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彭瑜（1938－）
男，湖南長(zhǎng)沙人，教授級(jí)高級(jí)工程師。1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，長(zhǎng)期從事工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。1993年獲國(guó)務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表與裝置專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)專家委員會(huì)委員。



摘要：本文就過(guò)程控制系統(tǒng)技術(shù)正在向分散智能控制的整體協(xié)調(diào)方向進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移展開(kāi)討論，著重于以下問(wèn)題：市場(chǎng)要求過(guò)程控制技術(shù)提供整體解決方案；協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS模型的架構(gòu)；各種類型的自動(dòng)化集成體系架構(gòu)的異同比較；過(guò)程控制技術(shù)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移目標(biāo)趨于清晰和完善；在構(gòu)建自動(dòng)化集成體系架構(gòu)時(shí)的系統(tǒng)升級(jí)方法；協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)CPS的概念和發(fā)展。

Abstract:  Process control system technologies are migrating to collaborate with intelligence existing at all nodes form distributed with distributed intelligence at many nodes. In this paper, we discuss mainly the following issues: market requires offering total solution for process control, system architectures of collaborative process automation, comparison of automation integrated architectures offered by some main automation companies, clarity and perfect of targets of process control migration strategies, system upgrading methods in automation integrated architecture, concept of collaborative production system and its development.

    數(shù)字式過(guò)程控制系統(tǒng)經(jīng)歷了集中控制和智能（即第一代的DCS，自1970年至1985年）、分散控制和分散智能（即第二代DCS，自1985年至2000年）兩個(gè)階段后，很長(zhǎng)時(shí)期無(wú)實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，發(fā)展方向相當(dāng)模糊。自2000年后開(kāi)始進(jìn)入第三個(gè)階段—分散智能和控制的整體協(xié)同[1]。顯而易見(jiàn)，過(guò)程控制技術(shù)正在經(jīng)歷重大的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不具備消除非計(jì)劃停車和實(shí)時(shí)提供充分的可計(jì)量生產(chǎn)利潤(rùn)的功能，這已成為將企業(yè)內(nèi)部各生產(chǎn)環(huán)節(jié)在實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造、在生產(chǎn)系統(tǒng)和經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合指標(biāo)優(yōu)化的壁壘；這還因?yàn)?，現(xiàn)有的估計(jì)價(jià)值達(dá)650億美元以上的控制系統(tǒng)已到了其傳統(tǒng)生命周期的最后階段[1]，如何改造？而新投用的控制系統(tǒng)又在源源不斷地涌現(xiàn)，如何解決新老系統(tǒng)的協(xié)同。這些正是制定戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移策略時(shí)，在設(shè)計(jì)改造后整體的控制系統(tǒng)的生命周期時(shí)必須考慮的關(guān)鍵因素。

1   提供整體解決方案是市場(chǎng)對(duì)過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展的要求

    隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，在挖潛增效的驅(qū)使下，要求自動(dòng)化技術(shù)提供一攬子解決自動(dòng)化控制和生產(chǎn)管理、執(zhí)行等信息系統(tǒng)的全集成解決方案，而不再因襲PLC或DCS的自動(dòng)化孤島和信息孤島的陳舊模式。用戶清晰地認(rèn)識(shí)到，單純依托自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展很難獲取顯著的效益，與管理信息的綜合必將帶來(lái)總效益的陡增（見(jiàn)圖1）。自動(dòng)化必須按綜合的尺度（諸如提高資產(chǎn)的可用性和資產(chǎn)的回收率、降低生命成本等策略和財(cái)務(wù)目標(biāo)）向用戶提供持續(xù)增長(zhǎng)的利益。

    涵蓋從底層的制造自動(dòng)化到頂層的管理自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)十幾年的探索和實(shí)驗(yàn)，從理論和實(shí)踐上證明了扁平化的三層模型進(jìn)入了大規(guī)模、全方位的應(yīng)用時(shí)期。自動(dòng)化、信息化技術(shù)的發(fā)展為整體解決方案的提供，做好了幾乎所有的技術(shù)準(zhǔn)備。

    ●  自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)為打破長(zhǎng)期以來(lái)將工業(yè)控制領(lǐng)域劃分為電氣控制（包括傳動(dòng)控制、邏輯和順序控制）、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制等專業(yè)的束縛，為建立統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)平臺(tái)和統(tǒng)一的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)準(zhǔn)備好技術(shù)和認(rèn)識(shí)條件。

