一類異構監控系統的集成技術

1 引言
現在工業、智能建筑等領域應用的多數都是集散控制系統(DCS),自從DCS問世以來，曾對工業自動化作出過重要貢獻，但由于DCS都是以系統形式銷售，其操作站也是由各制造廠家自行開發研制、各操作站對不同的系統來說都是專用的。各制造廠家都要投入大量人力物力開發其操作站和通信網絡。通常，DCS的通信網絡分為幾層，每層的協議對外都是不公開的。用戶只有通過高層網絡和專用接口，方可與管理網絡進行通信，從而使互聯費用十分高昂。由于操作站由各廠家自行開發，各系統專用，其軟件不是標準的，造成未經實踐考驗的產品就可能推向市場，致使操作站死機現象時有發生。掉電時會丟失數據，上電時需重新裝入數據，也給用戶帶來不便。此外，由于接地系統較為復雜、使DCS的控制器電源故障率高，也給使用帶來困難。更重要的是，各廠家的DCS通信標準不統一，各廠家產品自成體系，封閉式的控制，控制模式互不兼容，阻礙了信息的相互傳送和共享，以及軟件的共用，用戶一旦采用某個廠家的產品，就很難擺脫對該廠家的依賴。
高新技術的突飛猛進，買方市場的形成迫切需要而且完全可能從封閉式控制系統向開放式控制系統轉化。進入20世紀90年代后，隨著新技術、新器件、新方法、新應用的新進展及其相互促進，進一步推動了DCS向技術更完善、應用層次更廣泛的方向發展;同時又沖破了傳統DCS系統的束縛，將其提升到更高水平，這就是將取代DCS的新一代分布式控制與管理系統，它將進一步完善整個監控與管理系統的功能。
FCS系統利用現場總線技術，針對現存的DCS的某些不足，改進控制系統的結構，提高其性能和通用性。傳統的DCS系統由各種工作站通過局域網絡連接而成，操作站和信息管理站完成系統的組態、監控和運行管理，現場測控站則完成生產過程信息的采集和控制。DCS的主要問題是開放性差，分散不夠，需要用大量的電纜傳遞信號。FCS則突破了DCS系統中通信由專用網絡的封閉系統來實現所造成的缺陷，把封閉、專用的解決方案變成了開放、通用標準化的解決方案，把集散系統結構變成了新型全分布式結構，把DCS控制站中基本且可獨立的功能塊徹底下放到現場智能設備中，從而構成虛擬控制站，更好地體現了DCS設計思想的精華。
但是由于FCS是一種新技術，目前現場總線尚無統一的國際標準，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在某些不足。
FCS對傳統DCS的優勢表現在:
(1) 一對N的結構，一對傳輸線(總線)掛接N臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號。這種結構比一對一的單向模擬信號傳送結構布線簡單，安裝費用低，維護簡便。
(2) 開放式系統，現場總線采用統一的協議標準，是開放式的互連網絡。不同廠家的網絡產品可以集成在同一控制系統中。
(3) 徹底的分散控制，現場總線將控制功能下放到了現場儀表設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統的靈活性和自治性，減輕了DCS控制站的計算負擔。
(4) 可互操作性，在傳統的DCS中，不同廠家的設備是不能互相訪問的。而FCS采用同一標準，不同廠家的產品可以方便地接入同一網絡中，簡化了系統集成。
(5) 可靠性高，FCS采用數字信號傳輸數據，提高了數據的精度和抗干擾性。將控制功能放到現場設備中，使危險分散，系統的可靠性更高。
(6) 信息綜合和組態靈活，通過數字化的傳輸現場數據，FCS能獲取現場儀表的各種狀態、診斷信息，實現實時的系統監控和管理。此外，FCS引入了功能塊的概念，通過統一的組態方法，使系統組態簡單靈活，不同現場設備中的功能塊可以構成完整的控制回路。
除了DCS和FCS之外，還有許多監控系統，關于它們之間的集成，有關文獻已作過某些論述[1][2][3]，本文對異構系統集成有關問題再作些討論。
2 FCS與DCS的集成
