信息给我们生活带来的变化。

信息化能为工业化做什么?

1.1信息化只能帮助决策,不能帮助经营决策。

企业的经营决策永远是企业经营者的责任。信息化可能有助于企业管理者为决策提供信息,但决策的任务必须由企业决策者承担。企业的经营决策者在分析竞争环境、自身资源优势和劣势、竞争对手的系统后做出经营决策。计算机系统本身不能做出决定。商业决策过程本身就是一个权衡的过程,因为我们总是面临着很多机会,而我们的资源总是有限的,决策过程也是一个风险判断的过程。计算机系统提供给我们的信息越多,如果不对信息进行整理,就会使决策过程变得复杂。我们很多私企经营者学历不高,对信息系统了解不多,但经营决策果断,有的还做出了很大的成绩。但是,一些大型企业有非常现代化的信息支持系统,并没有产生相应的效益。当然,对于大多数国内企业来说,一个简单实用的信息管理系统确实可以帮助决策者防范风险,做出理性的决策。

1.2信息化不能代替执行,但可以促进和监督执行。

虽然实施先进的自动控制系统可以代替生产过程中的许多人工操作,控制的精度和效率可以显著提高,但人的执行能力在整个生产过程中仍然起着决定性的作用。因为信息系统和过程控制一旦投入运行,系统只能完成规定的功能,而市场的变化和生产过程的很多变化都不是固定的。因此,信息系统本身并不能代替生产过程中各级工人处理各种事故并自动获得执行结果。而一个好的信息系统(包括自动化系统)可以通过畅通的信息流、及时的信息反馈、报警的处理和分析、引导来促进和提高人的执行能力。此外,由于信息的通畅性和历史记录的准确性,信息系统可以监督各级高管是否完成了职责。随着网络技术的应用,公司可以实现网上销售。使用自动化办公系统,各级主管可以提高信息传递的效率,特别是对于异地办公的企业,一个实用的信息系统可以大大提高信息传递和执行的效率。

1.3信息化可以提高控制质量和生产效率。

信息系统尤其是自动化系统的实施,确实可以提高过程的控制质量和装置的生产效率。比如手动控制周期只能几秒,写*的精度基本在1% ~ 5%的量级。同时*写作的实际情况也受到作者熟练度和精神状态的干扰。计算机控制系统可以实现毫秒级控制周期(这对于火电厂汽轮机控制等大型快速设备非常重要),控制参数的精度可以达到0.1%~0.5%,对于特殊回路精度可以更高,因此可以大大提高产品的质量。对于一些大型复杂生产过程,只能完成简单的单回路控制,而计算机控制系统可以根据不同的生产条件(原料、环境、目标产品的变化)进行优化或准优化控制,显著提高生产效率。此外,当代企业信息和自动化系统可以收集和整理从生产现场到设备,从单个设备到车间,从车间到整个工厂,从整个工厂到整个公司的信息,从而实现对整个工厂的全面监控,提高整个生产过程的效率。通过适当的统计分析和处理,信息系统可以帮助发现企业的效率漏洞,找出成本的分布情况,从而为经营者解决问题提供客观依据。系统的设备管理功能可以帮助实现预知维修,从而减少停机检修的次数和时间,提高生产率。先进的批处理功能可以帮助工人在更换产品或改变设备产量时自动切换到合理的控制参数,从而提高效率。

1.4信息化可能增加风险。

信息化在推动和促进工业化的同时,也增加了风险因素。

(1)信息的集中和业务决策对信息系统的依赖,使得业务风险相对集中。如果信息系统被破坏,企业的运作可能会瘫痪。

(2)计算机控制系统实现越来越复杂的控制功能,使工作成为计算机系统的辅助。如果系统出现重大问题,可能会导致事故。

(3)大规模开放的信息系统给工作带来了便利,提高了效率,但企业的保密保护变得困难。

(4)越来越复杂的信息系统可能受到黑客或病毒的攻击,使系统瘫痪。

1.5信息化如何服务于推动工业化?

