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1 集成技術的發(fā)展
在筆者以前發(fā)表的關于集成技術的文章中，多描述了DCS等發(fā)展前期的反饋控制、順序控制、批量控制等各種控制策略及大、中、小流程工業(yè)對系統(tǒng)規(guī)模不同的需求，而對儀控、電控一體化、管控一體化的需求并未深入探討，而現(xiàn)在這已提到日程上來了。
在DCS、PLC、IPC等工控產品的發(fā)展過程中，3者互相促進，多代產品的更新?lián)Q代、通信技術和人機界面軟件的發(fā)展，使集成化逐步成為繼自動化儀表和系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網絡化之后，逐漸形成的第4個“化”，即形成了集成化的發(fā)展趨勢。
到目前為止，一直以提供完整系統(tǒng)為主要特色的DCS系統(tǒng)多家供應商也在集成化方面有很大進展，如采用COTS的以太網為主干網，以第3家的HMI軟件為人機界面軟件，采用通用組態(tài)軟件平臺，I/O組件采用OEM方式甚至有Honeywell的PKS系統(tǒng)采用Rockwell的控制器。
作為集成化的一個例子，PCS7是該公司過程自動化新一代的DCS系統(tǒng)，已經有近10年的歷史了，版本升至V7.0，根據ARC顧問集團白皮書報導，西門子成為全世界第4大DCS供應商，特別是2006年在中國獲得了中石化青島大煉油項目（年處理量為1000萬t，I/O點約2萬多點，今年5月24日已開車成功），證明其已進入了大型石化工業(yè)的核心控制領域。PCS7的十大新亮點中有3點提到集成：全集成自動化理念覆蓋所有自動化領域的任務、集成批處理與路徑控制軟件包、集成工廠資產管理，ARC評價為“SIMATIC PCS7系統(tǒng)是一個全方位的DCS，能夠滿足在過程自動化中所需要的最苛刻的條件”。它貫徹了儀控電控一體化和管控一體化的要求，提供了基于通用S7跨應用領域的通用硬件平臺，利用了通用ET200系列I/O、通用的PROFIBUS以及以太網通信、通用的配置、工程設計和操作員界面以及一個獨立統(tǒng)一的自動化數(shù)據庫；通過MES的業(yè)務層集成，與諸如SAP之類的企業(yè)系統(tǒng)以及進物流集成，做到在所有自動化領域提供通用組態(tài)和編碼工具，通用用戶界面和通用數(shù)據管理；鑒于流程工業(yè)現(xiàn)場儀表及其它設備數(shù)字化、智能化程度的提高，在DCS層集成了工廠資產管理的基礎功能，同時也為MES/ERP提供必要的設備狀況及設備資產有關數(shù)據；在工藝過程中，有要求故障時緊急停車或要求可燃氣體、有毒氣體報警等而設置安全儀表系統(tǒng)SIS的，也集成在PCS7的統(tǒng)一平臺內。
另外作西門子的新的集成化系統(tǒng)，還做到兼容該公司第一、二、三代DCS，或稱向PCS7系統(tǒng)的移植策略，與西門子有關APACS、Teleperm、PCSOSx以及Braumat釀造系統(tǒng)、Cemar t水泥廠控制系統(tǒng)，已有移植成功的多個業(yè)績；還為其它家系統(tǒng)如Heneywell
TDC3000提供FTA，以及為Freelance、PROVOX、I/A系列接口，為Micrex提供移植方案。PCS7除去連接Profibus PA外，還有連接HART、FF及其它現(xiàn)場總線、現(xiàn)場儀表的硬件和軟件。
ARC在近年評價某公司及國際現(xiàn)場總線基金會、GE Fanuc等多份報告中提到協(xié)同過程自動化系統(tǒng)（CPAS，Collaborative Process Automation System）和協(xié)同生產系統(tǒng)（CPS，Col laborative Product ionSystem），這預示了管控一體化將進入一個新階段，而其供應商是占有新一代集成技術的自動化儀表和系統(tǒng)的制造商。我國和利時和浙江中控均各自發(fā)表了符合這一新潮流的系統(tǒng)。國內的用戶單位也在這一新形勢下，整合基礎自動化和工廠信息化的技術力量，在做好上海賽科等大型石化企業(yè)全廠管控一體化的試點工作的同時，迎接新的協(xié)同自動化的管控一體化的新局面。
