应用现场总线若干问题的思考

　　一、概述
　　
　　总线（bus）的概念由来已久，但现场总线（fieldbus）的出现却在1984年。它的出现绝不是偶然的，而是出于当时用户的需要，全球制造商之间的竞争和受到国家有关安全、保健和环境保护等规程或法令的约束；并在计算机技术、通信技术和控制技术发展到一定程度后才产生的。因此用户的需要是产生现场总线的动力，而上述三种技术则为研究开发现场总线提供了技术基础。
　　
　　1．什么是现场总线
　　
　　现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放式、全数字化、双向通信与多站的通信系统。现场总线在企业网（intranet）内仅处于最低层的控制系统（infranet）。
　　
　　2．用户为什么需要现场总线
　　
　　用户需要开放式的控制系统。1975年出现的DCS（分散型控制系统）和随后不久出现的PLC（可编程控制器）都属于封闭式的控制系统，每家DCS或PLC制造厂的产品都有各自的硬件和软件构成自己产品的体系，其中多少都含有自己的专利技术，彼此封锁，只能通过网关等接口才能与其他厂商的系统进行通信。由于厂商不论大小，都有其独到之处，因此用户需要开放式的控制系统，以便择优选择不同公司的产品（变送器、执行器和控制系统），以达到其最佳的集成。
　　
　　用户为了降低企业成本、提高产品质量以增加企业的竞争能力，不得不扩大其生产规模、强化其生产过程，同时为了保证安全生产和达到环保的要求，使检测的点数和控制回路急剧上升，以钢铁企业炼铁生产的高炉为例，其冶炼容积已达4000m3以上，检测和控制的点数也超过了5000点。如此众多的检测信号汇集到DCS的人口处，不可避免地会出现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性与可靠性。而且如此大量点到点的电缆，不但增加了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，同时也提高了投资和安装、调试与维护的费用。因此，用户迫切需要现场总线与智能化的现场仪表，以便将80％的控制功能下放到现场仪表，减少DCS处理信息的压力，以增强系统的可靠性与安全性，同时也可减少电缆及其相关费用。
　　
　　3．现场总线有哪些特点
　　
　　现场总线有以下几个特点
　　
　　（1）开放性；
　　
　　（2）可互操作性与可互换性；
　　
　　（3）全数字化，不像DCS那样需A/D或D/A变换；
　　
　　（4）双向通信，不像DCS那样，只能单向通信；
　　
　　（5）智能化的现场仪表。
　　
　　4．现场总线有哪些好处
　　
　　（1）可以减少1／2~2／3的隔离器、端子柜、I／O终端、I／O卡件、I／O文件及I／O柜子，这样就节省了I／O装置及装置室的空间。
　　
　　（2）由于免去了D／A及A／D变换，使精度可以从±0．5％提高到土0．1％。
　　
　　（3）可以减少电缆的用量，费用可以节省66％或更多。
　　
　　（4）可以产生先进的、智能化现场仪表，如多变量变送器和执行器，使维修预报（predicedmaintenance）成为可能。
　　
　　（5）由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2~3次增加到每秒调节10~20次，从而改善了调节性能。
　　
　　（6）由于免除了主机人口处的“瓶颈”现象，可以提高系统的安全性和可靠性；同时也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益。
　　
　　（7）组态简单，安装、运行、维护简便。
　　
　　（8）用户可以自己择优选择，达到最佳集成。
　　
　　5．现场总线的意义
　　
　　现场总线的出现，给控制领域带来了又一次革命，但其深度与广度将超过历史上的任何一次，将开创自动化的新纪元。基于现场总线的控制系统FCS（fIeldbuscontrolsystem）最后将取代传统的DCS。[page]
　　
　　6．现场总线目前有多少种类型的国际标准
　　
　　环绕着争夺现场总线国际标准的大战，持续了16年之久。屡经磨难与挫折，先后经过9次投票表决，都是功亏一篑而未能通过。最后通过协商、妥协，于1999年底IECTC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。8种类型分别为：
