一类异构监控系统的集成技术

1 引言
现在工业、智能建筑等领域应用的多数都是集散控制系统(DCS),自从DCS问世以来，曾对工业自动化作出过重要贡献，但由于DCS都是以系统形式销售，其操作站也是由各制造厂家自行开发研制、各操作站对不同的系统来说都是专用的。各制造厂家都要投入大量人力物力开发其操作站和通信网络。通常，DCS的通信网络分为几层，每层的协议对外都是不公开的。用户只有通过高层网络和专用接口，方可与管理网络进行通信，从而使互联费用十分高昂。由于操作站由各厂家自行开发，各系统专用，其软件不是标准的，造成未经实践考验的产品就可能推向市场，致使操作站死机现象时有发生。掉电时会丢失数据，上电时需重新装入数据，也给用户带来不便。此外，由于接地系统较为复杂、使DCS的控制器电源故障率高，也给使用带来困难。更重要的是，各厂家的DCS通信标准不统一，各厂家产品自成体系，封闭式的控制，控制模式互不兼容，阻碍了信息的相互传送和共享，以及软件的共用，用户一旦采用某个厂家的产品，就很难摆脱对该厂家的依赖。
高新技术的突飞猛进，买方市场的形成迫切需要而且完全可能从封闭式控制系统向开放式控制系统转化。进入20世纪90年代后，随着新技术、新器件、新方法、新应用的新进展及其相互促进，进一步推动了DCS向技术更完善、应用层次更广泛的方向发展;同时又冲破了传统DCS系统的束缚，将其提升到更高水平，这就是将取代DCS的新一代分布式控制与管理系统，它将进一步完善整个监控与管理系统的功能。
FCS系统利用现场总线技术，针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性。传统的DCS系统由各种工作站通过局域网络连接而成，操作站和信息管理站完成系统的组态、监控和运行管理，现场测控站则完成生产过程信息的采集和控制。DCS的主要问题是开放性差，分散不够，需要用大量的电缆传递信号。FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案变成了开放、通用标准化的解决方案，把集散系统结构变成了新型全分布式结构，把DCS控制站中基本且可独立的功能块彻底下放到现场智能设备中，从而构成虚拟控制站，更好地体现了DCS设计思想的精华。
但是由于FCS是一种新技术，目前现场总线尚无统一的国际标准，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在某些不足。
FCS对传统DCS的优势表现在:
(1) 一对N的结构，一对传输线(总线)挂接N台现场设备，双向传输多个数字信号。这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。
(2) 开放式系统，现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互连网络。不同厂家的网络产品可以集成在同一控制系统中。
(3) 彻底的分散控制，现场总线将控制功能下放到了现场仪表设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性和自治性，减轻了DCS控制站的计算负担。
(4) 可互操作性，在传统的DCS中，不同厂家的设备是不能互相访问的。而FCS采用同一标准，不同厂家的产品可以方便地接入同一网络中，简化了系统集成。
(5) 可靠性高，FCS采用数字信号传输数据，提高了数据的精度和抗干扰性。将控制功能放到现场设备中，使危险分散，系统的可靠性更高。
(6) 信息综合和组态灵活，通过数字化的传输现场数据，FCS能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。此外，FCS引入了功能块的概念，通过统一的组态方法，使系统组态简单灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路。
除了DCS和FCS之外，还有许多监控系统，关于它们之间的集成，有关文献已作过某些论述[1][2][3]，本文对异构系统集成有关问题再作些讨论。
2 FCS与DCS的集成
由于DCS应用广泛、技术成熟，在现有的技术条件和市场条件下，FCS还不能完全取代DCS，由此引出一个很重要的问题:如何在已有的DCS系统中应用现场总线新技术，即如何实现FCS与DCS的紧密集成，使二者各自的优势都得到体现。
从本质来说，FCS是一个网络通信系统，而DCS虽然涉及网络通信，但其标准由各厂家自行制定，没有开放性，所以DCS与FCS集成只是一种过渡策略，因为这种混合系统不能完全发挥FCS的优势。
根据当前不同的应用需求，FCS和DCS有三个层次上的集成模式:
(1) 现场总线集成在DCS的I/O总线上
这种方式通过接口卡直接将现场总线集成到DCS系统中。与I/O功能块相关的测量值和设定值可以通过接口卡映射成I/O总线上等价的值。通过这种映射关系，DCS就能透明地获取现场总线智能仪表传送的信息，其效果和传统的变送器相同。
这种集成方式的优点:a)只需安装现场总线接口卡，无需改变或升级DCS系统;b)对于一些初级的现场总线设备，厂家提供的功能块有限，这种方式保留了DCS的控制功能;c)采用低成本的PC作为现场总线组态、诊断的接口单元。
但这种方式也限制了DCS所能获取的信息，无法利用现场设备中大量的状态信息。其他的一些局限包括:
a) 现场设备功能块的组态、执行调度必须在PC而不是DCS中完成，设备信息库由PC维护;