2 集成的內涵
集成的英文原詞“Integrate”是“使完整”、“使一體化”的意思，或為“與……結合”、“成一體”等，我國常用“集……而大成”的句子，它的含義在系統(tǒng)工程學中極其重要，所以近年來常把“集成”一詞用在創(chuàng)新、設計、制造、營銷等人們的生產和經濟活動中，也用在產品生命全周期中，對自動化儀表和系統(tǒng)，提出了集成化（另有數(shù)字化、智能化、網絡化）的目標。系統(tǒng)集成除作為一門技術外，其哲學內涵的探討，也是很有用處的，敬請讀者注意。
從目前自動化行業(yè)來看集成化的內容，不僅是上一節(jié)提到的控制系統(tǒng)的集成，還應包括儀控、電控一體化和全廠的管控一體化，構成全廠的信息系統(tǒng)自下而上分為PCS（監(jiān)控層）/MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）/ERP（企業(yè)資源計劃）3層，又在工藝過程中，有要求故障時緊急停車或要求可燃氣體、有毒氣體報警等而設置安全儀表系統(tǒng)SIS的，也應集成在一起。就PCS集成技術來看，應包括：硬件集成和軟件集成兩方面。硬件集成主要是根據輸入、輸出信號確定系統(tǒng)的選型、I/O模塊、控制站臺數(shù)（現(xiàn)按現(xiàn)場儀表是常規(guī)模擬儀表或HART儀表來考慮；如按現(xiàn)場總線儀表考慮，還應進行網段計算及確定鏈接卡—網關數(shù)量等）；根據人機界面的要求確定操作站的臺數(shù)、工程師站的臺數(shù)、CRT或LCD屏幕數(shù)、打印機臺數(shù)、系統(tǒng)服務器臺數(shù)及其它外圍設備，另外還有與MES/ERP管理層的通信接口等。根據數(shù)據通信物理層和數(shù)據鏈路層的要求，確定通信信道的類型和線纜的尺寸，設置必要的通信設備如集線器、交換機等。
軟件集成主要任務是實現(xiàn)數(shù)據和信息的傳送、存貯、處理及完成控制策略和人機界面。在數(shù)字化的基礎上，模塊和單元的集成，主要是信號、數(shù)據、信息的集成。
信號是數(shù)據的物理表現(xiàn)，數(shù)據是信息的抽象表示。數(shù)據除數(shù)字、字母、符號外，還應包括所有能輸入計算機并被程序加工處理的符號的集合，在過程控制中，如描述某管道流量控制回路，應有工位號（如FIC101）、工位說明（可以是漢字）、測量值（包括工程單位及量程上下限）、設定值、操作值、運行方式（如手動、自動、串級等）、報警狀態(tài)（包括報警上、下限和報警等級）、測量值變化率以及綜合數(shù)據而形成的趨勢圖（指時間戳的實時數(shù)據和歷史數(shù)據）、回路棒圖等。由此看來系統(tǒng)內數(shù)據流不只是與現(xiàn)場測量儀表和執(zhí)行儀表有關，還與控制策略、人機界面、系統(tǒng)安全、工藝過程安全等因素有關。另外信息中聲音、圖像等也是以數(shù)據形式傳輸?shù)?，所以說數(shù)據是信息的載體，數(shù)據是數(shù)字化的信息，數(shù)據通信技術只是完成數(shù)據高速公路及類似郵電局的一般通信業(yè)務真正完成數(shù)據的處理和利用，還有大量軟件集成的任務。由于構成系統(tǒng)的各部分是來自不同的儀表制造廠，所以異構系統(tǒng)要實現(xiàn)一體化，就會有很多“接口”，要實現(xiàn)無縫集成，這些“接口”不只是要做到物理上的連接，更重要的是要具有開放性，可實現(xiàn)互操作，即具有互操作性。
從20世紀70年代以來，自動化儀表和系統(tǒng)逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，在其進程中，并無統(tǒng)一標準，“信息孤島”的現(xiàn)象在發(fā)展，至90年代才逐漸開始得到解決，但同時又不斷產生新的矛盾，2000年前后形成了多種現(xiàn)場總線并存的IEC61158（測量和控制系統(tǒng)用）和IEC62026（低壓開關裝置及控制設備用）等國際標準，還有CAN、MODBUS、LonWorks及工業(yè)以太網等應用較廣的事實上的標準，所以系統(tǒng)集成的工作顯得更為重要。
