作者簡介

    斯可克(1945-)，浙江東陽人，教授級高級工程師，冶金自動化研究設計院副總工程師，享受政府特殊津貼。 2005年退休。

    現任全國工業過程測量和控制標準化技術委員會（SAC/TC124）委員，曾任中國自動化學會第七屆理事會理事，中國自動化學會儀表與裝置專業委員會委員。

    主要研究方向為自動化儀表、控制系統、現場總線和工業網絡通信。

    摘要：從全員設備管理和設備維護模式改進挖掘企業經濟效益潛力出發，分析自動化設備在實現智能化和網絡化后另一個重要的方向即管理應用。而互可操作性又是實現智能設備管理的必要條件。文章介紹了EDDL和FDT兩種互可操作技術概況、應用方法和開發途徑。

    關鍵詞：數字化；智能化；網絡化；、現場總線；設備管理；TPEM；反應式維護；預防性維護；前瞻性維護；互可操作；EDDL；FDT；DTM

    過去20年，工業自動化控制領域的發展日新月異。新概念、新技術的出現目不瑕接，讓人眼花繚亂。IEC61131-3編程方法、OPC、現場總線、工業以太網、功能安全、無線網絡等一下進入人們的視野。回顧起來，這些技術大都起源于微電子技術和計算機技術的基礎性進步。數字化和智能化使得單臺自動化設備的能力大大提高。進而網絡化則是自然合乎邏輯的選擇。現場總線是這些技術進步的小結之一。迄今為止，人們更多地從控制應用的角度去理解和使用這些技術進步，但往往忽略另外一個同樣重要的方面即“管理應用”。這個遺憾可以追朔到管理文化上的缺失。毋庸諱言，由于經濟體制、文化革命破壞等歷史因素，我們在管理文化上與國際先進水平的差距并不比硬件設備上小。世界知名自動化廠商現在早已不僅僅是賣硬件和軟件產品，同時也在賣管理和服務，其中也包含了先進的理念。

    因此自動化開發生產商和廣大用戶有必要加強對管理應用的重視，在自動化設備硬件水平提高的同時，通過自動化設備管理充分挖掘企業經濟效益潛力。同時在客觀上補充和提升技術文化境界。

    1 淺談設備管理

    全面質量管理TQM和企業資源計劃ERP已經為國人有所了解。相比之下全員生產設備管理TPEM®（Total Productive Equipment Management）卻似乎沒有受到足夠的重視。它可以被看成是TQM和ERP的組成部分。經過多年的實踐和發展，它已經形成一個完整的理論，并被世界企業界奉為競爭必需的寶典和最新最好的現代管理模式。國際TPEM協會主席Hartmann提出TPEM定義為：《全體員工積極參與下的生產設備整體效率的持續改進》。

    本文無法對TPEM進行全面的闡述，僅能抽取一些后面將用到的概念加以簡單說明。

    ★壽命周期成本LCC（Life Cycle Cost）即設備使用的整個生命周期所消耗的成本，它等于購置費(設計制造試車)加運行維護費(運行維護修理)。統計表明通常運行維護費大大多于購置費，所以購置設備應該首先考察其效能，從LCC角度看而不僅僅是一次購買的價格進行評估。一個簡單的例子就是便宜但效率低下的電機在生命周期的角度看其耗費反而更高。

    ★凈資產回報率RONA（Return On Net Asset ）等于(總收入-總消耗)/凈資產。

    企業的投資回報率。不僅要看“人均效益”，更應該關注“投資效益”。

    而提高設備運行率以增加收入，減少設備維護修理以降低消耗，減少設備備件庫存以降低凈資產值是提高RONA的根本途徑。

    TPEM的期望目標是：
    （1）生產設備非計劃停機時間為零；
    （2）由生產設備故障引發的產品缺陷為零；
    （3）生產設備的速度損失為零。

    許多世界級企業在成功地實施TPEM管理后的各項指標對比如下：
    實施TPEM前 實施TPEM后
    有 效 度： 86.2 ＞90%
    性能效率： 58% ＞95%
    合格品率： 97. ＞99%
    綜合效率： 49% 85%

