【概要】本文介紹了在連續(xù)的過程應(yīng)用中，如何使用集成架構(gòu)搭建滿足用戶需求的過程控制系統(tǒng)，這種工作以前是由設(shè)備供應(yīng)商或者系統(tǒng)集成商來完成的，現(xiàn)在用戶可以按照本文給出的原則，可以自己設(shè)計系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的規(guī)劃更自主、更靈活、造價更低。
Abstract: This article introduces how to use integrated architecture for process control system and meet end-user needs in continue process applications. Beforetime, architecture design is made by system providers or system integrators. Now, end-user can implement this work by himself according to the principle of this article. It makes system more self-determination, more flexible and less expansive.
【關(guān)鍵詞】集成架構(gòu) 分布式系統(tǒng) 集中式系統(tǒng) 獨立式系統(tǒng)
Key words: Integrated Architecture Distributed System Centralized System Independent System
自動化系統(tǒng)的擴(kuò)展需要從一個封閉的、本地的、以控制為中心的方式轉(zhuǎn)換成一種開放的、廠級的、以業(yè)務(wù)為中心的方式。這需要自動化的解決方案，在管理生產(chǎn)和保持績效同時，不僅要提供全廠的控制功能，還要扮演一個積極、協(xié)同的角色。商業(yè)能力，諸如：供應(yīng)鏈管理、庫存控制、質(zhì)量管理、和其他關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）需要緊密聯(lián)系正確的信息，使企業(yè)的整體性能最大化。
用于過程控制的集成架構(gòu)支持各種過程應(yīng)用，從有操作員界面的簡單、本地應(yīng)用，到包括所有過程設(shè)備、材料存儲、人力資源控制與優(yōu)化的復(fù)雜應(yīng)用，還支持操作員在廠級范圍訪問制造運行和工廠管理。
圖1 不同的系統(tǒng)架構(gòu)滿足不同的需求
集成架構(gòu)過程系統(tǒng)的優(yōu)勢
?開放的過程應(yīng)用平臺，包括流程和批處理控制，集成了全廠范圍的離散量、驅(qū)動器、運動控制和安全控制。
? 用于過程應(yīng)用的全集成系統(tǒng)，使用商用、市售（COTS）、經(jīng)過證明的自動化組件。
? 業(yè)界領(lǐng)先的合作伙伴，諸如：E＋H、OSIsoft，使用開放標(biāo)準(zhǔn)，確保集成能夠容易地實現(xiàn)。
? 單一開發(fā)環(huán)境支持多種編程語言，包括功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本、順序流程圖和梯形邏輯。
? 靈活、可伸縮的架構(gòu)易于進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。
? 與外部的商業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和維護(hù)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式的信息交換。
? 面向系統(tǒng)、客戶工程服務(wù)、有經(jīng)驗的集成商和生命周期優(yōu)化。
1．可伸縮、多語言、信息化的系統(tǒng)，廠級自動化與先進(jìn)過程控制的解決方案
羅克韋爾自動化把集成架構(gòu)用于過程控制，使傳統(tǒng)老系統(tǒng)進(jìn)化成一種新的流程標(biāo)準(zhǔn)，同時還了完成廠級的控制。其結(jié)果的功能性已經(jīng)超出了原來的分布式控制系統(tǒng)（DCS）、混合控制系統(tǒng)（HCS）、或標(biāo)準(zhǔn)的可編程控制器系統(tǒng)（PLC）。使用了集成架構(gòu)，可伸縮性和信息共享就成了與生俱來的特性。羅克韋爾自動化基于總結(jié)的經(jīng)驗定義了如下的過程自動化系統(tǒng)。
? 用于單元控制的獨立系統(tǒng)架構(gòu)；
? 用于區(qū)域控制的集中化系統(tǒng)架構(gòu)；
? 用于廠級和企業(yè)運行的分布式系統(tǒng)架構(gòu)。
