隨著新的開(kāi)放流程自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化，制造企業(yè)、自動(dòng)化供應(yīng)商和工程承包商都面臨著采用新的方法開(kāi)發(fā)自動(dòng)化項(xiàng)目的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步為所有利益相關(guān)者創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，用以降低其控制系統(tǒng)的更換和持續(xù)生命周期的成本，并從自動(dòng)化投資中獲得更多價(jià)值。然而到目前為止，由于對(duì)嘗試新事物、投資新技術(shù)或改變現(xiàn)有業(yè)務(wù)實(shí)踐猶豫不決或觀(guān)望，因此獲益不多，與期望值相距較遠(yuǎn)。太多的自動(dòng)化利益攸關(guān)者被困在他們一直以來(lái)慣用的行事方式的狀態(tài)中。這種墨守成規(guī)的態(tài)度使自動(dòng)化投資的價(jià)值難以充分發(fā)揮，并且使制造商喪失了認(rèn)識(shí)消除工廠(chǎng)/流程的低效率、將其運(yùn)營(yíng)提升到高績(jī)效水平的機(jī)會(huì)。

　　本文將集中討論近些年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目實(shí)施方法和流程的改善和提升。

　　傳統(tǒng)與弊端

　　工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目管理的生命周期包括制定工程規(guī)格書(shū)、供應(yīng)商選擇（招投標(biāo)）、前期工程設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試投運(yùn)、工廠(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)（FAT）和啟動(dòng)運(yùn)行各個(gè)階段（見(jiàn)圖1）。在有良好執(zhí)行保證的前提下，時(shí)間跨度一般是兩年。雖然在工程總投資中自動(dòng)化的投資所占比例很小，一般只有百分之幾，甚至只占1%，但是作為工廠(chǎng)運(yùn)行操作狀態(tài)的測(cè)量感知、控制和執(zhí)行的手段，它對(duì)運(yùn)行的影響和所做的貢獻(xiàn)則高達(dá)30%以上。

圖1 工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目的工作流程（源自ARC網(wǎng)站）

　　這種傳統(tǒng)的工程項(xiàng)目的工作流程最大的問(wèn)題在于：1）按照固定的順序依次執(zhí)行，前面的階段如果沒(méi)有執(zhí)行完成，后面的階段無(wú)法啟動(dòng)。2）在工程規(guī)格書(shū)制定完成并凍結(jié)以后，前端工程設(shè)計(jì)所確定的環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)（如I/O通道的配置），在工程實(shí)施的過(guò)程中通常不容許修改或返工。3）具體表現(xiàn)為硬件支持物理需求的物理設(shè)計(jì)與具體表現(xiàn)為軟件支持功能性需求能力的功能設(shè)計(jì)，二者緊密聯(lián)系，難以脫鉤。形成這些問(wèn)題的原委主要植根于工業(yè)控制系統(tǒng)的專(zhuān)用性，不支持標(biāo)準(zhǔn)化的硬件設(shè)計(jì)，以及硬件和軟件的強(qiáng)力捆綁。

　　工程項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，自動(dòng)化往往是一個(gè)關(guān)鍵路徑，而且對(duì)項(xiàng)目的啟動(dòng)投運(yùn)時(shí)間和移交起著拖后腿的不良影響。為了應(yīng)付和管理項(xiàng)目成本和保證進(jìn)度，業(yè)主通常面臨著從無(wú)停歇的挑戰(zhàn)；還會(huì)遇到在最后的時(shí)刻需要更改和添加某些控制和測(cè)量手段，不僅直接影響項(xiàng)目的完工時(shí)間，而且還導(dǎo)致預(yù)算超支。這意味著工程項(xiàng)目實(shí)施的可預(yù)測(cè)性成了一個(gè)難解的關(guān)鍵。項(xiàng)目成本超支是失控并導(dǎo)致產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的誘因，由此造成的資本支出計(jì)劃、資本回報(bào)率和現(xiàn)金流都不可避免地受到這些效率低下的負(fù)面影響。在新建的項(xiàng)目中，特別是在大型項(xiàng)目中，至關(guān)重要的是使風(fēng)險(xiǎn)最小化、增加靈活性和縮短進(jìn)度。要盡可能達(dá)到這些要求，最重要的是讓自動(dòng)化系統(tǒng)不再成為工程實(shí)施的攔路虎。為此工程設(shè)計(jì)單位、自動(dòng)化系統(tǒng)供應(yīng)商和施工單位需要重新評(píng)估傳統(tǒng)的工程實(shí)施和交付模型，在采用新的技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上發(fā)展新的項(xiàng)目執(zhí)行模型，并適應(yīng)新模型的進(jìn)展，從方法論的角度改進(jìn)工程項(xiàng)目實(shí)施的工作流程，并予以?xún)?yōu)化。

