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1  現(xiàn)場總線發(fā)展的新動態(tài)

    2004年P(guān)ROFIBUS Trade Organization（PTO）和DeviceNet的國際組織ODVA都舉辦了成立10周年的慶典。PROFIBUS用戶組織PNO還宣布PROFIBUS的安裝節(jié)點(diǎn)突破了1 000萬個。這兩種在離散制造業(yè)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位的現(xiàn)場總線，以及其它一些也占有相當(dāng)離散市場份額的總線如CC-Link、Interbus等，都還是屬于經(jīng)典的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的升級換代，以適應(yīng)分散的I/O系統(tǒng)由板卡或端子排向進(jìn)一步的單個現(xiàn)場設(shè)備或單點(diǎn)I/O的分散。正因?yàn)槿绱耍@一類的現(xiàn)場總線的應(yīng)用推廣相對比較容易，用戶一般都是持支持態(tài)度，接受程度很高。這一類的現(xiàn)場總線已安裝的節(jié)點(diǎn)都在好幾百萬個的數(shù)量級。
    另外一類現(xiàn)場總線是從過程控制領(lǐng)域的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展過來的，主要以基金會現(xiàn)場總線FF為代表。據(jù)悉，F(xiàn)F的安裝量已超過30萬個節(jié)點(diǎn)，雖遠(yuǎn)少于上述那類的現(xiàn)場總線，不過，近年來，以每年增長12.5萬個節(jié)點(diǎn)的速度在發(fā)展[1]。這種現(xiàn)場總線的特征是：它不但具有基本的現(xiàn)場通信能力，還具有基本的檢測和控制算法和功能，并能提供對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行診斷、管理的必要信息。可以說這是它最關(guān)鍵的技術(shù)跨越，也是構(gòu)成它大部分優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)。由于它和現(xiàn)行的系統(tǒng)（如DCS）、現(xiàn)場設(shè)備，從業(yè)經(jīng)驗(yàn)有質(zhì)的差別，導(dǎo)致不少人持觀望、懷疑或等待的態(tài)度。
    由于FF是以一種全新的技術(shù)面貌出現(xiàn)的，而在當(dāng)初介紹宣傳現(xiàn)場總線時，也許是因?yàn)檫@類現(xiàn)場總線還處在它發(fā)展的早期階段，人們對它的認(rèn)識還比較表面，沒有突出它的本質(zhì)所在，因而許多人都認(rèn)為FF和其它現(xiàn)場總線一樣，可在節(jié)省電纜、節(jié)省接線人工和時間方面帶來不錯的經(jīng)濟(jì)利益。一旦了解到帶FF的現(xiàn)場儀表（變送器、執(zhí)行器等）價格遠(yuǎn)較一般的現(xiàn)場儀表昂貴（這也許是因?yàn)楦鞣NFF的現(xiàn)場儀表的生產(chǎn)數(shù)量還不夠大），又看到或聽到有些較早使用FF的項(xiàng)目投運(yùn)以后暴露出一些問題，就誤以為FF不足為道，還是用帶HART的現(xiàn)場儀表來得可靠實(shí)惠。實(shí)際上有些設(shè)計(jì)院的自控設(shè)計(jì)人員就持這一種觀點(diǎn)。
