現場(chǎng)總線(xiàn)應用于水處理自動(dòng)化應用現場(chǎng)

　　引言
　　改革開(kāi)放以來(lái)，我國通過(guò)外國政府及世行貸款等項目，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(guò)10多年的努力，以PLC構成的集散監控系統已成為水處理自動(dòng)化的主流。經(jīng)驗證明，這樣的控制系統對水處理工業(yè)來(lái)說(shuō)是安全、可靠和經(jīng)濟適用的。隨著(zhù)PLC技術(shù)性能的不斷提升，向來(lái)以采用DCS系統為主的化工、冶金行業(yè)也在爭論是采用DCS或是DCS與PLC的混合系統，還是全PLC系統的問(wèn)題。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化、信息化概念向自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷滲透，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)成為當今世界自動(dòng)化領(lǐng)域的新起點(diǎn)。面對現場(chǎng)總線(xiàn)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(wèn)題是1999年現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準IEC 61158的塵埃落定，有8種總線(xiàn)成為IEC現行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準，人們所期望的由一種現場(chǎng)總線(xiàn)一統天下的局面并未發(fā)生。IEC 61158將最終選擇權推給了用戶(hù)，如何應用現場(chǎng)總線(xiàn)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(wèn)題。
　　1 對應用現場(chǎng)總線(xiàn)問(wèn)題的幾點(diǎn)看法
　　1.1　現場(chǎng)總線(xiàn)是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢
　　一個(gè)典型的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )信息集成系統可以分成三層結構：控制網(wǎng)infranet、企業(yè)內部網(wǎng) int ranet和全球信息互聯(lián)網(wǎng) internet。就企業(yè)的控制網(wǎng)來(lái)說(shuō)，傳統的自動(dòng)化監控及信息集成系統(包括基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統)，其主要特點(diǎn)是現場(chǎng)設備與控制站之間采用一對一連線(xiàn)的所謂I/O連接方式，用電壓、電流的模擬信號進(jìn)行測控，是一個(gè)模擬與數字混合系統，其缺點(diǎn)是：
　　(1)信息集成能力不強?？刂普舅@取的管理信息有限，大量的數據如設備參數、故障及故障記錄等數據很難得到，難以實(shí)現設備之間及系統與外界之間的信息交換與信息共享。
　　(2)系統不開(kāi)放，可集成性差，不同廠(chǎng)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)現危險的徹底分散。大量I/O電纜敷設施工，不僅增加了成本，也增加了系統的不可靠性。
　　(4)可維護性不高。由于現場(chǎng)設備信息不全，其在線(xiàn)故障診斷、報警、記錄功能不強，很難完成現場(chǎng)設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。
　　隨著(zhù)計算機、微處理器、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的飛速發(fā)展，內置CPU的智能現場(chǎng)設備集檢測與控制于一體，增強了就地處理能力，使得控制功能完全下放到現場(chǎng)?，F場(chǎng)總線(xiàn)位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò )結構的底層，是用于現場(chǎng)設備與控制室控制系統之間的一種全數字化、雙向、多站的串行通信的數據總線(xiàn)。開(kāi)放的、統一的全數字網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)實(shí)現了現場(chǎng)設備的互聯(lián)，形成了現場(chǎng)總線(xiàn)式全分布集成網(wǎng)絡(luò )控制系統(FCS)。FCS將控制站、可通信智能現場(chǎng)設備以及其他信息資源作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)，使非控制信息(管理信息)大大增加，從而為企業(yè)從過(guò)程控制走向過(guò)程管理，也即為企業(yè)構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 )與公用數據網(wǎng)絡(luò )的一體化，實(shí)現產(chǎn)供銷(xiāo)最優(yōu)起到了促進(jìn)作用。因此，FCS是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
