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    1 研究背景與技術現(xiàn)狀

    以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化是我國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇；自動化是信息化的基礎和保障，是信息化的關鍵和依靠；大型煉油、石化、煤化工、大型造紙機等工業(yè)裝置是多種技術和眾多設備的集成，具有大型化、高度關聯(lián)、工況復雜等特點，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(tǒng)規(guī)模大、控制策略復雜、實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)量大等特點，沒有先進的自動化技術與可靠穩(wěn)定的控制裝備，任何大型裝置都無法正常、安全、高效運行。自動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主控系統(tǒng)，是自動化系統(tǒng)的核心，是“大腦和神經(jīng)系統(tǒng)”，而在國內(nèi)大型裝置或關鍵裝置的自動化系統(tǒng)中尚缺乏中國自主的高端主控系統(tǒng)。

    計算機控制系統(tǒng)主要包括：DCS集散控制系統(tǒng)、FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、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(tǒng)、CNC數(shù)控裝置共五大主控系統(tǒng)，并表現(xiàn)為相互補充、相互促進、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(tǒng)一概括五大類主控系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)其技術特征與技術趨勢。數(shù)據(jù)采集：智能傳感、智能調(diào)理；數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)場總線、工業(yè)網(wǎng)絡；運算控制：IEC61131-3、IEC61499；綜合管理：實時數(shù)據(jù)庫、MES/ERP。

    1.1數(shù)據(jù)采集

    主要技術趨勢是智能傳感與智能調(diào)理。表現(xiàn)為傳感器微型化、智能化、集成化、網(wǎng)絡化；I/O模塊化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化，并提出開放型總線I/O； 

    1.2 數(shù)據(jù)傳輸

    主要技術趨勢為現(xiàn)場總線與工業(yè)網(wǎng)絡技術的廣泛運用。表現(xiàn)為數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)更可靠、更復雜、更精確的信號處理；開放化，標準化，可互操作性，用戶省時省力的選擇集成各種產(chǎn)品；分散化，提高可靠性，降低布線、調(diào)試、維護費用；工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)字式互聯(lián)網(wǎng)絡、可互操作性、開放性和網(wǎng)絡功能，技術開放、應用廣泛、持續(xù)發(fā)展；

    1.3運算控制

    主要是統(tǒng)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(jié)構(gòu)文本ST、順序功能圖SFC、指令表IL。

    1.4綜合管理

    主要是基于實時數(shù)據(jù)庫技術支持MES/ERP的應用。其中實時監(jiān)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；實時數(shù)據(jù)庫：高可靠性設計目標、實時性技術指標、完備簡單高效的接口、數(shù)據(jù)獨立性、系統(tǒng)可伸縮性。

    計算機控制系統(tǒng)的設計目標是：為開發(fā)人員和最終用戶提供應用粒度盡可能大的技術平臺，又稱控制組態(tài)應用平臺、系統(tǒng)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(tǒng)硬件平臺與軟件平臺。因此，主控系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性、運行可靠性、系統(tǒng)開放性與編程友好性最為關鍵，也是其技術開發(fā)的難點所在。

    2 技術思路及研究內(nèi)容

    2.1控制系統(tǒng)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研究

    控制系統(tǒng)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研究，包括容錯計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、容錯機制研究、算法語言編程與運行機制設計；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

              

                           圖1 新一代主控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

    實現(xiàn)控制系統(tǒng)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、系統(tǒng)網(wǎng)絡均支持硬件雙重化冗余或三重化冗余；

    系統(tǒng)內(nèi)置所有的開關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FPGA可編程陣列硬件芯片實現(xiàn)相關的硬件表決算法；

    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，通過實時數(shù)據(jù)庫的冗余配置與冗余底座的選擇，可以靈活配置冗余方案；

    通過設計實現(xiàn)相關的檢測診斷電路與故障診斷軟件，對數(shù)據(jù)線、地址線、通訊線、內(nèi)存區(qū)、數(shù)據(jù)塊、單元電路進行診斷定位，并自動對其補償、隔離、重構(gòu)，支持在線維修和部件在線更換；

