水工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

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1、控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一是控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化，而現(xiàn)場(chǎng)總線的崛起正是這一發(fā)展趨勢(shì)的標(biāo)志。

　　1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的崛起半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的過(guò)程控制體系歷經(jīng)基地式儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)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(guò)程控制系統(tǒng)，當(dāng)前我國(guó)水工業(yè)自動(dòng)化的主流水平即處于以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)階段。這里要說(shuō)明一點(diǎn)，DCS既是一個(gè)過(guò)程控制體系的名稱，有時(shí)也表示為由制造廠商出售的一個(gè)起完整作用而集成的集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品，這種DCS系統(tǒng)相對(duì)較為封閉，而目前水工業(yè)自動(dòng)化的DCS系統(tǒng)多數(shù)是由用戶集成的，因此相對(duì)較為開(kāi)放。

　　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(shí)現(xiàn)裝置級(jí)、車間級(jí)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(chǎng)到PLC或計(jì)算機(jī)之間的檢測(cè)、反饋與操作指令等信號(hào)傳遞，仍舊依靠大量的一對(duì)一的布線來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種信號(hào)傳遞關(guān)系稱之為信號(hào)傳輸，而不是數(shù)據(jù)通信，難以實(shí)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(hào)全數(shù)字化的儀表與系統(tǒng)的出現(xiàn)，從而由集散控制過(guò)渡到徹底的分散控制，正是在這種需求的驅(qū)動(dòng)下，自20世紀(jì)80年代中期起，現(xiàn)場(chǎng)總線便應(yīng)運(yùn)而生，并通過(guò)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)而不斷崛起。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的全數(shù)字化、實(shí)時(shí)、雙向、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用的CPU置入傳統(tǒng)的測(cè)控儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和通信能力，即所謂“智能化”；采用可進(jìn)行簡(jiǎn)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(diǎn)的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控儀表連接成網(wǎng)絡(luò)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表之間及其與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成多種適應(yīng)實(shí)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(diǎn)都是具備智能的可通信產(chǎn)品，因而它所需要的控制信息（如實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)）不采取向PLC或計(jì)算機(jī)存取的方式，而可直接從處于同等層上的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上獲取，在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的環(huán)境下，借助其計(jì)算和通信能力，在現(xiàn)場(chǎng)就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場(chǎng)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(shì)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(kāi)放式、全分布、可互操作性及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)，形成了從測(cè)控設(shè)備到監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線的現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題目前，國(guó)內(nèi)、外的現(xiàn)場(chǎng)總線有60幾種之多，由于這一新技術(shù)所具有的潛在而巨大的市場(chǎng)前景，在商業(yè)利益的驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)致了近年來(lái)制訂現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)。在市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展需要統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的呼聲下，修改后的IEC 61158.3～6標(biāo)準(zhǔn)最終于2000年1月4日獲得通過(guò)。該標(biāo)準(zhǔn)包括了8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線子集，它們分別是：

　　①基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（原有的技術(shù)規(guī)范IEC 61158）；

　?、贑ontrol Net；

　?、跴rofibus；

　　④P—Net；

　　⑤FF HSE；

　　⑥Swift Net；

　?、遅ord FIP；

　　⑧Intferbus.這8種現(xiàn)場(chǎng)總線中，④、⑥是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場(chǎng)總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，本質(zhì)上以遠(yuǎn)程I/O總線技術(shù)為基礎(chǔ)，通常不具備通過(guò)總線向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)總線，②、⑤屬于監(jiān)控級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線；③、⑦則是包括兩個(gè)層次的現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　以上8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全不同的通信協(xié)議，例如：Profibus采用的是令牌環(huán)和主/從站方式；FFHSE是CSMA/CD方式；WordFIP是總線裁決方式。因此，要這8種現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)相互兼容和互操作幾無(wú)可能。面對(duì)這種多總線并存的局面，系統(tǒng)集成將面臨更為復(fù)雜的任務(wù)，系統(tǒng)集成技術(shù)也將會(huì)有很大的發(fā)展。

　　1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的新動(dòng)向—工業(yè)以太網(wǎng)長(zhǎng)期以來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)，實(shí)際上已延緩了現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展速度。為了加快新一代系統(tǒng)的發(fā)展，人們開(kāi)始尋求新的出路，一個(gè)新的動(dòng)向是從現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)向Ethernet，用以太網(wǎng)作為高速現(xiàn)場(chǎng)總線框架的主傳。以太網(wǎng)是計(jì)算機(jī)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(kāi)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(chǎng)總線框架，可以使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流技術(shù)很好地融合起來(lái)。為了促進(jìn)Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)，開(kāi)展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。此外，開(kāi)發(fā)設(shè)備網(wǎng)供應(yīng)商協(xié)會(huì)（ODVA）已經(jīng)發(fā)布了在工廠現(xiàn)場(chǎng)使用以太網(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(kāi)放的工業(yè)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，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(gè)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(duì)的網(wǎng)絡(luò)可確定性問(wèn)題、環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題、包括總線供電和本征安全問(wèn)題都會(huì)迅速得到解決。

