现场总线应用于水处理现场
0 引言
改革开放以来，我国通过外国政府及世行贷款等项目，引进了国际上较先进的水处理自动化控制理念和技术。经过10多年的努力，以PLC构成的集散监控系统已成为水处理自动化的主流。经验证明，这样的控制系统对水处理工业来说是安全、可靠和经济适用的。随着PLC技术性能的不断提升，向来以采用DCS系统为主的化工、冶金行业也在争论是采用DCS或是DCS与PLC的混合系统，还是全PLC系统的问题。随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，现场总线技术成为当今世界自动化领域的新起点。面对现场总线技术的崛起，水处理自动化控制技术还要不要向前发展了呢?回答是肯定的。问题是1999年现场总线技术标准IEC 61158的尘埃落定，有8种总线成为IEC现行的现场总线技术标准，人们所期望的由一种现场总线一统天下的局面并未发生。IEC 61158将最终选择权推给了用户，如何应用现场总线成为从事水处理自动化工作的技术人员正在思考的一个问题。
1 对应用现场总线问题的几点看法
1.1 现场总线是自动化技术发展的必然趋势
一个典型的企业网络信息集成系统可以分成三层结构：控制网infranet、企业内部网 int ranet和全球信息互联网 internet。就企业的控制网来说，传统的自动化监控及信息集成系统(包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统)，其主要特点是现场设备与控制站之间采用一对一连线的所谓I/O连接方式，用电压、电流的模拟信号进行测控，是一个模拟与数字混合系统，其缺点是：
(1)信息集成能力不强。控制站所获取的管理信息有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换与信息共享。
(2)系统不开放，可集成性差，不同厂家产品之间缺乏互操作性和互换性。
(3)可靠性不易保证。只是将控制分散到若干局部，而未能实现危险的彻底分散。大量I/O电缆敷设施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性。
(4)可维护性不高。由于现场设备信息不全，其在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
随着计算机、微处理器、网络等技术的飞速发展，内置CPU的智能现场设备集检测与控制于一体，增强了就地处理能力，使得控制功能完全下放到现场。现场总线位于生产控制和网络结构的底层，是用于现场设备与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的串行通信的数据总线。开放的、统一的全数字网络通信技术实现了现场设备的互联，形成了现场总线式全分布集成网络控制系统(FCS)。FCS将控制站、可通信智能现场设备以及其他信息资源作为企业网络中的节点，使非控制信息(管理信息)大大增加，从而为企业从过程控制走向过程管理，也即为企业构建管控一体化铺平了道路，促进了企业网络化进程，也为控制网络与公用数据网络的一体化，实现产供销最优起到了促进作用。因此，FCS是自动化技术发展的必然趋势。
1.2 现场总线的应用要着眼于控制技术的发展，不能为了应用而应用
在信息技术飞速发展的现阶段，我们的立足点应当高一点。不仅要考虑目前市场份额的因素，更宜从技术发展的角度来做出评估和判断。IEC 61158标准不得不采纳多种类型总线标准的根本原因通常认为有二：一是认为没有单一的标准可以从技术和经济角度同时满足不同类型和不同层次应用的需要，因此，从市场角度看不同类别的现场总线并无高低优劣之分；二是认为纯属商业竞争的结果。笔者更倾向于认为后者才是最重要的原因。按广义现场总线的观点可将总线划分为位总线(传感器执行器总线)、设备总线和信息流总线。这样的划分也许并不错，但问题是不能模糊了现代现场总线与古典现场总线之间的本质区别。从技术角度看，各种现场总线由于其发展的背景和应用的目的不同，技术上是存在差异的。例如作为现场总线关键性技术的网络通信技术，目前存在的若干种现场总线其通信方式主要是建立在三种基本的通信模式之上，即客户/服务器型；主/从型；生产者/消费者型。三种通信方式中前两者均为一对一、点对点的通信，后者则是一对多的通信方式，它们在通信的实时性、效率及网络结构灵活性等方面是不相同的。目前现场总线中，既有采用单一模式的，也有采用多种模式相结合以增强其通信能力，满足不同需要的，例如FF总线即是典型的三种基本通信模式相结合的总线，分别将其应用于非周期量通信和准确周期量通信，以提高网络结构的灵活性和安全性。总之，不同的现场总线尽管占有其一定的市场份额，但在技术上各有特点。因此，用户是从广义总线的角度出发，采用按系统的不同部分选用不同的总线即多层次总线呢还是在条件成熟时选用单一总线，是一个需要慎重考虑的问题。
1.3 现场总线不排斥远程I/O，但也只是权宜之计