我們還要注意軟件集成的可得性和可用性，即價格不能貴（但不允許超越許可證的使用），用起來還要方便，而且可靠，運行速度快，易于維護。另外，在強調“共性”的基礎上，還要照顧到各制造廠的“個性”，不然集成化就變成給自動化技術“添麻煩”的瓶頸、累贅或陷阱了。
3 工業(yè)自動化系統(tǒng)集成技術
（1）關于標準
局域網的通信標準，這是網絡技術的關鍵，也是系統(tǒng)集成技術的基礎，系統(tǒng)集成是在其模型框架內完成的。特別是1983 年ISO 國際標準化組織通過了開放系統(tǒng)互連OSI（Open System Interconnection）參考模型，即ISO/OSI 參數(shù)模型，我們常稱其為7層模型，即應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數(shù)據鏈路層和物理層7 層，它把通信過程分段，相應地把網絡功能分為不同邏輯和物理層次。實現(xiàn)網絡節(jié)點各層功能的基本方法是，利用硬件實現(xiàn)較低層協(xié)議，利用軟件實現(xiàn)較高層協(xié)議，軟件集成包含在其中。
經過多年的系統(tǒng)集成的實踐，于2003年發(fā)布了ISO 15745標準，標準全稱為工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成—開放系統(tǒng)應用集成框架。它解決了系統(tǒng)集成的應用需求和接口兩個基本問題。標準分4部分：通用參考描述，以ISO11898標準為基礎的控制系統(tǒng)的參考描述、以IEC61158標準為基礎的控制系統(tǒng)參考描述、以以太網標準為基礎的控制系統(tǒng)的參考描述。即1個通用描述和3個參數(shù)，3個參數(shù)是：CAN總線、FF等8種現(xiàn)場總線，以太網所構成的系統(tǒng)。第一部分通用描述提出了開放系統(tǒng)的應用集成框架AIF（Application
Integration FrameWork），它定義了一些元素和規(guī)則，構成集成模型來表示應用需求，并開發(fā)應用互操作專用規(guī)范AIP。這個AIP是接口規(guī)范的表示形式，并要求開發(fā)AIP時，應用UML、XML等來描述和表達。
這些對系統(tǒng)集成技術的發(fā)展起到了里程碑式的作用，表示系統(tǒng)集成技術已進入標準化階段。關于管控一體化的標準正在形成中，目前ISA95為加快MES與ERP之間的集成而在快速推進中，爭取獲得認可。
（2）關于OPC
OPC（OLE for Process Control）為用于過程控制的對象鏈接嵌入技術，OLE（Object Linking andEmbedding）。OPC是一套數(shù)據交換接口的技術規(guī)范，OPC基金會已經有120個成員，大多數(shù)儀表制造商都參加了該組織。
把諸如現(xiàn)場智能化儀表、PLC控制器與基于PC的人機界面操作站集成在一起，這是系統(tǒng)集成商較早遇到的問題，這種接口問題的解決方法有多種或者說接口有多種，但是接口規(guī)范化、標準化是必由之路。在自動化系統(tǒng)集成中，以前采用動態(tài)數(shù)據交換技術DDE（Dynamic Data Exchange），它對于幾臺PLC控制器與1臺內裝HMI人機界面監(jiān)控軟件的PC機來說還是可行的（現(xiàn)在也還有少數(shù)場合應用此辦法），但系統(tǒng)規(guī)模大了，就會有困難了，況且它并無統(tǒng)一標準，所以接口驅動軟件開發(fā)工作量很大，而且并不通用。OPC正是解決了這個問題，它作為通用的接口，可以把各家數(shù)字化現(xiàn)場儀表與上位人機界面軟件方便地鏈接起來，而且可以與PC機的Excel、Access、VB、VC等多種平臺鏈接起來。由于它采用了先進的COM/DCOM技術（Component Object Model組件對象模型和Distributed COM分布式組件對象模型），比DDE等接口技術容易解決運行速度和多臺計算機之間的傳輸問題，為通用的服務器/客戶器鏈接方式，實現(xiàn)即插即用。
OPC性能不斷提高，最新版本為OPC3.05版本，可做到基于以太網橫向信息交換和實現(xiàn)跨平臺（即與非微軟的平臺如Linux）的OPC應用，而且通過與EDDL合作，正在解決從底層到高層系統(tǒng)互操作方案。
