1 研究背景與技術(shù)現狀

    以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化是我國加快實(shí)現工業(yè)化和現代化的必然選擇；自動(dòng)化是信息化的基礎和保障，是信息化的關(guān)鍵和依靠；大型煉油、石化、煤化工、大型造紙機等工業(yè)裝置是多種技術(shù)和眾多設備的集成，具有大型化、高度關(guān)聯(lián)、工況復雜等特點(diǎn)，涉及工藝、材料、設計、加工制造、優(yōu)化運行等，具有可靠性要求高、系統規模大、控制策略復雜、實(shí)時(shí)數據與歷史數據量大等特點(diǎn)，沒(méi)有先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)與可靠穩定的控制裝備，任何大型裝置都無(wú)法正常、安全、高效運行。自動(dòng)化控制裝備是大型工業(yè)裝置可靠運行的神經(jīng)中樞和安全保障。計算機控制裝置或稱(chēng)主控系統，是自動(dòng)化系統的核心，是“大腦和神經(jīng)系統”，而在國內大型裝置或關(guān)鍵裝置的自動(dòng)化系統中尚缺乏中國自主的高端主控系統。

    計算機控制系統主要包括：DCS集散控制系統、FCS現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統、PLC可編程邏輯控制器、IPC基于工業(yè)PC與組態(tài)軟件的計算機控制系統、CNC數控裝置共五大主控系統，并表現為相互補充、相互促進(jìn)、相互融合的發(fā)展趨勢。

    從信息采集、信息傳輸、信息處理、信息應用的角度可以統一概括五大類(lèi)主控系統，并發(fā)現其技術(shù)特征與技術(shù)趨勢。數據采集：智能傳感、智能調理；數據傳輸：現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )；運算控制：IEC61131-3、IEC61499；綜合管理：實(shí)時(shí)數據庫、MES/ERP。

    1.1數據采集

    主要技術(shù)趨勢是智能傳感與智能調理。表現為傳感器微型化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò )化；I/O模塊化、數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化，并提出開(kāi)放型總線(xiàn)I/O； 

    1.2 數據傳輸

    主要技術(shù)趨勢為現場(chǎng)總線(xiàn)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的廣泛運用。表現為數字化數據傳輸，實(shí)現更可靠、更復雜、更精確的信號處理；開(kāi)放化，標準化，可互操作性，用戶(hù)省時(shí)省力的選擇集成各種產(chǎn)品；分散化，提高可靠性，降低布線(xiàn)、調試、維護費用；工業(yè)以太網(wǎng)，數字式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )、可互操作性、開(kāi)放性和網(wǎng)絡(luò )功能，技術(shù)開(kāi)放、應用廣泛、持續發(fā)展；

    1.3運算控制

    主要是統一采用IEC61131-3標準并發(fā)展IEC61499。包括IEC61131-3：梯形圖LD、功能塊圖FBD、結構文本ST、順序功能圖SFC、指令表IL。

    1.4綜合管理

    主要是基于實(shí)時(shí)數據庫技術(shù)支持MES/ERP的應用。其中實(shí)時(shí)監控平臺軟件包括：InTouch、Fix、WizCon、Citect、PCVUE、TraceMode、KingView、MCGS；信息集成平臺軟件包括：PI、InSite、Cimnet、InfoLink、POMS；實(shí)時(shí)數據庫：高可靠性設計目標、實(shí)時(shí)性技術(shù)指標、完備簡(jiǎn)單高效的接口、數據獨立性、系統可伸縮性。

    計算機控制系統的設計目標是：為開(kāi)發(fā)人員和最終用戶(hù)提供應用粒度盡可能大的技術(shù)平臺，又稱(chēng)控制組態(tài)應用平臺、系統使能器或集成應用平臺。即為復雜多樣化的應用對象提供標準成套化的控制系統硬件平臺與軟件平臺。因此，主控系統的性能穩定性、運行可靠性、系統開(kāi)放性與編程友好性最為關(guān)鍵，也是其技術(shù)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)所在。

    2 技術(shù)思路及研究?jì)热?br />
    2.1控制系統可靠性、可用性、可維護性和安全性分析基礎理論與應用技術(shù)研究

    控制系統可靠性、可用性、可維護性和安全性分析基礎理論與應用技術(shù)研究，包括容錯計算機系統的系統結構分析、容錯機制研究、算法語(yǔ)言編程與運行機制設計；系統結構圖如圖1所示。

