第一章 管控一体化系统的组成

高一倍。自动化系统设备追求稳定和可靠，使用的微处器芯片滞后于最先进的产品，但是
已经能够充分地满足控制要求了，只有控制软件提高性能才能充分利用微处器芯片的性能。
另一方面，当前的各种 PLC 和 DCS 的开发工具软件都是和制造商的硬件系统设备捆绑
在一起的，即某一制造商的 PLC 或 DCS 的开发工具软件，只能在该制造商提供的硬件上使
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安全性； 可大大地减少不必要的人工浪费； 通过生产过程的集中控制和管理，极大地提高企业作为一个整体效率的竞争能力；系
统通过对设备生产趋势的保留和处理，可提高预测突发事件的能力，在紧急情况下的快速反 应和处理能力可极大地减少生命和财产的损失，从而可带来潜在的社会和经济效益；
1.2 管控一体化系统所依赖的各种背景
(1) 工业过程自动化新一代主控系统及其综合自动化的开发和产业化，主要包括集散
控制系统(DCS)，现场总线控制系统(FCS)和以工业计算机为基础的开放式控制系统等。
(2) 先进控制与优化软件开发与产业化，主要包括先进控制技术，过程优化技术，实时
监控软件平台。
(3) 智能仪表，执行器与变送器。传统的计算机、PLC、DCS 的分工界限将被打破，
第一章 管控一体化系统的组成
1.1 管控一体化系统的概念以及国内外应用情况
管控一体化系统在现实生活当中普遍地存在着。在工厂的中央控制室中操作人员通过计 算机向现场发出生产控制命令，同时在计算机屏幕上查看现场的实时生产数据。在一座大楼 的中央控制室中，保安人员同样通过计算机监视电梯、中央空调、供电照明系统等的运行情 况，并可以根据需要调整设备运行参数。管控一体化系统在各行各业都有广泛的应用，在我 们的身边随处都能够遇到，例如在智能家居系统中，安全防范就很典型，在需要防范的民宅 的门、窗上安装门磁和窗磁，当主人设防后如果有人闯入，报警装置就会自动向报警中心报 警，报警中心的计算机能够自动识别事发地点。下面是管控一体化系统的目前应用领域分布 情况：
作，生活各个方面。
(4)
生产过程自动化系统和生产管理系统的融合
很早就有人提出管控一体化，由于受计算机技术和网络技术的限制，早期的控制系统
不支持这种结构。现在绝大多数的 DCS、PLC 等控制设备是基于开放的体系结构，甚至直
接提供软件支持。
(5)
软 PLC 和软 DCS
由于计算机芯片技术的快速发展，按照摩尔定律微处器芯片的速度性能每 18 个月将提
工具软件上的优势和技术储备及潜力，最大限度的保护用户在软件人才和资源的投资，“软
用。对于使用多种 PLC 和 DCS 的用户就要熟悉和掌握多种 PLC 和 DCS 的硬件和软件，使
用户要投入大量人力和财力，当更换新的第三方的 PLC 和 DCS 时，就得重新进行人员培训，
造成人力资源极大的浪费。同时也使具有高技术含量的开发工具软件的销售受硬件设备销
售的制约。在开放式工业计算机系统日渐成熟的今天，为了充分发挥其在 PLC 和 DCS 开发
构成有机组成的三电一体化的综合自动化系统。促成这种转变的动力是科学技术的发展，
是计算机技术、网络技术、数据库技术、显示技术及多媒体技术的发展，而这种发展并没
有停止，并涵盖着更多更广泛的内容，如语音技术、有线和无线通信技术，Web 信息服务
技术等。所以，当今“综合自动化”的内涵有着更深刻、更广泛的含义，甚至可以包容我们工
图 1-1 石化行业的一种 CIMS 架构
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图 1-2 一种具有广泛代表意义的 CIMS 架构
图 1-3 一种电力行业 CIMS 架构
