現(xiàn)場總線應用于水處理自動化應用現(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目，引進了國際上較先進的水處理自動化控制理念和技術。經(jīng)過10多年的努力，以PLC構成的集散監(jiān)控系統(tǒng)已成為水處理自動化的主流。經(jīng)驗證明，這樣的控制系統(tǒng)對水處理工業(yè)來說是安全、可靠和經(jīng)濟適用的。隨著PLC技術性能的不斷提升，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)絡化、信息化概念向自動化領域的不斷滲透，現(xiàn)場總線技術成為當今世界自動化領域的新起點。面對現(xiàn)場總線技術的崛起，水處理自動化控制技術還要不要向前發(fā)展了呢?回答是肯定的。問題是1999年現(xiàn)場總線技術標準IEC 61158的塵埃落定，有8種總線成為IEC現(xiàn)行的現(xiàn)場總線技術標準，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將最終選擇權推給了用戶，如何應用現(xiàn)場總線成為從事水處理自動化工作的技術人員正在思考的一個問題。
　　1 對應用現(xiàn)場總線問題的幾點看法
　　1.1　現(xiàn)場總線是自動化技術發(fā)展的必然趨勢
　　一個典型的企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)可以分成三層結構：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))，其主要特點是現(xiàn)場設備與控制站之間采用一對一連線的所謂I/O連接方式，用電壓、電流的模擬信號進行測控，是一個模擬與數(shù)字混合系統(tǒng)，其缺點是：
　　(1)信息集成能力不強。控制站所獲取的管理信息有限，大量的數(shù)據(jù)如設備參數(shù)、故障及故障記錄等數(shù)據(jù)很難得到，難以實現(xiàn)設備之間及系統(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，而未能實現(xiàn)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(tǒng)的不可靠性。
　　(4)可維護性不高。由于現(xiàn)場設備信息不全，其在線故障診斷、報警、記錄功能不強，很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。
　　隨著計算機、微處理器、網(wǎng)絡等技術的飛速發(fā)展，內(nèi)置CPU的智能現(xiàn)場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(xiàn)場?，F(xiàn)場總線位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡結構的底層，是用于現(xiàn)場設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)絡通信技術實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的互聯(lián)，形成了現(xiàn)場總線式全分布集成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(FCS)。FCS將控制站、可通信智能現(xiàn)場設備以及其他信息資源作為企業(yè)網(wǎng)絡中的節(jié)點，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)構建管控一體化鋪平了道路，促進了企業(yè)網(wǎng)絡化進程，也為控制網(wǎng)絡與公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的一體化，實現(xiàn)產(chǎn)供銷最優(yōu)起到了促進作用。因此，F(xiàn)CS是自動化技術發(fā)展的必然趨勢。
　　1.2　現(xiàn)場總線的應用要著眼于控制技術的發(fā)展，不能為了應用而應用
　　在信息技術飛速發(fā)展的現(xiàn)階段，我們的立足點應當高一點。不僅要考慮目前市場份額的因素，更宜從技術發(fā)展的角度來做出評估和判斷。IEC 61158標準不得不采納多種類型總線標準的根本原因通常認為有二：一是認為沒有單一的標準可以從技術和經(jīng)濟角度同時滿足不同類型和不同層次應用的需要，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(xiàn)場總線的觀點可將總線劃分為位總線(傳感器執(zhí)行器總線)、設備總線和信息流總線。這樣的劃分也許并不錯，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。從技術角度看，各種現(xiàn)場總線由于其發(fā)展的背景和應用的目的不同，技術上是存在差異的。例如作為現(xiàn)場總線關鍵性技術的網(wǎng)絡通信技術，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、點對點的通信，后者則是一對多的通信方式，它們在通信的實時性、效率及網(wǎng)絡結構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合以增強其通信能力，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合的總線，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)絡結構的靈活性和安全性。總之，不同的現(xiàn)場總線盡管占有其一定的市場份額，但在技術上各有特點。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選用單一總線，是一個需要慎重考慮的問題。
　　1.3　現(xiàn)場總線不排斥遠程I/O，但也只是權宜之計