    ●  在經(jīng)濟(jì)全球化大趨勢(shì)的推動(dòng)下，在國(guó)際產(chǎn)業(yè)界長(zhǎng)期共同追求和努力下， 從工控編程語(yǔ)言、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)，一直到控制和企業(yè)信息管理集成等各種自動(dòng)化國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣應(yīng)用，取得了豐碩的成果，形成為普遍的共識(shí)，為自動(dòng)化集成體系架構(gòu)的發(fā)展和日趨成熟奠定了標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)。

                    圖1   自動(dòng)化技術(shù)與管理信息的綜合必將帶來(lái)總效益的陡增

    這明確地告訴我們：自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，必須與企業(yè)管理、工廠層運(yùn)行管理信息化有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化控制。按國(guó)內(nèi)自動(dòng)化業(yè)界的習(xí)慣，我們采用以下概念：

    ●  性能指標(biāo)：綜合生產(chǎn)指標(biāo)（產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、成本和消耗）；
    ●  目標(biāo)：綜合生產(chǎn)指標(biāo)實(shí)際值在目標(biāo)范圍內(nèi)；
    ●  對(duì)象：控制過(guò)程和管理過(guò)程；
    ●  工具與平臺(tái)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)等；
    ●  綜合：自動(dòng)化技術(shù)、生產(chǎn)工藝技術(shù)、設(shè)備運(yùn)行技術(shù)和生產(chǎn)過(guò)程管理技術(shù)。

    綜合指標(biāo)優(yōu)化的另一種提法是國(guó)外近年來(lái)開(kāi)始流行的Opx卓越運(yùn)行操作。所謂Opx卓越運(yùn)行操作（見(jiàn)圖2），按照ARC給出的模型可以理解為：根據(jù)客戶的需要確定生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，以6S作為質(zhì)量控制的指標(biāo)，以控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理信息為核心，對(duì)生產(chǎn)潛力進(jìn)行優(yōu)化，并致力于不斷的改善生產(chǎn)過(guò)程。這是一種概念性的模型，是一個(gè)合理化的漸進(jìn)過(guò)程。要追求OpX，首先必須實(shí)現(xiàn)卓越的安全性，卓越的資產(chǎn)設(shè)備管理，卓越的生產(chǎn)管理，最后才有可能達(dá)到卓越的運(yùn)行操作。 

                                   圖2   Opx（卓越運(yùn)行操作）模型

2    在經(jīng)營(yíng)管理、工廠生產(chǎn)形成閉環(huán)的前提下追求績(jī)效最佳

    協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS(Collaborative Process Automation System)模型（見(jiàn)圖3），由著名咨詢集團(tuán)ARC提出，可以說(shuō)它是自動(dòng)化設(shè)備制造公司和工程公司實(shí)現(xiàn)ERP、MES和PCS三層結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化解決方案。CPAS把PCS和MES的功能性和具體實(shí)現(xiàn)所必需依托的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相互關(guān)系，完整而又清晰地予以概括[2]。CPAS倡導(dǎo)全廠控制（in-plant control）的概念，用一個(gè)平臺(tái)提供工廠所有必須的控制功能，摒棄長(zhǎng)期以來(lái)由PLC和DCS分擔(dān)離散控制和過(guò)程控制的功能劃分。同時(shí)，還倡導(dǎo)用一個(gè)統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)和組態(tài)環(huán)境，解決所有的電控、儀控、計(jì)算機(jī)控制和HMI、SCADA的設(shè)計(jì)和組態(tài)，乃至開(kāi)車調(diào)試投運(yùn)和運(yùn)行管理維護(hù)所需要的工程問(wèn)題。CPAS明確指出，支持底層和設(shè)備自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)總線，支持工廠和企業(yè)的管理信息網(wǎng)絡(luò)是基于以太網(wǎng)的技術(shù)。

    傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)是以當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件為出發(fā)點(diǎn)，用在市場(chǎng)上可采購(gòu)到的硬件和軟件產(chǎn)品組建的，很少去考慮制造廠的經(jīng)營(yíng)要求。如今已不能停留在這種落后的概念了。由于生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理嚴(yán)重脫節(jié)，信息交流不暢，甚至所生成的信息是不及時(shí)的、走樣的，在許多情況下資本成本難以回收，績(jī)效低下。新一代的過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)必須滿足生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化的要求，并把這種要求轉(zhuǎn)化為一種有效的可執(zhí)行的解決方案。過(guò)去十多年來(lái)信息技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展，使運(yùn)營(yíng)管理與工廠生產(chǎn)建立緊密、實(shí)時(shí)聯(lián)系的協(xié)同環(huán)境，有了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。為了在運(yùn)營(yíng)管理和生產(chǎn)制造之間建立同步的、相互都有利的支持環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在經(jīng)營(yíng)管理、工廠生產(chǎn)形成閉環(huán)的前提下追求績(jī)效最佳，這就是協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS的理念。

