面向智能化過程的現場異構監(jiān)控系統集成技術

鄧 凱

(重慶思源建筑技術公司 智能化事業(yè)部，重慶 401120)

隨著計算機與網絡技術的突飛猛進，新技術、新器件、新方法與新應用正在沖破傳統系統的束縛向更高水平的智能化方向邁進，進一步完善了智能化監(jiān)控與管理系統的控制與管理功能。但是鑒于歷史、技術與經濟等各種原因，在智能化過程中也產生了眾多各種類型的“信息孤島”，使大量有潛在應用價值和現實利用價值的各種數據信息在系統運行過程中流失與沉淀，以致難以從宏觀上了解整個系統的行為而導致系統功能失去控制與管理，違背了構建智能化系統的初衷。解決問題的方案就是將智能化的各個子系統進行集成。由于需求不同，存在各種類型的集成，如分布式控制系統DCS(Distributed Control System)與現場總線控制系統FCS(Field-bus Control System)的集成等，以下結合現場工程實踐，從不同層面對系統集成技術做些討論。

DCS 問世以來，曾對工業(yè)自動化作出過重要貢獻，在工業(yè)自動化領域獲得了廣泛的應用。但因其通信網絡的各層協議不對外公開，各廠家通信標準不統一，用戶只能借助專用接口和高層網絡與管理信息網絡進行數據信息交換，各廠家產品的控制模式互不兼容，數據信息難以相互傳送與共享，一旦選定產品后幾乎不可能擺脫對該廠家的依賴。針對現存的DCS 的某些不足，FCS 基于現場總線技術，突破了DCS 的缺陷，將其系統結構改造為新型的全分布式結構，控制站的功能由現場智能設備承擔，類似于一個虛擬控制站，與傳統的DCS 比較，FCS 的優(yōu)勢體現在以下方面。①采用一對傳輸線(總線)掛接N 臺現場設備的系統結構，各個類型的數字信號可在總線上雙向傳輸，布線簡單，便于安裝維護。②FCS 采用統一的協議標準，開放性好，便于互連網絡，在同一個控制系統中可以采用多個不同廠家的網絡產品進行系統集成。③控制功能在現場儀表設備完成，因此DCS控制站的計算負擔小，系統靈活性和自治性大大提高，實施的是徹底的分散控制。④FCS 系統由于采用標準的同一化便于實現互操作性，不同產品可接入到同一網絡中。⑤FCS系統傳輸的數據是數字信號，傳輸數據精度高和抗干擾性強，鑒于控制功能分散到各個現場智能設備中實現，使系統可靠性大大提高，分散了控制功能失效的危險性。⑥現場數據的數字化傳輸方式便于獲取現場的狀態(tài)與診斷信息，使系統組態(tài)與信息綜合更加靈活，有利于系統的實時監(jiān)控和在線管理。

在不同現場的設備中，基于功能塊的設計有利于構成完整的控制系統，可借助簡單靈活的組態(tài)實現系統功能［1-4］。對其他監(jiān)控系統的集成［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)自動化有關的常見異構系統集成問題。

1 DCS 與FCS 的集成

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

1.1 基于DCS I/O 總線的系統集成

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

1.2 基于DCS 網絡的系統集成

將現場總線接口單元與DCS 網絡直接連接，接口單元的功能是為DCS 系統提供服務，使DCS 操作站可直接獲取現場的相關設備信息，其相關參數也可以在DCS 操作站中訪問，但是相關的控制和計算仍然由現場設備完成。該方式的優(yōu)點在于方便了現場總線和DCS 之間的通信，使DCS 系統可直接到現場設備進行訪問，從而獲取更多的現場信息。值得注意的是:在這種方式下現場設備的功能組態(tài)與DCS 系統無關，由于PC 與DCS 組態(tài)數據庫是分離的，其設備功能組態(tài)是由PC 完成的。

1.3 通過網關接口實現集成

眾所周知，異構網絡之間的數據交換可借助網關接口實現，DCS 網絡與FCS 網絡之間的雙向通信也可借助專門設計的網關接口實現。這種集成方式的特點在于:現場總線控制系統在功能上是獨立的，是一個脫離DCS 系統的完整控制系統;對規(guī)模較大的控制系統而言，它可有效地保護用戶對DCS 的先期投資，DCS 系統是整個系統的主控系統，較復雜的應用如整個系統監(jiān)控、優(yōu)化、先進控制、協調管理等仍然由DCS 系統負責;現場總線控制系統FCS 的職責是完成現場設備層的數據采集和閉環(huán)控制，并負責現場設備的狀態(tài)、診斷信息等實時地傳送給DCS 系統。值得注意的是:該集成方式對網關接口在技術方面要求很高，為了給分布式控制系統DCS 和現場總線控制系統FCS 提供透明的數據訪問，其網關接口必須完成雙向的協議轉換;此外，必須解決整個系統全局信息庫的維護和解釋問題。

