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彭瑜（1938－）
男，湖南長沙人，教授級高級工程師。1960年畢業于清華大學動力系，長期從事工業過程控制系統的研究開發工作。1993年獲國務院特殊津貼，現任中國自動化學會儀表與裝置專業委員會常務委員，上海市自動化學會常務理事，中國儀器儀表學會專家委員會委員。



摘要：本文就過程控制系統技術正在向分散智能控制的整體協調方向進行戰略轉移展開討論，著重于以下問題：市場要求過程控制技術提供整體解決方案；協同過程自動化系統CPAS模型的架構；各種類型的自動化集成體系架構的異同比較；過程控制技術的戰略轉移目標趨于清晰和完善；在構建自動化集成體系架構時的系統升級方法；協同生產系統CPS的概念和發展。

Abstract:  Process control system technologies are migrating to collaborate with intelligence existing at all nodes form distributed with distributed intelligence at many nodes. In this paper, we discuss mainly the following issues: market requires offering total solution for process control, system architectures of collaborative process automation, comparison of automation integrated architectures offered by some main automation companies, clarity and perfect of targets of process control migration strategies, system upgrading methods in automation integrated architecture, concept of collaborative production system and its development.

    數字式過程控制系統經歷了集中控制和智能（即第一代的DCS，自1970年至1985年）、分散控制和分散智能（即第二代DCS，自1985年至2000年）兩個階段后，很長時期無實質性改進，發展方向相當模糊。自2000年后開始進入第三個階段—分散智能和控制的整體協同[1]。顯而易見，過程控制技術正在經歷重大的戰略轉移。這是因為，傳統的控制系統不具備消除非計劃停車和實時提供充分的可計量生產利潤的功能，這已成為將企業內部各生產環節在實現協同制造、在生產系統和經營管理系統實現綜合指標優化的壁壘；這還因為，現有的估計價值達650億美元以上的控制系統已到了其傳統生命周期的最后階段[1]，如何改造？而新投用的控制系統又在源源不斷地涌現，如何解決新老系統的協同。這些正是制定戰略轉移策略時，在設計改造后整體的控制系統的生命周期時必須考慮的關鍵因素。

1   提供整體解決方案是市場對過程控制技術發展的要求

    隨著市場競爭日趨激烈，在挖潛增效的驅使下，要求自動化技術提供一攬子解決自動化控制和生產管理、執行等信息系統的全集成解決方案，而不再因襲PLC或DCS的自動化孤島和信息孤島的陳舊模式。用戶清晰地認識到，單純依托自動化技術的發展很難獲取顯著的效益，與管理信息的綜合必將帶來總效益的陡增（見圖1）。自動化必須按綜合的尺度（諸如提高資產的可用性和資產的回收率、降低生命成本等策略和財務目標）向用戶提供持續增長的利益。

    涵蓋從底層的制造自動化到頂層的管理自動化的體系結構，經過十幾年的探索和實驗，從理論和實踐上證明了扁平化的三層模型進入了大規模、全方位的應用時期。自動化、信息化技術的發展為整體解決方案的提供，做好了幾乎所有的技術準備。

    ●  自動化技術發展，已經為打破長期以來將工業控制領域劃分為電氣控制（包括傳動控制、邏輯和順序控制）、過程控制、運動控制等專業的束縛，為建立統一的工程設計平臺和統一的生產運營平臺準備好技術和認識條件。

    ●  在經濟全球化大趨勢的推動下，在國際產業界長期共同追求和努力下， 從工控編程語言、現場總線、工業以太網，一直到控制和企業信息管理集成等各種自動化國際標準的制定和推廣應用，取得了豐碩的成果，形成為普遍的共識，為自動化集成體系架構的發展和日趨成熟奠定了標準化基礎。

                    圖1   自動化技術與管理信息的綜合必將帶來總效益的陡增

    這明確地告訴我們：自動化技術進一步發展，必須與企業管理、工廠層運行管理信息化有效結合，實現企業綜合生產指標優化控制。按國內自動化業界的習慣，我們采用以下概念：

    ●  性能指標：綜合生產指標（產品質量、產量、成本和消耗）；
    ●  目標：綜合生產指標實際值在目標范圍內；
    ●  對象：控制過程和管理過程；
    ●  工具與平臺：計算機控制系統、計算機管理系統、網絡與數據庫等；
    ●  綜合：自動化技術、生產工藝技術、設備運行技術和生產過程管理技術。

