彭瑜（1938－）
男，湖南长沙人，教授级高级工程师。1960年毕业于清华大学动力系，长期从事工业过程控制系统的研究开发工作。1993年获国务院特殊津贴，现任中国自动化学会仪表与装置专业委员会常务委员，上海市自动化学会常务理事，中国仪器仪表学会专家委员会委员。



摘要：本文就过程控制系统技术正在向分散智能控制的整体协调方向进行战略转移展开讨论，着重于以下问题：市场要求过程控制技术提供整体解决方案；协同过程自动化系统CPAS模型的架构；各种类型的自动化集成体系架构的异同比较；过程控制技术的战略转移目标趋于清晰和完善；在构建自动化集成体系架构时的系统升级方法；协同生产系统CPS的概念和发展。

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.

    数字式过程控制系统经历了集中控制和智能（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）两个阶段后，很长时期无实质性改进，发展方向相当模糊。自2000年后开始进入第三个阶段—分散智能和控制的整体协同[1]。显而易见，过程控制技术正在经历重大的战略转移。这是因为，传统的控制系统不具备消除非计划停车和实时提供充分的可计量生产利润的功能，这已成为将企业内部各生产环节在实现协同制造、在生产系统和经营管理系统实现综合指标优化的壁垒；这还因为，现有的估计价值达650亿美元以上的控制系统已到了其传统生命周期的最后阶段[1]，如何改造？而新投用的控制系统又在源源不断地涌现，如何解决新老系统的协同。这些正是制定战略转移策略时，在设计改造后整体的控制系统的生命周期时必须考虑的关键因素。

1   提供整体解决方案是市场对过程控制技术发展的要求

    随着市场竞争日趋激烈，在挖潜增效的驱使下，要求自动化技术提供一揽子解决自动化控制和生产管理、执行等信息系统的全集成解决方案，而不再因袭PLC或DCS的自动化孤岛和信息孤岛的陈旧模式。用户清晰地认识到，单纯依托自动化技术的发展很难获取显著的效益，与管理信息的综合必将带来总效益的陡增（见图1）。自动化必须按综合的尺度（诸如提高资产的可用性和资产的回收率、降低生命成本等策略和财务目标）向用户提供持续增长的利益。

    涵盖从底层的制造自动化到顶层的管理自动化的体系结构，经过十几年的探索和实验，从理论和实践上证明了扁平化的三层模型进入了大规模、全方位的应用时期。自动化、信息化技术的发展为整体解决方案的提供，做好了几乎所有的技术准备。

    ●  自动化技术发展，已经为打破长期以来将工业控制领域划分为电气控制（包括传动控制、逻辑和顺序控制）、过程控制、运动控制等专业的束缚，为建立统一的工程设计平台和统一的生产运营平台准备好技术和认识条件。

    ●  在经济全球化大趋势的推动下，在国际产业界长期共同追求和努力下， 从工控编程语言、现场总线、工业以太网，一直到控制和企业信息管理集成等各种自动化国际标准的制定和推广应用，取得了丰硕的成果，形成为普遍的共识，为自动化集成体系架构的发展和日趋成熟奠定了标准化基础。

                    图1   自动化技术与管理信息的综合必将带来总效益的陡增

    这明确地告诉我们：自动化技术进一步发展，必须与企业管理、工厂层运行管理信息化有效结合，实现企业综合生产指标优化控制。按国内自动化业界的习惯，我们采用以下概念：

    ●  性能指标：综合生产指标（产品质量、产量、成本和消耗）；
    ●  目标：综合生产指标实际值在目标范围内；
    ●  对象：控制过程和管理过程；
    ●  工具与平台：计算机控制系统、计算机管理系统、网络与数据库等；
    ●  综合：自动化技术、生产工艺技术、设备运行技术和生产过程管理技术。