　　自動(dòng)化工程方法變革的基礎(chǔ)和方向

圖2 三種工程項(xiàng)目實(shí)施工作流程的比較（源自：Honeywell網(wǎng)站）

　　過(guò)去二十多年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目實(shí)施的基本工作流程幾乎沒(méi)有太多的改變（見(jiàn)圖2最上部分）。隨著近些年來(lái)控制系統(tǒng)軟硬件的模塊化、云計(jì)算和虛擬化等新技術(shù)的采用，控制系統(tǒng)正在擺脫長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)專(zhuān)用硬件的依賴(lài)，與工程項(xiàng)目的實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，奠定了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、削減非增值的工程活動(dòng)以及優(yōu)化工作流程的基礎(chǔ)。于是出現(xiàn)了將物理設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)分離的工作流程（見(jiàn)圖2的中間部分）。顯然，這為自動(dòng)化項(xiàng)目管理和工程實(shí)施建立新的模型和方法起著關(guān)鍵作用。

　　再進(jìn)一步優(yōu)化，在模塊化和具有互操作性的自動(dòng)化軟硬組件的基礎(chǔ)上發(fā)展自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法，軟硬解耦在工程設(shè)計(jì)和實(shí)施具體表現(xiàn)為所謂的“后期綁定”，即生產(chǎn)設(shè)施的硬件不必從項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)與系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)文件緊密配合，據(jù)此生成的應(yīng)用軟件可以與生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)制造并行實(shí)施和執(zhí)行，直到后期才將二者綁定進(jìn)入調(diào)試階段（見(jiàn)圖2的最下面部分）。這一自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法必將為項(xiàng)目的投資方、工程項(xiàng)目建成后的運(yùn)營(yíng)方帶來(lái)巨大的利益，主要表現(xiàn)在降低項(xiàng)目的成本、削減硬件的占用空間、縮短完成工程的時(shí)間，同時(shí)也為今后提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　圖3更詳盡地描述這一經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目在完成制定技術(shù)規(guī)格書(shū)和前期工程設(shè)計(jì)之后的實(shí)施工作流程?；谖锢碓O(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)的分離，功能性設(shè)計(jì)可獨(dú)立按下述流程實(shí)施：在進(jìn)行與硬件有關(guān)的設(shè)計(jì)（包括I/O數(shù)量、類(lèi)型、安裝地點(diǎn)）、按現(xiàn)場(chǎng)儀表的種類(lèi)和量程進(jìn)行I/O地址分配均可在云上進(jìn)行。之后，可以并行地進(jìn)行中間編組接線(xiàn)設(shè)計(jì)（即電纜及其敷設(shè)設(shè)計(jì)）、系統(tǒng)組態(tài)、報(bào)警組態(tài)（依據(jù)報(bào)警上下限、報(bào)警狀態(tài)和設(shè)定值進(jìn)行）以及控制組態(tài)（根據(jù)流程儀表圖P&ID和功能描述加上報(bào)警組態(tài)結(jié)果進(jìn)行）。在系統(tǒng)組態(tài)和完成中間編組接線(xiàn)設(shè)計(jì)后要進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)收（系統(tǒng)FAT），完成后可向業(yè)主進(jìn)行部分交付。在進(jìn)行系統(tǒng)FAT的同時(shí)，可依據(jù)示意圖和前期工程設(shè)計(jì)有關(guān)操作規(guī)程的闡述開(kāi)展人機(jī)界面HMI的組態(tài)。等待上述的工作完成之后就可以開(kāi)展有關(guān)各種組態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)收工作，達(dá)到功能性的最終交付的要求。在物理設(shè)計(jì)完成并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)收后，即可將兩者進(jìn)行后期綁定，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試投運(yùn)工作。

