現(xiàn)場總線應(yīng)用于水處理自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)場

　　引言
　　改革開放以來，我國通過外國政府及世行貸款等項(xiàng)目，引進(jìn)了國際上較先進(jìn)的水處理自動(dòng)化控制理念和技術(shù)。經(jīng)過10多年的努力，以PLC構(gòu)成的集散監(jiān)控系統(tǒng)已成為水處理自動(dòng)化的主流。經(jīng)驗(yàn)證明，這樣的控制系統(tǒng)對(duì)水處理工業(yè)來說是安全、可靠和經(jīng)濟(jì)適用的。隨著PLC技術(shù)性能的不斷提升，向來以采用DCS系統(tǒng)為主的化工、冶金行業(yè)也在爭論是采用DCS或是DCS與PLC的混合系統(tǒng)，還是全PLC系統(tǒng)的問題。隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化概念向自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷滲透，現(xiàn)場總線技術(shù)成為當(dāng)今世界自動(dòng)化領(lǐng)域的新起點(diǎn)。面對(duì)現(xiàn)場總線技術(shù)的崛起，水處理自動(dòng)化控制技術(shù)還要不要向前發(fā)展了呢?回答是肯定的。問題是1999年現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158的塵埃落定，有8種總線成為IEC現(xiàn)行的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，人們所期望的由一種現(xiàn)場總線一統(tǒng)天下的局面并未發(fā)生。IEC 61158將最終選擇權(quán)推給了用戶，如何應(yīng)用現(xiàn)場總線成為從事水處理自動(dòng)化工作的技術(shù)人員正在思考的一個(gè)問題。
　　1 對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場總線問題的幾點(diǎn)看法
　　1.1　現(xiàn)場總線是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)
　　一個(gè)典型的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)可以分成三層結(jié)構(gòu)：控制網(wǎng)infranet、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) int ranet和全球信息互聯(lián)網(wǎng) internet。就企業(yè)的控制網(wǎng)來說，傳統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)(包括基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng))，其主要特點(diǎn)是現(xiàn)場設(shè)備與控制站之間采用一對(duì)一連線的所謂I/O連接方式，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)控，是一個(gè)模擬與數(shù)字混合系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是：
　　(1)信息集成能力不強(qiáng)?？刂普舅@取的管理信息有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障記錄等數(shù)據(jù)很難得到，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換與信息共享。
　　(2)系統(tǒng)不開放，可集成性差，不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性和互換性。
　　(3)可靠性不易保證。只是將控制分散到若干局部，而未能實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)的徹底分散。大量I/O電纜敷設(shè)施工，不僅增加了成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。
　　(4)可維護(hù)性不高。由于現(xiàn)場設(shè)備信息不全，其在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能不強(qiáng)，很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
　　隨著計(jì)算機(jī)、微處理器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，內(nèi)置CPU的智能現(xiàn)場設(shè)備集檢測(cè)與控制于一體，增強(qiáng)了就地處理能力，使得控制功能完全下放到現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層，是用于現(xiàn)場設(shè)備與控制室控制系統(tǒng)之間的一種全數(shù)字化、雙向、多站的串行通信的數(shù)據(jù)總線。開放的、統(tǒng)一的全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的互聯(lián)，形成了現(xiàn)場總線式全分布集成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)。FCS將控制站、可通信智能現(xiàn)場設(shè)備以及其他信息資源作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，使非控制信息(管理信息)大大增加，從而為企業(yè)從過程控制走向過程管理，也即為企業(yè)構(gòu)建管控一體化鋪平了道路，促進(jìn)了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，也為控制網(wǎng)絡(luò)與公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一體化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)供銷最優(yōu)起到了促進(jìn)作用。因此，F(xiàn)CS是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　1.2　現(xiàn)場總線的應(yīng)用要著眼于控制技術(shù)的發(fā)展，不能為了應(yīng)用而應(yīng)用