    综合指标优化的另一种提法是国外近年来开始流行的Opx卓越运行操作。所谓Opx卓越运行操作（见图2），按照ARC给出的模型可以理解为：根据客户的需要确定生产的产品质量和产量，以6S作为质量控制的指标，以控制系统和生产管理信息为核心，对生产潜力进行优化，并致力于不断的改善生产过程。这是一种概念性的模型，是一个合理化的渐进过程。要追求OpX，首先必须实现卓越的安全性，卓越的资产设备管理，卓越的生产管理，最后才有可能达到卓越的运行操作。 

                                   图2   Opx（卓越运行操作）模型

2    在经营管理、工厂生产形成闭环的前提下追求绩效最佳

    协同过程自动化系统CPAS(Collaborative Process Automation System)模型（见图3），由著名咨询集团ARC提出，可以说它是自动化设备制造公司和工程公司实现ERP、MES和PCS三层结构的一种优化解决方案。CPAS把PCS和MES的功能性和具体实现所必需依托的网络技术和技术标准及相互关系，完整而又清晰地予以概括[2]。CPAS倡导全厂控制（in-plant control）的概念，用一个平台提供工厂所有必须的控制功能，摒弃长期以来由PLC和DCS分担离散控制和过程控制的功能划分。同时，还倡导用一个统一的工程设计和组态环境，解决所有的电控、仪控、计算机控制和HMI、SCADA的设计和组态，乃至开车调试投运和运行管理维护所需要的工程问题。CPAS明确指出，支持底层和设备自动化的网络技术是现场总线，支持工厂和企业的管理信息网络是基于以太网的技术。

    传统的自动化系统是以当时的技术条件为出发点，用在市场上可采购到的硬件和软件产品组建的，很少去考虑制造厂的经营要求。如今已不能停留在这种落后的概念了。由于生产和经营管理严重脱节，信息交流不畅，甚至所生成的信息是不及时的、走样的，在许多情况下资本成本难以回收，绩效低下。新一代的过程自动化系统必须满足生产运营的综合生产指标优化的要求，并把这种要求转化为一种有效的可执行的解决方案。过去十多年来信息技术和因特网的发展，使运营管理与工厂生产建立紧密、实时联系的协同环境，有了强大的技术支撑。为了在运营管理和生产制造之间建立同步的、相互都有利的支持环境，实现在经营管理、工厂生产形成闭环的前提下追求绩效最佳，这就是协同过程自动化系统CPAS的理念。

    CPAS的关键是在三层结构中建立起上下各层次间的实时数据交换，或者称为上下各层次间的信息同步。这就是说，生产管理作为CPAS的核心环节必须与过程控制紧密连接。用过程控制的术语说，CPAS以经营业务流程的性能最优为目的，为经营管理、生产管理和生产制造之间形成闭环，提供了一种方法。对生产过程的绩效进行精确度量，是达到综合指标优化、卓越运行操作的前提。CPAS还要求纳入第三方产品的生产过程和管理的信息，以求得供应链的协同。

     

                                图3   协同过程自动化系统模型

    概括起来说，CPAS是一种控制生产过程，其规模可大可小（scalable)、具有高可用性（availability），性能稳健（robust），采集和处理数据能力极强，且无边界的平台。

    在总部对企业资源、供应链、客户、OEM供应厂和其他工厂的计划、调度、协调和安排下，利用自动化和信息化的手段，整体组织、处理和控制从原材料、外购或外包部件进厂检验、处理，加工制造（包括批量/混合流程、连续流程、离散加工），到包装、发货，乃至为保证正常生产必须的公用工程。把以上各个环节全部纳入控制范围，使其全部处于可控的状态之下，就达到了全厂控制的目的。从这个意义上讲，自动化集成体系架构就是为满足全厂控制，甚至于企业控制的要求，开发发展综合自动化的系统结构。

3    各公司自动化集成体系架构的异同比较[3]

    在这种趋势下，世界级的自动化供应商整合原来积累的硬件、软件平台，纷纷推出全集成架构，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。图4和图5给出Rockwell Automation和Siemens有关过程控制系统的集成架构模型[2，4]，仔细研判，可以发现它们均符合CPAS模型的要求，但又明显的带有本公司原有硬件平台、软件平台的特色。

