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自动化仪表与控制系统的发展趋势
[2014/2/22]
     1.自动化仪表与企业的信息化
  信息技术的发展给自动化仪表带来两方面的影响:一方面信息技术与自动化仪表争夺人才,在IT发展的高潮,许多有经验的仪表工作者转向IT行业,这也是近年仪表产品推出减缓的原因之一;另一方面自动化仪表借用了TI行业一些成熟的技术和产品,加快了信息的步伐。
 
  信息化是当前时代发展的趋势,自动化仪表技术包括了信息采集、信息处理以及信息的应用这样的过程,因此自动化仪表技术实际上时信息技术的一个重要分支。所谓“企业集成”实际上是企业的信息集成和整合,所谓“信息爆炸”实际上时获得信息超过了处理和应用的能力,而为得到的应用的一大障碍是信息表达的统一性不够。如何提高处理和应用信息的能力是当前的主题。
 
  信息化需要将现实世界的实体事物(包括原料、设备、产品、控制系统、仪表等),生产流程(包括制造方法、工艺等)。企业的管理(包括采购、销售、物流等)用计算机能够识别和处理0和1来描述,然后由计算机进行运算和处理,最后将处理的结果再反作用到现实世界。
 
  信息化的前提是将现实世界以及现实世界事物之间的关系转化为0和1,不能做到这一步信息化是不可能实现的。做到这一步就是对现实世界建立信息模型。
 
  信息模型是用一组简化的信息。按一定规则对事物所做的抽象描述。
 
  信息模型定义包括了简化、规则和抽象三要素,这三要素的多样性决定了可能的信息模型的多样化,建立信息模型的过程包括了克服多样性,实现统一性的任务。自动化仪表和系统信息模型的目标是:以毫不含糊的方式描述信息,以方便交换为基本定位,最终实现广泛的可互操作性。
 
  2006年9月,在德国柏林的IEC100周年庆活动的自动化论坛上,IFAC专家Diedrich教授作了题为《自动化工厂的信息模型》的报告,介绍不同的控制层次,不同的生产阶段的不同信息类型、不同信息处理技术和工具。
 
  建立信息模型的工作是自动化仪表领域的一项基本工作,也是统一信息表达的只能给药手段,主要内容包括:1.建立描述事物的规则;2.按照规则对所设计大量食物进行描述,建立模型库。
 
  建立描述事物的规则是一项繁杂的研究工作,因为随着文化背景的不同、宗教信仰的不同、描述事物侧重的不同、详细程度的不同,描述的方案有很多种,我们需要的是在当前信息处理能力相适应的、能被公众广泛接受的方案,这种方案最终往往以国际标准的形式出现。近两年在制定这类国际标准方面取得明显的进展。
 
  描述事物的规则按对象的属性可简化分为3类:
 
  (1)描述事物的信息模型。如描述生产原料、元件、控制系统仪生产用装置、设备、生产过程的状态、中间和最终产品内容的信息模型,这种类型的模型要把对象的基本属性描述出来,典型代表是IEC361987工业过程测量与控制过程设备目录中的数据结构和元素系列标准和IEC61360与电子元件分类方案相关的标准数据元素类型系列标准。
 
  (2)描述事物之间关系(尤其是定量关系)的模型。信息化的重要作用是对事物进行优化,优化的条件是了解事物之间的(定量)关系。这种模型常常以数学模型的形式出现。这类模型往往针对性很强,难以建立统一的广泛应用的模型,因此较少以国际标准的形式出现。
 
  (3)描述对象过程信息模型。如生产过程、管理过程,典型代表是IEC62264企业系统集成系列标准。
 
  在建立自动化仪表及应用的信息模型方面,我国高校和研究机构早有研究。但并没有将这项工作定位信息化促进工业化的重要基础,一直缺乏国家或行业层面,全面系统规划和大规模的工作。
 
  我国TC159全国工业自动化系统与集成标准化技术委员会和TC124全国工业过程测量和控制标准化技术委员会在跟踪和采用国际标准方面做了不少工作,除派出专家加入国际标准的工作组直接参加国际标准的指定外,还及时地将重要信息模型标准转化为国家标准。有了这些建立信息模型的方法标准,后面需要做的工作室:宣传、贯彻、学习这些手法,用这些方法建立各认可的具有可互操作性的信息库,应用这些信息库服务于企业的自动化。
 
  由于信息模型对于国内企业和工程师还是新事物,上述这些工作在初期还相当复杂,最重要的是我国制造企业较少主动提出信息化的需求,因此我国在这方面相对较落后,迫切需要引起重视。
 
  2.自动化仪表工程项目全局信息和全生命周期信息的整合
 
  全局和全生命周期的信息化整合实际上是自动化仪表系统的全面可互操作性。可互操作性是分层次的,最基本的是过程控制机的互操作,即控制系统与现场仪表表层免的可互操作,向上一层是控制系统维护与生产设备诊断信息的可互操作,在高一层是企业管理信息的客户操作。全局信息化整合至少要实现全局信息的可互操作。
 
