从MICONEX2006看工业自动化系统的现状与发展

从MICONEX2006看工业自动化系统的现状与发展
卞正岗
一　DCS系统
DCS系统已经进入第四代，当然这并不排除正在使用或作为当家产品展出的第三代DCS已进入第四代DCS阵容，因为第四代产品的特征并不是什么硬指标。一般来说，第四代DCS有如下几个特征：
(1)使用当代新型微处理器等大规模集成电路，将嵌入式技术应用在控制器、输入/输出卡、通信卡等，全面采用32位CPU，器件水平及工艺水平提升，使硬件可靠性及小型化方面有明显进步。
(2)向下兼容：能接收模拟量信号、开关量信号、脉冲序列信号等常规DCS所能接收的信号以外，还可与HART仪表、基于多种现场总线的现场仪表及其他数字化仪表、PLC等相兼容，实现无缝连接。DCS系统的操作站或称主机(主系统)要通过本机互操作性能测试HIST(主要指FF基金会现场总线)。
(3)向上兼容：与工厂管理网络相连，进一步形成全厂管控一体化系统。
(4)DCS性能提升：上面3点使DCS在硬件水平和信息获得上为全面提升DCS性能打下基础。性能中除可用性、可靠性等指标外，主要是智能化水平或称知识水平的提升，操作水平或称对信息处理能力的提升，最终使DCS成为优化的工具、得心应手的工具。
1. 国外DCS
(1)西门子公司Simatic PCS7过程控制系统：此系统可以说为西门子Teleperm M DCS控制系统的更新换代产品。它采用分布式客户/服务器结构；各层次均冗余、开放；采用现场总线；是中央全集成的工程系统；可接60000个测量点；适用于连续和批量过程或过程控制和混合型控制；有模块化的Simatic Batch批处理系统，符合FDA 21CFR Part11标准，适用于医药、食品、精细化工等行业。我国巴斯夫南京分公司大量使用该系统。
(2)英维思过程系统1/A Series及Foxboro A2
英维思公司主要成员Foxboro从1988年底第一套I/A Series到2004年I/A已更新至V80版，新系统采用了Mesh控制网络结构，具有很强的易伸缩性，通过以太网交换机的互联，可运用线形、环形、星形或倒挂树形等网络技术连接各I/A Series系统站(最多为1920个站)，支持基于IEEE802.3标准的全双工运行(100M/1Gb/s)，该系统主要有3种站：应用操作站处理机AW(计算站和服务器站)、操作站处理机WP(类似工程师站和操作站)、控制处理机、CP(控制站)采用FF H1的系统，除在石化方面以外，在意大利Chivasso电厂也有应用业绩。
Foxboro A2自动化控制系统更适合于中小型装置，采用以太网系统架构，符合ISO/OSI标准，传输速率最高为100Mb/s，通信介质为光缆或双绞线，用于连接Foxboro A2的控制站、工程师站、操作员站，也可与多种现场总线相连，模块采用欧陆公司的2500系列和技术，人机界面采用Wonderware产品和技术，是一种很有希望的DCS产品。
(3)横河电机公司CENTUM CS3000 R3综合生产控制系统
近10年来，横河DCS系统由CENTUM CS、CS1000、CS3000进展到目前CS3000 R3，其以前的投资均可与目前的主干网络Vnet/IP相连，而Vnet/IP与我国EPA均成为IEC61784-2实时以太网的PAS通用认可文件，Vnet/IP对应为IEC/PAS62405，由于速率提高至1Gb/s，所以比Vnet性能有较大提升；控制站由于双冗余结构、热切换技术、容错技术等一系列措施，可用性已达到0.9999999(即7个9)，是众多DCS的姣姣者；其软件有Exaquantum及Exaquantum/Batch工厂信息管理系统、Exaopc OPC接口软件包、Exaplog事件分析软件包等，其中Exapilot可将操作人员执行的手动任务转变成可重复的自动程序，即通过对操作程序进行标准化和自动化，提高了操作效率和产品质量，将熟练操作人员的专业技术系统化；控制站内有链路设备ALF111卡，可支持4个网段，实现双重化。一台控制站可内置了2块ALF111卡，即一台控制站最多可接64(冗余)或128个网段，展览会上有ALF111卡接多台各种FF现场总线仪表的演示。横河中标的惠州中海壳牌大型石化(CSPC)项目取得了成功，整个工程有9套DCS系统、18个远端间、4万个I/O点(进DCS)，其中16000台FF现场总线登记表联成一个全厂性的网络，而且开创了在国内新开工项目建设同时承包长期维修服务的榜样。
