开放系统意味着制造业的自由选择

正式的和事实上的标准使控制工程师能够从不同供应商的组件构建系统，随着需求的变化对其进行扩展和修改，并避免受单个供应商的摆布。Opto 22(加利福尼亚州Temecula)的员工佩戴黑色臂章，以纪念在制造业中专有PLC控制在Open…

Gary A. Mintchell，控制工程一九九九年九月一日

关键字

机控制
系统集成商
开放系统
基于pc的控制
控制软件

栏:
在实施开放系统之前检查这些内容
系统集成商的观点:开放系统是否过于简单?
利大于弊

正式的和事实上的标准使控制工程师能够从不同供应商的组件构建系统，随着需求的变化对其进行扩展和修改，并避免受单个供应商的摆布。

Opto 22(加利福尼亚州Temecula)的员工佩戴黑色臂章，以纪念在制造业中专有PLC控制在Open control手中的消亡，距今已有10多年了。虽然plc仍在使用，但开放控制概念甚至已传播到“专有”控制供应商。

在此过程中，“开放”一词被过度使用，让许多工程师怀疑开放系统是否有任何价值，或者它只是一种营销炒作。他们可以确信，对许多(如果不是大多数)制造过程采用开放系统是有很大价值的。(见本期其他封面故事，强调过程。)

真正的应用程序实现了开放系统的承诺。用户选择符合编程、支持和定价标准的控制器。在选定一个竞争的I/O总线之后，将指定来自多个竞争总线的I/O模块。如果某个组件缺乏支持或价格急剧上涨，那么用户可以选择其他供应商的产品，这些供应商的产品很容易适合该系统。

用户需求和技术进步推动了自动化控制的发展。参见密歇根州安娜堡的Think & Do软件公司提供的饼状图。常见的视图反映了三到五个部分，这里显示为PLC, CNC, DCS和Custom。分段圈定相当清晰;每个部分都有自己的一组领导者。已经开发了三层控制(第二张图):软件、控制器(转移到pc上)和I/O设备。各种控制器类型之间的界限已经模糊。向pc的迁移具有将I/O模块从硬件平台解耦的效果。因此，在该业务和专门集成多供应商组件的公司中出现了许多新的参与者。在未来十年左右的时间里，控制器的前景将会是一个新的类别——开放式控制器——在市场上占据一席之地。 The relative slices of pie will probably begin to show open controllers gaining share while older technologies remain.

这一系列图表显示了自动化控制市场
从目前只有PLC、DCS、CNC、
并自定义控件中添加了打开控件和
最终模糊了控制类型之间的界限。每一个
控制类型实际上由软件、控制器(移动)组成
和I/O设备与软件有效
从I/O设备解耦控制器。

标准推动开放

在几乎所有人对开放的定义中，一个一致的主题是互操作性的概念。这意味着来自一个供应商的组件可以替换来自另一个供应商的类似组件，而不会造成复杂性或生产损失。要实现这一目标，需要开发并遵守行业标准。这些标准可能是正式的(即由IEC或ieee等管理机构批准)，也可能是正式的事实上的通过市场力量。事实上的标准是广泛使用的协议，几乎每个人都熟悉它们。

想想当今工业自动化的所有标准。有现场总线标准，如Profibus、DeviceNet、Interbus、Seriplex和以太网。IEC 61131-3标准化可编程控制器编程语言-也广泛用于基于pc的控制。OLE for Process Control (OPC)定义了一种跨硬件和软件平台进行数据通信的标准方法。Microsoft Windows NT及其组件(如ActiveX、COM和DCOM)在自动化产品和用户中广泛存在，因此经常被引用为自动化产品的参考事实上的行业标准。

自动化用户也有一个组织来照顾他们的利益，促进互操作性的标准。OMAC用户组的成员来自通用汽车动力总成、宝洁、波音飞机和康明斯发动机等不同的组织。OMAC是一个自愿组织，没有带薪的办公人员，可以在ARC咨询集团(马萨诸塞州戴德姆)的网站www.arcweb.com/omac/上找到它。

omac成立于五年前，是克莱斯勒、福特和通用汽车的共同努力，它为汽车制造业中可互操作的开放模块化体系结构控制器定义了通用API(应用程序编程接口)。该小组有几个工作组。其中一个开发了一个程序，帮助提供采用开放系统的商业理由。另一位为微软开发Windows CE 3.0版(用于控制的实时操作系统)做出了重要贡献。