由于DCS應用廣泛、技術成熟，在現有的技術條件和市場條件下，FCS還不能完全取代DCS，由此引出一個很重要的問題:如何在已有的DCS系統中應用現場總線新技術，即如何實現FCS與DCS的緊密集成，使二者各自的優勢都得到體現。
從本質來說，FCS是一個網絡通信系統，而DCS雖然涉及網絡通信，但其標準由各廠家自行制定，沒有開放性，所以DCS與FCS集成只是一種過渡策略，因為這種混合系統不能完全發揮FCS的優勢。
根據當前不同的應用需求，FCS和DCS有三個層次上的集成模式:
(1) 現場總線集成在DCS的I/O總線上
這種方式通過接口卡直接將現場總線集成到DCS系統中。與I/O功能塊相關的測量值和設定值可以通過接口卡映射成I/O總線上等價的值。通過這種映射關系，DCS就能透明地獲取現場總線智能儀表傳送的信息，其效果和傳統的變送器相同。
這種集成方式的優點:a)只需安裝現場總線接口卡，無需改變或升級DCS系統;b)對于一些初級的現場總線設備，廠家提供的功能塊有限，這種方式保留了DCS的控制功能;c)采用低成本的PC作為現場總線組態、診斷的接口單元。
但這種方式也限制了DCS所能獲取的信息，無法利用現場設備中大量的狀態信息。其他的一些局限包括:
a) 現場設備功能塊的組態、執行調度必須在PC而不是DCS中完成，設備信息庫由PC維護;
b) 通過現場總線接口卡與現場設備通信會引入傳輸延遲，這種延遲對一些快速過程的影響很明顯。
這種繼承方式主要應用于小型系統及現場總線技術的初期應用中。
(2) 現場總線集成在DCS網絡上
這種集成方式通過現場總線接口單元連接到DCS網絡上，現場設備中用于控制，計算的各種功能塊信息可以在DCS控制臺中獲取和更改。通過接口單元提供的服務，DCS操作站能獲取更多的現場設備信息。
這種集成方式的優點:控制和計算可以在現場設備中完成，相關的參數可以在DCS操作員站中訪問;便于現場總線和DCS之間的通信;DCS可以訪問現場設備中更多的信息。但是這種集成方式中現場設備功能組態仍在PC中完成，與DCS組態數據庫分離。
(3) 通過網關接口集成現場總線
這種集成方式通過專門設計的網關接口實現現場總線網絡和DCS系統的完全雙向連接，即DCS操作員站能訪問現場設備中的所有信息，而現場總線也能獲取DCS提供的各種信息，因此便于實現現場總線和DCS的協調控制。此外，在這種集成方式下，現場總線的控制功能更加獨立，可以構成一個脫離DCS的完整的控制系統。
這種方式主要適用于規模較大的控制系統，能有效保護用戶對DCS的先期投資。DCS負責監控、優化、先進控制、協調管理等較復雜的應用，是主控系統，而FCS負責現場設備層的數據采集和閉環控制，并將設備的狀態、診斷信息適時地傳送至DCS。
但是這種接口方式對網關接口技術要求很高，此接口要完成雙向的協議轉換，為DCS和現場總線提供透明的數據訪問。此外，整個系統統一組態后，如何維護和解釋一個全局信息庫也是一個需要解決的問題。
以上簡單討論了DCS和FCS集成的三種途徑。實現應用時情況會更復雜，主要原因是DCS的很多設計要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現場總線分散化、網絡化的實現。傳統意義上的DCS實現分散控制、集中管理，但在實際應用中，DCS的控制功能并沒有真正分散化，其管理功能更多的也只是監控和協調。因此，在未來的技術發展中，需要著重考慮DCS與FCS的集成，使系統配置達到最優，從而實現完整的控制、管理網絡架構。這樣，DCS的基本控制功能將逐步消失，它將更多的承擔監控、管理和決策任務，成為真正意義上的管理系統的一部分;而FCS則協調現場智能測控設備之間的通信，實現生產過程控制的徹底分散化、網絡化，因此，DCS與FCS結合是當前提高過程控制系統自動化水平的基本思路。
3 FCS與其它系統的集成
FCS是一種分布式的網絡自動化系統，它的基礎是現場總線，且位于網絡結構的最底層，因而被稱為底層網絡(Infranet)。