其他厂家如ABB公司的IndustrialIT过程控制系统AC800F、山武公司的Harmonas DED的R300最新版本、东芝V系列集成控制系统(与更大系统TOSDIC-CIE兼容)都很有特色，而且更加体现采用工业以太网及Web技术等的优越性。SIXNET公司在工业以太网产品和系统方面很有特色。Rockwell公司在全方位提供工业自动化解决方案及系统方面，不仅是适用于FA，在PA、特别是混合控制方面，如制药工业等也有业绩，这次在多国仪表展览会受到客户的青睐。
2. 国内DCS
(1)上海自仪公司的SUPMAX-800是新一代DCS，产品工艺及外观都有很大进步，特别是性能上的确具有第四代DCS的特点；SUPMAXNET网络达到100Mb/s，采用COTS技术通用智能型交换机，为基于交换型快速以太网；支持多域系统，组态符合IEC61131-3标准；控制站中SUPMAXDPU分散处理单元采用32位CPU，及VxWorks实时多任务操作系统，采用DISK ON CHIP，做到断电不缺组态，SOE(顺序事件记录)分辨力达到1ms，有冗余以太网接口；I/O模板及插接件、机架均有很大改进，可抵御电厂恶劣电气环境，有隔离功能，有远程I/O(1，2km)。SUPMAX-800已成为30万、60万电站配套用DCS产品。
(2)浙江中控这次展品是WebField ECS-100X，它是JX、ECS、GCS三大系列中ECS的更新换代产品，具有第四代DCS的特征，它对原系统进行了数十项技术改进，做到安全、强大、先进，采用32位处理器的全封装主控模块，快速I/O采样技术、满足各行业的特殊要求，I/O总线全面采用EPA标准的高速全冗余以太网等。
(3)上海新华控制公司的TisNet系列有3种产品，TisNet-P400、P600过程控制系统，前者为小型，后者为大中型，TisNet-XDC800新华数码控制系统为大型系统，面向整个生产过程，它们都具有第4代DCS的特征，而且TisNet-P600在间歇聚丙烯智能控制中已应用成功。
(4)天津仪表集团这次展出多年经营自主开发的DCS-200分散型控制系统，外观、性能及应用业绩方面都有很大进步；另外就是与东芝公司合作推出集成控制系统Vseries，该系统采用TC-net高速以太网，与我国EPA同时成为IEC/PAC文件(IEC/PAC62406)。东芝公司是国际知名公司，而且其DCS市场占有率在国际上是领先的，所以前途看好。
(5)重庆川仪公司的PAS-100控制系统是在原FCS-100、FCS-2000现场总线控制系统基础上发展起来，采用ODM方式研发，核心控制器采用国际知名公司产品制造，系统应用软件平台由川仪联合欧洲著名软件公司共同开发，采用了以太网，控制器是基于PC-BASE开放式控制器。
(6)北京远东四维公司(属北京远东仪表公司旗下)展出EaSys-100分散过程控制系统，它主要面向大型过程控制系统，控制点数可达10000点以上，也适用于100点以下的小系统。
3. DCS部分的小结
在2000年前后，曾有一场关于DCS前途的争论，现在看来很有益处，DCS与FCS相融合了，而且DCS生命力不只是5年、10年的问题，所以我国大型石化工程在控制系统选用上，以DCS+ HART为主，部分有条件的工程采用DCS+FF、DCS+Profibus-PA、DCS+多种现场总线产品。我国DCS生产厂积极开发第四代DCS及提出“DCS的性能、PLC系统的价格”(新华控制公司TisNet-P400的推介中，提出此理念)，使我国石化及冶金、电力、建材、轻工、市政等更多行业可得到更好的工业自动化系统。
二　设备管理系统
这是展会上工业自动化系统中第二个热点。设备管理系统本意应涵盖工厂内重要资产特别是贵重工艺设备的管理，目前只做到对自动化设备(主要是现场仪表)和部分旋转设备的资产管理和维护管理。实际产品名称除AMS以外，有PRM(横河)、PAM(ABB)、EAM(Foxboro)、FieldCare(E+H)等，这也是展会中技术交流讲座的主题之一。除少数是自成体系以外，设备管理系统均利用DCS的平台实现设备档案和当前状态的可视化，有的DCS系统把设备管理或资产管理作为一个可选软件包，作为DCS的一部分，有的采用专用操作站。作为设备管理系统，它采用了增强型设备描述语言技术(EDDL和(或)现场设备工具技术FDT)，从现场总线现场设备或HART现场设备中获得设备信息。横河等公司还开发了FieldMate等针对负责现场设备管理的重要人员的移动解决方案，FieldMate是同时支持FDT和EDDL的便携式工程技术/维护工具，为各FDT设备的设备类型管理器DTM提供主要设备的信息和参数，而且可实现与其他厂家DTM之间的互联，为此横河还在新加坡成立了FDT/DTM相互应用性能检验中心。
