應(yīng)用現(xiàn)場總線需注意的若干問題

　　總線(bus)的概念由來已久，但現(xiàn)場總線(field bus)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，全球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)僅處于最低層的控制系統(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專利技術(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)到其最佳的集成。

　　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;

　　(2)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

　　(4)雙向通信，不像DCS那樣，只能單向通信;

　　(5)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。

　　(2)由于免去了D/A及A/D變換，使精度可以從±0.5%提高到±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)生先進(jìn)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(prediced mainte—nance)成為可能。

　　(5)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)化等工作以提高效益。

　　(7)組態(tài)簡單，安裝、運行、維護(hù)簡便。

　　(8)用戶可以自己擇優(yōu)選擇，達(dá)到最佳集成。

　　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史上的任何一次，將開創(chuàng)自動化的新紀(jì)元。基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(fleldbuscontrolsystem)最后將取代傳統(tǒng)的DCS。

　　6.現(xiàn)場總線目前有多少種類型的國際標(biāo)準(zhǔn)

　　環(huán)繞著爭奪現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的大戰(zhàn)，持續(xù)了16年之外。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。最后通過協(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國際標(biāo)準(zhǔn)。8種類型分別為:

　　類型1 1EC技術(shù)報告(即PP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5PPHSE(即原1V的I-12Fisher-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Phoenix contact公司支持)

　　再加上IECTCl7B通過的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，他們分別為SDS(Smart Distributed System)，ASI(Atuator Sensor Interface)與Device Net。此外ISO還有一個IS011898的CAN(Control Area Network)。所以一共有12種之多。

　　7.目前的狀況

　　除了有12種國際標(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Modb-us加上以太網(wǎng)等。

　　與此同時，國際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)的最低層，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)于國際標(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眾所周知的，回顧自動化領(lǐng)域內(nèi)制定的信號制國際標(biāo)準(zhǔn)，也可以說明這一點。如三四十年代的氣動儀表，其國際標(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0～1OmA，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，國際標(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4～0mA。0～10mA固然有便于模擬運算的優(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，國際標(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)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)已有12種多之，而且還有增加的趨勢，至于世界各國，各個大廠商的標(biāo)準(zhǔn)則更多，其中頗不乏后起之秀。這種現(xiàn)象不但是空前的，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，性能優(yōu)越而服務(wù)又周到的產(chǎn)品，用戶可以擇優(yōu)選擇從而達(dá)到最佳的集成。由于傳統(tǒng)的DCS或PLC屬于封閉式的系統(tǒng)，而新一代的FCS(Fieldbus Control System)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(OLEfor Process Control)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(real time control)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完全相同，主要有兩種形式，即主-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(timedeter ministic)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，這就要從事故發(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，在首發(fā)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1VⅢ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)將危險徹底分散了，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(maintenancepre dicted)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序的冗余要求。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Profibus DP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，但最后還是增加了投資，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完全從平地上新建的一個與國際接軌的大型鋼鐵企業(yè)，有中央與地方的大力支持，而4000m3的高爐在國際上也是為數(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)，在硬件方面的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，即是系統(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)于采用先進(jìn)技術(shù)

　　采用先進(jìn)技術(shù)是發(fā)展生產(chǎn)力的動力之一，而且采用先進(jìn)技術(shù)以后，也確實能為企業(yè)創(chuàng)造效益，但要采用先進(jìn)技術(shù)卻需要一些必要的前提條件。在自動化領(lǐng)域內(nèi)，也有不少先進(jìn)技術(shù)，采用時，如果沒有先進(jìn)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，即使采用了最先進(jìn)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。

　　我們知道先進(jìn)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。以最少的投入獲得最大的產(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先進(jìn)而先進(jìn)，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種國際標(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。Sereos正在向成為國際標(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正走向國際市場，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IlO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(field level)也就是基礎(chǔ)控制層(basiclevel)努力往上，向過程控制層(processcontrol level)與管理層(management level)發(fā)展，推出了EIC集成化(Electric instrta-nentation Computer Integration)系統(tǒng)、APC(Advanc Process Control)先進(jìn)過程控制、管控一體化與一攬子解決(Total Solution)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(PC based)的控制系統(tǒng)、軟DCS(soft DCS)、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，但是作為一個優(yōu)秀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，因此必須會存在并獲得發(fā)展，預(yù)計在不久的將來，一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)必然會出現(xiàn)，現(xiàn)場總線的前途是光明的。