應(yīng)用現(xiàn)場總線需注意的若干問題

　　一、概述
　　
　　總線（bus）的概念由來已久，但現(xiàn)場總線（fieldbus）的出現(xiàn)卻在1984年。它的出現(xiàn)絕不是偶然的，而是出于當(dāng)時用戶的需要，制造商之間的競爭和受到國家有關(guān)安全、保健和環(huán)境保護(hù)等規(guī)程或法令的約束；并在計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展到一定程度后才產(chǎn)生的。因此用戶的需要是產(chǎn)生現(xiàn)場總線的動力，而上述三種技術(shù)則為研究開發(fā)現(xiàn)場總線提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　
　　1．什么是現(xiàn)場總線
　　
　　現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種開放式、全數(shù)字化、雙向通信與多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場總線在企業(yè)網(wǎng)（intranet）內(nèi)僅處于zui低層的控制系統(tǒng)（infranet）。
　　
　　2．用戶為什么需要現(xiàn)場總線
　　
　　用戶需要開放式的控制系統(tǒng)。1975年出現(xiàn)的DCS（分散型控制系統(tǒng)）和隨后不久出現(xiàn)的PLC（可編程控制器）都屬于封閉式的控制系統(tǒng)，每家DCS或PLC制造廠的產(chǎn)品都有各自的硬件和軟件構(gòu)成自己產(chǎn)品的體系，其中多少都含有自己的技術(shù)，彼此封鎖，只能通過網(wǎng)關(guān)等接口才能與其他廠商的系統(tǒng)進(jìn)行通信。由于廠商不論大小，都有其獨到之處，因此用戶需要開放式的控制系統(tǒng)，以便擇優(yōu)選擇不同公司的產(chǎn)品（變送器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)），以達(dá)到其*的集成。
　　
　　用戶為了降低企業(yè)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量以增加企業(yè)的競爭能力，不得不擴(kuò)大其生產(chǎn)規(guī)模、強(qiáng)化其生產(chǎn)過程，同時為了保證安全生產(chǎn)和達(dá)到環(huán)保的要求，使檢測的點數(shù)和控制回路急劇上升，以鋼鐵企業(yè)煉鐵生產(chǎn)的高爐為例，其冶煉容積已達(dá)4000m3以上，檢測和控制的點數(shù)也超過了5000點。如此眾多的檢測信號匯集到DCS的人口處，不可避免地會出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象，導(dǎo)致信號堵塞，降低了系統(tǒng)的安全性與可靠性。而且如此大量點到點的電纜，不但增加了線路敷設(shè)設(shè)計的難度和施工的復(fù)雜性，同時也提高了投資和安裝、調(diào)試與維護(hù)的費用。因此，用戶迫切需要現(xiàn)場總線與智能化的現(xiàn)場儀表，以便將80％的控制功能下放到現(xiàn)場儀表，減少DCS處理信息的壓力，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與安全性，同時也可減少電纜及其相關(guān)費用。
　　
　　3．現(xiàn)場總線有哪些特點
　　
　　現(xiàn)場總線有以下幾個特點
　　
　　（1）開放性；
　　
　?。?）可互操作性與可互換性；
　　
　　（3）全數(shù)字化，不像DCS那樣需A/D或D/A變換；
　　
　?。?）雙向通信，不像DCS那樣，只能單向通信；
　　
　?。?）智能化的現(xiàn)場儀表。
　　
　　4．現(xiàn)場總線有哪些好處
　　
　　（1）可以減少1／2~2／3的隔離器、端子柜、I／O終端、I／O卡件、I／O文件及I／O柜子，這樣就節(jié)省了I／O裝置及裝置室的空間。
　　
　?。?）由于免去了D／A及A／D變換，使精度可以從±0．5％提高到土0．1％。
　　
　　（3）可以減少電纜的用量，費用可以節(jié)省66％或更多。
　　
　　（4）可以產(chǎn)生*的、智能化現(xiàn)場儀表，如多變量變送器和執(zhí)行器，使維修預(yù)報（predicedmaintenance）成為可能。
　　
　?。?）由于可以將PID功能植入到變送器或執(zhí)行器中去，使控制周期大為縮短。目前可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2~3次增加到每秒調(diào)節(jié)10~20次，從而改善了調(diào)節(jié)性能。
　　
　　（6）由于免除了主機(jī)人口處的“瓶頸”現(xiàn)象，可以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性；同時也可使主機(jī)騰出手來從事優(yōu)化等工作以提益。
　　
　?。?）組態(tài)簡單，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡便。
　　
　?。?）用戶可以自己擇優(yōu)選擇，達(dá)到*集成。
　　
　　5．現(xiàn)場總線的意義
　　
　　現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，給控制領(lǐng)域帶來了又一次革命，但其深度與廣度將超過歷*的任何一次，將開創(chuàng)自動化的新紀(jì)元。基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS（fIeldbuscontrolsystem）zui后將取代傳統(tǒng)的DCS。
　　