    CPAS的關(guān)鍵是在三層結(jié)構(gòu)中建立起上下各層次間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，或者稱為上下各層次間的信息同步。這就是說(shuō)，生產(chǎn)管理作為CPAS的核心環(huán)節(jié)必須與過(guò)程控制緊密連接。用過(guò)程控制的術(shù)語(yǔ)說(shuō)，CPAS以經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)流程的性能最優(yōu)為目的，為經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)管理和生產(chǎn)制造之間形成閉環(huán)，提供了一種方法。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的績(jī)效進(jìn)行精確度量，是達(dá)到綜合指標(biāo)優(yōu)化、卓越運(yùn)行操作的前提。CPAS還要求納入第三方產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和管理的信息，以求得供應(yīng)鏈的協(xié)同。

     

                                圖3   協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)模型

    概括起來(lái)說(shuō)，CPAS是一種控制生產(chǎn)過(guò)程，其規(guī)?？纱罂尚。╯calable)、具有高可用性（availability），性能穩(wěn)?。╮obust），采集和處理數(shù)據(jù)能力極強(qiáng)，且無(wú)邊界的平臺(tái)。

    在總部對(duì)企業(yè)資源、供應(yīng)鏈、客戶、OEM供應(yīng)廠和其他工廠的計(jì)劃、調(diào)度、協(xié)調(diào)和安排下，利用自動(dòng)化和信息化的手段，整體組織、處理和控制從原材料、外購(gòu)或外包部件進(jìn)廠檢驗(yàn)、處理，加工制造（包括批量/混合流程、連續(xù)流程、離散加工），到包裝、發(fā)貨，乃至為保證正常生產(chǎn)必須的公用工程。把以上各個(gè)環(huán)節(jié)全部納入控制范圍，使其全部處于可控的狀態(tài)之下，就達(dá)到了全廠控制的目的。從這個(gè)意義上講，自動(dòng)化集成體系架構(gòu)就是為滿足全廠控制，甚至于企業(yè)控制的要求，開(kāi)發(fā)發(fā)展綜合自動(dòng)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3    各公司自動(dòng)化集成體系架構(gòu)的異同比較[3]

    在這種趨勢(shì)下，世界級(jí)的自動(dòng)化供應(yīng)商整合原來(lái)積累的硬件、軟件平臺(tái)，紛紛推出全集成架構(gòu)，如：Schneider的Transparent Ready，Siemens的Total Integrated Automation（TIA），Rockwell Automation的Integrated Architecture，Mitsubishi的e-Factory，ABB的Industrial IT，Emerson Process的 PlantWeb，Invensys Process 的ECS（Enterprise Control System），以及Yokogawa的 VigilantPlant 等等。圖4和圖5給出Rockwell Automation和Siemens有關(guān)過(guò)程控制系統(tǒng)的集成架構(gòu)模型[2，4]，仔細(xì)研判，可以發(fā)現(xiàn)它們均符合CPAS模型的要求，但又明顯的帶有本公司原有硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)的特色。

    這些自動(dòng)化公司所推出的全集成自動(dòng)化架構(gòu)雖然各有不同，但都是為了在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成（或稱通信集成）的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)集成，最終達(dá)到應(yīng)用集成。因此，在以下方面還是一致的：

    ●  強(qiáng)調(diào)企業(yè)信息和控制系統(tǒng)的集成，即PCS — MES — ERP的集成，但著重是控制系統(tǒng)和生產(chǎn)制造執(zhí)行的集成。
    ●  強(qiáng)調(diào)為工程設(shè)計(jì)和組態(tài)（工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、自動(dòng)化設(shè)計(jì)和編程等）、調(diào)試投運(yùn)、運(yùn)行操作、資產(chǎn)管理和優(yōu)化、維護(hù)等各環(huán)節(jié)提供統(tǒng)一平臺(tái)。
    ●  在控制層強(qiáng)調(diào)用統(tǒng)一平臺(tái)解決電控、儀控、運(yùn)動(dòng)控制等多專業(yè)的功能性的要求。
    ●  強(qiáng)調(diào)控制層、執(zhí)行層和管理層不同網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接和提供信息數(shù)據(jù)的高效交換。
    ●  強(qiáng)調(diào)與第三方系統(tǒng)和軟件的協(xié)同和連接。
    ●  圍繞具備CPAS特征的最新主系統(tǒng)實(shí)施老系統(tǒng)的升級(jí)改造。

