& 石佛寺水库综合自动化系统集成框架及关键技术研究
石佛寺水库综合自动化系统集成框架及关键技术研究
摘 要：针对石佛寺水库各子系统相对独立的问题，对石佛寺水库的系统集成问题进行了研究。根据石佛寺水库的系统现状和用户需求，设计了详细的系统总体框架和系统体系结构，并对系统集成过程中遇到的关键问题制定了相应的解决
【题　名】石佛寺水库综合自动化系统集成框架及关键技术研究
【作　者】彭勇 王国利 何斌 梁国华
【机　构】大连理工大学水利工程学院水资源与防洪研究所 辽宁大连116023
【刊　名】《南水北调与水利科技》2011年 第3期 75-78页　共4页
【关键词】石佛寺水库 系统集成 体系结构 J2EE XML 数据元 异构数据源
【文　摘】针对石佛寺水库各子系统相对独立的问题，对石佛寺水库的系统集成问题进行了研究。根据石佛寺水库的系统现状和用户需求，设计了详细的系统总体框架和系统体系结构，并对系统集成过程中遇到的关键问题制定了相应的解决方案。为水库的信息化集成提供了一个有效的解决思路。系统采用开放的、基于J2EE标准的设计方案，提供了强大的服务器端Java技术支持，保证应用系统的跨平台要求。采用数据元标准化解决了水库及跨部门的信息共享问题，为水库的管理决策和水库各单位提供了科学准确的信息。采用XML的信息交换系统使各个孤立、数据源异构的子系统耦合成了一个有机的整体，各子系统只需安装相应的信息交换插件和映射关系数据，就可轻松实现信息交换。异构数据源集成后保证了系统的集成性、一致性、完整性、和访问安全性。
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石佛寺水库,系统集成,体系结构,J2EE,XML,数据元,异构数据源
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自动化系统集成技术
高等教育出版社
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《工程应用型自动化专业系列教材：自动化系统集成技术》介绍了自动化系统集成的基本知识和技术基础，以及自动化系统集成涉及的概念、方法、技术和各类自动化系统集成的典型案例。　　《工程应用型自动化专业系列教材：自动化系统集成技术》从工程实施的角度重点阐述了自动化系统集成的技术和知识，力求具有先进性和实用性，并按照自动化系统的工程框架安排了各章的教学内容，其知识体系遵循的逻辑是：根据用户的需求选用性价比优良且有利于实现系统优化的各种技术和产品，并将各个产品、局部或子系统连接成为一个完整、可靠、协调、经济和有效的系统，以通过优化实现整体效益。　　《工程应用型自动化专业系列教材：自动化系统集成技术》定位介于教材与手册之间，大部分内容具有工程案例，贴近工业实际，既可作为大专院校各类自动化专业及相关专业的工程训练教材，也可供自动化系统设计和开发的科研与工程技术人员参考。
《工程应用型自动化专业系列教材：自动化系统集成技术》：　　2.2.2系统设计的基本内容　　控制系统通常根据用户的需求、被控对象的特性、控制方式和系统规模的不同有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤大致相同。即包括生产过程控制任务的确定，控制系统结构及控制算法设计，测量控制设备的选择，动力系统及安全性设计，控制系统组态，人机界面设计等内容。　　1.系统控制任务的确定　　控制系统的设计是为工艺生产服务的，因此它与生产工艺流程设计、工艺设备设计以及设备选型等有密切关系。现代工业生产过程的类型很多，生产设备日趋复杂化、大型化，这就需要更安全、更可靠的控制装置及系统来保证生产过程的正常运行。