1　控制系統的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò )化

    工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一是控制系統的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò )化，而現場(chǎng)總線(xiàn)的崛起正是這一發(fā)展趨勢的標志。

    1.1現場(chǎng)總線(xiàn)的崛起

    半個(gè)多世紀以來(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、電動(dòng)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(guò)程控制系統，當前我國水工業(yè)自動(dòng)化的主流水平即處于以PLC為基礎的DCS系統階段。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(chēng)，有時(shí)也表示為由制造廠(chǎng)商出售的一個(gè)起完整作用而集成的集散控制系統產(chǎn)品，這種DCS系統相對較為封閉，而目前水工業(yè)自動(dòng)化的DCS系統多數是由用戶(hù)集成的，因此相對較為開(kāi)放。

    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(jìn)步，可以在此基礎上實(shí)現裝置級、車(chē)間級的優(yōu)化和分散控制，但其仍然是一種模擬數字混合系統，從現場(chǎng)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(xiàn)來(lái)實(shí)現。這種信號傳遞關(guān)系稱(chēng)之為信號傳輸，而不是數據通信，難以實(shí)現儀表之間的信息交換，因而呼喚著(zhù)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(guò)渡到徹底的分散控制，正是在這種需求的驅動(dòng)下，自20世紀80年代中期起，現場(chǎng)總線(xiàn)便應運而生，并通過(guò)激烈的市場(chǎng)競爭而不斷崛起。

    現場(chǎng)總線(xiàn)是應用在生產(chǎn)現場(chǎng)的全數字化、實(shí)時(shí)、雙向、多節點(diǎn)的數字通信系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將專(zhuān)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(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線(xiàn)、同軸電纜等作為聯(lián)系的紐帶，把掛接在總線(xiàn)上作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的多個(gè)現場(chǎng)級測控儀表連接成網(wǎng)絡(luò )，并按公開(kāi)、規范的通信協(xié)議，使現場(chǎng)測控儀表之間及其與遠程監控計算機之間實(shí)現數據傳輸與信息交換，形成多種適應實(shí)際需要的控制系統，即所謂“網(wǎng)絡(luò )化”；由于這些網(wǎng)上的節點(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)測量數據)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(gè)節點(diǎn)上獲取，在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)的環(huán)境下，借助其計算和通信能力，在現場(chǎng)就可進(jìn)行許多復雜計算，形成真正分散在現場(chǎng)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(fā)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(wǎng)絡(luò )集成全分布系統，采用全數字通信，具有開(kāi)放式、全分布、可互操作性及現場(chǎng)環(huán)境適應性等特點(diǎn)，形成了從測控設備到監控計算機的全數字通信網(wǎng)絡(luò )，順應了控制網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展要求。

    1.2現場(chǎng)總線(xiàn)的現狀和標準化問(wèn)題

    目前，國內、外的現場(chǎng)總線(xiàn)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)利益的驅動(dòng)下，導致了近年來(lái)制訂現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準大戰。在市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展需要統一的國際標準的呼聲下，修改后的IEC 61158.3～6標準最終于2000年1月4日獲得通過(guò)。該標準包括了8種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)子集，它們分別是：①基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF(原有的技術(shù)規范IEC 61158)；②Control Net；③Profibus；④P―Net；⑤FF HSE；⑥Swift Net；⑦Word FIP；⑧Intferbus。這8種現場(chǎng)總線(xiàn)中，④、⑥是用于有限領(lǐng)域的專(zhuān)用現場(chǎng)總線(xiàn)；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎的控制系統發(fā)展而來(lái)，本質(zhì)上以遠程I/O總線(xiàn)技術(shù)為基礎，通常不具備通過(guò)總線(xiàn)向現場(chǎng)設備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統DCS控制系統發(fā)展而來(lái)，具有總線(xiàn)供電和本征安全功能；①、⑧屬于現場(chǎng)設備級總線(xiàn)，②、⑤屬于監控級現場(chǎng)總線(xiàn)；③、⑦則是包括兩個(gè)層次的現場(chǎng)總線(xiàn)。