　　
　　类型1IEC技术报告（即FF的H1）
　　
　　类型2ControlNet（美国Rockwell公司支持）
　　
　　类型3Profibus（德国西门子公司支持）
　　
　　类型4P-Net（丹麦ProcessData公司支持）
　　
　　类型5FFHSE（即原FF的H2Fisher-Rosemount公司支持）
　　
　　类型6SwiftNet（美国波音公司支持）
　　
　　类型7WorldFip（法国Alstom公司支持）
　　
　　类型8Interbus（德国PhoenixContact公司支持）
　　
　　再加上IECTC17B通过的现场总线国际标准，他们分别为SDS（SmartDistributedSystem），ASI（AtuatorSensorInterface）与DeviceNet。此外ISO还有一个ISO11898的CAN（ControlAreaNetwork）。所以一共有12种之多。
　　
　　7．目前的状况
　　
　　除了有12种国际标准外，还有欧洲标准，而世界上其他国家还各有其国家标准，如英国的ERA，挪威的FINT等，一些国外的大公司还推出自己的标准，如日本三菱的CC-LINK，Shneider公司的Modbus加上以太网等。
　　
　　与此同时，国际上一些公司与组织正在紧锣密鼓地进行用以太网（ethernet）来做现场总线的研究与开发工作。
　　
　　8．现场总线的局限性
　　
　　现场总线固然会给用户带来效益，但它还终究处于企业网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益。因此，现场总线必须与企业管理自动化（如采用ERP…）相结合。也就是所谓的管控一体化。
　　
　　二、应用现场总线需注意的若干问题
　　
　　现场总线既然有众多的优点，而且已日益受到人们的重视，有的已开始应用，但根据目前的情况，特提出以下11个问题，供应用时参考。
　　
　　1．关于国际标准
　　
　　标准的制定对推动社会生产力的发展，保护制造厂商和用户的利益是众所周知的，回顾自动化领域内制定的信号制国际标准，也可以说明这一点。如三四十年代的气动仪表，其国际标准为0.2~1.0kgf／cm2；进入60年代，电动单元组合仪表开始盛行，当时的信号制颇为混乱，有0~10mA，0~20mA，4~20mA和5~25mA等。当时我国的电动单元组合仪表DDZ-I型的信号制采用了德国的国家标准0~10mA作为我国的国家标准，但到了1975年，国际标准定为4~20mA时，我国的国家标准也不得不改为4~20mA了，因此，DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表也不得不改为4~20mA。0~10mA固然有便于模拟运算的优点，但4~20mA也有当变送器信号线断裂时，有便于觉察的优点，但不管怎么样，国际标准一经确定，电动单元组合仪表就有了很大的发展。
　　
　　这种标准的变动给我国的仪表制造厂商、设计院和用户带来了很大的不便，也遭受到一定的损失，所以历史的经验值得注意。
　　
　　目前现场总线的国际标准已有12种之多，而且还有增加的趋势，至于世界各国，各个大型厂商的标准则更多，其中颇不乏后起之秀。这种现象不但是空前的，而且也是极不正常的，造成的后果是不论制造厂商也好，用户也好，面对众多的标准，在选择时往往感到困惑而无所适从。所以说，多标准实质上是没有标准。
　　
　　2．开放性
　　
　　采用开放式的控制系统对用户来说是受欢迎的，因为世界上，厂无大小，其中不乏价廉物美，性能优越而服务又周到的产品，用户可以择优选择从而达到最佳的集成。由于传统的DCS或PLC属于封闭式的系统，而新一代的FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统属于开放式的系统，因此它一出现，便受到广大用户的青睐。但是，各种现场总线对他自己本身来讲虽然是开放的，但异种现场总线之间却是不开放的。
　　
　　多种现场总线的并存，显然是有违于当初开发现场总线的初衷。
　　
　　多种开放的现场总线与市场上多种封闭式的DCS或PLC相比，究竟有多大的差别呢?