b) 通过现场总线接口卡与现场设备通信会引入传输延迟，这种延迟对一些快速过程的影响很明显。
这种继承方式主要应用于小型系统及现场总线技术的初期应用中。
(2) 现场总线集成在DCS网络上
这种集成方式通过现场总线接口单元连接到DCS网络上，现场设备中用于控制，计算的各种功能块信息可以在DCS控制台中获取和更改。通过接口单元提供的服务，DCS操作站能获取更多的现场设备信息。
这种集成方式的优点:控制和计算可以在现场设备中完成，相关的参数可以在DCS操作员站中访问;便于现场总线和DCS之间的通信;DCS可以访问现场设备中更多的信息。但是这种集成方式中现场设备功能组态仍在PC中完成，与DCS组态数据库分离。
(3) 通过网关接口集成现场总线
这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和DCS系统的完全双向连接，即DCS操作员站能访问现场设备中的所有信息，而现场总线也能获取DCS提供的各种信息，因此便于实现现场总线和DCS的协调控制。此外，在这种集成方式下，现场总线的控制功能更加独立，可以构成一个脱离DCS的完整的控制系统。
这种方式主要适用于规模较大的控制系统，能有效保护用户对DCS的先期投资。DCS负责监控、优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用，是主控系统，而FCS负责现场设备层的数据采集和闭环控制，并将设备的状态、诊断信息适时地传送至DCS。
但是这种接口方式对网关接口技术要求很高，此接口要完成双向的协议转换，为DCS和现场总线提供透明的数据访问。此外，整个系统统一组态后，如何维护和解释一个全局信息库也是一个需要解决的问题。
以上简单讨论了DCS和FCS集成的三种途径。实现应用时情况会更复杂，主要原因是DCS的很多设计要素不同于FCS，DCS的封闭性限制了现场总线分散化、网络化的实现。传统意义上的DCS实现分散控制、集中管理，但在实际应用中，DCS的控制功能并没有真正分散化，其管理功能更多的也只是监控和协调。因此，在未来的技术发展中，需要着重考虑DCS与FCS的集成，使系统配置达到最优，从而实现完整的控制、管理网络架构。这样，DCS的基本控制功能将逐步消失，它将更多的承担监控、管理和决策任务，成为真正意义上的管理系统的一部分;而FCS则协调现场智能测控设备之间的通信，实现生产过程控制的彻底分散化、网络化，因此，DCS与FCS结合是当前提高过程控制系统自动化水平的基本思路。
3 FCS与其它系统的集成
FCS是一种分布式的网络自动化系统，它的基础是现场总线，且位于网络结构的最底层，因而被称为底层网络(Infranet)。
FCS的上层是企业网络(Intranet)，企业网络下面可以挂接多个类似于FCS或DCS的底层网络或控制网络。企业网络的上层是互联网络(Internet)，互联网络下面可以挂接多个企业网络。用网络集成的概念来分析FCS．FCS和网络的集成方式可以有两种:FCS和企业网络的集成，FCS和互联网络的集成。
3.1 FCS和企业网络的集成
FCS和企业网络的集成技术有以下2种:
(1) 网间连接技术 FCS和企业网络之间通过网桥或网关等网间连接器互联。
(2) OPC技术
对象链接嵌入技术已广泛应用，OPC是用于过程控制的对象链接嵌入(OLE for Process Control，OPC)技术。OPC采用客户／服务器(Client／Server)结构，OPC服务器对下层设备提供接口，使得现场控制层的各种过程信息能够进入OPC服务器．从而实现向下互联;另外OPC服务器还对上层设备提供标准的接口．使得上层企业网络(Intranet)设备能够取得OPC服务器中的数据，从而实现向上互联，而且这两种互联都是双向的，也就是说，OPC是FCS和企业网络之间连接的桥梁。
3.2 FCS和互联网络的集成
网络已经把社会、企业、家庭连接在一起，互联网络(Internet)也已经把世界联系得更紧密，如果控制网络(FCS或DCS)中的实时控制信息和数据网络(Internet或Intranet)中管理决策信息结合起来，那将使网络功能得到充分发挥。
FCS和互联网络的集成可以有两种方式，一种是FCS通过企业网络(Intranet)间接和互联网络(Internet)集成;另一种是FCS直接和互联网络(Internet)集成。
FCS和网络的集成构成了远程监控系统，实现了Infranet(底层网络)、Intranet(企业网络)和Internet(互联网络)的互联。人们通过网络对远方生产过程进行监视和控制，对远方的现场设备进行诊断和维护，对远方的生产企业进行管理和指挥。
4 一般控制网与信息网集成技术的实现
在对企业的异构工控系统群的集成上，要针对不同的层次采用不同的集成方法，该集成是在同一层次上的集成，只有在同一层次上进行无缝集成才能发挥该层统一向上提供信息和向下传递信息的作用，实现各个层次的功能封装。针对目前已实现基础自动化的企业而言，大致可以分成现场设备层、过程监控层、生产管理层以及企业经营管理层。
(1) 现场设备层:设备层中的设备种类繁多,有传感器,启动器,驱动器,I/O部件,变送器,阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求,各厂商遵循工厂的标准,保证产品满足标准化;来自不同厂家的设备在功能上可以采用相同功能的同类设备互换,实现可互换性;来自不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中实现可互操作性。