中国革命和建设的实践反复证明,马克思主义的基本原理只有同中国的实际相结合才能成功。同样,信息化只有适应工业化的实际水平,才能取得效益。

(1)企业的领导者是企业兴衰的决定性因素之一,信息化水平必须与企业领导者的水平相适应,否则信息化注定失败。

(2)企业的各级管理人员(管理干部、技术专家、现场操作人员等。)是企业经营决策的执行者,也是信息系统(包括控制系统)的实际作者,信息系统必须适应他们的水平,除非企业可以更换不适合的人员。一定不能本末倒置,所有的高管都要适应信息系统。

(3)各信息产品生产企业在推广和实施信息系统时,必须在对用户的各级决策者和相关执行人员进行充分培训后,明确用户的实际需求水平,然后根据实际需求定制合适的信息系统。我国工业企业的水平可以从最小的作坊式制造到跨国大型现代化企业集团,可以从16、17世纪的工业水平跨越到21世纪的水平,所以再好的信息系统方案也无法满足我国所有用户的需求。只有满足合适客户的合适方案才是高效的方案。

(4)企业信息化要有成本意识。中国的国情决定了我们最大的资源(国际竞争的比较优势)是取之不尽的廉价劳动生产率。因此,在应用信息化和自动化时,我们必须考虑计算机信息系统而不是人所创造的价值。在相当多的情况下,人力成本会比信息化成本低很多。在这种情况下,企业最好利用人力,信息系统作为管理支持系统和执行监控系统。

(5)在中国法制完善和实现银行现代化之前,实施先进的电子商务的可能性很小。最有效的信息化是工厂流程自动化、财务管理、实际办公管理等系统。让我们忘掉那些时髦的信息技术概念,走中国信息化与工业化相结合的道路。让用户花在信息化上的每一笔投资都创造价值,让信息厂商推动信息化的局面变成工业企业追求信息化的局面。

2世界集散控制系统的发展现状和趋势

在工业企业中,应用效益最直接、最明显的系统应该是工业控制系统,尤其是DCS(分布式控制系统)。虽然几年前就判断DCS会被FCS(现场总线控制系统)取代,但直到今天,它仍然有相当的生命力。2003年,ARC咨询公司发布了对世界DCS市场的预测报告。报告预测,2002-2007年世界DCS市场将保持2.5%的增长率,从2003年的91亿美元增长到1.03亿美元。DCS发展速度不高的主要原因是美国等发达国家经济增长速度放缓。中国近几年的DCS增长率应该在10%以上。与十年前的DCS相比,今天的DCS已经发生了根本性的变化。

1.1 DCS已经进入第四代。

受信息技术发展的影响(网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等。)以及用户对先进控制功能和管理功能日益增长的需求,各DCS厂商(以霍尼韦尔、艾默生、福克斯博罗、横河、ABB为代表)提高了其DCS系统的技术水平,并不断丰富其内容。可以说,以霍尼韦尔公司新推出的Experion PKS(过程知识系统)、艾默生公司的Plant Web(艾默生过程管理)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3(PRM -工厂资源管理系统)、ABB公司的工业It系统为标志的新一代DCS已经形成。如果把Foxboro的I/A系列视为第三代DCS系统的里程碑,那么上述公司最新的DCS都可以归为第四代。第四代DCS的主要标志是以“I”开头的两个字:信息化和一体化。

第四代DCS的1.2架构

第四代DCS的架构如图1所示。主要分为四层:现场仪表层、控制单元层、工厂(车间)层、企业管理层。一般DCS厂商主要提供以下三层功能,而企业管理对接第三方管理软件平台(ERP、CRM、SCM等。)通过提供一个开放的数据库接口。所以今天的DCS主要提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能,集成了整个企业的信息管理功能。

图1第四代DCS架构图

2.3第四代DCS的技术特点

(1) DCS充分体现信息化和集成化(信息& amp;整合)

信息和集成,这两个以“I”开头的词,基本上描述了当今DCS系统正在发生的变化。我们已经能够收集整个工厂车间和流程的信息数据,但是用户希望这些大量的数据能够以一种合适的方式体现出来,帮助决策过程,让用户在他方便的地方,以他理解的方式得到他真正需要的数据。

信息化体现在每个DCS系统都不是以控制功能为主要功能的控制系统,而是充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备、从设备到车间、从车间到工厂、从工厂到企业集团的整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、及时性和系统性。基本上,大多数DCS提供常规DCS、SCADA和MES的功能。与ERP不同,MES是用于管理和优化从下订单到成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件的集合。它控制并使用实时、准确的制造信息来指导、教导、响应和报告车间中的各种活动,同时向企业决策支持过程提供关于生产活动的任务评估信息。MES的功能包括资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析和物料管理。与DCS相关的功能模块如图2所示,其功能简述如下。

①资源配置和状态:管理机器、工具、劳动技能、材料、设备等实体,使其在制造前能够有序获取,并提供资源的具体历史信息,保证设备的正确安装,提供实时状态。上述所有DCS在不同的软件名称下提供相似的功能,例如设备管理、知识管理和能源管理。