所以，在完成用户需求分析的基础上，系统设计人员需要对生产工艺流程、设备性能、产品质量指标等进行深入了解，对被控对象的动态及静态特性进行研究或必要的试验，并与现场生产技术人员一起研究各操作单元的特点以及整个生产装置工艺流程特性，明确保证产品质量和生产安全的关键过程参数，这样才能确定系统的控制目标和具体控制任务，合理选择被控变量和控制变量。　　2.控制系统方案设计　　控制系统方案设计包括控制系统结构设计和控制算法确定两部分。　　控制系统结构最常用的有反馈控制、前馈控制和前馈一反馈控制系统。反馈控制依据被控变量测量值与设定值的偏差进行控制，达到消除偏差的目的，对生产过程被控对象具有广泛的适应性。前馈控制根据完全补偿原理，对干扰进行控制，是生产过程自动化系统抑制经常发生且强度较大干扰的重要手段。　　控制算法选择的是否合适，决定着控制系统控制效果的优劣。控制算法的选择通常与被控对象的动态特性有关，所以事先建立被控过程的数学模型或试验测取动态响应数据是非常必要的。对于动态特性变化不大且时滞不大的被控对象，可以采用固定参数的PID控制器。如果被控过程的动态特性随负荷变化具有明显的非线性，则需要采用变参数的PID控制器，保证PID控制器的特性始终与被控对象的动态特性相匹配，达到最佳控制效果。如果无法获取准确的被控过程动态特性，则可以选用模糊PID控制器。对于MIMO被控过程，还需要设计解耦控制算法。当然，还有许多先进和智能的控制算法（请参阅相关资料）可以根据被控过程的特性和工艺流程对性能的要求进行选择。　　3.测量控制设备的选择　　测量控制设备主要包括传感器、变送器、控制器和执行机构，这些设备的选择直接影响着控制系统的控制效果。如果设计的系统是全新的，测量控制设备需要根据被控对象的特点，并综合考虑运行环境、工作性能和设备价格等因素择优而用。如果设计的控制系统是在原系统上进行改造和优化的，那么设计的系统所需要的测量控制设备可能已经在被控过程中全部或部分安装就位，这时需要设计人员了解这些设备的运行情况，测试其工作性能是否满足要求，尽量利用现场已有的测控设备，随后再决定需要更换或增加的测量控制设备的数量，如何选择这些设备还需要与用户协商。　　（1）选择测量装置　　通常测量装置总是包括传感器和变送器两个部分。传感器用于探测生产过程中的物理变量，如液位、温度、流量、压力等。变送器则将探测到的物理变量转换成统一形式及量程的电信号，且该电信号的大小与物理变量测量值的大小相对应。在选择测量装置时应遵循以下原则：　　①传感器和变送器的测量准确度和精度要高，保证测量时产生的系统误差尽量小，测量过程中的随机误差或噪声很小；　　②在满足精度和准确度的前提下，测量范围比较宽；　　③测量装置对物理变量的变化能够快速响应，理想情况下的时间延迟为零；　　④测量装置容易校准且漂移小。校准是为了建立所测物理量与统一电信号之间的某种准确转换关系，测量装置的校准是需要定期或不定期进行的一项技术工作。如果测量装置的漂移小，则意味着测量精度随时间变化不大，在预定的校准周期内，测量值的精度有保障；　　⑤可靠性高且成本较低。在被测过程或设备发生故障时，测量装置仍然可以正常工作。相对于测量装置的性能而言，购买及安装成本尽量低。　　当然，选择的测量装置能够同时满足以上全部要求是很困难的。因此.系统设计人员必须与现场技术人员协商，根据需要选择合适的测量装置。　　（2）选择执行器　　执行器根据动力源不同分为电动执行器、气动执行器和液动执行器三类。执行器可以将控制指令信号转换为阀门位置、电机速度等的改变。下面以电动执行器为例简单介绍执行器的选择依据。　　①根据阀门类型决定采用角行程执行器或直行程执行器，还是采用多回转电动执行器；　　②根据生产工艺控制要求确定电动执行器的控制模式，采用开关式（适用于开环控制）或调节式（适用于闭环控制）；　　③根据阀门正常启闭所需的扭力，确定电动执行器的输出扭力的合理范围；　　④根据所选电动执行器确定电气参数，如电机功率、额定电流、二次控制回路电压等；　　⑤根据使用场所选择执行器的外壳防护等级、防爆等级。　　以上依据基本能够实现执行器的比较理想选型。若选择智能化的电动执行器，则会给系统带来更多的优点，如丰富的信息显示和人性化的人机对话界面、多组态的多组信号输出、自动解决相序问题、具有电源缺相保护、超强自诊断功能、可修改的参数设定、可采用现场总线控制等诸多优点。　　……
