面向智能化過程的現(xiàn)場異構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)集成技術(shù)

鄧 凱

(重慶思源建筑技術(shù)公司 智能化事業(yè)部，重慶 401120)

隨著計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，新技術(shù)、新器件、新方法與新應(yīng)用正在沖破傳統(tǒng)系統(tǒng)的束縛向更高水平的智能化方向邁進(jìn)，進(jìn)一步完善了智能化監(jiān)控與管理系統(tǒng)的控制與管理功能。但是鑒于歷史、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等各種原因，在智能化過程中也產(chǎn)生了眾多各種類型的“信息孤島”，使大量有潛在應(yīng)用價值和現(xiàn)實利用價值的各種數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)運行過程中流失與沉淀，以致難以從宏觀上了解整個系統(tǒng)的行為而導(dǎo)致系統(tǒng)功能失去控制與管理，違背了構(gòu)建智能化系統(tǒng)的初衷。解決問題的方案就是將智能化的各個子系統(tǒng)進(jìn)行集成。由于需求不同，存在各種類型的集成，如分布式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Field-bus Control System)的集成等，以下結(jié)合現(xiàn)場工程實踐，從不同層面對系統(tǒng)集成技術(shù)做些討論。

DCS 問世以來，曾對工業(yè)自動化作出過重要貢獻(xiàn)，在工業(yè)自動化領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但因其通信網(wǎng)絡(luò)的各層協(xié)議不對外公開，各廠家通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，用戶只能借助專用接口和高層網(wǎng)絡(luò)與管理信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，各廠家產(chǎn)品的控制模式互不兼容，數(shù)據(jù)信息難以相互傳送與共享，一旦選定產(chǎn)品后幾乎不可能擺脫對該廠家的依賴。針對現(xiàn)存的DCS 的某些不足，F(xiàn)CS 基于現(xiàn)場總線技術(shù)，突破了DCS 的缺陷，將其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造為新型的全分布式結(jié)構(gòu)，控制站的功能由現(xiàn)場智能設(shè)備承擔(dān)，類似于一個虛擬控制站，與傳統(tǒng)的DCS 比較，F(xiàn)CS 的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。①采用一對傳輸線(總線)掛接N 臺現(xiàn)場設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各個類型的數(shù)字信號可在總線上雙向傳輸，布線簡單，便于安裝維護(hù)。②FCS 采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，開放性好，便于互連網(wǎng)絡(luò)，在同一個控制系統(tǒng)中可以采用多個不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)集成。③控制功能在現(xiàn)場儀表設(shè)備完成，因此DCS控制站的計算負(fù)擔(dān)小，系統(tǒng)靈活性和自治性大大提高，實施的是徹底的分散控制。④FCS 系統(tǒng)由于采用標(biāo)準(zhǔn)的同一化便于實現(xiàn)互操作性，不同產(chǎn)品可接入到同一網(wǎng)絡(luò)中。⑤FCS系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是數(shù)字信號，傳輸數(shù)據(jù)精度高和抗干擾性強(qiáng)，鑒于控制功能分散到各個現(xiàn)場智能設(shè)備中實現(xiàn)，使系統(tǒng)可靠性大大提高，分散了控制功能失效的危險性。⑥現(xiàn)場數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳輸方式便于獲取現(xiàn)場的狀態(tài)與診斷信息，使系統(tǒng)組態(tài)與信息綜合更加靈活，有利于系統(tǒng)的實時監(jiān)控和在線管理。

在不同現(xiàn)場的設(shè)備中，基于功能塊的設(shè)計有利于構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，可借助簡單靈活的組態(tài)實現(xiàn)系統(tǒng)功能［1-4］。對其他監(jiān)控系統(tǒng)的集成［5-10］，分別從不同角度作了比較深入的討論，它們都是與工業(yè)自動化有關(guān)的常見異構(gòu)系統(tǒng)集成問題。

1 DCS 與FCS 的集成

盡管FCS 有眾多優(yōu)勢，但是DCS 技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，局限于現(xiàn)有市場與技術(shù)條件，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 并不能完全取代分布式控制系統(tǒng)DCS，因此有必要探討使二者各自優(yōu)勢都得到充分體現(xiàn)的系統(tǒng)集成過渡策略。按照用戶的不同應(yīng)用需求，F(xiàn)CS 和DCS 的集成模式可在3 個不同的層次上分別進(jìn)行集成。