              

                           圖1 新一代主控系統系統結構圖

    故障-安全的硬件和軟件平臺的容錯技術(shù)研究，功能檢驗規范、測試標準、安全評估研究，容錯控制系統中央控制單元硬件設計、控制內核研制；

    實(shí)現控制系統各功能部件的冗余設計與試驗驗證，電源模件、控制模件、IO模件、控制網(wǎng)絡(luò )、系統網(wǎng)絡(luò )均支持硬件雙重化冗余或三重化冗余；

    系統內置所有的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入表決算法、輸出表決算法、輸入輸出自檢和故障報告機制，并通過(guò)FPGA可編程陣列硬件芯片實(shí)現相關(guān)的硬件表決算法；

    輸入模塊、控制模塊、輸出模塊，可以采用單重化、雙重化、三重化的多種冗余組合，通過(guò)實(shí)時(shí)數據庫的冗余配置與冗余底座的選擇，可以靈活配置冗余方案；

    通過(guò)設計實(shí)現相關(guān)的檢測診斷電路與故障診斷軟件，對數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、通訊線(xiàn)、內存區、數據塊、單元電路進(jìn)行診斷定位，并自動(dòng)對其補償、隔離、重構，支持在線(xiàn)維修和部件在線(xiàn)更換；

    采用智能調理與路路隔離技術(shù)，實(shí)現I/O模塊，點(diǎn)點(diǎn)隔離、在線(xiàn)診斷、點(diǎn)點(diǎn)在線(xiàn)更換，故障識別到點(diǎn)級，進(jìn)一步降低平均修復時(shí)間MTTR。

    2.2控制系統功能可靠性分析與設計仿真平臺研究

    系統功能可靠性仿真是一種新型的可靠性建模與分析的技術(shù)方法，它以數字仿真為手段，從性能設計思維出發(fā)，強調通過(guò)分析系統內部的功能關(guān)系和功能層次，建立統一的性能與可靠性分析模型，實(shí)現用單一模型分析性能及可靠性；它能利用性能數據計算系統性能可靠性，而不一定需要可靠性統計數據，它不但可以綜合分析性能參數漂移、硬件損傷、環(huán)境因素、時(shí)間因素對系統可靠性的影響，還可以處理故障相關(guān)性(含序列相關(guān)性)、系統的多態(tài)性及非單調關(guān)聯(lián)系統等方面問(wèn)題。主要研究?jì)热萑缦拢?br />
    （1）明確功能可靠性分析與仿真的概念及其技術(shù)內涵。系統功能可靠性的分析對象著(zhù)眼于系統，它不僅針對系統的規定功能，更重要的是它強調分析系統內部的功能關(guān)系和功能層次。它不僅能夠分析性能參數波動(dòng)對系統可靠性的影響，而且還能依據系統的物理背景分析系統內各單元突發(fā)故障(如斷路、短路等)的影響。

    （2）提出適用于控制系統的性能和可靠性分析和仿真的統一模型。功能可靠性仿真法的主要目標就是要在統一的模型環(huán)境下，將系統可靠性分析同系統的性能分析完全結合在一起，因此尋求和研究一種通用的、既能夠描述系統可靠性的特點(diǎn)、又能夠描述系統的性能特性的建模及分析方法是實(shí)現功能可靠性仿真分析的前提和基礎。

    （3）提出實(shí)現控制系統功能可靠性分析和仿真平臺的技術(shù)途徑。功能可靠性仿真技術(shù)的實(shí)現不僅是建立在可靠性工程技術(shù)的基礎上，還是建立在性能專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)的基礎之上，因而功能可靠性仿真平臺的開(kāi)發(fā)要充分考慮到對可靠性和性能專(zhuān)業(yè)現有技術(shù)成果及工具的利用，以減少開(kāi)發(fā)的工作量。因此其實(shí)現策略需要根據技術(shù)積累、資金和人力等實(shí)際條件進(jìn)行認真的權衡和分析，并最終確定仿真平臺的開(kāi)發(fā)途徑和具體的實(shí)現方式。

