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    1 研究背景與技術現狀

    以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化是我國加快實現工業化和現代化的必然選擇；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、大型造紙機等工業裝置是多種技術和眾多設備的集成，具有大型化、高度關聯、工況復雜等特點，涉及工藝、材料、設計、加工制造、優化運行等，具有可靠性要求高、系統規模大、控制策略復雜、實時數據與歷史數據量大等特點，沒有先進的自動化技術與可靠穩定的控制裝備，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裝置可靠運行的神經中樞和安全保障。計算機控制裝置或稱主控系統，是自動化系統的核心，是“大腦和神經系統”，而在國內大型裝置或關鍵裝置的自動化系統中尚缺乏中國自主的高端主控系統。

    計算機控制系統主要包括：DCS集散控制系統、FCS現場總線控制系統、PLC可編程邏輯控制器、IPC基于工業PC與組態軟件的計算機控制系統、CNC數控裝置共五大主控系統，并表現為相互補充、相互促進、相互融合的發展趨勢。

    從信息采集、信息傳輸、信息處理、信息應用的角度可以統一概括五大類主控系統，并發現其技術特征與技術趨勢。數據采集：智能傳感、智能調理；數據傳輸：現場總線、工業網絡；運算控制：IEC61131-3、IEC61499；綜合管理：實時數據庫、MES/ERP。

    1.1數據采集

    主要技術趨勢是智能傳感與智能調理。表現為傳感器微型化、智能化、集成化、網絡化；I/O模塊化、數字化、智能化、網絡化，并提出開放型總線I/O； 

    1.2 數據傳輸

    主要技術趨勢為現場總線與工業網絡技術的廣泛運用。表現為數字化數據傳輸，實現更可靠、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品；分散化，提高可靠性，降低布線、調試、維護費用；工業以太網，數字式互聯網絡、可互操作性、開放性和網絡功能，技術開放、應用廣泛、持續發展；

    1.3運算控制

    主要是統一采用IEC61131-3標準并發展IEC61499。包括IEC61131-3：梯形圖LD、功能塊圖FBD、結構文本ST、順序功能圖SFC、指令表IL。

    1.4綜合管理

    主要是基于實時數據庫技術支持MES/ERP的應用。其中實時監控平臺軟件包括：InTouch、Fix、WizCon、Citect、PCVUE、TraceMode、KingView、MCGS；信息集成平臺軟件包括：PI、InSite、Cimnet、InfoLink、POMS；實時數據庫：高可靠性設計目標、實時性技術指標、完備簡單高效的接口、數據獨立性、系統可伸縮性。

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

    2 技術思路及研究內容

    2.1控制系統可靠性、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的系統結構分析、容錯機制研究、算法語言編程與運行機制設計；系統結構圖如圖1所示。

              

                           圖1 新一代主控系統系統結構圖

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

    實現控制系統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、控制網絡、系統網絡均支持硬件雙重化冗余或三重化冗余；

    系統內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，通過實時數據庫的冗余配置與冗余底座的選擇，可以靈活配置冗余方案；

    通過設計實現相關的檢測診斷電路與故障診斷軟件，對數據線、地址線、通訊線、內存區、數據塊、單元電路進行診斷定位，并自動對其補償、隔離、重構，支持在線維修和部件在線更換；

    采用智能調理與路路隔離技術，實現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控制系統功能可靠性分析與設計仿真平臺研究

    系統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，它以數字仿真為手段，從性能設計思維出發，強調通過分析系統內部的功能關系和功能層次，建立統一的性能與可靠性分析模型，實現用單一模型分析性能及可靠性；它能利用性能數據計算系統性能可靠性，而不一定需要可靠性統計數據，它不但可以綜合分析性能參數漂移、硬件損傷、環境因素、時間因素對系統可靠性的影響，還可以處理故障相關性(含序列相關性)、系統的多態性及非單調關聯系統等方面問題。主要研究內容如下：

    （1）明確功能可靠性分析與仿真的概念及其技術內涵。系統功能可靠性的分析對象著眼于系統，它不僅針對系統的規定功能，更重要的是它強調分析系統內部的功能關系和功能層次。它不僅能夠分析性能參數波動對系統可靠性的影響，而且還能依據系統的物理背景分析系統內各單元突發故障(如斷路、短路等)的影響。

