自動(dòng)化儀表產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的工程倫理分析

孟敏　李軼　劉二余　郭志堅(jiān)

摘? 要：自動(dòng)化儀表不僅僅是工業(yè)中的重要設(shè)備，在人們的日常工作生活中也無處不在。作為儀表產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師，如何把握產(chǎn)品安全、功能、性能同成本、環(huán)境之間的平衡，不僅關(guān)系到產(chǎn)品的市場(chǎng)和利潤，更是關(guān)系到設(shè)備的安全和用戶的利益。本文運(yùn)用了工程倫理的基本原則，結(jié)合自動(dòng)化儀表產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并提出了適用于自動(dòng)化儀表工程師設(shè)計(jì)倫理準(zhǔn)則的建議。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化儀表? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)? 工程倫理? 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)：TV675? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

自動(dòng)化儀表廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域，譬如溫度計(jì)、流量計(jì)等。人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪幸埠艹Ｒ姡┤缂依锏乃㈦姟獗淼取Ａ硗飧鞣N出租車、加油機(jī)計(jì)價(jià)器，這些也屬于自動(dòng)化儀表的范疇[1]。國家對(duì)于一般性的自動(dòng)化儀表有著國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是涉及到貿(mào)易交接的儀表，標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)更加嚴(yán)格。

儀表的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，秦始皇統(tǒng)一六國后，推行“一法度衡石丈尺”[2]，通過法律的方式統(tǒng)一度量衡。以后歷朝歷代，都對(duì)各種計(jì)量器具有著嚴(yán)格的法規(guī)和管理制度。除了計(jì)量器具本身和使用者外，對(duì)于制造尺、升、秤等器具的工匠，也有非常高的要求，由政府統(tǒng)一管理。“天地之間有桿秤”，從古代的度量衡開始，儀表等計(jì)量器具就具備了公平、良心等倫理概念[3]。

發(fā)展到現(xiàn)代以后，各種自動(dòng)化儀表進(jìn)入了人們的生產(chǎn)生活，各種檢測(cè)計(jì)量過程已經(jīng)不需要人的參與，有關(guān)自動(dòng)化儀表更多的環(huán)節(jié)在于設(shè)計(jì)、制造、安裝和檢定[4]。在這些環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)是最首當(dāng)其沖，而且是人為主觀性最大的。自動(dòng)化儀表不同于普通的機(jī)械儀表，除了各種機(jī)械機(jī)構(gòu)外，還涉及到電子、軟件、通訊等相關(guān)專業(yè)，是一個(gè)多學(xué)科的融合。自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，要求嚴(yán)格，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就有可能造成無法挽回的后果。2019年波音737max飛機(jī)在埃塞俄比亞墜毀的事故，就是檢測(cè)角度的傳感器和控制軟件都出現(xiàn)了設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生[5]。2011年的溫州動(dòng)車事故，也是因?yàn)榱熊嚳刂浦行南嚓P(guān)采集儀表的電源設(shè)計(jì)缺陷，抗外界干擾的能力不強(qiáng)，導(dǎo)致在雷擊下儀表損壞無法發(fā)送數(shù)據(jù)，從而造成了動(dòng)車相撞事故[6]。這些慘痛的教訓(xùn)告訴我們，自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)師承擔(dān)的不僅僅是一個(gè)小小儀表的設(shè)計(jì)工作，更是一份沉甸甸的倫理責(zé)任。

1? 自動(dòng)化儀表組成及設(shè)計(jì)規(guī)范

自動(dòng)化儀表，包括傳感器、變送器，是從早期的機(jī)械儀表發(fā)展而來，不斷的應(yīng)用了先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)[7]。在發(fā)展過程中，行業(yè)內(nèi)逐步建立起了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不僅僅是為了統(tǒng)一接口和技術(shù)參數(shù)，也是為了確保其安全性、可靠性[8]。