    （4）以大型工業(yè)工程典型控制系統為例，驗證所做工作的正確性、適用性和有效性。

    2.3 控制工程應用軟件平臺研究

    控制工程應用軟件平臺是應用于控制系統的集成開(kāi)發(fā)軟件平臺，集現場(chǎng)數據采集、算法執行、實(shí)時(shí)數據和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢曲線(xiàn)和報表輸出以及監控網(wǎng)絡(luò )等功能于一體。包括實(shí)時(shí)控制組件、編程組態(tài)組件、圖形監控組件，分別運行在不同的硬件平臺上，并通過(guò)各級網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊，互為配合協(xié)調，交換各種數據及控制、管理信息，完成整個(gè)控制系統的各種功能。是基于組件編程技術(shù)、OPC標準、多媒體圖形界面（GUI）技術(shù)、Script語(yǔ)言技術(shù)、透明網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據采集技術(shù)、數據庫訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)、編譯技術(shù)、開(kāi)放系統技術(shù)、IEC61131-3編程標準，開(kāi)發(fā)形象友好、功能強大、穩定開(kāi)放的可視化組態(tài)編程環(huán)境。軟件整體結構構成如圖2所示。

    控制工程應用軟件平臺采用基于窗口管理的可視化組態(tài)理念，形象友好地構造可靠的生產(chǎn)過(guò)程和事務(wù)管理監控系統；構件結構式的框架使各模塊獨立性強、性能穩定，也使得集成第三方組件進(jìn)行功能擴展變得輕而易舉；豐富的設備庫和簡(jiǎn)潔的圖庫管理功能讓用戶(hù)能便捷地裝入已建設備，并在原有基礎上輕松地改進(jìn)畫(huà)面；支持TCP/IP、Modem、RS485/422/232等多種網(wǎng)絡(luò )結構的透明網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)使多機分布式監控系統的組態(tài)開(kāi)發(fā)無(wú)需任何網(wǎng)絡(luò )背景；提供ODBC開(kāi)放數據庫接口，支持常用的MIS數據庫系統如Sybase、InfoMix、dBase、Oracle等的接口；通過(guò)提供OLE Automation接口、DDE數據交換接口、驅動(dòng)程序接口等，完全實(shí)現OPC規范（OPC客戶(hù)及OPC服務(wù)器），全方位地開(kāi)放于用戶(hù)；提供符合IEC61131-3標準的控制編程語(yǔ)言，編程環(huán)境直觀(guān)易用、功能強大，最小化編程人員的培訓時(shí)間和費用，有效縮短工程開(kāi)發(fā)周期；開(kāi)放的算法接口接受以C語(yǔ)言或IEC61131-3語(yǔ)言編制的控制程序，功能塊可以在不同的工程中反復使用；功能強大的仿真調試功能可以進(jìn)行斷點(diǎn)設置、單步調試和在線(xiàn)監控，大大提高了程序調試與糾錯效率；支持在線(xiàn)組態(tài)、在線(xiàn)下裝、運行系統操作和變量操作（強制、賦值、觀(guān)測），通過(guò)TCP/IP協(xié)議可以在本地實(shí)現對遠程系統的在線(xiàn)監控、診斷和操作；提供精準穩定的報警服務(wù)，通過(guò)對報警組和報警優(yōu)先級別的管理，實(shí)現報警的實(shí)時(shí)記錄與歷史查詢(xún)。

                

                   圖2 控制工程應用軟件平臺軟件結構圖

    2.4 自動(dòng)化系統集成設計技術(shù)研究

    自動(dòng)化系統集成，就是根據設計與應用需求，將自動(dòng)化儀表與控制裝置（含系統軟件、工具軟件等）、通訊網(wǎng)絡(luò )及相應的應用軟件組合成為有實(shí)用價(jià)值的具有良好性?xún)r(jià)比的自動(dòng)化控制系統的全過(guò)程。自動(dòng)化系統集成是項目管理、設計藝術(shù)、工程技術(shù)的綜合運用。

    傳統自動(dòng)化系統的設計開(kāi)發(fā)是面向過(guò)程的，是以一系列的線(xiàn)性步驟或程序序列所組成，而這些步驟或序列是松散孤立的，各步驟或環(huán)節之間存在銜接障礙，僅僅通過(guò)控制系統工程師的設計思想與具體編程聯(lián)系在一起的；無(wú)論是設計開(kāi)發(fā)，還是維護修改，都需要控制工程師綜合能力，包括裝備工藝知識、控制工程知識、計算機編程知識、項目實(shí)施經(jīng)驗等的積累與發(fā)揮，并耗費大量時(shí)間；因此，傳統基于過(guò)程的自動(dòng)化系統設計開(kāi)發(fā)，實(shí)現工作量大，可重用性差，設計開(kāi)發(fā)效率低。