仅将总线送到远程I/O是DCS、PLC技术早已解决的问题，在IEC 61158标准中，有些现场总线本身就是由PLC控制系统发展而来，是以远程I/O总线技术为基础的。前面说过，PLC(包括 DCS)加上安装在现场的分布式I/O，其经济性是明显的，特别是对一些简单的现场设备，所以总线系统并不排斥远程I/O，但这绝不等于"现场总线"。现场总线系统的本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场设备，这些可通信智能现场设备所构成的网络节点，不仅具有竖向(与系统)通信也具有横向(节点之间)通信的能力。"现场"的概念不仅指距离，更主要的是指可通信的智能化设备。如果仅用远程I/O转换，那就失去现场总线多信息和丰富诊断管理控制功能的灵魂。由于目前现场总线的智能现场设备品种还不丰富，有时将远程I/ O和现场总线混为一谈也只是权宜之计而已。
1.4 FCS与DCS、PLC目前应是共存而非取代
FCS是在传统的仪表控制系统和集散控制系统的基础上利用现场总线技术逐步发展形成的，目前仍然使用着大量的模拟仪表、DCS和PLC。根据现状，现场总线式智能仪表还不可能完全取代模拟仪表，FCS也不可能完全取代DCS和PLC，这里存在一个过渡期。我国现在还处于开发现场总线的初始阶段，普遍应用现场总线的条件还不成熟，主要是标准的确定和产品( 主要是国内产品)的支持率等方面问题。因此，从用户角度而言，大可不必太着急。在过渡期内的水处理自动化仍可坚持采用由PLC构成的低成本分布式网络控制系统，只是在组网上应更加灵活，控制分站的数目不必过于拘泥，远程I/O应得到更好的应用，以缩短模拟信号传输路径，尽量延长数字通信距离。为利于今后发展，最好是选用支持多主从系统并具有广泛支持率的PLC通信总线，以便在有条件的时候，以现场设备的通信接口取代分布式I/O接入系统。IEC 61158包含了8种类型的现场总线标准，另外还有其他国际或国家标准的现场总线，如CAN、Lon Works等。这种多总线并存的情况是过渡期的一个重要特点，也因此而促成了现场总线集成技术的发展，其系统和网络的软、硬件集成技术及产品的开发研制已成为当今自动化领域的一个热门课题，有的产品已开发成功。因此，现在采用PLC系统应不必担心今后与FCS系统在通信协议上的兼容问题。
1.5 信息需求量的增加将推动现场总线与以太网相结合
随着各种智能现场设备产品的丰富和应用以及工业管理自动化的深入，有资料认为在未来数年里，估计信息量还要再增加10～30倍。管理者根据经营管理的需要，希望得到更多的实时信息，并通过建立开放的信息管理系统去实现信息的交流与共享。因此，随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满足于几个字节。信息需求量的不断增加，将推动现场总线技术的发展，因此有人认为，以太网向控制系统底层延伸是必然的，也是我们在选择现场总线时应注意到的一个问题。
1.6 现场总线标准的统一是必然的
这种预言也许为时尚早，但无论如何从用户角度看，多种总线并立决不是一件好事。如前所说，由于这些现场总线采用完全不同的通信协议，要解决这些不同标准系统之间的相互兼容和互操作问题，就必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。统一的TCP/IP协议使得In ternet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为不同协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望，许多现场总线组织正致力于发展Ethernet/IP技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络不仅使现场层、控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层面的集成成本。当然，要使工业以太网最终成为统一的总线标准还有许多技术问题有待解决(如总线供电、本征安全等)，但并非是不可能的。
2 结语
综上所述，现场总线技术适应了控制向智能化、分散化、网络化以及标准化发展的潮流，是建立企业信息网络，实现管控一体化的基础，因此成为自动化技术发展的热点。但多种总线的利益之争，实际上已阻碍和延缓了FCS技术在我国的应用。面对多总线并立的局面，作为应用现场总线技术和产品的用户来说，在目前的过渡期中，如何选择现场总线应是一个要审慎考虑的问题。本文所谈的一些看法未必正确，正因为如此，笔者建议国家水工业的管理和技术研究中心成立一个象建设部科技委下属智能建筑技术推广中心的Lon Works现场总线协作网一样的机构，主要负责跟踪现场总线技术的发展，信息技术交流，指导行业对这一新技术的推广和应用，并在此基础上制定我国水处理自动化技术的标准与规范，推动水处理自动化技术的发展。