羅克韋爾的很多技術(shù)嵌入進(jìn)了FactoryTalk的服務(wù)和應(yīng)用，與Logix控制平臺相配合（包括NetLinx 和View技術(shù)）組成了集成架構(gòu)，提供了先進(jìn)的過程控制，具有真正的廠級控制能力。系統(tǒng)的靈活性非常高，用戶可以從一個?。í毩ⅲ┫到y(tǒng)開始，在任何時間擴(kuò)展，不斷增加到滿足需要的系統(tǒng)為止。
2．自動化和信息等級
用于過程控制的集成架構(gòu)，可以參考在自動化和信息技術(shù)中常用標(biāo)準(zhǔn)中的等級，諸如：ISA-95。這些等級定義了企業(yè)、工廠、控制域之間的接口。在集成架構(gòu)中，使用等級概念可以幫助我們理解相關(guān)功能的實施和系統(tǒng)組件的角色。
等級0－系統(tǒng)組件為實際的現(xiàn)場設(shè)備，包括儀表、執(zhí)行器、驅(qū)動器和安全設(shè)備。這個級包括了：DeviceNet、FF、Profibus、HART等總線設(shè)備。過程測量和控制操作在這一級執(zhí)行，這級還包括本地儀表和設(shè)備的診斷。
等級1－系統(tǒng)組件是連接和控制現(xiàn)場儀表與設(shè)備的接口。這些系統(tǒng)組件包括Logix控制器，I/O模塊、控制網(wǎng)絡(luò)通信接口。這個等級還包括到現(xiàn)場總線的連接設(shè)備和任何由Logix控制器支持的I/O產(chǎn)品。在這個等級執(zhí)行I/O處理、PID調(diào)節(jié)和先進(jìn)控制、互鎖和聯(lián)鎖、面向單元的批處理。在這個級別使用工程師站（EWS）和維護(hù)工作站（MWS）創(chuàng)建和管理控制策略 與基本系統(tǒng)組態(tài)。
等級2－系統(tǒng)組件（典型為軟件）是加載到專用工作站和提供系統(tǒng)的監(jiān)督控制。這個等級包括進(jìn)行監(jiān)督級和控制級組件之間的通信。在這個等級，操作員與PID調(diào)節(jié)、先進(jìn)控制和批處理控制進(jìn)行交互，還進(jìn)行批處理的管理。
等級3－系統(tǒng)組件（典型為軟件）是工作站提供生產(chǎn)管理和性能監(jiān)視（制造運行）。這個等級包括實現(xiàn)制造級工作站和監(jiān)督組件之間的通信。在這個等級，管理的功能有：區(qū)域、生產(chǎn)線和單元的排產(chǎn)；通用系統(tǒng)維護(hù)；資產(chǎn)管理；生產(chǎn)模擬；性能分析、報告和優(yōu)化。生產(chǎn)（工程）工作站（PWS）用來管理和組態(tài)系統(tǒng)的制造運行。
等級4－系統(tǒng)組件典型為在本地訪問外部業(yè)務(wù)部分和生產(chǎn)計劃功能。這個等級要連接ERP系統(tǒng)，諸如：SAP或者Oracle，用于及時的供應(yīng)鏈管理，庫存管理、維護(hù)計劃和其他重要業(yè)務(wù)計劃。
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3．分布式系統(tǒng)架構(gòu)
當(dāng)制造區(qū)域具有多個流程時，要使用分布式系統(tǒng)架構(gòu)，每個流程相對獨立，又需要共享操作（控制）系統(tǒng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，在這種情況下，通常不使用通信網(wǎng)關(guān)或者網(wǎng)橋。比如，使用這種架構(gòu)，可以實現(xiàn)材料處理、物料傳送、成品包裝等多個制造區(qū)域的無縫集成。
圖2 分布式系統(tǒng)架構(gòu)
4．集中式系統(tǒng)架構(gòu)
當(dāng)自動化流程需要多個自動化控制器和多個操作員界面遍布整個區(qū)域時，使用集中式系統(tǒng)架構(gòu)。比如，使用這種架構(gòu)可用于多個單元的包裝設(shè)備。集中式系統(tǒng)架構(gòu)共享整個系統(tǒng)的控制信息，同時提供本地控制器和操作員界面，并且容易支持用戶通過控制室，對整個生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督。
圖3 集中式系統(tǒng)架構(gòu)
5．獨立式系統(tǒng)架構(gòu)
對于小型、本地的應(yīng)用，應(yīng)使用獨立式系統(tǒng)架構(gòu)。比如，對單個集成單元需要本地操作員交互，又要向上一級工廠應(yīng)用通信，應(yīng)使用這種架構(gòu)。獨立式系統(tǒng)架構(gòu)滿足小于等級2的系統(tǒng)需求，提供了所有的自動化/控制能力。
圖4 獨立式系統(tǒng)架構(gòu)
6．系統(tǒng)架構(gòu)的實施
工作站和服務(wù)器（包括HMI）
? 工程師站（EWS）提供了單一的開發(fā)和系統(tǒng)組態(tài)工具包，用于系統(tǒng)的組態(tài)、開發(fā)、維護(hù)，以及系統(tǒng)控制策略的實施。使用EWS組態(tài)控制器、操作員界面和現(xiàn)場總線設(shè)備。
? 操作員站（OWS）使用客戶機(jī)軟件監(jiān)視工藝過程。OWS提供了一種分布式的、針對過程的交互式圖形，支持標(biāo)準(zhǔn)面板、屏幕導(dǎo)航和報警概要，確保整個系統(tǒng)的一致性。
