水工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

摘　要：通過對控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化即現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及管理控制系統(tǒng)一體化等問題的分析，指出水工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：水工業(yè)自動化；現(xiàn)場總線；PLC；DCS；FCS Water industrial control technology develop tendency Abstract: Melt through melting and scattering for the intelligence of control system , network the analysis on-the-spot of the technology of bus line that develops the problems such as present situation as well as management control systematic unifinication , point out water industrial automation develop tendency. Keyword: Water industrial automation; The bus line on-the-spot; PLC; DCS; FCS 由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、信息化概念向自動化領(lǐng)域的滲透，使得自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)面臨一場深刻的變革，這種變革也必將對水工業(yè)自動化產(chǎn)生重大影響。因此，有必要對由此所產(chǎn)生的自動化發(fā)展趨勢加以關(guān)注和討論。 1  控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化 工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一是控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化，而現(xiàn)場總線的崛起正是這一發(fā)展趨勢的標(biāo)志。 1.1現(xiàn)場總線的崛起 半個多世紀(jì)以來，工業(yè)自動化領(lǐng)域的過程控制體系歷經(jīng)基地式儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS)等4代過程控制系統(tǒng)，當(dāng)前我國水工業(yè)自動化的主流水平即處于以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)階段。與早期的一些控制系統(tǒng)相比，DCS系統(tǒng)在功能和性能上有了很大進(jìn)步，可以在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)車間級的優(yōu)化和分散控制，但其仍然是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，從現(xiàn)場到PLC或計算機之間的檢測、反饋與操作指令等信號傳遞，仍舊依靠大量的一對一的布線來實現(xiàn)。這種信號傳遞關(guān)系稱之為信號傳輸，而不是數(shù)據(jù)通信，難以實現(xiàn)儀表之間的信息交換，因而呼喚著具備通信功能的、傳輸信號全數(shù)字化的儀表與系統(tǒng)的出現(xiàn)，從而由集散控制過渡到徹底的分散控制，正是在這種需求的驅(qū)動下，自20世紀(jì)80年代中期起，現(xiàn)場總線便應(yīng)運而生和不斷崛起。 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場的全數(shù)字化、實時、雙向、多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)將專用的CPU置入傳統(tǒng)的測控儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和通信能力，即所謂“智能化”；采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線、同軸電纜等作為聯(lián)系的紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的多個現(xiàn)場級測控儀表連接成網(wǎng)絡(luò)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，使現(xiàn)場測控儀表之間及其與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成多種適應(yīng)實際需要的控制系統(tǒng)，即所謂“網(wǎng)絡(luò)化”；由于這些網(wǎng)上的節(jié)點都是具備智能的可通信產(chǎn)品，因而它所需要的控制信息不采取向PLC或計算機存取的方式，而可直接從處于同等層上的另一個節(jié)點上獲取，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的環(huán)境下，借助其計算和通信能力，在現(xiàn)場就可進(jìn)行許多復(fù)雜計算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的自治性和可靠性。 FCS成為發(fā)展的趨勢之一，是它改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成全分布系統(tǒng)，采用全數(shù)字通信，具有開放式、全分布、可互操作性及現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性等特點，形成了從測控設(shè)備到監(jiān)控計算機的全數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，順應(yīng)了控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求。 1.2現(xiàn)場總線的新動向—工業(yè)以太網(wǎng) 由于現(xiàn)場總線技術(shù)具有潛在而巨大的市場前景，在商業(yè)利益的驅(qū)動下，許許多多的廠家都紛紛投入到現(xiàn)場總線的開發(fā)和生產(chǎn)上來，導(dǎo)致現(xiàn)場總線產(chǎn)品五法八門，技術(shù)參差不齊，通用性、兼容性極差。這使得現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展速度大大放慢[1]。為了解決這一問題，人們開始尋求新的出路，一個新的動向是從現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)向Ethernet，用以太網(wǎng)作為高速現(xiàn)場總線框架的主傳。以太網(wǎng)是計算機應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在IT領(lǐng)域已被使用多年，已有廣泛的硬、軟件開發(fā)技術(shù)支持，更重要的是啟用以太網(wǎng)作為高速現(xiàn)場總線框架，可以使現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流技術(shù)很好地融合起來。為了促進(jìn)Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會，并制定了以太網(wǎng)的全球性標(biāo)準(zhǔn)——以太網(wǎng)/IP標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用戶在采用開放的工業(yè)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)的同時，能利用可買到的現(xiàn)成的以太網(wǎng)物理介質(zhì)和組件，也即由多個供應(yīng)商所提供的可互操作的以太網(wǎng)產(chǎn)品。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域所要面對的網(wǎng)絡(luò)可確定性問題、環(huán)境適應(yīng)性問題、包括總線供電和本征安全問題都會迅速得到解決。 2 管理控制一體化 工業(yè)自動化領(lǐng)域的另一個發(fā)展趨勢是管理控制系統(tǒng)的一體化。 2.1何謂管控一體化 在市場經(jīng)濟與信息時代的飛速發(fā)展中，企業(yè)內(nèi)部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時還要求把現(xiàn)場信息和管理信息結(jié)合起來。管控一體化就是建立全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺，把企業(yè)的橫向通信(同一層不同節(jié)點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯(lián)系在一起，通過對經(jīng)營決策、管理、計劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。 2.2現(xiàn)場總線為管控一體化鋪平了道路 企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)是管控信息集成的基本條件，沒有信息網(wǎng)絡(luò)就不可能實現(xiàn)企業(yè)橫向和縱向信息的溝通和匯集，建網(wǎng)的目標(biāo)在于實現(xiàn)全企業(yè)范圍內(nèi)的信息資源共享，以及與外部世界的信息溝通。 水工業(yè)和一般企業(yè)網(wǎng)絡(luò)大致可分為圖1所示的3層，即企業(yè)管理層，過程監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層。

