“信息孤島”相當嚴重地限制了信息交換繼而約束了應用領域的拓展。“信息孤島”問題概括體現(xiàn)在用戶(應用)程序?qū)?shù)據(jù)的訪問，一是從信息源獲取什么樣品格數(shù)據(jù)(包括類型—信息類型與數(shù)據(jù)類型，品位—好、壞、不定，以及時標等)，二是如何把這些數(shù)據(jù)信息從源(地址)送達目的地。期間，為解決“信息孤島”問題也曾作過多種嘗試。例如ISO就數(shù)據(jù)交換(通信)制定了OSI(開放系統(tǒng)互連)的7層模型，來描述、表達數(shù)據(jù)傳輸及表示的屬性與要求。但是，它不是一種標準或規(guī)范。就7層模型的下面4層一物理層、鏈路層(網(wǎng)絡層及傳輸層)而言，據(jù)此進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS就多達8種[1]，使人們莫衷一是[2]。至于7層OSI中的表示層與會話層，在DCS及PLC中基本上不予采用。但據(jù)筆者理解，正是OPC基金會將這兩層的功能作為基金會的規(guī)范予以確定，為用戶提供了一個統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺。
OPC服務器程序A、B、C分別代表譬如FF的設備供應商提供的服務器(程序)，PROFIBUS的服務器與CONTROLNET的服務器，其與應用程序X、Y交換數(shù)據(jù)的品格符合OPC規(guī)范;同樣，應用程序(客戶端)需讀、寫的數(shù)據(jù)品格也符合OPC規(guī)范。這就相當于III型儀表中的記錄儀、變送器、調(diào)節(jié)器等均按4~20mA或1~5V的標準制作，這樣不但不受其制造廠商約束而任意組合配置，而且還可即插即用。對客戶而言，它只需按規(guī)范規(guī)定的數(shù)據(jù)品格與服務器交換數(shù)據(jù)，而勿須關注其數(shù)據(jù)來往的細節(jié)(例如硬件設備與通信規(guī)約)。至此，對客戶端而言，其系統(tǒng)平臺是統(tǒng)一的。對設備制造商而言，它所制造的設備的信息用戶有了規(guī)范可依，也就勿須逐一制訂適合不同應用的驅(qū)動軟件，相形之下也就事半功倍而何樂不為呢?正因為如此，OPC規(guī)范深得用戶與制造商的歡迎。就用戶而言，無須對目前FCS的多維局面而杞人憂天!
典型的OPC結構如圖2所示。當作為客戶端的應用程序需訪問在不同數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)時就借助OPC服務器予以進行。這種OPC服務器是由提供所使用設備的制造商作為一攬子產(chǎn)品予以提供的。誠然，該服務器在同客戶端應用連接之前，不但需提供客戶同步或異步讀、寫數(shù)據(jù)要求的能力，而且還需逐一詢問所訪問數(shù)據(jù)的目的地址(例如站號、設備或參數(shù)工位號及標識號等)、數(shù)據(jù)品格(品格指數(shù)據(jù)的類型、尺寸、質(zhì)量、時標等)、訪問速率、是同步讀寫還是異步讀寫、訪問群組 (group)及每一群組內(nèi)的參數(shù)數(shù)據(jù)等組態(tài)或配置數(shù)據(jù)。OPC服務器據(jù)此按每一群group安排線程，每一個group內(nèi)所包含的參數(shù)數(shù)據(jù)由服務器分解為一系列Item，如圖3所示。例如，一個記錄型數(shù)據(jù)(Recode)包括一個Status(Un8)及Value (Float，4byte)，則Status與Value就各構成一個Item，即Recode或ARRAY有多少子項，則每一個子項都構成一個 Item。至于每一數(shù)據(jù)或Item的含義則一概不予過問。據(jù)此，一個服務器就是按多線程調(diào)度實施的智能開關，按要求接通數(shù)據(jù)的源與目的地址，至于是同步讀寫還是異步讀寫，則由客戶應用確定。