1.1 自動(dòng)化儀表組成結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化儀表的種類很多，檢測(cè)的對(duì)象有溫度、壓力、物位、流量等，也有針對(duì)成分檢測(cè)的分析儀表[9]。這些自動(dòng)化儀表的安裝方式結(jié)構(gòu)形式各不相同，但總的組成還是大同小異的。自動(dòng)化儀表一般都由機(jī)械機(jī)構(gòu)和電子電路兩大部分組成。下面以一個(gè)常用的壓力儀表為例來介紹自動(dòng)化儀表的組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

自動(dòng)化儀表的電子電路也有一定的相通性，目前常見的智能儀表的電路組成框圖如圖2所示。

1.2 自動(dòng)化儀表的技術(shù)指標(biāo)

不管是什么類型的自動(dòng)化儀表，都是把一些需要檢測(cè)的參量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)可視、自動(dòng)控制的目的。主要的技術(shù)指標(biāo)有以下幾方面。

1.2.1 工作條件

自動(dòng)化儀表的工作條件規(guī)定了其正常工作的各項(xiàng)指標(biāo)，包括工作環(huán)境溫度、濕度、壓力等，以及對(duì)工作電源的要求，這既是對(duì)用戶的一個(gè)要求，也是對(duì)自己產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)承諾。

1.2.2 量程范圍

儀表都有一個(gè)能確保準(zhǔn)確度的檢測(cè)范圍，超出量程范圍則不能保證正常工作。在這個(gè)量程范圍內(nèi)，無論是標(biāo)定檢驗(yàn)或者應(yīng)用，都要滿足準(zhǔn)確度指標(biāo)。

1.2.3 準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度也可以叫精度，這個(gè)是儀表的一個(gè)重要指標(biāo)。儀表的準(zhǔn)確度有專門的檢定機(jī)構(gòu)，檢定管理也有專門的規(guī)定。準(zhǔn)確度高的儀表在器件選擇、制造工藝、檢定要求都要高于準(zhǔn)確度低的儀表，因此在成本等方面也要高很多。

1.2.4 安全

自動(dòng)化儀表的安全性能包括了防爆等級(jí)、防護(hù)等級(jí)，以及儀表功能的安全等級(jí)。這些安全等級(jí)都有相應(yīng)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，可以對(duì)送檢儀表進(jìn)行認(rèn)證并頒發(fā)檢驗(yàn)證書。

1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

國家和國際都對(duì)自動(dòng)化儀表制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也設(shè)立了相應(yīng)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)。

1.3.1 國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

常規(guī)自動(dòng)化儀表都有統(tǒng)一制定的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用來規(guī)范管理生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品性能、功能、檢驗(yàn)以及包裝運(yùn)輸?shù)纫蟆?duì)于非常規(guī)儀表，生產(chǎn)廠家應(yīng)該有相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 質(zhì)量管理體系

生產(chǎn)制造行業(yè)的質(zhì)量管理體系，主要指國際通用的ISO9001質(zhì)量管理體系。自動(dòng)化儀表生產(chǎn)企業(yè)都需要通過該組織的認(rèn)證，以證明自身具備研發(fā)生產(chǎn)合格產(chǎn)品的條件。

1.3.3 防爆等級(jí)和防護(hù)等級(jí)

應(yīng)用在石油化工、煤炭等危險(xiǎn)易爆行業(yè)的自動(dòng)化儀表，必須通過防爆等級(jí)的認(rèn)證，有本安防爆和隔爆兩種主要形式。防爆等級(jí)根據(jù)需求從低到高，等級(jí)越高防爆的能力越強(qiáng)。防護(hù)等級(jí)是對(duì)產(chǎn)品的防塵、防水能力的評(píng)定，防護(hù)等級(jí)越高，防塵、防水的能力就越強(qiáng)。

1.3.4 安全完整性等級(jí)

為了進(jìn)一步提高設(shè)備的安全性能，國際電工委員會(huì)（IEC）制定了SIL安全完整性等級(jí)。SIL認(rèn)證對(duì)產(chǎn)品的可靠性，可維護(hù)性、抗干擾能力、生命周期等進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。

2? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)涉及的倫理原則

在自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些兩難的選擇。譬如成本的控制，是選擇滿足基本功能和性能，降低成本，還是選擇更高的功能性能，而導(dǎo)致成本增加。還有關(guān)于器件的選型，是保守的選擇一直長期采用但是技術(shù)已經(jīng)過時(shí)的，還是大膽采用新的器件但需要花更多的精力。針對(duì)一些在設(shè)計(jì)過程中常見的問題，我們?cè)噲D從工程倫理的原則出發(fā)做一個(gè)分析。

2.1 安全設(shè)計(jì)與不傷害原則

因?yàn)閮x表設(shè)計(jì)缺陷，造成重大事故的情況屢見不鮮。如果儀表在安全性上的設(shè)計(jì)更高一點(diǎn)的話，有些悲劇就有可能不會(huì)發(fā)生。工程師在設(shè)計(jì)儀表的時(shí)候，應(yīng)該更多的其他人的角度出發(fā)，盡量的考慮不會(huì)對(duì)他們?cè)斐蓚Α?/p>

2.1.1 不傷害生產(chǎn)企業(yè)

設(shè)計(jì)者首先要考慮到所設(shè)計(jì)的儀表產(chǎn)品，在生產(chǎn)制造過程中是否會(huì)對(duì)工人以及設(shè)備造成傷害。譬如選擇材質(zhì)和加工工藝，是否會(huì)導(dǎo)致工人吸入有害物質(zhì)，是否會(huì)接觸到一些表面處理的強(qiáng)酸。另外也要盡量避免因?yàn)樽约旱拇中模斐善髽I(yè)的損失。

2.1.2 不傷害用戶

產(chǎn)品最終還是要到用戶手里，安裝到現(xiàn)場(chǎng)使用。一臺(tái)儀表的售價(jià)可能只有幾千塊錢，但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷造成用戶的損失，那么就不是一臺(tái)儀表的價(jià)格可以彌補(bǔ)的。

2.1.3 不傷害環(huán)境

不傷害環(huán)境對(duì)于具有放射性源的儀表要求格外重要，盡量的少運(yùn)用會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的材料和器件。即使不得不采用，也要盡量的加強(qiáng)防護(hù)保護(hù)措施。

2.2 性能設(shè)計(jì)與效益原則

對(duì)于自動(dòng)化儀表的生產(chǎn)銷售來說，質(zhì)量是最重要的，而質(zhì)量的保障除了制造者和檢驗(yàn)者外，更多的體現(xiàn)在設(shè)計(jì)上。如果對(duì)儀表的質(zhì)量要求高，那么設(shè)計(jì)者就應(yīng)該在性能設(shè)計(jì)上多加考慮。提高性能，和降低成本永遠(yuǎn)是一堆矛盾體。自動(dòng)化儀表的性能設(shè)計(jì)，需要基于產(chǎn)品的期望適用條件范圍、期望準(zhǔn)確度、期望可靠性、期望穩(wěn)定性等各方面的指標(biāo)要求。譬如說我們?cè)O(shè)計(jì)一臺(tái)高穩(wěn)定性的儀表，那么肯定要在它的采樣濾波電路上多花精力，可以采用高階高Q值有源濾波電路。對(duì)于普通儀表，則采用簡(jiǎn)單的π型無源濾波就夠了。有沒有濾波電路，或者不同濾波能力的濾波電路，在穩(wěn)定無干擾的環(huán)境下都能正常工作。但是一旦外界有干擾，性能差距就體現(xiàn)了。性能提升的前提條件自然是要增加成本，成本增加導(dǎo)致售價(jià)增加，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力就受影響。但是從另外一個(gè)角度來說，產(chǎn)品性能足夠好，市場(chǎng)認(rèn)可度高，反而會(huì)有更大的市場(chǎng)。這個(gè)平衡度如何掌握，需要用效益的原則結(jié)合其它原則來衡量。

