在工業(yè)自動(dòng)化系統和儀表的發(fā)展中，特別是在20世紀70年代進(jìn)行DCS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前，對化工、冶金、電力、市政工程、輕工業(yè)等進(jìn)行了大量的市場(chǎng)調查，總結出流程工業(yè)對自動(dòng)化需求旺盛，被控制的參數主查溫度、壓力、流量、液位等，此外還有重量、濃度、pH值、化學(xué)成份分析量等；控制方式中主要是連續控制，又稱(chēng)閉環(huán)回路控制或反饋控制，此外還有順序控制和批量控制。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，除DCS以外，PLC也由就地單機控制逐漸發(fā)展成以離散量控制為主，進(jìn)而可以完成批量控制（現在常稱(chēng)為混合式控制）連續控制。在工廠(chǎng)中還有大量需要采集的參數，進(jìn)行顯示、記錄、打印報表，這也是工藝操作人員了解工況所必須的，總之需求是多方面的。除DCS、PLC以外，工控機、現場(chǎng)總線(xiàn)及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，都不能在滿(mǎn)足用戶(hù)需求方面表現出各自的特色。鑒于控制方式和輸入、輸出信號形式多樣性，安裝在現場(chǎng)的檢測儀表、執行儀表及安裝在中央控制室的控制和人機界面等監控部分（后者簡(jiǎn)稱(chēng)為自動(dòng)化系統或自動(dòng)化裝置），常采用模塊化、單元化結構，通過(guò)單元或模塊的組合或集成，形成各種完整的系統，以滿(mǎn)足各種企業(yè)的需求。以這種模塊和單元的組合為基礎，逐漸形成了系統集成技術(shù)及業(yè)務(wù)。

1，集成的內涵

    集成的英文原詞為“intergrate”，是“使完整”、“使一體化”的意思，或為“與…結合”、
“成為一體”等，我國常用“集XX而大成”的句子……，它的含意在系統工程學(xué)中極其重要，所以“集成”一詞近年來(lái)常把它用在創(chuàng )新、設計、制造、營(yíng)銷(xiāo)等人們的生產(chǎn)和經(jīng)濟活動(dòng)中，也用在產(chǎn)品生命全周期中。在自動(dòng)化儀表和系統方面，也提出了集成化（另有數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化）的目標。

    從目前自動(dòng)化行業(yè)來(lái)看集成化的內容，不僅是控制系統的集成，還應包括儀控、電控一體化和全廠(chǎng)的管控一體化。構成全廠(chǎng)的信息系統自下而上分為PCS（監控層）/MES（制造執行層）/ERP（企業(yè)資源計劃）3層；在工藝過(guò)程中，有要求故障時(shí)緊急停車(chē)或要求可燃氣體有毒氣體報警等而設置的安全儀表系統（SIS），也應集成在一起。就PCS集成技術(shù)來(lái)看，應包括：硬件集成和軟件集成兩方面。硬件集成主查根據輸入、輸出信號確定系統的選型、I/O模塊、控制站臺數（現按現場(chǎng)儀表是常規模擬儀表或HART儀表來(lái)考慮；如按現場(chǎng)總線(xiàn)儀表來(lái)考慮，還應進(jìn)行網(wǎng)段計算及確定鏈接卡—網(wǎng)關(guān)數量等）；根據人機界面的要求確定操作站的臺數、工程師站的臺數、CRT或LCD屏幕數、打印機臺數、系統服務(wù)器臺數及其他外圍設備，另外還有與MES/ERP管理層的通信接口等。根據數據通信物理層和數據鏈路層的要求，確定通信信道的類(lèi)型和線(xiàn)纜的尺寸，設置必要的通信設備如集線(xiàn)器、交換機等。軟件集成主要任務(wù)是實(shí)現數據和信息的傳送、存儲、處理及完成控制策略和人機界面。在數字化的基礎上，模塊和單元的集成，主要是信號、數據、信息的集成。信號是數據的物理表現，數據是信息的抽象表示。數據除數字、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集合。在過(guò)程控制中，如描述某管道流量控制回路，應用工位號（如FIC101）、工位說(shuō)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(dòng)、自動(dòng)、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據而形成的趨勢圖（帶時(shí)間戳的實(shí)時(shí)數據和歷史數據）、回路棒圖等。由此看來(lái)，系統內部數據流不只是與現場(chǎng)測量?jì)x表和執行儀表有關(guān)，還與控制策略、人機界面、系統安全、工藝過(guò)程安全等因素有關(guān)。信息中的聲音、圖像等也是以數據形式傳輸的，所以說(shuō)數據是信息的載體，數據是數字化的信息，數據通信技術(shù)只是完成數據高速公路及類(lèi)似郵電局的一般通信業(yè)務(wù)，真正完成數據的處理和利用，還有大量軟件集成的任務(wù)。由于構成系統的各部分是來(lái)自不同的儀表制造工廠(chǎng)，所以異構系統系統要實(shí)現一體化，就會(huì )有很多“接口”。要實(shí)現無(wú)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(kāi)放性，可實(shí)現互操作，即具有互操作性。