　　1.2　現場(chǎng)總線(xiàn)的應用要著(zhù)眼于控制技術(shù)的發(fā)展，不能為了應用而應用
　　在信息技術(shù)飛速發(fā)展的現階段，我們的立足點(diǎn)應當高一點(diǎn)。不僅要考慮目前市場(chǎng)份額的因素，更宜從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)做出評估和判斷。IEC 61158標準不得不采納多種類(lèi)型總線(xiàn)標準的根本原因通常認為有二：一是認為沒(méi)有單一的標準可以從技術(shù)和經(jīng)濟角度同時(shí)滿(mǎn)足不同類(lèi)型和不同層次應用的需要，因此，從市場(chǎng)角度看不同類(lèi)別的現場(chǎng)總線(xiàn)并無(wú)高低優(yōu)劣之分；二是認為純屬商業(yè)競爭的結果。筆者更傾向于認為后者才是最重要的原因。按廣義現場(chǎng)總線(xiàn)的觀(guān)點(diǎn)可將總線(xiàn)劃分為位總線(xiàn)(傳感器執行器總線(xiàn))、設備總線(xiàn)和信息流總線(xiàn)。這樣的劃分也許并不錯，但問(wèn)題是不能模糊了現代現場(chǎng)總線(xiàn)與古典現場(chǎng)總線(xiàn)之間的本質(zhì)區別。從技術(shù)角度看，各種現場(chǎng)總線(xiàn)由于其發(fā)展的背景和應用的目的不同，技術(shù)上是存在差異的。例如作為現場(chǎng)總線(xiàn)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場(chǎng)總線(xiàn)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(hù)/服務(wù)器型；主/從型；生產(chǎn)者/消費者型。三種通信方式中前兩者均為一對一、點(diǎn)對點(diǎn)的通信，后者則是一對多的通信方式，它們在通信的實(shí)時(shí)性、效率及網(wǎng)絡(luò )結構靈活性等方面是不相同的。目前現場(chǎng)總線(xiàn)中，既有采用單一模式的，也有采用多種模式相結合以增強其通信能力，滿(mǎn)足不同需要的，例如FF總線(xiàn)即是典型的三種基本通信模式相結合的總線(xiàn)，分別將其應用于非周期量通信和準確周期量通信，以提高網(wǎng)絡(luò )結構的靈活性和安全性?？傊?，不同的現場(chǎng)總線(xiàn)盡管占有其一定的市場(chǎng)份額，但在技術(shù)上各有特點(diǎn)。因此，用戶(hù)是從廣義總線(xiàn)的角度出發(fā)，采用按系統的不同部分選用不同的總線(xiàn)即多層次總線(xiàn)呢還是在條件成熟時(shí)選用單一總線(xiàn)，是一個(gè)需要慎重考慮的問(wèn)題。
　　1.3　現場(chǎng)總線(xiàn)不排斥遠程I/O，但也只是權宜之計
　　僅將總線(xiàn)送到遠程I/O是DCS、PLC技術(shù)早已解決的問(wèn)題，在IEC 61158標準中，有些現場(chǎng)總線(xiàn)本身就是由PLC控制系統發(fā)展而來(lái)，是以遠程I/O總線(xiàn)技術(shù)為基礎的。前面說(shuō)過(guò)，PLC(包括 DCS)加上安裝在現場(chǎng)的分布式I/O，其經(jīng)濟性是明顯的，特別是對一些簡(jiǎn)單的現場(chǎng)設備，所以總線(xiàn)系統并不排斥遠程I/O，但這絕不等于"現場(chǎng)總線(xiàn)"?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統的本質(zhì)特征是使用有現場(chǎng)總線(xiàn)通信能力的智能現場(chǎng)設備，這些可通信智能現場(chǎng)設備所構成的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，不僅具有豎向(與系統)通信也具有橫向(節點(diǎn)之間)通信的能力。"現場(chǎng)"的概念不僅指距離，更主要的是指可通信的智能化設備。如果僅用遠程I/O轉換，那就失去現場(chǎng)總線(xiàn)多信息和豐富診斷管理控制功能的靈魂。由于目前現場(chǎng)總線(xiàn)的智能現場(chǎng)設備品種還不豐富，有時(shí)將遠程I/ O和現場(chǎng)總線(xiàn)混為一談也只是權宜之計而已。
　　1.4　FCS與DCS、PLC目前應是共存而非取代
　　FCS是在傳統的儀表控制系統和集散控制系統的基礎上利用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)逐步發(fā)展形成的，目前仍然使用著(zhù)大量的模擬儀表、DCS和PLC。根據現狀，現場(chǎng)總線(xiàn)式智能儀表還不可能完全取代模擬儀表，FCS也不可能完全取代DCS和PLC，這里存在一個(gè)過(guò)渡期。我國現在還處于開(kāi)發(fā)現場(chǎng)總線(xiàn)的初始階段，普遍應用現場(chǎng)總線(xiàn)的條件還不成熟，主要是標準的確定和產(chǎn)品( 主要是國內產(chǎn)品)的支持率等方面問(wèn)題。因此，從用戶(hù)角度而言，大可不必太著(zhù)急。在過(guò)渡期內的水處理自動(dòng)化仍可堅持采用由PLC構成的低成本分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統，只是在組網(wǎng)上應更加靈活，控制分站的數目不必過(guò)于拘泥，遠程I/O應得到更好的應用，以縮短模擬信號傳輸路徑，盡量延長(cháng)數字通信距離。