過程控制中的“道法術器”_風聞

（作者：牛紹華）

過程控制是一個很特別的工程領域。一方面，過程控制源於自動控制，也就是現在所説的運動控制，過程控制和運動控制同宗同源，相輔相成。另一方面，由於面對的控制對象天差地別，運動控制中的大部分理論對過程控制來説都是南轅北轍。運動控制是複雜的理論、精緻的技術、應用到定常的對象，而過程控制的特點是簡單的理論、可靠的技術、面對複雜多變的對象。由於這些原因，過程控制普遍面臨學用脱節的窘況，就好像屠龍與馴馬：學校教學設定的控制對象是飛龍（倒立擺，蓄水池），但學生將面對是野馬（反應器、精熘塔）；學校教授的是屠龍術（狀態方程，最優控制），工業需要的是馴馬技（傳遞函數，PID/MPC）；學校提供的是縛龍繩（Matlab，SimuLink)，工業需要的是套馬杆(DCS，Excel)。學生從學校畢業，屠龍術在身，志滿意得。然而進入工業界才發現，理論與實踐嚴重脱節，學不能致用，“三年技成而無所用其巧”，一片茫然。只能緊急調整心態，放下身段，惡補馴馬技，苦練套馬杆。大多數人都是通過不斷的嘗試和失敗，在吃一塹長一智的過程中跌跌撞撞走過來的。

回首過去，都希望當初能少走些彎路，多一些坦途。其實應對之道不外乎兩條：業界要有更多前輩樂於指點迷津，領徒弟入門兒；學校能勇於改革，使科研和教學內容更實用、更接地氣兒。當然，知易行難。控制理論已經可以送航天器進太空，迎機器人入廚房。但在過程控制領域，PID百歲之軀修修補補仍然是絕大多數控制方案的首選，任重道遠；MPC已過不惑之年依然獨挑先進控制的重擔，後繼乏力。理論和實踐的一大區別就是前者只談什麼是正確的，後者更需知道什麼是錯誤的。學校教授的大多是成功的理論，極少傳授失敗的經驗。要在Matlab裏仿真一個PID迴路是非常地簡單，但在DCS上實現一個能夠24/7/365連續工作的PID控制器則是難乎其難，因為它要對各種想得到和想不到的應用場景和故障原因，要做到萬無一失是不可完成的任務。

過程控制的一大特點就是它的跨學科性質。從知識層面講，過程控制和工藝、設備、儀器儀表、控制系統有高度的重疊和依賴；從經驗和技能要求上看，過程控制又和工藝設計、操作運營、檢修維護緊密相關。這就要求過程控制所需知識和技能非常地廣泛和繁雜。由此帶來的一個獨特優勢是大局觀：過程控制人員在設計階段要明白工藝，實施階段要熟悉系統，運營階段要了解操作，所以在生產中，過程控制可能是唯一對於全局到細節都有足夠了解的部門，懂大局、識大體，“萬金油”的外號實至名歸。但跨學科也帶來一個不小的煩惱：知識爆炸，學不敷用。雖説藝多不壓身，但人的精力畢竟有限，術業有專攻，深度和廣度很難兼顧。“吾生也有涯，而知也無涯。以有涯隨無涯，殆矣。”沒有人可以在所有相關領域都樣樣精通，所以面對的最大困難就是“定位”和“取捨”。解決方法則是自我提高和團隊合作：有些知識要知其然更要知其所以然，有些則只需知其然而無需知其所以然。看家本領上“食不厭精，膾不厭細”，邊緣知識上則可“求神拜佛”，充分依賴相關專家。過程控制工程師永遠不應該也不可能做到單打獨鬥：工藝工程師是最好的老師，儀表和系統工程師是最好的幫手，操作工是最好的朋友。當然，懂行的部門領導是最好的後盾。這才是過程控制完整的團隊！