    以上8種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)裁決方式。因此，要這8種現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現相互兼容和互操作幾無(wú)可能。面對這種多總線(xiàn)并存的局面，系統集成將面臨更為復雜的任務(wù)，系統集成技術(shù)也將會(huì )有很大的發(fā)展。

    1.3現場(chǎng)總線(xiàn)的新動(dòng)向―工業(yè)以太網(wǎng)

    長(cháng)期以來(lái)的標準之爭，實(shí)際上已延緩了現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展速度。為了加快新一代系統的發(fā)展，人們開(kāi)始尋求新的出路，一個(gè)新的動(dòng)向是從現場(chǎng)總線(xiàn)轉向Ethernet，用以太網(wǎng)作為高速現場(chǎng)總線(xiàn)框架的主傳。以太網(wǎng)是計算機應用最廣泛的網(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)作為高速現場(chǎng)總線(xiàn)框架，可以使現場(chǎng)總線(xiàn)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(lái)。為了促進(jìn)Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域的應用，國際上成立了工業(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)設備網(wǎng)供應商協(xié)會(huì )(ODVA)已經(jīng)發(fā)布了在工廠(chǎng)現場(chǎng)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(hù)在采用開(kāi)放的工業(yè)應用層網(wǎng)絡(luò )的同時(shí)，能利用可買(mǎi)到的現成的以太網(wǎng)物理介質(zhì)和組件，也即由多個(gè)供應商所提供的可互操作的以太網(wǎng)產(chǎn)品。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)應用于工業(yè)領(lǐng)域所要面對的網(wǎng)絡(luò )可確定性問(wèn)題、環(huán)境適應性問(wèn)題、包括總線(xiàn)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)展趨勢是管理控制系統的一體化。

    2.1何謂管控一體化

    在市場(chǎng)經(jīng)濟與信息時(shí)代的飛速發(fā)展中，企業(yè)內部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴大，現代工業(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)現場(chǎng)狀態(tài)的監視和控制，同時(shí)還要求把現場(chǎng)信息和管理信息結合起來(lái)。管控一體化就是建立全集成的、開(kāi)放的、全廠(chǎng)綜合自動(dòng)化的信息平臺，把企業(yè)的橫向通信(同一層不同節點(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)對經(jīng)營(yíng)決策、管理、計劃、調度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現場(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。

    2.2現場(chǎng)總線(xiàn)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(shí)現全企業(yè)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(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)程監控層和現場(chǎng)控制層。

    管控一體化解決方案中的現場(chǎng)控制層由現場(chǎng)總線(xiàn)設備和控制網(wǎng)段構成，把傳統的集散系統控制站(如水處理企業(yè)的PLC分站)的功能分散到了現場(chǎng)總線(xiàn)設備，此時(shí)的控制站實(shí)際是一個(gè)虛擬的控制站?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)品所形成的底層網(wǎng)絡(luò )，充分發(fā)揮其使測控設備具有通信能力的特點(diǎn)，為控制網(wǎng)絡(luò )與通用數據網(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，現場(chǎng)總線(xiàn)則為構建管控一體化網(wǎng)絡(luò )鋪平了道路；過(guò)程監控層由局域網(wǎng)段以及連接在局域網(wǎng)段的擔任監控任務(wù)的工作站或控制器組成，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口與過(guò)程監控層相連，或者監控層直接由現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)?yè)?；監控站可以完成對控制系統的組態(tài)，執行對控制系統的監控、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(hù)機等組成，用于集成企業(yè)的各種信息，實(shí)現與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應用的各種功能。

    2.3管控一體化的支持環(huán)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(chǎng)儀表間縱向數據交換日益增加，現場(chǎng)總線(xiàn)的應用越來(lái)越廣泛，制造廠(chǎng)商的產(chǎn)品也日益開(kāi)放。由于多種總線(xiàn)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(tài)和編程軟件的一體化解決方案受到了各廠(chǎng)家的重視。同時(shí)，采用分布式網(wǎng)絡(luò )系統，采用C/S或B/S結構，可以在實(shí)現企業(yè)各層次功能模型的同時(shí)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接在結構上的簡(jiǎn)化，從而形成以實(shí)時(shí)和關(guān)系數據庫為中心的數據集成環(huán)境，為實(shí)現數據資源共享的目標奠定了基礎。

