自动化仪表产品设计中的工程伦理分析

孟敏　李轶　刘二余　郭志坚

摘  要：自动化仪表不仅仅是工业中的重要设备，在人们的日常工作生活中也无处不在。作为仪表产品的设计工程师，如何把握产品安全、功能、性能同成本、环境之间的平衡，不仅关系到产品的市场和利润，更是关系到设备的安全和用户的利益。本文运用了工程伦理的基本原则，结合自动化仪表产品的设计进行了分析，并提出了适用于自动化仪表工程师设计伦理准则的建议。

关键词：自动化仪表  产品设计  工程伦理  设计准则

中图分类号：TV675                            文獻标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0076-04

Abstract： Automatic instruments are important in industry and ubiquitous in our daily work and life. For a design engineer of instrument products， how to balance product safety， function， performance with cost and environment is not only related to product market and profit， but also related to the safety of equipment and the interest of users. This paper applies the basic principles of engineering ethics to analyzing the design of automatic instrument products. Suggestions for the design ethics of automatic instruments are raised for engineers.

Key Words： Automatic instrument; Product design; Engineering ethics; Design criterion

自动化仪表广泛应用在各种工业领域，譬如温度计、流量计等。人们日常工作和生活中也很常见，譬如家里的水、电、气表等。另外各种出租车、加油机计价器，这些也属于自动化仪表的范畴[1]。国家对于一般性的自动化仪表有着国家标准或者行业标准，尤其是涉及到贸易交接的仪表，标准和检验更加严格。

仪表的发展历史久远，秦始皇统一六国后，推行“一法度衡石丈尺”[2]，通过法律的方式统一度量衡。以后历朝历代，都对各种计量器具有着严格的法规和管理制度。除了计量器具本身和使用者外，对于制造尺、升、秤等器具的工匠，也有非常高的要求，由政府统一管理。“天地之间有杆秤”，从古代的度量衡开始，仪表等计量器具就具备了公平、良心等伦理概念[3]。

发展到现代以后，各种自动化仪表进入了人们的生产生活，各种检测计量过程已经不需要人的参与，有关自动化仪表更多的环节在于设计、制造、安装和检定[4]。在这些环节中，设计是最首当其冲，而且是人为主观性最大的。自动化仪表不同于普通的机械仪表，除了各种机械机构外，还涉及到电子、软件、通讯等相关专业，是一个多学科的融合。自动化仪表设计过程复杂，要求严格，一旦某个环节出现问题，就有可能造成无法挽回的后果。2019年波音737max飞机在埃塞俄比亚坠毁的事故，就是检测角度的传感器和控制软件都出现了设计缺陷，导致了悲剧的发生[5]。2011年的温州动车事故，也是因为列车控制中心相关采集仪表的电源设计缺陷，抗外界干扰的能力不强，导致在雷击下仪表损坏无法发送数据，从而造成了动车相撞事故[6]。这些惨痛的教训告诉我们，自动化仪表设计师承担的不仅仅是一个小小仪表的设计工作，更是一份沉甸甸的伦理责任。

1  自动化仪表组成及设计规范

自动化仪表，包括传感器、变送器，是从早期的机械仪表发展而来，不断的应用了先进的检测技术和计算机技术[7]。在发展过程中，行业内逐步建立起了一系列的标准和规范。这些标准规范不仅仅是为了统一接口和技术参数，也是为了确保其安全性、可靠性[8]。

1.1 自动化仪表组成结构

自动化仪表的种类很多，检测的对象有温度、压力、物位、流量等，也有针对成分检测的分析仪表[9]。这些自动化仪表的安装方式结构形式各不相同，但总的组成还是大同小异的。自动化仪表一般都由机械机构和电子电路两大部分组成。下面以一个常用的压力仪表为例来介绍自动化仪表的组成结构，如图1所示。

自动化仪表的电子电路也有一定的相通性，目前常见的智能仪表的电路组成框图如图2所示。

1.2 自动化仪表的技术指标

不管是什么类型的自动化仪表，都是把一些需要检测的参量转换成标准的电信号，从而达到数据可视、自动控制的目的。主要的技术指标有以下几方面。

1.2.1 工作条件

自动化仪表的工作条件规定了其正常工作的各项指标，包括工作环境温度、湿度、压力等，以及对工作电源的要求，这既是对用户的一个要求，也是对自己产品质量的一个承诺。

1.2.2 量程范围

仪表都有一个能确保准确度的检测范围，超出量程范围则不能保证正常工作。在这个量程范围内，无论是标定检验或者应用，都要满足准确度指标。

1.2.3 准确度

准确度也可以叫精度，这个是仪表的一个重要指标。仪表的准确度有专门的检定机构，检定管理也有专门的规定。准确度高的仪表在器件选择、制造工艺、检定要求都要高于准确度低的仪表，因此在成本等方面也要高很多。