    從20世紀70年代以來(lái)，自動(dòng)化儀表與系統逐步實(shí)現數字化，在其進(jìn)程中，并無(wú)統一標準，“信息孤島”現象在發(fā)展，至90年代才逐漸開(kāi)始解決，但同時(shí)又不斷產(chǎn)生新的矛盾。2000年前后形成了多種現場(chǎng)總線(xiàn)并存的IEC61158（測量和控制系統用）和IEC62026（低壓開(kāi)關(guān)裝置及控制設備用）國際標準，還有CAN、Modbus、LonWorks及工業(yè)以太網(wǎng)等應用較廣的事實(shí)上的標準，所以系統集成的工作顯得更為重要。

    還要注意軟件集成的可行性和可用性，即價(jià)格不能貴（但不允許超越許可證的使用），用起來(lái)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(chǎng)的“個(gè)性”，不然集成化就變成給自動(dòng)化技術(shù)“添麻煩”的瓶頸、累贅或陷阱。

2，工業(yè)自動(dòng)化系統集成技術(shù)

    （1） 關(guān)于標準

    局域網(wǎng)的通信標準，這是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的關(guān)鍵，也是系統集成技術(shù)的基礎，系統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(guò)了開(kāi)放系統互連（OSI，open system interconnection）參考模型，即ISO/OSI參考模型，常稱(chēng)其為7層模型，它把通信過(guò)程分段，相應地把網(wǎng)絡(luò )功能能分為不同邏輯和物理層次。實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)各層功能的基本方法是，利用硬件實(shí)現低層協(xié)議，利用軟件實(shí)現較高層協(xié)議，軟件集成包含其中。

    經(jīng)過(guò)多年的系統集成的實(shí)踐，于2003年發(fā)布了ISO15745標準，標準全稱(chēng)為“工業(yè)自動(dòng)化系統和系統集成—開(kāi)放系統應用集成框架”。它解決了系統集成的應用需求和接口兩個(gè)基本問(wèn)題。第一部分通用描述提出了開(kāi)放系統的應用集成框架（AIF，application integration framework），它定義了一些元素和規則，構成集成模型來(lái)表示應用需求，并開(kāi)發(fā)應用互操作專(zhuān)用規范AIP。這個(gè)AIP是接口規范的表示形式，并要求開(kāi)發(fā)AIP時(shí)，應用UML、XML等來(lái)描述和表述。這些對系統集成技術(shù)的發(fā)展起到了里程碑式作用。表示系統集成技術(shù)已進(jìn)入標準化階段了。

    （2） 關(guān)于OPC

    OPC（OLE for process control）為用于過(guò)程控制的對象鏈接嵌入式技術(shù)。OLE原為Object Linking and Embedding。OPC是一套數據交換接口的技術(shù)規范，OPC基金會(huì )已經(jīng)有120個(gè)成員，大多數儀表制造商都參加了該組織。

    把諸如現場(chǎng)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，這是系統集成商較早遇到的問(wèn)題。這種接口問(wèn)題的解決方法有多種，或者說(shuō)接口有多種，但是接口規范化、標準化是必由之路。在自動(dòng)化系統集成中以前采用動(dòng)態(tài)數據交換技術(shù)（DDE，dynamic data exchange），它對于幾臺PLC控制器與1臺內裝HMI人機界面監控軟件的PC機來(lái)說(shuō)，還是可行的（現在也還有少數場(chǎng)合應用此方法），但系統規模大了，就會(huì )有困難了，況且它并無(wú)統一標準，所以接口驅動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)工作量很大，而且并不通用。OPC正是解決了這個(gè)問(wèn)題，它作為通用接口，可以把各家數字化現場(chǎng)儀表與上位機界面軟件方便地鏈接起來(lái)，而且與PC機的Excel、Access、VB、VC等多種平臺鏈接起來(lái)。由于它采用了先進(jìn)的COM/DCOM技術(shù)（componet object model組件對象模型和Distributel COM 分布式組件對象模型），相比DDE等接口，它解決了運行速度和多臺計算機傳輸問(wèn)題，為通用的報務(wù)器/客戶(hù)器鏈接方式，實(shí)現即插即用。