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图 1-4 一种电力行业 CIMS 的模块结构 在激烈市场竞争面前，世界发达国家的石油、石化、化学、电力、冶金等行业已经建立 起了完善的生产管控一体化系统，并与电子商务系统完成了无逢连接。以生产过程自动化和 计算机网络体系为依托，把工厂（广义上的工厂，包括跨地区、跨国界的国际化公司的生产 管理）的测量、控制、管理等方面的数据进行实时汇总，进行必要的整理，得到关系企业利 润、成本费用、生产等方面的数据及分析、预测结果，企业管理者可以随时了解原料库存情 况、产成品库存情况、产量、质量情况，以便随时进行调整，维持企业的优势。目前管控一 体化技术的应用已经不仅局限在工业界，企业也在利用这一技术来提高工作效率，例如在美 国，自动取款机的工作状态就是被集中监控的，如果某台 ATM 机工作不正常就会在监控中心 发出报警，工作人员随即在电脑上调出画面就可以查看它的内部温度、湿度、工作电流电压、 是否正在被非法撬开等。 我国的管控一体化技术发展也是比较快的，工业骨干行业已经具备很高的自动化程度， 在很多市政、金融、电信、航运、物业管理等行业的自动化水平也很发达，以信息化改造传 统产业已经成为共识，2001 年，中国国内的自动化系统市场总额约****亿元，据《》**** 人物的预测，中国 2005 年的生产规模将达到****亿元，其中自动化软件约占****%。 我国目前在各个国民经济骨干行业已经实现了生产的自动化控制，CIMS 建设也初见成 效，但是资源和数据的利用率还很低，有很大的潜力可挖，具体表现在： 1. 在企业或机构内部，局部的自动化水平已经很高，但是各个部门、单元间缺乏信息 共享，形成了一个个自动化孤岛，需要将各个自动化孤岛连接成一个有机整体。例如在一个 发电厂，三个锅炉是分别在不同的历史时期建成的，3#炉需要根据 1#、2#炉是 2. 有些单位虽然也实现了装置联网，但是缺乏对数据的处理手段，没有充分发挥生产 实时数据的作用。 3. 生产装置的实时信息不能完全实现自动采集，还依赖手工录入。如质量检验数据、 化验数据、成品库存数据、销售数据等。 4. 新建装置在建设时忽视生产的信息化要求，虽然也设计接口但缺乏系统规划，在建 设初期不能够引起足够重视，导致信息化建设滞后。 企业迫切要求的，也是管控一体化系统能够解决的恰恰是上述问题，具体表现在： 1.要让企业的上层管理者能够及时、直观地了解生产现场的运行情况。 2.彻底实现控制系统与管理系统的数据共享。 3.改变多个控制系统各自独立，无法进行综合分析，无法进行统一规划和利用全局资 源的局面。
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4.对控制系统的数据进行更深层次的数据挖掘，实现数据本身的价值，减少信息的浪 费。
解决上述问题的一个快捷方案：实时信息系统
实时信息系统
厂长
调度
其他管理者
图1-5 实时监控系统是CIMS的基础
管控一体化系统的特点： ●具有开放的、友好的客户端接口，使用户可以最大限度地访问重要的过程数据，方便地访
问全部的实时数据及历史数据。 ●具备灵活、简便的组态功能，包括实时模拟图、报表和分析曲线组态。 ●快速的实施周期，明显的实施效果，用户可以很快地从应用中获得投资的回报，同时系统
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响产量及质量的过程参数的监控，达到提高产量及产品质量的目的。甚至可以根据统计规律 对产品的质量数据进行在线分析，预测产品的质量从而达到提高质量的目的。
动态地监控生产成本： 成本控制人员可以利用实时数据动态地监控生产成本，使成本 控制发生在生产过程中，而不是在生产的完成后，以达到降低成本的目的。分析事故原因： 当发生事故时，可以利用当前的和长期的历史数据，对事故进行及时的分析，精确地定位事 故发生的原因，以避免事故的再次发生。
以下几个图是分别代表不同行业的企业 CIMS 系统的框架结构，可以看出，不管是什么 类型的企业，管控一体化系统，尤其是实时监控部分在其中都起着基础作用，一般来讲，管 控一体化系统在整个 CIMS 系统中所占投资约为 10%，但是却起到 40%的作用，没有一个 稳固的底层管控一体化系统和完整可靠的实时数据库，CIMS 只能是空谈。
随着国际市场竞争加剧，世界能源紧缺，采用信息、计算机、自动化等高新技术改造 传统企业已成为势不可挡的趋势。在安全可靠生产条件下，以优质高产、低消耗、低成本、 少污染以及整体效益最大为原则的计算机集成制造系统（CIMS）已越来越多地为企业所采 纳，成为企业向管理现代化、生产科学化发展，并增强市场竞争能力的强有力的手段。为适 应这种迅猛发展的需求，世界上以流程工业为服务对象的许多大公司也相应地加大了这方面 的研究与开发，纷纷提出各公司实现流程工业 CIMS 的框架和产品。当前国外实施流程工业 CIMS 工程比较多的是在炼油生产过程，从先进控制、在线实时优化到生产调度与计划都有 实施报道和实例。从实施的情况看，其经济效益十分显著，一般达到几千万美元的年增经济 效益，回收期为一年到两年。