    采用智能調(diào)理與路路隔離技術，實現(xiàn)I/O模塊，點點隔離、在線診斷、點點在線更換，故障識別到點級，進一步降低平均修復時間MTTR。

    2.2控制系統(tǒng)功能可靠性分析與設計仿真平臺研究

    系統(tǒng)功能可靠性仿真是一種新型的可靠性建模與分析的技術方法，它以數(shù)字仿真為手段，從性能設計思維出發(fā)，強調(diào)通過分析系統(tǒng)內(nèi)部的功能關系和功能層次，建立統(tǒng)一的性能與可靠性分析模型，實現(xiàn)用單一模型分析性能及可靠性；它能利用性能數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)性能可靠性，而不一定需要可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，它不但可以綜合分析性能參數(shù)漂移、硬件損傷、環(huán)境因素、時間因素對系統(tǒng)可靠性的影響，還可以處理故障相關性(含序列相關性)、系統(tǒng)的多態(tài)性及非單調(diào)關聯(lián)系統(tǒng)等方面問題。主要研究內(nèi)容如下：

    （1）明確功能可靠性分析與仿真的概念及其技術內(nèi)涵。系統(tǒng)功能可靠性的分析對象著眼于系統(tǒng)，它不僅針對系統(tǒng)的規(guī)定功能，更重要的是它強調(diào)分析系統(tǒng)內(nèi)部的功能關系和功能層次。它不僅能夠分析性能參數(shù)波動對系統(tǒng)可靠性的影響，而且還能依據(jù)系統(tǒng)的物理背景分析系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的性能和可靠性分析和仿真的統(tǒng)一模型。功能可靠性仿真法的主要目標就是要在統(tǒng)一的模型環(huán)境下，將系統(tǒng)可靠性分析同系統(tǒng)的性能分析完全結(jié)合在一起，因此尋求和研究一種通用的、既能夠描述系統(tǒng)可靠性的特點、又能夠描述系統(tǒng)的性能特性的建模及分析方法是實現(xiàn)功能可靠性仿真分析的前提和基礎。

    （3）提出實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能可靠性分析和仿真平臺的技術途徑。功能可靠性仿真技術的實現(xiàn)不僅是建立在可靠性工程技術的基礎上，還是建立在性能專業(yè)的工程技術的基礎之上，因而功能可靠性仿真平臺的開發(fā)要充分考慮到對可靠性和性能專業(yè)現(xiàn)有技術成果及工具的利用，以減少開發(fā)的工作量。因此其實現(xiàn)策略需要根據(jù)技術積累、資金和人力等實際條件進行認真的權(quán)衡和分析，并最終確定仿真平臺的開發(fā)途徑和具體的實現(xiàn)方式。

    （4）以大型工業(yè)工程典型控制系統(tǒng)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(tǒng)的集成開發(fā)軟件平臺，集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、算法執(zhí)行、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及監(jiān)控網(wǎng)絡等功能于一體。包括實時控制組件、編程組態(tài)組件、圖形監(jiān)控組件，分別運行在不同的硬件平臺上，并通過各級網(wǎng)絡進行通訊，互為配合協(xié)調(diào)，交換各種數(shù)據(jù)及控制、管理信息，完成整個控制系統(tǒng)的各種功能。是基于組件編程技術、OPC標準、多媒體圖形界面（GUI）技術、Script語言技術、透明網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)庫訪問技術、編譯技術、開放系統(tǒng)技術、IEC61131-3編程標準，開發(fā)形象友好、功能強大、穩(wěn)定開放的可視化組態(tài)編程環(huán)境。軟件整體結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)造可靠的生產(chǎn)過程和事務管理監(jiān)控系統(tǒng)；構(gòu)件結(jié)構(gòu)式的框架使各模塊獨立性強、性能穩(wěn)定，也使得集成第三方組件進行功能擴展變得輕而易舉；豐富的設備庫和簡潔的圖庫管理功能讓用戶能便捷地裝入已建設備，并在原有基礎上輕松地改進畫面；支持TCP/IP、Modem、RS485/422/232等多種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的透明網(wǎng)絡管理技術使多機分布式監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)開發(fā)無需任何網(wǎng)絡背景；提供ODBC開放數(shù)據(jù)庫接口，支持常用的MIS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如Sybase、InfoMix、dBase、Oracle等的接口；通過提供OLE Automation接口、DDE數(shù)據(jù)交換接口、驅(qū)動程序接口等，完全實現(xiàn)OPC規(guī)范（OPC客戶及OPC服務器），全方位地開放于用戶；提供符合IEC61131-3標準的控制編程語言，編程環(huán)境直觀易用、功能強大，最小化編程人員的培訓時間和費用，有效縮短工程開發(fā)周期；開放的算法接口接受以C語言或IEC61131-3語言編制的控制程序，功能塊可以在不同的工程中反復使用；功能強大的仿真調(diào)試功能可以進行斷點設置、單步調(diào)試和在線監(jiān)控，大大提高了程序調(diào)試與糾錯效率；支持在線組態(tài)、在線下裝、運行系統(tǒng)操作和變量操作（強制、賦值、觀測），通過TCP/IP協(xié)議可以在本地實現(xiàn)對遠程系統(tǒng)的在線監(jiān)控、診斷和操作；提供精準穩(wěn)定的報警服務，通過對報警組和報警優(yōu)先級別的管理，實現(xiàn)報警的實時記錄與歷史查詢。