系統的集成應用情況是很復雜的，名義上的DCS 系統功能在于實現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)控和協調，因為分布式控制系統DCS 一般具有封閉性，因此限制了其分散化控制與網絡化管理功能的實現，因此DCS 與FCS 結合正是提高過程控制系統自動化水平的方向。兩者的有機結合可實現完整的控制與管理網絡架構，使系統配置達到最優(yōu)，弱化DCS 控制功能，使DCS 主要承擔監(jiān)控、管理和決策任務，突出集中管理功能實現;其控制功能主要由FCS 完成，使之實現生產過程控制的徹底分散化與網絡化，其現場智能測控設備之間的通信則由現場總線系統協調。

2 FCS 與其他系統的集成

現場總線是一種底層網絡(Infranet)，位于網絡結構的最底層，因此現場總線控制系統FCS 實質上是一種分布式的網絡自動化系統。底層網絡的上層網絡稱為企業(yè)網絡(Intranet)，其下面可以掛接多個類似于DCS 或FCS 的控制網絡或底層網絡。互聯網絡(Internet)位于企業(yè)網絡的上層，其下又可掛接多個企業(yè)網絡。從網絡集成角度考慮.FCS 可以與企業(yè)網絡和互聯網絡集成。

2.1 與企業(yè)網絡的集成

現場總線控制系統FCS 和企業(yè)網絡的集成有網間連接和OPC 連接2 種技術。前者是在FCS 和企業(yè)網絡之間借助網間連接器(如網橋或網關等)實現其間的互聯，以方便其進行相互間的數據交換。后者是借助已被廣泛應用于過程控制的對象鏈接嵌入技術OPC(OLE for Process Control，OPC)實現系統集成，OPC 采用客戶/服務器(Client/Server)結構，其功能是實現向下層設備和向上層企業(yè)網絡(Intranet)設備的互聯。對下層現場設備而言，OPC 服務器提供有專門的接口，使位于現場控制層設備的過程數據信息可傳送到OPC服務器以實現向下的互聯;對上層企業(yè)網絡(Intranet)設備而言，OPC 服務器對其提供了標準的接口，因此可獲取OPC服務器中的數據以實現向上的互聯。上述2 種技術的互聯均為雙向互聯，因此可以說，實質上OPC 就是企業(yè)網絡與FCS 之間連接的橋梁。

2.2 與互聯網絡的集成

網絡技術的快速發(fā)展，使網絡功能得到充分發(fā)揮，事實上由于控制網絡(DCS 或FCS)中的實時控制信息和數據信息網絡(Intranet 或Internet)中管理決策信息的結合，互聯網絡(Internet)已經把世界聯系得更緊密。在集成方式上，互聯網絡和FCS 的集成可以有兩種:即FCS 直接和互聯網絡(Internet)集成;FCS 借助企業(yè)網絡(Intranet)間接與互聯網絡(Internet)集成。借助FCS 與互聯網絡的集成，可實現Internet(互聯網絡)、Intranet(企業(yè)網絡)和Infranet(底層網絡)之間的互聯，從而可構成各種各樣的遠程監(jiān)控系統，方便了對遠程生產企業(yè)的管理和指揮、對遠端現場設備的診斷和維護與對遠方生產過程的監(jiān)視和控制。

3 管理信息網絡與控制網絡的集成實現

由于種種歷史與經濟技術的原因，導致企業(yè)中存在多種異構工控系統，而且表現形態(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行的，只有同層次的無縫集成，才能使該層統一向下層傳遞數據信息與向上層提供數據信息的作用充分發(fā)揮，方便各個層次功能封裝的實現。網絡集成的結構示意圖如圖1 所示，從管控一體化的系統層次考慮，一般企業(yè)從底層控制到上層管理，可分為現場設備層、過程監(jiān)控層、生產管理層與企業(yè)經營管理層等4 個層次，不同層次各有其特定功能。

