【概要】本文介绍了在连续的过程应用中，如何使用集成架构搭建满足用户需求的过程控制系统，这种工作以前是由设备供应商或者系统集成商来完成的，现在用户可以按照本文给出的原则，可以自己设计系统，使得系统的规划更自主、更灵活、造价更低。
Abstract: This article introduces how to use integrated architecture for process control system and meet end-user needs in continue process applications. Beforetime, architecture design is made by system providers or system integrators. Now, end-user can implement this work by himself according to the principle of this article. It makes system more self-determination, more flexible and less expansive.
【关键词】集成架构 分布式系统 集中式系统 独立式系统
Key words: Integrated Architecture Distributed System Centralized System Independent System
自动化系统的扩展需要从一个封闭的、本地的、以控制为中心的方式转换成一种开放的、厂级的、以业务为中心的方式。这需要自动化的解决方案，在管理生产和保持绩效同时，不仅要提供全厂的控制功能，还要扮演一个积极、协同的角色。商业能力，诸如：供应链管理、库存控制、质量管理、和其他关键性能指标（KPI）需要紧密联系正确的信息，使企业的整体性能最大化。
用于过程控制的集成架构支持各种过程应用，从有操作员界面的简单、本地应用，到包括所有过程设备、材料存储、人力资源控制与优化的复杂应用，还支持操作员在厂级范围访问制造运行和工厂管理。
图1 不同的系统架构满足不同的需求
集成架构过程系统的优势
•开放的过程应用平台，包括流程和批处理控制，集成了全厂范围的离散量、驱动器、运动控制和安全控制。
• 用于过程应用的全集成系统，使用商用、市售（COTS）、经过证明的自动化组件。
• 业界领先的合作伙伴，诸如：E＋H、OSIsoft，使用开放标准，确保集成能够容易地实现。
• 单一开发环境支持多种编程语言，包括功能块图、结构化文本、顺序流程图和梯形逻辑。
• 灵活、可伸缩的架构易于进行系统扩展。
• 与外部的商业系统、生产系统和维护系统采用标准格式的信息交换。
• 面向系统、客户工程服务、有经验的集成商和生命周期优化。
1．可伸缩、多语言、信息化的系统，厂级自动化与先进过程控制的解决方案
罗克韦尔自动化把集成架构用于过程控制，使传统老系统进化成一种新的流程标准，同时还了完成厂级的控制。其结果的功能性已经超出了原来的分布式控制系统（DCS）、混合控制系统（HCS）、或标准的可编程控制器系统（PLC）。使用了集成架构，可伸缩性和信息共享就成了与生俱来的特性。罗克韦尔自动化基于总结的经验定义了如下的过程自动化系统。
• 用于单元控制的独立系统架构；
• 用于区域控制的集中化系统架构；
• 用于厂级和企业运行的分布式系统架构。
罗克韦尔的很多技术嵌入进了FactoryTalk的服务和应用，与Logix控制平台相配合（包括NetLinx 和View技术）组成了集成架构，提供了先进的过程控制，具有真正的厂级控制能力。系统的灵活性非常高，用户可以从一个小（独立）系统开始，在任何时间扩展，不断增加到满足需要的系统为止。
2．自动化和信息等级
用于过程控制的集成架构，可以参考在自动化和信息技术中常用标准中的等级，诸如：ISA-95。这些等级定义了企业、工厂、控制域之间的接口。在集成架构中，使用等级概念可以帮助我们理解相关功能的实施和系统组件的角色。
等级0－系统组件为实际的现场设备，包括仪表、执行器、驱动器和安全设备。这个级包括了：DeviceNet、FF、Profibus、HART等总线设备。过程测量和控制操作在这一级执行，这级还包括本地仪表和设备的诊断。
等级1－系统组件是连接和控制现场仪表与设备的接口。这些系统组件包括Logix控制器，I/O模块、控制网络通信接口。这个等级还包括到现场总线的连接设备和任何由Logix控制器支持的I/O产品。在这个等级执行I/O处理、PID调节和先进控制、互锁和联锁、面向单元的批处理。在这个级别使用工程师站（EWS）和维护工作站（MWS）创建和管理控制策略 与基本系统组态。
等级2－系统组件（典型为软件）是加载到专用工作站和提供系统的监督控制。这个等级包括进行监督级和控制级组件之间的通信。在这个等级，操作员与PID调节、先进控制和批处理控制进行交互，还进行批处理的管理。