　　僅將總線送到遠程I/O是DCS、PLC技術早已解決的問題，在IEC 61158標準中，有些現(xiàn)場總線本身就是由PLC控制系統(tǒng)發(fā)展而來，是以遠程I/O總線技術為基礎的。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)濟性是明顯的，特別是對一些簡單的現(xiàn)場設備，所以總線系統(tǒng)并不排斥遠程I/O，但這絕不等于"現(xiàn)場總線"?，F(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)場設備，這些可通信智能現(xiàn)場設備所構成的網(wǎng)絡節(jié)點，不僅具有豎向(與系統(tǒng))通信也具有橫向(節(jié)點之間)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備。如果僅用遠程I/O轉換，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)場設備品種還不豐富，有時將遠程I/ O和現(xiàn)場總線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(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)的基礎上利用現(xiàn)場總線技術逐步發(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，普遍應用現(xiàn)場總線的條件還不成熟，主要是標準的確定和產(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)的水處理自動化仍可堅持采用由PLC構成的低成本分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，只是在組網(wǎng)上應更加靈活，控制分站的數(shù)目不必過于拘泥，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，以便在有條件的時候，以現(xiàn)場設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)場總線標準，另外還有其他國際或國家標準的現(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重要特點，也因此而促成了現(xiàn)場總線集成技術的發(fā)展，其系統(tǒng)和網(wǎng)絡的軟、硬件集成技術及產(chǎn)品的開發(fā)研制已成為當今自動化領域的一個熱門課題，有的產(chǎn)品已開發(fā)成功。因此，現(xiàn)在采用PLC系統(tǒng)應不必擔心今后與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現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結合
　　隨著各種智能現(xiàn)場設備產(chǎn)品的豐富和應用以及工業(yè)管理自動化的深入，有資料認為在未來數(shù)年里，估計信息量還要再增加10～30倍。管理者根據(jù)經(jīng)營管理的需要，希望得到更多的實時信息，并通過建立開放的信息管理系統(tǒng)去實現(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)也必將趨于復雜，未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能已不滿足于幾個字節(jié)。信息需求量的不斷增加，將推動現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，因此有人認為，以太網(wǎng)向控制系統(tǒng)底層延伸是必然的，也是我們在選擇現(xiàn)場總線時應注意到的一個問題。
　　1.6　現(xiàn)場總線標準的統(tǒng)一是必然的
　　這種預言也許為時尚早，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，要解決這些不同標準系統(tǒng)之間的相互兼容和互操作問題，就必然會增加用戶的投資和使用維護的復雜性。統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使得In ternet網(wǎng)絡快速發(fā)展的經(jīng)驗和以太網(wǎng)標準的許多進步，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，以太網(wǎng)以其廉價高速方便的特性被引入底層網(wǎng)絡不僅使現(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。當然，要使工業(yè)以太網(wǎng)最終成為統(tǒng)一的總線標準還有許多技術問題有待解決(如總線供電、本征安全等)，但并非是不可能的。
　　2　結語
　　綜上所述，現(xiàn)場總線技術適應了控制向智能化、分散化、網(wǎng)絡化以及標準化發(fā)展的潮流，是建立企業(yè)信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)管控一體化的基礎，因此成為自動化技術發(fā)展的熱點。但多種總線的利益之爭，實際上已阻礙和延緩了FCS技術在我國的應用。面對多總線并立的局面，作為應用現(xiàn)場總線技術和產(chǎn)品的用戶來說，在目前的過渡期中，如何選擇現(xiàn)場總線應是一個要審慎考慮的問題。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)的管理和技術研究中心成立一個象建設部科技委下屬智能建筑技術推廣中心的Lon Works現(xiàn)場總線協(xié)作網(wǎng)一樣的機構，主要負責跟蹤現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，信息技術交流，指導行業(yè)對這一新技術的推廣和應用，并在此基礎上制定我國水處理自動化技術的標準與規(guī)范，推動水處理自動化技術的發(fā)展。