圖1 網絡集成結構示意圖

3.1 現場設備層

位于系統最底層的是設備層，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、啟動器與驅動器等等，種類繁多，對多樣性設備的共同要求是:處于設備層的這些設備必須滿足系統的開放性要求，各廠商生產的產品必須遵循規(guī)范標準，保證其產品滿足標準化要求。在設備功能上不同廠家相同功能的同類設備可互換，確保產品可互換性的實現;不同廠家的設備可相互通信進行數據交換，保證在應用環(huán)境中設備可互操作性的實現。

3.2 過程監(jiān)控層

該層是網絡中自動化系統的過程監(jiān)控層，其職責是負責現場設備層的數據信息采集，并將其傳送至控制室的實時數據庫，實現系統的高層控制與監(jiān)視。通常由工業(yè)以太網等傳送速度較快的網段組成，在各種現場總線網段之間，可借助PC 接口卡或通信控制器實現與過程監(jiān)控層的數據交換。

3.3 生產管理層

企業(yè)信息管理層位于局域網的上層，由生產調度、計劃、銷售、庫存、財務、人事等管理子系統構成，借助關系數據庫，收集與整理各類部門信息，并對其進行綜合處理為生產管理決策提供技術支持。上述過程監(jiān)控層與生產管理層共同構成了制造執(zhí)行層MES(manufacturing execution system)，生產管理層通常由以太網、TOP 等局域網段組成。

3.4 企業(yè)經營管理層

企業(yè)經營管理層融合了外界商業(yè)經營網點、原材料供應和部件生產基地的各類信息，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，其信息交換范圍已經跨越工廠或企業(yè)的局部地域，因此可通過多種途徑共享外界的互聯網絡數據信息。

4 軟件功能的無縫集成

網絡集成意味著網際間信息與資源共享的實現，因此軟件功能的無縫集成極其重要，通過以下技術可實現現場控制網絡與上層管理信息網絡的集成。

4.1 動態(tài)數據交換技術DDE

借助DDE(dynamic data exchange)技術，可實現控制網絡與信息網絡的集成。當各應用程序共享內存交換數據信息，即信息網絡與控制網絡共享通信處理機與工作站時，借助DDE 技術，可實現信息網絡中數據庫數據與控制網絡中實時數據的動態(tài)交換，以實現信息網絡與控制網絡的集成。

4.2 網絡互聯技術

控制網絡與信息網絡處于不同的層次，在功能、結構與形式上是兩類不同的網絡，因此實現其互聯是集成控制網絡與信息網絡的的基本技術之一。在集成實現技術方面，網絡互聯通常可借助網關和路由器實現，而網橋和中繼器一般用于網絡擴展。值得注意的是:Web 技術在控制網絡與信息網絡的互聯中已得到實際應用。

4.3 遠程通信技術。

當信息網絡與控制網絡在地理位置上相距較遠時，采用遠程通信技術是有效地實現控制網絡與信息網絡集成的方法之一。通常采用的遠程通信技術是借助數據通信的調制解調器，基于TCP/IP 的遠程通信實現網絡集成，其中，包括TCP/IP 中FTP 協議和PPP 協議的應用。

4.4 數據庫訪問技術

眾所周知，管理信息網絡采用開放式數據庫系統，因此借助數據庫訪問即可進行信息網絡與控制網絡之間的數據信息，實現控制網絡與信息網絡的集成。基于Web 技術，企業(yè)內部信息網絡Intranet 可接入控制網絡，通過瀏覽器就可實現與管理信息網絡中數據庫進行動態(tài)、交互式的數據信息交換，實現控制網絡與信息網絡的集成。對異構工控系統群中軟件系統功能集成，一般采用OPC 技術，服務器和客戶之間借助DCOM 接口進行通信。在工業(yè)自動化各個層次的控制與管理系統中，美國Wonderware 公司已經很好地解決了軟件系統集成問題，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場設備，使不同廠商提供的組態(tài)軟件可借助I/O 服務器進入Wonderware 軟件系統，集成的各種信息均可在各車間及工廠內部共享。

5 結束語

上述討論了智能化過程中現場異構監(jiān)控系統的集成技術。生產企業(yè)工程實踐表明，對類型繁多的各種現場異構監(jiān)控系統進行集成，可避免有潛在應用價值和現實利用價值的各種數據信息在系統運行過程中流失與沉淀，針對不同情況采用不同的系統集成方法，為實現整個系統的數據信息共享提供堅實可靠的數據平臺。

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