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    在工業(yè)自動化系統(tǒng)和儀表的發(fā)展中，特別是在20世紀(jì)70年代進(jìn)行DCS產(chǎn)品開發(fā)前，對化工、冶金、電力、市政工程、輕工業(yè)等進(jìn)行了大量的市場調(diào)查，總結(jié)出流程工業(yè)對自動化需求旺盛，被控制的參數(shù)主查溫度、壓力、流量、液位等，此外還有重量、濃度、pH值、化學(xué)成份分析量等；控制方式中主要是連續(xù)控制，又稱閉環(huán)回路控制或反饋控制，此外還有順序控制和批量控制。經(jīng)過多年發(fā)展，除DCS以外，PLC也由就地單機(jī)控制逐漸發(fā)展成以離散量控制為主，進(jìn)而可以完成批量控制（現(xiàn)在常稱為混合式控制）連續(xù)控制。在工廠中還有大量需要采集的參數(shù)，進(jìn)行顯示、記錄、打印報表，這也是工藝操作人員了解工況所必須的，總之需求是多方面的。除DCS、PLC以外，工控機(jī)、現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都不能在滿足用戶需求方面表現(xiàn)出各自的特色。鑒于控制方式和輸入、輸出信號形式多樣性，安裝在現(xiàn)場的檢測儀表、執(zhí)行儀表及安裝在中央控制室的控制和人機(jī)界面等監(jiān)控部分（后者簡稱為自動化系統(tǒng)或自動化裝置），常采用模塊化、單元化結(jié)構(gòu)，通過單元或模塊的組合或集成，形成各種完整的系統(tǒng)，以滿足各種企業(yè)的需求。以這種模塊和單元的組合為基礎(chǔ)，逐漸形成了系統(tǒng)集成技術(shù)及業(yè)務(wù)。

1，集成的內(nèi)涵

    集成的英文原詞為“intergrate”，是“使完整”、“使一體化”的意思，或?yàn)椤芭c…結(jié)合”、
“成為一體”等，我國常用“集XX而大成”的句子……，它的含意在系統(tǒng)工程學(xué)中極其重要，所以“集成”一詞近年來常把它用在創(chuàng)新、設(shè)計、制造、營銷等人們的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動中，也用在產(chǎn)品生命全周期中。在自動化儀表和系統(tǒng)方面，也提出了集成化（另有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化）的目標(biāo)。