1.2.4 安全

自动化仪表的安全性能包括了防爆等级、防护等级，以及仪表功能的安全等级。这些安全等级都有相应的认证机构，可以对送检仪表进行认证并颁发检验证书。

1.3 相关标准和规范

国家和国际都对自动化仪表制定了一系列的标准和规范，也设立了相应的认证机构。

1.3.1 国家标准和企业标准

常规自动化仪表都有统一制定的国家标准或者行业标准，用来规范管理生产厂家的产品性能、功能、检验以及包装运输等要求。对于非常规仪表，生产厂家应该有相应的企业标准。

1.3.2 质量管理体系

生产制造行业的质量管理体系，主要指国际通用的ISO9001质量管理体系。自动化仪表生产企业都需要通过该组织的认证，以证明自身具备研发生产合格产品的条件。

1.3.3 防爆等级和防护等级

应用在石油化工、煤炭等危险易爆行业的自动化仪表，必须通过防爆等级的认证，有本安防爆和隔爆两种主要形式。防爆等级根据需求从低到高，等级越高防爆的能力越强。防护等级是对产品的防尘、防水能力的评定，防护等级越高，防尘、防水的能力就越强。

1.3.4 安全完整性等级

为了进一步提高设备的安全性能，国际电工委员会（IEC）制定了SIL安全完整性等级。SIL认证对产品的可靠性，可维护性、抗干扰能力、生命周期等进行了严格的规定。

2  产品设计涉及的伦理原则

在自动化仪表的设计过程中，经常会遇到一些两难的选择。譬如成本的控制，是选择满足基本功能和性能，降低成本，还是选择更高的功能性能，而导致成本增加。还有关于器件的选型，是保守的选择一直长期采用但是技术已经过时的，还是大胆采用新的器件但需要花更多的精力。针对一些在设计过程中常见的问题，我们试图从工程伦理的原则出发做一个分析。

2.1 安全设计与不伤害原则

因为仪表设计缺陷，造成重大事故的情况屡见不鲜。如果仪表在安全性上的设计更高一点的话，有些悲剧就有可能不会发生。工程师在设计仪表的时候，应该更多的其他人的角度出发，尽量的考虑不会对他们造成伤害。

2.1.1 不伤害生产企业

设计者首先要考虑到所设计的仪表产品，在生产制造过程中是否会对工人以及设备造成伤害。譬如选择材质和加工工艺，是否会导致工人吸入有害物质，是否会接触到一些表面处理的强酸。另外也要尽量避免因为自己的粗心，造成企业的损失。

2.1.2 不伤害用户

产品最终还是要到用户手里，安装到现场使用。一台仪表的售价可能只有几千块钱，但是因为设计缺陷造成用户的损失，那么就不是一台仪表的价格可以弥补的。

2.1.3 不伤害环境

不伤害环境对于具有放射性源的仪表要求格外重要，尽量的少运用会对环境造成污染的材料和器件。即使不得不采用，也要尽量的加强防护保护措施。

2.2 性能设计与效益原则

对于自动化仪表的生产销售来说，质量是最重要的，而质量的保障除了制造者和检验者外，更多的体现在设计上。如果对仪表的质量要求高，那么设计者就应该在性能设计上多加考虑。提高性能，和降低成本永远是一堆矛盾体。自动化仪表的性能设计，需要基于产品的期望适用条件范围、期望准确度、期望可靠性、期望稳定性等各方面的指标要求。譬如说我们设计一台高稳定性的仪表，那么肯定要在它的采样滤波电路上多花精力，可以采用高阶高Q值有源滤波电路。对于普通仪表，则采用简单的π型无源滤波就够了。有没有滤波电路，或者不同滤波能力的滤波电路，在稳定无干扰的环境下都能正常工作。但是一旦外界有干扰，性能差距就体现了。性能提升的前提条件自然是要增加成本，成本增加导致售价增加，市场竞争力就受影响。但是从另外一个角度来说，产品性能足够好，市场认可度高，反而会有更大的市场。这个平衡度如何掌握，需要用效益的原则结合其它原则来衡量。

2.3 公平和诚实原则

公平这个词在古代跟天平是联系在一起的，天平就是度量衡里面的称重的衡器。作为传承下来的仪表，尤其是涉及到贸易交接的仪表自然要延续公平的原则。用在過程自动化控制上的仪表，用户相对简单，而贸易交接的自动化仪表，则涉及仪表用户的客户的问题。譬如生产电子秤的企业，直接的客户是销售其他商品的商家，而商家的客户是购买他商品的顾客。企业从商家那里赚取了利润，没有从顾客那里得到任何的好处，那么电子秤企业是对商家负责，还是对商家及顾客都负责呢？我们从工程伦理的不伤害原则和公平原则分析，可以得到一个结果，那就是既不能伤害商家，也不能伤害商家的顾客，要做到对双方都公平。