    如前所述，在多總線(xiàn)并存的局面下，系統集成成為實(shí)現管控一體化信息系統的中心任務(wù)。系統集成是要按照一定的方法和策略將相同或不相同廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品相互連接，并使上層應用與下層現場(chǎng)設備之間完成雙向數據溝通，使之成為一個(gè)可以滿(mǎn)足用戶(hù)需求的整體。因此，系統集成既包括硬件產(chǎn)品的集成，也包括軟件產(chǎn)品的集成。對硬件集成來(lái)說(shuō)，需要借助網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)溝通總線(xiàn)接口。一般同種總線(xiàn)的網(wǎng)段采用中繼器實(shí)現網(wǎng)段的延伸，采用網(wǎng)橋實(shí)現不同速率網(wǎng)段之間的連接；不同類(lèi)型的總線(xiàn)網(wǎng)段之間以及現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)等異構網(wǎng)絡(luò )之間采用網(wǎng)關(guān)實(shí)現互連，如公司與生產(chǎn)廠(chǎng)或其他部門(mén)距離較遠時(shí)，采用公共數據網(wǎng)或電話(huà)網(wǎng)來(lái)實(shí)現局域網(wǎng)的連接，這在水工業(yè)的城市污水處理和截流系統、自來(lái)水廠(chǎng)站之間及供水管網(wǎng)調度系統等方面也是經(jīng)常會(huì )遇到的問(wèn)題。因此可以預計，今后這類(lèi)通信接口產(chǎn)品將會(huì )變得很熱門(mén)，從軟件集成來(lái)說(shuō)，通過(guò)OPC、ODBC等技術(shù)使得不同系統之間的準確、高速、大量的數據交換得以實(shí)現，能將實(shí)時(shí)控制、可視化操作、信息分析、系統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)濟地解決管控系統之間的連接。

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

    3　對水工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的思考

    綜上所述，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統結構和自動(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)信息系統的建立，它集計算機技術(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。隨著(zhù)市場(chǎng)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)展機遇和愈加嚴峻的挑戰，對企業(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)信息系統的建立，將是增強企業(yè)競爭力的重要途徑，問(wèn)題是對于水工業(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)現生產(chǎn)過(guò)程和經(jīng)營(yíng)過(guò)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。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為基礎的集散型控制系統向以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的管控一體化分布式網(wǎng)絡(luò )信息系統過(guò)渡是必然的。

    要構建管控一體化網(wǎng)絡(luò )，必先以現場(chǎng)總線(xiàn)所形成的底層網(wǎng)絡(luò )為基礎，但目前國內對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用還比較遲緩，原因之一是觀(guān)望和等待一個(gè)單一的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的確立，但客觀(guān)事實(shí)是IEC通過(guò)了8種總線(xiàn)標準，估計這種多總線(xiàn)并存的局面在短時(shí)間之內也不會(huì )改觀(guān)；原因之二是現場(chǎng)總線(xiàn)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(kāi)發(fā)的FF總線(xiàn)，其OEM產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應用也還要假以時(shí)日；此外還存在總線(xiàn)產(chǎn)品互操作性的認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)注現場(chǎng)總線(xiàn)標準的新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)還應結合水工業(yè)的具體條件，對諸如如何保護和利用現有資源，對原來(lái)的DCS系統進(jìn)行改造，選用何種總線(xiàn)以及如何組網(wǎng)和系統集成等問(wèn)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(gè)機構，像建設部、科委下屬智能建筑技術(shù)推廣中心的LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)作網(wǎng)一樣，負責跟蹤現場(chǎng)總線(xiàn)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(jìn)水工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的進(jìn)程。