                

                   圖2 控制工程應用軟件平臺軟件結(jié)構(gòu)圖

    2.4 自動化系統(tǒng)集成設計技術研究

    自動化系統(tǒng)集成，就是根據(jù)設計與應用需求，將自動化儀表與控制裝置（含系統(tǒng)軟件、工具軟件等）、通訊網(wǎng)絡及相應的應用軟件組合成為有實用價值的具有良好性價比的自動化控制系統(tǒng)的全過程。自動化系統(tǒng)集成是項目管理、設計藝術、工程技術的綜合運用。

    傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的設計開發(fā)是面向過程的，是以一系列的線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(jié)之間存在銜接障礙，僅僅通過控制系統(tǒng)工程師的設計思想與具體編程聯(lián)系在一起的；無論是設計開發(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、項目實施經(jīng)驗等的積累與發(fā)揮，并耗費大量時間；因此，傳統(tǒng)基于過程的自動化系統(tǒng)設計開發(fā)，實現(xiàn)工作量大，可重用性差，設計開發(fā)效率低。

    本研究通過建立典型裝備模型庫（靜動態(tài)模型與工藝數(shù)據(jù)）、控制方法庫（設備控制及過程優(yōu)化算法與運行參數(shù)）、顯示界面庫（顯示與操作單元），構(gòu)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(tǒng)基于邏輯過程描述的自動化系統(tǒng)開發(fā)設計方式，提出面向工程對象的基于裝備的自動化系統(tǒng)開發(fā)設計模式，通過繼承、派生、重構(gòu)機制，顯著提高工程設計效率與應用軟件可靠性；通過把抽象、孤立、松散的數(shù)據(jù)（常數(shù)、參數(shù)、變量等）、函數(shù)（計算、語義等）、圖形（線條、多邊形、色塊等），構(gòu)建為緊密關聯(lián)并具有物理意義的裝備模型、裝備控制、裝備界面，實現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)到具體裝備，過程編程到對象編程的設計提升；使自動化工程師的工程設計中的創(chuàng)新性、藝術性、經(jīng)驗性，得以規(guī)范化、標準化、工業(yè)化，實現(xiàn)可共享、可繼承、可升級的工業(yè)裝備自動化系統(tǒng)創(chuàng)新設計模式；改變裝置工藝流程設計與自動化工程設計長期相互孤立局面，改善工藝設計、裝備設計、電氣控制、過程控制、運動控制等長期存在的專業(yè)隔閡問題；同時，通過有效提煉專家知識與工程經(jīng)驗，只需導入或簡單設置裝備參數(shù)，即可以自動生成所需的控制策略，從而可以顯著降低設計使用者的技術門檻，顯著減少低水平重復勞動；是提高自動化行業(yè)整體水平的支撐工具與有效手段。

    2.5基于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型的流程工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究