    可以發現，設備維護的改進是TPEM的最主要內容之一，也是TPEM能產生巨大效益的最主要途徑之一。

    2 設備維護模式改進的概述

    在企業提升競爭力的潛力挖掘中，筆者注意到企業設備資產的維護成本占企業間接成本的15~60%（不同類型企業有區別）。自動化設備的確與其他工藝設備有所不同，本身的維護在其生命周期內所占的成本比例并不大。但它的好壞卻直接關系到整個生產工藝設備的使用率大小。目前廣泛存在的維護模式有2種，它們是：

    ①反應式（Reactive）維護是在設備已經出現故障后再被動的停車維護。這種無計劃的經常被動停車將導致設備可用率下降，因此使總收益下降。通常只適用于簡單次要的設備。
    ②預防性(Preventive)維護是為了克服上述問題定時對所有設備進行檢修維護，而不管它們是否真的需要。這是目前廣泛采用的維護模式。

    根據國際權威咨詢機構ARC的調查報告認為，預防性維護里大約有63%的工作（35%泛泛地例行檢查和28%維護后根本沒有發現問題）并不是必要的，因此存在很大的浪費，既增加了維護成本也因維護時間長而減少了正常開車時間，這同樣將使總收益下降。于是產生了以可靠性為中心的維修（RCM）理論。該理論認為預防性維護僅適合于有支配性或失效時間集中（有明確使用壽命）及故障后果嚴重的復雜設備。而對其他設備進行定期維修的作用甚小，對這些復雜設備進行不必要的拆卸反而有不良作用。因此預防性維護應該在以失效模式的規律分析和統計的基礎上進行。

    但如果能基于對設備的狀態預測再安排必要的計劃性維護，將從提高設備運行率和降低維護成本兩個方向提高企業的效益，這就引出了預測性維護。

    （3）預測性維護（Predictive-也稱前瞻性或主動維護）是最為理想的維護模式。

    正如有個幽默的廣告語說：“如果你能預測股市，你就發財了。如果你能預測設備，結果也一樣”。 預測性維護的實現是有條件的，它需要大量設備的維護診斷管理信息的支持。包含、傳輸和使用它們正是智能化和網絡化所致力的目標之一。一些最新推出的智能儀表就帶有相當豐富的設備信息在內。例如智能閥門定位器可以包括下列信息：

    現場溫度測量顯示；
    氣源壓力測量報警；
    閥桿行程累積；
    閥門“簽字”即氣缸壓力和閥桿行程的關系曲線；
    自動0~100%標定和小閉環的PID常數配置；
    閥門流量特性的設置。

                                           

                                    圖1 智能閥門定位器

    這樣先進的定位器很容易和一個未知的閥體配合成最佳的一階慣性系統（即響應盡可能快又不過沖震蕩）。在初次投入運行時將閥門“簽字”保存以便日后對比。根據閥體的指標或經驗統計在閥桿行程累積達到一定距離后預先安排維護計劃，以避免閥桿處可能的泄露。

    這類高度智能的儀表不僅對自動化設備自身有許多診斷信息，還可擴展到相關的輔助環節，例如氣源漏氣、伴熱失效、引壓管堵塞等。更可以擴展到回路和工藝過程的監視和是否異常的判斷，這樣可以最大限度減少非計劃停車的隱患。

    對用戶而言，今后不僅要關注設備在控制方面的功能，也應該關注它含有多少設備診斷和管理的信息。而設備開發商則不能只滿足于開發僅有某種通信協議的最基本版本的智能設備，也要使自己的產品具有更豐富的診斷和管理信息并以此獲得競爭優勢。

    根據某著名國際自動化公司報道，通過TPEM和預測性維護的努力，使用資產管理系統投資的回報率可以達到1：10，而回收時間僅需6~12個月。目前國內也有用戶稱，他們使用了現場總線和資產管理系統后縮短開車調試時間50%，節省運營和維護成本達30~50%。

    然而實現TPEM和預測性維護的目標不是單一的技術問題，不可一蹴而就。它需要企業的決策人有前瞻性理念，以及各部門和全體員工的積極參與。而且這是一個“過程”，而不是一個“事件”點，在這個過程中管理工作和技術本身一樣不可缺少。

                   