圖3 埃克森美孚采用的工程項(xiàng)目實(shí)施流程中的后期綁定

　　綜上所述，工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目實(shí)施的傳統(tǒng)方法必須改變。這既需要與項(xiàng)目相關(guān)的工作流程的變革，更需要確保使之工作流程變革成為可能的技術(shù)支撐。概括來(lái)說(shuō)，通用的I/O系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化的硬件系統(tǒng)、云基的工程環(huán)境和虛擬化的設(shè)計(jì)、仿真技術(shù)就是主要的技術(shù)支持（見(jiàn)圖4）。以單點(diǎn)I/O（或稱(chēng)為通用I/O）為特征的新一代控制系統(tǒng)為控制系統(tǒng)工程和設(shè)計(jì)的新方法賦予了高度的靈活性，是實(shí)現(xiàn)模塊化工程的重要手段。大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商都提供“云基工程”功能，創(chuàng)造了一個(gè)安全的、虛擬化的、基于云的環(huán)境，支持真正的并行工程，允許在不同地點(diǎn)的工程師團(tuán)隊(duì)為實(shí)施同一個(gè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目協(xié)同工作。這種運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化硬件和云基虛擬化的新工程方法為后期綁定技術(shù)提供了前提條件。從方法論的視角看，只有控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、配置可以與軟件開(kāi)發(fā)完全脫鉤才有可能在工程后期實(shí)施硬件和軟件的綁定。這樣工程師可以在云端的純虛擬環(huán)境中開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，并在工程調(diào)試投運(yùn)的時(shí)刻將軟件部署到硬件系統(tǒng)。它還允許將物理設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)自動(dòng)綁定。事實(shí)證明這種不是在早期就把硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置與應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)綁定，而是延遲到后期才予以綁定ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，減少并消除了工程計(jì)劃和預(yù)算的風(fēng)險(xiǎn)，并提供了更多的靈活性和敏捷性。據(jù)一些供應(yīng)商提供的真實(shí)數(shù)據(jù)表明，在硬件方面：盤(pán)柜、接線(xiàn)盒和橋架的數(shù)量可減少66%，接線(xiàn)端子可減少70%，室內(nèi)占用空間可減少40%，自動(dòng)化硬件成本可減少30-40%；在工程量和建造計(jì)劃方面：儀表控制和電氣的工程量減少30-40%，建造量減少20-30%，調(diào)試投運(yùn)工作量減少20-30%，自動(dòng)化的工作周期減少25%。

圖4 工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目實(shí)施流程變革的基礎(chǔ)

　　后期綁定對(duì)工程項(xiàng)目生命周期產(chǎn)生重大影響，主要在于：1）可以取消硬件FAT（現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試）。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全包含在軟件之中，因此通過(guò)硬件虛擬化的方式實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，而不必在現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)進(jìn)行FAT的工作完全可行。另一種表達(dá)就是用虛擬化的硬件去驗(yàn)證軟件設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。2）為并行的工程設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，即使工程設(shè)計(jì)人員分布在不同的地點(diǎn)，也可以憑借云基的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成靈活的團(tuán)隊(duì)完成控制系統(tǒng)的軟件組態(tài)、編程和調(diào)試。這種新型的項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)實(shí)施方法確保了項(xiàng)目執(zhí)行的某些階段可以用很少的相互牽連的方式并行地執(zhí)行，系統(tǒng)的硬件和軟件可以同時(shí)進(jìn)行配置和組態(tài)，從而導(dǎo)致項(xiàng)目的執(zhí)行時(shí)間可從18-24個(gè)月縮短為12-18個(gè)月。