1.1 基于DCS I/O 總線的系統(tǒng)集成

該方式的特征在于將現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通過接口卡直接集成到分布式控制系統(tǒng)DCS 系統(tǒng)中。借助接口卡將現(xiàn)場相關(guān)的設(shè)定值與測量值直接映射為DCS I/O 總線的等價值。映射關(guān)系是唯一的，因此效果和傳統(tǒng)的變送器是等價的，DCS可透明地獲取傳送的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。其優(yōu)點在于:DCS 系統(tǒng)無需升級換代，僅僅在現(xiàn)場總線上安裝一個接口卡即可實現(xiàn)系統(tǒng)集成;分布式控制系統(tǒng)DCS 仍然保留了其控制功能，適合于某些初級現(xiàn)場總線設(shè)備功能塊有限的應(yīng)用現(xiàn)場;對現(xiàn)場總線組態(tài)與診斷的接口單元可采用低成本的PC 實現(xiàn)。但該方式也有其局限性，如執(zhí)行調(diào)度是PC 而非DCS，通信有傳輸延遲，對快速過程響應(yīng)有影響，僅僅適用于小型系統(tǒng)及初級應(yīng)用，因此限制了設(shè)備功能塊的組態(tài)與DCS 信息的獲取，容易導(dǎo)致大量現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息流失。

1.2 基于DCS 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成

將現(xiàn)場總線接口單元與DCS 網(wǎng)絡(luò)直接連接，接口單元的功能是為DCS 系統(tǒng)提供服務(wù)，使DCS 操作站可直接獲取現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備信息，其相關(guān)參數(shù)也可以在DCS 操作站中訪問，但是相關(guān)的控制和計算仍然由現(xiàn)場設(shè)備完成。該方式的優(yōu)點在于方便了現(xiàn)場總線和DCS 之間的通信，使DCS 系統(tǒng)可直接到現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行訪問，從而獲取更多的現(xiàn)場信息。值得注意的是:在這種方式下現(xiàn)場設(shè)備的功能組態(tài)與DCS 系統(tǒng)無關(guān)，由于PC 與DCS 組態(tài)數(shù)據(jù)庫是分離的，其設(shè)備功能組態(tài)是由PC 完成的。

1.3 通過網(wǎng)關(guān)接口實現(xiàn)集成

眾所周知，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換可借助網(wǎng)關(guān)接口實現(xiàn)，DCS 網(wǎng)絡(luò)與FCS 網(wǎng)絡(luò)之間的雙向通信也可借助專門設(shè)計的網(wǎng)關(guān)接口實現(xiàn)。這種集成方式的特點在于:現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在功能上是獨立的，是一個脫離DCS 系統(tǒng)的完整控制系統(tǒng);對規(guī)模較大的控制系統(tǒng)而言，它可有效地保護(hù)用戶對DCS 的先期投資，DCS 系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的主控系統(tǒng)，較復(fù)雜的應(yīng)用如整個系統(tǒng)監(jiān)控、優(yōu)化、先進(jìn)控制、協(xié)調(diào)管理等仍然由DCS 系統(tǒng)負(fù)責(zé);現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 的職責(zé)是完成現(xiàn)場設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)、診斷信息等實時地傳送給DCS 系統(tǒng)。值得注意的是:該集成方式對網(wǎng)關(guān)接口在技術(shù)方面要求很高，為了給分布式控制系統(tǒng)DCS 和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 提供透明的數(shù)據(jù)訪問，其網(wǎng)關(guān)接口必須完成雙向的協(xié)議轉(zhuǎn)換;此外，必須解決整個系統(tǒng)全局信息庫的維護(hù)和解釋問題。

系統(tǒng)的集成應(yīng)用情況是很復(fù)雜的，名義上的DCS 系統(tǒng)功能在于實現(xiàn)分散控制與集中管理，但是其控制功能并不是真正意義上的分散化，管理功能也仍然局限于監(jiān)控和協(xié)調(diào)，因為分布式控制系統(tǒng)DCS 一般具有封閉性，因此限制了其分散化控制與網(wǎng)絡(luò)化管理功能的實現(xiàn)，因此DCS 與FCS 結(jié)合正是提高過程控制系統(tǒng)自動化水平的方向。兩者的有機(jī)結(jié)合可實現(xiàn)完整的控制與管理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使系統(tǒng)配置達(dá)到最優(yōu)，弱化DCS 控制功能，使DCS 主要承擔(dān)監(jiān)控、管理和決策任務(wù)，突出集中管理功能實現(xiàn);其控制功能主要由FCS 完成，使之實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的徹底分散化與網(wǎng)絡(luò)化，其現(xiàn)場智能測控設(shè)備之間的通信則由現(xiàn)場總線系統(tǒng)協(xié)調(diào)。