自动化系统集成综述1.1.1
工业自动化系统结构1.1.2
从用户的立场看系统集成1.1.3
从系统集成商和原始设备制造商的立场看系统集成1.2
自动化系统集成技术概述1.2.1
计算机与计算机控制技术1.2.2
计算机网络与控制网络技术1.2.3
数据通信技术1.2.4
嵌入式技术1.2.5
CIMS集成平台与中间件技术1.2.6
标准技术1.2.7
组态技术1.2.8
设备描述和设备管理技术1.3
自动化系统集成技术的发展历程1.3.1
模拟仪表控制系统的发展1.3.2
计算机直接数字控制系统的发展1.3.3
计算机集散控制系统的发展1.3.4
现场总线控制系统的发展1.3.5
计算机集成制造系统的发展1.4
企业信息化集成技术概述1.4.1
企业资源计划(ERP)1.4.2
供应链管理(SCM)1.4.3
过程控制系统(PCS)1.4.4
制造执行系统(MES)1.4.5
客户关系管理(CRM)1.4.6
企业应用集成(EAI)1.5
企业信息化集成技术的发展历程1.5.1
系统集成的初期发展阶段――IT环境对企业环境的支持1.5.2
系统集成的中期发展阶段――实现对企业环境与经营环境的融合及优化1.5.3
系统集成的最新发展阶段――IT环境对经营环境的支持扩展到供应链敏捷应对市场过程参考文献第2章
用户需求分析与系统设计2.1
用户需求分析2.1.1
用户需求分析的方法2.1.2
用户需求分析的内容2.2
系统设计的基本原则及内容2.2.1
系统设计的基本原则2.2.2
系统设计的基本内容2.3
典型系统设计举例2.3.1
电站锅炉燃烧过程自动控制系统设计2.3.2
甜菜制糖过程自动控制系统设计2.4
技术资料及规范2.4.1
P&ID图2.4.2
设备清册2.4.3
电缆清册2.4.4
110清册2.4.5
工艺流程画面图参考文献第3章
系统集成的设备与选型3.1
自动化系统基础设备及选用原则3.1.1
检测单元3.1.2
执行器3.1.3
交直流传动系统3.1.4
自动化动力配电系统3.2
自动化系统计算机控制主流设备及产品3.2.1
PLC设备3.2.2
其他控制器3.2.5
组态软件3.2.6
工业以太网3.3
自动化系统集成设备选型与采购3.3.1
选型与采购的总体原则3.3.2
采购流程3.3.3
连续过程工业系统集成的设备应用与选型实例3.3.4
离散制造工业系统集成的设备应用与选型实例参考文献第4章
系统安装、调试与投运4.1
测控仪表及设备安装基础4.2.1
检测仪表的安装4.2.2
控制仪表的安装4.2.3
执行机构的安装4.3
测控设备电缆和管路敷设4.3.1
测控设备电缆敷设4.3.2
测控仪表管路敷设4.4
系统调试及投运基础4.4.1
供电设备检查与测试4.4.2
系统调试……第5章
系统抗干扰技术第6章
综合集成系统规划和技术解决方案第7章
自动化系统项目管理基础
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自动化行业的新趋势
[自动化系统集成已成为自动化行业的发展趋势]
本文介绍了自动化行业新的发展所趋,自动化公司和系统集成商为能给用户提供整体自动化技术解决方案,都在走系统集成之路.