　　I/O的突破

　　在流程工業(yè)中，DCS系統(tǒng)的I/O一直沿用輸入輸出類(lèi)型固定、通道也固定的模塊，由此派生出的現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)方式和通過(guò)中間編組接線(xiàn)箱進(jìn)入控制系統(tǒng)的I/O模塊的方式也一直沿用至今。常規(guī)的I/O模塊不論是模擬量輸入和輸出還是開(kāi)關(guān)量輸入和輸出，都由其專(zhuān)用的連接點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接。這些在前期的工程設(shè)計(jì)中已經(jīng)分配好的I/O地址，一旦在工程調(diào)試后期不得不有所調(diào)整和改變時(shí)，就可能產(chǎn)生麻煩的返工問(wèn)題，從而影響施工的進(jìn)度和工程成本。這種固定的I/O結(jié)構(gòu)顯然難以適應(yīng)工程后期的改動(dòng)。在實(shí)際工作中后期的改動(dòng)常常是難以避免的，為此不得不在在項(xiàng)目的前期預(yù)留一定數(shù)量的I/O通道，也就是說(shuō)從現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)到中間編組接線(xiàn)箱，再到DCS的I/O模塊以及控制柜都得預(yù)留備用的接線(xiàn)和空間。

　　在流程自動(dòng)化領(lǐng)域，正是對(duì)靈活性和成本效率的需求推動(dòng)了終端用戶(hù)采用通用I/O的控制系統(tǒng)和機(jī)柜設(shè)計(jì)。領(lǐng)先的自動(dòng)化供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新型的I/O系統(tǒng)的解決方案，采用可特征化的I/O（Characterizable I/O）（見(jiàn)圖5上部 ）和可組態(tài)的I/O（Configurable I/O）（見(jiàn)圖5下部 ）或者是二者的組合，構(gòu)成所謂通用的I/O?？商卣骰腎/O是指I/O模塊可插在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的任意插槽中www.cechina.cn，信號(hào)類(lèi)型取決于插入插槽的硬件模塊。可組態(tài)的I/O是指I/O模塊中每一個(gè)信號(hào)通道的類(lèi)型都可以用軟件組態(tài)而不是依賴(lài)硬件予以確定，這提供了極大的靈活性和每個(gè)通道的獨(dú)立性。這類(lèi)I/O不僅僅有助于為日工程后期更改提供靈活方便的手段，還由于模塊所占用的空間小了，功耗低了，發(fā)熱量也減少了，再加上如果使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或工業(yè)以太網(wǎng)升級(jí)成了網(wǎng)絡(luò)I/O，電纜及其敷設(shè)以及現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)盒、中間接線(xiàn)箱和接線(xiàn)端子的數(shù)量都隨之有多達(dá)66%的降低，施工量的減少又可確保工程的進(jìn)度。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)I/O（如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)FF、Profibus PA）也允許在后期調(diào)試中增加反饋和輔助測(cè)量信號(hào)和輔助控制信號(hào)，而不必為此另外增加接線(xiàn)。更改I/O連接的儀表設(shè)備也無(wú)需更換I/O模塊，需要增加一些儀表設(shè)備也不必再敷設(shè)電纜。今后隨著現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的智能化越來(lái)越普遍，所能提供現(xiàn)場(chǎng)信息越來(lái)越多，響應(yīng)還越來(lái)越快，也完全沒(méi)有必要為這些信息的增加擔(dān)憂(yōu)傳輸信息的路徑，網(wǎng)絡(luò)I/O的電纜依然可以發(fā)揮作用。所有這些直接和間接的效應(yīng)已經(jīng)通過(guò)工程實(shí)踐獲得了很大成功，還為硬件設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)調(diào)試脫鉤，為項(xiàng)目工程的管理由前后階段的串接方式進(jìn)化為并行方式創(chuàng)造了前提條件。

圖5 可特征化的I/O（上）可可組態(tài)的I/O（下）（源自：ARC網(wǎng)站）

　　實(shí)際上，通用I/O（或稱(chēng)單點(diǎn)I/O或單通道I/O）只是眾多I/O系統(tǒng)中的一個(gè)主要選項(xiàng)，像常規(guī)的多通道I/O、通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接入I/O 、遠(yuǎn)程I/O或采用RS 485的串接I/O仍然會(huì)在系統(tǒng)中有它們發(fā)揮的機(jī)會(huì)和場(chǎng)合。