    PLC主流廠商和儀表控制系統(tǒng)DCS主流廠商由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，存在一定差異：

    ●  PLC主流廠商尤其重視全集成架構(gòu)的離散制造應(yīng)用。因此重視PLC、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)等的工程設(shè)計(jì)統(tǒng)一平臺(tái)和不同網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)總線、專用網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等）的無(wú)縫連接。

    ●  儀表控制系統(tǒng)DCS主流廠商重視全集成架構(gòu)的流程行業(yè)應(yīng)用。因此強(qiáng)調(diào)工藝設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)的統(tǒng)一平臺(tái)和各種不同類型的儀表用現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)的無(wú)縫連接，以及和第三方儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的連接、數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享。

    ●  儀表控制系統(tǒng)DCS主流廠商繼承原有優(yōu)勢(shì)，重視資產(chǎn)設(shè)備的管理，從基本管理發(fā)展到資產(chǎn)設(shè)備的組合優(yōu)化管理，進(jìn)而再發(fā)展變化為生產(chǎn)績(jī)效、商務(wù)績(jī)效的全面管理。與此同時(shí)，PLC主流廠商也開(kāi)始把資產(chǎn)設(shè)備管理納入自動(dòng)化體系架構(gòu)中來(lái)。

    ●  值得注意的是，為了加快自動(dòng)化體系架構(gòu)的廣泛使用，克服控制軟件和管理軟件集成的成本高居不下，以低成本、或可以承擔(dān)得起的成本實(shí)現(xiàn)管理信息與控制系統(tǒng)信息集成，不僅已經(jīng)提到議事日程，而且開(kāi)始了有效工作。

     
 
                         圖4   Rockwell Automation的Integrated Architecture

     

                     圖5   Siemens過(guò)程控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)與CPAS模型類似

4    過(guò)程控制技術(shù)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移目標(biāo)趨于清晰和完善

    歐、美、日各大主流控制設(shè)備供應(yīng)商和有關(guān)組織，在這次重大的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移時(shí)如何應(yīng)對(duì)，其具體目標(biāo)正在逐年明確?？梢詮腟iemens、Honeywell、橫河、Rockwell Automation等公司和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線委托ARC撰寫(xiě)的有關(guān)白皮書(shū)中看出其脈絡(luò)。

    例如，關(guān)于Siemens的白皮書(shū)在2005年1月發(fā)布的是《 Siemens過(guò)程工業(yè)策略》，時(shí)隔兩年，在2007年2月公布的《 Siemens過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和現(xiàn)代化策略》，內(nèi)容有顯著的變化。報(bào)告中還披露專門(mén)設(shè)立了系統(tǒng)升級(jí)轉(zhuǎn)移中心。再如在2005年1月發(fā)布橫河白皮書(shū)《橫河電機(jī)發(fā)布VigilantPlant》，接著在2006年2月發(fā)表的則為《橫河電機(jī)的VigilantPlant是實(shí)現(xiàn)卓越操作運(yùn)行的途徑》，給出其從2005年至2010年的策略轉(zhuǎn)移路線圖[5]。2007年2月發(fā)布的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF的白皮書(shū)題目是《 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線為卓越操作運(yùn)行提供自動(dòng)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)》，論述FF在CPAS中的作用和對(duì)應(yīng)策略。

    以下闡述基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF針對(duì)其持續(xù)發(fā)展所做的研究中著重討論的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)如何在CPAS中發(fā)揮作用和對(duì)應(yīng)策略[6]。
現(xiàn)場(chǎng)總線要獲得持續(xù)發(fā)展，不能僅僅停留在為現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，還應(yīng)該提供以下機(jī)制：為設(shè)備管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理所需的全局?jǐn)?shù)據(jù)存取和時(shí)間管理，提供基于開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)化的控制網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)（見(jiàn)圖6）。

        圖6   現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對(duì)象是：現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備聯(lián)網(wǎng)以及為設(shè)備管理和生產(chǎn)管理提供完整數(shù)據(jù)

