淺談現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)

王彥成，吳景威，陳志敏

平煤藍(lán)天化工有限公司，河南駐馬店 463000

淺談現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)

王彥成，吳景威，陳志敏

平煤藍(lán)天化工有限公司，河南駐馬店 463000

現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、供電方便，不需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換隔離等功能單元及復(fù)雜的接線，節(jié)省了硬件數(shù)量和投資，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，從而有較好的發(fā)展趨勢(shì)。

工業(yè)；現(xiàn)場(chǎng)總線；發(fā)展趨勢(shì)

1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念及種類

現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)生產(chǎn)中連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站通信系統(tǒng)，又稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的金屬雙絞線、同軸電纜、動(dòng)力線或光纖作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議，解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣泛注意，并逐漸推廣使用。

2 FF的一般特點(diǎn)

FF是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，是成立于1992年的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)提出的一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。目前，很多工廠正在逐步嘗試這種方式。平煤藍(lán)天化工有限公司也在嘗試用這種方式。本文結(jié)合我廠簡(jiǎn)要說明它的特點(diǎn)：

1）具有適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的通信規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)；

2）采用單一串行線上連接多個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接方法，1條總線最多可連接32臺(tái)設(shè)備。我廠采用的是兩條總線，每條總線連4臺(tái)壓力檢測(cè)儀表；

3）通信介質(zhì)可以是金屬雙絞線、同軸電纜、動(dòng)力線或光纖。我廠采用的是金屬雙絞線作為通信介質(zhì)；

4）通信信號(hào)可以采用10mA電流方式，也可以采用電壓方式。我廠采用的是電壓方式；

5）通信與設(shè)備的供電線路可以共用；

6）具有比較完備的工業(yè)設(shè)備描述語(yǔ)言；

7）采用虛擬設(shè)備的概念實(shí)現(xiàn)設(shè)備的模塊化處理；

8）實(shí)現(xiàn)了開放式系統(tǒng)，在FF系統(tǒng)內(nèi)，不同廠家的產(chǎn)品具有互操作性；

9）提供了比較完善的系統(tǒng)測(cè)試手段和方法。可以說，F(xiàn)F在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中顯示出強(qiáng)大的生命力。

3 淺談現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)中的優(yōu)點(diǎn)及其不足

1）在過程控制系統(tǒng)中，聚分散系統(tǒng)也就是DCS在站間較早里采用了局域網(wǎng)技術(shù)，隨著電子科技的逐步發(fā)展，在現(xiàn)場(chǎng)也能實(shí)現(xiàn)通信功能。

2）在過程控制系統(tǒng)中有過多種通信協(xié)議，但最后都被以太網(wǎng)所淘汰，通信逐漸統(tǒng)一到以太網(wǎng)，由于為了維護(hù)及訪問過程系統(tǒng)的方便，TCP和IP協(xié)議也進(jìn)入到了此領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)有通過以太網(wǎng)絡(luò)訪問現(xiàn)場(chǎng)儀表的例子。

3）含有Internet技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能否取代現(xiàn)場(chǎng)總線呢？筆者認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)總線融入計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)也能擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)，但是他們?cè)诠δ堋⒁蠛徒Y(jié)構(gòu)上有所不同，因此計(jì)算機(jī)通信不可能取代現(xiàn)場(chǎng)總線。

（1）現(xiàn)場(chǎng)總線的傳播介質(zhì)較廉價(jià)，支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等。由于現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換隔離等功能單元及其復(fù)雜的接線，節(jié)省了硬件數(shù)量和投資，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。在傳遞信號(hào)的同時(shí)又為現(xiàn)場(chǎng)供電，他能解決現(xiàn)場(chǎng)的防爆問題和對(duì)環(huán)境適應(yīng)比較好，不受其他外界環(huán)境所影響，比如震動(dòng)，電磁等。不同廠家制造的產(chǎn)品不一樣，但是他的可互操作性強(qiáng)，盡可能的在現(xiàn)場(chǎng)或就地處理信息，而不必讓現(xiàn)場(chǎng)將過多的信息在網(wǎng)絡(luò)上傳遞，這也是最能體現(xiàn)他的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）對(duì)計(jì)算機(jī)通信要求主要是快，而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線來說不但要求快，還要體現(xiàn)在傳輸速度快、響應(yīng)時(shí)間短、巡回時(shí)間短這3方面。對(duì)儀表來說，要準(zhǔn)確的測(cè)量和控制必須要有實(shí)時(shí)性做保證，響應(yīng)時(shí)間和巡回時(shí)間反映了實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)總線通過簡(jiǎn)化技術(shù)和采用網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)鏈路調(diào)度技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。因此，改善實(shí)時(shí)性，減少響應(yīng)時(shí)間的不確定性是現(xiàn)場(chǎng)總線的重要發(fā)展方向。

（3）從結(jié)構(gòu)方面來說，計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的通信路徑可以是不固定的，而大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線是線狀的，即從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的通信路徑是比較固定的。它的優(yōu)點(diǎn)是：①解決網(wǎng)絡(luò)供電比較容易；②解決本安防爆比較容易；③使通信協(xié)議中可以舍去與路徑有關(guān)的幾層，有利于改善實(shí)時(shí)性。對(duì)于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來說，電纜多而長(zhǎng)，由于電磁感應(yīng)等方面產(chǎn)生電火花的機(jī)會(huì)也較大，同時(shí)本安防爆限制了現(xiàn)場(chǎng)總線的電纜長(zhǎng)度和負(fù)載數(shù)量，在這個(gè)方面，它的優(yōu)點(diǎn)已基本消失了。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線要想在以安全為重的今天求得發(fā)展首先要解決的是克服本安防爆對(duì)其的限制 。

（4）問題都有兩面性，有優(yōu)點(diǎn)肯定也有缺點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線來說，其中的一條總線有問題，那么這條線上的所有支路都不能正常工作了，這也是目前現(xiàn)場(chǎng)總線沒有用在重要信號(hào)上的原因。

（5）由以上可以看出現(xiàn)場(chǎng)總線是通信、儀表智能化及自動(dòng)控制的結(jié)合產(chǎn)物。雖不是所有現(xiàn)場(chǎng)總線都滿足了上述要求，但這些要求是用于過程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線所追求的目標(biāo)。雖然我們已經(jīng)看到一些直接通過因特網(wǎng)訪問現(xiàn)場(chǎng)儀表的例子，但這些都是對(duì)控制和實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求的檢測(cè)系統(tǒng)。因此，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)不會(huì)取代現(xiàn)場(chǎng)總線。

4 淺談現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)

從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本身來分析，它有兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)：

1）尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；

2）Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過去我們一直認(rèn)為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問題正在迅速得到解決，國(guó)內(nèi)對(duì)EPA技術(shù)（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的進(jìn)展。隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見Ethernet技術(shù)將會(huì)十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)論

FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)是一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

TP336

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1674-6708（2010）22-0196-02