本文介绍了自动化行业新的发展所趋，自动化公司和商为能给用户提供整体自动化解决方案，都在走系统集成之路。系统集成和提供自动化解决方案，二者是相辅相成的关系。从技术和产品上看，系统集成模式是自动化发展的必然趋势；从用户需求上看，需要提供整体自动化解决方案；因此供应商的发展模式是，致力于打造最具竞争力的自动化解决方案供应商。
随着工业装置的大型化、连续化、高参数化，对自动化产品的要求不断提高。为了达到工业设备的安全启／停、稳定运行、优化操作、故障处理、低碳经济等要求，必须把不同厂家生产的各种产品和系统无缝地集成为一个协调的。如何处理这些仪器仪表产品、系统之间的数据传递、信息共享、协调操作等以满足用户的要求已经成为一项十分重要的技术，即系统集成技术。另外，以提出整体解决方案(SOLUTION)为目标的应用技术和以优化软件、先进控制算法为代表的应用软件也已成为新的发展趋势。这些技术的发展都为用户带来明显的经济效益。
根据当今我国客户需求和市场变化，近年来，自动化公司和系统集成商为能给用户提供整体自动化技术解决方案，都在走系统集成之路，过去只做或只做仪表的公司，现在发生了明显的转变。国际知名品牌的自动化公司几乎都是不仅做现场仪表业务，也做DCS、PLC系统业务，既做产品销售，也做项目实施和工程技术服务，能给用户提供全集成的自动化技术解决方案，产品集成能力、方案技术能力、工程服务能力和实力都较强，不仅是产品销售公司，也是工程技术公司。譬如：
国内知名的自动程公司如和利时、浙江中控、国电智深、南京科远（靠DCS起家），其业务从过去单一的以DCS为主向现在“控制系统+ 仪表成套+工程实施+应用研发”提供整体解决方案转变，通过对所有自动化产品的整合为用户提供全集成自动化的解决方案。其表现形式为：产品自上向下发展，由DCS扩充现场仪表。
图1 成套项目、大包项目、/MIV和EPC总包交钥匙工程方式越来越多
传统的自动化仪表公司如上仪、川仪、天康（靠仪表起家），过去主要是现场仪表业务（产品公司），而现在已从过去单纯的仪表销售业务，向“仪表成套+ 控制系统+工程实施+应用研发”提供整体解决方案转变，通过业务转型和拓展，为用户提供全集成自动化的解决方案。表现形式：产品自下向上发展，由现场仪表扩充DCS。
由此可见，我国主要自动化公司和系统集成商的业务转型和发展模式：能够提供从现场仪表到控制系统的全套产品，既做产品公司，也做工程公司，能给用户提供整体自动化解决方案。分别根据自身的优势，以不同的战略方向都在向自动化系统集成和产业服务型的深度和广度发展。
众多的自动化公司和系统集成商站在当今自动化行业的发展前沿，提出了“打造最具竞争力的自动化解决方案供应商”的战略，顺应了自动化行业的发展所趋。当今，自动化行业的发展趋势有两个明显特征：一是系统集成、系统整合；二是提供自动化解决方案。二者是相辅相成的关系，系统集成、整合的目的是为用户提供整体自动化解决方案；提供整体自动化解决方案离不开系统集成。我们从以下几个方面展开介绍：
1．在自动化行业，从技术和产品上看，系统集成模式是自动化发展的必然趋势。
在今天IT时代，生产过程自动化不仅是把控制系统作为控制、操作和生产运行的工具，随着市场竞争不断加剧，在节能减排、安全环保、挖潜增效、低碳经济驱使下，要求自动化技术将过程信息和整个集团的生产管理、执行等信息系统集成在一揽子解决方案中，大家有很深的体会，我们看到：现在全球有影响力的自动化公司如：Siemens的全集成自动化、Rockwell的集成架构、Emerson的Plant Web工厂管网、ABB的Industrial IT工业信息系统等，纷纷推出了全集成架构新的系统理念，它们代表着自动化行业的走向。从产品和技术上都是基于集成的理念和解决方案的理念，但发展速度引人注目，其发展是自动化技术发展的必然，现实的工厂自动化，很难把各种功能严格分开。市场竞争要求自动化技术不再仅仅是提供PLC或DCS局部的控制模式和独立的信息系统，而要求将自动化控制、安全保护、生产和设备管理、企业管理、生产调度、优化等信息系统全集成在一起，几乎集成了所有自动化控制、管理功能，从产品和技术上具备了这个基础。
