水工業控制技術的發展趨勢

摘　要：通過對控制系統的智能化、分散化、網絡化即現場總線技術的發展現狀以及管理控制系統一體化等問題的分析，指出水工業自動化的發展趨勢。 關鍵詞：水工業自動化；現場總線；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 由于信息技術的飛速發展，網絡化、信息化概念向自動化領域的滲透，使得自動化系統的體系結構面臨一場深刻的變革，這種變革也必將對水工業自動化產生重大影響。因此，有必要對由此所產生的自動化發展趨勢加以關注和討論。 1  控制系統的智能化、分散化、網絡化 工業自動化領域的發展趨勢之一是控制系統的智能化、分散化、網絡化，而現場總線的崛起正是這一發展趨勢的標志。 1.1現場總線的崛起 半個多世紀以來，工業自動化領域的過程控制體系歷經基地式儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統(DCS)等4代過程控制系統，當前我國水工業自動化的主流水平即處于以PLC為基礎的DCS系統階段。與早期的一些控制系統相比，DCS系統在功能和性能上有了很大進步，可以在此基礎上實現車間級的優化和分散控制，但其仍然是一種模擬數字混合系統，從現場到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。這種信號傳遞關系稱之為信號傳輸，而不是數據通信，難以實現儀表之間的信息交換，因而呼喚著具備通信功能的、傳輸信號全數字化的儀表與系統的出現，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動下，自20世紀80年代中期起，現場總線便應運而生和不斷崛起。 現場總線是應用在生產現場的全數字化、實時、雙向、多節點的數字通信系統。現場總線技術將專用的CPU置入傳統的測控儀表，使它們各自都具有了數字計算和通信能力，即所謂“智能化”；采用可進行簡單連接的雙絞線、同軸電纜等作為聯系的紐帶，把掛接在總線上作為網絡節點的多個現場級測控儀表連接成網絡，并按公開、規范的通信協議，使現場測控儀表之間及其與遠程監控計算機之間實現數據傳輸與信息交換，形成多種適應實際需要的控制系統，即所謂“網絡化”；由于這些網上的節點都是具備智能的可通信產品，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點上獲取，在現場總線控制系統(FCS)的環境下，借助其計算和通信能力，在現場就可進行許多復雜計算，形成真正分散在現場的完整的控制系統，提高了系統的自治性和可靠性。 FCS成為發展的趨勢之一，是它改變了傳統控制系統的結構，形成了新型的網絡集成全分布系統，采用全數字通信，具有開放式、全分布、可互操作性及現場環境適應性等特點，形成了從測控設備到監控計算機的全數字通信網絡，順應了控制網絡的發展要求。 1.2現場總線的新動向—工業以太網 由于現場總線技術具有潛在而巨大的市場前景，在商業利益的驅動下，許許多多的廠家都紛紛投入到現場總線的開發和生產上來，導致現場總線產品五法八門，技術參差不齊，通用性、兼容性極差。這使得現場總線技術的發展速度大大放慢[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場總線轉向Ethernet，用以太網作為高速現場總線框架的主傳。以太網是計算機應用最廣泛的網絡技術，在IT領域已被使用多年，已有廣泛的硬、軟件開發技術支持，更重要的是啟用以太網作為高速現場總線框架，可以使現場總線技術和計算機網絡技術的主流技術很好地融合起來。為了促進Ethernet在工業領域的應用，國際上成立了工業以太網協會，并制定了以太網的全球性標準——以太網/IP標準。該標準使用戶在采用開放的工業應用層網絡的同時，能利用可買到的現成的以太網物理介質和組件，也即由多個供應商所提供的可互操作的以太網產品。隨著網絡技術的發展，以太網應用于工業領域所要面對的網絡可確定性問題、環境適應性問題、包括總線供電和本征安全問題都會迅速得到解決。 2 管理控制一體化 工業自動化領域的另一個發展趨勢是管理控制系統的一體化。 2.1何謂管控一體化 在市場經濟與信息時代的飛速發展中，企業內部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴大，現代工業企業對生產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現場狀態的監視和控制，同時還要求把現場信息和管理信息結合起來。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，把企業的橫向通信(同一層不同節點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯系在一起，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、現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。 2.2現場總線為管控一體化鋪平了道路 企業信息網絡是管控信息集成的基本條件，沒有信息網絡就不可能實現企業橫向和縱向信息的溝通和匯集，建網的目標在于實現全企業范圍內的信息資源共享，以及與外部世界的信息溝通。 水工業和一般企業網絡大致可分為圖1所示的3層，即企業管理層，過程監控層和現場控制層。

