自动化仪表和系统的集成技术的发展（ZT） 


1. 集成技术的发展 
在笔者以前发表的关于集成技术的文章中，多描述了DCS等发展前期的反馈控制、顺序控制、批量控制等各种控制策略及大、中、小流程工业对系统规模不同的需求，而对仪控、电控一体化、管控一体化的需求并未深入探讨，而现在这已提到日程上来了。 
在DCS、PLC、IPC等工控产品的发展过程中，3者互相促进，多代产品的更新换代、通信技术和人机界面软件的发展，使集成化逐步成为继自动化仪表和系统数字化、智能化、网络化之后，逐渐形成的第4个“化”，即形成了集成化的发展趋势。到目前为止，一直以提供完整系统为主要特色的DCS系统多家供应商也在集成化方面有很大进展，如采用COTS的以太网为主干网，以第3家的HMI软件为人机界面软件，采用通用组态软件平台，I/O组件采用OEM方式甚至有Honeywell的PKS系统采用Rockwell的控制器。 
作为集成化的一个例子，西门子的PCS7是该公司过程自动化新一代的DCS系统，已经有近10年的历史了，版本升至V7.0，根据ARC顾问集团白皮书报导，西门子成为全世界第4大DCS供应商，特别是2006年在中国获得了中石化青岛大炼油项目（年处理量为1000万t，I/O点约2万多点，今年5月24日已开车成功），证明其已进入了大型石化工业的控制领域。 
PCS7的十大新亮点中有3点提到集成：全集成自动化理念覆盖所有自动化领域的任务、集成批处理与路径控制软件包、集成工厂资产管理，ARC评价为“SIMATIC PCS7系统是一个全方位的DCS，能够满足在过程自动化中所需要的苛刻的条件”。它贯彻了仪控电控一体化和管控一体化的要求，提供了基于通用S7跨应用领域的通用硬件平台，利用了通用ET200系列I/O、通用的PROFIBUS以及以太网通信、通用的配置、工程设计和操作员界面以及一个独立统一的自动化数据库；通过MES的业务层集成，与诸如SAP之类的企业系统以及进出物流集成，做到在所有自动化领域提供通用组态和编码工具，通用用户界面和通用数据管理；鉴于流程工业现场仪表及其它设备数字化、智能化程度的提高，在DCS层集成了工厂资产管理的基础功能，同时也为MES/ERP提供必要的设备状况及设备资产有关数据；在工艺过程中，有要求故障时紧急停车或要求可燃气体、有毒气体报警等而设置安全仪表系统SIS的，也集成在PCS7的统一平台内。另外作为西门子的新的集成化系统，还做到兼容该公司、二、三代DCS，或称向PCS7系统的移植策略，与西门子有关的APACS、Teleperm、PCSOSx以及Braumat酿造系统、Cemart水泥厂控制系统，已有移植成功的多个业绩；还为其它家系统如Heneywell TDC3000提供FTA，以及为Freelance、PROVOX、I/A系列接口，为Micrex提供移植方案。PCS7除去连接Profibus PA外，还有连接HART、FF及其它现场总线、现场仪表的硬件和软件。 
ARC在近年评价横河公司及国际现场总线基金会、GE Fanuc等多份中提到协?同过程自动化系统（CPAS，Collaborative Process Automation System）和协?同生产系统（CPS，Collaborative Production System），这预示了管控一体化将进入一个新阶段，而其供应商是占有新一代集成技术的自动化仪表和系统的制造商。我国和利时和浙江?中控均各自发表了符合这一新潮流的系统。国内的用户单位也在这一新形势下，整合基础自动化和工厂信息化的技术力量，在做好上海赛科等大型石化企业全厂管控一体化的试点工作的同时，迎接新的协?同自动化的管控一体化的新局面。 
2. 集成的内涵 
集成的英文原词“Integrate”是“使完整”、“使一体化”的意思，或为“与…结合”、“成一体”等，我国常用“集…而大成”的句子，它的含义在系统工程学中极其重要，所以近年来常把“集成”一词用在创新、设计、制造、营销等人们的生产和经?济活动中，也用在产品生命全周期中，对自动化仪表和系统，提出了集成化（另有数字化、智能化、网络化）的目标。系统集成除作为一门技术外，其哲学内涵的探讨，也是很有用处的，敬请读者注意。 