打造服务的营销理论
自动化全集成构架使DCS自身的技术进一步向上拓展、向下拓展、横向集成、纵向集成、系统整合。当今的自动化产品和技术具备了集成的基础和整合的基础。全集成自动化解决方案实现生产过程的管理、控制、安全、优化，使生产更有序、更安全、更经济，既提高了，又节约了成本，这必然需要多种技术和功能的集成，没有一个系统是大而全的，肯定是靠集成、靠整合。过去工业控制领域都是一些不同的独立体系，而现今自动化技术发展打破了各自为政的枷锁，从技术上为系统集成创造了条件。和工业以太网技术的发展和推广应用，为全集成自动化体系架构的形成和发展奠定了通信的基础。另外从自动化编程语言、现场总线、工业以太网等各种自动化标准的推广应用，也为全集成体系架构奠定了的基础。
自动化行业对新技术、新需求融合吸纳的速度和程度超出了人们的预期，目前自动化还没有走向完全的标准化。这决定了工业自动化市场不可能由单一力量独统江湖的局面，自己大而全是不可能的，任何一个产品不可能大而全，只能走集成化道路，同时掌握了特定领域行业知识、技术，就能为用户提供先进的自动化集成平台和解决方案。
从产品和技术上走集成模式，为用户提供“全集成自动化解决方案” 是自动化行业发展的明显特征。现在，自动化供应商集成高品质的硬软件产品体系，从现场仪表到控制系统，从监控软件到优化控制软件，从生产综合自动化到企业管理信息化，都致力于为用户提供从底层到上层的完整的工业自动化整体解决方案。
2．在自动化应用领域，从用户需求上看，需要提供整体自动化解决方案。是用户的客观需求推动着自动化的发展。
由于我国经济的迅速发展，生产装置迅速向大型化方向发展，生产装置的大型化能够带来明显的生产效率提高、原料消耗减少、劳动力成本降低等。生产装置的大型化对自动化系统要求更高、更全面、更复杂，设备之间具有更好的协调性。因此用户迫切希望自动化供应商能够解决生产设施大型化和连续化面临的所有自动化技术问题，提供整体自动化解决方案。正因如此，成套项目、大包项目、MAV/MIV和EPC总包交钥匙工程方式越来越多。对于大型工程项目，往往工程公司是EPC主角，自动化解决方案供应商做MAV（主自动化供应商）、MIV （主要仪表承包商）。这种做法利于大型工程的建设，保证项目顺利按时投产，如百万吨级的乙烯项目，其下产品很多，一般有十几个装置，需要同时投产。否则误工一天，就会有巨大的损失。为了便于管理，工程公司和企业都愿意这样做。对于承包的仪表厂商来讲MAV/MIV是一种增值的服务。在我国当前大型和超大型石化项目中， 越来越倾向考虑集成自动化系统， 并在SINOPEC、CNPC等大客户中已经得到了成功的应用，例如：青岛炼油MAV项目、独山子石化大型石油化工一体化MIV项目、镇海百万吨乙烯MAV项目、天津石化100万t乙烯 MAV-DCS、MAV-SIS项目等。
中国主要系统集成市场规模增长及预期（百万人民币）
3．在自动化行业，供应商的发展模式：都致力于打造最具竞争力的自动化解决方案供应商，是自动化行业发展的必然要求。
国内外知名的自动化公司几乎都是不但做现场仪表业务，也做DCS、PLC等系统业务，既做产品销售，也做项目实施和工程技术服务，能给用户提供全集成的自动化技术解决方案，产品集成能力、方案设计能力、工程服务能力和实力都较强，不仅是产品销售公司，更是提供解决方案的技术公司，都能够提供从信息管理系统、控制系统到现场仪表的全套产品，能给用户提供整体自动化解决方案。