    綜合指標優化的另一種提法是國外近年來開始流行的Opx卓越運行操作。所謂Opx卓越運行操作（見圖2），按照ARC給出的模型可以理解為：根據客戶的需要確定生產的產品質量和產量，以6S作為質量控制的指標，以控制系統和生產管理信息為核心，對生產潛力進行優化，并致力于不斷的改善生產過程。這是一種概念性的模型，是一個合理化的漸進過程。要追求OpX，首先必須實現卓越的安全性，卓越的資產設備管理，卓越的生產管理，最后才有可能達到卓越的運行操作。 

                                   圖2   Opx（卓越運行操作）模型

2    在經營管理、工廠生產形成閉環的前提下追求績效最佳

    協同過程自動化系統CPAS(Collaborative Process Automation System)模型（見圖3），由著名咨詢集團ARC提出，可以說它是自動化設備制造公司和工程公司實現ERP、MES和PCS三層結構的一種優化解決方案。CPAS把PCS和MES的功能性和具體實現所必需依托的網絡技術和技術標準及相互關系，完整而又清晰地予以概括[2]。CPAS倡導全廠控制（in-plant control）的概念，用一個平臺提供工廠所有必須的控制功能，摒棄長期以來由PLC和DCS分擔離散控制和過程控制的功能劃分。同時，還倡導用一個統一的工程設計和組態環境，解決所有的電控、儀控、計算機控制和HMI、SCADA的設計和組態，乃至開車調試投運和運行管理維護所需要的工程問題。CPAS明確指出，支持底層和設備自動化的網絡技術是現場總線，支持工廠和企業的管理信息網絡是基于以太網的技術。

    傳統的自動化系統是以當時的技術條件為出發點，用在市場上可采購到的硬件和軟件產品組建的，很少去考慮制造廠的經營要求。如今已不能停留在這種落后的概念了。由于生產和經營管理嚴重脫節，信息交流不暢，甚至所生成的信息是不及時的、走樣的，在許多情況下資本成本難以回收，績效低下。新一代的過程自動化系統必須滿足生產運營的綜合生產指標優化的要求，并把這種要求轉化為一種有效的可執行的解決方案。過去十多年來信息技術和因特網的發展，使運營管理與工廠生產建立緊密、實時聯系的協同環境，有了強大的技術支撐。為了在運營管理和生產制造之間建立同步的、相互都有利的支持環境，實現在經營管理、工廠生產形成閉環的前提下追求績效最佳，這就是協同過程自動化系統CPAS的理念。

    CPAS的關鍵是在三層結構中建立起上下各層次間的實時數據交換，或者稱為上下各層次間的信息同步。這就是說，生產管理作為CPAS的核心環節必須與過程控制緊密連接。用過程控制的術語說，CPAS以經營業務流程的性能最優為目的，為經營管理、生產管理和生產制造之間形成閉環，提供了一種方法。對生產過程的績效進行精確度量，是達到綜合指標優化、卓越運行操作的前提。CPAS還要求納入第三方產品的生產過程和管理的信息，以求得供應鏈的協同。

     

                                圖3   協同過程自動化系統模型

    概括起來說，CPAS是一種控制生產過程，其規模可大可小（scalable)、具有高可用性（availability），性能穩健（robust），采集和處理數據能力極強，且無邊界的平臺。

    在總部對企業資源、供應鏈、客戶、OEM供應廠和其他工廠的計劃、調度、協調和安排下，利用自動化和信息化的手段，整體組織、處理和控制從原材料、外購或外包部件進廠檢驗、處理，加工制造（包括批量/混合流程、連續流程、離散加工），到包裝、發貨，乃至為保證正常生產必須的公用工程。把以上各個環節全部納入控制范圍，使其全部處于可控的狀態之下，就達到了全廠控制的目的。從這個意義上講，自動化集成體系架構就是為滿足全廠控制，甚至于企業控制的要求，開發發展綜合自動化的系統結構。

3    各公司自動化集成體系架構的異同比較[3]