例如，進行批處理或配方處理時常要求異步讀寫。圖1中在X、Y中的OPC Interface等同于圖2中的OPC Automation Interface及/或OPC Custom Interface。它的功能可大致理解為遠程通信打包、拆包。服務器對于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)含義一概不知，然而在這種Interface中就需賦以含義了，這就是筆者把OSI中7層模型中的表示層與會話層折同于此的依據(jù)。其中，OPC Automation Interface可由OPC基金會一個標準的自動接口搭扣(wrapper)實施平常的接口轉(zhuǎn)換，而OPC Custom Interface則在需刷新或更改接口功能時予以使用。
綜上所述，按OPC基金會的規(guī)范，各設備制造廠商連同實際設備與相應的OPC服務器(程序)成套供應，與客戶應用(程序)打交道的，只是規(guī)范了的數(shù)據(jù)，這就是OPC為客戶應用端提供全開放的統(tǒng)一系統(tǒng)平臺的基本思路! 無疑，為爭取市場，各制造廠商會致力于相應OPC服務器的開發(fā)實施。據(jù)悉，National Instruments(NI)公司已有適合FF規(guī)范的OPC服務器問世。順便提及，OPC規(guī)范尚有待進一步完善升級，當應用需求的數(shù)據(jù)品格不在現(xiàn)有規(guī)范之列時，可以Byte ARRAY的數(shù)據(jù)格式代之，而用OPC Custom Interface予以賦義解釋。
FCS統(tǒng)一體系結構
筆者在文獻[1]中詳述了FF-H1兩種設計思路所形成的體系結構。把I/O點分散予以數(shù)字化再賦以智能化的H1園卡思路就儀表智能化而言是可取的;然而就構成控制回路而言則難以恭維;它還不如現(xiàn)已從人們記憶中淡忘了的單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器。后者構成一個閉環(huán)控制單回路或一個簡單串級控制回路勿須借助通信就能實施。這種分散到無以復加而必須把PV值從變送器借助通信按時送到閥門上的H1園卡才能進行閉環(huán)控制運算，不但加重了通信的負荷，更增加了其復雜程度。形成閉環(huán)控制的及時性(Timelines)要求必須進行實時性的強制通信，隨機性的不時之需的人機操作及/或修改以及傳送報警與歷史趨勢要求的三種通信要求無疑使通信復雜化;逐點分散構成一個控制系統(tǒng)就必須統(tǒng)一號令——統(tǒng)一時鐘與調(diào)度，即LAS;而為了控制的可靠性則必須對現(xiàn)行LAS者有冗余措施，而且這種冗余是在線冗余或稱任務冗余，其技術難度遠大于常規(guī)的離線冗余(Back-up)。凡此種種，均是由逐點徹底分散而釀成的。
筆者對儀表數(shù)字化、智能化并無貶意。無須贅言：要智能化必須先數(shù)字化。文獻[2]提到無A/D、D/A而提高精度，這種提法欠妥。事實上，就測量而言，非電量變成電量幾乎全是模擬值電量，將此微弱電平經(jīng)前置放大后(1伏電平左右)直接進行逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換，與對4~20mA或1~5V輸入進行A/D轉(zhuǎn)換比較，只不過是避免了中間級或后置放大的誤差而已。至于數(shù)字化以后的智能化，則全是軟件考慮了，這就有賴于“仁者見仁，智者見智”。
如文獻[1]圖8所示，把DCS控制站整體搬至現(xiàn)場的局部集中體系結構將是FCS的主流結構，除已述之外尚有以下特點：
(1) 控制站的控制功能與構成系統(tǒng)的性能及采用通信協(xié)議是各自獨立的，因而已為現(xiàn)行各種通信協(xié)議的FCS所采用。