    在過(guò)程控制技術(shù)實(shí)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的驅(qū)使下，為過(guò)程控制服務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)其發(fā)展也應(yīng)適應(yīng)協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)模型的要求，例如CPAS模型要求自動(dòng)化供應(yīng)商提供公用的硬件平臺(tái)、單一的用戶接口以及基于標(biāo)準(zhǔn)的工程工具，這就要求現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必須具備足夠的靈活性和適應(yīng)性，以及具備可持續(xù)發(fā)展的潛能（見(jiàn)圖7）。展開(kāi)來(lái)說(shuō)就是要求現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還必須具有以下功能性：

    ●  公共的網(wǎng)絡(luò)；
    ●  基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)；
    ●  公用的時(shí)間坐標(biāo)；
    ●  網(wǎng)絡(luò)管理手段和工具；
    ●  具備高級(jí)的數(shù)據(jù)可視化能力；
    ●  和其它標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫配合；
    ●  可資利用的全局?jǐn)?shù)據(jù)；
    ●  高可用性；
    ●  數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和高質(zhì)量；
    ●  在線軟件升級(jí)；
    ●  發(fā)布/預(yù)訂通信機(jī)制（Publish/Subscribe）；
    ●  可追溯的性能。

              圖7  現(xiàn)場(chǎng)總線必須具備足夠的靈活性和適應(yīng)性，以及可持續(xù)發(fā)展的潛能

5   在構(gòu)建自動(dòng)化集成體系架構(gòu)時(shí)的系統(tǒng)升級(jí)方法

    自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商在推出全新的自動(dòng)化體系架構(gòu)的解決方案的同時(shí)，還必須面對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)改造的需求，必須根據(jù)實(shí)際需求慎重設(shè)計(jì)自己的過(guò)程控制系統(tǒng)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移策略。一方面要考慮到，現(xiàn)成的老系統(tǒng)與希望建立的適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)管理的生產(chǎn)控制和信息系統(tǒng)新平臺(tái)之間，存在著巨大差距；另一方面還應(yīng)該顧及本公司的新系統(tǒng)和一些通過(guò)兼并或收購(gòu)進(jìn)來(lái)的公司的老系統(tǒng)、新系統(tǒng)之間，本公司的新、老系統(tǒng)和自己的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的各類系統(tǒng)之間能否互聯(lián)、互通和互操作。這些都是在向客戶提供控制系統(tǒng)升級(jí)改造的解決方案是否具有競(jìng)爭(zhēng)力而不得不面對(duì)的重大問(wèn)題。

    過(guò)程控制策略轉(zhuǎn)移必須向用戶提供具體的解決方案。但是，在具體實(shí)施的時(shí)候，必須考慮到流程行業(yè)和制造業(yè)實(shí)施改造升級(jí)時(shí)所受到的各種因素的牽制。這些因素往往導(dǎo)致企業(yè)主管難以決斷。譬如說(shuō)，對(duì)已有的控制系統(tǒng)采取升級(jí)的方式還是采取以新建系統(tǒng)替代過(guò)時(shí)的老系統(tǒng)的方式；生產(chǎn)安排能否允許系統(tǒng)全部停頓進(jìn)行改造，還是采取逐步淘汰、逐個(gè)系統(tǒng)改造的方式。只有當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)陳舊到其所造成的非計(jì)劃停車已經(jīng)使正常生產(chǎn)難以為繼時(shí)，業(yè)務(wù)主管部門(mén)才可能痛下決心做出改造計(jì)劃。這就告訴我們，企業(yè)處理控制系統(tǒng)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移是有時(shí)機(jī)的，只有在以下情況下才會(huì)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的進(jìn)行升級(jí)或戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移：

    ●  當(dāng)非計(jì)劃停車已成為生產(chǎn)瓶頸的時(shí)候；
    ●  當(dāng)出現(xiàn)或即將出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)機(jī)會(huì)而沒(méi)有新系統(tǒng)就會(huì)喪失這個(gè)機(jī)會(huì)的時(shí)候；
    ●  當(dāng)老系統(tǒng)不再支持具有足夠競(jìng)爭(zhēng)力的性價(jià)比的時(shí)候；
    ●  在老系統(tǒng)不能支持新工藝的時(shí)候；
    ●  系統(tǒng)已處在其生命周期的最后階段或生產(chǎn)的產(chǎn)品已面臨逐步淘汰的時(shí)候；
    ●  當(dāng)前所使用的系統(tǒng)不能再滿足業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)的需要的時(shí)候。