　　在信息技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)階段，我們的立足點(diǎn)應(yīng)當(dāng)高一點(diǎn)。不僅要考慮目前市場份額的因素，更宜從技術(shù)發(fā)展的角度來做出評(píng)估和判斷。IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)不得不采納多種類型總線標(biāo)準(zhǔn)的根本原因通常認(rèn)為有二：一是認(rèn)為沒有單一的標(biāo)準(zhǔn)可以從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度同時(shí)滿足不同類型和不同層次應(yīng)用的需要，因此，從市場角度看不同類別的現(xiàn)場總線并無高低優(yōu)劣之分；二是認(rèn)為純屬商業(yè)競爭的結(jié)果。筆者更傾向于認(rèn)為后者才是最重要的原因。按廣義現(xiàn)場總線的觀點(diǎn)可將總線劃分為位總線(傳感器執(zhí)行器總線)、設(shè)備總線和信息流總線。這樣的劃分也許并不錯(cuò)，但問題是不能模糊了現(xiàn)代現(xiàn)場總線與古典現(xiàn)場總線之間的本質(zhì)區(qū)別。從技術(shù)角度看，各種現(xiàn)場總線由于其發(fā)展的背景和應(yīng)用的目的不同，技術(shù)上是存在差異的。例如作為現(xiàn)場總線關(guān)鍵性技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，目前存在的若干種現(xiàn)場總線其通信方式主要是建立在三種基本的通信模式之上，即客戶/服務(wù)器型；主/從型；生產(chǎn)者/消費(fèi)者型。三種通信方式中前兩者均為一對(duì)一、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，后者則是一對(duì)多的通信方式，它們?cè)谕ㄐ诺膶?shí)時(shí)性、效率及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活性等方面是不相同的。目前現(xiàn)場總線中，既有采用單一模式的，也有采用多種模式相結(jié)合以增強(qiáng)其通信能力，滿足不同需要的，例如FF總線即是典型的三種基本通信模式相結(jié)合的總線，分別將其應(yīng)用于非周期量通信和準(zhǔn)確周期量通信，以提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性和安全性?？傊煌默F(xiàn)場總線盡管占有其一定的市場份額，但在技術(shù)上各有特點(diǎn)。因此，用戶是從廣義總線的角度出發(fā)，采用按系統(tǒng)的不同部分選用不同的總線即多層次總線呢還是在條件成熟時(shí)選用單一總線，是一個(gè)需要慎重考慮的問題。
　　1.3　現(xiàn)場總線不排斥遠(yuǎn)程I/O，但也只是權(quán)宜之計(jì)
　　僅將總線送到遠(yuǎn)程I/O是DCS、PLC技術(shù)早已解決的問題，在IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)中，有些現(xiàn)場總線本身就是由PLC控制系統(tǒng)發(fā)展而來，是以遠(yuǎn)程I/O總線技術(shù)為基礎(chǔ)的。前面說過，PLC(包括 DCS)加上安裝在現(xiàn)場的分布式I/O，其經(jīng)濟(jì)性是明顯的，特別是對(duì)一些簡單的現(xiàn)場設(shè)備，所以總線系統(tǒng)并不排斥遠(yuǎn)程I/O，但這絕不等于"現(xiàn)場總線"。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的本質(zhì)特征是使用有現(xiàn)場總線通信能力的智能現(xiàn)場設(shè)備，這些可通信智能現(xiàn)場設(shè)備所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不僅具有豎向(與系統(tǒng))通信也具有橫向(節(jié)點(diǎn)之間)通信的能力。"現(xiàn)場"的概念不僅指距離，更主要的是指可通信的智能化設(shè)備。如果僅用遠(yuǎn)程I/O轉(zhuǎn)換，那就失去現(xiàn)場總線多信息和豐富診斷管理控制功能的靈魂。由于目前現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場設(shè)備品種還不豐富，有時(shí)將遠(yuǎn)程I/ O和現(xiàn)場總線混為一談也只是權(quán)宜之計(jì)而已。
　　1.4　FCS與DCS、PLC目前應(yīng)是共存而非取代
　　FCS是在傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)場總線技術(shù)逐步發(fā)展形成的，目前仍然使用著大量的模擬儀表、DCS和PLC。根據(jù)現(xiàn)狀，現(xiàn)場總線式智能儀表還不可能完全取代模擬儀表，F(xiàn)CS也不可能完全取代DCS和PLC，這里存在一個(gè)過渡期。我國現(xiàn)在還處于開發(fā)現(xiàn)場總線的初始階段，普遍應(yīng)用現(xiàn)場總線的條件還不成熟，主要是標(biāo)準(zhǔn)的確定和產(chǎn)品( 主要是國內(nèi)產(chǎn)品)的支持率等方面問題。因此，從用戶角度而言，大可不必太著急。在過渡期內(nèi)的水處理自動(dòng)化仍可堅(jiān)持采用由PLC構(gòu)成的低成本分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，只是在組網(wǎng)上應(yīng)更加靈活，控制分站的數(shù)目不必過于拘泥，遠(yuǎn)程I/O應(yīng)得到更好的應(yīng)用，以縮短模擬信號(hào)傳輸路徑，盡量延長數(shù)字通信距離。