的應(yīng)用需求和故障場景，很難做到萬無一失。
工藝流程是對過程控制工程師的最大挑戰(zhàn)，其一生可能要面對數(shù)不清的陌生工藝流程，不可能全部精通，面對一個(gè)陌生工藝流程往往會感到無從入手。實(shí)際上，工藝流程的動態(tài)因果關(guān)系分析或過渡過程分析對所有的過程類型都是適用的，比如精餾塔與壓縮機(jī)的工藝分析，其手段和方法是高度一致的，控制方案的設(shè)計(jì)或故障問題的診斷與排除同樣也有共同的法則可循。掌握這些方法和法則，方可變被動為主動，以不變應(yīng)萬變。一個(gè)資深的過程控制工程師，眼中看到的不僅僅是流程上的管、線、爐、塔，更重要的是深知一個(gè)個(gè)流動的測量變量以及它們之間的因果關(guān)系和動態(tài)響應(yīng)。
“道”(Strategies, Philosophies)，修煉到極致的人方可得“道”。“道”是一種直覺、一種本能，是從必然王國進(jìn)入到自由王國。雖然實(shí)際問題千變?nèi)f化，但萬變不離其宗，宗即是“道”，悟道之人，觸類旁通，舉重若輕。悟道需要努力、機(jī)遇和天分，需要持之以恒的身體力行。工作團(tuán)隊(duì)里有一位得“道”高人，團(tuán)隊(duì)水平會很快提升。當(dāng)然，得“道”之人應(yīng)該樂于分享，獨(dú)樂樂不如眾樂樂。
大“道”至簡，高明的控制方案往往是意外的簡單，比如有時(shí)一個(gè)小小的反饋機(jī)制可以取代復(fù)雜的物料和熱量平衡計(jì)算。一個(gè)完美的控制方案有時(shí)需要跳到盒子之外，比如一個(gè)簡單的、合理的工藝改進(jìn)可以大大簡化控制方案。大巧似拙，有時(shí)候慢便是快，比如老老實(shí)實(shí)用測試和建模的方法整定PID參數(shù)，往往比貌似簡便快捷的“曲線試湊法”更可信、更可靠，而且可能事半功倍。這樣的境界通常必須是理論與實(shí)踐融會貫通的前提下收放自如、游刃有余的結(jié)果。
上述這些關(guān)于“道”、“法”、“術(shù)”和“器”的論說，是對過程控制知識層次結(jié)構(gòu)的很好詮注。
作者：牛紹華、蕭德云
牛紹華(Steve S. Niu)，1985年畢業(yè)于清華大學(xué)自動化系，獲學(xué)士學(xué)位，1994年獲加拿大Alberta大學(xué)過程控制博士學(xué)位。畢業(yè)后在加拿大和瑞典從事10年的學(xué)術(shù)研究，后進(jìn)入加拿大和美國石油公司從事25年的過程控制工作。長期的一線現(xiàn)場工作涵蓋了過程控制的幾乎所有方面，從研究、開發(fā)到應(yīng)用，從項(xiàng)目管理、產(chǎn)品管理、項(xiàng)目執(zhí)行到運(yùn)行維護(hù)。25年間設(shè)計(jì)并實(shí)施了數(shù)百種控制解決方案，包括基層控制、先進(jìn)控制、壓縮機(jī)控制、動態(tài)仿真、實(shí)時(shí)優(yōu)化等，涉及的生產(chǎn)過程包含上游油氣生產(chǎn)、煉油、石化、化工和造紙等，區(qū)域跨越歐亞美非各洲，項(xiàng)目規(guī)模從小型控制改進(jìn)課題到數(shù)十億美元的大型工程。
蕭德云，清華大學(xué)自動化系教授、博士生導(dǎo)師，主要從事連續(xù)過程行業(yè)的建模與辨識、故障診斷和安全評估、多傳感器信息融合、過程控制系統(tǒng)、流程工業(yè)CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等方面的教學(xué)和科學(xué)研究。出版的著作包括“過程辨識”和“系統(tǒng)辨識理論及應(yīng)用”等，主要譯著有F.G.Shinskey的“過程控制系統(tǒng)—應(yīng)用、設(shè)計(jì)和整定(第3版和第4版)”。