从目前自动化行业来看集成化的内容，不仅是上一节提到的控制系统的集成，还应包括仪控、电控一体化和全厂的管控一体化，构成全厂的信息系统自下而上分为PCS（监控层）/MES（制造执行系统）/ERP（企业资源计划）3层，又在工艺过程中，有要求故障时紧急停车或要求可燃气体、有毒气体报警等而设置安全仪表系统SIS的，也应集成在一起。就PCS集成技术来看，应包括：硬件集成和软件集成两方面。硬件集成主要是根据输入、输出信号确定系统的选型、I/O模块、控制站台数（现按现场仪表是常规模拟仪表或HART仪表来考虑；如按现场总线仪表考虑，还应进行网段计算及确定链接卡—网关数量等）；根据人机界面的要求确定操作站的台数、工程师站的台数、CRT或LCD屏幕数、打印机台数、系统服务器台数及其它外围设备，另外还有与MES/ERP管理层的通信接口等。根据数据通信物理层和数据链路层的要求，确定通信信道的类型和线缆的尺寸，设置必要的通信设备如集线器、交换机等。 
软件集成主要任务是实现数据和信息的传送、存贮、处理及完成控制策略和人机界面。在数字化的基础上，模块和单元的集成，主要是信号、数据、信息的集成。 
信号是数据的物理表现，数据是信息的抽象表示。数据除数字、字母、符号外，还应包括所有能输入计算机并被程序加工处理的符号的集合，在过程控制中，如描述某管道流量控制回路，应有工位号（如FIC101）、工位说明（可以是汉字）、测量值（包括工程单位及量程上下限）、设定值、操作值、运行方式（如手动、自动、串级等）、报警状态（包括报警上、下限和报警等级）、测量值变化率以及综合数据而形成的趋势图（带时间戳的实时数据和历史数据）、回路棒图等。由此看来系统内数据流不只是与现场测量仪表和执行仪表有关，还与控制策略、人机界面、系统安全、工艺过程安全等因素有关。 
另外信息中声音、图像等也是以数据形式传输的，所以说数据是信息的载体，数据是数字化的信息，数据通信技术只是完成数据高速公路及类似邮电局的一般通信业务，真正完成数据的处理和利用，还有大量软件集成的任务。由于构成系统的各部分是来自不同的仪表制造厂，所以异构系统要实现一体化，就会有很多“接口”，要实现无缝集成，这些“接口”不只是要做到物理上的连接，更重要的是要具有开放性，可实现互操作，即具有互操作性。 
从20世纪70年代以来，自动化仪表和系统逐步实现了数字化，在其进程中，并无统一标准，“信息孤岛”的现象在发展，至90年代才逐渐开始得到解决，但同时又不断产生新的矛盾，2000年前后形成了多种现场总线并存的IEC61158（测量和控制系统用）和IEC62026（低压开关装置及控制设备用）等国际标准，还有CAN、MODBUS、LonWorks及工业以太网等应用较广的事实上的标准，2007年12月出版的IEC61158第4版现场总线标准为20种类型，所以系统集成的工作显得更为重要。 
我们还要注意软件集成的可得性和可用性，即价格不能贵（但不允许超越许可证的使用），用起来还要方便，而且可靠，运行速度快，易于维护。另外，在强调“共性”的基础上，还要照顾到各制造厂的“个性”，不然集成化就变成给自动化技术“添麻烦”的瓶颈、累赘或陷阱了。 
3. 工业自动化系统集成技术 
（1）关于标准 
局域网的通信标准，这是网络技术的关键，也是系统集成技术的基础，系统集成是在其模型框架内完成的。特别是1983年ISO国际标准化组织通过了开放系统互连OSI（Open System Interconnection）参考模型，即ISO/OSI参数模型，我们常称其为7层模型，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层7层，它把通信过程分段，相应地把网络功能分为不同逻辑?和物理层次。实现网络节点各层功能的基本方法是，利用硬件实现较低层协议，利用软件实现较高层协?议，软件集成包含在其中。 
经过多年的系统集成的实践，于2003年发布了ISO 15745标准，标准全称为工业自动化系统和系统集成—开放系统应用集成框架。它解决了系统集成的应用需求和接口两个基本问题。标准分4部分：通用参考描述，以ISO11898标准为基础的控制系统的参考描述、以IEC61158标准为基础的控制系统参考描述、以以太网标准为基础的控制系统的参考描述。即1个通用描述和3个参数，3个参数是：CAN总线、FF等8种现场总线，以太网所构成的系统。部分通用描述提出了开放系统的应用集成框架AIF