    在這種趨勢下，世界級的自動化供應商整合原來積累的硬件、軟件平臺，紛紛推出全集成架構，如：Schneider的Transparent Ready，Siemens的Total Integrated Automation（TIA），Rockwell Automation的Integrated Architecture，Mitsubishi的e-Factory，ABB的Industrial IT，Emerson Process的 PlantWeb，Invensys Process 的ECS（Enterprise Control System），以及Yokogawa的 VigilantPlant 等等。圖4和圖5給出Rockwell Automation和Siemens有關過程控制系統的集成架構模型[2，4]，仔細研判，可以發現它們均符合CPAS模型的要求，但又明顯的帶有本公司原有硬件平臺、軟件平臺的特色。

    這些自動化公司所推出的全集成自動化架構雖然各有不同，但都是為了在實現網絡集成（或稱通信集成）的基礎上，通過數據集成，最終達到應用集成。因此，在以下方面還是一致的：

    ●  強調企業信息和控制系統的集成，即PCS — MES — ERP的集成，但著重是控制系統和生產制造執行的集成。
    ●  強調為工程設計和組態（工藝設計、設備設計、自動化設計和編程等）、調試投運、運行操作、資產管理和優化、維護等各環節提供統一平臺。
    ●  在控制層強調用統一平臺解決電控、儀控、運動控制等多專業的功能性的要求。
    ●  強調控制層、執行層和管理層不同網絡的無縫連接和提供信息數據的高效交換。
    ●  強調與第三方系統和軟件的協同和連接。
    ●  圍繞具備CPAS特征的最新主系統實施老系統的升級改造。

    PLC主流廠商和儀表控制系統DCS主流廠商由于應用領域不同，存在一定差異：

    ●  PLC主流廠商尤其重視全集成架構的離散制造應用。因此重視PLC、運動控制、傳動等的工程設計統一平臺和不同網絡（現場總線、專用網絡和以太網等）的無縫連接。

    ●  儀表控制系統DCS主流廠商重視全集成架構的流程行業應用。因此強調工藝設計和自動化設計的統一平臺和各種不同類型的儀表用現場總線、工業以太網的無縫連接，以及和第三方儀表系統設計軟件的連接、數據交換和數據共享。

    ●  儀表控制系統DCS主流廠商繼承原有優勢，重視資產設備的管理，從基本管理發展到資產設備的組合優化管理，進而再發展變化為生產績效、商務績效的全面管理。與此同時，PLC主流廠商也開始把資產設備管理納入自動化體系架構中來。

    ●  值得注意的是，為了加快自動化體系架構的廣泛使用，克服控制軟件和管理軟件集成的成本高居不下，以低成本、或可以承擔得起的成本實現管理信息與控制系統信息集成，不僅已經提到議事日程，而且開始了有效工作。

     
 
                         圖4   Rockwell Automation的Integrated Architecture

     

                     圖5   Siemens過程控制系統的體系架構與CPAS模型類似

4    過程控制技術的戰略轉移目標趨于清晰和完善

    歐、美、日各大主流控制設備供應商和有關組織，在這次重大的戰略轉移時如何應對，其具體目標正在逐年明確。可以從Siemens、Honeywell、橫河、Rockwell Automation等公司和基金會現場總線委托ARC撰寫的有關白皮書中看出其脈絡。

    例如，關于Siemens的白皮書在2005年1月發布的是《 Siemens過程工業策略》，時隔兩年，在2007年2月公布的《 Siemens過程自動化系統轉移和現代化策略》，內容有顯著的變化。報告中還披露專門設立了系統升級轉移中心。再如在2005年1月發布橫河白皮書《橫河電機發布VigilantPlant》，接著在2006年2月發表的則為《橫河電機的VigilantPlant是實現卓越操作運行的途徑》，給出其從2005年至2010年的策略轉移路線圖[5]。2007年2月發布的基金會現場總線FF的白皮書題目是《 基金會現場總線為卓越操作運行提供自動化基礎結構》，論述FF在CPAS中的作用和對應策略。

    以下闡述基金會現場總線FF針對其持續發展所做的研究中著重討論的工業網絡如何在CPAS中發揮作用和對應策略[6]。
現場總線要獲得持續發展，不能僅僅停留在為現場層設備聯網提供服務，還應該提供以下機制：為設備管理、生產運行管理所需的全局數據存取和時間管理，提供基于開放、標準化的控制網絡骨干網（見圖6）。