　　
　　3．互操作性
　　
　　现场总线的主要特点之一具有可互操作性（interoperable），但异种现场总线之间是不存在可互操作性的。虽然它们可以通过网关进行通信，或者通过OPC（OLEforProcessControl）协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表之间直接进行，也就是说甲种现场总线的现场仪表不能与乙种现场总线的现场仪表直接进行互操作，而甲种现场总线的现场仪表必须先通过自己的主机，再借助于OPC协议到达乙种现场总线的主机，再下达到乙种现场总线现场仪表的目的地。反之亦然。
　　
　　这种互操作必须通过上述的曲折途径才能实现，这对于实时控制（realtimecontrol）所要求的实时性来讲，显然是不能满足的，因此也是没有实际意义的。
　　
　　4．时间上的确定性
　　
　　各种现场总线在通信上也不完全相同，主要有二种形式，即主一从（master-slave）式及广播式，当然他们各有其特点。但在时间的确定性（timedeterministic）上，严格地讲是有区别的，当然对于那些变化缓慢的工业过程对象来讲，由于他们的差别并不大，因而是可以忽略不计的，但对于那些特殊对象，则是非常敏感的，例如发电厂对时间上的确定性，就有严格的要求，因为一旦发生事故后，要分析故障的原因，就需要从事故报表上确定哪一个工艺参数首先发生偏离，这就要从事帮发生时的时间来确定，由于主从式现场总线对于时间上的确定性在先天上就有所不足，所以有的主从式现场总线也在采取措施以弥补其不足，如采取软件的办法，在首发偏离的参数上进行时间上的锁定等。
　　
　　5．冗余问题
　　
　　适用于过程控制的现场总线FFHI和Profibus-PA都是没有冗余的。按照现场总线的设计思想，低速部分是不需要冗余的，因为现场总线已经将危险彻底分散了，局部故障不会导致全局故障，而现场总线的智能化仪表又有实现维修预报（maintenancepredicted）的功能而可事先防范。并且从另一方面来看，万一现场仪表发生故障，调节回路失灵，则可由主机进行干预；而一旦主机发生故障，则智能化仪表在现场可以自成调节回路而实现自主调节。
　　
　　但对于某些行业，某些对象在安全方面有特殊要求的部位确实是需要冗余的；也有些企业由于国情或企业文化存在着差异，或者曾经发生恶性事故的企业，往往也会提出不同程度的冗余要求。前者如发电厂的汽包水位计、炉膛压力等参数，往往在测点上就有冗余，这样可用2条低速总线来实现冗余，如对于FF，则可用2台变送器分别由2条HI，从不同的布线路径通向主机，以免在同一路径上发生机械损伤或者其他伤害而丧失冗余；而对Profibus-PA，则可分别由2台变送器通过各自的适配器（adapter）与冗余的ProfibusDP相联而实现冗余。这样做，当然会增加费用。[page]
　　
　　6．示范工程
　　
　　工程技术与科学研究不同。科研是属于探索性的，因而可以允许失败；但工程技术是属于实践性的，是不允许失败的，因此示范工程对工程设计来讲十分重要。当然在设计时也不能生搬硬套，必须根据国情和工程的实际情况，通过调查研究，学习消化和吸收提高的过程。
　　
　　那么谁来做示范工程呢?敢吃“螃蟹”的人总是会有的，不过除了勇气以外，还要一定的背景和条件。例如在1978年开始建设上海的宝山钢铁公司时，1号高炉就想采用DCS，而DCS是在1975年才有的，当时日本的新日本钢铁公司虽然已有应用DCS的经验，但最后还是增加了投资，采用了整套的模拟仪表作为DCS的备用装置。这是因为宝钢是我国完全从平地上新建的一个与国际接轨的大型钢铁企业，有中央与地方的大力支持，而4000m3的高炉在国际上也是为数不多的。有了这样的样板工程，随后新建的高炉就逐步推广应用了DCS。
　　
　　另外，也可以用渐进的办法，先在外围或者辅助设施上，进而在主机不太关键的部位上采取措施进行试验，取得成功后再逐步扩大，但是这需要时间。
　　
　　总之，示范工程是重要的，遗憾的是：像样的、具有说服力的现场总线大型示范工程至今还没有看到过。
　　
　　7．关于工程造价
　　
　　由于国情的不同，目前国内用户对硬件的价格比较敏感，而对软件的费用则往往注意不够。
　　
　　根据目前国外试点的报导，在硬件方面FCS的费用与DCS相比，其价格可能持平或略高，但在工程设计和工程的安装、调试和开车费用方面则要低得多，因此综合来讲，总的费用要低。但在国内，进口硬件的费用则要显得高得多，而由于国内目前人工费用低，所以工程设计、管理、安装和调试等费用远比国外为低。因此应用现场总线时，其造价只能居高不下，影响推广应用。