　　2、管理控制一體化工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是管理控制系統(tǒng)的一體化。

　　2.1何謂管控一體化在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與信息時(shí)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(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)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(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)還要求把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來(lái)。管控一體化就是建立全集成的、開(kāi)放的、全廠綜合自動(dòng)化的信息平臺(tái)，把企業(yè)的橫向通信（同一層不同節(jié)點(diǎn)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(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。

　　2.2現(xiàn)場(chǎng)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(méi)有信息網(wǎng)絡(luò)就不可能實(shí)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(shí)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3層，即企業(yè)管理層，過(guò)程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層。

　　管控一體化解決方案中的現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線設(shè)備，此時(shí)的控制站實(shí)際是一個(gè)虛擬的控制站。現(xiàn)場(chǎng)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(cè)控設(shè)備具有通信能力的特點(diǎn)，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(chǎng)總線則為構(gòu)建管控一體化網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路；過(guò)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口與過(guò)程監(jiān)控層相連，或者監(jiān)控層直接由現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)?yè)?dān)當(dāng)；監(jiān)控站可以完成對(duì)控制系統(tǒng)的組態(tài)，執(zhí)行對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控、報(bào)警、維護(hù)及人機(jī)交互等功能；企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)等組成，用于集成企業(yè)的各種信息，實(shí)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(chǎng)儀表間縱向數(shù)據(jù)交換日益增加，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，制造廠商的產(chǎn)品也日益開(kāi)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(shí)，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(shí)現(xiàn)企業(yè)各層次功能模型的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接在結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化，從而形成以實(shí)時(shí)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的數(shù)據(jù)集成環(huán)境，為實(shí)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(shí)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(chǎng)總線產(chǎn)品相互連接，并使上層應(yīng)用與下層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間完成雙向數(shù)據(jù)溝通，使之成為一個(gè)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(duì)硬件集成來(lái)說(shuō)，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(shí)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(chǎng)總線與以太網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間采用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互連，如公司與生產(chǎn)廠或其他部門距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用公共數(shù)據(jù)網(wǎng)或電話網(wǎng)來(lái)實(shí)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(lái)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(huì)遇到的問(wèn)題。因此可以預(yù)計(jì)，今后這類通信接口產(chǎn)品將會(huì)變得很熱門，從軟件集成來(lái)說(shuō)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)，能將實(shí)時(shí)控制、可視化操作、信息分析、系統(tǒng)診斷等功能集成到一個(gè)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(jì)地解決管控系統(tǒng)之間的連接。

　　目前各個(gè)國(guó)家都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)自己的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品，形成以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的一體化解決方案下的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)推出產(chǎn)品的如西門子公司以Profibus總線為基礎(chǔ)的PCS7、羅斯蒙特公司的基于FF總線的Plantweb等，管控一體化軟件則有美國(guó)信肯通公司的Think&DO、Lntellntion公司的iFIX等。

　　3、對(duì)水工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的思考綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化控制概念的變革，進(jìn)一步推動(dòng)了管控一體化企業(yè)信息系統(tǒng)的建立，它集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)為一體，成為流程工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)。

　　隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和加入WTO的臨近，工業(yè)企業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇和愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理提出了更高的要求。管控一體化企業(yè)信息系統(tǒng)的建立，將是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，問(wèn)題是對(duì)于水工業(yè)來(lái)說(shuō)，這種必要性到底有多大？水工業(yè)盡管有自己的特殊性，但在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程和經(jīng)營(yíng)過(guò)程的整體優(yōu)化，在保障運(yùn)行安全的前提下獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益上與其他工業(yè)應(yīng)是相同的。特別是信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的普及，將會(huì)使管控一體化的重要性日益顯露出來(lái)，由以PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)向以現(xiàn)場(chǎng)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(guò)渡是必然的。

　　要構(gòu)建管控一體化網(wǎng)絡(luò)，必先以現(xiàn)場(chǎng)總線所形成的底層網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)單一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的確立，但客觀事實(shí)是IEC通過(guò)了8種總線標(biāo)準(zhǔn)，估計(jì)這種多總線并存的局面在短時(shí)間之內(nèi)也不會(huì)改觀；原因之二是現(xiàn)場(chǎng)總線在系統(tǒng)集成上存在困難，條件還不成熟，尤其是由國(guó)家支持研制開(kāi)發(fā)的FF總線，其OEM產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也還要假以時(shí)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(wèn)題。因此在目前情況下，一方面要密切關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合水工業(yè)的具體條件，對(duì)諸如如何保護(hù)和利用現(xiàn)有資源，對(duì)原來(lái)的DCS系統(tǒng)進(jìn)行改造，選用何種總線以及如何組網(wǎng)和系統(tǒng)集成等問(wèn)題加以研究和討論，并建議國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心成立一個(gè)機(jī)構(gòu)，像建設(shè)部、科委下屬智能建筑技術(shù)推廣中心的LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)作網(wǎng)一樣，負(fù)責(zé)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)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，以促進(jìn)水工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的進(jìn)程。