        圖6   現場總線網絡服務對象是：現場層設備聯網以及為設備管理和生產管理提供完整數據

    在過程控制技術實行戰略轉移的驅使下，為過程控制服務的現場總線技術其發展也應適應協同過程自動化系統模型的要求，例如CPAS模型要求自動化供應商提供公用的硬件平臺、單一的用戶接口以及基于標準的工程工具，這就要求現場總線技術必須具備足夠的靈活性和適應性，以及具備可持續發展的潛能（見圖7）。展開來說就是要求現場總線技術還必須具有以下功能性：

    ●  公共的網絡；
    ●  基于以太網的控制網絡；
    ●  公用的時間坐標；
    ●  網絡管理手段和工具；
    ●  具備高級的數據可視化能力；
    ●  和其它標準無縫配合；
    ●  可資利用的全局數據；
    ●  高可用性；
    ●  數據傳輸的確定性和高質量；
    ●  在線軟件升級；
    ●  發布/預訂通信機制（Publish/Subscribe）；
    ●  可追溯的性能。

              圖7  現場總線必須具備足夠的靈活性和適應性，以及可持續發展的潛能

5   在構建自動化集成體系架構時的系統升級方法

    自動化設備供應商在推出全新的自動化體系架構的解決方案的同時，還必須面對自動化系統升級改造的需求，必須根據實際需求慎重設計自己的過程控制系統的戰略轉移策略。一方面要考慮到，現成的老系統與希望建立的適應現代企業管理的生產控制和信息系統新平臺之間，存在著巨大差距；另一方面還應該顧及本公司的新系統和一些通過兼并或收購進來的公司的老系統、新系統之間，本公司的新、老系統和自己的競爭對手的各類系統之間能否互聯、互通和互操作。這些都是在向客戶提供控制系統升級改造的解決方案是否具有競爭力而不得不面對的重大問題。

    過程控制策略轉移必須向用戶提供具體的解決方案。但是，在具體實施的時候，必須考慮到流程行業和制造業實施改造升級時所受到的各種因素的牽制。這些因素往往導致企業主管難以決斷。譬如說，對已有的控制系統采取升級的方式還是采取以新建系統替代過時的老系統的方式；生產安排能否允許系統全部停頓進行改造，還是采取逐步淘汰、逐個系統改造的方式。只有當某個系統陳舊到其所造成的非計劃停車已經使正常生產難以為繼時，業務主管部門才可能痛下決心做出改造計劃。這就告訴我們，企業處理控制系統的戰略轉移是有時機的，只有在以下情況下才會對過程控制系統的進行升級或戰略轉移：

    ●  當非計劃停車已成為生產瓶頸的時候；
    ●  當出現或即將出現新的業務機會而沒有新系統就會喪失這個機會的時候；
    ●  當老系統不再支持具有足夠競爭力的性價比的時候；
    ●  在老系統不能支持新工藝的時候；
    ●  系統已處在其生命周期的最后階段或生產的產品已面臨逐步淘汰的時候；
    ●  當前所使用的系統不能再滿足業務經營的需要的時候。

    所以構建自動化集成體系架構時還必須考慮原有系統的升級方法。

    怎樣判別自動化供應商向用戶提供的系統升級方法是有效而又盡可能簡單易行呢？標準是：

    ●  應向用戶提供令人信服的有價值的建議，說明升級后的新系統為今后達到卓越操作運行性能Opx安排了路徑。
    ●  盡量減少接線工作量。
    ●  盡可能保留已有的硬件投資。
    ●  盡可能保留流程畫面；若要改變，則應提供工程工具，幫助用戶完成畫面的轉換。
    ●  盡可能保留原來的控制策略；若要改變，則應提供工程工具，幫助用戶完成控制策略的轉換。
    ●  盡可能減少系統升級所花費的停工時間。
    ●  盡可能降低為升級后的新系統所必要的培訓成本。

    按部件的生命周期設計系統升級和轉移的技術路線是不能不著重考慮的問題。實際上，構成控制系統的各個部件其平均生命周期是有很大差異的。如表1所示，系統的I/O一般至少可用20年，系統接線至少可用25年，而控制器至多不超過15年，控制策略和流程顯示/人機界面則視情況而變，系統工作站最多用5年就得更新。