                                圖2 預測性維護給企業帶來的效益

    3 自動化設備管理的實現

    當智能自動化設備已經實現網絡化后我們如何進一步實現自動化設備管理呢？自動化設備管理又能做什么呢？目前大力支持自動化設備管理的主要網絡協議有：HART、FF和Profibus（DP/PA）。由于HART是4~20mA兼容的，所以它的網絡連接方法主要是外置HART多路器或DCS I/O卡或安全柵內置HART通信通道。

    和操作員工作站并列有一些設備管理計算機工作站，它們安裝了設備管理軟件。通過這個界面，設備管理工程師可以在線對智能設備進行管理。從控制系統的結構角度看，可以認為設備管理站（裝有設備管理軟件）和工程師站（裝有控制策略組態軟件）、操作員站（裝有人機界面軟件）的計算機具有同等地位，甚至共用同一數據庫。考慮到目前不一定100%的設備都是智能聯網的，設備管理軟件都還留有需要手動輸入的設備部分。

    計算機自動化設備管理最基本的功能有：

    ★檔案性管理。它記錄了所有設備的檔案資料，如位號、名稱、型號、廠商、安裝時間、文字備注、修改記錄等。這替代了原來的書面記錄，更容易備份和永久保存，也不易因人員流動而流失。
    ★設備配置（組態），智能設備的復雜功能通常需要用戶根據需要進行配置，像溫度測量設備就需要設置傳感器種類、溫度范圍等。
    ★性能標定管理。對智能設備的測控性能進行標定設定。對結果予以保存以便日后對比。可以編排標定計劃，一旦到期，計算機自動發出提示。
    ★回路調試、在線檢查和投運。在控制室進行，最大限度地減少到現場場地的必要性。
    ★日常維護檢查，設備更換記錄。制訂維護計劃進而由計算機管理。
    ★還有高級管理功能。它使用專家系統或專門軟件對設備的某些信息進行特殊處理以得到某些特別的效果。當然有些高級管理功能是需要另外付費的。

    自動化設備管理還充分利用計算機應用的各種最新成果，例如通過互聯網進行遠程管理等。可以粗略的把設備管理系統比喻為一個高級和通用的智能設備編程器。

    目前在市場上可以看到的計算機自動化設備管理軟件產品有艾默生的AMS（Asset Management Solution），橫河公司的PRM（Plant Resource Manage），Smar公司的Asset View等。還有眾多框架應用程序（FDT的主系統），例如E+H的FieldCare、ABB的FieldControl和可以免費下載的Pactware及fdtcontainer等。

               

                    圖3 帶有設備管理系統的過程控制系統結構圖

    國內一些大型石化工程已經使用了這類計算機自動化設備管理系統。當筆者問到一些親歷的工程師關于使用效果問題時，他們往往對此贊不絕口。相比之下，沒有使用過的人則往往表情茫然，這是因為沒有親身體驗的緣故或對管理作用認識高度不夠而致。

    國外產品雖好，但價格不菲，對大部分中小企業未必可以承擔和消化。因此非常有必要根據我國的文化和國情，開發出面對中型企業（管理幾百至幾千臺智能設備）的本土化設備管理軟件。現在傳來了好消息，和利時已經推出HASM設備管理系統。從介紹看已經達到較高的水平，并進行了初步的推廣。

    4 互可操作性

    互可操作性是隨網絡化帶來的新課題。早期單臺的智能設備是靠各自帶的編程工具進行配置（組態），而今天這種方法顯然已經難以為繼。一個企業可能使用了幾十個廠家生產的幾百個型號的幾千臺智能設備，這需要有一套編程工具對它們統一進行組態。通信的開放性著眼于信息的標準化和互相理解（一般由物理層到應用層決定），而互可操作性則提高到功能的標準化和互相理解（由增加的用戶層或行規描述）。如果在沒有實現網絡化的時代還可以對互可操作性漠不關心的話，那么在網絡化的時代（例如使用現場總線和設備管理系統后）我們將不得不關心和借助于互可操作性技術！所以選擇一臺智能設備時看它是否支持互可操作（提供EDD或DTM文件）也應該是衡量取舍的因素之一。

    由于FF現場總線思想包含了“控制分散”思想。體現在互可操作性是一直進入到控制策略的組態，不同廠家生產的設備內的功能塊通過網絡互相鏈接實現一個復雜完整的控制回路，關于這點本文不予以深入介紹。但此外FF、HART和Profibus一樣也將互可操作性使用于設備配置和管理，目前有兩個組織和技術致力于互可操作性解決智能設備的集成。