(2) 把DCS與PLC在結構形式上予以統(tǒng)一。長期以來，人們一直把DCS與PLC予以區(qū)分，這其實是一種誤解。事實上，兩者均是可編程控制器，只是PLC多偏重處理開關量，大多進行邏輯運算，因而價格較之DCS便宜一些。然而，隨著PLC處理模擬量能力的增強，兩者在功能上已難分伯仲了!反之，倒是結構與安裝上不同而使人們?nèi)约右詤^(qū)分。一般，DCS多是大機柜安裝在控制機房內(nèi)，而PLC常掛壁安裝，如該圖下部所示，F(xiàn)CS在外形、安裝上已消除這種區(qū)分了?？赡苡腥藭?，控制裝置的生命之泉——電源如何考慮?使用現(xiàn)有的24V儀表電源或高于12V的電源并以12V的蓄電池與之并聯(lián)供電就可簡單解決。
(3) 該控制站是局部集中控制的，當無Timelines要求時，可采用以太網(wǎng)予以聯(lián)網(wǎng)通信，這已為各種標準的FCS所認同。這樣，從物理層至鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議，而網(wǎng)絡層采用IP，傳輸層采用TCP或UDP。OPC服務器主要引入DCOM技術，后者使得基礎的網(wǎng)絡通信協(xié)議對OPC客戶機/服務器透明。 DCOM可以使用如UDP、TCP/IP和IPX各種傳輸工具發(fā)送信息，DCOM使用的是相同的OPC應用程序。如此，不但OPC就交換數(shù)據(jù)信息而言提供了一個全開放的統(tǒng)一系統(tǒng)平臺，而且連具體傳輸信息的通信協(xié)議也都采用以太網(wǎng)+TCP(UDP)/IP了!這在具體實施上也都趨于一致，無疑極大方便了用戶正常的維護處理。
然而，就以太網(wǎng)的應用，筆者還有一些逆耳之言。早在1991年，國產(chǎn)第一套DCS——友立2000在滄州煉油廠FCC裝置投運時，筆者就實際體會過。該系統(tǒng)的MMI—操作站與控制站就用全輸速率為10M的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，各控制站之間無Timelines要求的信息要交換，而且該局域網(wǎng)總共站點數(shù)小于10個，其使用相當成功!但是，近幾年來，以太網(wǎng)成了大熱門，并企望一網(wǎng)到底，甚至像FF-H1那樣賦予本安性能。筆者不但在 [1]中，而且還在上面再次闡明：就IEEE802.3規(guī)約而言，隨機取得通信權的以太網(wǎng)通信不能滿足有Timelines要求形成閉環(huán)控制回路的需求。通信全輸速率即使達到1G，但最大1024個網(wǎng)站的局域網(wǎng)中若有300個I/O點各自都作為網(wǎng)站需要搶通信權的話，其碰撞是無法避免了，這有損于閉環(huán)控制。可能有人爭辯說，可采用優(yōu)先級，但是，優(yōu)先級多，就無優(yōu)先可言了，這也不是IEEE802.3本意。至于采取其它措施，例如HUB(集線器)等，則成本上升，采用以太網(wǎng)的優(yōu)勢也就減弱了，另則能否安裝于工業(yè)現(xiàn)場?筆者對于以太網(wǎng)傳輸距離在100m以內(nèi)能否應用于工業(yè)現(xiàn)場已心存疑慮了，至于一網(wǎng)到底乃至在國家已經(jīng)多處立項進行攻關開發(fā)，實在是感嘆不已!筆者可能不幸而言中：最終只可能一紙報告交帳了!
FCS的競爭將聚焦于應用軟件的競爭
取決于應用軟件，而整個系統(tǒng)的可靠性也與應用軟件的可靠性息息相關。筆者在文獻[3]中贊同文獻[4]的觀點而在此處延伸至FCS:FCS的競爭多半取決于誰能擁有解決復雜控制問題的先進軟件。
筆者長期從事石油化工生產(chǎn)過程計算機控制的開發(fā)應用，對此感觸甚深。應用軟件有穩(wěn)態(tài)優(yōu)化、先進控制及基礎控制軟件等，而其能否取得實效則在更大程度上取決于對生產(chǎn)過程的了解深度。