                            表1   控制系統各部件的平均生命周期

    如果我們再細化升級的技術因素，在制定一個完整的升級計劃時，應該按可視化層、控制器層、現場層和接線端子層等層次來考慮。表2給出在按層次升級時必須考慮的技術因素。

                           表2   按層次升級時必須考慮的技術因素 
   

    西門子將其過程控制系統PCS的升級劃分為三個級別、十個層次[5] ：HMI級 （HMI連接、HMI轉換和增強批量控制管理/其他監控應用），控制級（工程程序庫的建立和轉換、應用程序的轉換和控制網絡網關），現場級（I/O網關、I/O替代、I/O接口和現場端子箱）。表3列出其升級的技術路線。

                        表3   西門子過程控制系統升級的級別和層次

       

6    協同生產系統CPS的概念和發展

    自動化體系集成架構在協同過程自動化系統CPAS模型的指導下正在逐漸實踐，并通過實踐不斷完善。與此同時，另一個由ARC咨詢集團提出、被稱為“下一代模型”的新模型—“協同生產系統（Collaborative Production Systems，CPS ）”，在GE Fanuc2007年度用戶會議上受到了GE企業解決方案的一個部分—GE Fanuc智能平臺的支持[7]。

    CPS出臺的背景正是人們認識到制造企業面臨著世界“扁平化”的多方面的挑戰，公司必須將其制造重心轉移到以客戶為中心的靈活方式，來處理和應對需求的波動。CPS為制造企業創造了以下機會：①改善區域資產的績效和設備裝置的可靠性。 ②自動化和信息的前后呼應、上下協調。③提高知識工作者的能力。④成套設備性能的智能化。⑤ 讓溝通制造績效和業務目標的關鍵性能指標KPI，成為公共可付諸行動的指標。

    顧名思義，生產管理是指對生產過程的執行、跟蹤、報告和優化的全過程實施管理。當然生產過程也包括計劃，但相對于其他部分的特性比較，顯然功能較弱。企業一般都是由若干個在生產管理中相對獨立的制造廠組成，但從公司的整體視角來看，這些制造廠的生產又是相互聯系和制約的。生產協同管理CPM就是應用協同制造原理對制造過程實施管理，它是建立協同生產系統CPS的基礎。協同生產系統模型CPS按更高的層次和級別來處理其制造與生產的運行操作，以及這些運行操作如何與企業的其他組成部分實現最佳的協同的準則來設計的。CPS的架構給出一個實時、統一而又具有全方位的處理，來支持全企業的運行操作管理，以盡可能確保實現協調制造。生產管理系統在執行以生產為核心的計劃、控制、優化和信息化功能時，必須與工廠層的控制系統、企業業務系統（ERP和供應鏈）、工程層的工程系統（PDM和PLM）以及維護系統（CMMS和EAM）集成在一起。它是指導制造廠應用運行操作管理與自動控制之間實現協同的原則，即制造廠怎么應用協調原理保證每一個生產系統彼此間都能相互提供最有價值的實質性信息，使之可以做出最好的管理決策。為此CPM的解決方案一定要實現實時生產狀態的可視化、產品的可追溯和相關因素記錄的可視化、生產運行操作的績效分析的可視化、生產過程的無紙化管理的可視化，以及運行操作指令的可視化。

    協同制造的概念反映了制造商需要在其內部更集中，與客戶和合作伙伴之間需要更靈活、更賦有責任。為了更強調生產運行需要與企業的其他系統有更緊密的耦合，有些生產管理軟件的供應商將此擴展為工廠層的平臺，并命名為運行管理平臺（OMP，Operation Management Platform)[8]。在OMP迅速發展的今天，MES的概念似乎顯得有些陳舊。因為制造商需要增加新的協同和生產管理的功能性，超出了原來MES所規定的范圍。而且，CPM市場也不再僅僅由瞄準特定行業的獨立軟件供應商所支配；自動化裝置供應商（由下向工廠層提升）和ERP供應商（由企業管理層向下發展）參與了競爭。目前，OPM的供應商有：傳統的自動化供應商ABB、GE Fanuc、SIEMENS、INVENSYS、ROCKWELL AUTOMATION；軟件供應商Aspen Tech、Matrikon、Camstar、Apriso； ERP供應商如SAP，也在著名的NetWeaver企業管理平臺上加以提升，滲透到OPM。