  不同层级实现可互操作的技术和方法是不完全一样的。在控制系统与现场仪表层主要技术史:功夫块、EDDL(电子设备描述语言)、FDT/DTM(现场设备工具/设备类型管理器)、OPCUA(原OleforProcessControl,过程控制控制用对象链接和嵌入:现Openness,Productivity&Collaboration,开放、生产率和协作;企业管理层则部分借助于MES(制造执行系统)技术。全局信息整合至少要使企业各层之间的信息交换无障碍。
 
  自动化系统工程师项目从论证一直到建成投产运行、目后大修维护,整个过程的每个阶段会产生许多技术文件,各阶段的文件又有很强的关联,而且这些文档现在都以二进制形式存在计算机里。涂过各阶段采用统一的信息模型,那么下阶段的文件相对上阶段就可以有很好的继承性。例如,在项目的工程设计阶段就会编制控制逻辑配置图,如果使用了统一的信息模型,那么到开车调试阶段就可以直接用这个图对系统进行组态。全生命周期信息整合就是要实现系统各生面阶段之间可互操作,这样的信息化整合方案是由仪表的用户提供的。仪表的用户企业由于贴近生产过程,贴近应用,一些用户组织对自动化仪表的应用提出许多要求,制订了一些团体标准。现在他们逐步地将这些团体标准转化为国家标、欧洲标准或国际标准,如IEC61242过程控制工程的表示方法——对P&I图和P&ID工具与PCE-CAE工具之间数据交换的要求和IEC61987的若干部分(P&I,管线工程与仪表装置;P&ID,管线工程和仪表装置系统图;PCE,过程控制工程;CAE,计算机辅助工程)。
 
  自动化仪表工程项目全局、全生命周期的信息化整合式一个漫长的过程,近两年IEC62424标准的推出是发展中的一个重要标志。
 
  我国一直有研究机构在跟踪全局、全生命周期的信息化整合技术的发展方向,当有关标准文件由技术团体提交国际标准化组织,TC124会很快安排专家加入起草工作组,这种跟踪已经持续多年了。同时TC124还及时将出版的国际标准转化为国家标准。
 
  全生命周期的信息化整合的概念对我国工程师还比较新,虽然一些工程项目中用了可以进行全生命周期的信息化整合的工具软件InTools,但人们还只是将它置于某个生命阶段。
 
  我国对自动化仪表在系统运行过程中的信息整合做的很不够,及时用了现场总线智能仪表,数据通信业仅仅起替代传递的功能。产生这种情况的原因,一方面是我国用户对企业信息化的需求并不迫切;另一方面我们缺乏符合我国各行业实际情况的、有效的信息化整合软件。自动化仪表工作者对信息化可以做什么了解不够,而用户对信息化有什么好处不清楚,对怎么做更提不出要求。这些因素影响了信息化整合技术的发展。
 
  有人认为以数字化、网络化为代表的智能仪表发展有三个阶段:第一阶段是数字化现场总线智能仪表替代模拟仪表,重点是发挥节省安装费用、提高仪表性能的作用;第二阶段是工程和仪表的全局信息和全生生命周期信息的整合,实现信息化,重点是提高项目工程的管理水平和运行效益;第三阶段是以无线通信仪表为重要特征,实现所谓“无所不在的测量、无所不在的网络、无所不在的计算”,实现真正的网络化控制,重点是全面提高企业的效益。三阶段的目标相当远大,可以说是整个21世纪自动化仪表的目标。目前我国第一阶段的工作已经全面展开,第二阶段的工作开始启动,第三阶段的工作正在探索。
 
  3.功能安全
 
  安全是一个非常广泛的主题,在自动化仪表领域今年主要关注功能安全方面。IEC61508电气/电子/科编程电子安全相关系统的功能安全系列国际标准早在1998年就开始陆续出版,2003年又出版了IEC61511过程仪表安全系统的功能安全系列国际标准。我国近两年出版了等同采用这些国际标准的系列国家标准GB/T20438电气/电子/科编程电子安全相关系统的功能安全和GB/T21109过程仪表安全系统的功能安全。
 
  近两年功能安全的重要发展是:将大量经过功能安全认证的仪表推向市场。这对仪表的市场有很大影响,因此功能安全仪表并不只是用在有安全要求的系统中,功能安全认证还起到对仪表可靠性一定的定量确认的作用,为了争取竞争中的有利地位,实际上几乎所有仪表制造商都会开展功能安全研究。
 
  自20世纪开展仪表的可靠性工程研究以来,仪表制造的质量大幅提高。但是由于可靠性数据都是由制造企业自己取得的,对用户的公信力较低,因此只有很少企业将可靠性的定量数据公布出来。所以可靠性对用户来说是经验性的、模糊地,人们更愿意相信品牌。
 
  20世纪的可靠性工程研究使仪表的光学、机械、电子部件的可靠性设计和处理有了获得公认的成熟框架。但是当前的仪表几乎都带微处理器,而嵌入式程序和计算机软件的可靠性却还没有公认的、得到定量数据的方法。这里最容易使人困惑的是:我们都知道Windows操作系统的错误很多,而我们的大部分自动化仪表系统软件是运行在Windows环境下邪恶,这样我们怎能相信自动化系统会有比Windows更好的可靠性呢?当前的功能安全研究和软件可靠性研究已经提供了一些诸如添加底层程序、冗余、容错等处理方法,使我们能够在不可靠的Windows上获得可靠的自动化系统。
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