　　6．現(xiàn)場總線目前有多少種類型的標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　環(huán)繞著爭奪現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的大戰(zhàn)，持續(xù)了16年之久。屢經(jīng)磨難與挫折，先后經(jīng)過9次投票表決，都是功虧一簣而未能通過。zui后通過協(xié)商、妥協(xié)，于1999年底IECTC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會）通過了8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。8種類型分別為：
　　
　　類型1IEC技術(shù)報告（即FF的H1）
　　
　　類型2ControlNet（美國Rockwell公司支持）
　　
　　類型3Profibus（德國西門子公司支持）
　　
　　類型4P-Net（丹麥ProcessData公司支持）
　　
　　類型5FFHSE（即原FF的H2Fisher-Rosemount公司支持）
　　
　　類型6SwiftNet（美國波音公司支持）
　　
　　類型7WorldFip（法國Alstom公司支持）
　　
　　類型8Interbus（德國PhoenixContact公司支持）
　　
　　再加上IECTC17B通過的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，他們分別為SDS（SmartDistributedSystem），ASI（AtuatorSensorInterface）與DeviceNet。此外ISO還有一個ISO11898的CAN（ControlAreaNetwork）。所以一共有12種之多。
　　
　　7．目前的狀況
　　
　　除了有12種標(biāo)準(zhǔn)外，還有歐洲標(biāo)準(zhǔn)，而世界上其他國家還各有其國家標(biāo)準(zhǔn)，如英國的ERA，挪威的FINT等，一些國外的大公司還推出自己的標(biāo)準(zhǔn)，如日本三菱的CC-LINK，Shneider公司的Modbus加上以太網(wǎng)等。
　　
　　與此同時，上一些公司與組織正在緊鑼密鼓地進(jìn)行用以太網(wǎng)（ethernet）來做現(xiàn)場總線的研究與開發(fā)工作。
　　
　　8．現(xiàn)場總線的局限性
　　
　　現(xiàn)場總線固然會給用戶帶來效益，但它還終究處于企業(yè)網(wǎng)的zui低層，局部雖有效益，但有時卻不能為企業(yè)帶來整體效益。因此，現(xiàn)場總線必須與企業(yè)管理自動化（如采用ERP…）相結(jié)合。也就是所謂的管控一體化。
　　
　　二、應(yīng)用現(xiàn)場總線需注意的若干問題
　　
　　現(xiàn)場總線既然有眾多的優(yōu)點，而且已日益受到人們的重視，有的已開始應(yīng)用，但根據(jù)目前的情況，特提出以下11個問題，供應(yīng)用時參考。
　　
　　1．關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)的制定對推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展，保護(hù)制造廠商和用戶的利益是*的，回顧自動化領(lǐng)域內(nèi)制定的信號制標(biāo)準(zhǔn)，也可以說明這一點。如三四十年代的氣動儀表，其標(biāo)準(zhǔn)為0.2~1.0kgf／cm2；進(jìn)入60年代，電動單元組合儀表開始盛行，當(dāng)時的信號制頗為混亂，有0~10mA，0~20mA，4~20mA和5~25mA等。當(dāng)時我國的電動單元組合儀表DDZ-I型的信號制采用了德國的國家標(biāo)準(zhǔn)0~10mA作為我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，但到了1975年，標(biāo)準(zhǔn)定為4~20mA時，我國的國家標(biāo)準(zhǔn)也不得不改為4~20mA了，因此，DDZ-Ⅲ型電動單元組合儀表也不得不改為4~20mA。0~10mA固然有便于模擬運(yùn)算的優(yōu)點，但4~20mA也有當(dāng)變送器信號線斷裂時，有便于覺察的優(yōu)點，但不管怎么樣，標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)確定，電動單元組合儀表就有了很大的發(fā)展。
　　
　　這種標(biāo)準(zhǔn)的變動給我國的儀表制造廠商、設(shè)計院和用戶帶來了很大的不便，也遭受到一定的損失，所以歷史的經(jīng)驗值得注意。
　　
　　目前現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)已有12種之多，而且還有增加的趨勢，至于世界各國，各個大型廠商的標(biāo)準(zhǔn)則更多，其中頗不乏*。這種現(xiàn)象不但是的，而且也是極不正常的，造成的后果是不論制造廠商也好，用戶也好，面對眾多的標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時往往感到困惑而無所適從。所以說，多標(biāo)準(zhǔn)實質(zhì)上是沒有標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　2．開放性
　　
　　采用開放式的控制系統(tǒng)對用戶來說是受歡迎的，因為世界上，廠無大小，其中不乏價廉物美，性能*而服務(wù)又周到的產(chǎn)品，用戶可以擇優(yōu)選擇從而達(dá)到*的集成。由于傳統(tǒng)的DCS或PLC屬于封閉式的系統(tǒng)，而新一代的FCS（FieldbusControlSystem）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)屬于開放式的系統(tǒng)，因此它一出現(xiàn)，便受到廣大用戶的青睞。但是，各種現(xiàn)場總線對他自己本身來講雖然是開放的，但異種現(xiàn)場總線之間卻是不開放的。
　　
　　多種現(xiàn)場總線的并存，顯然是有違于當(dāng)初開發(fā)現(xiàn)場總線的初衷。
　　
　　多種開放的現(xiàn)場總線與市場上多種封閉式的DCS或PLC相比，究竟有多大的差別呢?