　　I/O 的DICED概念，即自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)集成、自動(dòng)組態(tài)、自動(dòng)啟用、自動(dòng)生成文檔的概念（Auto-Dedect, Auto-Integrte, Auto-Configure, Auto-Enable, Auto-document）最初來(lái)源于美國(guó)?？松梨?，這將智能I/O推進(jìn)到更高層次。其實(shí)際意義是通過(guò)DICED把自動(dòng)化工程項(xiàng)目中的許多關(guān)鍵要素予以自動(dòng)化。最早DICED的概念是采取必要的技術(shù)手段使基于HART現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的儀表設(shè)備能實(shí)現(xiàn)自調(diào)試投用（Self-commissioning），之后一些自動(dòng)化供應(yīng)商將這類(lèi)功能擴(kuò)展到開(kāi)關(guān)以及數(shù)字化的設(shè)備。在實(shí)用化取得成功后www.cechina.cn，這項(xiàng)技術(shù)把流程自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試投用時(shí)間大幅減少，估計(jì)能節(jié)省80%的時(shí)間。DICED還為用戶(hù)大大地簡(jiǎn)化項(xiàng)目整理竣工文檔的工作量，而且會(huì)消除出錯(cuò)的人工因素。自動(dòng)生成現(xiàn)場(chǎng)儀表的安裝連接圖使得工程設(shè)計(jì)承包商不必再為此花費(fèi)精力，而工程施工單位按圖連接儀表后，只要將接線(xiàn)與最近的智能化接線(xiàn)盒相接，待到控制系統(tǒng)上電之后儀表回路就能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)試投用。由于智能化I/O無(wú)需在意連接的極性，施工方不會(huì)犯接線(xiàn)的錯(cuò)誤，因而也不必要再化人工進(jìn)行檢查，使自動(dòng)化系統(tǒng)達(dá)到了“傻瓜機(jī)”的水平。當(dāng)項(xiàng)目完成后操作DICED軟件進(jìn)行不多幾個(gè)點(diǎn)擊就主動(dòng)生成所需的儀表安裝連接的竣工圖。

　　顯而易見(jiàn)，采用通用I/O對(duì)自動(dòng)化工程項(xiàng)目的影響不僅僅在于減少了硬件、占用空間和接線(xiàn)，還有一個(gè)重大的影響是促使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)基本的轉(zhuǎn)變，特別是它使系統(tǒng)與硬件相關(guān)的工作范疇和系統(tǒng)與軟件相關(guān)的工作范疇相互分離，因而從自動(dòng)化工程項(xiàng)目的管理視角看，與軟件有關(guān)的設(shè)計(jì)、組態(tài)、編程和調(diào)試完全可以在硬件設(shè)計(jì)、配置和制造尚未完成的過(guò)程中獨(dú)立進(jìn)行，待硬件完成工程驗(yàn)收后再與軟件進(jìn)行綁定，這就是所謂的后期綁定，或者靈活綁定。

　　從傳統(tǒng)的固定I/O，向通用型I/O轉(zhuǎn)化，已經(jīng)拉開(kāi)帷幕。

　　儀表自動(dòng)化和電氣自動(dòng)化拉手

　　在工程項(xiàng)目中電氣資產(chǎn)占據(jù)項(xiàng)目成本中的一個(gè)相當(dāng)大的份額，在許多情形下電力系統(tǒng)的I/O數(shù)量不會(huì)少于流程自動(dòng)化系統(tǒng)的I/O數(shù)量。因此，電力系統(tǒng)也同樣受到項(xiàng)目成本上升、人力資源受限于熟練工和富有經(jīng)驗(yàn)的工程師的短缺，以及電氣資產(chǎn)需要更好的可視化和可操作的信息等的挑戰(zhàn)。