    这些自动化公司所推出的全集成自动化架构虽然各有不同，但都是为了在实现网络集成（或称通信集成）的基础上，通过数据集成，最终达到应用集成。因此，在以下方面还是一致的：

    ●  强调企业信息和控制系统的集成，即PCS — MES — ERP的集成，但着重是控制系统和生产制造执行的集成。
    ●  强调为工程设计和组态（工艺设计、设备设计、自动化设计和编程等）、调试投运、运行操作、资产管理和优化、维护等各环节提供统一平台。
    ●  在控制层强调用统一平台解决电控、仪控、运动控制等多专业的功能性的要求。
    ●  强调控制层、执行层和管理层不同网络的无缝连接和提供信息数据的高效交换。
    ●  强调与第三方系统和软件的协同和连接。
    ●  围绕具备CPAS特征的最新主系统实施老系统的升级改造。

    PLC主流厂商和仪表控制系统DCS主流厂商由于应用领域不同，存在一定差异：

    ●  PLC主流厂商尤其重视全集成架构的离散制造应用。因此重视PLC、运动控制、传动等的工程设计统一平台和不同网络（现场总线、专用网络和以太网等）的无缝连接。

    ●  仪表控制系统DCS主流厂商重视全集成架构的流程行业应用。因此强调工艺设计和自动化设计的统一平台和各种不同类型的仪表用现场总线、工业以太网的无缝连接，以及和第三方仪表系统设计软件的连接、数据交换和数据共享。

    ●  仪表控制系统DCS主流厂商继承原有优势，重视资产设备的管理，从基本管理发展到资产设备的组合优化管理，进而再发展变化为生产绩效、商务绩效的全面管理。与此同时，PLC主流厂商也开始把资产设备管理纳入自动化体系架构中来。

    ●  值得注意的是，为了加快自动化体系架构的广泛使用，克服控制软件和管理软件集成的成本高居不下，以低成本、或可以承担得起的成本实现管理信息与控制系统信息集成，不仅已经提到议事日程，而且开始了有效工作。

     
 
                         图4   Rockwell Automation的Integrated Architecture

     

                     图5   Siemens过程控制系统的体系架构与CPAS模型类似

4    过程控制技术的战略转移目标趋于清晰和完善

    欧、美、日各大主流控制设备供应商和有关组织，在这次重大的战略转移时如何应对，其具体目标正在逐年明确。可以从Siemens、Honeywell、横河、Rockwell Automation等公司和基金会现场总线委托ARC撰写的有关白皮书中看出其脉络。

    例如，关于Siemens的白皮书在2005年1月发布的是《 Siemens过程工业策略》，时隔两年，在2007年2月公布的《 Siemens过程自动化系统转移和现代化策略》，内容有显著的变化。报告中还披露专门设立了系统升级转移中心。再如在2005年1月发布横河白皮书《横河电机发布VigilantPlant》，接着在2006年2月发表的则为《横河电机的VigilantPlant是实现卓越操作运行的途径》，给出其从2005年至2010年的策略转移路线图[5]。2007年2月发布的基金会现场总线FF的白皮书题目是《 基金会现场总线为卓越操作运行提供自动化基础结构》，论述FF在CPAS中的作用和对应策略。

    以下阐述基金会现场总线FF针对其持续发展所做的研究中着重讨论的工业网络如何在CPAS中发挥作用和对应策略[6]。
现场总线要获得持续发展，不能仅仅停留在为现场层设备联网提供服务，还应该提供以下机制：为设备管理、生产运行管理所需的全局数据存取和时间管理，提供基于开放、标准化的控制网络骨干网（见图6）。

