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北京和利時系統工程股份有限公司 羅安

作者簡介

羅安，研究員級高級工程師，享受國家政府津貼專家。曾任北京和利時系統工程股份有限公司總工程師。長期從事自動化控制系統的研究開發、工程應用工作，七十年代開始研制實施用于生產過程的計算機控制系統，建成了我國第一批掌握自主知識產權的實用化控制系統。作為主要人員開發的大慶煉油廠油品貯運自動化系統、北京供電局電網調度自動化系統等曾獲國家科技進步二等獎、電子工業部科技進步一等獎。從“九五”期間開始，致力于國家重大技術裝備控制系統的國產化、自主化，先后主持研究西氣東輸站場自動化控制系統、核電站計算機監測系統的開發與應用、三峽電站和梯級綜合自動化系統實施方案研究、新一代開放式數控系統開發、城市軌道交通綜合自動化等大型項目。擔任“九五”科技攻關秦山二期監測系統開發的技術負責人，開發研究并形成了自主化的產品。該項目是國家“九五”期間優秀科技攻關項目，于2004年獲電子信息產業科技進步一等獎，本人得到國家有關部委“九五”期間優秀科技人員表彰。著有《分布式控制系統（DCS）設計與應用實例》（第二作者）及《化工過程控制系統》（第二作者）。

現代的生產制造控制系統具有兩個最顯著的趨勢，一個是越來越走向智能化，另一個是在結構上越來越走向小型化、分散化。造成前一個趨勢的原因是產品市場的多樣化需求，迫使傳統的生產模式走向個性化的生產制造模式；后一個趨勢則源于微電子技術與信息技術的進步。在這個發展變革當中，一個非常重要的技術就是現場總線技術，如果說現代生產制造控制系統將越來越依賴于現場總線技術的發展當不為過。

現場總線技術的基礎是串行通信技術和網絡技術。自從20世紀80年代Intel公司推出其針對低速I/O的串行總線BitBus以來，這種低成本、靈活方便的通信手段得到了越來越廣泛的應用，特別是在工業生產的控制與自動化方面。經過了多年的演變發展，逐步形成了針對不同應用領域的多種現場總線。

現場總線的出現，極大地改變了工業控制系統的面貌，特別是與生產現場直接相關的控制設備方面。以往的控制系統，其現場端都是各種類型的儀表，包括傳感器、執行器等。這些設備在早期大多是就地顯示、就地操作的。這使整個生產裝置的控制與管理相當困難和復雜。這種狀況在電動單元組合儀表出現以后得到了很大的改觀。由于現場儀表可以通過電氣信號的傳遞，將現場狀態傳輸到集中控制室，使得操作人員可以對生產裝置實現集中控制與管理。而電動單元組合儀表的進一步發展，則是智能化、數字化的新一代智能儀表。智能儀表的最大特點是其內部處理實現了數字化，其對外通信也是通過數字通信而非電氣信號。其優越性表現在功能方面，現場儀表可以完成比傳統儀表復雜得多的運算和處理，可以實現更加精確的控制。更為重要的是，除了控制，現場儀表還具備了一定程度的管理功能，這使對生產裝置的控制管理一體化的要求從現場端就得到了實現的保證。現場總線承擔了智能儀表與集中控制與管理中心之間以及智能儀表之間的通信連接任務，正是現場總線，構成了完整的生產控制管理系統。

現場總線今后應該如何發展，這是大家普遍關心的問題。從目前的情況看，現場總線在技術上還有相當大的發展空間，其應用也還處于開始階段，遠未達到普及階段。為了促進現場總線的廣泛應用，有哪些問題是我們必須關注的呢？就個人的看法，可以歸結為以下五個方面。

1　成本

作為現場級的網絡設備，其使用量是非常巨大的，因此現場總線是一種價格敏感型產品。與傳統儀表的單純傳輸模擬信號的介質不同，現場總線要傳輸的是數字信號，與現場總線相關的設備除線材外，還包括集線器（Hub）、中繼器（Repeater）、交換器（Switch）、網關（Gateway）、網橋（Bridge）和路由器（Router）等網絡設備。這些設備的單價及使用量將直接影響到最終現場總線系統的成本。

2　可靠性

由于現場總線設備的安裝地點一般環境條件不是很好，這對現場總線設備的運行提出了較高的要求，例如抗惡劣環境能力、抗電磁干擾能力、抗振動能力和抗電源波動、抗雷擊、抗浪涌電流能力等方面，都需要從產品設計、安裝、防護等各個方面都非常嚴格，才能保證設備的可靠運行。另外，由于現場總線設備的安裝地點非常分散，對其進行檢查維護十分不便，加之數量眾多，因此實現設備的少維護甚至免維護是至關重要的。如果現場總線設備的可靠性不能達到一個較高的水平，那么系統的維護費用將會很高，且在長期運行過程中會一直居高不下，這對現場總線的應用十分不利。