　　
　　3．互操作性
　　
　　現(xiàn)場總線的主要特點之一具有可互操作性（interoperable），但異種現(xiàn)場總線之間是不存在可互操作性的。雖然它們可以通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，或者通過OPC（OLEforProcessControl）協(xié)議進(jìn)行互操作，但這種互操作只能在各自的主機(jī)間進(jìn)行，不能在彼此的現(xiàn)場儀表之間直接進(jìn)行，也就是說甲種現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表不能與乙種現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表直接進(jìn)行互操作，而甲種現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表必須先通過自己的主機(jī)，再借助于OPC協(xié)議到達(dá)乙種現(xiàn)場總線的主機(jī)，再下達(dá)到乙種現(xiàn)場總線現(xiàn)場儀表的目的地。反之亦然。
　　
　　這種互操作必須通過上述的曲折途徑才能實現(xiàn)，這對于實時控制（realtimecontrol）所要求的實時性來講，顯然是不能滿足的，因此也是沒有實際意義的。
　　
　　4．時間上的確定性
　　
　　各種現(xiàn)場總線在通信上也不*相同，主要有二種形式，即主一從（master-slave）式及廣播式，當(dāng)然他們各有其特點。但在時間的確定性（timedeterministic）上，嚴(yán)格地講是有區(qū)別的，當(dāng)然對于那些變化緩慢的工業(yè)過程對象來講，由于他們的差別并不大，因而是可以忽略不計的，但對于那些特殊對象，則是非常敏感的，例如發(fā)電廠對時間上的確定性，就有嚴(yán)格的要求，因為一旦發(fā)生事故后，要分析故障的原因，就需要從事故報表上確定哪一個工藝參數(shù)首先發(fā)生偏離，這就要從事幫發(fā)生時的時間來確定，由于主從式現(xiàn)場總線對于時間上的確定性在先天上就有所不足，所以有的主從式現(xiàn)場總線也在采取措施以彌補(bǔ)其不足，如采取軟件的辦法，在*偏離的參數(shù)上進(jìn)行時間上的鎖定等。
　　
　　5．冗余問題
　　
　　適用于過程控制的現(xiàn)場總線FFHI和Profibus-PA都是沒有冗余的。按照現(xiàn)場總線的設(shè)計思想，低速部分是不需要冗余的，因為現(xiàn)場總線已經(jīng)將危險*分散了，局部故障不會導(dǎo)致全局故障，而現(xiàn)場總線的智能化儀表又有實現(xiàn)維修預(yù)報（maintenancepredicted）的功能而可事先防范。并且從另一方面來看，萬一現(xiàn)場儀表發(fā)生故障，調(diào)節(jié)回路失靈，則可由主機(jī)進(jìn)行干預(yù)；而一旦主機(jī)發(fā)生故障，則智能化儀表在現(xiàn)場可以自成調(diào)節(jié)回路而實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。
　　
　　但對于某些行業(yè)，某些對象在安全方面有特殊要求的部位確實是需要冗余的；也有些企業(yè)由于國情或企業(yè)文化存在著差異，或者曾經(jīng)發(fā)生惡性事故的企業(yè)，往往也會提出不同程度的冗余要求。前者如發(fā)電廠的汽包水位計、爐膛壓力等參數(shù)，往往在測點上就有冗余，這樣可用2條低速總線來實現(xiàn)冗余，如對于FF，則可用2臺變送器分別由2條HI，從不同的布線路徑通向主機(jī)，以免在同一路徑上發(fā)生機(jī)械損傷或者其他傷害而喪失冗余；而對Profibus-PA，則可分別由2臺變送器通過各自的適配器（adapter）與冗余的ProfibusDP相聯(lián)而實現(xiàn)冗余。這樣做，當(dāng)然會增加費用。
　　
　　6．示范工程
　　
　　工程技術(shù)與科學(xué)研究不同?？蒲惺菍儆谔剿餍缘?，因而可以允許失敗；但工程技術(shù)是屬于實踐性的，是不允許失敗的，因此示范工程對工程設(shè)計來講十分重要。當(dāng)然在設(shè)計時也不能生搬硬套，必須根據(jù)國情和工程的實際情況，通過調(diào)查研究，學(xué)習(xí)消化和吸收提高的過程。
