处理系统集成问题

一般来说，系统集成商确保组件、系统、子系统、过程和工作流(仅举几例)可靠地、有效地和经济地一起工作。它们可以服务于过程工业、离散工业以及介于两者之间的任何行业。在努力取悦所有利益相关者的同时，让每个人都满意可能是一项挑战。有时，会出现一些问题，使系统集成看起来像是不可能完成的任务。为了确保你的项目找到完成任务的方法，考虑这些挑战以及如何处理它们。

善始者善终

系统集成商面临的早期问题之一是理解驱动项目的业务问题。成功的集成项目不仅产生可靠执行的自动化系统，而且还提供业务关注的解决方案。通常，与技术人员的对话仅仅是关于技术问题的。这种狭隘的观点可能导致项目从技术角度来看是成功的，但在实现其主要目标方面却惨败。只有在彻底理解了项目的原因、内容、时间和人员之后，才能明智地决定如何应用最佳技术解决方案。

还有许多非技术需求必须尽早整理出来，因为它们会影响技术决策。大多数项目可能需要各种:

• 材料和系统资源
• 不受阻碍地访问生产系统
• 设计/构建活动的合理时间框架
• 有足够的生产停机时间进行安装
• 有足够的时间和机会对操作和维修人员进行培训。

这些项目中的每一个都有一个或多个涉众，他们的利益经常与彼此和您的项目需求相冲突。要驾驭这些相互竞争的利益，即使是经验最丰富的系统集成公司也会面临挑战。

最好的方法始于有效的沟通和计划。当您对业务驱动有了牢固的理解后，请尽早与所有涉众沟通您的需求。例如，设施管理人员可能不太清楚，在系统安装期间，您需要工厂公用设施正常运行——即使工厂的生产在其他方面处于下降状态。您必须向这些涉众确定完成项目所需的所有资源，同时适应他们在满足这些需求时可能遇到的任何问题。

对于各方来说，一个重要的挑战是系统集成活动经常在安装过程中导致一些操作中断。为此及早制定一个计划是必要的。从系统集成商的角度来看，在一个连续的停机时间窗口内执行所有安装活动通常需要最少的日历时间，并且可以以最低的成本交付。这种方法通常是最具破坏性的操作，特别是生产。

让利益相关者达成共识需要创造性的谈判。分期系统安装，24小时安装，多班培训，新旧系统并行操作，先进成品库存积累，甚至生产外包都可以发挥作用。通过一些前期工作，可以在生产损失、安装节省、资源、访问和业务问题之间取得适当的平衡。在计划到位之后，让利益相关者参与到整个过程中——这是通往成功结局的最佳途径。

风险管理

在项目物流被整理后，系统集成商可以开始设计系统的物理和功能方面。在整个过程和整个系统生命周期中都有风险需要管理。这通常落在系统集成商的肩上——有时是在项目完成很久之后。安全性、控制、软件和测试是重要的考虑因素。

安全风险:对于系统集成商来说，管理安全风险正变得越来越具有挑战性。这在一定程度上是由于智能设备在工厂车间的可用性和存在，以及利用和集成它们跨系统和平台提供的信息的愿望。这是一个巨大且不断增长的问题，有许多层次和细微差别。plc、hmi、服务器、工作站、网络、应用等存在安全漏洞。在访问和集成的优势与安全问题之间取得平衡变得越来越复杂。了解风险、定义安全区域、确定在区域之间移动的数据以及确定每个区域的物理和逻辑入口点是开发健壮的安全策略的基本方面。

控制设备操作:控制设备在整个系统生命周期内的安全有效运行是另一个需要管理的风险。必须对控制设备进行审查，以确保符合预期用途，输入/输出信号类型，功率要求，公司标准等。还必须考虑设备实际安装的位置。设计为防尘的设备与设计为抵抗80磅带有空气腐蚀性的软管导向水的设备之间存在很大差异。在运输控制设备时，过度的振动会损坏脆弱的电子元件。这种影响可能不会立即显现出来。通过空运货车或其他减少振动的方法运输将有助于减轻运输中损坏的风险。

软件:系统通常包括各种类型的软件。一种类型被称为商用现货(COTS)软件，它包括操作系统、安全软件、可视化平台、数据库平台等等。随着时间的推移，各种各样的COTS软件产品之间是如何相互作用的，这是一个独特的风险。例如，您的IT人员对工作站COTS操作系统进行例行的服务包升级可能会使您的COTS用户界面软件无法操作。系统集成商经常处理这样的问题。它们可以成为在系统生命周期中帮助管理这些活动的重要资源。

定制的软件:任何系统集成项目中最具挑战性的部分之一是定制软件。它可以运行工厂车间控制器、图形用户界面、自定义脚本、数据库管理等等。确保该软件满足所有涉众的需求是需要管理的最大风险之一。由所有涉众彻底审查的可靠的功能规范是最好的方法。这详细说明了所有自动化操作，包括:

• 联锁、排序和设备激活
• 人们如何与系统交互
• HMI屏幕定义、安全、覆盖、告警、配置和导航
• 收集什么数据，如何查询数据，以及如何显示数据
• 与其他系统交换的任何信息。

编写良好的功能规范将作为度量软件开发的基础，并确保系统在一段时间内正常运行。

测试、调试:确保设备、软件和系统的正确安装和测试本身就存在挑战。需要一份基于功能规范和电气设计文件的现场安装计划，以跟踪测试了哪些设备和功能。这对于涉及数百或数千个设备和操作的大型集成项目非常重要。在大型项目中，某些较小的区域在安装过程中最初未经过测试，这并不罕见。这可能是由于缺乏设备、公用设施、原材料或其他必要的项目来测试操作。在将这些领域投入生产之前，跟踪这些领域并让系统集成商参与进来是至关重要的。

设计的核心挑战

一个核心的设计挑战是，对于控制系统和I/O系统，应该在多大程度上集中或分散一个系统。这是一个比表面上看起来更复杂的问题，也是一个经常被忽视的问题。一般规则是，合理独立运行的设备组是分布式控制的良好候选者。高度交织的设备组在集中方案中工作得最好。I/O系统的集中化程度取决于设备的物理布局。这些是规则;现在考虑一下什么时候打破它们是合适的。

如果安装是分阶段完成的，事情就会变得有点复杂。对于I/O系统，过程设备的物理位置并不是这方面的唯一决定因素。你还需要考虑设备如何逐步投入使用。如果安装在多个阶段，那么将I/O分配到每个阶段是有意义的。归根结底，新阶段的设备对前一阶段设备的运行有多大影响。分配I/O对现有设备的干扰最小。从控制的角度来看，高度缠绕区域的分阶段安装通常不需要分布式控制。独立过程域的分阶段安装将加强分布式控制的情况，但很少为集中方案创建一个。

当您分阶段安装固有的集中式流程并期望它以某种临时方式使用手动设备运行时，情况会变得更加有趣。在最终的自动化设备最终安装之后，它可以被纳入一个集中控制系统，或者与自己的控制一起分布。集中式方法在启动和运行时具有更少的故障点和更简单的结构，但分布式设计可能会更快地安装。

采用集中式方法，必须彻底重新测试每个单元操作，以确保现有设备和新设备的安全运行。在分布式设计中，大部分测试可以提前完成，而不会给生产带来风险。这种方法可以显著减少总体安装时间，如果您的安装窗口很紧，可以考虑使用这种方法。

钱能使世界运转，系统集成也不例外。对于每种方法，都有硬件、安装和启动成本需要应对。由于规模经济因素，集中式I/O系统往往具有较低的I/O组件成本。分布式方案往往有更多的硬件组件。传统硬连线I/O平台的安装成本要求在每个现场设备及其相关的I/O模块之间单独布线。分布式网络平台允许您从一个设备连接到另一个设备，而不需要单独运行回I/O系统。您将倾向于为I/O硬件和布线介质支付更多的费用，但您的总体成本可能会显著降低。

由于集中控制系统中的控制器较少，因此与分布式系统相比，集中控制系统往往具有较低的控制硬件成本。两种控制方案的系统启动成本比较复杂，难以确定。安装阶段和操作预期会显著影响这些成本。预先确定这种情况可能出现的程度是很重要的，因为它可能对总体成本产生很大影响。

平行宇宙

如前所述，分阶段安装系统是减少生产停机时间的一种工具，也是集中式或分布式设计中的一个考虑因素。然而，在这种情况下，还有一些其他的技术问题需要解决。保持现有I/O系统的部分完整，同时逐步引入新部分，这是一项挑战。这可能需要新系统的新线路和新旧系统的并行操作。对于使用公共电源的菊状连接设备，如果可能的话，尽量在一个系统或另一个系统上保持整个回路完整。这将大大简化你的生活。

在必须在两个系统之间共享单个仪表输入信号的情况下，通常有几个选项可用。从布线的角度来看，将新旧系统之间的信号联网将是最简单的解决方案，并且这种方法不会损失信号保真度。与直接I/O模块连接相比，折衷是系统之间的信号滞后。还有一个潜在的硬件成本冲击，因为这种方法可能需要专门的通信模块来完成。对于某些关键或高速参数，这种方法可能不够。在这种情况下，您将需要选择一个系统来控制和测量，并有另一个请求和/或监视这些结果。

对于必须从两个系统控制的输出设备，您可以根据设备类型考虑几个选项。新旧系统之间的联网是一种常见的选择。一个系统将对设备进行物理控制;另一个请求激活或停用设备。这是最安全的操作方法，如果在此转换过程中出现问题，也是最容易排除故障的方法。这适用于数字和模拟设备。

如果不能联网，则可以使用带有双触点的插入继电器来允许两个系统同时控制单个数字输出设备，但必须谨慎使用这种方法。如果任何一个系统请求该设备，它将无条件激活，除非另有联锁。如果布线和设计得当，当割接完成时，旧系统可以与继电器断开，继电器线圈可以被移除(一个潜在的故障点)，继电器基座只是作为新系统中I/O模块和现场设备之间的终端块存在。