        图6   现场总线网络服务对象是：现场层设备联网以及为设备管理和生产管理提供完整数据

    在过程控制技术实行战略转移的驱使下，为过程控制服务的现场总线技术其发展也应适应协同过程自动化系统模型的要求，例如CPAS模型要求自动化供应商提供公用的硬件平台、单一的用户接口以及基于标准的工程工具，这就要求现场总线技术必须具备足够的灵活性和适应性，以及具备可持续发展的潜能（见图7）。展开来说就是要求现场总线技术还必须具有以下功能性：

    ●  公共的网络；
    ●  基于以太网的控制网络；
    ●  公用的时间坐标；
    ●  网络管理手段和工具；
    ●  具备高级的数据可视化能力；
    ●  和其它标准无缝配合；
    ●  可资利用的全局数据；
    ●  高可用性；
    ●  数据传输的确定性和高质量；
    ●  在线软件升级；
    ●  发布/预订通信机制（Publish/Subscribe）；
    ●  可追溯的性能。

              图7  现场总线必须具备足够的灵活性和适应性，以及可持续发展的潜能

5   在构建自动化集成体系架构时的系统升级方法

    自动化设备供应商在推出全新的自动化体系架构的解决方案的同时，还必须面对自动化系统升级改造的需求，必须根据实际需求慎重设计自己的过程控制系统的战略转移策略。一方面要考虑到，现成的老系统与希望建立的适应现代企业管理的生产控制和信息系统新平台之间，存在着巨大差距；另一方面还应该顾及本公司的新系统和一些通过兼并或收购进来的公司的老系统、新系统之间，本公司的新、老系统和自己的竞争对手的各类系统之间能否互联、互通和互操作。这些都是在向客户提供控制系统升级改造的解决方案是否具有竞争力而不得不面对的重大问题。

    过程控制策略转移必须向用户提供具体的解决方案。但是，在具体实施的时候，必须考虑到流程行业和制造业实施改造升级时所受到的各种因素的牵制。这些因素往往导致企业主管难以决断。譬如说，对已有的控制系统采取升级的方式还是采取以新建系统替代过时的老系统的方式；生产安排能否允许系统全部停顿进行改造，还是采取逐步淘汰、逐个系统改造的方式。只有当某个系统陈旧到其所造成的非计划停车已经使正常生产难以为继时，业务主管部门才可能痛下决心做出改造计划。这就告诉我们，企业处理控制系统的战略转移是有时机的，只有在以下情况下才会对过程控制系统的进行升级或战略转移：

    ●  当非计划停车已成为生产瓶颈的时候；
    ●  当出现或即将出现新的业务机会而没有新系统就会丧失这个机会的时候；
    ●  当老系统不再支持具有足够竞争力的性价比的时候；
    ●  在老系统不能支持新工艺的时候；
    ●  系统已处在其生命周期的最后阶段或生产的产品已面临逐步淘汰的时候；
    ●  当前所使用的系统不能再满足业务经营的需要的时候。

    所以构建自动化集成体系架构时还必须考虑原有系统的升级方法。

    怎样判别自动化供应商向用户提供的系统升级方法是有效而又尽可能简单易行呢？标准是：

    ●  应向用户提供令人信服的有价值的建议，说明升级后的新系统为今后达到卓越操作运行性能Opx安排了路径。
    ●  尽量减少接线工作量。
    ●  尽可能保留已有的硬件投资。
    ●  尽可能保留流程画面；若要改变，则应提供工程工具，帮助用户完成画面的转换。
    ●  尽可能保留原来的控制策略；若要改变，则应提供工程工具，帮助用户完成控制策略的转换。
    ●  尽可能减少系统升级所花费的停工时间。
    ●  尽可能降低为升级后的新系统所必要的培训成本。

    按部件的生命周期设计系统升级和转移的技术路线是不能不着重考虑的问题。实际上，构成控制系统的各个部件其平均生命周期是有很大差异的。如表1所示，系统的I/O一般至少可用20年，系统接线至少可用25年，而控制器至多不超过15年，控制策略和流程显示/人机界面则视情况而变，系统工作站最多用5年就得更新。

