封面故事:集成不同的控制系统
开放系统和网络技术的进步正在向供应商和制造商展示，“在同一条线上友好相处”可以在曾经与世隔绝的自动化孤岛之间架起桥梁，为每个人都带来好处。
一首流行歌曲说，是爱让我们在一起。但在今天的制造环境中，协议、网络和标准更有可能成为我们保持联系和交流的纽带。这些工具正在蓬勃发展，以新的有用的方式将我们的工业运营联系在一起，并以前所未有的方式提高制造效率。
不久以前，工厂车间的特点是自动化孤岛——组件、机器和系统彼此独立运行，与管理和其他功能分离。流程更慢，而且通常难以优化，测量性能、调度维护和确定盈利能力的数据很难获得(如果不是不可能的话)。
那么，究竟发生了什么事情，使今天的工业能够享有互联互通呢?EtherCAT技术集团北美代表、PE、PMP的Joey Stubbs表示:“许多技术进步已经将我们带入了一个与10年前完全不同的自动化和制造世界。”“事实上，今天的技术可以克服大多数网络障碍。例如，您可以安装一个支持ethercat的DIN-rail安装PC，它能够“交谈”其他几个协议。虽然它可能不是最有效的系统，甚至不是最具成本效益的系统，但它是可能的。”
OPC基金会总裁兼执行董事Thomas J. Burke补充说，随着技术继续以创纪录的速度迅速发展，特别是在消费电子产品中，供应商和最终用户对工业自动化的期望也越来越高。“今天的经济，以及与之相关的一切——从楼宇自动化、安全到智能电网的概念——正在推动对跨越所有领域并提供真正信息集成的开放工业系统的需求。”
考虑是什么，为什么，怎么做
事实上，现在有很多很好的理由来连接不同的制造系统，甚至有更多的方法来做到这一点。现代制造业使用各种各样的机器，应用各种各样的过程，如果工业要在今天的全球水平上竞争，就必须相互沟通，并在所有工厂操作之间编译和交换信息。无论是汽车行业的自动订购和即时制造，还是制药和半导体行业批处理所需的数据跟踪和跟踪，通信已经成为保持生产系统最佳运行的支柱。
无论如何实现连接或集成，有效的数据移动意味着只交换所需的信息。将对多个昂贵软件包的需求最小化或降低硬件成本的系统可以实现更好的过程控制、更好的产品和更高的盈利能力。斯塔布斯建议，所使用的方法应该有三个共同的目标。系统应相互连接，以便:
•有效地移动数据，例如通过实时控制系统进行及时的数据传输;
•在管理翻译数据的软件或促进翻译的硬件方面，成本更低;而且
•以低开销运行，而不会牺牲大量的CPU功率来执行翻译，特别是当这些功率可以更好地用于实际生产或过程控制时。
今天的系统在这方面做了很长一段时间。连接不同组件和设备的桥可以在一个工厂级别内创建，也可以在工厂级别之间创建。倍福自动化公司技术营销经理Corey mccatee表示，工业自动化和控制在三个不同的层面上运作——机器、过程和工厂:
1.机器级控制架构包括安全性和功能，如PLC、数字运动和状态监测，这些传统上是分开的，但现在被整合在一起。由于多个供应商对开放标准和技术的高采用率，这些小岛屿更容易通过现场总线网络(如EtherCAT)实现跨机器控制器的许多功能。
2.流程方面的岛屿。很少有机器是单独运行的;它们是一条线或一个过程的一部分。“一个制造商可能从三个供应商那里购买三台机器，”mccatee说，“所有这些机器都必须一起工作并相互通信。像OPC-UA(统一架构)这样的标准有助于通过软件实现数据交换，使用固定格式将这些孤岛连接起来，使操作具有类似的外观和感觉。共享之所以成功，是因为数据是统一的、一致的、兼容的。”
3.工厂岛遍及整个企业，包括对管理至关重要的上层通信。传统的数据交换需要大量的硬件和软件来创建、收集和维护信息。然而，mccatee说，将OPCUA等软件工具集成到高级系统中简化了过程，障碍正在降低。
伯克详细阐述了这一概念。“如今，随着公司努力通过不同系统之间的数据及时交换来提高底线，信息孤岛需要紧密集成。几年前，当专有系统主导工厂和流程应用程序时，很少有人担心数据集成，无论是组件之间还是跨公司防火墙。那时候没有我们今天所知道的互联网。现在每个人都希望所有类型的信息都能安全可靠地集成在一起。”
用软件让一切变得更简单
像OPC这样的开放技术及其迭代——以及以太网(当今企业系统事实上的标准)的进步和变化——实际上已经打开了复杂的互操作性的大门，将迄今为止单独的自动化过程连接起来。标准协议易于理解、灵活、具有成本效益，当然，也是开放的。它们比任何其他因素都更能使控制系统彼此对话。Web特性、企业层的例行程序等优点正在迁移到控件世界，随着越来越多的制造商采用这些技术，人们发现了越来越多的方法来扩展它们的使用。
然而，需要注意的是:仅仅因为通信协议是“标准”并不意味着它是开放的，Stubbs强调。他说，一个真正开放的协议必须具备三个特征:
1.协议必须是国际标准(如IEC或IEEE)。该规范必须可以直接从标准机构购买。