自由标准

“开放”有一个通用的定义吗?令人耳目一新的是，大多数自动化供应商似乎都有一致的定义，但侧重点有所不同。这对标准开发和自动化系统内可互操作组件的成功来说是个好兆头。

施耐德电气自动化业务(North Andover, Mass.)透明工厂和I/O产品经理Karl Meihofer将开放定义为“公开记录的标准和技术，免费提供，没有许可或特许权使用费，并被许多供应商广泛订阅。”虽然这个术语可以应用于硬件和软件，但开放通信将最终推动工业自动化中的开放系统。通过Internet的广泛使用，以太网和TCP/IP被证明是安全、可靠和可靠的。像快速开关这样的新技术可以使它具有确定性。一个未解决的领域在于应用层。”

GE发那科自动化公司高级副总裁尼克·吉尔说:“Open是数据连接和硬件和软件可移植性的结合。以太网和OPC是连接性的例子，而可移植性体现在跨多个平台的硬件和软件支持上，例如，GE发那科的控制器产品的广度和第三方产品。”

新兴的开放理念的一个结果是各种控制器类型的混合。cnc曾经是一个独立的控制岛，现在越来越多地成为生产线的一个组成部分。GE发那科CNC业务经理Jeff Kao指出:“CNC的开放接口提高了用户的生产力和oem提供工具的能力。开放接口还提供了cnc与制造企业其他部分之间的连接。

Opto 22认为，客户将开放定义为在必须更改或定制组件时，将来自不同供应商的组件组合成一个工作系统的能力，以及对文档和规范的开放访问。技术营销总监Benson Houghland补充道:“通常，寻求开放式解决方案的用户真正想要的是一个允许变化、模块化和灵活性的解决方案。”

Kevin Gordon的定义是“独立于应用程序的软件应用程序内部或之间的交互能力”。Gordon先生是罗克韦尔自动化公司罗克韦尔软件部门(Mayfield Heights, O.)的高级软件架构师，他将开放性的属性描述为可扩展性、互操作性、可移植性、可伸缩性和模块化。

罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley SoftLogix业务的开发经理Dave Rohn补充道:“Open指的是利用公认和经过测试的商业技术的自动化控制策略。这允许多个产品在同一平台上共存和集成。allen - bradley——曾经被认为是“专有”系统的代表——现在正在积极地追求开放系统，这是一些人认为开放系统趋势将持续下去的一个例子。

控制系统由I/O设备(传感器和执行器)、控制硬件、
控制软件、人机界面以及与业务系统的链接。设备集成
已经允许I/O模块从控制器机架解耦，和以太网的进步
允许整合从现场积累的数据

pc是开放的平台

根据VMIC公司的说法，开放式系统使用工业标准的硬件和软件组件。其中包括基于pc的开放式架构平台，如ISA/PCI、CompactPCI和带有基于pc的软件工具的VME。一个开放的系统允许用户从各种公司选择最好的产品，以实现最佳的自动化策略。

Xycom Automation的首席执行长格罗斯(Tom Gross)说，开放的自动化环境为用户提供了利用世界上所有基于个人电脑的创造力的能力。例如，万维网上有许多免费的工具。这一资源池正呈指数级增长，一些研究表明，基于个人电脑的研发数字是传统自动化的30倍。

Wonderware(加州欧文)指出，开放产品意味着没有任何一家供应商通过许可协议控制技术。它促进开放和集成系统。Wonderware的产品在坚持行业标准的意义上是开放的，但集成以减轻用户自己进行集成的麻烦。

Brian Brickhouse, Cutler-Hammer Automation (Westerville, O.)自动化产品线经理，认同用户获得的自由选择。他还指出，“开放系统以可用的格式提供更好的信息，与其他工厂系统集成，降低安装、启动和运营成本。”