　　
　　那么誰來做示范工程呢?敢吃“螃蟹”的人總是會有的，不過除了勇氣以外，還要一定的背景和條件。例如在1978年開始建設(shè)上海的寶山鋼鐵公司時，1號高爐就想采用DCS，而DCS是在1975年才有的，當(dāng)時日本的新日本鋼鐵公司雖然已有應(yīng)用DCS的經(jīng)驗，但zui后還是增加了投資，采用了整套的模擬儀表作為DCS的備用裝置。這是因為寶鋼是我國*從平地上新建的一個與接軌的大型鋼鐵企業(yè)，有中央與地方的大力支持，而4000m3的高爐在上也是為數(shù)不多的。有了這樣的樣板工程，隨后新建的高爐就逐步推廣應(yīng)用了DCS。
　　
　　另外，也可以用漸進(jìn)的辦法，先在外圍或者輔助設(shè)施上，進(jìn)而在主機(jī)不太關(guān)鍵的部位上采取措施進(jìn)行試驗，取得成功后再逐步擴(kuò)大，但是這需要時間。
　　
　　總之，示范工程是重要的，遺憾的是：像樣的、具有說服力的現(xiàn)場總線大型示范工程至今還沒有看到過。
　　
　　7．關(guān)于工程造價
　　
　　由于國情的不同，目前國內(nèi)用戶對硬件的價格比較敏感，而對軟件的費用則往往注意不夠。
　　
　　根據(jù)目前國外試點的報導(dǎo)，在硬件方面FCS的費用與DCS相比，其價格可能持平或略高，但在工程設(shè)計和工程的安裝、調(diào)試和開車費用方面則要低得多，因此綜合來講，總的費用要低。但在國內(nèi)，進(jìn)口硬件的費用則要顯得高得多，而由于國內(nèi)目前人工費用低，所以工程設(shè)計、管理、安裝和調(diào)試等費用遠(yuǎn)比國外為低。因此應(yīng)用現(xiàn)場總線時，其造價只能居高不下，影響推廣應(yīng)用。
　　
　　8．關(guān)于效益問題
　　
　　從國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)場總線的報導(dǎo)來看，基本上全是小系統(tǒng)，但效益卻很顯著，但從現(xiàn)場總線的本質(zhì)上來看，卻是系統(tǒng)越大，效益才會越顯著，因此，對這些報導(dǎo)的效益得仔細(xì)分析才行，而大多數(shù)的報導(dǎo)往往是舊廠改造，現(xiàn)場總線還與舊有的模擬儀表或DCS處于混用的階段，并且往往伴隨著舊廠改造，工藝流程、工藝設(shè)備、原材料和燃料等也會變更，而在管理上也會有所改進(jìn)，因此，所得的效益實際上是綜合的效益，如將所有效益都?xì)w功于現(xiàn)場總線是令人難以信服的，何況工藝與管理上改進(jìn)所獲得的效益應(yīng)該是效益的主體。
　　
　　9．關(guān)于采用*技術(shù)
　　
　　采用*技術(shù)是發(fā)展生產(chǎn)力的動力之一，而且采用*技術(shù)以后，也確實能為企業(yè)創(chuàng)造效益，但要采用*技術(shù)卻需要一些必要的前提條件。在自動化領(lǐng)域內(nèi)，也有不少*技術(shù)，采用時，如果沒有*的工藝流程、工藝設(shè)備，良好的原材料條件，科學(xué)的管理水平、操作水平和維修水平與之配套，即使采用了的自動化技術(shù)或裝備，也不能奏效而只能造成浪費。歷史的經(jīng)驗值得注意，自上世紀(jì)80年代引進(jìn)的DCS，大部分只發(fā)揮了30％左右的功能即為一例。
　　
　　我們知道*的自動化技術(shù)僅是一種手段、一種工具，采用它的本身并不是我們的目的。以zui少的投入獲得zui大的產(chǎn)出才是我們真正的目的。因此，作為一個自動化的工程設(shè)計人員切不可單純地為*而*，為現(xiàn)場總線而現(xiàn)場總線。
　　
　　10．要密切注意現(xiàn)場總線及其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展
　　
　　現(xiàn)場總線目前雖然已有12種標(biāo)準(zhǔn)，但它在繼續(xù)發(fā)展或改進(jìn)。例如Profibus正在不斷地改進(jìn)，現(xiàn)在又新推出了Profinet、Profisafe等。Sercos正在向成為標(biāo)準(zhǔn)而努力。而SDS卻想“淡出江湖”，目前只限于繼續(xù)支持和服務(wù)于北美的12家大公司（如郵政和波音公司等），更不想進(jìn)軍于中國這樣的大市場，在市場競爭非常劇烈的今天，不謀求發(fā)展就