2.知识产权(IP)所有者必须允许竞争对手和第三方在他们的系统或设备中实现协议。
3.第三方设备必须易于在所有控制系统中配置，特别是IP所有者的控制器。
Kepware总裁Tony Paine表示:“客户需求和连接不同产品的需求推动了互联性和互操作性达到目前的水平，这比其他任何因素都重要。”“在OPC出现之前，供应商每次想要连接到组件时都必须为驱动程序构建连接器。他们不希望无法连接成为销售产品的障碍，并开始创建工具包，使最终用户和原始设备制造商能够建立自己的通信方法。但系统仍然与一家供应商的技术捆绑在一起。随后，许多领先的自动化供应商创建了过程控制和制造自动化应用(OPC)规范，该规范将促进基于当时微软最新技术的互操作性。其结果是开发了数百个支持OPC数据访问的应用程序，促进了通过公共接口从设备、组件和系统读取和写入信息的能力。”
由此产生的合作和一致性是很好的业务，也是将用户期望提升到下一个层次的催化剂。一旦工厂实现了互操作性，企业就需要工厂间的通信和数据共享。“OPC标准和规范继续帮助实现这一目标，”Paine补充说，他引用了OPC- ua，这有助于在互联网上安全地运行通信，是最新的发展之一。(有关OPC和OPC- ua的更多信息，请参见附带的侧栏《OPC:下一代》。)
应用以太网的强大功能
由于开放协议以一种方式帮助连接不同的系统，以太网及其变化和进步也在其他方面影响了它。以太网在成立后不久就成为了企业系统的事实上的标准。然后，随着许多人认为永远不会发生的进步，它进入了现场胸型网络和自动化领域。现在有各种基于以太网的网络协议可用，并正在进入自动化领域。(请在附带的侧栏“以太网的多种风格”中阅读有关以太网类型的更多信息。)
罗克韦尔自动化公司以太网/ ip网络经理Mike Hannah说:“现在有很多基于以太网的协议。“与以太网/IP不同，许多网络是为特定目的而设计的专用网络，因此即使它们允许在一定程度上实现互操作性，但将不同的功能(例如运动、I/O和操作员接口)集成到企业空间的控制室仍然很复杂，通常需要额外的编程和网关来移动数据。”
实际上，以太网本身并不能互操作，但它确实有助于硬件交换数据，并使机器之间的信息共享更快、更好、更简单。“几年前，”Kepware的Paine补充道，“如果在两台机器上安装HMI包来从多个设备收集数据，每台机器都轮询相同的信息，根据时间的不同，两个操作员可能会在他们的屏幕上看到不同的信息。以太网允许分布式架构。一台机器上的OPC服务器现在可以充当网关，以便所有hmi或客户端应用程序从一个来源收集数据并同时显示相同的内容。”
“就在两年前，”汉娜继续说，“多个网络系统在工厂车间很常见。将数据从数据源获取到决策所需的位置非常麻烦。自动化领域需要EtherNet/IP(使用CIP的标准以太网TCP/IP, ODVA的通用工业协议)等单一网络解决方案;一个可以与IT以太网网络(以太网IP)共存的网络允许信息、运动控制、安全、I/O和点对点控制在同一条线上完成。”
以太网在自动化领域发挥作用的能力继续让一些人感到惊讶，他们说它对许多控制系统功能来说还不够确定。“这在某种程度上是正确的，以太网本质上不是确定性的，”Hannah承认，“但是，不断发展的以太网技术，例如IEEE 1588，用于网络测量和控制系统的精确时钟同步协议标准，在将控制系统连接在一起时消除了对代理和‘存储和转发’产品的需求。这种精确时间协议允许创建确定性网络，并使高精度运动和序列警报和事件等功能与信息系统运行在同一网络上。”
不是你的万能翻译器，但是…
集成仍然不是一个干净和简单的过程。然而，已经取得了巨大的进步。未来还会有更多。制造商必须认识到存在无数的选项和替代方案，并在做出连接决策时谨慎行事。将控制系统整合在一起或将数据推送到企业的方法与制造设施一样多。
随着互操作性和数据交换从想象变成现实，可能性是无限的。如果系统中有信息，就可能有人正在设法检索这些信息并将其带到PC上。如今，更大的障碍来自组织态度。弥合IT和制造业之间的文化鸿沟是实实在在的，而且可能比实现技术更具挑战性。mccatee说:“我们今天在控制方面所做的很多事情并不一定是新的。“控制系统之间最重要的障碍不是技术。抵制改变往往会减缓这一进程。”
两个侧边栏讨论，也是其中的一部分控制工程2010年12月专题文章，分别是:
•多种类型的以太网-附加图形
•OPC:下一代
网上临时演员:阅读两家公司如何使用集成工具连接系统并提高效率。
•增加软件连接功能，提高压力机制造商的销售和产品灵活性
•整合运营，流程数据门户推动能源巨头的生产改进(www.aspentech.com）
更多信息，请参见:
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