数控和自动化控制技术融合的另一个标志是MDSI(密歇根州安娜堡)开放式数控解决方案的出现。该公司总裁兼首席执行长吉姆•福尔(Jim Fall)指出，开放系统在现成的个人电脑和微软Windows NT等单一操作系统上运行时不包含专有卡或其他硬件，软件包含用于集成第三方软件的开放api。软件升级将不断改进应用程序。”

减少变化中的风险

凤凰联络公司Interbus集团主管Mark Knebusch说，开放系统对标准的依赖降低了在情况需要时发生变化的风险。使用标准编程语言减少了培训，并允许程序员更快地掌握新控制器的速度。由于许多供应商将使用基于相同标准的产品，因此更大的用户基础和增加的知识库将加快设计并减少故障排除时间。

美国国家仪器公司(Austin, Tex)长期以来一直是行业标准的支持者，包括积极参与过程控制的opc对象链接和嵌入(OLE)。NI认为连接标准是定义开放式自动化系统的最大因素。工业网络标准，如基金会现场总线、Profibus和DeviceNet，允许混合匹配选择来自多个供应商的传感器、变送器、控制阀和其他控制设备。标准支持信息交换，而无需开发自定义通信解决方案。

Commotion Technology(位于加州旧金山)大力宣传Java的开放优势，Java是一种设计用于多种计算机平台的编程语言。复杂的自动化系统可以设计和实现集成视觉，运动和机器控制更容易和廉价使用开放的控制平台。

智能(马萨诸塞州诺伍德)引用微软的Windows DNA(分布式互联网架构)作为一种技术事实上的促进应用程序之间的软件互操作性的行业标准，而不考虑供应商。

就像上面解释的具有开放前端的CNC或将开放性与定制集成相结合一样，欧姆龙电子公司(Schaumburg, illinois)认为混合系统——由部分开放系统组成，例如使用OPC的软件和部分专有plc——将在未来一段时间内在制造业中流行。

对于steplecase Software (Ann Arbor, michigan)的工程副总裁Dave Gee来说，开放系统指的是许多竞争厂商提供的硬件平台，这些平台能够运行许多竞争公司提供的应用程序。最常见的工业自动化平台是PC机与Windows NT或CE操作系统的结合。

公司看到了好处

美国钢铁公司需要更新其费尔菲尔德工厂的自动化组件。随着自动化的重点从硬件转向软件，美国钢铁公司认为这也是重新评估整个控制结构的好时机。实施新的驱动/发电机系统的一个主要要求是没有停机时间进行切换。vme总线计算机系统和VMIC的控制软件与现有的GE发那科驱动器和plc集成在一起。安装新系统后，与现有工艺并行运行以验证其有效性，然后在不停机的情况下运行主控制。

Daishowa America (Port Angeles, Wa.)有一家纸浆厂，希望采用一种新的开放式控制技术取代现有的DCS。过氧化氢漂白过程使用基金会现场总线组件和国家仪器公司的控制软件。其他设备来自smarinternational和Relcom。该项目通过控制硬件、布线减少、维护和系统检查实现了显著的成本节约。控制硬件、I/O设备和通信都包含在现场发射机中，不需要带架空地板的空调机架来布线。

IBM Microelectronics (Burlington, Vt.)使用施耐德电气的控制器和I/O模块实现了一个实时过程监控系统，该系统具有Modbus RS-232到以太网TCP/IP网桥以及商用以太网路由器和网桥的通信。系统架构遵循设备层、控制层和信息层的三层模型，这样当其他层失败时，所有层都能够独立操作。该系统减少了平均维修时间，增加了平均故障间隔时间，减少了检测加工错误的时间，由于最小化了产品变化而提高了工艺良率，并通过集成智能传感器与MES和高级过程控制来精确定位工具问题。如果有，是谁?