    本研究通過(guò)建立典型裝備模型庫（靜動(dòng)態(tài)模型與工藝數據）、控制方法庫（設備控制及過(guò)程優(yōu)化算法與運行參數）、顯示界面庫（顯示與操作單元），構建基礎元件三維描述模型庫與行業(yè)裝備三維描述模型庫，改變傳統基于邏輯過(guò)程描述的自動(dòng)化系統開(kāi)發(fā)設計方式，提出面向工程對象的基于裝備的自動(dòng)化系統開(kāi)發(fā)設計模式，通過(guò)繼承、派生、重構機制，顯著(zhù)提高工程設計效率與應用軟件可靠性；通過(guò)把抽象、孤立、松散的數據（常數、參數、變量等）、函數（計算、語(yǔ)義等）、圖形（線(xiàn)條、多邊形、色塊等），構建為緊密關(guān)聯(lián)并具有物理意義的裝備模型、裝備控制、裝備界面，實(shí)現抽象數據到具體裝備，過(guò)程編程到對象編程的設計提升；使自動(dòng)化工程師的工程設計中的創(chuàng )新性、藝術(shù)性、經(jīng)驗性，得以規范化、標準化、工業(yè)化，實(shí)現可共享、可繼承、可升級的工業(yè)裝備自動(dòng)化系統創(chuàng )新設計模式；改變裝置工藝流程設計與自動(dòng)化工程設計長(cháng)期相互孤立局面，改善工藝設計、裝備設計、電氣控制、過(guò)程控制、運動(dòng)控制等長(cháng)期存在的專(zhuān)業(yè)隔閡問(wèn)題；同時(shí)，通過(guò)有效提煉專(zhuān)家知識與工程經(jīng)驗，只需導入或簡(jiǎn)單設置裝備參數，即可以自動(dòng)生成所需的控制策略，從而可以顯著(zhù)降低設計使用者的技術(shù)門(mén)檻，顯著(zhù)減少低水平重復勞動(dòng)；是提高自動(dòng)化行業(yè)整體水平的支撐工具與有效手段。

    2.5基于非結構化數據統一模型的流程工業(yè)實(shí)時(shí)數據庫系統研究

    基于非結構化數據統一模型的流程工業(yè)實(shí)時(shí)數據庫系統研究。流程工業(yè)包括石化、電力、冶金、制藥、造紙、輕工、環(huán)保等在國民經(jīng)濟中占主導地位的行業(yè)，是經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。相對于建立能充分反映系統全局動(dòng)態(tài)的精確模型而言，用戶(hù)更關(guān)注于得到一些對指導現場(chǎng)有益的不精確甚至僅僅是定性正確的信息。流程工業(yè)中的數據分布在生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)方面，貫穿于整個(gè)管理運營(yíng)過(guò)程中。從信息集成角度看，存在于流程工業(yè)約80%的非結構化信息，如設備管理、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調度、供應鏈管理、統計報表和視頻/音頻/文本等，導致MES和ERP因不能充分利用相關(guān)信息而無(wú)法有效發(fā)揮作用。同時(shí)，過(guò)程控制中的大量時(shí)序信息、實(shí)時(shí)信息也不能與管理信息系統有效集成。結合流程工業(yè)數據多實(shí)時(shí)性、多語(yǔ)義性、多時(shí)空性、多尺度性的數據特點(diǎn)以及隱性行業(yè)知識，在海量數據采集、存儲、檢索和處理基礎上，采用本項目基于對象的非結構化數據統一模型，構建工程對象模型與行業(yè)數據模板，實(shí)現流程工業(yè)結構化、半結構化和非結構化數據整合，構建基于非結構化數據管理系統的流程工業(yè)集成信息平臺，填補過(guò)程控制系統PCS與MES、ERP之間的數據鴻溝，支撐綜合自動(dòng)化系統的應用開(kāi)發(fā)。首先建立符合流程工業(yè)行業(yè)特征的工程對象模型，對收集到的各種生產(chǎn)信息進(jìn)行深層次數據挖掘，統一描述各種結構化、半結構化、非結構化數據信息。包括：生產(chǎn)設備的監控（流量、溫度、壓力等）信息；設備現場(chǎng)操作信息；設備調度信息，設備的報警信息；監控視頻、聲音、圖像等多媒體信息；各種報表信息等；以上信息存在著(zhù)毫秒級的實(shí)時(shí)監控信息，秒級的設備現場(chǎng)操控和多媒體信息，無(wú)時(shí)間限制的報表信息，就數量而言達到GB/秒。通過(guò)解決瞬時(shí)信息量龐大、數據實(shí)時(shí)性差異大、數據存儲機制各異等技術(shù)難點(diǎn)，基于工程對象模型，采用分布式實(shí)時(shí)數據庫數據管理機制，針對各種數據類(lèi)型選擇本非結構數據管理系統中各異的存儲模式與查詢(xún)算法，構建流程工業(yè)集成數據平臺，并在大型石化、大型造紙、電力等行業(yè)進(jìn)行應用研究與系統驗證。如圖3所示。