值得注意的是，近几年自动化系统制造商不再把自己仅仅看作是DCS的供应商，而是针对用户的某一个项目综合需求，从控制方案的制定开始，包括设计选型、系统集成、硬件采购、软件配置、现场调试、开车投运，直到验收，全过程都由其承包。它们既是咨询公司，又是解决方案供应商，更是系统集成商和服务商。这种做法进一步满足了用户的要求，同时也要求供应商对用户的工艺、控制难点、不同类型仪表的功能和性能都要十分了解。许多综合性的自动化集团成立了专门针对某些行业的“解决方案”公司。例如Emerson集团在兼并了Westinghause的自动化部后，将其DCS（Ovation）和工程人员统合改为“电力和水处理解决方案公司”。霍尼韦尔、西门子、HIMA等也都致力于成为广大用户可信赖的合作伙伴，帮助用户提高产品产量、质量、效益、安全、环保、低碳，为用户提供具有竞争力的自动化解决方案和服务，为用户创造价值，依托产品全集成，在产品上层的是专业化的解决方案。随着技术的发展，最终用户自己做系统、自己做方案的能力会越来越弱，综合性的方案解决者在未来的市场竞争中将会起着越来越重要的作用。所以自动化供应商都定位在专业化的解决方案上。首先通过专业化的解决方案为客户创造价值，为客户的生产过程提高效率、可靠性、方便性、安全性，已经成为当今自动化行业最突出的发展趋势。
4．解决方案的需求趋势使得系统集成商的价值进一步提升。
目前，几乎所有的大牌自动化公司都在走系统集成之路。中国主要系统集成市场规模增长及预期（百万人民币）如上表所示，据统计，2008年中国自动化系统集成市场的规模为559.5亿元。2009年规模为610亿元。
系统集成业务涉及“现场仪表、控制系统和管理系统”三个层面的解决方案，包括：仪表成套、控制系统、工程大包和交钥匙项目及EPC、MAV、MIV项目，以DCS/PLC控制系统、仪表成套、产品集成和工程服务为业务重点。行业解决方案打造的是服务营销理念，其具体内涵如图2所示。
观察过去几年的自动化市场，一个非常重要的趋势是从产品向解决方案的迈进。如果倒退5年，多数的厂商任然将自我定位在产品的供应商，同时客户的需求大多也是从产品层级开始。但是，随着市场的成熟，竞争加剧，并且用户的需求也在向中高端发展。这使得解决方案进入越来越多人的视线，解决方案的供应商或者战略层面的自动化伙伴越来越受欢迎；而在客户端，对这一趋势的认识也逐渐深刻，很多自动化公司逐步进行了业务转型，通过培育和提升系统集成能力、工程技术能力、服务能力、销售能力和产品能力，实现从“产品”向“解决方案”的业务转型，实现从“产品公司”向“工程公司”的转变，以现有产品促进和发展集成业务，同时在系统集成业务的发展过程中推动和丰富公司的产品线，“以集成带产品，以产品促集成”，为广大的客户提供性价比优越的一揽子自动化解决方案和专业化的工程服务。而这这种趋势之下，系统集成商的作用愈发凸显。
系统集成业务是一种很强的技术行为，强调技术和工程，以解决方案为中心，是技术含量很高的行为，技术是系统集成业务的核心，有其复杂性、综合性和专业性，对从业人员的专业技术能力和素质要求较高，强大的工程技术能力是开展系统集成业务的有力保障和支撑。随着系统集成业务的发展，通过行业开拓、人才积淀、业绩积累和加大应用研发，众多的系统集成商正在不断的塑造企业品牌。相信在不久的将来系统集成厂商会有更多的知名品牌涌现出来，甚至是国际品牌。
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