②调度生产单元:以作业、订单、批次、时序等形式管理生产单元流程。,提供调度信息,并通过缓冲区管理改变预调度方案和控制处理量。过去的连续工艺生产设备是根据某一产品的生产能力来设计的,物料平衡公式和设备选型也是根据这个生产能力来进行的(也许加上10%的剩余)。所以我们经常听到车间主任或班组长是如何努力生产出超过设备设计能力20%或25%的产品,以及他们是如何兴高采烈,可能获得超额奖金。装置生产能力小于设计生产能力的情况很少。但如果因市场需求减少而要求减少该产品的产量,则装置的物理参数和控制参数难以适应,产品质量无法保证。当我们由于市场竞争、法规或任何其他原因想要停止使用这种产品并改用另一种产品时,我们通常不得不停止使用该设备或进行大量的改装投资。如今,灵活满足市场需求、快速响应市场已经成为运营的主要驱动力,我们的过程控制或生产控制必须适应这种需求。仪器仪表协会还制定了批量控制标准ANSI/ISAS 88.01批量模型和术语,为我们开发和应用批量控制提供了很好的指导。第四代DCS基本上提供独立或集成的批处理功能软件。他们在DCS系统中加入了批量控制,使之成为一个类似于先进控制算法模块的组件。

图2制造执行系统总体功能模块示意图

③文件控制:控制与生产单元相关的记录,具有编辑和发布指令的功能。第四代DCS基本可以自动生成各种记录、日志、档案。

④数据收集/采集:提供获取内部数据的接口,并形成相应的表格和记录。数据收集可以是自动的或手动的。

⑤劳动管理:提供员工的相关状态,并将其与资源的配置联系起来,确定最优配置。值得一提的是,在现代生产过程中,人和设备越来越成为一个有机的整体。

⑥质量管理:提供测量的实时分析,以确保产品质量控制,识别需要注意的问题,并提出纠正建议,包括SPC/SQC跟踪、离线检验*管理和LIMS分析。

⑦维护管理:跟踪和指导设备和工具的维护活动,以确保生产和调度的进度,还提供紧急响应,如报警,并维护历史信息以支持问题的诊断。例如,艾默生声称,通过其设备管理功能,用户可以在正确的时间以正确的方式维护正确的设备,节省大部分例行检修时间,并安排停机时间,除非有计划。

⑧产品跟踪:提供工作及相关状态信息的可视性,在线跟踪功能可生成历史记录。

⑨性能分析:通过分析不同功能的汇总信息,提供实际生产、历史记录和预期结果的报告。

DCS的集成体现在两个方面:功能集成(如上所述)和产品集成。以前DCS厂商基本都是自主开发,自己提供系统。现在的DCS厂商更加强调系统集成和解决方案能力。DCS除了保留传统DCS实现的过程控制功能外,还集成了PLC(可编程逻辑控制器)、RTU(远程终端单元)、FCS(现场总线控制系统)、各种多回路控制器和各种智能采集或控制单元。此外,DCS厂商不再将组态软件的开发或各种硬件单元的制造作为核心技术,而是对DCS的各个组件采用第三方集成模式或OEM模式。例如,大部分DCS厂商不再开发自己的组态软件平台,而是改用兄弟公司的通用组态软件平台(如基于Wonderware软件的Foxboro)或其他公司提供的软件平台(基于Intellution软件平台的艾默生)。此外,很多DCS厂商甚至I/O组件也采用OEM模式(Foxboro采用Eurothem的I/O模块,横河的R3采用富士通的Processio作为I/O单元基础,霍尼韦尔的PKS系统采用罗克韦尔的PLC单元)作为现场控制站。

(2) DCS成为真正的混合控制系统。

过去,我们主要根据被控对象的特性(过程控制和逻辑控制)来区分DCS和PLC。但是,第四代DCS已经模糊了这种划分。几乎所有的第四代DCS都包含过程控制、逻辑控制和批量控制,实现混合控制。这也是为了适应用户真实的操控需求。因为,绝大多数工业企业绝不能简单地划分为单一的流程控制和逻辑控制需求,而是由基于流程或基于逻辑的子流程组成。要想优化整个生产过程,提高整个工厂的效率,就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。例如典型的冶金系统、造纸过程、水泥生产过程、医药生产过程、食品加工过程和发电过程,大部分化工生产过程都是由部分连续调节控制和部分逻辑联锁控制组成的。第四代DCS系统几乎全部采用IEC61131-3标准进行组态软件设计。这个标准最初是由PLC语言设计提供的。同时,一些DCS(如霍尼韦尔的PKS)也直接使用成熟的PLC作为控制站。大多数第四代DCS可以集成中小型PLC作为底层控制单元。现在的小微PLC不仅具备了过去大型PLC的所有基本逻辑运算功能,还能实现高级运算、通信和运动控制。

