水工業(yè)自動化控制技術(shù)發(fā)展

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1控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡化

工業(yè)自動化領域的發(fā)展趨勢之一是控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡化，而現(xiàn)場總線的崛起正是這一發(fā)展趨勢的標志。

1.1現(xiàn)場總線的崛起

半個多世紀以來，工業(yè)自動化領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)等4代過程控制系統(tǒng)，當前我國水工業(yè)自動化的主流水平即處于以PLC為基礎的DCS系統(tǒng)階段。這里要說明一點，DCS既是一個過程控制體系的名稱，有時也表示為由制造廠商出售的一個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)相對較為封閉，而目前水工業(yè)自動化的DCS系統(tǒng)多數(shù)是由用戶集成的，因此相對較為開放。

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步，可以在此基礎上實現(xiàn)裝置級、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，仍然依靠大量的一對一的布線來實現(xiàn)。這種信號傳遞關系稱之為信號傳輸，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80年代中期起，現(xiàn)場總線便應運而生，并通過激烈的市場競爭而不斷崛起。

現(xiàn)場總線是應用在生產(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)。現(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)絡節(jié)點的多個現(xiàn)場級測控儀表連接成網(wǎng)絡，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，形成多種適應實際需要的控制系統(tǒng)，即所謂“網(wǎng)絡化”；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)的環(huán)境下，借助其計算和通信能力，在現(xiàn)場就可進行許多復雜計算，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)境適應性等特點，形成了從測控設備到監(jiān)控計算機的全數(shù)字通信網(wǎng)絡，順應了控制網(wǎng)絡的發(fā)展要求。

1.2現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和標準化問題

目前，國內(nèi)、外的現(xiàn)場總線有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前景，在商業(yè)利益的驅(qū)動下，導致了近年來制訂現(xiàn)場總線國際標準大戰(zhàn)。在市場和技術(shù)發(fā)展需要統(tǒng)一的國際標準的呼聲下，修改后的IEC61158.3～6標準最終于2000年1月4日獲得通過。該標準包括了8種類型的現(xiàn)場總線子集，它們分別是：①基金會現(xiàn)場總線FF；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥SwiftNet；⑦WordFIP；⑧Intferbus。這8種現(xiàn)場總線中，④、⑥是用于有限領域的專用現(xiàn)場總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎的控制系統(tǒng)發(fā)展而來，本質(zhì)上以遠程I/O總線技術(shù)為基礎，通常不具備通過總線向現(xiàn)場設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，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現(xiàn)場設備級總線，②、⑤屬于監(jiān)控級現(xiàn)場總線；③、⑦則是包括兩個層次的現(xiàn)場總線。

以上8種類型的現(xiàn)場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)場總線實現(xiàn)相互兼容和互操作幾無可能。面對這種多總線并存的局面，系統(tǒng)集成將面臨更為復雜的任務，系統(tǒng)集成技術(shù)也將會有很大的發(fā)展。

1.3現(xiàn)場總線的新動向—工業(yè)以太網(wǎng)

長期以來的標準之爭，實際上已延緩了現(xiàn)場總線的發(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)是計算機應用最廣泛的網(wǎng)絡技術(shù)，在IT領域已被使用多年，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)絡技術(shù)的主流技術(shù)很好地融合起來。為了促進Ethernet在工業(yè)領域的應用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會，開展工業(yè)以太網(wǎng)關鍵技術(shù)的研究。此外，開發(fā)設備網(wǎng)供給商協(xié)會已經(jīng)了在工廠現(xiàn)場使用以太網(wǎng)的全球性標準——以太網(wǎng)/IP標準。該標準使用戶在采用開放的工業(yè)應用層網(wǎng)絡的同時，能利用可買到的現(xiàn)成的以太網(wǎng)物理介質(zhì)和組件，也即由多個供給商所提供的可互操作的以太網(wǎng)產(chǎn)品。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)應用于工業(yè)領域所要面對的網(wǎng)絡可確定性問題、環(huán)境適應性問題、包括總線供電和本征安全問題都會迅速得到解決。