                            表1   控制系统各部件的平均生命周期

    如果我们再细化升级的技术因素，在制定一个完整的升级计划时，应该按可视化层、控制器层、现场层和接线端子层等层次来考虑。表2给出在按层次升级时必须考虑的技术因素。

                           表2   按层次升级时必须考虑的技术因素 
   

    西门子将其过程控制系统PCS的升级划分为三个级别、十个层次[5] ：HMI级 （HMI连接、HMI转换和增强批量控制管理/其他监控应用），控制级（工程程序库的建立和转换、应用程序的转换和控制网络网关），现场级（I/O网关、I/O替代、I/O接口和现场端子箱）。表3列出其升级的技术路线。

                        表3   西门子过程控制系统升级的级别和层次

       

6    协同生产系统CPS的概念和发展

    自动化体系集成架构在协同过程自动化系统CPAS模型的指导下正在逐渐实践，并通过实践不断完善。与此同时，另一个由ARC咨询集团提出、被称为“下一代模型”的新模型—“协同生产系统（Collaborative Production Systems，CPS ）”，在GE Fanuc2007年度用户会议上受到了GE企业解决方案的一个部分—GE Fanuc智能平台的支持[7]。

    CPS出台的背景正是人们认识到制造企业面临着世界“扁平化”的多方面的挑战，公司必须将其制造重心转移到以客户为中心的灵活方式，来处理和应对需求的波动。CPS为制造企业创造了以下机会：①改善区域资产的绩效和设备装置的可靠性。 ②自动化和信息的前后呼应、上下协调。③提高知识工作者的能力。④成套设备性能的智能化。⑤ 让沟通制造绩效和业务目标的关键性能指标KPI，成为公共可付诸行动的指标。

    顾名思义，生产管理是指对生产过程的执行、跟踪、报告和优化的全过程实施管理。当然生产过程也包括计划，但相对于其他部分的特性比较，显然功能较弱。企业一般都是由若干个在生产管理中相对独立的制造厂组成，但从公司的整体视角来看，这些制造厂的生产又是相互联系和制约的。生产协同管理CPM就是应用协同制造原理对制造过程实施管理，它是建立协同生产系统CPS的基础。协同生产系统模型CPS按更高的层次和级别来处理其制造与生产的运行操作，以及这些运行操作如何与企业的其他组成部分实现最佳的协同的准则来设计的。CPS的架构给出一个实时、统一而又具有全方位的处理，来支持全企业的运行操作管理，以尽可能确保实现协调制造。生产管理系统在执行以生产为核心的计划、控制、优化和信息化功能时，必须与工厂层的控制系统、企业业务系统（ERP和供应链）、工程层的工程系统（PDM和PLM）以及维护系统（CMMS和EAM）集成在一起。它是指导制造厂应用运行操作管理与自动控制之间实现协同的原则，即制造厂怎么应用协调原理保证每一个生产系统彼此间都能相互提供最有价值的实质性信息，使之可以做出最好的管理决策。为此CPM的解决方案一定要实现实时生产状态的可视化、产品的可追溯和相关因素记录的可视化、生产运行操作的绩效分析的可视化、生产过程的无纸化管理的可视化，以及运行操作指令的可视化。

    协同制造的概念反映了制造商需要在其内部更集中，与客户和合作伙伴之间需要更灵活、更赋有责任。为了更强调生产运行需要与企业的其他系统有更紧密的耦合，有些生产管理软件的供应商将此扩展为工厂层的平台，并命名为运行管理平台（OMP，Operation Management Platform)[8]。在OMP迅速发展的今天，MES的概念似乎显得有些陈旧。因为制造商需要增加新的协同和生产管理的功能性，超出了原来MES所规定的范围。而且，CPM市场也不再仅仅由瞄准特定行业的独立软件供应商所支配；自动化装置供应商（由下向工厂层提升）和ERP供应商（由企业管理层向下发展）参与了竞争。目前，OPM的供应商有：传统的自动化供应商ABB、GE Fanuc、SIEMENS、INVENSYS、ROCKWELL AUTOMATION；软件供应商Aspen Tech、Matrikon、Camstar、Apriso； ERP供应商如SAP，也在著名的NetWeaver企业管理平台上加以提升，渗透到OPM。