過程控制是一門個性鮮明的專業，其知識結構和應用範疇雖然廣泛而複雜，但有鮮明的層次。不妨從老子《道德經》中“道”、“法”、“術”、“器”的角度，對其知識層次和應用範圍作個詮釋。“道”，是萬事萬物的自然規律和發展方向，即天道。“法”，則是循道而行、為達目標所遵循的方法和技能，即人法。“術”，是為使人法得到實施所採取的技術層面的技巧和手段。“器”，是為使術取得更完美、更有效的結果所必需的工具。過程控制的知識層次和應用範圍可與“道”、“法”、“術”和“器”四個層次一一對應。

“器” （Devices, Instruments, Control Systems)。 傳感器，變送器，控制閥，PID控制器，毫無疑問地屬於“器”的層次。DCS、PLC、SIS等控制系統或平台，也屬於“器”的範疇。而PID或MPC固化為控制模塊後也應歸於“器”類。“工欲善其事，必先利其器”，“器”的特點是知之為知之、不知為不知，易學易用，孰能生巧。過程控制人員應該熟悉必需之“器”的功用，做到得心應手。但另一方面，這些“器”具各自都是專門學問，體系龐大，日新月異。因此一定要知取捨，“有所為，而有所不為。有所不為，而後有為。”一個熟練運用電腦進行工程設計的人未必需要會拼裝或修理電腦；一個優秀的先進控制工程師並不需要稱職去搭建MPC與DCS的通訊系統。控制利“器”雖然不可或缺，但對過程控制來説都是工具，知其然而不知其所以然足矣。雖説磨刀不誤砍柴工，但要牢記磨刀的目的是砍柴。切忌一柄砍刀在手，所有樹木都成柴火；一把錘子在握，眼裏看到的全是釘子。器不在先進，在於好用和夠用。

“術” (Methods, Tricks, Procedures)。 一些常見的控制算法和手段，比如迴路整定，數據處理，信號補償，則屬於“術”的層次。跨學科的知識積累，比如數據分析，“三傳一反”，壓縮機的動態特性，對過程控制工程師來講也是“術”的範疇。術的特點是可教可學，有理論有實踐，是學校教學的重點。熟練掌握常見和常用的“術”，藉助最得手的“器”，來維持控制方案的正常運行，是對過程控制工程師的基本要求。需要注意的是，“學海無涯，書囊無底”，這些基礎知識和技能要有取有舍，適可而止。一個控制工程師不需要像一個數據科學家那樣對各種數據分析算法瞭如指掌，也不需要像一個工藝工程師那樣對精熘塔的塔板塔帽特性如數家珍。必要的知識，既要知其然也要知其所以然，熟悉常見的應用場景，融會貫通。邊緣學科的知識，或臨時抱佛腳惡補，或虛心向相關專家求教，走實用主義路線。很多過程控制人員花費大量時間在PID迴路整定，或DCS組態微調，甚至傳感器控制閥調校等“術”和“器”上，樂此不疲。但很多時候是捨本逐末，忘記了過程控制的真正使命是利用“術”和“器”完成更高層次的任務。一個錯誤的控制方案中的PID是難於用修改整定值來改善控制性能的；一個工藝上物料不平衡的過程是不能靠增加幾個控制器就能達到整體穩定的。事實上，現場絕大多數的控制問題不是PID整定造成的，很多時候過程控制工程師的建議就是改進工藝。沒有大局在胸，僅僅關注局部，難以做到整體最優。反過來，局部最優是難以補救整體方案的缺陷的，覆巢之下無完卵。