? 維護(hù)員站（MWS）通常是膝上機(jī)，帶有遠(yuǎn)程監(jiān)視和系統(tǒng)維護(hù)的軟件。MWS是可攜帶并且可以在本地連接，監(jiān)視和調(diào)試系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題。
? 增加工作站和服務(wù)器可以擴(kuò)展系統(tǒng)，用戶可以按功能對自動化系統(tǒng)進(jìn)行分段，支持多個流程區(qū)域。
? 獨立工作站把工程師站、過程自動化系統(tǒng)服務(wù)器（PASS）、操作員站的功能結(jié)合到一臺工作站中，在小型、本地的過程應(yīng)用中，執(zhí)行開發(fā)和操作員界面的功能。
? 所有工作站和服務(wù)器支持系統(tǒng)級的安全，按照用戶的規(guī)則保護(hù)數(shù)據(jù)和控制訪問。
? 增加其他標(biāo)準(zhǔn)的羅克韋爾自動化軟件可以提高過程系統(tǒng)的功能，諸如：批處理管理、條件監(jiān)視、資產(chǎn)管理、工廠歷史、回路優(yōu)化、回路整定、先進(jìn)過程控制（APC）、和模糊邏輯。
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控制器
一臺多功能控制器提供了執(zhí)行控制功能的高性能硬件平臺，完成連續(xù)、批處理、離散量、和運動控制應(yīng)用。一臺多任務(wù)控制器允許用戶使用多種語言開發(fā)控制程序。
? 使用1756-L6x ControlLogix控制器。
- 獨立系統(tǒng)，通常為5臺控制器；
- 集中式系統(tǒng)，通常為12臺控制器；
- 分布式系統(tǒng)，每個區(qū)域（多個控制區(qū)域）通常為12臺控制器。
? 基于控制器報警和系統(tǒng)級管理，能提供精確的診斷、時間戳和用戶定制圖形。
? 批處理管理軟件可直接連接到控制器中的S88功能，提供無縫、系統(tǒng)級的批處理能力。
? 基于模型、多變量和模糊邏輯功能，可以運行在任何控制器中，提供了本地、高速的APC功能。
? 每臺控制器都支持多種數(shù)字量和模擬量I/O模塊，實現(xiàn)高速的本地和遠(yuǎn)程通信。
? 智能現(xiàn)場設(shè)備，諸如：驅(qū)動器、FF和HART設(shè)備，以及其他設(shè)備，可以直接連接到系統(tǒng)，實現(xiàn)組態(tài)和控制。
? 冗余和容錯能力可以通過加入相關(guān)模塊來實現(xiàn)，可以滿足高可用性過程應(yīng)用的需求。ControlLogix處理器是通過SIL 2 TUV認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，他們可以用于很多過程安全的應(yīng)用。附加的集成和安裝規(guī)范可以滿足SIL 3 TUV標(biāo)準(zhǔn)。
網(wǎng)絡(luò)
NetLinx技術(shù)確保公共數(shù)據(jù)和信息架構(gòu)遵從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這種通信框架連接到所有的系統(tǒng)組件，構(gòu)成一個分布式計算環(huán)境，數(shù)據(jù)流可在整個系統(tǒng)內(nèi)任意流動。
? 工廠的網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)；
? EtherNet/IP協(xié)議用于自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；
? ControlNet網(wǎng)絡(luò)用于控制和I/O數(shù)據(jù)；
? DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備；
? FF和其他網(wǎng)絡(luò)用于過程現(xiàn)場儀表和終端設(shè)備。
7. 結(jié)論
過程控制只是集成架構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域中使用的案例之一，其實在工業(yè)控制的其他領(lǐng)域，如：離散量控制（開關(guān)量控制）、變頻器控制、運動控制、安全控制和混合控制，都可以使用集成架構(gòu)。集成架構(gòu)不光可以實現(xiàn)控制設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備、人機(jī)界面的數(shù)據(jù)通信，還可以實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全和安保功能，更能集成工廠和企業(yè)級的ERP（企業(yè)資源計劃）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），實現(xiàn)制造業(yè)的資產(chǎn)管理和性能優(yōu)化。
（原創(chuàng)）
