1 引言
現(xiàn)在工業(yè)、智能建筑等領域應用的多數(shù)都是集散控制系統(tǒng)(DCS),自從DCS問世以來，曾對工業(yè)自動化作出過重要貢獻，但由于DCS都是以系統(tǒng)形式銷售，其操作站也是由各制造廠家自行開發(fā)研制、各操作站對不同的系統(tǒng)來說都是專用的。各制造廠家都要投入大量人力物力開發(fā)其操作站和通信網(wǎng)絡。通常，DCS的通信網(wǎng)絡分為幾層，每層的協(xié)議對外都是不公開的。用戶只有通過高層網(wǎng)絡和專用接口，方可與管理網(wǎng)絡進行通信，從而使互聯(lián)費用十分高昂。由于操作站由各廠家自行開發(fā)，各系統(tǒng)專用，其軟件不是標準的，造成未經(jīng)實踐考驗的產(chǎn)品就可能推向市場，致使操作站死機現(xiàn)象時有發(fā)生。掉電時會丟失數(shù)據(jù)，上電時需重新裝入數(shù)據(jù)，也給用戶帶來不便。此外，由于接地系統(tǒng)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(tǒng)一，各廠家產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)向開放式控制系統(tǒng)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(fā)展;同時又沖破了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)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(tǒng)，它將進一步完善整個監(jiān)控與管理系統(tǒng)的功能。
FCS系統(tǒng)利用現(xiàn)場總線技術，針對現(xiàn)存的DCS的某些不足，改進控制系統(tǒng)的結構，提高其性能和通用性。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)由各種工作站通過局域網(wǎng)絡連接而成，操作站和信息管理站完成系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和運行管理，現(xiàn)場測控站則完成生產(chǎn)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(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)場智能設備中，從而構成虛擬控制站，更好地體現(xiàn)了DCS設計思想的精華。
但是由于FCS是一種新技術，目前現(xiàn)場總線尚無統(tǒng)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(tǒng)DCS的優(yōu)勢表現(xiàn)在:
(1) 一對N的結構，一對傳輸線(總線)掛接N臺現(xiàn)場設備，雙向傳輸多個數(shù)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(tǒng)，現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互連網(wǎng)絡。不同廠家的網(wǎng)絡產(chǎn)品可以集成在同一控制系統(tǒng)中。
(3) 徹底的分散控制，現(xiàn)場總線將控制功能下放到了現(xiàn)場儀表設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡中，簡化了系統(tǒng)集成。
(5) 可靠性高，F(xiàn)CS采用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的精度和抗干擾性。將控制功能放到現(xiàn)場設備中，使危險分散，系統(tǒng)的可靠性更高。
(6) 信息綜合和組態(tài)靈活，通過數(shù)字化的傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS能獲取現(xiàn)場儀表的各種狀態(tài)、診斷信息，實現(xiàn)實時的系統(tǒng)監(jiān)控和管理。此外，F(xiàn)CS引入了功能塊的概念，通過統(tǒng)一的組態(tài)方法，使系統(tǒng)組態(tài)簡單靈活，不同現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)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(xiàn)有的技術條件和市場條件下，F(xiàn)CS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(tǒng)中應用現(xiàn)場總線新技術，即如何實現(xiàn)FCS與DCS的緊密集成，使二者各自的優(yōu)勢都得到體現(xiàn)。
從本質來說，F(xiàn)CS是一個網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，而DCS雖然涉及網(wǎng)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(tǒng)不能完全發(fā)揮FCS的優(yōu)勢。
根據(jù)當前不同的應用需求，F(xiàn)CS和DCS有三個層次上的集成模式:
(1) 現(xiàn)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(xiàn)場總線集成到DCS系統(tǒng)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(xiàn)場總線智能儀表傳送的信息，其效果和傳統(tǒng)的變送器相同。
這種集成方式的優(yōu)點:a)只需安裝現(xiàn)場總線接口卡，無需改變或升級DCS系統(tǒng);b)對于一些初級的現(xiàn)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(xiàn)場總線組態(tài)、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(xiàn)場設備中大量的狀態(tài)信息。其他的一些局限包括:
a) 現(xiàn)場設備功能塊的組態(tài)、執(zhí)行調(diào)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(xiàn)場總線接口卡與現(xiàn)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(tǒng)及現(xiàn)場總線技術的初期應用中。
(2) 現(xiàn)場總線集成在DCS網(wǎng)絡上
這種集成方式通過現(xiàn)場總線接口單元連接到DCS網(wǎng)絡上，現(xiàn)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(xiàn)場設備信息。
這種集成方式的優(yōu)點:控制和計算可以在現(xiàn)場設備中完成，相關的參數(shù)可以在DCS操作員站中訪問;便于現(xiàn)場總線和DCS之間的通信;DCS可以訪問現(xiàn)場設備中更多的信息。但是這種集成方式中現(xiàn)場設備功能組態(tài)仍在PC中完成，與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)庫分離。
(3) 通過網(wǎng)關接口集成現(xiàn)場總線