(3) DCS包含FCS功能,进一步分散化。

过去,一些学者和制造商将DCS和FCS(现场总线控制系统)对立起来。事实上,真正推动FCS进步的还是世界上主要的DCS厂商。所以笔者之前也说过,DCS不会被FCS取代,但是DCS会包含FCS,实现真正的DCS。如今,这一预言正在被现实所验证。所有第四代DCS都包括各种形式的现场总线接口,可以支持各种标准的现场总线仪表和执行器。此外,DCS改变了原有的机架式I/O模块和相对集中的控制站结构,代之以进一步分散的I/O模块(导轨安装)、小型化的I/O元件(可现场安装)或中小型PLC。分布式控制的一个重要优点是逻辑划分。工程师可以根据设备方便地将不同设备的控制功能分配给不同的合适的控制单元。这样,工作人员可以根据需要以模块化的方式修改、下载和调试单个控制单元的功能。另一个好处是每个控制单元都分布在被控设备附近,既节省了电缆,又提高了设备的控制速度。有些DCS还包括分布式HMI本地站,在这里,人和机器将有机地结合在一起,完成智能工厂中的各种工作。

比如艾默生的DeltaV,Foxboro的A2小模块结构,Ovation的分散式模块结构等等。可以说现在的DCS厂商已经跨越了炒作概念的误区,而是突出了实用性。一套DCS可以适应多种现场安装方式:既可以是现场总线智能仪表,也可以是现场I/O智能模块就地安装(节省信号电缆,不使用昂贵的智能仪表),还可以是机柜集中安装(特别适合改造现场)。一切由用户的场地条件决定,充分体现了用户所设想的理念。

(4) DCS已经走过了高科技产品时代,进入了低成本时代。配置灵活,适用于各种系统应用。

在80年代,甚至90年代,DCS是一种技术含量高、应用相对复杂、价格相当昂贵的工业控制系统。随着应用的普及和人们对信息技术的理解,DCS已经走出了高贵神秘的高塔,成为人们熟悉的、价格合理的常规控制产品。第四代DCS的另一个显著特点是各系统采用现成的软件技术和硬件(I/O处理)技术,采用灵活的规模配置,大大降低了系统的成本和价格。可以说,使用先进的DCS实现工业自动化控制比使用常规仪器仪表更简单,用户投资增加不多,但实现的功能却大大加强。就控制站而言,原来平均物理信号处理1 500元(人民币),现在降到了800元左右。以前国外的DCS一般只适用于大中型系统,在小型应用中成本非常高。而第四代DCS采用了灵活的配置,不仅经济地适用于大中型系统,也适用于小型系统。

(DCS平台的开放性和应用服务的专业化

在过去的二十年里,工业自动化领域对开放性的概念进行了大量的讨论。在过去,由于通信技术的相对落后,开放性是困扰用户的重要问题。为了解决这个问题,设想了许多方案,包括CIMS(计算机集成制造系统)系统概念中的开放网络(MAP 7层网络协议平台)。然而,MAP网络协议并没有得到真正的推广和应用。网络技术、数据库技术、软件技术和现场总线技术的发展使得系统的开放性成为可能。DCS厂商之间竞争的加剧促进了分工合作的细化,各厂商放弃了原来的独立开发模式,转变为集成合作开发模式,因此自动实现了开放性。第四代DC都支持一定程度的开放性。开放性体现在DCS可以从三个不同的层面与第三方产品连接:支持企业管理层面各种管理软件平台的连接;支持第三方先进控制产品、SCADA平台、MES产品和工厂车间批处理软件,支持多种网络协议(主要是以太网);在设备控制层,可以支持各种DCS单元(系统)、PLC、RTU、各种智能控制单元以及各种标准现场总线仪表和执行器。

值得注意的是,开放确实有很多好处,但在考虑开放时,首先要充分考虑系统的安全性和可靠性,因为生产过程中的故障停机或事故造成的损失可能远远高于开放产品选择所节省的成本。同时需要注意的是,在选择系统设备时,首先要确定系统的要求,然后根据要求选择必要的设备。尽量不要配备一些不必要的功能,尤其是网络功能和外设的选择一定要慎重。比如,当我们选择打开网络时,被病毒或黑客攻击的可能性会增加;我们选择多种外设,比如光驱或者软驱,这就给工作人员提供了加载无关软件(比如游戏)等等的机会。这些将导致系统瘫痪或其他致命故障。