為利于今后發(fā)展，最好是選用支持多主從系統并具有廣泛支持率的PLC通信總線(xiàn)，以便在有條件的時(shí)候，以現場(chǎng)設備的通信接口取代分布式I/O接入系統。IEC 61158包含了8種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，另外還有其他國際或國家標準的現場(chǎng)總線(xiàn)，如CAN、LON Works等。這種多總線(xiàn)并存的情況是過(guò)渡期的一個(gè)重要特點(diǎn)，也因此而促成了現場(chǎng)總線(xiàn)集成技術(shù)的發(fā)展，其系統和網(wǎng)絡(luò )的軟、硬件集成技術(shù)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制已成為當今自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)課題，有的產(chǎn)品已開(kāi)發(fā)成功。因此，現在采用PLC系統應不必擔心今后與FCS系統在通信協(xié)議上的兼容問(wèn)題。
　　1.5　信息需求量的增加將推動(dòng)現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)相結合
　　隨著(zhù)各種智能現場(chǎng)設備產(chǎn)品的豐富和應用以及工業(yè)管理自動(dòng)化的深入，有資料認為在未來(lái)數年里，估計信息量還要再增加10～30倍。管理者根據經(jīng)營(yíng)管理的需要，希望得到更多的實(shí)時(shí)信息，并通過(guò)建立開(kāi)放的信息管理系統去實(shí)現信息的交流與共享。因此，隨著(zhù)儀器儀表智能化的提高，傳輸的數據也必將趨于復雜，未來(lái)傳輸的數據可能已不滿(mǎn)足于幾個(gè)字節。信息需求量的不斷增加，將推動(dòng)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，因此有人認為，以太網(wǎng)向控制系統底層延伸是必然的，也是我們在選擇現場(chǎng)總線(xiàn)時(shí)應注意到的一個(gè)問(wèn)題。
　　1.6　現場(chǎng)總線(xiàn)標準的統一是必然的
　　這種預言也許為時(shí)尚早，但無(wú)論如何從用戶(hù)角度看，多種總線(xiàn)并立決不是一件好事。如前所說(shuō)，由于這些現場(chǎng)總線(xiàn)采用完全不同的通信協(xié)議，要解決這些不同標準系統之間的相互兼容和互操作問(wèn)題，就必然會(huì )增加用戶(hù)的投資和使用維護的復雜性。統一的TCP/IP協(xié)議使得In ternet網(wǎng)絡(luò )快速發(fā)展的經(jīng)驗和以太網(wǎng)標準的許多進(jìn)步，使一直為不同協(xié)議的兼容問(wèn)題所困擾的工業(yè)界看到一線(xiàn)希望，許多現場(chǎng)總線(xiàn)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 )不僅使現場(chǎng)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(chǎng)家在水平層面的集成成本。當然，要使工業(yè)以太網(wǎng)最終成為統一的總線(xiàn)標準還有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決(如總線(xiàn)供電、本征安全等)，但并非是不可能的。
　　2　結語(yǔ)
　　綜上所述，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)適應了控制向智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò )化以及標準化發(fā)展的潮流，是建立企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現管控一體化的基礎，因此成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。但多種總線(xiàn)的利益之爭，實(shí)際上已阻礙和延緩了FCS技術(shù)在我國的應用。面對多總線(xiàn)并立的局面，作為應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在目前的過(guò)渡期中，如何選擇現場(chǎng)總線(xiàn)應是一個(gè)要審慎考慮的問(wèn)題。本文所談的一些看法未必正確，正因為如此，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)象建設部科技委下屬智能建筑技術(shù)推廣中心的Lon Works現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)作網(wǎng)一樣的機構，主要負責跟蹤現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)交流，指導行業(yè)對這一新技術(shù)的推廣和應用，并在此基礎上制定我國水處理自動(dòng)化技術(shù)的標準與規范，推動(dòng)水處理自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。