改革开放以来，我国通过外国政府及世行贷款等项目，引进了国际上较先进的水处理自动化控制理念和技术。经过10多年的努力，以PLC构成的集散监控系统已成为水处理自动化的主流。经验证明，这样的控制系统对水处理工业来说是安全、可靠和经济适用的。随着PLC技术性能的不断提升，向来以采用DCS系统为主的化工、冶金行业也在争论是采用DCS或是DCS与PLC的混合系统，还是全PLC系统的问题。随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，现场总线技术成为当今世界自动化领域的新起点。面对现场总线技术的崛起，水处理自动化控制技术还要不要向前发展了呢?回答是肯定的。问题是1999年现场总线技术标准IEC 61158的尘埃落定，有8种总线成为IEC现行的现场总线技术标准，人们所期望的由一种现场总线一统天下的局面并未发生。IEC 61158将最终选择权推给了用户，如何应用现场总线成为从事水处理自动化工作的技术人员正在思考的一个问题。
1 对应用现场总线问题的几点看法
1.1 现场总线是自动化技术发展的必然趋势
一个典型的企业网络信息集成系统可以分成三层结构：控制网infranet、企业内部网 int ranet和全球信息互联网 internet。就企业的控制网来说，传统的自动化监控及信息集成系统(包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统)，其主要特点是现场设备与控制站之间采用一对一连线的所谓I/O连接方式，用电压、电流的模拟信号进行测控，是一个模拟与数字混合系统，其缺点是：
(1)信息集成能力不强。控制站所获取的管理信息有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换与信息共享。
(2)系统不开放，可集成性差，不同厂家产品之间缺乏互操作性和互换性。
(3)可靠性不易保证。只是将控制分散到若干局部，而未能实现危险的彻底分散。大量I/O电缆敷设施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性。
(4)可维护性不高。由于现场设备信息不全，其在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
随着计算机、微处理器、网络等技术的飞速发展，内置CPU的智能现场设备集检测与控制于一体，增强了就地处理能力，使得控制功能完全下放到现场。现场总线位于生产控制和网络结构的底层，是用于现场设备与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的串行通信的数据总线。开放的、统一的全数字网络通信技术实现了现场设备的互联，形成了现场总线式全分布集成网络控制系统(FCS)。FCS将控制站、可通信智能现场设备以及其他信息资源作为企业网络中的节点，使非控制信息(管理信息)大大增加，从而为企业从过程控制走向过程管理，也即为企业构建管控一体化铺平了道路，促进了企业网络化进程，也为控制网络与公用数据网络的一体化，实现产供销最优起到了促进作用。因此，FCS是自动化技术发展的必然趋势。
1.2 现场总线的应用要着眼于控制技术的发展，不能为了应用而应用
在信息技术飞速发展的现阶段，我们的立足点应当高一点。不仅要考虑目前市场份额的因素，更宜从技术发展的角度来做出评估和判断。IEC 61158标准不得不采纳多种类型总线标准的根本原因通常认为有二：一是认为没有单一的标准可以从技术和经济角度同时满足不同类型和不同层次应用的需要，因此，从市场角度看不同类别的现场总线并无高低优劣之分；二是认为纯属商业竞争的结果。笔者更倾向于认为后者才是最重要的原因。按广义现场总线的观点可将总线划分为位总线(传感器执行器总线)、设备总线和信息流总线。这样的划分也许并不错，但问题是不能模糊了现代现场总线与古典现场总线之间的本质区别。从技术角度看，各种现场总线由于其发展的背景和应用的目的不同，技术上是存在差异的。例如作为现场总线关键性技术的网络通信技术，目前存在的若干种现场总线其通信方式主要是建立在三种基本的通信模式之上，即客户/服务器型；主/从型；生产者/消费者型。三种通信方式中前两者均为一对一、点对点的通信，后者则是一对多的通信方式，它们在通信的实时性、效率及网络结构灵活性等方面是不相同的。目前现场总线中，既有采用单一模式的，也有采用多种模式相结合以增强其通信能力，满足不同需要的，例如FF总线即是典型的三种基本通信模式相结合的总线，分别将其应用于非周期量通信和准确周期量通信，以提高网络结构的灵活性和安全性。总之，不同的现场总线尽管占有其一定的市场份额，但在技术上各有特点。因此，用户是从广义总线的角度出发，采用按系统的不同部分选用不同的总线即多层次总线呢还是在条件成熟时选用单一总线，是一个需要慎重考虑的问题。
1.3 现场总线不排斥远程I/O，但也只是权宜之计