    從目前自動化行業(yè)來看集成化的內(nèi)容，不僅是控制系統(tǒng)的集成，還應(yīng)包括儀控、電控一體化和全廠的管控一體化。構(gòu)成全廠的信息系統(tǒng)自下而上分為PCS（監(jiān)控層）/MES（制造執(zhí)行層）/ERP（企業(yè)資源計劃）3層；在工藝過程中，有要求故障時緊急停車或要求可燃?xì)怏w有毒氣體報警等而設(shè)置的安全儀表系統(tǒng)（SIS），也應(yīng)集成在一起。就PCS集成技術(shù)來看，應(yīng)包括：硬件集成和軟件集成兩方面。硬件集成主查根據(jù)輸入、輸出信號確定系統(tǒng)的選型、I/O模塊、控制站臺數(shù)（現(xiàn)按現(xiàn)場儀表是常規(guī)模擬儀表或HART儀表來考慮；如按現(xiàn)場總線儀表來考慮，還應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)段計算及確定鏈接卡—網(wǎng)關(guān)數(shù)量等）；根據(jù)人機(jī)界面的要求確定操作站的臺數(shù)、工程師站的臺數(shù)、CRT或LCD屏幕數(shù)、打印機(jī)臺數(shù)、系統(tǒng)服務(wù)器臺數(shù)及其他外圍設(shè)備，另外還有與MES/ERP管理層的通信接口等。根據(jù)數(shù)據(jù)通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的要求，確定通信信道的類型和線纜的尺寸，設(shè)置必要的通信設(shè)備如集線器、交換機(jī)等。軟件集成主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的傳送、存儲、處理及完成控制策略和人機(jī)界面。在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，模塊和單元的集成，主要是信號、數(shù)據(jù)、信息的集成。信號是數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)，數(shù)據(jù)是信息的抽象表示。數(shù)據(jù)除數(shù)字、字母、符號外，還應(yīng)包括所有能輸入計算機(jī)并被程序加工處理的符號集合。在過程控制中，如描述某管道流量控制回路，應(yīng)用工位號（如FIC101）、工位說明（可以是漢字）、測量值（包括工程單位及量程上/下限）、設(shè)定值、操作值、運(yùn)行方式（如手動、自動、串級等）、報警狀態(tài)（包括報警上、下限和報警等級）、測量值變化率以及綜合數(shù)據(jù)而形成的趨勢圖（帶時間戳的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)）、回路棒圖等。由此看來，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流不只是與現(xiàn)場測量儀表和執(zhí)行儀表有關(guān)，還與控制策略、人機(jī)界面、系統(tǒng)安全、工藝過程安全等因素有關(guān)。信息中的聲音、圖像等也是以數(shù)據(jù)形式傳輸?shù)模哉f數(shù)據(jù)是信息的載體，數(shù)據(jù)是數(shù)字化的信息，數(shù)據(jù)通信技術(shù)只是完成數(shù)據(jù)高速公路及類似郵電局的一般通信業(yè)務(wù)，真正完成數(shù)據(jù)的處理和利用，還有大量軟件集成的任務(wù)。由于構(gòu)成系統(tǒng)的各部分是來自不同的儀表制造工廠，所以異構(gòu)系統(tǒng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)一體化，就會有很多“接口”。要實(shí)現(xiàn)無縫集成，這些“接口”不只是要做到物理上的連接，更重要的是要具有開放性，可實(shí)現(xiàn)互操作，即具有互操作性。

    從20世紀(jì)70年代以來，自動化儀表與系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在其進(jìn)程中，并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，“信息孤島”現(xiàn)象在發(fā)展，至90年代才逐漸開始解決，但同時又不斷產(chǎn)生新的矛盾。2000年前后形成了多種現(xiàn)場總線并存的IEC61158（測量和控制系統(tǒng)用）和IEC62026（低壓開關(guān)裝置及控制設(shè)備用）國際標(biāo)準(zhǔn)，還有CAN、Modbus、LonWorks及工業(yè)以太網(wǎng)等應(yīng)用較廣的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，所以系統(tǒng)集成的工作顯得更為重要。

    還要注意軟件集成的可行性和可用性，即價格不能貴（但不允許超越許可證的使用），用起來還要方便，而且可靠，運(yùn)行速度快，易于維護(hù)，另外，在強(qiáng)調(diào)“共性”的基礎(chǔ)上，還要照顧到各制造廠的“個性”，不然集成化就變成給自動化技術(shù)“添麻煩”的瓶頸、累贅或陷阱。

2，工業(yè)自動化系統(tǒng)集成技術(shù)

    （1） 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)

    局域網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，這是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)集成技術(shù)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)集成是在其模型框架內(nèi)完成的。特別是1983年ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織通過了開放系統(tǒng)互連（OSI，open system interconnection）參考模型，即ISO/OSI參考模型，常稱其為7層模型，它把通信過程分段，相應(yīng)地把網(wǎng)絡(luò)功能能分為不同邏輯和物理層次。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各層功能的基本方法是，利用硬件實(shí)現(xiàn)低層協(xié)議，利用軟件實(shí)現(xiàn)較高層協(xié)議，軟件集成包含其中。

    經(jīng)過多年的系統(tǒng)集成的實(shí)踐，于2003年發(fā)布了ISO15745標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)全稱為“工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成—開放系統(tǒng)應(yīng)用集成框架”。它解決了系統(tǒng)集成的應(yīng)用需求和接口兩個基本問題。第一部分通用描述提出了開放系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架（AIF，application integration framework），它定義了一些元素和規(guī)則，構(gòu)成集成模型來表示應(yīng)用需求，并開發(fā)應(yīng)用互操作專用規(guī)范AIP。這個AIP是接口規(guī)范的表示形式，并要求開發(fā)AIP時，應(yīng)用UML、XML等來描述和表述。這些對系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展起到了里程碑式作用。表示系統(tǒng)集成技術(shù)已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段了。