這種集成方式通過專門設計的網(wǎng)關接口實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和DCS系統(tǒng)的完全雙向連接，即DCS操作員站能訪問現(xiàn)場設備中的所有信息，而現(xiàn)場總線也能獲取DCS提供的各種信息，因此便于實現(xiàn)現(xiàn)場總線和DCS的協(xié)調(diào)控制。此外，在這種集成方式下，現(xiàn)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(tǒng)。
這種方式主要適用于規(guī)模較大的控制系統(tǒng)，能有效保護用戶對DCS的先期投資。DCS負責監(jiān)控、優(yōu)化、先進控制、協(xié)調(diào)管理等較復雜的應用，是主控系統(tǒng)，而FCS負責現(xiàn)場設備層的數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制，并將設備的狀態(tài)、診斷信息適時地傳送至DCS。
但是這種接口方式對網(wǎng)關接口技術要求很高，此接口要完成雙向的協(xié)議轉換，為DCS和現(xiàn)場總線提供透明的數(shù)據(jù)訪問。此外，整個系統(tǒng)統(tǒng)一組態(tài)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(xiàn)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(xiàn)場總線分散化、網(wǎng)絡化的實現(xiàn)。傳統(tǒng)意義上的DCS實現(xiàn)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(jiān)控和協(xié)調(diào)。因此，在未來的技術發(fā)展中，需要著重考慮DCS與FCS的集成，使系統(tǒng)配置達到最優(yōu)，從而實現(xiàn)完整的控制、管理網(wǎng)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(jiān)控、管理和決策任務，成為真正意義上的管理系統(tǒng)的一部分;而FCS則協(xié)調(diào)現(xiàn)場智能測控設備之間的通信，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的徹底分散化、網(wǎng)絡化，因此，DCS與FCS結合是當前提高過程控制系統(tǒng)自動化水平的基本思路。
3 FCS與其它系統(tǒng)的集成
FCS是一種分布式的網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)，它的基礎是現(xiàn)場總線，且位于網(wǎng)絡結構的最底層，因而被稱為底層網(wǎng)絡(Infranet)。
FCS的上層是企業(yè)網(wǎng)絡(Intranet)，企業(yè)網(wǎng)絡下面可以掛接多個類似于FCS或DCS的底層網(wǎng)絡或控制網(wǎng)絡。企業(yè)網(wǎng)絡的上層是互聯(lián)網(wǎng)絡(Internet)，互聯(lián)網(wǎng)絡下面可以掛接多個企業(yè)網(wǎng)絡。用網(wǎng)絡集成的概念來分析FCS．FCS和網(wǎng)絡的集成方式可以有兩種:FCS和企業(yè)網(wǎng)絡的集成，F(xiàn)CS和互聯(lián)網(wǎng)絡的集成。
3.1 FCS和企業(yè)網(wǎng)絡的集成
FCS和企業(yè)網(wǎng)絡的集成技術有以下2種:
(1) 網(wǎng)間連接技術 FCS和企業(yè)網(wǎng)絡之間通過網(wǎng)橋或網(wǎng)關等網(wǎng)間連接器互聯(lián)。
(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(xiàn)場控制層的各種過程信息能夠進入OPC服務器．從而實現(xiàn)向下互聯(lián);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(yè)網(wǎng)絡(Intranet)設備能夠取得OPC服務器中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)向上互聯(lián)，而且這兩種互聯(lián)都是雙向的，也就是說，OPC是FCS和企業(yè)網(wǎng)絡之間連接的橋梁。
3.2 FCS和互聯(lián)網(wǎng)絡的集成
網(wǎng)絡已經(jīng)把社會、企業(yè)、家庭連接在一起，互聯(lián)網(wǎng)絡(Internet)也已經(jīng)把世界聯(lián)系得更緊密，如果控制網(wǎng)絡(FCS或DCS)中的實時控制信息和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Internet或Intranet)中管理決策信息結合起來，那將使網(wǎng)絡功能得到充分發(fā)揮。
FCS和互聯(lián)網(wǎng)絡的集成可以有兩種方式，一種是FCS通過企業(yè)網(wǎng)絡(Intranet)間接和互聯(lián)網(wǎng)絡(Internet)集成;另一種是FCS直接和互聯(lián)網(wǎng)絡(Internet)集成。
FCS和網(wǎng)絡的集成構成了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了Infranet(底層網(wǎng)絡)、Intranet(企業(yè)網(wǎng)絡)和Internet(互聯(lián)網(wǎng)絡)的互聯(lián)。人們通過網(wǎng)絡對遠方生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制，對遠方的現(xiàn)場設備進行診斷和維護，對遠方的生產(chǎn)企業(yè)進行管理和指揮。
4 一般控制網(wǎng)與信息網(wǎng)集成技術的實現(xiàn)
在對企業(yè)的異構工控系統(tǒng)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(fā)揮該層統(tǒng)一向上提供信息和向下傳遞信息的作用，實現(xiàn)各個層次的功能封裝。針對目前已實現(xiàn)基礎自動化的企業(yè)而言，大致可以分成現(xiàn)場設備層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層以及企業(yè)經(jīng)營管理層。
(1) 現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(huán)境中實現(xiàn)可互操作性。
(2) 過程監(jiān)控層:過程監(jiān)控層將來自現(xiàn)場設備層的信息送往控制室,置入實時數(shù)據(jù)庫,進行高層控制與監(jiān)視,它是網(wǎng)絡中自動化系統(tǒng)的過程監(jiān)控層,通常可由以太網(wǎng)等傳送速度較快的網(wǎng)段組成。各種現(xiàn)場總線網(wǎng)段均可通過通信控制器或PC接口卡與過程監(jiān)控層交換數(shù)據(jù)。
(3) 生產(chǎn)管理層:工廠的生產(chǎn)調(diào)度、計劃、銷售、庫存、財務、人事等構成了企業(yè)信息管理層,它是局域網(wǎng)的上層,一般由關系數(shù)據(jù)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?？捎梢蕴W(wǎng)、TOP等局域網(wǎng)段組成。管理層和監(jiān)控層共同構成了制造執(zhí)行層MES(Manufacturing Execution System)。