    其實(shí)，HART只是現(xiàn)場儀表邁向分散型數(shù)字通信現(xiàn)場總線儀表的過渡技術(shù)，它是一種較為簡單、能同時提供DC 4~20mA模擬量輸出和數(shù)字式輸出信號，但很適合從DCS系統(tǒng)延伸的通信協(xié)議。現(xiàn)在已安裝了1400萬個HART現(xiàn)場儀表，據(jù)預(yù)測在2002至2010年期間的增長率有望達(dá)到5%[1]。事實(shí)上，這幾年來HART儀表的制造和應(yīng)用在國內(nèi)發(fā)展很快，很受用戶和設(shè)計(jì)院的青睞。不僅在國內(nèi)，就是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，HART技術(shù)的發(fā)展仍很健康：用戶已廣泛接受符合HART標(biāo)準(zhǔn)的I/O設(shè)備；能處理一定的智能信號；它并不像有些人認(rèn)為的那樣發(fā)展前景有限，很快會被其它現(xiàn)場總線所取代。HART 6.0將原來1200bps的通信速率提高到9600bps，容許在同一根雙絞線網(wǎng)段上掛15個HART設(shè)備。除此而外，還開發(fā)了一個數(shù)字通信通道，擴(kuò)充了HART傳輸?shù)男畔?nèi)容，增加了對現(xiàn)場設(shè)備附加信息的獲取和診斷功能，從而使HART協(xié)議的內(nèi)容與前相比更臻完善，更利于儀表和控制系統(tǒng)的信息集成。主要的改進(jìn)有：在設(shè)備變量狀態(tài)方面，改進(jìn)指令9使它可輪循訪問現(xiàn)場設(shè)備，各設(shè)備分別響應(yīng)這個指令，這樣便于進(jìn)行自診斷和回送詳細(xì)設(shè)備狀態(tài)和維修建議。在設(shè)備變量分類方面，新版本對指令0 和8 作了改建，為管理應(yīng)用軟件提供了一個簡單的機(jī)制，用以定義與過程相關(guān)變量的數(shù)目和類型。這樣，管理應(yīng)用軟件可獲取大量設(shè)備性能的信息。
    還應(yīng)該注意到，HART是第一個創(chuàng)造性地提出和應(yīng)用設(shè)備描述語言（DDL）的通信技術(shù)。PROFIBUS和FF均使用了這一概念和技術(shù)。電子設(shè)備描述語言（EDDL）是一種文本語言，用來描述設(shè)備參數(shù)的顯示特性，還包括復(fù)雜設(shè)備參數(shù)的算法關(guān)系、長時效保存的數(shù)據(jù)和實(shí)時性等內(nèi)容。它符合IEC 61804-2標(biāo)準(zhǔn)。FF、HART通信基金會（HCF）和PNO正在共同努力以增強(qiáng)EDDL的性能。
    總而言之，關(guān)于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的競爭或爭論早已煙消云散，代之而起的是努力地去應(yīng)用，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，積累經(jīng)驗(yàn)，尋找盡可能完善的解決方案，更深入地發(fā)掘現(xiàn)場總線的潛力。各個現(xiàn)場總線的推廣應(yīng)用國際組織都很重視對于工程應(yīng)用的指導(dǎo)和引導(dǎo)，F(xiàn)F組織繼2003年12月出版了《基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)用指南》后，又在2004年出版了《基金會現(xiàn)場總線應(yīng)用指南31.25Kbit/s本質(zhì)安全系統(tǒng)》，接下來還要出版有關(guān)HSE（高速以太網(wǎng)）的工程應(yīng)用指南。據(jù)悉，PROFIBUS的推廣應(yīng)用組織也有類似的出版物。