“法” (Skills, Methodologies)。 過程控制人員真正的特長和貢獻是在“法”的層次，這就是分析問題的方法和解決問題的技能，具體落實在控制方案的分析和設計，控制問題的診斷和解決上。“法”是集思廣益後的方式方法，是行之有效的最佳實踐。要做到法術高強，需要多年知行合一的修真苦煉，和對術和器的靈活應用。修煉過程中不但要有成功的經歷，同樣重要的是接觸足夠多的失敗案例，反中求正，方可不蹈覆轍。過程控制工程師面對的一個重大挑戰是工藝。工業過程千變萬化，很多工藝工程師終其一生，參不透手頭有限的幾個工藝工程。而過程控制工程師，一生可能要面對數不清的陌生工藝流程，更不可能全部精通。大部分人面對一個陌生工藝過程或複雜控制問題，感覺像狗咬刺蝟，無從下口；或像盲人摸象，顧此失彼。事實上還有，過程控制工程師和工藝工程師看工藝過程的角度迥異。對一個工藝過程來説，最重要的動態因果關係分析或過度過程分析適用於所有的過程類型；精熘塔或壓縮機，從分析手段上有高度的一致性。而控制方案的設計或故障診斷，也有共同的法則可循。掌握這些“法”則，可變被動為主動，遊刃有餘。就像同樣一輛汽車，在司機眼裏和在機械師眼裏是大不相同的。在司機眼裏，所有的轎車都有它們的共性，需要學習的只是每輛車有限的一些特異性。一個司機可以駕駛奧拓，也就可以操作法拉利。庖丁解牛三年，眼中已無全牛。一個資深的過程控制工程師，眼中看到的不再是管道塔爐，而是一個個流動着的測量變量，和它們間的因果關係，動態響應。

“道” (Strategies, Philosophies)。修煉到極致的人會得“道”。道是原理，道是規律。實際問題雖然千變萬化，但萬變不離其宗。道法自然，所以能夠處變不驚，以不變應萬變。對得道之人來説，“道”成為一種直覺、一種本能，是從必然王國進入到自由王國。大道至簡，大妙無常，大巧似拙。高明的方案往往意外的簡單，比如有時一個小小的反饋機制可以取代很多深奧複雜的物料和熱量平衡的計算。然而由簡入繁易，由繁入簡難，由繁入簡是在全局在胸融會貫通的前提下的收放自如；完美的方案有時需要跳到盒子之外獲得，比如一個工藝上的簡單改進有時可以大大簡化控制方案。前提是洞察全局，熟悉每個環節的優點和缺陷；有時候慢就是快，快就是慢，比如老老實實用測試和建模來整定PID往往比貌似簡便快捷的曲線試湊法可信可靠而且事半功倍，但需要從業人員有足夠的自信、自律、和淡定。“道可道，非常道”。道是悟出來的，不是教出來的。悟道需要努力、機遇和天份，很難刻意為之，只可水到渠成。工作團隊裏有一位得道高人，團隊水平會很快提升，一人得道、雞犬升天。同時，得道之人也往往樂於分享，獨樂樂不如眾樂樂。

“不忘初心，堅守使命”。過程控制的初心是抓技術促生產；過程控制從業人員的使命就是保證生產過程安全高效。過程控制工程師的資質既有橫向的多學科，又有縱向的多層次，是一個龐大的三維空間，對應的是浩翰的知識和海量的技能。每個過程控制從業人員的知識都是這個空間裏的一個小小的泡泡兒。學校的教育決定了這個泡泡的初始位置、大小、和形狀。從業後這個泡泡往那個維度膨脹則取決於自己的泡泡在這個巨大空間裏的定位。是偏向控制系統，還是靠近工藝設計；是滿足於“術”和“器”，還是進一步參悟“道”和“法”，取決於每個人的努力和造化。一定要明白自己“應該”作什麼，“願意”作什麼，和“能夠”作什麼。有了明確的自我定位才能設計自己的知識結構，才可明確知識的取捨。把握輕重與緩急，善於學習和取捨，方可達到事半功倍的效果。

（縮減版於2022-04-08發表在控制網）

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小牛和我當年同學一場，後來他和我一樣，在過程控制第一線幹了30年。現在小牛也成老牛了。這些經驗之談很老到，禁不住徵得同意，拿來分享一下。