    所以構(gòu)建自動(dòng)化集成體系架構(gòu)時(shí)還必須考慮原有系統(tǒng)的升級(jí)方法。

    怎樣判別自動(dòng)化供應(yīng)商向用戶提供的系統(tǒng)升級(jí)方法是有效而又盡可能簡(jiǎn)單易行呢？標(biāo)準(zhǔn)是：

    ●  應(yīng)向用戶提供令人信服的有價(jià)值的建議，說(shuō)明升級(jí)后的新系統(tǒng)為今后達(dá)到卓越操作運(yùn)行性能Opx安排了路徑。
    ●  盡量減少接線工作量。
    ●  盡可能保留已有的硬件投資。
    ●  盡可能保留流程畫(huà)面；若要改變，則應(yīng)提供工程工具，幫助用戶完成畫(huà)面的轉(zhuǎn)換。
    ●  盡可能保留原來(lái)的控制策略；若要改變，則應(yīng)提供工程工具，幫助用戶完成控制策略的轉(zhuǎn)換。
    ●  盡可能減少系統(tǒng)升級(jí)所花費(fèi)的停工時(shí)間。
    ●  盡可能降低為升級(jí)后的新系統(tǒng)所必要的培訓(xùn)成本。

    按部件的生命周期設(shè)計(jì)系統(tǒng)升級(jí)和轉(zhuǎn)移的技術(shù)路線是不能不著重考慮的問(wèn)題。實(shí)際上，構(gòu)成控制系統(tǒng)的各個(gè)部件其平均生命周期是有很大差異的。如表1所示，系統(tǒng)的I/O一般至少可用20年，系統(tǒng)接線至少可用25年，而控制器至多不超過(guò)15年，控制策略和流程顯示/人機(jī)界面則視情況而變，系統(tǒng)工作站最多用5年就得更新。

                            表1   控制系統(tǒng)各部件的平均生命周期

    如果我們?cè)偌?xì)化升級(jí)的技術(shù)因素，在制定一個(gè)完整的升級(jí)計(jì)劃時(shí)，應(yīng)該按可視化層、控制器層、現(xiàn)場(chǎng)層和接線端子層等層次來(lái)考慮。表2給出在按層次升級(jí)時(shí)必須考慮的技術(shù)因素。

                           表2   按層次升級(jí)時(shí)必須考慮的技術(shù)因素 
   

    西門(mén)子將其過(guò)程控制系統(tǒng)PCS的升級(jí)劃分為三個(gè)級(jí)別、十個(gè)層次[5] ：HMI級(jí) （HMI連接、HMI轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)批量控制管理/其他監(jiān)控應(yīng)用），控制級(jí)（工程程序庫(kù)的建立和轉(zhuǎn)換、應(yīng)用程序的轉(zhuǎn)換和控制網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)），現(xiàn)場(chǎng)級(jí)（I/O網(wǎng)關(guān)、I/O替代、I/O接口和現(xiàn)場(chǎng)端子箱）。表3列出其升級(jí)的技術(shù)路線。

                        表3   西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)升級(jí)的級(jí)別和層次

       

6    協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)CPS的概念和發(fā)展

    自動(dòng)化體系集成架構(gòu)在協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS模型的指導(dǎo)下正在逐漸實(shí)踐，并通過(guò)實(shí)踐不斷完善。與此同時(shí)，另一個(gè)由ARC咨詢集團(tuán)提出、被稱為“下一代模型”的新模型—“協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)（Collaborative Production Systems，CPS ）”，在GE Fanuc2007年度用戶會(huì)議上受到了GE企業(yè)解決方案的一個(gè)部分—GE Fanuc智能平臺(tái)的支持[7]。

    CPS出臺(tái)的背景正是人們認(rèn)識(shí)到制造企業(yè)面臨著世界“扁平化”的多方面的挑戰(zhàn)，公司必須將其制造重心轉(zhuǎn)移到以客戶為中心的靈活方式，來(lái)處理和應(yīng)對(duì)需求的波動(dòng)。CPS為制造企業(yè)創(chuàng)造了以下機(jī)會(huì)：①改善區(qū)域資產(chǎn)的績(jī)效和設(shè)備裝置的可靠性。 ②自動(dòng)化和信息的前后呼應(yīng)、上下協(xié)調(diào)。③提高知識(shí)工作者的能力。④成套設(shè)備性能的智能化。⑤ 讓溝通制造績(jī)效和業(yè)務(wù)目標(biāo)的關(guān)鍵性能指標(biāo)KPI，成為公共可付諸行動(dòng)的指標(biāo)。