    （2） 關(guān)于OPC

    OPC（OLE for process control）為用于過程控制的對象鏈接嵌入式技術(shù)。OLE原為Object Linking and Embedding。OPC是一套數(shù)據(jù)交換接口的技術(shù)規(guī)范，OPC基金會已經(jīng)有120個成員，大多數(shù)儀表制造商都參加了該組織。

    把諸如現(xiàn)場智能化儀表、PLC控制器與基于PC的人機(jī)界面操作站集成在一起，這是系統(tǒng)集成商較早遇到的問題。這種接口問題的解決方法有多種，或者說接口有多種，但是接口規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化是必由之路。在自動化系統(tǒng)集成中以前采用動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)（DDE，dynamic data exchange），它對于幾臺PLC控制器與1臺內(nèi)裝HMI人機(jī)界面監(jiān)控軟件的PC機(jī)來說，還是可行的（現(xiàn)在也還有少數(shù)場合應(yīng)用此方法），但系統(tǒng)規(guī)模大了，就會有困難了，況且它并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以接口驅(qū)動軟件開發(fā)工作量很大，而且并不通用。OPC正是解決了這個問題，它作為通用接口，可以把各家數(shù)字化現(xiàn)場儀表與上位機(jī)界面軟件方便地鏈接起來，而且與PC機(jī)的Excel、Access、VB、VC等多種平臺鏈接起來。由于它采用了先進(jìn)的COM/DCOM技術(shù)（componet object model組件對象模型和Distributel COM 分布式組件對象模型），相比DDE等接口，它解決了運(yùn)行速度和多臺計算機(jī)傳輸問題，為通用的報務(wù)器/客戶器鏈接方式，實(shí)現(xiàn)即插即用。

    OPC性能不斷提高，最新版本為OPC3.05版本，可做到基于以太網(wǎng)橫向信息交換和實(shí)現(xiàn)跨平臺（即與非微軟的平臺如Linux）的OPC應(yīng)用，而且通過與EDDL合作，正在解決從底層到高層系統(tǒng)的互操作技術(shù)方案。

    （3） 關(guān)于組態(tài)技術(shù)

    組態(tài)一詞來自Configuration，它包括了配置、組態(tài)、結(jié)構(gòu)、布局等含意，在自動化領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)常把硬件配置與軟件組態(tài)搭配稱謂，而且當(dāng)今一般理解組態(tài)技術(shù)即指軟件組態(tài)，而且是面向控制策略的組態(tài)，是在基本控制算法基礎(chǔ)上構(gòu)成的功能塊之間的軟連接，是功能塊與現(xiàn)場設(shè)備物理地址之間的連接，當(dāng)然還包括類似儀表具體規(guī)格和參數(shù)的選擇。由此可見，這里講的軟件，并不是一般計算機(jī)的編制程序，而是專門為自動化工程師、工藝工程師設(shè)計的“工控編程”，以上所說的模塊化，實(shí)際上包含了硬件和軟件兩方面。這里所說“組態(tài)”是軟件模塊完成控制策略的面向最終用戶的集成技術(shù)的核心。現(xiàn)在的工控系統(tǒng)中，除了控制策略組態(tài)軟件以外，還有網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、設(shè)備組態(tài)。一般工程中，新系統(tǒng)開工前采用離線組態(tài)方法，而在工廠投運(yùn)進(jìn)行小范圍調(diào)整時，采用在線組態(tài)方法，這樣的集成技術(shù)，將使工程施工周期大為縮短。