Fig.1 water industrial and general intranet Luo statified sketch

管控一體化解決方案中的現場控制層由現場總線設備和控制網段構成，把傳統的集散系統控制站(如水處理企業的PLC分站)的功能分散到了現場總線設備，此時的控制站實際是一個虛擬的控制站。現場總線技術與產品所形成的底層網絡，充分發揮其使測控設備具有通信能力的特點，為控制網絡與通用數據網絡的連接提供了方便。企業信息網絡是管控一體化的基礎，現場總線則為構建管控一體化網絡鋪平了道路；過程監控層由局域網段以及連接在局域網段的擔任監控任務的工作站或控制器組成，現場總線網絡通過現場總線接口與過程監控層相連，或者監控層直接由現場總線來擔當[2]；監控站可以完成對控制系統的組態，執行對控制系統的監控、報警、維護及人機交互等功能；企業管理層由各種服務器和客戶機等組成，用于集成企業的各種信息，實現與Internet的連接，完成管理、決策和商務應用的各種功能。 2.3管控一體化的支持環境與系統集成 基于系統之間橫向數據交換及控制系統與管理層和現場儀表間縱向數據交換日益增加，現場總線的應用越來越廣泛，制造廠商的產品也日益開放。由于多種總線并存已成定局，管控系統建立統一的數據管理、統一的通信、統一的組態和編程軟件的一體化解決方案受到了各廠家的重視。同時，采用分布式網絡系統，采用C/S或B/S結構，可以在實現企業各層次功能模型的同時，實現網絡連接在結構上的簡化，從而形成以實時和關系數據庫為中心的數據集成環境，為實現數據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，系統集成成為實現管控一體化信息系統的中心任務。系統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場總線產品相互連接，并使上層應用與下層現場設備之間完成雙向數據溝通，使之成為一個可以滿足用戶需求的整體。因此，系統集成既包括硬件產品的集成，也包括軟件產品的集成。對硬件集成來說，需要借助網橋、網關溝通總線接口。一般同種總線的網段采用中繼器實現網段的延伸，采用網橋實現不同速率網段之間的連接；不同類型的總線網段之間以及現場總線與以太網等異構網絡之間采用網關實現互連，如公司與生產廠或其他部門距離較遠時，采用公共數據網或電話網來實現局域網的連接，這在水工業的城市污水處理和截流系統、自來水廠站之間及供水管網調度系統等方面也是經常會遇到的問題。因此可以預計，今后這類通信接口產品的應用將會越來越廣泛。從軟件集成來說，通過OPC、ODBC等技術使得不同系統之間的準確、高速、大量的數據交換得以實現，能將實時控制、可視化操作、信息分析、系統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，從而可較為經濟地解決管控系統之間的連接。 3  對水工業自動化發展的思考 綜上所述，現場總線技術的發展，引起了自動化系統結構和自動化控制概念的變革，進一步推動了管控一體化企業信息系統的建立，它集計算機技術、信息技術和自動化技術為一體，成為流程工業自動化發展的趨勢。隨著市場經濟的發展，對企業的生產經營管理提出了更高的要求。特別是信息技術的不斷發展，網絡的普及，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向以現場總線為基礎的管控一體化分布式網絡信息系統過渡是必然的。 要構筑管控一體化網絡，必先以現場總線所形成的底層網絡為基礎，但目前國內對現場總線技術的應用還比較遲緩，原因之一是觀望和等待一個單一的現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也不會改觀；原因之二是現場總線在系統集成上存在困難，條件還不成熟，尤其是由國家支持研制開發的FF總線，其OEM產品的開發和應用也還要假以時日；此外還存在總線產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場總線標準的新的發展動態，同時還應結合水工業