    对于许多跨国制造集团来说，因为其制造基地是在地理位置上广泛分布的，所以工厂级的运行管理系统CPS，对整个企业的运行管理来说，意味着这是一种分布式的应用。不难看出，协同过程自动化系统CPAS的着重点还是从自动化出发的，它要与生产运行管理软件集成，但仅限于与自动化密切相关的部分集成。那么，与工厂层管理的其他软件（如工程系统、维护系统）以及企业管理系统（ERP和供应链）如何集成呢？于是ARC又在2007年提出了协同生产系统（CPS）制造模型，将CPAS与运行管理模型相组合。这是它出台的具体背景。由它不但勾画了系统的基础结构，而且也勾画了制造厂为达到卓越运行操作Opx所需的要求、功能、人员和处理。实际上，运行管理与自动控制之间存在着一定的壁垒，要消除这些壁垒还有一个很长的路要走。提出协同生产系统（CPS）的目的就是希望有助于将协同过程自动化系统CPAS与运行管理模型（Operations Management）组合起来。这就是说，仅仅着眼于业务问题是远远不够的，还有许多各种各样的方面和功能需要协同；在系统之间和功能之间已经存在的传统和习惯上的壁垒需要拆除。其最终的目的就是通过防止资产设备成为游离于系统的信息孤岛，从而确保改善对卓越运行操作的需求，让所有的资产设备都能为制造厂及其持股人贡献最大的投资回报。CPS还可消除制造厂内部可能存在于（譬如说）制造设备层与IT人员之间的壁垒。

7    小结

    本文内容庞杂，为便于记忆和理解，简短概述如下：

    ① 过程控制系统已进入其第三个发展阶段：强调整体协同的分散智能和分散控制阶段。

    ② 自动化集成体系架构是在企业自动化信息化三层结构受到普遍认可的前提下，自动化主流公司整合、改进原有控制平台和系列软件产品，为整体实现企业生产制造、生产管理的自动化和信息化，提供尽可能完善的解决方案的产物。用我们国内常用的语言表达，自动化集成体系架构就是发展综合自动化系统，实现企业综合生产指标的优化控制。全集成自动化架构虽然各有不同，但在实现网络集成的基础上，通过数据集成，最终达到应用集成则是共同的。

    ③ 判定全集成自动化架构优劣的重要标准一是能否为实现综合生产指标优化（或称卓越运行操作Opx），二是将老系统升级、并集成在统一架构的方法。

    ④ CPAS的着重点是从自动化出发的，它要与生产运行管理软件集成，但仅限于与自动化密切相关的部分集成。为与工厂层管理的其他软件（如工程系统、维护系统）以及企业管理系统（ERP和供应链）集成和协同，需要引入协同生产系统的概念。

    ⑤ CPM就是应用协同制造原理对生产过程实施管理。将CPAS与运行管理模型相组合建立了协同生产系统CPS的基础。运行管理平台OMP增加新的协同和生产管理的功能性，超出原来MES规范所规定的范围，更方便CPS的实施。

参考文献：

[1]  Dick Hill, Larry O’Brien     Process Control System Migration Strategies 2003, ARC Advisory Group.
[2] Rockwell Automation Process Industry StrategiesOct.2006, ARC 白皮书.
[3]彭瑜   自动化体系架构的现状和发展.电气时代,2007,(9).
[4] Siemens Process Automation System Migration and Modernization Strategies Feb.2007, ARC 白皮书.
[5] 横河电机的VigiantPlant是实现Operatioanal Excellence的途径Feb.2006，ARC白皮书.
[6] Foundation Fieldbus Provides Automation Infrastructure for Operational Excellence Feb.2007, ARC 白皮书.
[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.