　　正如前面討論流程自動(dòng)化系統(tǒng)可以從新型的項(xiàng)目工程和執(zhí)行方法中得到許多利益，電力系統(tǒng)也同樣從中受益。如果工廠(chǎng)和工業(yè)設(shè)施中占據(jù)電功率最大消耗的電氣產(chǎn)品（譬如開(kāi)關(guān)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)設(shè)備和馬達(dá)控制中心MCC），也能將其I/O與系統(tǒng)采用可特征化或可組態(tài)的I/O形式，那么不但能像自動(dòng)化系統(tǒng)那樣在工程項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)階段采用并行的方式取代串行的方式，邁入了新型的工程執(zhí)行的生命周期；而且以前分離的工作范圍現(xiàn)在整合在一起，編制工程規(guī)范書(shū)、進(jìn)行工程設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和調(diào)試投運(yùn)的時(shí)間都會(huì)有顯著的縮短，同時(shí)工程數(shù)據(jù)的復(fù)用導(dǎo)致工程量可以減少30%。

　　這就提出了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，有沒(méi)有可能把以往按自動(dòng)化和儀表專(zhuān)業(yè)與電氣專(zhuān)業(yè)這兩個(gè)孤島進(jìn)行單獨(dú)集成？是否可以一改以往自動(dòng)化系統(tǒng)和電力系統(tǒng)因?yàn)楣δ苄越厝徊煌謩e實(shí)施、各自獨(dú)立負(fù)責(zé)運(yùn)行的局面呢？

　　如果可以集成，那么又應(yīng)該怎么集成才合理，才能帶來(lái)期望的收益呢？過(guò)去流程的操作人員甚至維護(hù)人員缺少了解電力系統(tǒng)的可視化手段，他們并不清楚電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，也不知道自動(dòng)化控制系統(tǒng)和設(shè)備消耗了多少功率。在一個(gè)公共的架構(gòu)內(nèi)把自動(dòng)化產(chǎn)品和電氣產(chǎn)品集成起來(lái)www.cechina.cn，導(dǎo)致工廠(chǎng)的維護(hù)人員在資產(chǎn)管理的框架下得以?xún)?yōu)化維護(hù)實(shí)踐，把儀表、儀表裝置、電機(jī)、變壓器、繼電保護(hù)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和智能化的馬達(dá)控制中心等統(tǒng)一管理起來(lái)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)能浖ぞ邔?duì)上述的所有資產(chǎn)實(shí)行遠(yuǎn)程維護(hù)，收得降低風(fēng)險(xiǎn)、確保功能安全和信息安全的實(shí)效。目前許多供應(yīng)商提供了對(duì)制造過(guò)程供電和電氣側(cè)的可視化方案，我們應(yīng)該立足于更主動(dòng)和更積極的立場(chǎng)將這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行有效的集成，以期收到大幅度降低能耗和降低項(xiàng)目工程成本的效果。

　　IEC 61850是一個(gè)基于以太網(wǎng)、已廣泛成功實(shí)施自動(dòng)化系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)緊密集成的解決方案的基礎(chǔ)。這個(gè)國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了開(kāi)關(guān)裝置中智能電器設(shè)備和相應(yīng)的系統(tǒng)之間的通信，考慮到所有的電氣自動(dòng)化和工程的功能，因此可以認(rèn)為IEC 61850是集成自動(dòng)化系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。就像現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可以為不同廠(chǎng)家的儀表和控制閥提供較高等級(jí)的互操作性一樣，IEC 1850標(biāo)準(zhǔn)為不同廠(chǎng)家的電氣設(shè)備提供了互操作性的保證；而且也具有和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)一樣的增強(qiáng)的故障診斷和資產(chǎn)管理的能力。

圖6 采用IEC 61850集成自動(dòng)化系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的解決方案（源自：ARC網(wǎng)站）

　　由圖6可知，符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，既可以作為電氣設(shè)備之間的橫向集成通信網(wǎng)絡(luò)（智能化分站間的通信），也可以用作這些電氣設(shè)備與控制系統(tǒng)服務(wù)器之間的縱向集成的通信網(wǎng)絡(luò)（服務(wù)端/客戶(hù)端機(jī)制）。DCS系統(tǒng)的控制站之間可以通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，在其下既可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與各種儀表、控制閥通信（如圖7所示左面的控制站），也可以通過(guò)IEC 61850規(guī)范的以太網(wǎng)與各種電氣設(shè)備通信（如圖7所示中間的控制站）。圖7示出IEC 61850選擇的通信模型采用基于ISO/OSI七層模型的通信模式，其通信棧選用over TCP/IP的 MMS（Manufacturing Message Specification）。