    顧名思義，生產(chǎn)管理是指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行、跟蹤、報(bào)告和優(yōu)化的全過(guò)程實(shí)施管理。當(dāng)然生產(chǎn)過(guò)程也包括計(jì)劃，但相對(duì)于其他部分的特性比較，顯然功能較弱。企業(yè)一般都是由若干個(gè)在生產(chǎn)管理中相對(duì)獨(dú)立的制造廠組成，但從公司的整體視角來(lái)看，這些制造廠的生產(chǎn)又是相互聯(lián)系和制約的。生產(chǎn)協(xié)同管理CPM就是應(yīng)用協(xié)同制造原理對(duì)制造過(guò)程實(shí)施管理，它是建立協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)CPS的基礎(chǔ)。協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)模型CPS按更高的層次和級(jí)別來(lái)處理其制造與生產(chǎn)的運(yùn)行操作，以及這些運(yùn)行操作如何與企業(yè)的其他組成部分實(shí)現(xiàn)最佳的協(xié)同的準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)的。CPS的架構(gòu)給出一個(gè)實(shí)時(shí)、統(tǒng)一而又具有全方位的處理，來(lái)支持全企業(yè)的運(yùn)行操作管理，以盡可能確保實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)制造。生產(chǎn)管理系統(tǒng)在執(zhí)行以生產(chǎn)為核心的計(jì)劃、控制、優(yōu)化和信息化功能時(shí)，必須與工廠層的控制系統(tǒng)、企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（ERP和供應(yīng)鏈）、工程層的工程系統(tǒng)（PDM和PLM）以及維護(hù)系統(tǒng)（CMMS和EAM）集成在一起。它是指導(dǎo)制造廠應(yīng)用運(yùn)行操作管理與自動(dòng)控制之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同的原則，即制造廠怎么應(yīng)用協(xié)調(diào)原理保證每一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)彼此間都能相互提供最有價(jià)值的實(shí)質(zhì)性信息，使之可以做出最好的管理決策。為此CPM的解決方案一定要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)的可視化、產(chǎn)品的可追溯和相關(guān)因素記錄的可視化、生產(chǎn)運(yùn)行操作的績(jī)效分析的可視化、生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)紙化管理的可視化，以及運(yùn)行操作指令的可視化。

    協(xié)同制造的概念反映了制造商需要在其內(nèi)部更集中，與客戶和合作伙伴之間需要更靈活、更賦有責(zé)任。為了更強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)運(yùn)行需要與企業(yè)的其他系統(tǒng)有更緊密的耦合，有些生產(chǎn)管理軟件的供應(yīng)商將此擴(kuò)展為工廠層的平臺(tái)，并命名為運(yùn)行管理平臺(tái)（OMP，Operation Management Platform)[8]。在OMP迅速發(fā)展的今天，MES的概念似乎顯得有些陳舊。因?yàn)橹圃焐绦枰黾有碌膮f(xié)同和生產(chǎn)管理的功能性，超出了原來(lái)MES所規(guī)定的范圍。而且，CPM市場(chǎng)也不再僅僅由瞄準(zhǔn)特定行業(yè)的獨(dú)立軟件供應(yīng)商所支配；自動(dòng)化裝置供應(yīng)商（由下向工廠層提升）和ERP供應(yīng)商（由企業(yè)管理層向下發(fā)展）參與了競(jìng)爭(zhēng)。目前，OPM的供應(yīng)商有：傳統(tǒng)的自動(dòng)化供應(yīng)商ABB、GE Fanuc、SIEMENS、INVENSYS、ROCKWELL AUTOMATION；軟件供應(yīng)商Aspen Tech、Matrikon、Camstar、Apriso； ERP供應(yīng)商如SAP，也在著名的NetWeaver企業(yè)管理平臺(tái)上加以提升，滲透到OPM。