    對于許多跨國制造集團來說，因為其制造基地是在地理位置上廣泛分布的，所以工廠級的運行管理系統CPS，對整個企業的運行管理來說，意味著這是一種分布式的應用。不難看出，協同過程自動化系統CPAS的著重點還是從自動化出發的，它要與生產運行管理軟件集成，但僅限于與自動化密切相關的部分集成。那么，與工廠層管理的其他軟件（如工程系統、維護系統）以及企業管理系統（ERP和供應鏈）如何集成呢？于是ARC又在2007年提出了協同生產系統（CPS）制造模型，將CPAS與運行管理模型相組合。這是它出臺的具體背景。由它不但勾畫了系統的基礎結構，而且也勾畫了制造廠為達到卓越運行操作Opx所需的要求、功能、人員和處理。實際上，運行管理與自動控制之間存在著一定的壁壘，要消除這些壁壘還有一個很長的路要走。提出協同生產系統（CPS）的目的就是希望有助于將協同過程自動化系統CPAS與運行管理模型（Operations Management）組合起來。這就是說，僅僅著眼于業務問題是遠遠不夠的，還有許多各種各樣的方面和功能需要協同；在系統之間和功能之間已經存在的傳統和習慣上的壁壘需要拆除。其最終的目的就是通過防止資產設備成為游離于系統的信息孤島，從而確保改善對卓越運行操作的需求，讓所有的資產設備都能為制造廠及其持股人貢獻最大的投資回報。CPS還可消除制造廠內部可能存在于（譬如說）制造設備層與IT人員之間的壁壘。

7    小結

    本文內容龐雜，為便于記憶和理解，簡短概述如下：

    ① 過程控制系統已進入其第三個發展階段：強調整體協同的分散智能和分散控制階段。

    ② 自動化集成體系架構是在企業自動化信息化三層結構受到普遍認可的前提下，自動化主流公司整合、改進原有控制平臺和系列軟件產品，為整體實現企業生產制造、生產管理的自動化和信息化，提供盡可能完善的解決方案的產物。用我們國內常用的語言表達，自動化集成體系架構就是發展綜合自動化系統，實現企業綜合生產指標的優化控制。全集成自動化架構雖然各有不同，但在實現網絡集成的基礎上，通過數據集成，最終達到應用集成則是共同的。

    ③ 判定全集成自動化架構優劣的重要標準一是能否為實現綜合生產指標優化（或稱卓越運行操作Opx），二是將老系統升級、并集成在統一架構的方法。

    ④ CPAS的著重點是從自動化出發的，它要與生產運行管理軟件集成，但僅限于與自動化密切相關的部分集成。為與工廠層管理的其他軟件（如工程系統、維護系統）以及企業管理系統（ERP和供應鏈）集成和協同，需要引入協同生產系統的概念。

    ⑤ CPM就是應用協同制造原理對生產過程實施管理。將CPAS與運行管理模型相組合建立了協同生產系統CPS的基礎。運行管理平臺OMP增加新的協同和生產管理的功能性，超出原來MES規范所規定的范圍，更方便CPS的實施。

參考文獻：

[1]  Dick Hill, Larry O’Brien     Process Control System Migration Strategies 2003, ARC Advisory Group.
[2] Rockwell Automation Process Industry StrategiesOct.2006, ARC 白皮書.
[3]彭瑜   自動化體系架構的現狀和發展.電氣時代,2007,(9).
[4] Siemens Process Automation System Migration and Modernization Strategies Feb.2007, ARC 白皮書.
[5] 橫河電機的VigiantPlant是實現Operatioanal Excellence的途徑Feb.2006，ARC白皮書.
[6] Foundation Fieldbus Provides Automation Infrastructure for Operational Excellence Feb.2007, ARC 白皮書.
[7] ARC Advisory Group Presents New Collaborative Production Systems（CPS）Manufacturing Model at GE Fanuc Users Conference www.gefanuc.com.
[8] Operations Management Platform    ARC Reference Sheet http://www.arcweb.com/Brochures/Forms/AllItems.aspx.
[9] Operational Excellence (OpX)   ARC  Manufacturing Concept http://www.arcweb.com/Research/Concepts/Pages/OpX.aspx.