2  用信息化技術(shù)改造現(xiàn)場設(shè)備是現(xiàn)場總線的價值所在

    正確認(rèn)識現(xiàn)場總線的發(fā)展前景，應(yīng)該首先澄清什么是現(xiàn)場總線推廣應(yīng)用的原動力？FF最適宜用于什么樣的過程控制系統(tǒng)？PROFIBUS用于哪些工業(yè)部門最合適？
    2004年5月，美國ARC咨詢集團(tuán)發(fā)表白皮書[2]指出：“雖然使用現(xiàn)場總線可以節(jié)省安裝和工程成本，但最大的利益還是體現(xiàn)在生產(chǎn)裝置投運(yùn)之后長期的維護(hù)和運(yùn)行中。“
    知名專家斯可克教授說過：“通過十幾年的討論和實(shí)踐，大家逐漸認(rèn)識到用信息化技術(shù)改造現(xiàn)場設(shè)備是現(xiàn)場總線的靈魂，而不僅僅是節(jié)省了電纜等表層的優(yōu)點(diǎn)。所以，用戶對系統(tǒng)底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現(xiàn)場總線技術(shù)推廣的原始動力[3]。”

    (1)  控制因素。為什么說控制算法和功能放在現(xiàn)場設(shè)備中會發(fā)生控制品質(zhì)的質(zhì)的變化呢？在調(diào)節(jié)閥的閥門定位器內(nèi)實(shí)現(xiàn)回路控制，其控制的動態(tài)性能顯然優(yōu)于在多功能控制器中實(shí)現(xiàn)回路控制[4]。因?yàn)橛肞ID算法對閥桿定位執(zhí)行內(nèi)環(huán)控制，就地補(bǔ)償了滯回，再在外環(huán)對調(diào)節(jié)閥執(zhí)行串級調(diào)節(jié)。閥門定位誤差對內(nèi)環(huán)控制回路的直接反饋，可消除由于閥門定位誤差造成的積分飽和，從而穩(wěn)定外環(huán)控制回路。再加上動態(tài)性能的改善，這二者的綜合效果使得回路控制更為穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)定值優(yōu)化，獲得平穩(wěn)操作肯定會取得效益。這就是說，只有當(dāng)調(diào)節(jié)閥的閥門定位器支持FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，真正意義的優(yōu)化控制才是可行的。實(shí)現(xiàn)這種控制策略的前提是，閥門定位器能提供至少兩個PID功能塊讓系統(tǒng)工程師進(jìn)行組態(tài)。

    (2)  診斷因素。具有現(xiàn)場總線通信功能的現(xiàn)場儀表，在提供測量參數(shù)的信息的同時，一般還能提供測量器件的狀態(tài)信息，再配合一定的軟件手段可以大大豐富診斷的能力，并把診斷分類為：通信診斷、設(shè)備診斷、回路診斷和全廠診斷（如圖1所示）。例如，設(shè)備診斷就是利用現(xiàn)場總線的設(shè)備描述文件對各種不同類型的現(xiàn)場儀表的電子電路、傳感器等一系列器件進(jìn)行診斷；全廠診斷則是利用長期的歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)的仿真軟件予以實(shí)施。這樣豐富的診斷手段不但為實(shí)施基于設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測性維護(hù)設(shè)置了前提，而且還為建立基于可靠性的維護(hù)機(jī)制[5]的維護(hù)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

圖1  現(xiàn)場總線技術(shù)大大提高工廠運(yùn)行診斷的能力

    (3)  管理因素。包括對現(xiàn)場儀表在內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行資產(chǎn)管理是用信息化改進(jìn)工業(yè)管理的一種有效途徑。由于現(xiàn)場總線儀表的設(shè)備描述文件存儲了該儀表的基本參數(shù)信息，人們得以知道生產(chǎn)廠商、型號、硬件和軟件的版本等一系列對這些設(shè)備進(jìn)行管理的基礎(chǔ)信息。另外，通過現(xiàn)場總線儀表提供的運(yùn)行信息和診斷信息，為實(shí)時降低成本和消耗，使工藝流程和工藝設(shè)備處于優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)創(chuàng)造了前提條件。
    現(xiàn)在看來，只有在中大規(guī)模的連續(xù)流程的過程控制系統(tǒng)才最有可能淋漓盡致地發(fā)揮FF的潛力。至于在中小型裝置上，盡管國內(nèi)已安裝和投運(yùn)了數(shù)以百計(jì)的FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)，但優(yōu)越性就不夠明顯。甚至有的項(xiàng)目因上馬早，暴露出一些早期FF現(xiàn)場設(shè)備的不足和因經(jīng)驗(yàn)少而導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)的缺陷。任何新技術(shù)的成熟應(yīng)用都會有一個過程，出現(xiàn)一些非致命性的問題并不足為奇，反而可以根據(jù)問題的所在加以分析改進(jìn)。

圖2  PROFIBUS適合用在制藥、飲料/食品和精細(xì)化工工業(yè)FF適用于連續(xù)流程工業(yè)

    在離散工業(yè)和流程工業(yè)之間，人們常常把在同一個工廠中既有連續(xù)流程又有離散流程的稱之為混合型工業(yè)（如圖2所示）。制藥、食品工業(yè)、飲料工業(yè)和精細(xì)化工都是典型的混合型工業(yè)。在這些工業(yè)中，為達(dá)到操作運(yùn)行的優(yōu)化，現(xiàn)場總線可以起到很重要的作用。特別是PROFIBUS，由于其體系結(jié)構(gòu)能夠以相同的通信協(xié)議既滿足離散過程控制PROFIBUS-DP的要求，又能用PROFIBUS-PA滿足連續(xù)過程控制的諸多要求（總線供電、本安防爆等）。此外，還有PROFIdrive的行規(guī)可滿足交流驅(qū)動或伺服驅(qū)動的同步要求，PROFIsafe提供附加的安全協(xié)議層，符合IEC 61508國際標(biāo)準(zhǔn)的故障安全的要求。以上這些滿足不同要求的現(xiàn)場總線技術(shù)都共享同一個通信棧協(xié)議，使這些行業(yè)的用戶只用一種現(xiàn)場總線就能解決控制系統(tǒng)的各種要求。甚至已廣泛使用的HART現(xiàn)場儀表，也可以用PROFIBUS HART規(guī)范使HART的客戶―主站模型在PROFIBUS上映射，這樣便允許設(shè)備之間的HART報文利用PROFIBUS來作透明的傳輸[2]。顯然，在混合型工業(yè)應(yīng)用PROFIBUS更加凸現(xiàn)其獨(dú)特的價值。

