面向智能化过程的现场异构监控系统集成技术

邓 凯

(重庆思源建筑技术公司 智能化事业部，重庆 401120)

随着计算机与网络技术的突飞猛进，新技术、新器件、新方法与新应用正在冲破传统系统的束缚向更高水平的智能化方向迈进，进一步完善了智能化监控与管理系统的控制与管理功能。但是鉴于历史、技术与经济等各种原因，在智能化过程中也产生了众多各种类型的“信息孤岛”，使大量有潜在应用价值和现实利用价值的各种数据信息在系统运行过程中流失与沉淀，以致难以从宏观上了解整个系统的行为而导致系统功能失去控制与管理，违背了构建智能化系统的初衷。解决问题的方案就是将智能化的各个子系统进行集成。由于需求不同，存在各种类型的集成，如分布式控制系统DCS(Distributed Control System)与现场总线控制系统FCS(Field-bus Control System)的集成等，以下结合现场工程实践，从不同层面对系统集成技术做些讨论。

DCS 问世以来，曾对工业自动化作出过重要贡献，在工业自动化领域获得了广泛的应用。但因其通信网络的各层协议不对外公开，各厂家通信标准不统一，用户只能借助专用接口和高层网络与管理信息网络进行数据信息交换，各厂家产品的控制模式互不兼容，数据信息难以相互传送与共享，一旦选定产品后几乎不可能摆脱对该厂家的依赖。针对现存的DCS 的某些不足，FCS 基于现场总线技术，突破了DCS 的缺陷，将其系统结构改造为新型的全分布式结构，控制站的功能由现场智能设备承担，类似于一个虚拟控制站，与传统的DCS 比较，FCS 的优势体现在以下方面。①采用一对传输线(总线)挂接N 台现场设备的系统结构，各个类型的数字信号可在总线上双向传输，布线简单，便于安装维护。②FCS 采用统一的协议标准，开放性好，便于互连网络，在同一个控制系统中可以采用多个不同厂家的网络产品进行系统集成。③控制功能在现场仪表设备完成，因此DCS控制站的计算负担小，系统灵活性和自治性大大提高，实施的是彻底的分散控制。④FCS 系统由于采用标准的同一化便于实现互操作性，不同产品可接入到同一网络中。⑤FCS系统传输的数据是数字信号，传输数据精度高和抗干扰性强，鉴于控制功能分散到各个现场智能设备中实现，使系统可靠性大大提高，分散了控制功能失效的危险性。⑥现场数据的数字化传输方式便于获取现场的状态与诊断信息，使系统组态与信息综合更加灵活，有利于系统的实时监控和在线管理。

在不同现场的设备中，基于功能块的设计有利于构成完整的控制系统，可借助简单灵活的组态实现系统功能［1-4］。对其他监控系统的集成［5-10］，分别从不同角度作了比较深入的讨论，它们都是与工业自动化有关的常见异构系统集成问题。

1 DCS 与FCS 的集成

尽管FCS 有众多优势，但是DCS 技术成熟、应用广泛，局限于现有市场与技术条件，现场总线控制系统FCS 并不能完全取代分布式控制系统DCS，因此有必要探讨使二者各自优势都得到充分体现的系统集成过渡策略。按照用户的不同应用需求，FCS 和DCS 的集成模式可在3 个不同的层次上分别进行集成。

1.1 基于DCS I/O 总线的系统集成

该方式的特征在于将现场总线数据通过接口卡直接集成到分布式控制系统DCS 系统中。借助接口卡将现场相关的设定值与测量值直接映射为DCS I/O 总线的等价值。映射关系是唯一的，因此效果和传统的变送器是等价的，DCS可透明地获取传送的相关数据信息。其优点在于:DCS 系统无需升级换代，仅仅在现场总线上安装一个接口卡即可实现系统集成;分布式控制系统DCS 仍然保留了其控制功能，适合于某些初级现场总线设备功能块有限的应用现场;对现场总线组态与诊断的接口单元可采用低成本的PC 实现。但该方式也有其局限性，如执行调度是PC 而非DCS，通信有传输延迟，对快速过程响应有影响，仅仅适用于小型系统及初级应用，因此限制了设备功能块的组态与DCS 信息的获取，容易导致大量现场设备状态信息流失。