关于FDT，展会上由FDT Group集团等专设展台，而且进行了由ABB、横河、TURCK、E+H及M&M多家公司参加的技术交流，并提供多家展品。它是以现场总线为基础，能对设备进行标准化配置，高级诊断和维护的FDT及相关的插入式应用软件，并在现场网络中提供与设备互动的DTM，它们支持FF、HART、DeviceNet、Profibus等10种协议，不需要对设备或其他支持文件(DD、GSD)进行修改。目前可以理解FDT类似于个人电脑的打印机接口或驱动软件。FDT组织于2002年成立，已有53个成员(含浙大中控)，它涵盖了大多数系统供应商，有400多种现场仪表经过FDT认证。
设备管理系统的目标是实现预测性维护，要做到消除多余和错误的维护(这占维护成本的三分之一)、减少非计划停工、减少大修时间和延长大修间隔及优化资产性能、人力效率、备品备件、工厂可用性、延长自动化仪表使用寿命等，这条路还很长。所幸人们已经认识到：从减少接线延伸到优化设备管理，从获取诊断信息延伸到获取全部设备信息上来实现现场总线的优越性，当然要使设备管理系统发展，更不应忘记现场变送器、执行器的数字化和智能化。
展会上P+F公司展出金属腐蚀状态变送器，这为设备管理打开了一个思路，即对工艺设备、设备环境，在资产管理系统中可把相关信息收集上来，参与预测性维护的决策。
三　安全仪表系统(SIS)
近来关于安全问题的讨论可谓热烈，人们对保安(Security)与功能安全(Function safety)已经能够正确区分。人们对DCS等系统发展至与互联网相连、厂内各个职能人员如何使用密钥保证安全等已经讨论过了，而现在对于基于IEC61508和IEC61511的SIS系统则兴趣盎然。有多家相关展品，例如Triconex(Invensys旗下)产品、西门子、ABB、横河等的功能安全产品，西门子的PROFIsafe行规，已经得到TüV和BGIA的认证，也可能用于流程行业。横河公司ProSafe-RS打破了以前SIS系统是与DCS平行设置的陈规，做到与其DCS系统技术相兼容(无缝集成)，除采用CS3000软硬件技术外，系统架构也相同，共用一个Vnet或Vnet/IP，而其硬件和软件有独特之处，ProSafe-RS与传统的安全PLC相比，尺寸小型化了，各类卡件都可以冗余，采用安全型I/O卡的接线方式，而且单卡、非冗余方式就可以达到SIL3的安全等级，实现简单的解决方案，它打破了市场上对100ZD、TMR2003、QMR2004产品的迷信。
SIS系统除用作ESD外，还可作PSD、F&G、BMS等应用。
我国在上世纪70～80年代曾引进HIMA的第二代安全仪表系统，但未能坚持下来，现在安全仪表系统已形成应用热潮，仪表行业应对如SIS是否与DCS各自独立、风险分析、SIS应用技术、安全产品认证、SIS配套的现场仪表特别是执行器等问题作深入讨论。作为展览会，已做到引起业内人士重视。
四　管控一体化系统
展会上众多DCS厂商均指出自己的某种系统为管控一体化系统的一部分。系统上名称不一，但大多数均提出ERP/MES/PCS三层结构，ERP层还附有供应链管理SCM。PCS层有的则分成监控层和现场层。Invensys公司今年发表的INFUSION企业控制系统，它整合了其旗下多家公司的资源，特别是Wonderware和Avantis的数据库、人机界面和多个行业的应用经验；展会期间就MES在各行业的应用，提出了很多解决方案，而其关键是数据库技术，这方面国内也有多家原来搞人机界面组态软件公司有了长足的进步，如亚控公司的eFactory的工业实时数据库可以做到存储速度为每秒超过20000点，单个服务器100000点，支持最多256个并发客户同时存储和检索实时及历史数据，而且有高效的数据压缩算法及功能强大的计算引擎、查询引擎，支持开放的数据访问接口OLEDB、(ADO)、SQL-92(99)、XML、OPC标准，有高可用性，支持双机冗余配置，可满足美国医药食品行业标准FDA CFR 21 PartII条款对于安全性的特殊需求，做到有良好的安全性，提供严格的用户认证、权限管理的审计手段。在结合石化行业应用上，国内大庆金桥信息技术工程有限公司展台上列出了许多应用典型案例，他们的生产执行系统ePlant-MES可做到向上层ERP/供应链提高生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、生产进程、油品质量、成本分析及各种生产运行数据，向底层系统发布生产指令及有关的控制参数，同时分别接受上层的中长期计划和底层的数据采集、设备运行状态等，使企业可方便进行基于Web服务的应用开发、发布和管理。