FCS的上層是企業網絡(Intranet)，企業網絡下面可以掛接多個類似于FCS或DCS的底層網絡或控制網絡。企業網絡的上層是互聯網絡(Internet)，互聯網絡下面可以掛接多個企業網絡。用網絡集成的概念來分析FCS．FCS和網絡的集成方式可以有兩種:FCS和企業網絡的集成，FCS和互聯網絡的集成。
3.1 FCS和企業網絡的集成
FCS和企業網絡的集成技術有以下2種:
(1) 網間連接技術 FCS和企業網絡之間通過網橋或網關等網間連接器互聯。
(2) OPC技術
對象鏈接嵌入技術已廣泛應用，OPC是用于過程控制的對象鏈接嵌入(OLE for Process Control，OPC)技術。OPC采用客戶／服務器(Client／Server)結構，OPC服務器對下層設備提供接口，使得現場控制層的各種過程信息能夠進入OPC服務器．從而實現向下互聯;另外OPC服務器還對上層設備提供標準的接口．使得上層企業網絡(Intranet)設備能夠取得OPC服務器中的數據，從而實現向上互聯，而且這兩種互聯都是雙向的，也就是說，OPC是FCS和企業網絡之間連接的橋梁。
3.2 FCS和互聯網絡的集成
網絡已經把社會、企業、家庭連接在一起，互聯網絡(Internet)也已經把世界聯系得更緊密，如果控制網絡(FCS或DCS)中的實時控制信息和數據網絡(Internet或Intranet)中管理決策信息結合起來，那將使網絡功能得到充分發揮。
FCS和互聯網絡的集成可以有兩種方式，一種是FCS通過企業網絡(Intranet)間接和互聯網絡(Internet)集成;另一種是FCS直接和互聯網絡(Internet)集成。
FCS和網絡的集成構成了遠程監控系統，實現了Infranet(底層網絡)、Intranet(企業網絡)和Internet(互聯網絡)的互聯。人們通過網絡對遠方生產過程進行監視和控制，對遠方的現場設備進行診斷和維護，對遠方的生產企業進行管理和指揮。
4 一般控制網與信息網集成技術的實現
在對企業的異構工控系統群的集成上，要針對不同的層次采用不同的集成方法，該集成是在同一層次上的集成，只有在同一層次上進行無縫集成才能發揮該層統一向上提供信息和向下傳遞信息的作用，實現各個層次的功能封裝。針對目前已實現基礎自動化的企業而言，大致可以分成現場設備層、過程監控層、生產管理層以及企業經營管理層。
(1) 現場設備層:設備層中的設備種類繁多,有傳感器,啟動器,驅動器,I/O部件,變送器,閥門等。設備的多樣性要求設備層滿足開放性要求,各廠商遵循工廠的標準,保證產品滿足標準化;來自不同廠家的設備在功能上可以采用相同功能的同類設備互換,實現可互換性;來自不同廠家的設備可以相互通信，并且可以在多廠家的環境中實現可互操作性。
(2) 過程監控層:過程監控層將來自現場設備層的信息送往控制室,置入實時數據庫,進行高層控制與監視,它是網絡中自動化系統的過程監控層,通常可由以太網等傳送速度較快的網段組成。各種現場總線網段均可通過通信控制器或PC接口卡與過程監控層交換數據。
(3) 生產管理層:工廠的生產調度、計劃、銷售、庫存、財務、人事等構成了企業信息管理層,它是局域網的上層,一般由關系數據庫收集、整理這些來自各個部門的各類信息并進行綜合處理。通常可由以太網、TOP等局域網段組成。管理層和監控層共同構成了制造執行層MES(Manufacturing Execution System)。
(4) 企業經營管理層:該層將跨越工廠或企業的局部地域，融合外界商業經營網點、原材料供應和部件生產基地的信息，也被稱為企業資源規劃層ＥＲＰ(Enterprise Resource Planning)。企業局域網可通過多種途徑，與來自外界互聯網絡的實時信息等實現數據共享。
企業信息網絡系統集成結構示意圖如圖1所示:

5 軟件功能的無縫集成
控制網與信息網集成的含義是實現網際間信息與資源的共享。從這個意義上說，實現控制網與信息網集成的技術有:
(1) 控制網絡與信息網絡集成的動態數據交換技術(Dynamic Data Exchange, DDE)。當控制網絡與信息網有一共享工作站或通信處理機時，可以通過動態數據交換技術，即各應用程序共享內存交換信息，實現控制網絡中實時數據與信息網絡中數據庫的動態交換，從而實現控制網絡與信息網絡的集成。
(2) 控制網絡與信息網絡的互聯技術。一般來說控制網絡與信息網絡是兩類具有不同功能、不同結構和不同形式的網絡。實現控制網絡與信息網絡的互聯是控制網絡與信息網絡的集成的基本技術之一。通常網絡互聯可由網關和路由器實現，而網絡擴展可由網橋和中繼器實現。WEB技術在控制網絡與信息網絡的互聯中已得到實際應用。
(3) 控制網絡與信息網絡集成的遠程通信技術。
當控制網絡與信息網絡地理上相距較遠時，遠程通信技術是實現網絡集成的有效方法之一。遠程通信技術有:利用調制解調器的數據通信，基于TCO/IP的遠程通信，包括應用TCP/IP中的FTP協議和PPP協議。
(４)控制網絡與信息網絡集成的數據庫訪問技術。信息網絡一般采用開放式數據庫系統，這樣，通過數據庫訪問技術可以實現控制網絡與信息網絡的集成。作為企業內部信息網絡的Intranet可以通過一個瀏覽器接入控制網絡，基于WEB技術，通過該瀏覽器可與信息網絡數據庫進行動態的、交互式的信息交換，實現控制網絡與信息網絡的集成。
針對異構工控系統群軟件功能集成，首先需要解決的是接口規范化問題。由OPC基金組提出的OPC規范正是為了解決此問題的。OPC全稱OLE for Process Control，它是專為過程控制而設計的基于OLE技術的標準。它將訪問現場設備的開發任務以標準接口的形式放到設備生產廠家或第三方，并將該接口以服務器形式透明地提供給用戶(工控軟件開發人員)，使用戶得以從底層的通信模塊開發中解放出來，而專注于工控軟件的功能。
OPC標準采用了客戶/服務器體系結構。在支持OPC的系統中，數據的提供者作為服務器(Server)，數據請求者作為客戶(Client),服務器和客戶之間通過DCOM接口進行通信，而無需知道對方內部的實現細節。由于COM技術是在二進制代碼級實現的，所以服務器和客戶可以由不同的廠商提供。在實際應用中，作為服務器的數據采集程序往往由硬件設備制造商隨硬件提供，可以發揮硬件的全部效能，而作為客戶的組態軟件可以通過OPC與各廠家的驅動程序無縫連接，這樣可以從根本上解決以前采用專用格式驅動程序總是滯后于硬件更新的問題。
(5) 美國Wonderware公司很好地解決了軟件系統集成問題，不同公司的組態軟件可以通過I/O服務器進入Wonderware軟件系統。該公司的Factory Suite套件為絕大多數的工廠應用提供了核心技術，包含了建立、測試、運行、驗證應用程序的強大工具。在工廠現場，只需要購買安裝運行版軟件來運行開發好的應用程序。
Factory Suite包含以下核組件:
·In Touch:過程可視化模塊;
·In Track:資源管理和WIP(Work In Process)跟蹤模塊;
·Industrial SQL Sever:實時關系型工廠信息數據庫;
·In Control:基于PC的機器和過程控制模塊;
·In Batch:柔性批處理管理系統;
·Suite Voyager:基于Internet/Intranet的生產制造信息門戶;
·Ｉ/Ｏ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。它為制造信息系統集成了操作人員所需的各種信息，可以在工廠內部和各車間之間共享。
6 結束語
監控系統的類型繁多，系統之間集成方法各有不同，集成后系統的性能自然會有差異。值得推薦的是采用Wonderware產品，因為不同系統都可以通過該系統的I/O Sever進入該系統，為系統功能擴大、升級創造良好的軟件環境，為實現系統的信息共享提供堅實可靠的數據平臺。