2 FCS 與其他系統(tǒng)的集成

現(xiàn)場總線是一種底層網(wǎng)絡(luò)(Infranet)，位于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底層，因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 實質(zhì)上是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)。底層網(wǎng)絡(luò)的上層網(wǎng)絡(luò)稱為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)，其下面可以掛接多個類似于DCS 或FCS 的控制網(wǎng)絡(luò)或底層網(wǎng)絡(luò)。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Internet)位于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的上層，其下又可掛接多個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)集成角度考慮.FCS 可以與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)集成。

2.1 與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成有網(wǎng)間連接和OPC 連接2 種技術(shù)。前者是在FCS 和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間借助網(wǎng)間連接器(如網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān)等)實現(xiàn)其間的互聯(lián)，以方便其進(jìn)行相互間的數(shù)據(jù)交換。后者是借助已被廣泛應(yīng)用于過程控制的對象鏈接嵌入技術(shù)OPC(OLE for Process Control，OPC)實現(xiàn)系統(tǒng)集成，OPC 采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)結(jié)構(gòu)，其功能是實現(xiàn)向下層設(shè)備和向上層企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)設(shè)備的互聯(lián)。對下層現(xiàn)場設(shè)備而言，OPC 服務(wù)器提供有專門的接口，使位于現(xiàn)場控制層設(shè)備的過程數(shù)據(jù)信息可傳送到OPC服務(wù)器以實現(xiàn)向下的互聯(lián);對上層企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)設(shè)備而言，OPC 服務(wù)器對其提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，因此可獲取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)向上的互聯(lián)。上述2 種技術(shù)的互聯(lián)均為雙向互聯(lián)，因此可以說，實質(zhì)上OPC 就是企業(yè)網(wǎng)絡(luò)與FCS 之間連接的橋梁。

2.2 與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的集成

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，使網(wǎng)絡(luò)功能得到充分發(fā)揮，事實上由于控制網(wǎng)絡(luò)(DCS 或FCS)中的實時控制信息和數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)(Intranet 或Internet)中管理決策信息的結(jié)合，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Internet)已經(jīng)把世界聯(lián)系得更緊密。在集成方式上，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和FCS 的集成可以有兩種:即FCS 直接和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Internet)集成;FCS 借助企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)間接與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Internet)集成。借助FCS 與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的集成，可實現(xiàn)Internet(互聯(lián)網(wǎng)絡(luò))、Intranet(企業(yè)網(wǎng)絡(luò))和Infranet(底層網(wǎng)絡(luò))之間的互聯(lián)，從而可構(gòu)成各種各樣的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，方便了對遠(yuǎn)程生產(chǎn)企業(yè)的管理和指揮、對遠(yuǎn)端現(xiàn)場設(shè)備的診斷和維護(hù)與對遠(yuǎn)方生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制。

3 管理信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的集成實現(xiàn)

由于種種歷史與經(jīng)濟(jì)技術(shù)的原因，導(dǎo)致企業(yè)中存在多種異構(gòu)工控系統(tǒng)，而且表現(xiàn)形態(tài)也有所不同，可針對不同的層次采用不同的集成方法。值得注意的是:一般這種集成是在同一層次上進(jìn)行的，只有同層次的無縫集成，才能使該層統(tǒng)一向下層傳遞數(shù)據(jù)信息與向上層提供數(shù)據(jù)信息的作用充分發(fā)揮，方便各個層次功能封裝的實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)集成的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，從管控一體化的系統(tǒng)層次考慮，一般企業(yè)從底層控制到上層管理，可分為現(xiàn)場設(shè)備層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層與企業(yè)經(jīng)營管理層等4 個層次，不同層次各有其特定功能。

圖1 網(wǎng)絡(luò)集成結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 現(xiàn)場設(shè)備層

位于系統(tǒng)最底層的是設(shè)備層，包括各種各樣的傳感器、變送器、變換器、連接器、I/O 部件、智能儀表、閥門、啟動器與驅(qū)動器等等，種類繁多，對多樣性設(shè)備的共同要求是:處于設(shè)備層的這些設(shè)備必須滿足系統(tǒng)的開放性要求，各廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品必須遵循規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，保證其產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求。在設(shè)備功能上不同廠家相同功能的同類設(shè)備可互換，確保產(chǎn)品可互換性的實現(xiàn);不同廠家的設(shè)備可相互通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證在應(yīng)用環(huán)境中設(shè)備可互操作性的實現(xiàn)。

3.2 過程監(jiān)控層

該層是網(wǎng)絡(luò)中自動化系統(tǒng)的過程監(jiān)控層，其職責(zé)是負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備層的數(shù)據(jù)信息采集，并將其傳送至控制室的實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)系統(tǒng)的高層控制與監(jiān)視。通常由工業(yè)以太網(wǎng)等傳送速度較快的網(wǎng)段組成，在各種現(xiàn)場總線網(wǎng)段之間，可借助PC 接口卡或通信控制器實現(xiàn)與過程監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交換。