圖7 IEC 61850的通信模型（源自：ABB網(wǎng)站）

　　目前像ABB、施耐德電氣等都有很好的自動(dòng)化系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)集成的解決方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。有的則通過(guò)高級(jí)虛擬化工程平臺(tái)（如Honeywell的Experion PKS系統(tǒng)的工程平臺(tái)）與第三方的服務(wù)器通信連接，執(zhí)行與基于IEC 61850的電氣系統(tǒng)的集成。

　　焦點(diǎn)：虛擬化工程平臺(tái)

　　在產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)之外，積極采用工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目實(shí)施的新方法，全面提高系統(tǒng)集成和服務(wù)質(zhì)量是主要工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商的另一個(gè)重要競(jìng)爭(zhēng)方向。基于虛擬化工程平臺(tái)的技術(shù)服務(wù)，已成為這些公司相當(dāng)大的創(chuàng)收份額。有些公司在應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)施新方法之前技術(shù)服務(wù)占到總營(yíng)業(yè)額的20%左右，應(yīng)用新方法后就可能達(dá)到30%以上，甚至更多。因此，我們看到繼Honeywell在8年前推出了LEAP（Lean Project Execution，精益項(xiàng)目執(zhí)行）之后，ABB推出智能項(xiàng)目（ABB Intelligent ProjectsTM）和自適應(yīng)項(xiàng)目（ABB Adaptive ProjectsTM），日本橫河推出APEX（Agile Project Execution，敏捷項(xiàng)目執(zhí)行）。其他如西門(mén)子、施耐德和愛(ài)默生等也有各自的解決方案。為此，各有關(guān)公司建立了技術(shù)服務(wù)的服務(wù)器群，競(jìng)相開(kāi)發(fā)了私有云工程平臺(tái)，由多個(gè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)著數(shù)以千計(jì)甚至萬(wàn)計(jì)的虛擬機(jī)，為分布在全世界各地的工程項(xiàng)目服務(wù)。據(jù)Honeywell前幾年發(fā)表的數(shù)據(jù)可知（見(jiàn)圖8），其虛擬機(jī)的系統(tǒng)能力達(dá)到27000臺(tái)，實(shí)際運(yùn)行達(dá)到11000-17000臺(tái)的規(guī)模，每個(gè)月有數(shù)百個(gè)工程項(xiàng)目系統(tǒng)在周轉(zhuǎn)。

圖8  Honeywell公司的私有云工程平臺(tái)（圖源：Honeywell網(wǎng)站）

　　必須在擁有豐富經(jīng)驗(yàn)和深度的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，才可能在流程工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域運(yùn)用虛擬化技術(shù)，為新建的流程工廠(chǎng)也為現(xiàn)有的流程工廠(chǎng)提供設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和工程實(shí)施的虛擬化解決方案。一個(gè)完整的解決方案應(yīng)在充分理解流程自動(dòng)化設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，協(xié)同流程工藝、自動(dòng)化、儀表、電氣、通信、安全（功能安全和信息安全）等多專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用IT領(lǐng)域的虛擬化技術(shù)構(gòu)造一個(gè)集成的虛擬化環(huán)境（包括設(shè)計(jì)、執(zhí)行和運(yùn)行諸階段的系統(tǒng)數(shù)字孿生，即仿真的集成環(huán)境），并與為控制和自動(dòng)化用戶(hù)提供解決方案的供應(yīng)商保持一致。換句話(huà)說(shuō)就是必須全面的虛擬化，而不是局部的虛擬化；必須對(duì)工程實(shí)施的全過(guò)程虛擬化，不只是支持應(yīng)用組態(tài)和程序的虛擬化。因此虛擬化技術(shù)供應(yīng)商應(yīng)該提供下列各種要素：

　　☆ 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并獲得業(yè)界公認(rèn)為行之有效的流程控制系統(tǒng)虛擬化方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