（3）關于組態(tài)技術
組態(tài)一詞來自Conf iguration，它包括了配置、組態(tài)、布局等含義，在自動化領域內，經常把硬件配置與軟件組態(tài)搭配稱謂，而且當今一般理解組態(tài)技術即指軟件組態(tài)，而且是面向控制策略的軟件組態(tài)，是在基本控制算法基礎上構成的功能塊（PID等）之間的軟件連接，是功能塊與現(xiàn)場設備物理地址之間的連接，當然還包括類似儀表具體規(guī)格和參數(shù)的選擇。由此可見，這里講的軟件，并不是一般的計算機編制程序，而是專門為自動化工程師、工藝工程師而設的“工控編程”，本文第一章中所說的模塊化，實際包含了硬件和軟件的兩方面，這里所說“組態(tài)”是軟件模塊完成控制策略的面向最終用戶的集成技術的核心。現(xiàn)在的工控系統(tǒng)中，除控制策略組態(tài)以外，還包括網絡組態(tài)、設備組態(tài)。一般工程中，新系統(tǒng)開工前采用離線組態(tài)方法，而在工廠投運時進行小范圍調整時，采用在線組態(tài)方法，這樣的集成技術，將使工程施工周期大為縮短。
僅就控制策略組態(tài)而言，從DCS、PLC出現(xiàn)以來，工控編程的方法有多種，最流行的方法是“內部儀表”接線圖法和電氣盤的“梯形”圖法，通常采用便攜式手持編程器或使用PC機內裝組態(tài)工具軟件兩種方法進行組態(tài)，但各制造廠的產品組態(tài)工具軟件各不相同，組態(tài)方法也有差別，所以標準化工作在集成技術中就顯得很重要。在分批控制（包括連續(xù)控制）中有ANSI/ISA-88.01-1995標準，在PLC中出現(xiàn)IEC61131-3，后者除用于離散控制外，也涵蓋了分批控制、連續(xù)控制，它提出5種編程語言，即指令表（IL）、梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊圖（FBD）、結構化文本（ST），這包括了文本編程和圖形化編程兩方面，而且SFC中文本和圖形兼?zhèn)洌@些已在許多DCS和PLC產品中實現(xiàn)，但通用性、可移植性還存在很多問題。近來又開展“工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)用功能塊標準”IEC61499項目，它將IEC61131-3進行擴展，它是針對通過通信網絡互聯(lián)的模塊化分布系統(tǒng)的體系結構的標準，是以數(shù)字技術為基礎的各種控制器在高層面上走向開放性的和應用程序可移植的標準。這是DCS、PLC、PAC、IPC等的發(fā)展趨勢。國內對控制器的控制引擎和數(shù)字引擎（實現(xiàn)對控制邏輯實時數(shù)據庫的解釋執(zhí)行）技術的研究，將為執(zhí)行IEC61131-3和IEC61499開創(chuàng)新的局面。根據控制策略組態(tài)技術的基本思路，控制組態(tài)模板，人機界面組態(tài)等，直至先進控制和管控一體化系統(tǒng)都逐步采用組態(tài)技術，以便于系統(tǒng)工程師的應用。
到系統(tǒng)工程師只需“點菜單”或“連線”等點擊方式就能組態(tài)各種系統(tǒng)時，系統(tǒng)集成技術就真正做到“輕松集成”（Power to Integrate）了。
（4）設備描述和設備管理
設備描述簡稱為DD（Device Descriptions），是作為數(shù)字化了的現(xiàn)場設備間的互操作的應用行規(guī)，它使現(xiàn)場設備間或與主系統(tǒng)間的傳輸數(shù)據，如數(shù)據類型、參數(shù)語義、應用功能等能互相理解。設備描述是由設備描述語言DDL實現(xiàn)的，基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）的現(xiàn)場設備采用可讀的結構文本，用DDL編寫的設備描述的源程序，經設備描述編譯器轉化成機器可讀的輸出文件，控制系統(tǒng)從而理解各制造商的設備的數(shù)據意義，這類似于PC機與打印機之間的驅動程序，一個現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表在接線完成后，還需要把相應DD“驅動程序”裝在主機上，主機和現(xiàn)場儀表之間就可以互操作了。