                   

                     圖3 基于非結構化數據統一模型的流程工業(yè)實(shí)時(shí)數據庫系統結構圖

    2.6實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通用實(shí)時(shí)中間層協(xié)議的研究開(kāi)發(fā)

    實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通用實(shí)時(shí)中間層協(xié)議的研究開(kāi)發(fā)；現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準IEC61158 Ed.4問(wèn)世，說(shuō)明現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)的多元化是既成事實(shí)，國際標準也不能回避；只要是用于現場(chǎng)設備通信的協(xié)議，不論其采用經(jīng)典的現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議，還是采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議，均可列入國際標準；面向過(guò)程控制領(lǐng)域的現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)、面向制造自動(dòng)化的現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)，以及面向運動(dòng)控制的現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)，都可納入國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準；納入國際標準，說(shuō)明20種協(xié)議都符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的規范；這是一個(gè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中持續改進(jìn)和廠(chǎng)商市場(chǎng)利益博弈的階段性平衡；類(lèi)似于IP作為計算機網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域應用最廣最具權威的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，使得各種應用協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )傳輸介質(zhì)連接在一起；實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通用實(shí)時(shí)中間層協(xié)議的研究開(kāi)發(fā)，則可以最終實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)與工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的標準統一，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中由不同制造廠(chǎng)商提供的設備之間的共存性、可互連性、可協(xié)作性、可互操作性和可互換性。

    3 研究成果與應用推廣

    基于新一代主控系統的硬件平臺與軟件平臺，進(jìn)行行業(yè)裝備自動(dòng)化系統的工程推廣與應用研究。硬件平臺實(shí)現系列化、標準化、模塊化的硬件配置與基礎控制；控制工程應用軟件平臺，實(shí)現圖形監控、控制編程、實(shí)時(shí)數據庫、人機界面編程等，構建一個(gè)形象友好、功能強大、穩定開(kāi)放的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境；成套專(zhuān)用控制裝置研究和開(kāi)發(fā)典型工業(yè)裝備建模、控制與優(yōu)化算法及系統集成技術(shù)，建立多種關(guān)鍵裝備多品種多規格的裝備模型庫、先進(jìn)控制與裝備優(yōu)化算法庫及工程應用模板，開(kāi)發(fā)配套自動(dòng)化綜合集成系統。如圖4所示。

    近5年，在自動(dòng)化領(lǐng)域，獲國家科技進(jìn)步二等獎1項，省部級一等獎2項：全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化系統，2006年度國家科技進(jìn)步二等獎；全集成新一代主控系統，2005年度浙江省科學(xué)技術(shù)一等獎；裝備自動(dòng)化系統設計開(kāi)發(fā)平臺，2007年度教育部高等學(xué)校技術(shù)進(jìn)步一等獎；已發(fā)表SCI收錄論文近10篇，專(zhuān)利4項，軟件著(zhù)作權12項；可編程自動(dòng)化系統與高可靠安全主控系統完成研制開(kāi)發(fā)，并于2009年11月4日通過(guò)專(zhuān)家技術(shù)鑒定，填補國內高端控制系統的空白，整體達國際先進(jìn)、國內領(lǐng)先水平。目前，已推廣應用600余套，包括化工、熱電、環(huán)保、制藥、建材、石化、電力等行業(yè)。

                  

                   圖4 新一代主控系統之一的UW500集散控制系統