等级3－系统组件（典型为软件）是工作站提供生产管理和性能监视（制造运行）。这个等级包括实现制造级工作站和监督组件之间的通信。在这个等级，管理的功能有：区域、生产线和单元的排产；通用系统维护；资产管理；生产模拟；性能分析、报告和优化。生产（工程）工作站（PWS）用来管理和组态系统的制造运行。
等级4－系统组件典型为在本地访问外部业务部分和生产计划功能。这个等级要连接ERP系统，诸如：SAP或者Oracle，用于及时的供应链管理，库存管理、维护计划和其他重要业务计划。
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3．分布式系统架构
当制造区域具有多个流程时，要使用分布式系统架构，每个流程相对独立，又需要共享操作（控制）系统范围内的数据，在这种情况下，通常不使用通信网关或者网桥。比如，使用这种架构，可以实现材料处理、物料传送、成品包装等多个制造区域的无缝集成。
图2 分布式系统架构
4．集中式系统架构
当自动化流程需要多个自动化控制器和多个操作员界面遍布整个区域时，使用集中式系统架构。比如，使用这种架构可用于多个单元的包装设备。集中式系统架构共享整个系统的控制信息，同时提供本地控制器和操作员界面，并且容易支持用户通过控制室，对整个生产进行监督。
图3 集中式系统架构
5．独立式系统架构
对于小型、本地的应用，应使用独立式系统架构。比如，对单个集成单元需要本地操作员交互，又要向上一级工厂应用通信，应使用这种架构。独立式系统架构满足小于等级2的系统需求，提供了所有的自动化/控制能力。
图4 独立式系统架构
6．系统架构的实施
工作站和服务器（包括HMI）
• 工程师站（EWS）提供了单一的开发和系统组态工具包，用于系统的组态、开发、维护，以及系统控制策略的实施。使用EWS组态控制器、操作员界面和现场总线设备。
• 操作员站（OWS）使用客户机软件监视工艺过程。OWS提供了一种分布式的、针对过程的交互式图形，支持标准面板、屏幕导航和报警概要，确保整个系统的一致性。
• 维护员站（MWS）通常是膝上机，带有远程监视和系统维护的软件。MWS是可携带并且可以在本地连接，监视和调试系统运行中出现的问题。
• 增加工作站和服务器可以扩展系统，用户可以按功能对自动化系统进行分段，支持多个流程区域。
• 独立工作站把工程师站、过程自动化系统服务器（PASS）、操作员站的功能结合到一台工作站中，在小型、本地的过程应用中，执行开发和操作员界面的功能。
• 所有工作站和服务器支持系统级的安全，按照用户的规则保护数据和控制访问。
• 增加其他标准的罗克韦尔自动化软件可以提高过程系统的功能，诸如：批处理管理、条件监视、资产管理、工厂历史、回路优化、回路整定、先进过程控制（APC）、和模糊逻辑。
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控制器
一台多功能控制器提供了执行控制功能的高性能硬件平台，完成连续、批处理、离散量、和运动控制应用。一台多任务控制器允许用户使用多种语言开发控制程序。
• 使用1756-L6x ControlLogix控制器。
- 独立系统，通常为5台控制器；
- 集中式系统，通常为12台控制器；
- 分布式系统，每个区域（多个控制区域）通常为12台控制器。
• 基于控制器报警和系统级管理，能提供精确的诊断、时间戳和用户定制图形。
• 批处理管理软件可直接连接到控制器中的S88功能，提供无缝、系统级的批处理能力。
• 基于模型、多变量和模糊逻辑功能，可以运行在任何控制器中，提供了本地、高速的APC功能。
• 每台控制器都支持多种数字量和模拟量I/O模块，实现高速的本地和远程通信。
• 智能现场设备，诸如：驱动器、FF和HART设备，以及其他设备，可以直接连接到系统，实现组态和控制。
• 冗余和容错能力可以通过加入相关模块来实现，可以满足高可用性过程应用的需求。ControlLogix处理器是通过SIL 2 TUV认证的标准产品，他们可以用于很多过程安全的应用。附加的集成和安装规范可以满足SIL 3 TUV标准。
网络
NetLinx技术确保公共数据和信息架构遵从工业标准。这种通信框架连接到所有的系统组件，构成一个分布式计算环境，数据流可在整个系统内任意流动。
• 工厂的网络采用工业以太网；
• EtherNet/IP协议用于自动化监控网络；
• ControlNet网络用于控制和I/O数据；
• DeviceNet 网络用于工业现场设备；
• FF和其他网络用于过程现场仪表和终端设备。
7. 结论
过程控制只是集成架构在工业领域中使用的案例之一，其实在工业控制的其他领域，如：离散量控制（开关量控制）、变频器控制、运动控制、安全控制和混合控制，都可以使用集成架构。集成架构不光可以实现控制设备、现场设备、人机界面的数据通信，还可以实现工业网络的安全和安保功能，更能集成工厂和企业级的ERP（企业资源计划）、MES（制造执行系统），实现制造业的资产管理和性能优化。
（原创）