設備描述技術經歷一段時間發(fā)展，現(xiàn)場總線基金會FF等組織在DDL基礎上形成EDDL，2004年成為國際標準IEC61804。EDDL提供基本構件約16種，即塊、變量、數(shù)組（陳列）、條目數(shù)組、記錄、數(shù)集、變量表、程序、域、響應代碼、方法、單元關系、刷新關系、整體寫入關系、菜單、編輯顯示等，目前FF基金會已完成了與過程控制有關的溫度、壓力、流量等檢測儀表和執(zhí)行器的現(xiàn)場設備的設備描述，而且有378種現(xiàn)場設備和17種主機系統(tǒng)通過互操作性的認證，現(xiàn)FF等3家（另兩家為HART和Profibus）又與OPC組織合作，開展EDDL的第二階段的研發(fā)工作。某公司為首的ODVA組織完成了與離散控制有關的半導體設備、氣動閥、交流驅動設備、位置控制器等的設備描述。
另外，19 9 9年ZVEI（法國電工器材工會）和Profibus國際組織提出了FDT（Field Device Tool）現(xiàn)場設備工具技術規(guī)范，得到了ABB、E+H、羅克韋爾、英維思等公司支持，它是獨立于FF等的設備集成技術，所以很受人們矚目，但他們提出該技術可以兼容EDDL，用戶只好拭目以待。近聞ABB、E+H、羅克韋爾、英維思4家與FDT合作，形成FDI（Field Device Intergration）現(xiàn)場設備集成統(tǒng)一架構，并正式開展工作。
由于設備描述技術的發(fā)展，使自動化儀表數(shù)字化、智能化進入一個新階段，即將設備控制信息、運行狀態(tài)信息及設備制造安裝信息集成在設備管理系統(tǒng)中。
近來興起的設備管理系統(tǒng)一般均為在DCS系統(tǒng)（或稱主系統(tǒng)）基礎上增加一個內裝AMS（AssetManagement Solution）設備管理系統(tǒng)軟件的顯示操作站，掛在同一局域網中，完成現(xiàn)場設備的管理維護工作，即完成設備組態(tài)管理、故障診斷，調試標定所連設備，以及自動維護系統(tǒng)的設備數(shù)據庫，這把本文提到的MES/ERP層的部分功能在這里實現(xiàn)了，使管控一體化技術在此提前走向實用。
4 集成化的工程實施
系統(tǒng)集成和集成了的系統(tǒng)原文為System Integration和Integrated system，這對最終用戶來說是有些不一樣，最終用戶是要求得到符合自己應用需求的系統(tǒng)，是要求得到解決方案（Solution），是要求實現(xiàn)交鑰匙工程，所以應該明確是要求得到Integrated System，即已集成的系統(tǒng)。對于本文所述的集成技術諸項應該了解，但不必要自己從“原材料”出發(fā)去集成，大量集成的工作應該讓制造商、集成商去完成。對于系統(tǒng)集成技術實力較強的最終用戶來說，可以由工藝人員介入應用需求有關的控制策略的組態(tài)和人機界面組態(tài)工作，由儀表維護人員介入系統(tǒng)（網絡）組態(tài)和設備組態(tài)工作，但不宜取代系統(tǒng)集成商。這里說到工程實施過程應該有“集成”的意識，這也是完成一個自動化工程的關鍵。我們應該分出條條塊塊，分工合作；應該以串行方式為主，并行方式為輔；我們對技術隊伍的培養(yǎng)應貫徹始終，做到人的集成、管理集成、技術集成，人、財、物形成一個整體；做到設計階段集成、工程實施階段集成、維護期的集成，使全生命周期貫穿著集成的思想。
我們知道“數(shù)字工廠”主要指工廠運行信息的采集、存貯、控制等數(shù)字化，這可以說是物理對象數(shù)字化、工作對象數(shù)字化，而對于工廠建設過程中的數(shù)字化信息的留存及全生命周期信息不斷加載，這對于工廠運行也很重要。有研究表明，工廠運行費用的70%與生命周期有關。而我們以前工程實施“集成”過程中，由于規(guī)劃設計、施工安裝、開車調試、運行維護人員分割，可以說信息截流嚴重，這對“70%”的使用和節(jié)約是太不利了。所以從系統(tǒng)工程的角度看，集成化的工程實施，在一定程度上比集成化的產品更重要。所以“集成化”應引起我們重視。

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