3.3 生產(chǎn)管理層

企業(yè)信息管理層位于局域網(wǎng)的上層，由生產(chǎn)調(diào)度、計劃、銷售、庫存、財務(wù)、人事等管理子系統(tǒng)構(gòu)成，借助關(guān)系數(shù)據(jù)庫，收集與整理各類部門信息，并對其進(jìn)行綜合處理為生產(chǎn)管理決策提供技術(shù)支持。上述過程監(jiān)控層與生產(chǎn)管理層共同構(gòu)成了制造執(zhí)行層MES(manufacturing execution system)，生產(chǎn)管理層通常由以太網(wǎng)、TOP 等局域網(wǎng)段組成。

3.4 企業(yè)經(jīng)營管理層

企業(yè)經(jīng)營管理層融合了外界商業(yè)經(jīng)營網(wǎng)點、原材料供應(yīng)和部件生產(chǎn)基地的各類信息，也被稱為企業(yè)資源規(guī)劃層ERP(enterprise resource planning)，借助企業(yè)局域網(wǎng)，其信息交換范圍已經(jīng)跨越工廠或企業(yè)的局部地域，因此可通過多種途徑共享外界的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息。

4 軟件功能的無縫集成

網(wǎng)絡(luò)集成意味著網(wǎng)際間信息與資源共享的實現(xiàn)，因此軟件功能的無縫集成極其重要，通過以下技術(shù)可實現(xiàn)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)與上層管理信息網(wǎng)絡(luò)的集成。

4.1 動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)DDE

借助DDE(dynamic data exchange)技術(shù)，可實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。當(dāng)各應(yīng)用程序共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)信息，即信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)共享通信處理機(jī)與工作站時，借助DDE 技術(shù)，可實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)絡(luò)中實時數(shù)據(jù)的動態(tài)交換，以實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的集成。

4.2 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)處于不同的層次，在功能、結(jié)構(gòu)與形式上是兩類不同的網(wǎng)絡(luò)，因此實現(xiàn)其互聯(lián)是集成控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的的基本技術(shù)之一。在集成實現(xiàn)技術(shù)方面，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通?？山柚W(wǎng)關(guān)和路由器實現(xiàn)，而網(wǎng)橋和中繼器一般用于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。值得注意的是:Web 技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)中已得到實際應(yīng)用。

4.3 遠(yuǎn)程通信技術(shù)。

當(dāng)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)在地理位置上相距較遠(yuǎn)時，采用遠(yuǎn)程通信技術(shù)是有效地實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成的方法之一。通常采用的遠(yuǎn)程通信技術(shù)是借助數(shù)據(jù)通信的調(diào)制解調(diào)器，基于TCP/IP 的遠(yuǎn)程通信實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成，其中，包括TCP/IP 中FTP 協(xié)議和PPP 協(xié)議的應(yīng)用。

4.4 數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

眾所周知，管理信息網(wǎng)絡(luò)采用開放式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，因此借助數(shù)據(jù)庫訪問即可進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。基于Web 技術(shù)，企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)Intranet 可接入控制網(wǎng)絡(luò)，通過瀏覽器就可實現(xiàn)與管理信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動態(tài)、交互式的數(shù)據(jù)信息交換，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。對異構(gòu)工控系統(tǒng)群中軟件系統(tǒng)功能集成，一般采用OPC 技術(shù)，服務(wù)器和客戶之間借助DCOM 接口進(jìn)行通信。在工業(yè)自動化各個層次的控制與管理系統(tǒng)中，美國Wonderware 公司已經(jīng)很好地解決了軟件系統(tǒng)集成問題，如它提供的I/O Sever 和OPC 程序庫:由800 多個I/O 通信程序和OPC 客戶程序連接工廠現(xiàn)場設(shè)備，使不同廠商提供的組態(tài)軟件可借助I/O 服務(wù)器進(jìn)入Wonderware 軟件系統(tǒng)，集成的各種信息均可在各車間及工廠內(nèi)部共享。

5 結(jié)束語

上述討論了智能化過程中現(xiàn)場異構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的集成技術(shù)。生產(chǎn)企業(yè)工程實踐表明，對類型繁多的各種現(xiàn)場異構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成，可避免有潛在應(yīng)用價值和現(xiàn)實利用價值的各種數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)運行過程中流失與沉淀，針對不同情況采用不同的系統(tǒng)集成方法，為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息共享提供堅實可靠的數(shù)據(jù)平臺。

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