3  工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的相互補(bǔ)充[6]

    當(dāng)從傳輸速率、傳輸距離、本質(zhì)安全、無須有源交換式設(shè)備而能在同一條通信電纜上連接多個設(shè)備的能力等方面來審視，發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線是相互補(bǔ)充的。對處在現(xiàn)場層的儀表設(shè)備有著其獨(dú)特的、以太網(wǎng)難以滿足的要求，而現(xiàn)場總線恰恰具有這些特性，這就構(gòu)成了它們之間的理想的互補(bǔ)。
    現(xiàn)場總線只有中等適當(dāng)?shù)膫鬏斔俾剩@是因?yàn)楝F(xiàn)場總線用來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層的儀表和設(shè)備的通信，一般每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)不斷在刷新的變量只有一個或兩個，而其它要監(jiān)視的信息通常都不要求頻繁地去觀察。而在較高的層次，控制器或鏈接設(shè)備要對來自許多變送器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合或組合處理，以太網(wǎng)的高傳輸速率和高帶寬便是通信網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)選擇。要求一些像變送器、接近開關(guān)等小小的設(shè)備配備在100Mbps處理TCP/IP通信棧的能力，是沒有必要的。這就是現(xiàn)場總線只要適中的傳輸速率和較為簡單的通信棧的理由。

    (1)  多節(jié)點(diǎn)。以太網(wǎng)每連接一個節(jié)點(diǎn)設(shè)備就要用一根電纜，還要求有源的交換式集線器。當(dāng)在一個中大型工廠中有成百上千個變送器、傳感器和執(zhí)行器要聯(lián)網(wǎng)，用這種網(wǎng)絡(luò)連接，顯然會變得昂貴和難以維持。但在此低級別，現(xiàn)場總線可以方便而高效地把儀表連接起來，用一根電纜連接好多個現(xiàn)場設(shè)備，不用附加有源的交換式集線器。這既減少了電纜和其它硬件，又為連接大量的小節(jié)點(diǎn)不必耗費(fèi)過多的費(fèi)用。
    (2)  距離。由于分配給每個數(shù)據(jù)包的傳輸時間是有限的，所以在作為中繼的局域網(wǎng)交換式設(shè)備之間，如果采用銅線電纜的話其間距不得大于100米。當(dāng)控制室與現(xiàn)場儀表的距離很長，以太網(wǎng)也許就不能滿足這樣的鏈接要求了。但是，現(xiàn)場總線卻能用一根電纜為控制室與現(xiàn)場儀表之間提供長達(dá)2000米的連接；若有必要，通過中繼器還可獲得幾倍長的傳輸距離。當(dāng)然，以太網(wǎng)可以通過光纜解決幾公里的連接。不過，考慮到要連接的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的數(shù)量很大的時候，成本過高的因素又會促使人們選擇以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線互補(bǔ)的方案。
    (3)  供電問題。目前規(guī)范的以太網(wǎng)并不通過通信電纜集中提供電源。IEEE 802.3af雖然規(guī)定了以太網(wǎng)的集中供電的規(guī)范，但其DC 48V的最低電壓等級并不適用于自動化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線則不然，它具有這個功能。這再一次表明這二者之間的互補(bǔ)性。
    (4)  本質(zhì)安全問題。規(guī)范的以太網(wǎng)及其產(chǎn)品不具備本質(zhì)安全的性能，因而不適合將它們用在有防爆要求的危險I區(qū)。而且在100Mbps執(zhí)行TCP/IP通信棧，需要一定的處理功率，而這又恰恰超過了危險IIC區(qū)的允許范圍。但是，對現(xiàn)場總線來說這不算什么大問題。
    (5)  多協(xié)議問題。一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)只能處理一種單一的通信協(xié)議，但為了鏈接不同的子系統(tǒng)，也許有必要支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。好多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都在物理層和介質(zhì)存取控制層MAC符合標(biāo)準(zhǔn)Ethernet，在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層符合TCP/IP，只是在應(yīng)用層和用戶層有所不同。這就是說，HSE、EtherNet/IP和Modbus/TCP等可以在一條高速的Ethernet上傳輸，而到達(dá)各自的子系統(tǒng)。這是以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線互補(bǔ)的又一證明。至于那些并非基于標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3，或并非基于TCP/IP的混合式的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，則不具備多協(xié)議的能力。