3　技術難度

對于大規模使用現場總線的需求，應該盡量降低其技術復雜度，對于這一點可能會有不同意見。現場總線是一項非常具有發展潛力的技術，隨著微電子技術、網絡技術、軟件技術的飛速發展，現場總線的潛能將不斷發揮。自然而然，對于技術研發人員來說，都希望將越來越多的功能賦予這項新技術，使其具有更加強大的處理能力。但從應用的角度看，對于現場總線的首要目標是大面積的使用，而功能的復雜性會阻礙其得到迅速而廣泛的推廣。對于使用現場總線的工廠來說，以往的儀表車間將變身為現場總線的安裝、使用、運行及維護的部門。面對這樣一種從基礎技術就不同于傳統儀表的新設備，需要一個較長時期的培訓、學習和適應過程。特別是在現場總線的應用初期，工廠的儀表部門將面對兩種完全不同的技術和產品，能否順利地轉移到新的系統上，與新技術的易用性有極大的關系。如果新技術的產品過于復雜，那么工廠就不得不長期依賴供貨廠家，這又是一筆不小的成本。而且從一般的情況看，技術復雜的產品由于使用維護、診斷排錯的難度比較高，因此運行過程中出現停運的可能性也比較大。

4　標準化

現場總線產品的種類越少越好，因為越是規范劃一的產品，就越能夠大面積應用，也便于大規模生產，更能做好品質保證并降低成本。但是目前的情況是，現場總線的產品種類相當多，這給這項新技術的廣泛采用造成了不小的困難。造成這種情況的原因雖然多，但歸其根本，恰恰是這項技術自身。現場總線技術基于網絡和軟件，這使得其功能空前強大，自然其應用的覆蓋面也是空前的。這與傳統儀表的情況截然不同，如果說傳統儀表所覆蓋的范圍被限制在現場的測量和控制，那么現場總線的覆蓋范圍擴展到了完整的控制系統。而在工業生產領域，由于生產的目標、方式、過程及控制方法五花八門，不可能統一，因此面向完整控制系統的現場總線也產生了各種各樣的產品。這是自然形成的，誰也改變不了。這就成為了一個悖論：功能強大的現場總線理應具有廣泛的應用市場，但是為了廣泛的市場應用，又必須形成多樣性和復雜性的產品，這就對其廣泛應用造成了障礙。如何破解這個悖論，是當前現場總線面臨的大問題。因為目前對生產制造業的智能化需求越來越高，沒有智能儀表及現場總線是無法實現智能制造的。不僅大型企業需要實現智能制造，中小企業也同樣甚至更加需要走向智能制造。這些都在呼喚著標準化的、高可靠性的、低成本的、簡單易行的現場總線系統。近年來迅速崛起的工業以太網技術正在逐步逼近這樣的一個目標。作為一種高性能的數字化網絡，工業以太網提供了標準的網絡設備，以及各種傳輸介質，其底層規約簡單易行，適應性強，足以滿足各行各業的需求。而在其基礎上形成的多種行規為不同行業應用提供了豐富的功能，從而滿足了不同行業對控制功能的不同需求。

5　安全性

安全問題是近年來才開始引起人們重視的，這里所說的安全性主要是指信息安全。由于控制系統今后的大趨勢是走向網絡化，因此信息安全的問題日益嚴重，必須予以高度的重視。雖然我們無法單獨依靠技術手段來保證信息安全，但完善的保護措施對于網絡化的系統是非常必要而不可或缺的。

6　結語

作為新一代的控制系統，對現場總線的要求遠不止是可以實現現有工業控制系統的已有功能。以目前已經運行的各個行業的控制系統看，距離實現全面的、智能化的控制還有相當大的差距，僅從測量的角度講，目前的控制系統實現了為滿足基本控制功能的測量覆蓋度，但要達到更加全面的、更加智能化的控制，現有的測點還遠遠不夠。要達到能夠“感知”的水平，就需要有更多的測點，保守估計可能會達到現有測點的2~3倍。這樣巨大的測點數量再使用現有的技術就不可能達到了，而必須借助新的現場總線技術，包括有線和無線傳輸介質。也就是說，現場總線技術絕不僅僅是為了替代現有控制系統而出現和發展的，其使命是要大大擴展現有控制系統的控制范圍和控制深度。由此可見，現場總線技術的發展空間還相當巨大，而為滿足智能化生產制造的要求，還必須進行大量的創新研發，使這項新技術真正成為智能制造時代的技術基礎。

摘自2016年《今日自動化技術應用在中國》