(2) 过程监控层:过程监控层将来自现场设备层的信息送往控制室,置入实时数据库,进行高层控制与监视,它是网络中自动化系统的过程监控层,通常可由以太网等传送速度较快的网段组成。各种现场总线网段均可通过通信控制器或PC接口卡与过程监控层交换数据。
(3) 生产管理层:工厂的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事等构成了企业信息管理层,它是局域网的上层,一般由关系数据库收集、整理这些来自各个部门的各类信息并进行综合处理。通常可由以太网、TOP等局域网段组成。管理层和监控层共同构成了制造执行层MES(Manufacturing Execution System)。
(4) 企业经营管理层:该层将跨越工厂或企业的局部地域，融合外界商业经营网点、原材料供应和部件生产基地的信息，也被称为企业资源规划层ＥＲＰ(Enterprise Resource Planning)。企业局域网可通过多种途径，与来自外界互联网络的实时信息等实现数据共享。
企业信息网络系统集成结构示意图如图1所示:

5 软件功能的无缝集成
控制网与信息网集成的含义是实现网际间信息与资源的共享。从这个意义上说，实现控制网与信息网集成的技术有:
(1) 控制网络与信息网络集成的动态数据交换技术(Dynamic Data Exchange, DDE)。当控制网络与信息网有一共享工作站或通信处理机时，可以通过动态数据交换技术，即各应用程序共享内存交换信息，实现控制网络中实时数据与信息网络中数据库的动态交换，从而实现控制网络与信息网络的集成。
(2) 控制网络与信息网络的互联技术。一般来说控制网络与信息网络是两类具有不同功能、不同结构和不同形式的网络。实现控制网络与信息网络的互联是控制网络与信息网络的集成的基本技术之一。通常网络互联可由网关和路由器实现，而网络扩展可由网桥和中继器实现。WEB技术在控制网络与信息网络的互联中已得到实际应用。
(3) 控制网络与信息网络集成的远程通信技术。
当控制网络与信息网络地理上相距较远时，远程通信技术是实现网络集成的有效方法之一。远程通信技术有:利用调制解调器的数据通信，基于TCO/IP的远程通信，包括应用TCP/IP中的FTP协议和PPP协议。
(４)控制网络与信息网络集成的数据库访问技术。信息网络一般采用开放式数据库系统，这样，通过数据库访问技术可以实现控制网络与信息网络的集成。作为企业内部信息网络的Intranet可以通过一个浏览器接入控制网络，基于WEB技术，通过该浏览器可与信息网络数据库进行动态的、交互式的信息交换，实现控制网络与信息网络的集成。
针对异构工控系统群软件功能集成，首先需要解决的是接口规范化问题。由OPC基金组提出的OPC规范正是为了解决此问题的。OPC全称OLE for Process Control，它是专为过程控制而设计的基于OLE技术的标准。它将访问现场设备的开发任务以标准接口的形式放到设备生产厂家或第三方，并将该接口以服务器形式透明地提供给用户(工控软件开发人员)，使用户得以从底层的通信模块开发中解放出来，而专注于工控软件的功能。
OPC标准采用了客户/服务器体系结构。在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器(Server)，数据请求者作为客户(Client),服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部的实现细节。由于COM技术是在二进制代码级实现的，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供。在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，这样可以从根本上解决以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。
(5) 美国Wonderware公司很好地解决了软件系统集成问题，不同公司的组态软件可以通过I/O服务器进入Wonderware软件系统。该公司的Factory Suite套件为绝大多数的工厂应用提供了核心技术，包含了建立、测试、运行、验证应用程序的强大工具。在工厂现场，只需要购买安装运行版软件来运行开发好的应用程序。
Factory Suite包含以下核组件:
·In Touch:过程可视化模块;
·In Track:资源管理和WIP(Work In Process)跟踪模块;
·Industrial SQL Sever:实时关系型工厂信息数据库;
·In Control:基于PC的机器和过程控制模块;
·In Batch:柔性批处理管理系统;
·Suite Voyager:基于Internet/Intranet的生产制造信息门户;
·Ｉ/Ｏ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。它为制造信息系统集成了操作人员所需的各种信息，可以在工厂内部和各车间之间共享。
6 结束语
监控系统的类型繁多，系统之间集成方法各有不同，集成后系统的性能自然会有差异。值得推荐的是采用Wonderware产品，因为不同系统都可以通过该系统的I/O Sever进入该系统，为系统功能扩大、升级创造良好的软件环境，为实现系统的信息共享提供坚实可靠的数据平台。