经常有报道说因为加油机计量不准导致纠纷，也有人因为电子秤做手脚而被查处。这些事情有很大一部分原因是因为仪表设计存在漏洞，有BUG，被不良的人利用。设计者应该多从公平的原则出发，不给仪表涉及的任何一方有可利用的机会，更不能故意制造BUG使其有利于某一方。

自动化仪表的用户是根据技术指标来选型的，仪表的各项指标跟技术规格书完全相符，这是最起码的诚信。在设计仪表的时候，就应该明确仪表的技术指标，再采取相应的设计方案。对于准确度0.1级的仪表，就必须采用分辨率16bit或者更高的AD转换器，绝对不可能用一个普通8bit的AD转化器就能达到这么高的精度。譬如压力变送器，技术指标明确了4MPa的耐压等级，从法兰、螺纹到探头等一系列相关的器件都要满足这个耐压要求，不能表面看上去是4MPa，而不可见的部件耐压却要低。自动化仪表是需要长期应用的，是要定期接受检验的，设计者不能存着侥幸的心里，为了偷懒或者降低成本，设计出不符合技术指标的产品。

公平和诚实是自动化仪表设计者的底线，守不住这条底线，即使你设计出来的功能多么强大，外观多么靓丽，最终也会被道德所谴责，被法律所约束，被市场所抛弃。

2.4 生态保护原则

前面不伤害原则已经包括了不伤害生产者和环境的论述，这里侧重分析的是如何避免因为器件选择的问题，导致生态环境的污染。有些零部件可能不会对自身的加工生产产生环境污染，但是生产这些零部件的工艺却会造成环境污染。譬如采购金属部件，采用电镀工艺的部件造成的污染肯定会比不锈钢工艺的高。设计者应该多通过生态保护原则出发，尽量在设计中选择对生态环境影响小的器件和工艺。

3  产品设计应遵循的准则

通过对自动化仪表设计过程结合工程伦理原则的分析，我们可以归纳出自动化仪表设计所应遵循的几个原则，那就是：“安全至上，性能优先，诚信为本，兼顾效益”。

3.1 安全至上

自动化仪表的特点就在于“自动化”这三个字，它具有自动检测、自动决策、自动控制的功能，不需要人的干预和控制。自动化仪表在工作过程中，自身的安全性十分重要，尤其是涉及控制或者易燃易爆的危险场合，安全是压倒一切的要求。所以在自动化仪表的设计中，一定要把安全性设计放在最重要的位置，严格按照防爆、防护等国家标准规范来执行，并本着不伤害的伦理原则，从器件选择、保护电路设计、冗余设计等多方面加强产品的安全性。

3.2 性能优先

自动化仪表的作用体现在性能上，只有性能不断增强，整个自动化仪表行业的发展才能持续。产品设计的性能包括了期望功能特点、期望技术指标、期望产品质量等多方面的内容。回首这些年来，工业自动化水平越来越高，卫星定位越来越精，天气预报越来越准，或多或少都有各类自动化仪表设计性能提高的功劳。自动化仪表的设计者要不断的学习，不断掌握新的科技知识，不断的总结经验，才能更好地在设计中加强自己产品的性能。性能最能体现自动化仪表的价值。

3.3 诚信为本

诚信是各行各业都需具备的本质，自动化仪表行业也不例外。自古以来，“秤平斗满”“不差毫厘”等成语，都是人们通过度量衡器具来类比诚信和良心。制造量尺、量斗、秤杆的工匠，都有着“人心如秤”的祖训。作为现场自动化仪表的设计者，更应该以史为鉴，以诚信为本。要用诚实、公平的伦理原则来约束自己。

3.4 兼顾效益

任何一个企业都是要讲究经济效益的，没有经济效益，企业就没法生存。在不违背不伤害原则、公平原则、诚实原则等原则的前提下，从自动化仪表的设计上考虑经济效益是必要的。如何在确保性能的前提下降低成本，也是一个设计者水平的体现。降低成本并不是单纯的采用价格便宜的器件，这更是高水平工程师能力的体现。

兼顾效益也不是一味的降低成本，产品质量好，市场把握好，也会有很好的经济效益。

4  结语

如果说以前的仪表设计倚重设计工程师的经验水平的话，现在的自动化仪表设计更多借助各种计算机辅助设计软件和仿真工具。这些辅助工具是一把双刃剑，一方面使得设计更加简单方便，另一方面使得设计者更少去关注工程伦理方面的问题。工程伦理的缺失，会带来行业不良的后果，这个问题在生物医学上已经出现了案例。虽然每个行业有着差异性，有各自不同的特点，但是工程伦理的基本原则是一致的，完全可以在工程伦理基本原则的基础上，制定出适合自己行业的行为准则。本文针对自动化仪表行业的设计，提出了“安全至上，性能优先，诚信为本，兼顾效益”的四大设计准则，希望能给自动化仪表行业和其它相关行业有所帮助。

參考文献

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