　　
　　等于萎縮和消失。日本三菱電機(jī)在1997年推出的CC-Link正走向市場，而基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線則正由國內(nèi)外的一些公司或企業(yè)緊鑼密鼓地在那里開發(fā)，有的雖有一些階段性的成果，但由于以太網(wǎng)過去終究僅適用于辦公室自動化，如今要用于工業(yè)現(xiàn)場，還有不少難題尚待去解決，如要滿足工業(yè)控制要求的實時性，工業(yè)環(huán)境下的抗電磁干擾性、抗震性、耐高溫性、耐高濕性、防塵性和需向現(xiàn)場儀表供電的問題以及在危險場所要求的防爆性等。問題雖然不少，難度也大，但開發(fā)的眾公司卻信心很大，勁頭十足，大有“一統(tǒng)”現(xiàn)場總線“天下”的氣概和趨勢。其他如異種現(xiàn)場總線的互聯(lián)網(wǎng)，智能化I／O等也在不斷地發(fā)展或完善之中。搜集、研究、分析這種信息，有利于作出我們的工作部署和決策。
　　
　　11．努力學(xué)習(xí)做到一專多能
　　
　　由于現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、通信和計算機(jī)技術(shù)的綜合，牽涉到三個不同的學(xué)科；另外也由于作為熟悉工業(yè)控制和某些行業(yè)生產(chǎn)工藝過程的DCS和PLC制造廠結(jié)合了IT（信息技術(shù)）以后，從企業(yè)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場層（fieldlevel）也就是基礎(chǔ)控制層（basiclevel）努力往上，向過程控制層（processcontrollevel）與管理層（managementlevel）發(fā)展，推出了EIC集成化（ElectricinstnumentatienComputerIntegratien）系統(tǒng)、APC（AdvancedProcessControl）*過程控制、管控一體化與一攬子解決（TotalSolution）方案等產(chǎn)品，而一些計算機(jī)制造公司與一些軟件公司則藉其長于信息技術(shù)的優(yōu)勢千方百計地往下滲透，也推出了基于PC（PCbased）的控制系統(tǒng)、軟DCS（softDCS）、軟PLC（softPLC）和虛擬儀表等。這一上一下的兩種趨勢必然會在企業(yè)自動化系統(tǒng)內(nèi)有一個交匯點，而這個交匯點在競爭中是處于動態(tài)變化之中的，要掌握這個交匯點是重要的，但也是很不容易的，因為必須了解電控、儀控、計算機(jī)和通信技術(shù)，而在應(yīng)用時還須熟悉生產(chǎn)對象的工藝過程和對象的動態(tài)特性和管理技術(shù)。一個人的精力畢竟是有限的，因而要都掌握和熟悉上述所有技術(shù)是不可能的，但是作為一個的自動化工作者或是一個自動化的技術(shù)骨干，是必須做到也是可以達(dá)到一專多能的，并在此基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗，不斷提高。而作為一個設(shè)計院或企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)則應(yīng)做出規(guī)劃，努力培養(yǎng)和造就各種一專多能的人才，形成一個專業(yè)齊全、互相配套的團(tuán)隊。
　　
　　因此，我們的口號是學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)、再學(xué)習(xí)。
　　
　　三、結(jié)論
　　
　　綜上所述，目前要全面推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線的條件還不夠齊全和成熟，但是現(xiàn)場總線具有眾多的優(yōu)點，因此必然會存在并獲得發(fā)展，預(yù)計在不久的將來，一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)必然會出現(xiàn)，現(xiàn)場總線的前途是光明的。