    僅就控制策略組態(tài)而言，從DCS、PLC出現(xiàn)以來，工控編程的方法有多種，最流行的方法是“內(nèi)部儀表”接線圖法的電氣盤的“梯形”圖法。通常采用便攜式手持編程器或使用PC機(jī)內(nèi)裝組態(tài)工具軟件兩種方法進(jìn)行組態(tài)，但各制造廠的產(chǎn)品組態(tài)工具軟件各不相同，組態(tài)方法也有差別，所以標(biāo)準(zhǔn)化工作在集成技術(shù)中就顯得很重要。在分批控制（包括連續(xù)控）中有ANSI/ISA-88.01---1995標(biāo)準(zhǔn)，在PLC中出現(xiàn)IEC61131-3，后者除用于離散控制外，也涵蓋了分批控制、連續(xù)控制，它提出5種編程語言，即指令表（IL）、梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊圖（FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）。這包括了文本編程和圖形化編程兩方面，而且SFC中文本和圖形兼?zhèn)洌@些已在許多DCS和PLC產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)，但通用性、可移植性還存在許多問題。近來又開展“工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)用功能標(biāo)準(zhǔn)”IEC61499項(xiàng)目，對IEC61131-3進(jìn)行擴(kuò)展，它是針對通過語言網(wǎng)絡(luò)互連的模塊化分布系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，是以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的各種控制器在高層面上走向開放性的和應(yīng)用程序可移植的標(biāo)準(zhǔn)。這是DCS、PLC、PAC、IPC等的發(fā)展趨勢。國內(nèi)對控制器的控制引擎和數(shù)字引擎（實(shí)現(xiàn)對控制邏輯實(shí)時數(shù)據(jù)庫的解釋執(zhí)行）技術(shù)的研究，將為執(zhí)行TEC61131-3和TEC61499開創(chuàng)新的局面。

    根據(jù)控制策略組態(tài)技術(shù)的基本思路，控制組態(tài)模板、人機(jī)界面組態(tài)等，直至先進(jìn)控制和管控一體化系統(tǒng)都不能逐步采用組態(tài)技術(shù)，以便于系統(tǒng)工程師的應(yīng)用。到系統(tǒng)工程師只需“點(diǎn)菜單”或“連線”等點(diǎn)擊方式就能組態(tài)各種系統(tǒng)時，系統(tǒng)集成技術(shù)就真正做到了“松軟集成”（Power to Integrete）了。

    （4） 設(shè)備描述和設(shè)備管理

    設(shè)備描述簡稱DD（device descriptions），是提作為數(shù)字化的現(xiàn)場設(shè)備間的互操作的應(yīng)用行規(guī)，它使用現(xiàn)場設(shè)備間與主系統(tǒng)間的傳輸數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)類型、參考語義、應(yīng)用功能等能相互理解。設(shè)備描述是由設(shè)備描述語言DDL實(shí)現(xiàn)的，基金會現(xiàn)場總線（FF，foundation fieldbus）的現(xiàn)場設(shè)備采用可讀的結(jié)構(gòu)文本，用DDL編寫的設(shè)備描述的源程序，經(jīng)設(shè)備描述編譯器轉(zhuǎn)化成機(jī)器可讀的輸出文件，控制系統(tǒng)從而理解各制造商的設(shè)備的數(shù)據(jù)意義。這類似于PC機(jī)與打印機(jī)之間的驅(qū)動程序，一個現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表在接線完成之后，還需要把相應(yīng)的DD“驅(qū)動程序”裝在主機(jī)上，主機(jī)和現(xiàn)場儀表之間就可以互操作了。設(shè)備描述技術(shù)經(jīng)歷了一段時間發(fā)展，現(xiàn)場總線基金會等組織在DDL基礎(chǔ)上形成EDDL曲柄04年成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61804 EDDL，提供基本構(gòu)件約16種，即塊、變量、數(shù)組（陣列）、條目數(shù)組、記錄、數(shù)集、變量表、程序、域、響應(yīng)代碼、方法、單元關(guān)系、刷新關(guān)系、整體寫入關(guān)系、菜單、編輯顯示等，目前FF基金會已完成了與過程控制有關(guān)的溫度、壓力、流量等檢測儀表和執(zhí)行器的現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)備描述，而且有378種現(xiàn)場設(shè)備和17種主機(jī)系統(tǒng)通過互操作性的認(rèn)證。現(xiàn)FF等3家又與OPC組織合作，開展EDDL的第二階段的研發(fā)工作。羅克韋爾公司為首的ODVA組織完成了與離散控制有關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備、氣動閥、交流驅(qū)動設(shè)備、位置控制器等的設(shè)備描述。