為利于今后發(fā)展，最好是選用支持多主從系統(tǒng)并具有廣泛支持率的PLC通信總線，以便在有條件的時(shí)候，以現(xiàn)場設(shè)備的通信接口取代分布式I/O接入系統(tǒng)。IEC 61158包含了8種類型的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，另外還有其他國際或國家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，如CAN、LON Works等。這種多總線并存的情況是過渡期的一個(gè)重要特點(diǎn)，也因此而促成了現(xiàn)場總線集成技術(shù)的發(fā)展，其系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件集成技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)研制已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題，有的產(chǎn)品已開發(fā)成功。因此，現(xiàn)在采用PLC系統(tǒng)應(yīng)不必?fù)?dān)心今后與FCS系統(tǒng)在通信協(xié)議上的兼容問題。
　　1.5　信息需求量的增加將推動(dòng)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結(jié)合
　　隨著各種智能現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品的豐富和應(yīng)用以及工業(yè)管理自動(dòng)化的深入，有資料認(rèn)為在未來數(shù)年里，估計(jì)信息量還要再增加10～30倍。管理者根據(jù)經(jīng)營管理的需要，希望得到更多的實(shí)時(shí)信息，并通過建立開放的信息管理系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)信息的交流與共享。因此，隨著儀器儀表智能化的提高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也必將趨于復(fù)雜，未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能已不滿足于幾個(gè)字節(jié)。信息需求量的不斷增加，將推動(dòng)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，因此有人認(rèn)為，以太網(wǎng)向控制系統(tǒng)底層延伸是必然的，也是我們?cè)谶x擇現(xiàn)場總線時(shí)應(yīng)注意到的一個(gè)問題。
　　1.6　現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是必然的
　　這種預(yù)言也許為時(shí)尚早，但無論如何從用戶角度看，多種總線并立決不是一件好事。如前所說，由于這些現(xiàn)場總線采用完全不同的通信協(xié)議，要解決這些不同標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之間的相互兼容和互操作問題，就必然會(huì)增加用戶的投資和使用維護(hù)的復(fù)雜性。統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使得In ternet網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的許多進(jìn)步，使一直為不同協(xié)議的兼容問題所困擾的工業(yè)界看到一線希望，許多現(xiàn)場總線組織正致力于發(fā)展Ethernet/IP技術(shù)，以太網(wǎng)以其廉價(jià)高速方便的特性被引入底層網(wǎng)絡(luò)不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直面的集成獲得方便，更能降低不同廠家在水平層面的集成成本。當(dāng)然，要使工業(yè)以太網(wǎng)最終成為統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)還有許多技術(shù)問題有待解決(如總線供電、本征安全等)，但并非是不可能的。
　　2　結(jié)語
　　綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)適應(yīng)了控制向智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化以及標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的潮流，是建立企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)管控一體化的基礎(chǔ)，因此成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。但多種總線的利益之爭，實(shí)際上已阻礙和延緩了FCS技術(shù)在我國的應(yīng)用。面對(duì)多總線并立的局面，作為應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品的用戶來說，在目前的過渡期中，如何選擇現(xiàn)場總線應(yīng)是一個(gè)要審慎考慮的問題。本文所談的一些看法未必正確，正因?yàn)槿绱?，筆者建議國家水工業(yè)的管理和技術(shù)研究中心成立一個(gè)象建設(shè)部科技委下屬智能建筑技術(shù)推廣中心的Lon Works現(xiàn)場總線協(xié)作網(wǎng)一樣的機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)跟蹤現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)交流，指導(dǎo)行業(yè)對(duì)這一新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上制定我國水處理自動(dòng)化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，推動(dòng)水處理自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。