1.2 基于DCS 网络的系统集成

将现场总线接口单元与DCS 网络直接连接，接口单元的功能是为DCS 系统提供服务，使DCS 操作站可直接获取现场的相关设备信息，其相关参数也可以在DCS 操作站中访问，但是相关的控制和计算仍然由现场设备完成。该方式的优点在于方便了现场总线和DCS 之间的通信，使DCS 系统可直接到现场设备进行访问，从而获取更多的现场信息。值得注意的是:在这种方式下现场设备的功能组态与DCS 系统无关，由于PC 与DCS 组态数据库是分离的，其设备功能组态是由PC 完成的。

1.3 通过网关接口实现集成

众所周知，异构网络之间的数据交换可借助网关接口实现，DCS 网络与FCS 网络之间的双向通信也可借助专门设计的网关接口实现。这种集成方式的特点在于:现场总线控制系统在功能上是独立的，是一个脱离DCS 系统的完整控制系统;对规模较大的控制系统而言，它可有效地保护用户对DCS 的先期投资，DCS 系统是整个系统的主控系统，较复杂的应用如整个系统监控、优化、先进控制、协调管理等仍然由DCS 系统负责;现场总线控制系统FCS 的职责是完成现场设备层的数据采集和闭环控制，并负责现场设备的状态、诊断信息等实时地传送给DCS 系统。值得注意的是:该集成方式对网关接口在技术方面要求很高，为了给分布式控制系统DCS 和现场总线控制系统FCS 提供透明的数据访问，其网关接口必须完成双向的协议转换;此外，必须解决整个系统全局信息库的维护和解释问题。

系统的集成应用情况是很复杂的，名义上的DCS 系统功能在于实现分散控制与集中管理，但是其控制功能并不是真正意义上的分散化，管理功能也仍然局限于监控和协调，因为分布式控制系统DCS 一般具有封闭性，因此限制了其分散化控制与网络化管理功能的实现，因此DCS 与FCS 结合正是提高过程控制系统自动化水平的方向。两者的有机结合可实现完整的控制与管理网络架构，使系统配置达到最优，弱化DCS 控制功能，使DCS 主要承担监控、管理和决策任务，突出集中管理功能实现;其控制功能主要由FCS 完成，使之实现生产过程控制的彻底分散化与网络化，其现场智能测控设备之间的通信则由现场总线系统协调。

2 FCS 与其他系统的集成

现场总线是一种底层网络(Infranet)，位于网络结构的最底层，因此现场总线控制系统FCS 实质上是一种分布式的网络自动化系统。底层网络的上层网络称为企业网络(Intranet)，其下面可以挂接多个类似于DCS 或FCS 的控制网络或底层网络。互联网络(Internet)位于企业网络的上层，其下又可挂接多个企业网络。从网络集成角度考虑.FCS 可以与企业网络和互联网络集成。

2.1 与企业网络的集成

现场总线控制系统FCS 和企业网络的集成有网间连接和OPC 连接2 种技术。前者是在FCS 和企业网络之间借助网间连接器(如网桥或网关等)实现其间的互联，以方便其进行相互间的数据交换。后者是借助已被广泛应用于过程控制的对象链接嵌入技术OPC(OLE for Process Control，OPC)实现系统集成，OPC 采用客户/服务器(Client/Server)结构，其功能是实现向下层设备和向上层企业网络(Intranet)设备的互联。对下层现场设备而言，OPC 服务器提供有专门的接口，使位于现场控制层设备的过程数据信息可传送到OPC服务器以实现向下的互联;对上层企业网络(Intranet)设备而言，OPC 服务器对其提供了标准的接口，因此可获取OPC服务器中的数据以实现向上的互联。上述2 种技术的互联均为双向互联，因此可以说，实质上OPC 就是企业网络与FCS 之间连接的桥梁。