    OPC性能不斷提高，最新版本為OPC3.05版本，可做到基于以太網(wǎng)橫向信息交換和實(shí)現跨平臺（即與非微軟的平臺如Linux）的OPC應用，而且通過(guò)與EDDL合作，正在解決從底層到高層系統的互操作技術(shù)方案。

    （3） 關(guān)于組態(tài)技術(shù)

    組態(tài)一詞來(lái)自Configuration，它包括了配置、組態(tài)、結構、布局等含意，在自動(dòng)化領(lǐng)域內，經(jīng)常把硬件配置與軟件組態(tài)搭配稱(chēng)謂，而且當今一般理解組態(tài)技術(shù)即指軟件組態(tài)，而且是面向控制策略的組態(tài)，是在基本控制算法基礎上構成的功能塊之間的軟連接，是功能塊與現場(chǎng)設備物理地址之間的連接，當然還包括類(lèi)似儀表具體規格和參數的選擇。由此可見(jiàn)，這里講的軟件，并不是一般計算機的編制程序，而是專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)化工程師、工藝工程師設計的“工控編程”，以上所說(shuō)的模塊化，實(shí)際上包含了硬件和軟件兩方面。這里所說(shuō)“組態(tài)”是軟件模塊完成控制策略的面向最終用戶(hù)的集成技術(shù)的核心?，F在的工控系統中，除了控制策略組態(tài)軟件以外，還有網(wǎng)絡(luò )組態(tài)、設備組態(tài)。一般工程中，新系統開(kāi)工前采用離線(xiàn)組態(tài)方法，而在工廠(chǎng)投運進(jìn)行小范圍調整時(shí)，采用在線(xiàn)組態(tài)方法，這樣的集成技術(shù)，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出現以來(lái)，工控編程的方法有多種，最流行的方法是“內部?jì)x表”接線(xiàn)圖法的電氣盤(pán)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(jìn)行組態(tài)，但各制造廠(chǎng)的產(chǎn)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(shù)中就顯得很重要。在分批控制（包括連續控）中有ANSI/ISA-88.01---1995標準，在PLC中出現IEC61131-3，后者除用于離散控制外，也涵蓋了分批控制、連續控制，它提出5種編程語(yǔ)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中文本和圖形兼備，這些已在許多DCS和PLC產(chǎn)品中實(shí)現，但通用性、可移植性還存在許多問(wèn)題。近來(lái)又開(kāi)展“工業(yè)過(guò)程測量和控制系統用功能標準”IEC61499項目，對IEC61131-3進(jìn)行擴展，它是針對通過(guò)語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò )互連的模塊化分布系統的體系結構的標準，是以數字技術(shù)為基礎的各種控制器在高層面上走向開(kāi)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字引擎（實(shí)現對控制邏輯實(shí)時(shí)數據庫的解釋執行）技術(shù)的研究，將為執行TEC61131-3和TEC61499開(kāi)創(chuàng )新的局面。

    根據控制策略組態(tài)技術(shù)的基本思路，控制組態(tài)模板、人機界面組態(tài)等，直至先進(jìn)控制和管控一體化系統都不能逐步采用組態(tài)技術(shù)，以便于系統工程師的應用。到系統工程師只需“點(diǎn)菜單”或“連線(xiàn)”等點(diǎn)擊方式就能組態(tài)各種系統時(shí)，系統集成技術(shù)就真正做到了“松軟集成”（Power to Integrete）了。