　　☆ 虛擬化場(chǎng)景必須包括所需的全部硬件和軟件的組件。

　　☆ 由計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行虛擬化部署的安裝和組態(tài)，并且對(duì)所支持的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行性能指導(dǎo)。

　　☆ 為虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施提供產(chǎn)品、服務(wù)和長(zhǎng)期支持的“一站式”服務(wù)。

　　☆ 支持虛擬化的長(zhǎng)期戰(zhàn)略方法，包括未來(lái)產(chǎn)品的路線(xiàn)圖。

圖9  建立全局化的工程項(xiàng)目交付模型（來(lái)源：Honeywell網(wǎng)站）

　　利用虛擬化的工程平臺(tái)實(shí)施工程項(xiàng)目的管理和運(yùn)作，建立在全局化的工程項(xiàng)目交付模型的基礎(chǔ)上（見(jiàn)圖9）。交付模型要求在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)樣板、工作指南、檢查清單、標(biāo)準(zhǔn)化的工程數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)、仿真等工具，按照全局項(xiàng)目管理方法論GPM（Global Project Methodology）的方法、邏輯和順序?qū)嵤诠驳墓こ唐脚_(tái)上自動(dòng)生成項(xiàng)目的交付成果。在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的集成化項(xiàng)目管理，數(shù)據(jù)包括計(jì)劃進(jìn)度、資源、采購(gòu)、財(cái)務(wù)和其它有關(guān)的數(shù)據(jù)，管理包括項(xiàng)目計(jì)劃和調(diào)度、資源管理、成本和現(xiàn)金預(yù)測(cè)管理、更改變動(dòng)管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、場(chǎng)景和項(xiàng)目評(píng)估、運(yùn)行儀表顯示等內(nèi)容。顯而易見(jiàn)，這種平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、完善、持續(xù)改進(jìn)和持續(xù)服務(wù)絕非一日之功，是領(lǐng)域知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、訣竅的長(zhǎng)期積累和沉淀，是OT和IT深度融合在此細(xì)分行業(yè)的體現(xiàn)。

　　小記：開(kāi)放自動(dòng)化與虛擬化工程平臺(tái)攜手共進(jìn)

　　將近二十年沒(méi)有什么變動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目實(shí)施方法和流程，由于其在計(jì)劃進(jìn)度和工程成本等方面難以控制，現(xiàn)場(chǎng)的工作量巨大致使有效性難以滿(mǎn)足要求等原因控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，多為最終用戶(hù)所詬病?，F(xiàn)今，控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化特別是I/O系統(tǒng)的通用化已成為現(xiàn)實(shí)可行，加之虛擬化和云基工程平臺(tái)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，使得工業(yè)自動(dòng)化工程項(xiàng)目執(zhí)行實(shí)施的新方法和新流程在近些年來(lái)正在推廣運(yùn)用。一些居于頭部地位的工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商往往是許多大型項(xiàng)目的主承包商，其系統(tǒng)集成的能力和業(yè)績(jī)以及項(xiàng)目實(shí)施管理的手段不可避免成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、爭(zhēng)取項(xiàng)目中標(biāo)不可或缺的重要因素。國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位的DCS廠(chǎng)商鮮見(jiàn)有這方面的報(bào)道和信息。

　　筆者曾撰文指出開(kāi)放自動(dòng)化目前開(kāi)展的三個(gè)方面中，除以美國(guó)開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇OPAF倡導(dǎo)的開(kāi)放自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)和以德國(guó)NAMUR倡導(dǎo)的NOA（NAMUR Open Automation）和以模塊化為主要特征的模塊類(lèi)型包MTP（Modular Type Package）之外，另外一個(gè)重要的方面是在模塊化和具有互操作性的自動(dòng)化軟硬組件的基礎(chǔ)上形成自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法，軟硬解耦在工程設(shè)計(jì)和實(shí)施具體表現(xiàn)為所謂的“后期綁定”。參考國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，結(jié)合國(guó)內(nèi)的具體情況開(kāi)展開(kāi)放自動(dòng)化的機(jī)會(huì)正等待著、期望著工業(yè)自動(dòng)化的從業(yè)人員施展拳腳，這應(yīng)該也是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型大有用武之地的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。