2.2 与互联网络的集成

网络技术的快速发展，使网络功能得到充分发挥，事实上由于控制网络(DCS 或FCS)中的实时控制信息和数据信息网络(Intranet 或Internet)中管理决策信息的结合，互联网络(Internet)已经把世界联系得更紧密。在集成方式上，互联网络和FCS 的集成可以有两种:即FCS 直接和互联网络(Internet)集成;FCS 借助企业网络(Intranet)间接与互联网络(Internet)集成。借助FCS 与互联网络的集成，可实现Internet(互联网络)、Intranet(企业网络)和Infranet(底层网络)之间的互联，从而可构成各种各样的远程监控系统，方便了对远程生产企业的管理和指挥、对远端现场设备的诊断和维护与对远方生产过程的监视和控制。

3 管理信息网络与控制网络的集成实现

由于种种历史与经济技术的原因，导致企业中存在多种异构工控系统，而且表现形态也有所不同，可针对不同的层次采用不同的集成方法。值得注意的是:一般这种集成是在同一层次上进行的，只有同层次的无缝集成，才能使该层统一向下层传递数据信息与向上层提供数据信息的作用充分发挥，方便各个层次功能封装的实现。网络集成的结构示意图如图1 所示，从管控一体化的系统层次考虑，一般企业从底层控制到上层管理，可分为现场设备层、过程监控层、生产管理层与企业经营管理层等4 个层次，不同层次各有其特定功能。

图1 网络集成结构示意图

3.1 现场设备层

位于系统最底层的是设备层，包括各种各样的传感器、变送器、变换器、连接器、I/O 部件、智能仪表、阀门、启动器与驱动器等等，种类繁多，对多样性设备的共同要求是:处于设备层的这些设备必须满足系统的开放性要求，各厂商生产的产品必须遵循规范标准，保证其产品满足标准化要求。在设备功能上不同厂家相同功能的同类设备可互换，确保产品可互换性的实现;不同厂家的设备可相互通信进行数据交换，保证在应用环境中设备可互操作性的实现。

3.2 过程监控层

该层是网络中自动化系统的过程监控层，其职责是负责现场设备层的数据信息采集，并将其传送至控制室的实时数据库，实现系统的高层控制与监视。通常由工业以太网等传送速度较快的网段组成，在各种现场总线网段之间，可借助PC 接口卡或通信控制器实现与过程监控层的数据交换。

3.3 生产管理层

企业信息管理层位于局域网的上层，由生产调度、计划、销售、库存、财务、人事等管理子系统构成，借助关系数据库，收集与整理各类部门信息，并对其进行综合处理为生产管理决策提供技术支持。上述过程监控层与生产管理层共同构成了制造执行层MES(manufacturing execution system)，生产管理层通常由以太网、TOP 等局域网段组成。

3.4 企业经营管理层

企业经营管理层融合了外界商业经营网点、原材料供应和部件生产基地的各类信息，也被称为企业资源规划层ERP(enterprise resource planning)，借助企业局域网，其信息交换范围已经跨越工厂或企业的局部地域，因此可通过多种途径共享外界的互联网络数据信息。

4 软件功能的无缝集成

网络集成意味着网际间信息与资源共享的实现，因此软件功能的无缝集成极其重要，通过以下技术可实现现场控制网络与上层管理信息网络的集成。

4.1 动态数据交换技术DDE

借助DDE(dynamic data exchange)技术，可实现控制网络与信息网络的集成。当各应用程序共享内存交换数据信息，即信息网络与控制网络共享通信处理机与工作站时，借助DDE 技术，可实现信息网络中数据库数据与控制网络中实时数据的动态交换，以实现信息网络与控制网络的集成。

