⋯ ⋯ ～ ． ～ 一 ⋯ ～ 一 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ — — 从智能设备到智能工厂
捧 薰鬻警到警簧工厂
摘 要 将工厂的智能设备通过通讯网络与控制设备相连，形成
自动化系统，为建设智能工厂提供了基础。
关键词 智能工厂 现场总线 分布 集成
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随着技术水平的发展和管理要求的提高，在净水厂
和污水厂中使用到的许多设备都出现了智能化的趋势。
从继电保护器、软启动器、变频器等电气元器件，到浊度
计、余氯分析仪、压力变送器等各种仪表，都呈现出内置
微处理器芯片的趋势，这样就大幅度提升了设备的性能
和功能，同时也为很多设备提供了智能通讯能力。
通过一定方式将水厂的智能连接起来，配合自动化
控制系统，借助先进的计算机、通讯技术，在全厂形成一
个完整的、数字化的生产管理体系。这就是所谓 “智能工
厂(Intelligent Plant)”的概念。
1现场总线
对于需要监测、控制的设备，按照以往的方式，为了
将所有的输入输出信号连接到控制柜，需要采用硬接线
的方式，根据信号的类型、电压等级的不同，从该设备引
出若干电缆到控制柜来实现连接。现在，通过智能通讯接
口，使用一对双绞线就可以输入输出该设备的全部状态
和参数信息。
以变频器为例，在净水厂和污水厂的絮凝剂投加、出
厂送水 、中水回用等多处需要调节流量的处理过程中都
会用到变频调速技术。以往对变频器进行监测控制常采
用硬接线的方式，每台变频器直接与控制系统的 I／0端
口进行通讯，包括设备的手自动转换、故障信号、运行状
态、启动命令频率控制以及速度反馈等等，需要占用较多
的 I／0端口，包括昂贵的模拟量 (尤其是模拟量输出)端
口，并需敷设大量的信号电缆，而且即使是这样，也往往
只实现了部分数据的监控，并未充分发挥变频器的各种
智能功能 。
而通过网络通讯端口进行通讯，只需要一对双绞线，
就可完成电机停止、正转启动、反转启动、步进正转、步进
反转、外部故障、频率设定、写入参数、读出参数、读出变
频器状态等等各种操作，并且可以提供该设备的型号、生
产厂商、出厂日期等信息，在节省大量硬件与安装成本的
同时能完成对变频器的全面的监视与控制。多台变频器
可以串接在同一个网络上通讯。
在智能化设备的通讯连接中，现场总线扮演了一个
张 虎(中国市政工程成都设计院)
至关重要的角色。现场总线是将现场仪表与控制室内仪
表连接起来的全数字化、双向、多站点的通信网络，用数
字信号取代模拟信号，提高系统的可靠性、精确度和抗干
扰能力，延长信息传输距离。
现场总线网络每一节点都装有一台智能化设备，包括
仪表、传感器、执行器和控制装置，这些仪表和装置都遵循
统一的标准和规范，按照系统化和开放型的要求，实现数
字化、智能化和标准化，同时增加了远程操作、故障自诊断
和本地控制功能，构成新一代自动化仪表与控制系统先进
体系。该体系在沿用分布式系统结构和分散控制原理的同
时，又有许多新的特点和优势，是分散型控制系统的继承、
延伸和发展，更适合工厂综合自动化的要求。
基于现场总线的控制系统具有以下特点：
采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少
大量导线，提高可靠性和抗干扰能力
采用统一的国际标准，不同厂家产品相互兼容，整个
系统具有开放性，便于操作、维护和扩展
控制功能下放到现场设备中，控制室内装置主要完
成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动
化等功能
硬件相对简化，初期系统投资相对较低，建成后的运
行维护费用更是大大减少。现场总线可提供来自现场仪
表的设备管理数据作为维护的参考，将非正常停工损失
降为最低。
采用智能通讯系统，有一个很大的优点，就是不但能
传输通常的开关量、模拟量，还能提供智能设备的附加信
息，诸如产品型号、制造厂家、出厂日期甚至仪表量程等
数据，这样的信息可以直接用于全厂的管理信息系统，较
之人工的记录，具有准确、全面、及时，且不可被修改的优
点，设备发生变动时，诸如修理、替换等，计算机系统立即
就能检测到，并触发相应的登记或报警处理。
2智能设备的分布与集成
水厂智能设备的组成方式，有“分布”与“集成”两种。
所谓分布，是指通过数据通讯线路，可以把分散在厂
区或车间各处的智能设备连接起来，形成一个整体系统。
采用分布的思想，可以在设计时将设备放置在接近现场
的位置，提高可靠性，优化方案。
分布不但是指智能监测 、执行设备在物理位置上的
分散；另外还包括一是控制设备的分散。实际上，参照比
较计算机技术的发展趋势，随着半导体技术的进步，集成
自动 化蕾 111 AUTOMATION INFORMATION