    基于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型的流程工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(tǒng)全局動態(tài)的精確模型而言，用戶更關注于得到一些對指導現(xiàn)場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(shù)據(jù)分布在生產(chǎn)過程的各個方面，貫穿于整個管理運營過程中。從信息集成角度看，存在于流程工業(yè)約80%的非結(jié)構(gòu)化信息，如設備管理、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、供應鏈管理、統(tǒng)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信息而無法有效發(fā)揮作用。同時，過程控制中的大量時序信息、實時信息也不能與管理信息系統(tǒng)有效集成。結(jié)合流程工業(yè)數(shù)據(jù)多實時性、多語義性、多時空性、多尺度性的數(shù)據(jù)特點以及隱性行業(yè)知識，在海量數(shù)據(jù)采集、存儲、檢索和處理基礎上，采用本項目基于對象的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型，構(gòu)建工程對象模型與行業(yè)數(shù)據(jù)模板，實現(xiàn)流程工業(yè)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)整合，構(gòu)建基于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的流程工業(yè)集成信息平臺，填補過程控制系統(tǒng)PCS與MES、ERP之間的數(shù)據(jù)鴻溝，支撐綜合自動化系統(tǒng)的應用開發(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)信息進行深層次數(shù)據(jù)挖掘，統(tǒng)一描述各種結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息。包括：生產(chǎn)設備的監(jiān)控（流量、溫度、壓力等）信息；設備現(xiàn)場操作信息；設備調(diào)度信息，設備的報警信息；監(jiān)控視頻、聲音、圖像等多媒體信息；各種報表信息等；以上信息存在著毫秒級的實時監(jiān)控信息，秒級的設備現(xiàn)場操控和多媒體信息，無時間限制的報表信息，就數(shù)量而言達到GB/秒。通過解決瞬時信息量龐大、數(shù)據(jù)實時性差異大、數(shù)據(jù)存儲機制各異等技術難點，基于工程對象模型，采用分布式實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理機制，針對各種數(shù)據(jù)類型選擇本非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中各異的存儲模式與查詢算法，構(gòu)建流程工業(yè)集成數(shù)據(jù)平臺，并在大型石化、大型造紙、電力等行業(yè)進行應用研究與系統(tǒng)驗證。如圖3所示。

                   

                     圖3 基于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型的流程工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.6實時以太網(wǎng)通用實時中間層協(xié)議的研究開發(fā)

    實時以太網(wǎng)通用實時中間層協(xié)議的研究開發(fā)；現(xiàn)場總線國際標準IEC61158 Ed.4問世，說明現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的多元化是既成事實，國際標準也不能回避；只要是用于現(xiàn)場設備通信的協(xié)議，不論其采用經(jīng)典的現(xiàn)場總線的協(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；面向過程控制領域的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)、面向制造自動化的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，以及面向運動控制的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，都可納入國際現(xiàn)場總線標準；納入國際標準，說明20種協(xié)議都符合工業(yè)網(wǎng)絡的規(guī)范；這是一個技術發(fā)展過程中持續(xù)改進和廠商市場利益博弈的階段性平衡；類似于IP作為計算機網(wǎng)絡領域應用最廣最具權(quán)威的網(wǎng)絡協(xié)議，使得各種應用協(xié)議和網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)連接在一起；實時以太網(wǎng)通用實時中間層協(xié)議的研究開發(fā)，則可以最終實現(xiàn)現(xiàn)場總線與工業(yè)實時以太網(wǎng)的標準統(tǒng)一，實現(xiàn)網(wǎng)絡中由不同制造廠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(tǒng)的硬件平臺與軟件平臺，進行行業(yè)裝備自動化系統(tǒng)的工程推廣與應用研究。硬件平臺實現(xiàn)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，實現(xiàn)圖形監(jiān)控、控制編程、實時數(shù)據(jù)庫、人機界面編程等，構(gòu)建一個形象友好、功能強大、穩(wěn)定開放的軟件開發(fā)環(huán)境；成套專用控制裝置研究和開發(fā)典型工業(yè)裝備建模、控制與優(yōu)化算法及系統(tǒng)集成技術，建立多種關鍵裝備多品種多規(guī)格的裝備模型庫、先進控制與裝備優(yōu)化算法庫及工程應用模板，開發(fā)配套自動化綜合集成系統(tǒng)。如圖4所示。

    近5年，在自動化領域，獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎2項：全集成新一代工業(yè)自動化系統(tǒng)，2006年度國家科技進步二等獎；全集成新一代主控系統(tǒng)，2005年度浙江省科學技術一等獎；裝備自動化系統(tǒng)設計開發(fā)平臺，2007年度教育部高等學校技術進步一等獎；已發(fā)表SCI收錄論文近10篇，專利4項，軟件著作權(quán)12項；可編程自動化系統(tǒng)與高可靠安全主控系統(tǒng)完成研制開發(fā)，并于2009年11月4日通過專家技術鑒定，填補國內(nèi)高端控制系統(tǒng)的空白，整體達國際先進、國內(nèi)領先水平。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(tǒng)之一的UW500集散控制系統(tǒng)