4.2 网络互联技术

控制网络与信息网络处于不同的层次，在功能、结构与形式上是两类不同的网络，因此实现其互联是集成控制网络与信息网络的的基本技术之一。在集成实现技术方面，网络互联通常可借助网关和路由器实现，而网桥和中继器一般用于网络扩展。值得注意的是:Web 技术在控制网络与信息网络的互联中已得到实际应用。

4.3 远程通信技术。

当信息网络与控制网络在地理位置上相距较远时，采用远程通信技术是有效地实现控制网络与信息网络集成的方法之一。通常采用的远程通信技术是借助数据通信的调制解调器，基于TCP/IP 的远程通信实现网络集成，其中，包括TCP/IP 中FTP 协议和PPP 协议的应用。

4.4 数据库访问技术

众所周知，管理信息网络采用开放式数据库系统，因此借助数据库访问即可进行信息网络与控制网络之间的数据信息，实现控制网络与信息网络的集成。基于Web 技术，企业内部信息网络Intranet 可接入控制网络，通过浏览器就可实现与管理信息网络中数据库进行动态、交互式的数据信息交换，实现控制网络与信息网络的集成。对异构工控系统群中软件系统功能集成，一般采用OPC 技术，服务器和客户之间借助DCOM 接口进行通信。在工业自动化各个层次的控制与管理系统中，美国Wonderware 公司已经很好地解决了软件系统集成问题，如它提供的I/O Sever 和OPC 程序库:由800 多个I/O 通信程序和OPC 客户程序连接工厂现场设备，使不同厂商提供的组态软件可借助I/O 服务器进入Wonderware 软件系统，集成的各种信息均可在各车间及工厂内部共享。

5 结束语

上述讨论了智能化过程中现场异构监控系统的集成技术。生产企业工程实践表明，对类型繁多的各种现场异构监控系统进行集成，可避免有潜在应用价值和现实利用价值的各种数据信息在系统运行过程中流失与沉淀，针对不同情况采用不同的系统集成方法，为实现整个系统的数据信息共享提供坚实可靠的数据平台。

［1］Ron Martin.监控更广的网络领域［J］.国际机电一体化技术，2011，(5):34-36.

［2］郑丰收，李艾华，王宝贵.基于MODBUS 和TCP/IP 协议的温湿度监控系统［J］. 中国仪器仪表，2011(10):53-56.

［3］许永丰，陆国俊，许中.变电站智能化关键技术实现方案研究［J］.供用电，2012，29(1):33-36.

［4］王锦标，刘宇.现场总线控制系统的集成技术［J］.冶金自动化，2002，26(3):21-23.

［5］Unver H.H.System Architectures Enabling Reconfigurable Laboratory-Automation Systems［J］. System，Man，and Cybernetics，Part C:Applications and Reviews，IEEE Transactions on，2011，41(6):909-922.

［6］Moser T，Biffl，S.Semantic Integration of Software and Systems Engineering Environments［J］.Systems，Man，and Cybernetics，Part C:Applications and Reviews，IEEE Transactions on，IEEE Transactions on，2012，42(1):38 -50.

［7］Bratukhin A，Sauter T.Functional Analysis of Manufacturing Execution System Distribution［J］. Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2011，7(4):740-49.

［8］Ferrari P，Flammini A，Rinaldi S，et al.Evaluation of Time Gateways for Synchronization of Substation Automation Systems［J］.Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions on，2012，61(10):2612-2621.

［9］Estevez E，Marcos M.Model-Based Validation of Industrial Control Systems［J］. Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2012，8(2):302-310.

［10］Sauter T，Lobashov M.How to Access Factory Floor Information Using Internet Technologies and Gateways［J］. Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2011，7(4):699-712.

［11］邓新莉，周江川，张四平，等.基于嵌入式动态Web 的网络监控系统［J］.四川兵工学报，2011(2):69-72.

［12］谢大刚，侯冬云，喻菁，等.基于虚拟仪器技术的电网监控系统的设计［J］.装备环境工程，2008(5):68-70.-984.