    （4） 設備描述和設備管理

    設備描述簡(jiǎn)稱(chēng)DD（device descriptions），是提作為數字化的現場(chǎng)設備間的互操作的應用行規，它使用現場(chǎng)設備間與主系統間的傳輸數據，如數據類(lèi)型、參考語(yǔ)義、應用功能等能相互理解。設備描述是由設備描述語(yǔ)言DDL實(shí)現的，基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF，foundation fieldbus）的現場(chǎng)設備采用可讀的結構文本，用DDL編寫(xiě)的設備描述的源程序，經(jīng)設備描述編譯器轉化成機器可讀的輸出文件，控制系統從而理解各制造商的設備的數據意義。這類(lèi)似于PC機與打印機之間的驅動(dòng)程序，一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)的現場(chǎng)儀表在接線(xiàn)完成之后，還需要把相應的DD“驅動(dòng)程序”裝在主機上，主機和現場(chǎng)儀表之間就可以互操作了。設備描述技術(shù)經(jīng)歷了一段時(shí)間發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )等組織在DDL基礎上形成EDDL曲柄04年成為國際標準IEC61804 EDDL，提供基本構件約16種，即塊、變量、數組（陣列）、條目數組、記錄、數集、變量表、程序、域、響應代碼、方法、單元關(guān)系、刷新關(guān)系、整體寫(xiě)入關(guān)系、菜單、編輯顯示等，目前FF基金會(huì )已完成了與過(guò)程控制有關(guān)的溫度、壓力、流量等檢測儀表和執行器的現場(chǎng)設備的設備描述，而且有378種現場(chǎng)設備和17種主機系統通過(guò)互操作性的認證?，FFF等3家又與OPC組織合作，開(kāi)展EDDL的第二階段的研發(fā)工作。羅克韋爾公司為首的ODVA組織完成了與離散控制有關(guān)的半導體設備、氣動(dòng)閥、交流驅動(dòng)設備、位置控制器等的設備描述。

    另外，1999年IVEI（德國電工器材公會(huì )）和Profibus國際組織提出了FDT（field device tool，現場(chǎng)設備工具）技術(shù)規范，得到了ABB、E+H、羅克韋爾、英維思等公司的支持，它獨立于FF等的設備集成技術(shù)，所以很受人們矚目。他們說(shuō)該技術(shù)可以兼容EDDL，用戶(hù)只好拭目以待。近悉，EDDL與FDL將開(kāi)展合作。

    由于設備描述技術(shù)的發(fā)展，使自動(dòng)化儀表數字化、智能化進(jìn)入一個(gè)新階段，即將設備控制信息、運行狀態(tài)信息及設備安裝信息集成在設備管理系統中。近來(lái)興起的設備管理系統一般均為在DCS系統（或稱(chēng)主系統）基礎上增加一個(gè)內裝AMS（asset management solution）設備管理系統軟件的顯示操作站，掛在同一局域網(wǎng)中，完成現場(chǎng)設備維護工作，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(dòng)維護系統的設備數據庫，這把上面提到的MES/ERP層的部分功能在這里實(shí)現了，使管控一體化在此提前走向實(shí)用。

3，結束語(yǔ)

    系統集成和集成了的系統原文為System Integration 和 Integrated Sytem，這對最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)是有些不一樣。最終用戶(hù)是要求得到符合自己應用需求的系統，是要求得到解決方案（solution），是要求實(shí)現交鑰匙工程，所以應明確是要求得到“Integrated Sytem”，即集成好了的系統。對于以上所述的集成技術(shù)諸項應該了解，但不必自己要自己去“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。

    這里說(shuō)到工程實(shí)施過(guò)程應該有“集成”的意識，這也是完成一個(gè)自動(dòng)化工程的關(guān)鍵。應該分條條塊塊，分工合作；應該以串行方式為主，并行方式為輔；應把技術(shù)隊伍的培養貫徹始終，做到人的集成、管理集成、技術(shù)集成，人、財、物形成一個(gè)整體；做到階段集成、工程實(shí)施階段集成、維護期的集成，使全生命周期貫穿著(zhù)集成的思想。

    “數字化工廠(chǎng)”主要指工廠(chǎng)運行信息的采集、存儲、控制等數字化，這可以說(shuō)是物理對象數字化，工作對象數字化，而對于工廠(chǎng)建設過(guò)程中的數字化信息留存及全生命周期信息不斷加載，這對于工廠(chǎng)運行也很重要。有研究表明，工廠(chǎng)運行費用的70%與生命周期有關(guān)。而過(guò)去的工程實(shí)施“集成”過(guò)程中，由于規劃設計、施工安裝、開(kāi)車(chē)調試、運行人員分割，可以說(shuō)信息截流嚴重，這對“70%”費用的使用和節約，是太不利了。所以從系統工程的角度看，集成化的工程實(shí)施，在一定程度上比集成化的產(chǎn)品更重要。所以“集成化”應引起我們重視。