(4) 企業(yè)經(jīng)營管理層:該層將跨越工廠或企業(yè)的局部地域，融合外界商業(yè)經(jīng)營網(wǎng)點、原材料供應和部件生產(chǎn)基地的信息，也被稱為企業(yè)資源規(guī)劃層ＥＲＰ(Enterprise Resource Planning)。企業(yè)局域網(wǎng)可通過多種途徑，與來自外界互聯(lián)網(wǎng)絡的實時信息等實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
企業(yè)信息網(wǎng)絡系統(tǒng)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(wǎng)與信息網(wǎng)集成的含義是實現(xiàn)網(wǎng)際間信息與資源的共享。從這個意義上說，實現(xiàn)控制網(wǎng)與信息網(wǎng)集成的技術有:
(1) 控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡集成的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(Dynamic Data Exchange, DDE)。當控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)有一共享工作站或通信處理機時，可以通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術，即各應用程序共享內(nèi)存交換信息，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡中實時數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)庫的動態(tài)交換，從而實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成。
(2) 控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的互聯(lián)技術。一般來說控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡是兩類具有不同功能、不同結構和不同形式的網(wǎng)絡。實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的互聯(lián)是控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成的基本技術之一。通常網(wǎng)絡互聯(lián)可由網(wǎng)關和路由器實現(xiàn)，而網(wǎng)絡擴展可由網(wǎng)橋和中繼器實現(xiàn)。WEB技術在控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的互聯(lián)中已得到實際應用。
(3) 控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡集成的遠程通信技術。
當控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡地理上相距較遠時，遠程通信技術是實現(xiàn)網(wǎng)絡集成的有效方法之一。遠程通信技術有:利用調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信，基于TCO/IP的遠程通信，包括應用TCP/IP中的FTP協(xié)議和PPP協(xié)議。
(４)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡集成的數(shù)據(jù)庫訪問技術。信息網(wǎng)絡一般采用開放式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這樣，通過數(shù)據(jù)庫訪問技術可以實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成。作為企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)絡的Intranet可以通過一個瀏覽器接入控制網(wǎng)絡，基于WEB技術，通過該瀏覽器可與信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)的、交互式的信息交換，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成。
針對異構工控系統(tǒng)群軟件功能集成，首先需要解決的是接口規(guī)范化問題。由OPC基金組提出的OPC規(guī)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(xiàn)場設備的開發(fā)任務以標準接口的形式放到設備生產(chǎn)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(fā)人員)，使用戶得以從底層的通信模塊開發(fā)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(tǒng)中，數(shù)據(jù)的提供者作為服務器(Server)，數(shù)據(jù)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(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)。由于COM技術是在二進制代碼級實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集程序往往由硬件設備制造商隨硬件提供，可以發(fā)揮硬件的全部效能，而作為客戶的組態(tài)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(tǒng)集成問題，不同公司的組態(tài)軟件可以通過I/O服務器進入Wonderware軟件系統(tǒng)。該公司的Factory Suite套件為絕大多數(shù)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(xiàn)場，只需要購買安裝運行版軟件來運行開發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng);
·Suite Voyager:基于Internet/Intranet的生產(chǎn)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(xiàn)場設備。它為制造信息系統(tǒng)集成了操作人員所需的各種信息，可以在工廠內(nèi)部和各車間之間共享。
6 結束語
監(jiān)控系統(tǒng)的類型繁多，系統(tǒng)之間集成方法各有不同，集成后系統(tǒng)的性能自然會有差異。值得推薦的是采用Wonderware產(chǎn)品，因為不同系統(tǒng)都可以通過該系統(tǒng)的I/O Sever進入該系統(tǒng)，為系統(tǒng)功能擴大、升級創(chuàng)造良好的軟件環(huán)境，為實現(xiàn)系統(tǒng)的信息共享提供堅實可靠的數(shù)據(jù)平臺。