總線專題：第一講 現(xiàn)場總線的由來

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是當前國際上自動化技術(shù)的一個熱點，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)給工業(yè)自動化領域帶來了又一次革命。以智能化儀表為基礎的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)將逐步取代傳統(tǒng)的分散性控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)。

現(xiàn)場總線起源于歐洲，隨后發(fā)展至北美。早在1984年，制定國際標準的權(quán)威機構(gòu)之一，國際電工委員會IEC(International Electro technical Commission)就開始著手制定現(xiàn)場總線的國際標準,但由于國際上幾個跨過大公司為了他們的利益,阻礙和干擾了制定單一的現(xiàn)場總線國際標準,經(jīng)過了15年環(huán)繞著國際標準的現(xiàn)場總線大戰(zhàn)以妥協(xié)而告終。結(jié)果是出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線的國際標準，到目前為止，已有12種之多，多標準實際上就是沒有標準，這給用戶、自動化儀表制造商及系統(tǒng)集成商帶來了困惑與無奈。目前，新一輪環(huán)繞著市場的現(xiàn)場總線大戰(zhàn)正在進行。

一個單一的現(xiàn)場總線國際標準始終是用戶的希望和要求，為了尋找出路，目前國內(nèi)外不少組織與廠商正在尋找新的出路，將以太網(wǎng)（Ethernet）應用與現(xiàn)場總線將是一個新的亮點，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種基于實時以太網(wǎng)RTE（Real Time Ethernet）的現(xiàn)場總線，雖然還不完善，正在繼續(xù)研發(fā)之中，估計要到2007年才能完成。浙大中控的EPA（Ethernet for Plant Automation）就是其中之一?？磥恚褪菍矶喾N現(xiàn)場總線并存的局面還會繼續(xù)存在。

二、產(chǎn)生現(xiàn)場總線的背景

工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對檢測和控制的要求日益增多，原始的目測，耳聞與手摸的檢測方式正在向著用儀表檢測和自控的方向發(fā)展。

1.早期的儀表與調(diào)節(jié)器

早期的儀表與調(diào)節(jié)裝置是機械式的，如膨脹式溫度計，彈簧管式壓力計和用于蒸汽機的飛球式調(diào)速器等。

2.液動和氣動儀表以及其調(diào)節(jié)裝置

進入20世紀以后，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模開始擴大，需要將分散在現(xiàn)場的機械式儀表和調(diào)節(jié)器集中起來，于是就出現(xiàn)了有作為輔助能源的液動（hydraulic）調(diào)節(jié)器。它是采用油壓的方式進行工作的。但由于油容易滲漏和有產(chǎn)生火災的危險，再加上油的粘滯而不能遠距離傳送信號，所以不久又出現(xiàn)了用壓縮空氣作為輔助能源的氣動（pneumatic）儀表與調(diào)節(jié)器，這樣就出現(xiàn)了將檢測、顯示和調(diào)節(jié)集中在一起的氣動基地式儀表；后來為了便于集中在控制室進行監(jiān)控而又生產(chǎn)出氣動單元組合儀表。

3.電動儀表

進入20世紀50年代，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模更大，而氣動儀表的傳輸距離卻也有限；并且氣動儀表對氣源供氣的可靠性和凈度要求又比較嚴格，需設置專用的氣源（無油壓縮機站）；再加上多個氣動信號的疊加和處理比較麻煩，諸多不便逐步凸顯，漸漸無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是出現(xiàn)了電動儀表，但氣動儀表存在著體積太大的缺點，一塊儀表盤安裝不了幾個儀表，為了不致使控制室的面積過大而便于操作人員集中觀看，在60年代又出現(xiàn)了電子儀表，而電子儀表也從開始的真空管式電子儀表，發(fā)展到半導體式和基于集成電路的電子儀表，電子儀表雖然體積比電動儀表要小，但為了少占用儀表盤的盤面面積，只能將電子儀表的尾部加長，這樣又不得不將盤式儀表屏改為架裝式儀表盤以便于電子儀表的密集安裝。即便如此，一個大型工藝裝置的儀表盤有時亦會長達數(shù)十米，便操作人員難以從如此眾多的儀表讀數(shù)中綜合掌握和判斷全部的生產(chǎn)過程。

4.用電子計算機進行監(jiān)控

20世紀60年代開始試用電子計算機進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，即所謂SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）。計算機不但可以采集數(shù)據(jù)，而且可經(jīng)過運算來改變控制儀表的設定值，使控制得以優(yōu)化；或者直接用計算機進行DDC（Direct Digital Control）直接數(shù)字控制。但當時計算機的可靠性沒有完全過關(guān)，加之價格又貴，體積又大，功能也不強，難以應用冗余技術(shù)或多機并行處理，一旦一臺計算機發(fā)生故障，整個工藝機組的生產(chǎn)即陷于癱瘓。結(jié)果以一臺計算機控制整個生產(chǎn)過程的失敗而告終。

5.分散型控制系統(tǒng)