    EDDL（Electronic Device Description Language-電子設備描述語言，2004年通過成為IEC61804-2標準）和ECT（EDDL Cooperation Team-電子設備描述語言合作團隊）。

    DTM （Device Type Management設備類型管理）和FDT（Field Device Tool group現場設備工具組）

    EDDL起源于羅斯蒙特公司1992年提出的設備描述語言（DDL-Device Description Language）和用它編寫的設備描述（DD）文件。掌上編程器或計算機通過讀DD文件來理解各種儀表的性能和使用方法。設備描述語言是一種高級語言，它專門用于編寫設備描述文件。主系統將設備描述文件按照標準編譯成設備可以理解的命令并照此執行。所以設備描述語言可以看成現場設備開發商和主系統應用軟件開發商之間的接口機制。后經過FF、HART、Profibus和OPC四個組織協商達成一致，共同為國際電工委員會制訂了“電子設備描述語言（EDDL）”標準，可以將它看成過去DDL的升級版。

    使用EDD技術的系統是這樣構成的，具備可互可操作的主系統（控制系統或管理系統）都需要具備設備描述服務（DDS）能力，也就是翻譯、理解使用EDD文件的能力。

    而智能設備則需要提供EDD文件，這些文件被安放在主系統的一個設備支持文件夾內。這個文件夾被分配授予代表公司的惟一名稱。例如艾默生公司的文件夾名稱是001151。文件夾內每個設備又有自己單獨的一個文件夾，例如多通道溫度采集模塊848T的文件夾名稱是0848。夾內有848T的多個版本的設備描述文件，每套由*.sym *.ffo *.cff三個文件組成。依靠這些文件，主系統可以離線組態所選擇的設備，調用功能塊或參數并下載運行。

    和EDDL并行的互操作技術組織還有FDT（技術標準是IEC62453），事實上，ECT的大部分成員往往也同時是FDT的成員。使用FDT技術的系統是這樣構成的，上位機安裝了所謂“框架應用程序-Frame Application”，它負責讀寫管理智能設備的信息，各家公司開發的框架應用程序都具有這個基本功能，但在管理功能方面的水平和深度可能存在特色和差別。而智能設備方面則需要提供配套的DTM文件，DTM文件根據設備角色又分為通信DTM、網關DTM和設備DTM三類。于是設備制造商只需要配套開發自己設備的DTM文件，就像打印機制造商配套提供打印機驅動程序一樣。

    EDDL和FDT分別都支持多種網絡協議（FF、Profibus、HART等），不要將它們和網絡協議混淆成一個問題。EDDL和DTM都是設備的表述技術，但目前是不兼容的。下面是EDDL和FDT的簡單對比。

               

    為方便用戶，現在ECT和FDT已經達成共識，雙方將取長補短共同推進設備集成的統一方案FDI(Future Device Integration) 。FDI采用OPC-UA（OPC統一架構） 客戶機/服務器的技術，目標是：

    不受操作系統及平臺之約束；
    可向后與現有基于EDDL及DTM的設備描述兼容；
    可應用于任何現場設備通訊技術；
    可應用于各種網絡拓樸結構；
    目標是將此開放規范變成唯一的國際標準。

    應該說，開發的智能自動化設備都應該配有EDD文件或DTM程序，這樣才能使產品更具競爭力，并納入國際標準化的體系中。開發這些技術有三種途徑：

    （1）完全自主開發。完全自有知識產權，但投入大，周期長，只適合實力強大的企業。
    （2）完全委托第三方。無須相應知識，周期短但成本較高。
    （3）購買開發工具和半成品軟件自行開發。周期較短，成本較低。

    如果設備已經具有EDD文件，那么它們可以較為簡單地自動生成DTM文件。具體開發細節本文不予詳述。國內支持這些開發的企業例如有中科博微公司（EDDL技術）和美名軟件有限公司（FDT技術）等。

    參考資料
    [1] 張友誠.現代企業中的全面生產設備管理[M].湖南：湖南科學技術出版社.2010-3.
    [2] 斯可克等.現場總線應用疑難解答[M].北京：中國電力出版社.2006-10.
    [3]WIB Workshop EDDL or FDT/DTM .International Instrument User’s Association. 2006-10.