2.3 公平和誠實(shí)原則

公平這個(gè)詞在古代跟天平是聯(lián)系在一起的，天平就是度量衡里面的稱重的衡器。作為傳承下來的儀表，尤其是涉及到貿(mào)易交接的儀表自然要延續(xù)公平的原則。用在過程自動(dòng)化控制上的儀表，用戶相對(duì)簡(jiǎn)單，而貿(mào)易交接的自動(dòng)化儀表，則涉及儀表用戶的客戶的問題。譬如生產(chǎn)電子秤的企業(yè)，直接的客戶是銷售其他商品的商家，而商家的客戶是購買他商品的顧客。企業(yè)從商家那里賺取了利潤，沒有從顧客那里得到任何的好處，那么電子秤企業(yè)是對(duì)商家負(fù)責(zé)，還是對(duì)商家及顧客都負(fù)責(zé)呢？我們從工程倫理的不傷害原則和公平原則分析，可以得到一個(gè)結(jié)果，那就是既不能傷害商家，也不能傷害商家的顧客，要做到對(duì)雙方都公平。

經(jīng)常有報(bào)道說因?yàn)榧佑蜋C(jī)計(jì)量不準(zhǔn)導(dǎo)致糾紛，也有人因?yàn)殡娮映幼鍪帜_而被查處。這些事情有很大一部分原因是因?yàn)閮x表設(shè)計(jì)存在漏洞，有BUG，被不良的人利用。設(shè)計(jì)者應(yīng)該多從公平的原則出發(fā)，不給儀表涉及的任何一方有可利用的機(jī)會(huì)，更不能故意制造BUG使其有利于某一方。

自動(dòng)化儀表的用戶是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)來選型的，儀表的各項(xiàng)指標(biāo)跟技術(shù)規(guī)格書完全相符，這是最起碼的誠信。在設(shè)計(jì)儀表的時(shí)候，就應(yīng)該明確儀表的技術(shù)指標(biāo)，再采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于準(zhǔn)確度0.1級(jí)的儀表，就必須采用分辨率16bit或者更高的AD轉(zhuǎn)換器，絕對(duì)不可能用一個(gè)普通8bit的AD轉(zhuǎn)化器就能達(dá)到這么高的精度。譬如壓力變送器，技術(shù)指標(biāo)明確了4MPa的耐壓等級(jí)，從法蘭、螺紋到探頭等一系列相關(guān)的器件都要滿足這個(gè)耐壓要求，不能表面看上去是4MPa，而不可見的部件耐壓卻要低。自動(dòng)化儀表是需要長期應(yīng)用的，是要定期接受檢驗(yàn)的，設(shè)計(jì)者不能存著僥幸的心里，為了偷懶或者降低成本，設(shè)計(jì)出不符合技術(shù)指標(biāo)的產(chǎn)品。

公平和誠實(shí)是自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)者的底線，守不住這條底線，即使你設(shè)計(jì)出來的功能多么強(qiáng)大，外觀多么靚麗，最終也會(huì)被道德所譴責(zé)，被法律所約束，被市場(chǎng)所拋棄。

2.4 生態(tài)保護(hù)原則

前面不傷害原則已經(jīng)包括了不傷害生產(chǎn)者和環(huán)境的論述，這里側(cè)重分析的是如何避免因?yàn)槠骷x擇的問題，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的污染。有些零部件可能不會(huì)對(duì)自身的加工生產(chǎn)產(chǎn)生環(huán)境污染，但是生產(chǎn)這些零部件的工藝卻會(huì)造成環(huán)境污染。譬如采購金屬部件，采用電鍍工藝的部件造成的污染肯定會(huì)比不銹鋼工藝的高。設(shè)計(jì)者應(yīng)該多通過生態(tài)保護(hù)原則出發(fā)，盡量在設(shè)計(jì)中選擇對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小的器件和工藝。

3? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的準(zhǔn)則

通過對(duì)自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)過程結(jié)合工程倫理原則的分析，我們可以歸納出自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的幾個(gè)原則，那就是：“安全至上，性能優(yōu)先，誠信為本，兼顧效益”。

3.1 安全至上

自動(dòng)化儀表的特點(diǎn)就在于“自動(dòng)化”這三個(gè)字，它具有自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)決策、自動(dòng)控制的功能，不需要人的干預(yù)和控制。自動(dòng)化儀表在工作過程中，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險(xiǎn)場(chǎng)合，安全是壓倒一切的要求。所以在自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)中，一定要把安全性設(shè)計(jì)放在最重要的位置，嚴(yán)格按照防爆、防護(hù)等國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來執(zhí)行，并本著不傷害的倫理原則，從器件選擇、保護(hù)電路設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等多方面加強(qiáng)產(chǎn)品的安全性。

3.2 性能優(yōu)先

自動(dòng)化儀表的作用體現(xiàn)在性能上，只有性能不斷增強(qiáng)，整個(gè)自動(dòng)化儀表行業(yè)的發(fā)展才能持續(xù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能包括了期望功能特點(diǎn)、期望技術(shù)指標(biāo)、期望產(chǎn)品質(zhì)量等多方面的內(nèi)容。回首這些年來，工業(yè)自動(dòng)化水平越來越高，衛(wèi)星定位越來越精，天氣預(yù)報(bào)越來越準(zhǔn)，或多或少都有各類自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)性能提高的功勞。自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)者要不斷的學(xué)習(xí)，不斷掌握新的科技知識(shí)，不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能更好地在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)自己產(chǎn)品的性能。性能最能體現(xiàn)自動(dòng)化儀表的價(jià)值。

3.3 誠信為本

誠信是各行各業(yè)都需具備的本質(zhì)，自動(dòng)化儀表行業(yè)也不例外。自古以來，“秤平斗滿”“不差毫厘”等成語，都是人們通過度量衡器具來類比誠信和良心。制造量尺、量斗、秤桿的工匠，都有著“人心如秤”的祖訓(xùn)。作為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)者，更應(yīng)該以史為鑒，以誠信為本。要用誠實(shí)、公平的倫理原則來約束自己。

3.4 兼顧效益

任何一個(gè)企業(yè)都是要講究經(jīng)濟(jì)效益的，沒有經(jīng)濟(jì)效益，企業(yè)就沒法生存。在不違背不傷害原則、公平原則、誠實(shí)原則等原則的前提下，從自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)上考慮經(jīng)濟(jì)效益是必要的。如何在確保性能的前提下降低成本，也是一個(gè)設(shè)計(jì)者水平的體現(xiàn)。降低成本并不是單純的采用價(jià)格便宜的器件，這更是高水平工程師能力的體現(xiàn)。

兼顧效益也不是一味的降低成本，產(chǎn)品質(zhì)量好，市場(chǎng)把握好，也會(huì)有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4? 結(jié)語

如果說以前的儀表設(shè)計(jì)倚重設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)水平的話，現(xiàn)在的自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)更多借助各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和仿真工具。這些輔助工具是一把雙刃劍，一方面使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單方便，另一方面使得設(shè)計(jì)者更少去關(guān)注工程倫理方面的問題。工程倫理的缺失，會(huì)帶來行業(yè)不良的后果，這個(gè)問題在生物醫(yī)學(xué)上已經(jīng)出現(xiàn)了案例。雖然每個(gè)行業(yè)有著差異性，有各自不同的特點(diǎn)，但是工程倫理的基本原則是一致的，完全可以在工程倫理基本原則的基礎(chǔ)上，制定出適合自己行業(yè)的行為準(zhǔn)則。本文針對(duì)自動(dòng)化儀表行業(yè)的設(shè)計(jì)，提出了“安全至上，性能優(yōu)先，誠信為本，兼顧效益”的四大設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，希望能給自動(dòng)化儀表行業(yè)和其它相關(guān)行業(yè)有所幫助。

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