　　
　　8．关于效益问题
　　
　　从国内应用现场总线的报导来看，基本上全是小系统，但效益却很显著，但从现场总线的本质上来看，却是系统越大，效益才会越显著，因此，对这些报导的效益得仔细分析才行，而大多数的报导往往是旧厂改造，现场总线还与旧有的模拟仪表或DCS处于混用的阶段，并且往往伴随着旧厂改造，工艺流程、工艺设备、原材料和燃料等也会变更，而在管理上也会有所改进，因此，所得的效益实际上是综合的效益，如将所有效益都归功于现场总线是令人难以信服的，何况工艺与管理上改进所获得的效益应该是效益的主体。
　　
　　9．关于采用先进技术
　　
　　采用先进技术是发展生产力的动力之一，而且采用先进技术以后，也确实能为企业创造效益，但要采用先进技术却需要一些必要的前提条件。在自动化领域内，也有不少先进技术，采用时，如果没有先进的工艺流程、工艺设备，良好的原材料条件，科学的管理水平、操作水平和维修水平与之配套，即使采用了最先进的自动化技术或装备，也不能奏效而只能造成浪费。历史的经验值得注意，自上世纪80年代引进的DCS，大部分只发挥了30％左右的功能即为一例。
　　
　　我们知道先进的自动化技术仅是一种手段、一种工具，采用它的本身并不是我们的目的。以最少的投入获得最大的产出才是我们真正的目的。因此，作为一个自动化的工程设计人员切不可单纯地为先进而先进，为现场总线而现场总线。
　　
　　10．要密切注意现场总线及其相关技术的进展
　　
　　现场总线目前虽然已有12种国际标准，但它在继续发展或改进。例如Profibus正在不断地改进，现在又新推出了Profinet、Profisafe等。Sercos正在向成为国际标准而努力。而SDS却想“淡出江湖”，目前只限于继续支持和服务于北美的12家大公司（如邮政和波音公司等），更不想进军于中国这样的大市场，在市场竞争非常剧烈的今天，不谋求发展就
　　
　　等于萎缩和消失。日本三菱电机在1997年推出的CC-Link正走向国际市场，而基于以太网的现场总线则正由国内外的一些公司或企业紧锣密鼓地在那里开发，有的虽有一些阶段性的成果，但由于以太网过去终究仅适用于办公室自动化，如今要用于工业现场，还有不少难题尚待去解决，如要满足工业控制要求的实时性，工业环境下的抗电磁干扰性、抗震性、耐高温性、耐高湿性、防尘性和需向现场仪表供电的问题以及在危险场所要求的防爆性等。问题虽然不少，难度也大，但开发的众公司却信心很大，劲头十足，大有“一统”现场总线“天下”的气概和趋势。其他如异种现场总线的互联网，智能化I／O等也在不断地发展或完善之中。搜集、研究、分析这种信息，有利于作出我们的工作部署和决策。
　　
　　11．努力学习做到一专多能
　　
　　由于现场总线技术是控制、通信和计算机技术的综合，牵涉到三个不同的学科；另外也由于作为熟悉工业控制和某些行业生产工艺过程的DCS和PLC制造厂结合了IT（信息技术）以后，从企业自动化系统的现场层（fieldlevel）也就是基础控制层（basiclevel）努力往上，向过程控制层（processcontrollevel）与管理层（managementlevel）发展，推出了EIC集成化（ElectricinstnumentatienComputerIntegratien）系统、APC（AdvancedProcessControl）先进过程控制、管控一体化与一揽子解决（TotalSolution）方案等产品，而一些计算机制造公司与一些软件公司则藉其长于信息技术的优势千方百计地往下渗透，也推出了基于PC（PCbased）的控制系统、软DCS（softDCS）、软PLC（softPLC）和虚拟仪表等。这一上一下的两种趋势必然会在企业自动化系统内有一个交汇点，而这个交汇点在竞争中是处于动态变化之中的，要掌握这个交汇点是重要的，但也是很不容易的，因为必须了解电控、仪控、计算机和通信技术，而在应用时还须熟悉生产对象的工艺过程和对象的动态特性和管理技术。一个人的精力毕竟是有限的，因而要都掌握和熟悉上述所有技术是不可能的，但是作为一个优秀的自动化工作者或是一个自动化的技术骨干，是必须做到也是可以达到一专多能的，并在此基础上，总结经验，不断提高。而作为一个设计院或企业的领导则应做出规划，努力培养和造就各种一专多能的人才，形成一个专业齐全、互相配套的团队。
　　
　　因此，我们的口号是学习、学习、再学习。
　　
　　三、结论
　　
　　综上所述，目前要全面推广应用现场总线的条件还不够齐全和成熟，但是现场总线具有众多的优点，因此必然会存在并获得发展，预计在不久的将来，一个统一的现场总线国际标准必然会出现，现场总线的前途是光明的。