    （2）提出適用于控制系統的性能和可靠性分析和仿真的統一模型。功能可靠性仿真法的主要目標就是要在統一的模型環境下，將系統可靠性分析同系統的性能分析完全結合在一起，因此尋求和研究一種通用的、既能夠描述系統可靠性的特點、又能夠描述系統的性能特性的建模及分析方法是實現功能可靠性仿真分析的前提和基礎。

    （3）提出實現控制系統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的工程技術的基礎之上，因而功能可靠性仿真平臺的開發要充分考慮到對可靠性和性能專業現有技術成果及工具的利用，以減少開發的工作量。因此其實現策略需要根據技術積累、資金和人力等實際條件進行認真的權衡和分析，并最終確定仿真平臺的開發途徑和具體的實現方式。

    （4）以大型工業工程典型控制系統為例，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的集成開發軟件平臺，集現場數據采集、算法執行、實時數據和歷史數據處理、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控網絡等功能于一體。包括實時控制組件、編程組態組件、圖形監控組件，分別運行在不同的硬件平臺上，并通過各級網絡進行通訊，互為配合協調，交換各種數據及控制、管理信息，完成整個控制系統的各種功能。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、透明網絡技術、數據采集技術、數據庫訪問技術、編譯技術、開放系統技術、IEC61131-3編程標準，開發形象友好、功能強大、穩定開放的可視化組態編程環境。軟件整體結構構成如圖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理念，形象友好地構造可靠的生產過程和事務管理監控系統；構件結構式的框架使各模塊獨立性強、性能穩定，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等多種網絡結構的透明網絡管理技術使多機分布式監控系統的組態開發無需任何網絡背景；提供ODBC開放數據庫接口，支持常用的MIS數據庫系統如Sybase、InfoMix、dBase、Oracle等的接口；通過提供OLE Automation接口、DDE數據交換接口、驅動程序接口等，完全實現OPC規范（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；功能強大的仿真調試功能可以進行斷點設置、單步調試和在線監控，大大提高了程序調試與糾錯效率；支持在線組態、在線下裝、運行系統操作和變量操作（強制、賦值、觀測），通過TCP/IP協議可以在本地實現對遠程系統的在線監控、診斷和操作；提供精準穩定的報警服務，通過對報警組和報警優先級別的管理，實現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構圖

    2.4 自動化系統集成設計技術研究

    自動化系統集成，就是根據設計與應用需求，將自動化儀表與控制裝置（含系統軟件、工具軟件等）、通訊網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的全過程。自動化系統集成是項目管理、設計藝術、工程技術的綜合運用。

    傳統自動化系統的設計開發是面向過程的，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，各步驟或環節之間存在銜接障礙，僅僅通過控制系統工程師的設計思想與具體編程聯系在一起的；無論是設計開發，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、項目實施經驗等的積累與發揮，并耗費大量時間；因此，傳統基于過程的自動化系統設計開發，實現工作量大，可重用性差，設計開發效率低。

    本研究通過建立典型裝備模型庫（靜動態模型與工藝數據）、控制方法庫（設備控制及過程優化算法與運行參數）、顯示界面庫（顯示與操作單元），構建基礎元件三維描述模型庫與行業裝備三維描述模型庫，改變傳統基于邏輯過程描述的自動化系統開發設計方式，提出面向工程對象的基于裝備的自動化系統開發設計模式，通過繼承、派生、重構機制，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、松散的數據（常數、參數、變量等）、函數（計算、語義等）、圖形（線條、多邊形、色塊等），構建為緊密關聯并具有物理意義的裝備模型、裝備控制、裝備界面，實現抽象數據到具體裝備，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新性、藝術性、經驗性，得以規范化、標準化、工業化，實現可共享、可繼承、可升級的工業裝備自動化系統創新設計模式；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隔閡問題；同時，通過有效提煉專家知識與工程經驗，只需導入或簡單設置裝備參數，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；是提高自動化行業整體水平的支撐工具與有效手段。