的安装与维护更加容易。 ●具备丰富的设备数据接口。可以和多种 DCS、PLC 及仪表进行通讯 系统模拟图实时监控，实时监测生产现场运行数据情况
图 1-6 高级管理人员也可以实时监控生产情况
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历史数据分析，包括历史数据曲线、超限额运行时间统计等
图 1-7 随时查看历史数据 生产报表的查询功能
图 1-9 任意查询生产报表 企业实施实时生产监控系统，将得到下面的直接回报 减少非计划停车时间： 通过对影响过程的运行状态的关键参数的监控，使生产的运行 状态保持平稳，当生产状态发生变化时，可以及时地作出反映，避免装置及设备停车，这方 面的效益是十分巨大的。 减少原材料以及公用工程的消耗：通过对影响原材料用量的过程以及公用工程中水、 电、汽、风的用量的监测，你可以及时的发现问题，特别是对生产调度人员来说，可以利用 实时数据及时地平衡公用工程及物料供应系统以减少单耗，提高经济效益。 优化生产过程，提高产品的产量及质量： 可以利用实时数据优化生产过程。生产管理 人员以及工艺管理人员可以利用当前的和历史的数据对生产的工艺过程进行在线分析，进一 步发现过程运行的规律，及时地调整工艺参数，使过程处于优化状态。同时也可以通过对影
1.3 管控一体化系统的组成
工业生产过程自动化系统经过长期不断的发展，特别是在充分利用计算机技术的基础
上取得了很大的进步，以微处理器为核心的自动化系统，从 70 年代简单 PLC(可编程序逻辑
控制器)发展到今天的 PLC 系统，和从开始仅代替模拟调节系统的 DCS，发展到今天融合
PLC 和 DCS 及计算机功能为一体的所谓三电一体化的 DCS 系统。
实施 CIMS 是企业完成资源共享、利用信息手段实现集约化经营、节能降耗、提高市场 应变能力的惟一办法。建立管控一体化系统是实施 CIMS 的基础和保证，没有稳定可靠的管 控一体化系统，CIMS 就失去了可靠的实时数据来源，因此管控一体化系统是 CIMS 的基础。 下面几个图解释了管控一体化系统在各种行业企业中所处的地位和作用。
工厂生产的自动化控制与管理 控制生产设备正常有序地运转，为管理部门提供实时生产数据，为决策提供科学依据， 应用的行业有石油、化工、冶金、电力、供水、食品、酿造、造纸、医药、机械等； 楼宇自动化 监控房屋设施的各项设备运转、出入人员的识别，如门警、电梯运营、消防系统、照明 系统、空调系统、（上下水、排污）水泵、备用电力系统等等的自动化管理； 无人职守工作站系统 用于集中监控无人看守系统的正常运行，这种无人值班系统广泛分布在以下行业： 无线通讯基站监控； 邮电通讯机房电源及空调监控； 电力系统配电网监控； 铁路系统电力系统调度监控及铁路道口、信号监控； 坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网； 石油和天然气等各种管道监控管理系统； 地铁、铁路自动收费系统； 交通安全监侧； 城市供热、供水系统监控和调度； 钢铁工业高炉安全监控系统； 环境（大气排放、江河汛情）、天文和气象无人检测网络的管理； 各种工业锅炉监控保护系统； 其它各种需要实时监控的设备。 机械人、机件臂系统 用于监视和控制机械人的生产作业； 独立装置的自动控制和监测 用于在飞机、轮船、火车、汽车上进行动力等系统的自动控制，监测并记录机组的运 行数据。 其它生产行业 粮库质量和安全监测、设备维修故障检测、高速公路流量监控和记费系统等。 这些行业在应用了管控一体化系统后，可以取得了以下社会和经济效益： 极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度； 生产配方管理的自动化可大大提高产品的质量和生产的效率； 极大地减低了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了工作过程中第一线人员的