2治理控制一體化

工業(yè)自動化領域的另一個發(fā)展趨勢是治理控制系統(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)的治理要求不斷提高，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)場信息和治理信息結(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)的橫向通信和縱向通信緊密聯(lián)系在一起，通過對經(jīng)營決策、治理、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治理系統(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)絡是管控信息集成的基本條件，沒有信息網(wǎng)絡就不可能實現(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)絡大致可分為3層，即企業(yè)治理層，過程監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層。

管控一體化解決方案中的現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場總線設備和控制網(wǎng)段構(gòu)成，把傳統(tǒng)的集散系統(tǒng)控制站的功能分散到了現(xiàn)場總線設備，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，充分發(fā)揮其使測控設備具有通信能力的特點，為控制網(wǎng)絡與通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的連接提供了方便。企業(yè)信息網(wǎng)絡是管控一體化的基礎，現(xiàn)場總線則為構(gòu)建管控一體化網(wǎng)絡鋪平了道路；過程監(jiān)控層由局域網(wǎng)段以及連接在局域網(wǎng)段的擔任監(jiān)控任務的工作站或控制器組成，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通過現(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)場總線來擔當；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)治理層由各種服務器和客戶機等組成，用于集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與Internet的連接，完成治理、決策和商務應用的各種功能。

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)與治理層和現(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)治理、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)絡連接在結(jié)構(gòu)上的簡化，從而形成以實時和關系數(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)資源共享的目標奠定了基礎。

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。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，并使上層應用與下層現(xiàn)場設備之間完成雙向數(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)絡之間采用網(wǎng)關實現(xiàn)互連，如公司與生產(chǎn)廠或其他部門距離較遠時，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)常會碰到的問題。因此可以預計，今后這類通信接口產(chǎn)品將會變得很熱門，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治理軟件的連通性，從而可較為經(jīng)濟地解決管控系統(tǒng)之間的連接。

目前各個國家都在競相開發(fā)自己的現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品，形成以現(xiàn)場總線為基礎的一體化解決方案下的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)推出產(chǎn)品的如西門子公司以Profibus總線為基礎的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信肯通公司的ThinkDO、Lntellntion公司的iFIX等。

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)展和加入WTO的臨近，工業(yè)企業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇和愈加嚴重的挑戰(zhàn)，對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營治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，將是增強企業(yè)競爭力的重要途徑，問題是對于水工業(yè)來說，這種必要性到底有多大？水工業(yè)盡管有自己的非凡性，但在實現(xiàn)生產(chǎn)過程和經(jīng)營過程的整體優(yōu)化，在保障運行安全的前提下獲取最大的經(jīng)濟效益上與其他工業(yè)應是相同的。非凡是信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡的普及，將會使管控一體化的重要性日益顯露出來，由以PLC為基礎的集散型控制系統(tǒng)向以現(xiàn)場總線為基礎的管控一體化分布式網(wǎng)絡信息系統(tǒng)過渡是必然的。

要構(gòu)建管控一體化網(wǎng)絡，必先以現(xiàn)場總線所形成的底層網(wǎng)絡為基礎，但目前國內(nèi)對現(xiàn)場總線技術(shù)的應用還比較遲緩，原因之一是觀望和等待一個單一的現(xiàn)場總線國際標準的確立，但客觀事實是IEC通過了8種總線標準，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)和應用也還要假以時日；此外還存在總線產(chǎn)品互操作性的認定和可靠性等方面的問題。因此在目前情況下，一方面要密切關注現(xiàn)場總線標準的新的發(fā)展動態(tài)，同時還應結(jié)合水工業(yè)的具體條件，對諸如如何保護和利用現(xiàn)有資源，對原來的DCS系統(tǒng)進行改造，選用何種總線以及如何組網(wǎng)和系統(tǒng)集成等問題加以研究和討論，并建議國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心成立一個機構(gòu)，像建設部、科委下屬智能建筑技術(shù)推廣中心的LonWorks現(xiàn)場總線協(xié)作網(wǎng)一樣，負責跟蹤現(xiàn)場總線技術(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，以促進水工業(yè)自動化發(fā)展的進程。