    2.5基于非結構化數據統一模型的流程工業實時數據庫系統研究

    基于非結構化數據統一模型的流程工業實時數據庫系統研究。流程工業包括石化、電力、冶金、制藥、造紙、輕工、環保等在國民經濟中占主導地位的行業，是經濟發展的重要支柱產業。相對于建立能充分反映系統全局動態的精確模型而言，用戶更關注于得到一些對指導現場有益的不精確甚至僅僅是定性正確的信息。流程工業中的數據分布在生產過程的各個方面，貫穿于整個管理運營過程中。從信息集成角度看，存在于流程工業約80%的非結構化信息，如設備管理、生產計劃、生產調度、供應鏈管理、統計報表和視頻/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有效集成。結合流程工業數據多實時性、多語義性、多時空性、多尺度性的數據特點以及隱性行業知識，在海量數據采集、存儲、檢索和處理基礎上，采用本項目基于對象的非結構化數據統一模型，構建工程對象模型與行業數據模板，實現流程工業結構化、半結構化和非結構化數據整合，構建基于非結構化數據管理系統的流程工業集成信息平臺，填補過程控制系統PCS與MES、ERP之間的數據鴻溝，支撐綜合自動化系統的應用開發。首先建立符合流程工業行業特征的工程對象模型，對收集到的各種生產信息進行深層次數據挖掘，統一描述各種結構化、半結構化、非結構化數據信息。包括：生產設備的監控（流量、溫度、壓力等）信息；設備現場操作信息；設備調度信息，設備的報警信息；監控視頻、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控信息，秒級的設備現場操控和多媒體信息，無時間限制的報表信息，就數量而言達到GB/秒。通過解決瞬時信息量龐大、數據實時性差異大、數據存儲機制各異等技術難點，基于工程對象模型，采用分布式實時數據庫數據管理機制，針對各種數據類型選擇本非結構數據管理系統中各異的存儲模式與查詢算法，構建流程工業集成數據平臺，并在大型石化、大型造紙、電力等行業進行應用研究與系統驗證。如圖3所示。

                   

                     圖3 基于非結構化數據統一模型的流程工業實時數據庫系統結構圖

    2.6實時以太網通用實時中間層協議的研究開發

    實時以太網通用實時中間層協議的研究開發；現場總線國際標準IEC61158 Ed.4問世，說明現場總線和工業以太網的多元化是既成事實，國際標準也不能回避；只要是用于現場設備通信的協議，不論其采用經典的現場總線的協議，還是采用基于工業以太網的協議，均可列入國際標準；面向過程控制領域的現場總線和工業以太網、面向制造自動化的現場總線和工業以太網，以及面向運動控制的現場總線和工業以太網，都可納入國際現場總線標準；納入國際標準，說明20種協議都符合工業網絡的規范；這是一個技術發展過程中持續改進和廠商市場利益博弈的階段性平衡；類似于IP作為計算機網絡領域應用最廣最具權威的網絡協議，使得各種應用協議和網絡傳輸介質連接在一起；實時以太網通用實時中間層協議的研究開發，則可以最終實現現場總線與工業實時以太網的標準統一，實現網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的硬件平臺與軟件平臺，進行行業裝備自動化系統的工程推廣與應用研究。硬件平臺實現系列化、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，實現圖形監控、控制編程、實時數據庫、人機界面編程等，構建一個形象友好、功能強大、穩定開放的軟件開發環境；成套專用控制裝置研究和開發典型工業裝備建模、控制與優化算法及系統集成技術，建立多種關鍵裝備多品種多規格的裝備模型庫、先進控制與裝備優化算法庫及工程應用模板，開發配套自動化綜合集成系統。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：全集成新一代工業自動化系統，2006年度國家科技進步二等獎；全集成新一代主控系統，2005年度浙江省科學技術一等獎；裝備自動化系統設計開發平臺，2007年度教育部高等學校技術進步一等獎；已發表SCI收錄論文近10篇，專利4項，軟件著作權12項；可編程自動化系統與高可靠安全主控系統完成研制開發，并于2009年11月4日通過專家技術鑒定，填補國內高端控制系統的空白，整體達國際先進、國內領先水平。目前，已推廣應用600余套，包括化工、熱電、環保、制藥、建材、石化、電力等行業。

                  

                   圖4 新一代主控系統之一的UW500集散控制系統