模拟输出设备更有问题，而且由于信号保真度的潜在损失，不容易修改这种方法。如果您必须控制两个控制系统中的模拟设备，并且系统不能联网，如果所有其他方法都失败，则将控制(和相关的测量，如有必要)放在一个系统中，并在它们之间硬连接设定值或输出信号(以及任何相关的权限)。老式技术通常会在两端使用二进制编码-十进制模块来实现这一点，尽管其他方法也是可能的。

对于气动驱动的数字设备，可以使用气动开关，尽管这是一个不太常见的选择。并行操作是一种常见且可行的安装选项，但并非没有挑战。

建立正确的联系

随着工厂设备的不断智能化，以及带宽和存储成本的持续下降，工厂车间和整个企业的信息交换正成为大多数系统集成项目的重要组成部分。工厂车间的工业网络具有传统企业IT环境中通常找不到的特殊要求。在整个系统生命周期内可靠运行的强大工业网络的设计和安装对系统集成公司提出了独特的挑战。

与办公室或家庭环境不同，工业应用通常是电气噪声较大的地方。除了高电磁干扰(EMI)外，这些环境还受到温度范围、灰尘、湿度和许多其他通常在家庭或办公室中找不到的因素的影响。

设计一个健壮的工业网络的第一步是选择有线媒体。那么，什么才是正确的选择呢?ANSI/TIA-1005:工业场所电信基础设施标准6类或更好的电缆应用于暴露在工业环境中的主机或设备。6类电缆在100米的距离内可以达到1gb, 6e类电缆在100米的距离内可以达到10gb。

在安装网线时，屏蔽以太网电缆在高电磁干扰环境下敷设在导管外可以获得更好的性能。使用屏蔽电缆的关键是正确接地。使用单一地参考是必要的。多个接地连接会导致所谓的接地回路，其中接地连接处电压电位的差异会诱导噪声进入电缆。电缆一端使用接地的RJ45连接器。另一端使用不导电的RJ45连接器，以消除接地环路的可能性。

如果你的以太网电缆必须交叉电源线，一定要以直角交叉。将并行以太网和电源线分开至少8到12英寸。，电压越高，并联时间越长，距离越远。如果以太网电缆在金属通道或导管中，通道或导管的每一段都必须与相邻的部分粘合，以确保整个路径的电气连续性。

一般情况下，以太网电缆应远离产生电磁干扰的设备，如电机、电机控制设备、照明设备和电源导体。在面板内，将以太网电缆与导体分开至少2英寸。当布线远离面板内的电磁干扰源时，请遵循电缆的推荐弯曲半径，该半径可以从电缆制造商处获得。

从网络体系结构的角度来看，永远不要在这种环境中使用集线器。如果您的网络包含多播流量，则管理交换机是绝对必需的。在面向连接的基于生产者/消费者的技术中，多播流量通常来自工厂车间过程网络上的智能设备。以太网/IP(以太网工业协议)，由ODVA，是使用该技术的应用层通信协议。除了处理多播通信之外，这类交换机通常还提供错误日志、控制单个端口速度、双工设置以及镜像端口的能力。随着时间的推移，该功能将有助于优化和维护工业网络。

如果您的网络非常小并且没有多播流量，您可以考虑使用非管理型交换机。它们通常比管理型交换机便宜，因为它们缺乏管理型交换机的许多核心功能和特性。对于多于几个节点的网络，如果成本不是主要考虑的问题，那么就使用管理交换机。你会很高兴你这么做了。

走向未来

系统集成商在处理客户时必须面对许多挑战，包括项目管理最佳实践、涉众参与，以及确保涉众的期望与业务目标一致。风险降低也是系统集成商世界的重要组成部分，也是一个具有挑战性的领域，特别是在技术前沿。系统集成商必须遵循核心设计原则，并在将这些原则付诸实践时面对固有的挑战。最后，随着工厂信息的爆炸式增长，系统集成商必须面对将工业网络基础设施置于适当位置以最好地利用这些技术所提供的挑战。

虽然您可能会在系统集成项目中遇到许多这样的问题，但它们只是我们在常规基础上处理的整个问题的一个示例。技术将继续发展，系统集成社区所遇到的技术问题的细节也将继续发展。不变的是处理这些问题的方法。这些最佳实践应该对您现在和将来都很有用。

大卫·麦卡锡是TriCore Inc .)该公司是一家总部位于威斯康星州拉辛的全国性系统集成公司。在加利福尼亚州的圣菲斯普林斯和亚利桑那州的梅萨设有办事处。在1991年创立TriCore之前，McCarthy曾在Alfa Laval/Tetra Pak担任各种职务，包括其美国食品工程公司的工程经理。麦卡锡是罗切斯特理工学院的计算机科学家，在自动化领域有30多年的经验。

本文发表在应用自动化补充的控制工程和设备工程．

-参见下文增刊中的其他文章。

TriCore是一个相2015年4月17日成为会员

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