近些年來，按長官意志辦事變相“強行”推銷國外優(yōu)化、先進控制軟件的事，筆者有親身體會。然而，大多都象“保健品”那樣效果難以言明。投入不少而效果不大的原因，筆者分析主要有以下幾點：
(1) 對生產(chǎn)工藝及其控制要求并非十分了解而應付之事有之，例如對渣油汽化工藝一無所知的某外國軟件商拿到合同后向筆者咨詢之事令筆者嗤之以鼻;某廠優(yōu)化及先進控制項目僅由外商以合同金額叁千分之一不到的代價裝了兩臺微小量程的H2流量計使操作工有據(jù)可依而獲效益;搞FCC(催化裂化)優(yōu)化先進控制開發(fā)者不知回煉比降低是否是效益的直接體現(xiàn)。
(2) 優(yōu)化或先進控制的目標不符合要求，例如，大多煉廠煉量不足，而指標卻是處理量最大而不是輕油收率最高等。
(3) 優(yōu)化的指標大多是穩(wěn)態(tài)指標，然而實際生產(chǎn)過程不是因原料變化(例如原油供應變化)或加工方案變化或其它原因而常處于動態(tài)過程之中，就是穩(wěn)態(tài)時間太短，致使指標游移不定而收效甚少。
自從DCS介入過程控制以來，國內(nèi)對DCS的使用大多停留在代替常規(guī)儀表的水平上，如何充分發(fā)揮其潛力或開發(fā)一些新型控制算法有針對性地解決諸如煉廠原油切換帶來波動、縮短切換動態(tài)過程等則基本上無人問津，絕無立項啃這種“硬骨頭”的，而且也不可能為解決生產(chǎn)實際問題在國家立項攻關的。大多均因水平低無多少高深理論、數(shù)學推導而不屑一顧!事實卻不然。以筆者致力于大型氨廠一段轉(zhuǎn)化爐水/碳控制系統(tǒng)的開發(fā)、設計、實施[5]而言，深深體會到：只有比工藝人員在某些方面對工藝及控制要求的了解程度還深，才能搞好基礎控制與先進控制。該系統(tǒng)國外原設計十分差強人意，常導致全廠聯(lián)鎖跳車!筆者曾針對四川化工廠、大慶化肥廠及齊魯二化現(xiàn)場提出按預聯(lián)鎖概念設計控制方案，但三個廠的原料氣供應不一樣而又作不同的具體處理，以后者的設計實施方案[5]最為完備，完全解決該廠因原料含碳量波動而帶來的生產(chǎn)問題。這其中，按實際負荷與標稱負荷，以及返氫量的扣除等概念的使用與計算，是筆者對該生產(chǎn)工藝了解的深度出乎于工藝人員意料之外，該系統(tǒng)在現(xiàn)場投運大獲成功而長期交付使用。但是，某博士生導師此后在某現(xiàn)場投運同樣系統(tǒng)時卻招致全廠聯(lián)鎖跳車。此處并非揭人之短，而只是想說明這樣一個問題：解決實際工程問題并非不屑一顧之易事，尚宜正視之而不要回避!
文獻[5]中提到，該系統(tǒng)在現(xiàn)場投運之前發(fā)現(xiàn)了該DCS中某種功能模塊的問題后，反映至該公司總部未獲答復，后來筆者在自己開發(fā)的功能模塊中發(fā)現(xiàn)問題所在后輕易而舉地解決了。同樣，賦予預聯(lián)鎖功能的控制系統(tǒng)對實施控制算法的功能模塊有邏輯量同步處理要求，據(jù)之開發(fā)的功能模塊應用軟件豈不是有其獨到之處。筆者設計這套控制系統(tǒng)當時使用C3變字長浮點運算使控制站的時空開銷大增，原本可以使用255個功能模塊的，但實際只使用80個模塊就無Free Time了。當然，這對現(xiàn)在CPU芯片而言已不成問題了。另外，據(jù)筆者體驗：DCS或新型FCS，其中應用軟件—功能模塊如按OPC標準有互操作要求的話，其難度與復雜程度遠超過原有的。而且，互換性測試通過了，未必其可靠性就不出問題。上面提到Y公司DCS控制模塊問題，在20噸快鍋(大修后開工先投運)點火不到2小時就導致熄火!所以，對控制算法的功能模塊必須要由有工程經(jīng)驗者逐一仿真調(diào)試，應做到萬無一失才可找一個現(xiàn)場測試投運，到現(xiàn)場考核是絕對不允許調(diào)試改程序的!這就是開發(fā)控制功能(模塊)程序難點所在。還因為如此，其它計算機軟件都有升級換代的，唯獨只有控制功能模塊無升級換代，常見的只有功能模塊擴充或引入新的功能模塊。例如，Y公司功能模塊盡管擴充了很多，但類似于常規(guī)儀表的4個端子結構一直沿用其現(xiàn)有DCS產(chǎn)品。