Flying J Refinery公司(犹他州北盐湖城)的一项实施显示了开放系统的长期效益。柴油精炼厂在1993年进行了一次主要的控制系统升级，使用了最先进的英特尔x486电脑、微软Windows for Workgroups、Wonderware软件和Opto 22的硬件。最初选择开放式解决方案是因为它可以节省大量的前期成本。多年来，这些个人电脑已经升级到基于英特尔奔腾的机器，带有以太网骨干，升级了Wonderware软件和最新的I/O设备，从Opto 22。开放式系统允许稍后集成油库测量系统。

得益于pc与发那科160系列开放式架构CNC的紧密集成，森精机能够将加工生产率提高40%。基于Microsoft windows的图形界面对于简化操作和简化维护非常重要。在操作过程中，主监视器显示托盘池布局的图形再现。托盘会改变颜色，并以动画形式反映机器状态的变化。数据日志和零件描述都存储在PC的硬盘上，并根据装载的托盘自动下载加工程序。然后，对装载、运输、加工的每一个环节进行监控，确保安全、正常运行。记录的数据还有助于验证加工质量，并提供周期时间的实时测量。由于该系统通过以太网连接，因此可以从中心站点甚至非站点进行远程监视和控制，从而允许在该楼层的单个操作员为整个系统提供服务。

决策走向开放

就像一群令人敬畏的椋鸟在秋天形成的编队一样——每只鸟都有自己的决定，但这是一个宏伟模式的一部分——控制用户和供应商正在为各种自动化问题决定什么是最好的控制架构，从而产生了开放系统日益流行的模式。毫无疑问，用户将在未来几年将新的开放系统与现有的控制系统相结合。将会有许多混合产品和系统结合两个世界的优点来解决特定自动化需求的实例。Think & Do对开放控制市场份额的预测何时或是否会成为现实，或者是否会进入更平等的细分市场，这将是一件有趣的事情。

在实施开放系统之前检查这些内容

定义对系统性能的期望

定义预期结果

为控制器、软件和网络制定明确的规格

定义关键接口和通信需求

决定谁来做积分

征求所有相关部门的意见和支持

来源:Control Engineering

系统集成商的观点:开放系统是否过于简单?

在去年春天的控制系统集成商协会(CSIA, www.controlsys.org)年度会议上，一个非正式的讨论集中在开放系统技术的后果上。大家一致认为，与专有控制系统相比，开放控制系统通常需要更少的定制编程和专业产品知识。那应该使集成项目更容易，因此对系统集成商来说更有利可图。但是，开放式控制系统是否有可能变得如此容易实现，以至于最终用户根本不需要集成商的服务?

开放系统供应商似乎不这么认为。罗克韦尔自动化过程事业部(Milwaukee, wisconsin)的业务战略经理Greg Wilkinson表示:“每个应用都是独一无二的，因此需要一个独特的解决方案。虽然产品变得越来越灵活，安装和配置也越来越容易，但具有特定行业经验的高素质集成商是成功实施控制解决方案的关键部分。罗克韦尔自动化与系统集成商合作正是出于这个原因——因为他们提供增值服务。”

Cimetrix(盐湖城，犹他州)市场营销执行副总裁戴夫·福克纳(Dave Faulkner)对此表示赞同。我相信开放架构和Windows NT不会消除集成商的渠道，而是将集成商从必须了解专有开发系统转变为专注于行业标准环境，如NT、vc++和VB。结果将是，主流软件业务中使用的软件方法现在将用于自动化业务，从而产生更加可靠和可维护的应用程序。这并不意味着用户将自己开发所有东西，不需要集成商。”

然而，并不是所有的系统集成商都能从开放系统技术中获益。Jeff Tropsa是ObjectAutomation公司(Santa Ana, california)的业务开发经理，他指出，开放系统将消除大量定制编程，因此依赖编程时间来产生计费小时数的集成商将在短期内失去收入。另一方面，开放系统技术应该允许他们用更多可以更快完成的项目来取代失去的工作。

即使开放系统变得足够容易，最终用户可以自己实现，系统集成商也可以采取一些步骤来保持对客户的价值。马萨诸塞州诺伍德Intellution公司的市场总监Dan Hirsh认为，集成商可以利用开放系统技术的快速发展为自己的优势。即使他们能够在技术专长方面领先于客户，他们仍然需要从事客户内部无法处理的项目——至少现在还没有。他补充说，作为供应商，通过教育让集成商走在技术曲线的前面是我们工作的一部分。

Hirsh先生继续指出，集成商也可以成为保持领先于围绕开放系统技术的炒作的重要资源。即使在项目开始之前，集成商可以向客户提供的最重要的服务之一就是了解实际可用的内容和真正有效的内容。