進入70年代，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使微機處理器（micro processor）芯片的價格大幅度降低，導致了自動化領域內(nèi)的一項革命。1975年美國的霍尼韋爾（Honeywell）公司首先推出了TDC-2000型集散控制系統(tǒng)，級管理是集中的，而控制則是分散的。所謂TDC即是此意，T代表Total集中，D代表Distributed分散，而C則代表Control控制。后來這種系統(tǒng)被稱為DCS（Distributed Control System）后，慢慢地DCS的中文名稱就從開始的集散型控制系統(tǒng)變?yōu)槟壳俺Ｓ玫姆稚⑿涂刂葡到y(tǒng)的名稱了，但在計算機行業(yè)中，則稱之為分布式控制系統(tǒng)。DCS在20世紀80-90年代達到了其鼎盛時期，有人稱之為自動化領域中的一個里程碑。

DCS最初使用一個CPU中央處理器（Central Processor Unit）來控制8個PID（P代表Proportion,即比例；I代表Integral,即積分；D代表Differential，即微分）調(diào)節(jié)回路（loop）。一個CPU的故障只影響局部8個調(diào)節(jié)回路而不會影響全廠的控制，使危險得以分散，大大地提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性。DCS的數(shù)據(jù)采集和處理以及調(diào)節(jié)回路的控制算法都是在控制室內(nèi)的主機中完成的。操作人員只需看控制室內(nèi)操作站上的CRT（ Cathod Ray Tube 陰極射線管）屏幕就等于看到了儀表盤上的儀表，而在操作站上的鍵盤KB（Key Board）操作即等于在儀表盤或操作臺上用于操器或按鈕進行操作，避免了操作人員頻繁地在很長的儀表盤前來回走動，以及用筆來記錄和計算班報和日報?？刂剖业拿娣e也得以縮小。這時控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化，但處于現(xiàn)場的大量的變送器與執(zhí)行器仍然是用模擬信號，每臺現(xiàn)場儀表都必須各自用2芯或4芯電纜將4-20mA的直流模擬信號通往控制室。

6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

進入20世紀90年代，為了降低產(chǎn)品成本，增加盈利，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，生產(chǎn)過程也日益強化；并且人們對環(huán)境保護和生產(chǎn)安全的意識也更加提高，各國對此也制定了與之有關(guān)的規(guī)程或法令。此外，隨著經(jīng)濟的國際化，企業(yè)之間的競爭不可避免，這就迫使企業(yè)的生產(chǎn)向著穩(wěn)產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、環(huán)保與安全的方向發(fā)展。因此對生產(chǎn)過程進行檢測與控制的點數(shù)與精度以及可靠性方面的要求也越來越高。以鋼鐵企業(yè)為例，4000m3 以上的大型煉鐵高爐，其檢測點已在5000以上；而火電廠30萬機組的測點也在5000點左右，60萬機組的測點也到了7000點，何況80萬或90萬機組也已經(jīng)有了；又如乙烯裝置也從過去的30萬t到現(xiàn)在的90萬t了。隨著測點的增加，所需的控制電纜數(shù)勢必隨之增漲，以火力發(fā)電站30萬kwm組為例，其所需的電纜長度已近500㎞以上，試想在電站的鍋爐房內(nèi)，空間有限，已密布著各種水、蒸汽、空氣與燃料的管道，還要布置如此眾多的電纜，不僅給工程設計帶來了困難，而且對安裝，調(diào)試與維修也帶來了極大的不便，而更重要的是如此大量的信息涌向DCS的入口，不可避免地出現(xiàn)了“瓶頸”堵塞的現(xiàn)象，嚴重地威脅著DCS的正常運行。

因此，尋求現(xiàn)場儀表的數(shù)字化、智能化，使大量的一般控制功能從DCS下放到現(xiàn)場儀表中去解決，以減少汽機的負擔而增加系統(tǒng)的可靠性；同時也要求減少通往控制室的電纜數(shù)。

以上就是產(chǎn)生智能化儀表與現(xiàn)場總線的背景。

三、產(chǎn)生現(xiàn)場總線的基礎

既然隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大已經(jīng)顯示出需要智能化儀表與現(xiàn)場總線的苗頭，恰恰就在這個時候，控制技術(shù)、通信技術(shù)與計算機技術(shù)（有人將Control控制、Communication通信、Computer計算機統(tǒng)稱為3C技術(shù)；也有人將CRT屏幕技術(shù)也加了進來稱為4C技術(shù)）的發(fā)展提供了所需的技術(shù)基礎。于是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）就應運而生了。

四、總結(jié)

總結(jié)以上所述的發(fā)展史?？傻玫揭韵陆Y(jié)論：

（1）生產(chǎn)的發(fā)展，市場的需求永遠是產(chǎn)生新生事物的動力，決不是相關(guān)技術(shù)的發(fā)展所得到的自然結(jié)果。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展只能為所需求的新生事物提供技術(shù)和物質(zhì)基礎。

（2）事物的發(fā)展總是由簡到繁，又從繁到簡形成一個螺旋式上升的過程，但他決不是簡單地重復，而是不斷地升華，達到了更高的水平。例如20世紀40年代出現(xiàn)的04型基地式氣動儀表，他就在現(xiàn)場集檢測、顯示與控制的功能于一體，后來又發(fā)展到氣動、電動單元組合式儀表進行集中控制和DCS，而又到了目前的FCS，又回到了徹底分散，利用在現(xiàn)場的智能化變送器和執(zhí)行器，在現(xiàn)場實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，這種從現(xiàn)場分散到集中，又從集中回到分散，似乎又回到原來的情況，但FCS有了分散以后，現(xiàn)場儀表還有受主機監(jiān)控和向主機提供自診斷等功能，這與過去的現(xiàn)場基地式儀表相比，是不可同日而語了。