随着开放系统和平台技术的发展,产品选择更加灵活,软件配置功能越来越强大和灵活。然而,每一个具体的应用都需要一个独特的解决方案,因此专业的应用知识和经验是当今工业自动化制造商或系统集成商成功的关键因素。DCS厂商都在努力宣传自己的DCS技术优势,也宣传自己的行业方案设计和实施能力。为不同用户提供专业化的解决方案和服务将是未来DCS厂商和系统集成商竞争的焦点,也将是各厂商的主要利润来源。

3工作实践

3.1国产DCS简介

中国自动化领域的仁人志士为发展自己的DCS产业做出了不懈的努力。目前,以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂商经过十年的努力,已经推出了自己的DCS系统:和利时推出MACS-Smartpro第四代DCS系统,浙大中控推出Webfield(ECS)系统,新华推出XDPF-400系统。三家公司积极努力,通过竞争将各自的自治系统成功应用于各种工业现场,并逐渐获得用户的认可。如新华公司在火力发电方面成绩显著,浙大孔众公司在化工控制方面成绩突出,和利时公司在核电、热电、化工、水泥、制药、造纸等方面都有一定成绩。仅在2002年,和利时就赢得了500多个不同行业的合同。此外,和利时公司扩展了DCS结构,将其应用于大型轨道交通自动化系统和管网SCADA系统。通过激烈的竞争,和利时成功实现了秦山核电厂60万千瓦核电站的计算机综合监控系统和常规岛控制系统,并在与国内外公司的竞争中赢得了秦山一期30万千瓦核电站、大亚湾核电站等核电站的部分计算机系统合同。公司承担的北京轻轨、深圳地铁综合监控系统采用分布式数据库结构,实现了长距离(十几个站、几十公里)、大数据量(上万个物理点)、复杂通信信息(城域网、局域网、现场总线网络、无线通信网络等)的综合功能。)和多样化(动力电气控制、环控、RTU、部分机车运行信号、车站信息等。).该系统的成功应用为我国城市铁路和地铁的发展提高了综合监控能力,降低了成本,成为事实上的综合监控标准。

在中国的DCS市场上,国内三大厂商已经具备了相当的竞争力。比如通过新华公司与和利时公司在火电厂控制领域的竞争,和利时公司与浙大中控公司在化工领域的竞争,国外DCS纷纷降价。可以说,三家公司最大的贡献就是将国外的DCS价格降到了40%以下,为DCS在国内工业企业尤其是中小企业的推广应用做出了贡献。

3.2和利时公司第四代DCS简介

和利时公司的前身是电子工业部自动化工程六处。1992年开发出第一代DCS系统HS-DCS-1000系统,1995年推出HS2000系统(采用智能I/O结构,部分实现IEC1131-3标准功能)。和利时公司在总结用户多年需求的基础上,整合国际技术成果,集中核心技术和国际先进技术。2002年初,它推出了第四代DCS-Macs-SmartPro(智能过程系统)。系统结构如图3所示。

图3 Smartpro系统结构图

与上述五家国际知名企业推出的第四代DCS相比,Smartpro仍有一定差距。比如管理软件功能不够强大,国外有些产品集成了SAP ERP系统,但是Smartpro的管理功能可能更适合国内大部分企业的现状。Smartpro的现场总线功能不全,提供的先进控制算法也不丰富,但目前国内大部分设备难以应用先进控制。未来,随着国内用户的完善,和利时也在不断丰富Smartpro的先进控制功能。Smartpro与国外系统最大的差距就是外观结构,和利时将投资彻底改变这一现状。但是,Smartpro本质上具有第四代DCS的特征。同时,Smartpro的软件平台和I/O模块已经通过了数百个各种工业现场的测试,正在走向成熟。

Smartpro还在进一步丰富和完善中,但已经具备了第四代DCS的基本框架结构和特点。

(1)充分体现了信息管理功能和集成。

Smartpro系统采用三层网络结构(地铁应用采用四层网络:包括一个连接车站的城域网)。其中,高层网络以服务器为中心,可以支持各种管理功能。而且和利时开发了一些适合中小企业的管理软件平台。HS2000ERP、进销存平台、RealMIS平台、Web service能源管理(应用于冶金企业)等。RealMIS已被广泛使用。这