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芯片的功能愈来愈强大，体积却愈来愈微型化，导致原属
于大型机处理的事务交给小型机，再交给微型机来完成。
对于水厂的控制设备 (在现阶段应用中占主导地位的控
制设备就是可编程控制器，PLC)而言，同样呈现出体积小
型化、安装位置向现场工作设备贴近的趋势。这样，控制
系统在出现故障时就将影响局限在一个较小的范围，提
高了整体的运行稳定性。
集成则是将功能部件与自动化器件综合设计、制造成
一 体化的设备，在设备内配置智能通讯借口，使之成为智
能化设备，达到增强功能、提高可靠性和降低造价目的。
例如水厂常用的泵阀控制箱，其内部使用了的转换
开关、继电器等分离元件，只能通过 I／O接线的方式与自
控系统相连，但是采用集成设计的思路，我们可以将小型
PLC或者 PLC的远程 I／0模块置于控制箱中，其I／0接
线就仅限于箱内了，从控制箱到车间或中控 自动化系统
之间则是网络通讯方式，从外部看，整个泵阀控制箱就是
一 台智能化设备。
通过分布和集成两种方式，从两个不同的方向互相
补充地完善了工厂的自动化检测控制系统。
3现场总线和各类设备的设计考虑
3．1 现场总线
现场总线标准众多，各个设备的厂商依据的标准和
通讯协议是不尽相同的。其中，MODBUS、DeviceNet、
PROFIBUS、HART以及 TONworks、CANBUS等开放的现场
总线协议获得了众多厂家的广泛支持，其他一些通讯协
议大多只是单个厂家使用，但是即使是广泛使用的通讯
协议，其产品线也远远不能涵盖水厂中所用到的各类设
备。设备生产厂家也意识到短期内不可能实现现场通讯
的统一，因而在同一种产品中往往提供多种通讯方式可
供选择，其中，有较多产品支持基于 RS232／RS485的
ASCII字符通讯方式。
水厂 自动化监控 系统中的计算机和 PLC都带有
RS232／RS485接口，该接口是可编程的，适用于与不同厂
商的产品进行数据通讯。因此，购买或开发针对相应产品
的通讯程序，计算机和 PLC自动化系统就可以完成对设
备的数据采集与控制。
从工程建设与运行维护的实际可行性考虑，一个厂
里的现场总线的种类不应过多，一般来说，以不超过两种
为宜；否则，从备品备件到使用、维护等诸方面都需要花
费较多的人力、物力资源。
3．2 压力、物位、流量变送器
监测现场压力、物位、流量等参数的变送器一般都输
出标准 4～20mA信号 ，较新的型号都 可以选择带有
HART协议，该协议将数字信号调制叠加到模拟信号上，
2003年 12月 第 6册 总第36册
从智能设备到智能工厂
设计时需要配置 HART信号转换器。功能较强的流量计
也可能会提供 PROFIBUS等接口，如果选用，需要与其他
分析仪表一并考虑网络连接。
3．3 水质分析仪表
水厂中会使用到各类分析仪表，检测的参数包括酸
碱度、浊度、余氯、游动电流、氨氮、色度、溶解氧、氧化还
原电位、污泥浓度、生物需氧量、化学需氧量等等，除了在
线实时检测仪表，还包括化验仪表。众多的仪表提供的通
讯方式也是多种多样的，总的来说 ，欧洲制造商使用
PROFIBUS、RS232／RS485的居多，美国制造的产品则多
数是 MODBUS、RS232／RS485接口，国内生产的仪表带有
智能通讯接口的还不多。
3．4 执行机构
电动执行机构用于阀门、泵等装置，其通讯接口包括
RS232／RS485、MODBUS、CANBUS等。
3．5 高低压配电柜、电机控制中心(MCC)
随着技术水平和制作工艺的提高，高低压配电柜、电
机控制柜的柜内环境，包括密封、温度等条件已经有了很
大的改善，完全满足放置智能电子设备的要求。如上文所
述的泵阀控制箱，可以在电气箱柜中配置小型 PLC或者
远程 I／0模块；同时，柜内的断路器、电量参数综合监测
器、多功能保护继电器、变频器、软启动器等元器件现在
已经可以选配通讯接口。在这样的方案中，电气设备就比
较全面、完整的与自控系统集成在一起。
4结束语
“智能工厂”是当今工厂在设备智能化、管理现代化、
信息计算机化的基础上达到的新的阶段 ，其内容不但包
含上述的智能设备和自动化系统的集成，还涵盖了企业
管理信息系统 (MIS)的全部内容，包括人事系统、财务系
统、销售系统、调度系统等方面。其实现绝不是可以一蹴
而就的
如果整个企业中消除了 “信息荒原”和 “信息孤岛”，
所有的信息都正确的出现在需要的地方，那么就可以说
“智能工厂”初步实现了。
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张 嚏 男，生于 1958年 ，高级工程师，技术专长为 自控工程
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