4  以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的可互操作性

    IEC 61802給出了關(guān)于設(shè)備的兼容性的確切定義。圖3和表1描述了控制網(wǎng)絡(luò)中由不同制造廠商提供的設(shè)備之間所具有的共存性、可互連性、可協(xié)作性、可互操作性和可互換性的邏輯關(guān)系。由圖3可以清晰地知道，所謂的互操作性是指設(shè)備具有相同的通信協(xié)議、通信接口、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)存取，以及相同的參數(shù)語義、應(yīng)用功能性。
    顯然，以太網(wǎng)和TCP、UDP和IP只不過是在OSI 7層模型中的低層協(xié)議，壓根不是用來提供可互操作性的解決方案的。但是，如果在工業(yè)以太網(wǎng)的通信棧的頂層采用現(xiàn)場總線的應(yīng)用層協(xié)議，是能夠做到可互操作性的。就好像Ethernet/IP在其頂層與ControlNet和DeviceNet的頂層具有共同的CIP，F(xiàn)F的HSE在其頂層向下兼容H1的頂層協(xié)議，這樣的工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的互補(bǔ)，才能實(shí)現(xiàn)在一個系統(tǒng)中的可互操作性。

圖3  控制網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的兼容性邏輯關(guān)系

    目前出現(xiàn)了許多為解決不同領(lǐng)域的應(yīng)用而開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它們之間同樣也不具備可互操作性，因?yàn)樗鼈兊捻攲訁f(xié)議也是各不相同的。它們的低層協(xié)議往往一致的，這才是它們的共同點(diǎn)（如圖4所示 ）。

圖4  工業(yè)以太網(wǎng)往往采用Ethernet的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但應(yīng)用層協(xié)議各不相同

    應(yīng)該注意的是，以太網(wǎng)和TCP或UDP/IP綁在一起，要求適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層目標(biāo)結(jié)構(gòu)以及用戶應(yīng)用程序。否則，所有有關(guān)標(biāo)定（量程、零點(diǎn)和滿刻度）、診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控、連接選擇和傳感器類型等的實(shí)現(xiàn)，又變成專用的了。
    使用OPC可以實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，但應(yīng)該清楚地認(rèn)識到這種數(shù)據(jù)交換絕非是處于現(xiàn)場層
的數(shù)據(jù)交換，而僅僅是在監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交換。總之，以太網(wǎng)具有現(xiàn)場總線所不具備的特性。現(xiàn)場總線具有的特性以太網(wǎng)又不具備。OPC提供的卻是軟件與軟件之間的數(shù)據(jù)交換，而以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線解決的硬件與硬件之間的通信。
表1  功能性的特性描述

    例如，過程值的刷新速率會影響到控制算法。
    現(xiàn)場總線屬于設(shè)備級的網(wǎng)絡(luò)，用一根通信電纜就可以解決供電、本安、多節(jié)點(diǎn)連接和連接距離的問題。以太網(wǎng)是控制系統(tǒng)的骨干網(wǎng)，它傳輸速率高、可承載多種應(yīng)用協(xié)議，傳輸路徑可利用路由器加以選擇，必要時可采用全冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備之間利用OPC來交換數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)執(zhí)行層（MES）和經(jīng)營管理層（ERP）同樣運(yùn)用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這就構(gòu)成了如圖5 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中還給出了不同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

圖5  現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)結(jié)合成一個完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5  結(jié)語

    希望通過以上的論述能夠?qū)ΜF(xiàn)場總線應(yīng)用的價值取向進(jìn)行重新認(rèn)識，促使更多的自動化技術(shù)工作者去挖掘現(xiàn)場總線的應(yīng)用潛力，讓現(xiàn)場總線在企業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)中體現(xiàn)出更多的價值，真正從生產(chǎn)的最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)開始，用信息技術(shù)推動工業(yè)生產(chǎn)的高效、低能耗、長期可靠地運(yùn)行。