Fig.1 water industrial and general intranet Luo statified sketch

管控一體化解決方案中的現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場總線設(shè)備和控制網(wǎng)段構(gòu)成，把傳統(tǒng)的集散系統(tǒng)控制站(如水處理企業(yè)的PLC分站)的功能分散到了現(xiàn)場總線設(shè)備，此時的控制站實際是一個虛擬的控制站。現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品所形成的底層網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮其使測控設(shè)備具有通信能力的特點，為控制網(wǎng)絡(luò)與通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接提供了方便。企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)是管控一體化的基礎(chǔ)，現(xiàn)場總線則為構(gòu)建管控一體化網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路；過程監(jiān)控層由局域網(wǎng)段以及連接在局域網(wǎng)段的擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)的工作站或控制器組成，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通過現(xiàn)場總線接口與過程監(jiān)控層相連，或者監(jiān)控層直接由現(xiàn)場總線來擔(dān)當(dāng)[2]；監(jiān)控站可以完成對控制系統(tǒng)的組態(tài)，執(zhí)行對控制系統(tǒng)的監(jiān)控、報警、維護及人機交互等功能；企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機等組成，用于集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。 2.3管控一體化的支持環(huán)境與系統(tǒng)集成 基于系統(tǒng)之間橫向數(shù)據(jù)交換及控制系統(tǒng)與管理層和現(xiàn)場儀表間縱向數(shù)據(jù)交換日益增加，現(xiàn)場總線的應(yīng)用越來越廣泛，制造廠商的產(chǎn)品也日益開放。由于多種總線并存已成定局，管控系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一的通信、統(tǒng)一的組態(tài)和編程軟件的一體化解決方案受到了各廠家的重視。同時，采用分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用C/S或B/S結(jié)構(gòu)，可以在實現(xiàn)企業(yè)各層次功能模型的同時，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接在結(jié)構(gòu)上的簡化，從而形成以實時和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為中心的數(shù)據(jù)集成環(huán)境，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。 如前所述，在多總線并存的局面下，系統(tǒng)集成成為實現(xiàn)管控一體化信息系統(tǒng)的中心任務(wù)。系統(tǒng)集成是要按照一定的方法和策略將相同或不相同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品相互連接，并使上層應(yīng)用與下層現(xiàn)場設(shè)備之間完成雙向數(shù)據(jù)溝通，使之成為一個可以滿足用戶需求的整體。因此，系統(tǒng)集成既包括硬件產(chǎn)品的集成，也包括軟件產(chǎn)品的集成。對硬件集成來說，需要借助網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)溝通總線接口。一般同種總線的網(wǎng)段采用中繼器實現(xiàn)網(wǎng)段的延伸，采用網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)不同速率網(wǎng)段之間的連接；不同類型的總線網(wǎng)段之間以及現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間采用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互連，如公司與生產(chǎn)廠或其他部門距離較遠(yuǎn)時，采用公共數(shù)據(jù)網(wǎng)或電話網(wǎng)來實現(xiàn)局域網(wǎng)的連接，這在水工業(yè)的城市污水處理和截流系統(tǒng)、自來水廠站之間及供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)等方面也是經(jīng)常會遇到的問題。因此可以預(yù)計，今后這類通信接口產(chǎn)品的應(yīng)用將會越來越廣泛。從軟件集成來說，通過OPC、ODBC等技術(shù)使得不同系統(tǒng)之間的準(zhǔn)確、高速、大量的數(shù)據(jù)交換得以實現(xiàn)，能將實時控制、可視化操作、信息分析、系統(tǒng)診斷等功能集成到一個緊湊的軟件包中，具有很大的硬件靈活性，并且可以提供與多種管理軟件的連通性，從而可較為經(jīng)濟地解決管控系統(tǒng)之間的連接。 3  對水工業(yè)自動化發(fā)展的思考 綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自動化控制概念的變革，進(jìn)一步推動了管控一體化企業(yè)信息系統(tǒng)的建立，它集計算機技術(shù)、信息技術(shù)和自動化技術(shù)為一體，成為流程工業(yè)自動化發(fā)展的趨勢。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理提出了更高的要求。特別是信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的普及，將會使管控一體化的重要性日益顯露出來，由以PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)向以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的管控一體化分布式網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)過渡是必然的。 要構(gòu)筑管控一體化網(wǎng)絡(luò)，必先以現(xiàn)場總線所形成的底層網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，但目前國內(nèi)對現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用還比較遲緩，原因之一是觀望和等待一個單一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的確立，但客觀事實是IEC通過了8種總線標(biāo)準(zhǔn)，估計這種多總線并存的局面在短時間之內(nèi)也不會改觀；原因之二是現(xiàn)場總線在系統(tǒng)集成上存在困難，條件還不成熟，尤其是由國家支持研制開發(fā)的FF總線，其OEM產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用也還要假以時日；此外還存在總線產(chǎn)品互操作性的認(rèn)定和可靠性等方面的問題。因此在目前情況下，一方面要密切關(guān)注現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的新的發(fā)展動態(tài)，同時還應(yīng)結(jié)合水工業(yè)