仅将总线送到远程I/O是DCS、PLC技术早已解决的问题，在IEC 61158标准中，有些现场总线本身就是由PLC控制系统发展而来，是以远程I/O总线技术为基础的。前面说过，PLC(包括 DCS)加上安装在现场的分布式I/O，其经济性是明显的，特别是对一些简单的现场设备，所以总线系统并不排斥远程I/O，但这绝不等于"现场总线"。现场总线系统的本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场设备，这些可通信智能现场设备所构成的网络节点，不仅具有竖向(与系统)通信也具有横向(节点之间)通信的能力。"现场"的概念不仅指距离，更主要的是指可通信的智能化设备。如果仅用远程I/O转换，那就失去现场总线多信息和丰富诊断管理控制功能的灵魂。由于目前现场总线的智能现场设备品种还不丰富，有时将远程I/ O和现场总线混为一谈也只是权宜之计而已。
1.4 FCS与DCS、PLC目前应是共存而非取代
FCS是在传统的仪表控制系统和集散控制系统的基础上利用现场总线技术逐步发展形成的，目前仍然使用着大量的模拟仪表、DCS和PLC。根据现状，现场总线式智能仪表还不可能完全取代模拟仪表，FCS也不可能完全取代DCS和PLC，这里存在一个过渡期。我国现在还处于开发现场总线的初始阶段，普遍应用现场总线的条件还不成熟，主要是标准的确定和产品( 主要是国内产品)的支持率等方面问题。因此，从用户角度而言，大可不必太着急。在过渡期内的水处理自动化仍可坚持采用由PLC构成的低成本分布式网络控制系统，只是在组网上应更加灵活，控制分站的数目不必过于拘泥，远程I/O应得到更好的应用，以缩短模拟信号传输路径，尽量延长数字通信距离。为利于今后发展，最好是选用支持多主从系统并具有广泛支持率的PLC通信总线，以便在有条件的时候，以现场设备的通信接口取代分布式I/O接入系统。IEC 61158包含了8种类型的现场总线标准，另外还有其他国际或国家标准的现场总线，如CAN、Lon Works等。这种多总线并存的情况是过渡期的一个重要特点，也因此而促成了现场总线集成技术的发展，其系统和网络的软、硬件集成技术及产品的开发研制已成为当今自动化领域的一个热门课题，有的产品已开发成功。因此，现在采用PLC系统应不必担心今后与FCS系统在通信协议上的兼容问题。
1.5 信息需求量的增加将推动现场总线与以太网相结合
随着各种智能现场设备产品的丰富和应用以及工业管理自动化的深入，有资料认为在未来数年里，估计信息量还要再增加10～30倍。管理者根据经营管理的需要，希望得到更多的实时信息，并通过建立开放的信息管理系统去实现信息的交流与共享。因此，随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满足于几个字节。信息需求量的不断增加，将推动现场总线技术的发展，因此有人认为，以太网向控制系统底层延伸是必然的，也是我们在选择现场总线时应注意到的一个问题。
1.6 现场总线标准的统一是必然的
这种预言也许为时尚早，但无论如何从用户角度看，多种总线并立决不是一件好事。如前所说，由于这些现场总线采用完全不同的通信协议，要解决这些不同标准系统之间的相互兼容和互操作问题，就必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。统一的TCP/IP协议使得In ternet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为不同协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望，许多现场总线组织正致力于发展Ethernet/IP技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络不仅使现场层、控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层面的集成成本。当然，要使工业以太网最终成为统一的总线标准还有许多技术问题有待解决(如总线供电、本征安全等)，但并非是不可能的。
2 结语
综上所述，现场总线技术适应了控制向智能化、分散化、网络化以及标准化发展的潮流，是建立企业信息网络，实现管控一体化的基础，因此成为自动化技术发展的热点。但多种总线的利益之争，实际上已阻碍和延缓了FCS技术在我国的应用。面对多总线并立的局面，作为应用现场总线技术和产品的用户来说，在目前的过渡期中，如何选择现场总线应是一个要审慎考虑的问题。本文所谈的一些看法未必正确，正因为如此，笔者建议国家水工业的管理和技术研究中心成立一个象建设部科技委下属智能建筑技术推广中心的Lon Works现场总线协作网一样的机构，主要负责跟踪现场总线技术的发展，信息技术交流，指导行业对这一新技术的推广和应用，并在此基础上制定我国水处理自动化技术的标准与规范，推动水处理自动化技术的发展。
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