建議國內(nèi)業(yè)界致力于FCS系統(tǒng)集成
目前，揚長避短進行新產(chǎn)品開發(fā)事例屢見不鮮。就FCS而言，國外一些著名廠家并非全部自行開發(fā)研制，在其發(fā)布的新產(chǎn)品中采取“拿來主義”——購買OEM產(chǎn)品甚或買斷性及/或委托開發(fā)部件再予以集成成自己品牌的系統(tǒng)者并非罕見。然而，我國以往并非如此，而是由國家出錢作為攻關課題予以大包大攬。一些扯著大旗當虎皮者在申請立項爭錢方面盡顯其能事。結果，花了國家?guī)浊f搞FF(H1園卡)產(chǎn)品及HART產(chǎn)品，在“九.五”期間未見產(chǎn)業(yè)化，“十.五”再追加!反過來，如若花這些錢委托國外廠商開發(fā)或合作開發(fā)，則早已產(chǎn)業(yè)化了!事實上，H1園卡是裝在變送器及閥門上的，試問國產(chǎn)變送器有多少?而合資的絕不會采用國產(chǎn)H1園卡!這種幾千萬的攻關立項論證過嗎?論證的專家學者是不懂還是“走過場，裝糊涂”?未獲國家任何資助一民營企業(yè)則早已將HART協(xié)議產(chǎn)業(yè)化并首先通過該基金會認證，那些拿了超過買斷性委托開發(fā)所需費用一倍以上的國家撥款者該如何交帳?這其中是否有學術腐敗?
往者不可諫!建議國內(nèi)業(yè)界有識之士與企業(yè)購買OEM產(chǎn)品予以系統(tǒng)集成為自己品牌的產(chǎn)品參與市場競爭。這一建議是基于以下考慮。
(1) 全開放的FCS其應用(層)程序與包括硬件與系統(tǒng)軟件(內(nèi)含通信部分)的系統(tǒng)平臺已可彼此完全獨立，能夠任意選購不同廠家的系統(tǒng)平臺予以即插即用，因而進行集成在技術上無任何障礙。
(2) 購買OEM產(chǎn)品，或是成為該廠商的系統(tǒng)聯(lián)盟商，利用其作為OEM產(chǎn)品的系統(tǒng)平臺集成自己品牌的FCS能揚長避短，爭得投入市場的時間。事實上，F(xiàn)CS產(chǎn)品的系統(tǒng)平臺包含許多高新技術，技術復雜，完全自己開發(fā)已被證實在目前無此可能。“九.五”課題國家投入巨資，組織國內(nèi)各有關單位、企業(yè)會戰(zhàn)5年，結果如何呢?從NI公司買了開發(fā)工具歷時5年以上還無法在H1園卡上實現(xiàn)LAS?，F(xiàn)實情況是，國內(nèi)工業(yè)用的計算機硬件產(chǎn)品打開市場難度大，用國外的系統(tǒng)平臺與國外產(chǎn)品競爭就可平起平坐一爭高低了;而且系統(tǒng)平臺的更新、升級全由OEM廠商考慮，因而該FCS系統(tǒng)產(chǎn)品就可永遠處于國際先進水平。
(3) 國內(nèi)從事工程應用還是有力量的，其中從事應用軟件開發(fā)力量只要予以發(fā)現(xiàn)重用，在經(jīng)驗與知識水平上完全不亞于國外系統(tǒng)集成廠商的系統(tǒng)工程師;至于從事工程應用的技術力量則更不成問題。
(4) 最重要的是集成產(chǎn)品的利潤如何呢?據(jù)筆者初步了解，從國外專門從事OEM產(chǎn)品生產(chǎn)的公司，例如NI公司購買一套裝備FCC的FCS系統(tǒng)平臺，其售價只有現(xiàn)行DCS的1/3不到，這還不包括作為其聯(lián)盟商大批量可享受近50%的價格優(yōu)惠。
(5) 只要不大的一次性投資把應用軟件——功能模塊掛到系統(tǒng)平臺上，聯(lián)成一套FCS系統(tǒng)，之后幾乎不要什么投入，僅需按定單配置系統(tǒng)即可。
“仁者見仁，智者見智”，筆者相信業(yè)界有識之士會認真考慮這一建議的。事實上，國內(nèi)已成品牌的某DCS公司也是沿集成道路走過來的，期望國內(nèi)FCS集成品牌早日面市。
（轉(zhuǎn)載）