    對(duì)于許多跨國(guó)制造集團(tuán)來(lái)說(shuō)，因?yàn)槠渲圃旎厥窃诘乩砦恢蒙蠌V泛分布的，所以工廠級(jí)的運(yùn)行管理系統(tǒng)CPS，對(duì)整個(gè)企業(yè)的運(yùn)行管理來(lái)說(shuō)，意味著這是一種分布式的應(yīng)用。不難看出，協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS的著重點(diǎn)還是從自動(dòng)化出發(fā)的，它要與生產(chǎn)運(yùn)行管理軟件集成，但僅限于與自動(dòng)化密切相關(guān)的部分集成。那么，與工廠層管理的其他軟件（如工程系統(tǒng)、維護(hù)系統(tǒng)）以及企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP和供應(yīng)鏈）如何集成呢？于是ARC又在2007年提出了協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)（CPS）制造模型，將CPAS與運(yùn)行管理模型相組合。這是它出臺(tái)的具體背景。由它不但勾畫(huà)了系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而且也勾畫(huà)了制造廠為達(dá)到卓越運(yùn)行操作Opx所需的要求、功能、人員和處理。實(shí)際上，運(yùn)行管理與自動(dòng)控制之間存在著一定的壁壘，要消除這些壁壘還有一個(gè)很長(zhǎng)的路要走。提出協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)（CPS）的目的就是希望有助于將協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS與運(yùn)行管理模型（Operations Management）組合起來(lái)。這就是說(shuō)，僅僅著眼于業(yè)務(wù)問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有許多各種各樣的方面和功能需要協(xié)同；在系統(tǒng)之間和功能之間已經(jīng)存在的傳統(tǒng)和習(xí)慣上的壁壘需要拆除。其最終的目的就是通過(guò)防止資產(chǎn)設(shè)備成為游離于系統(tǒng)的信息孤島，從而確保改善對(duì)卓越運(yùn)行操作的需求，讓所有的資產(chǎn)設(shè)備都能為制造廠及其持股人貢獻(xiàn)最大的投資回報(bào)。CPS還可消除制造廠內(nèi)部可能存在于（譬如說(shuō)）制造設(shè)備層與IT人員之間的壁壘。

7    小結(jié)

    本文內(nèi)容龐雜，為便于記憶和理解，簡(jiǎn)短概述如下：

    ① 過(guò)程控制系統(tǒng)已進(jìn)入其第三個(gè)發(fā)展階段：強(qiáng)調(diào)整體協(xié)同的分散智能和分散控制階段。

    ② 自動(dòng)化集成體系架構(gòu)是在企業(yè)自動(dòng)化信息化三層結(jié)構(gòu)受到普遍認(rèn)可的前提下，自動(dòng)化主流公司整合、改進(jìn)原有控制平臺(tái)和系列軟件產(chǎn)品，為整體實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造、生產(chǎn)管理的自動(dòng)化和信息化，提供盡可能完善的解決方案的產(chǎn)物。用我們國(guó)內(nèi)常用的語(yǔ)言表達(dá)，自動(dòng)化集成體系架構(gòu)就是發(fā)展綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制。全集成自動(dòng)化架構(gòu)雖然各有不同，但在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)集成，最終達(dá)到應(yīng)用集成則是共同的。

    ③ 判定全集成自動(dòng)化架構(gòu)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)一是能否為實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化（或稱卓越運(yùn)行操作Opx），二是將老系統(tǒng)升級(jí)、并集成在統(tǒng)一架構(gòu)的方法。

    ④ CPAS的著重點(diǎn)是從自動(dòng)化出發(fā)的，它要與生產(chǎn)運(yùn)行管理軟件集成，但僅限于與自動(dòng)化密切相關(guān)的部分集成。為與工廠層管理的其他軟件（如工程系統(tǒng)、維護(hù)系統(tǒng)）以及企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP和供應(yīng)鏈）集成和協(xié)同，需要引入?yún)f(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)的概念。

    ⑤ CPM就是應(yīng)用協(xié)同制造原理對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施管理。將CPAS與運(yùn)行管理模型相組合建立了協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)CPS的基礎(chǔ)。運(yùn)行管理平臺(tái)OMP增加新的協(xié)同和生產(chǎn)管理的功能性，超出原來(lái)MES規(guī)范所規(guī)定的范圍，更方便CPS的實(shí)施。

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[6] Foundation Fieldbus Provides Automation Infrastructure for Operational Excellence Feb.2007, ARC 白皮書(shū).
[7] ARC Advisory Group Presents New Collaborative Production Systems（CPS）Manufacturing Model at GE Fanuc Users Conference www.gefanuc.com.
[8] Operations Management Platform    ARC Reference Sheet http://www.arcweb.com/Brochures/Forms/AllItems.aspx.
[9] Operational Excellence (OpX)   ARC  Manufacturing Concept http://www.arcweb.com/Research/Concepts/Pages/OpX.aspx.