    另外，1999年IVEI（德國電工器材公會）和Profibus國際組織提出了FDT（field device tool，現(xiàn)場設(shè)備工具）技術(shù)規(guī)范，得到了ABB、E+H、羅克韋爾、英維思等公司的支持，它獨(dú)立于FF等的設(shè)備集成技術(shù)，所以很受人們矚目。他們說該技術(shù)可以兼容EDDL，用戶只好拭目以待。近悉，EDDL與FDL將開展合作。

    由于設(shè)備描述技術(shù)的發(fā)展，使自動化儀表數(shù)字化、智能化進(jìn)入一個新階段，即將設(shè)備控制信息、運(yùn)行狀態(tài)信息及設(shè)備安裝信息集成在設(shè)備管理系統(tǒng)中。近來興起的設(shè)備管理系統(tǒng)一般均為在DCS系統(tǒng)（或稱主系統(tǒng)）基礎(chǔ)上增加一個內(nèi)裝AMS（asset management solution）設(shè)備管理系統(tǒng)軟件的顯示操作站，掛在同一局域網(wǎng)中，完成現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)工作，即完成設(shè)備組態(tài)管理、故障診斷、調(diào)試標(biāo)定所連設(shè)備，以及自動維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)庫，這把上面提到的MES/ERP層的部分功能在這里實(shí)現(xiàn)了，使管控一體化在此提前走向?qū)嵱谩?/P>

3，結(jié)束語

    系統(tǒng)集成和集成了的系統(tǒng)原文為System Integration 和 Integrated Sytem，這對最終用戶來說是有些不一樣。最終用戶是要求得到符合自己應(yīng)用需求的系統(tǒng)，是要求得到解決方案（solution），是要求實(shí)現(xiàn)交鑰匙工程，所以應(yīng)明確是要求得到“Integrated Sytem”，即集成好了的系統(tǒng)。對于以上所述的集成技術(shù)諸項(xiàng)應(yīng)該了解，但不必自己要自己去“從原材料”出發(fā)去集成，大量集成的工作應(yīng)該讓制造商、集成商去完成。

    這里說到工程實(shí)施過程應(yīng)該有“集成”的意識，這也是完成一個自動化工程的關(guān)鍵。應(yīng)該分條條塊塊，分工合作；應(yīng)該以串行方式為主，并行方式為輔；應(yīng)把技術(shù)隊(duì)伍的培養(yǎng)貫徹始終，做到人的集成、管理集成、技術(shù)集成，人、財、物形成一個整體；做到階段集成、工程實(shí)施階段集成、維護(hù)期的集成，使全生命周期貫穿著集成的思想。

    “數(shù)字化工廠”主要指工廠運(yùn)行信息的采集、存儲、控制等數(shù)字化，這可以說是物理對象數(shù)字化，工作對象數(shù)字化，而對于工廠建設(shè)過程中的數(shù)字化信息留存及全生命周期信息不斷加載，這對于工廠運(yùn)行也很重要。有研究表明，工廠運(yùn)行費(fèi)用的70%與生命周期有關(guān)。而過去的工程實(shí)施“集成”過程中，由于規(guī)劃設(shè)計、施工安裝、開車調(diào)試、運(yùn)行人員分割，可以說信息截流嚴(yán)重，這對“70%”費(fèi)用的使用和節(jié)約，是太不利了。所以從系統(tǒng)工程的角度看，集成化的工程實(shí)施，在一定程度上比集成化的產(chǎn)品更重要。所以“集成化”應(yīng)引起我們重視。