現場總線對自動化儀表與系統的影響分析

李克

摘要：計算機網絡及通信技術的發展使工廠現場設備、控制與管理實現了自動化，并引發了自動化系統的結構變革，為自動化儀表與系統的發展帶來新的機會。文章通過介紹現場總線的發展過程及其特點，從3方面總結了現場總線對工業過程自動化儀表與系統、自動化技術帶來的深遠的影響，以期為我國儀器儀表產業發展提供新思路。

關鍵詞：現場總線；自動化儀表與系統；特點；影響

現場總線出現于20世紀80年代末90年代初，是一種以計算機網絡、智能傳感控制、數字通信為主要內容的綜合技術，涉及電力、冶金、化工、建材、輕工、造紙等多個領域，主要用于制造自動化、過程自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通信網絡。目前現場總線已在自動化儀表與系統領域受到廣泛關注，實現了自動化系統的深刻變革，大大提高工廠自動化水平，提高勞動生產率和經濟效益。

1.現場總線的發展概述

現場總線可以稱作是第五代控制系統，即：FCS——現場總線控制系統。第一代為氣動信號控制系PCS，第二代為4～20 mA等電動模擬信號控制系統，第三代為數字計算機集中式控制系統DDC，第四代為集散式分布控制系統DCS。現場總線控制系統FCS打破了DCs系統被束縛于通信專用網絡的局面，形成了新型全分布式結構，將控制功能從根本上轉移到現場。

關于現場總線標準，最早由國際電工委員會于1985年著手制訂國際性現場總線標準，此后，美國儀表學會參與其中，但由于雙方意見不一致而使該標準遲遲未出臺，各國家便開始制訂各自的標準。截止到1994年年初，在美國、德國、法國分別形成了Porifbus，IFP，IsA等幾種主要的現場總線標準，國際上的ISP和World IFP兩大現場總線組織合并，統一了IEC/SP50標準，此后，近200家儀表廠、公司成立了現場總線基金會（FF）。

目前，市場上的現場總線及相關產品包括主要用于工業控制的FF，用于樓宇自動化為的美國LON.以汽車工業為目標的德國CAN，傳統的DCS等自動化控制系統逐漸被這種開放的自動化系統取而代之，整個測量與控制領域迎來發展的新時期。

2.現場總線的特點

現場總線作為21世紀現場控制系統的基礎，以其獨特優勢對自動化儀表與系統產生了深刻的影響，在很大程度上影響著測量與控制行業的發展。文章主要從以下3點分析了現場總線的特點。

2.1系統的開放性

開放系統是指通信協議公開，各廠家設備通過互連實現信息交換，相關標準具有一致性、公開性特征，FCS的信號傳輸就實現了開放的全數字化通訊。現場總線的開放性特征，滿足了用戶對系統集成的要求，使用戶能夠根據自身需求將各供應商的產品組成任意系統。同時，互連設備間、系統間信息傳送與溝通的實現，使各廠商現場設備可進行互換，并統一組態，從根本上解決了傳統DCS控制層的封閉性和專用性問題。

2.2現場設備的智能化

現場總線將補償計算、傳感測量、工程量處理與控制等功能應用于在現場設備，通過現場設備便可實現自動控制與故障診斷。這一方面減少了傳送誤差，從根本上提高了測量與控制的準確度與系統運行的可靠性，另一方面也方便了用戶對設備運行狀態的查詢，以便提前發現設備故障并盡快解決，縮短了維護停工時間，提高了設備工作效率。

2.3系統結構的高度分散陛

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現場設備本身完成自動控制的基本功能，采用全分布式控制系統體系結構，把DCS控制站的功能分散地分配給現場儀表，簡化了系統結構，既減少了變送器的數量，又無需單獨使用控制器、計算單元等，傳統DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線一并被廢棄，大大節省了硬件投資與控制室占地面積。

3.現場總線對自動化儀表與系統的影響

現場總線被稱為是一種引發自動化和儀器儀表變革的新技術，而現場總線之所以受到諸多關注，也正是由于它對控制及自動化產品和系統帶來的沖擊和影響，可以說，現場總線是推動自動化產品進入“新世紀”的主要因素。那么，現場總線究竟是如何影響自動化儀表與系統變革，人們又將如何抓住機遇，實現自動化儀表與系統的新飛躍？本文通過搜集大量資料，結合現場總線與自動化儀表與系統發展的實際情況，得到以下結論。

3.1促使工業控制由控制室轉向現場

現場總線對于自動化儀表與系統的最直接、最大的影響，就是實現了各種控制功能由控制室向現場的轉變，從根本上改變了工廠控制系統結構。數字式儀表將被模擬儀表取而代之，目前DCS控制功能將由FCS系統功能取而代之。現場總線涉及的各種新概念，會不斷促進現場儀表的檢測與控制功能的更新。為此，政府及各決策機構應積極鼓勵各儀表生產廠家和廣大用戶分析研究與開發應用現場總線，為我國國民經濟各部門提供新的自動化裝備，振興我國儀表工業。尤其是在面對當前國外儀表公司產品進入我國市場參與競爭的炙熱局面下，我國儀表企業面臨重重困難，推動現場總線儀表及系統的發展，將促進我國儀表產業及產品結構的調整，從而使我國儀表產業在技術與市場的推動下取得競爭優勢。

3.2實現傳輸信號數字化

首先，現場總線將完全替代4-20 mA DC聯絡信號，實現傳輸信號數字化，更方便進行現場布線，降低了近70%的現場配線費用。其次，現場總線可將控制、報警、趨勢分析等先進功能增加到現場儀表，減少了D/h與A/O變換，上層系統得到簡化。最后，現場總線為系統的開放化奠定基礎，實現了自動化儀表從封閉式系統向開放式系統的轉變，從模擬數字混合技術向全數字化技術的轉變，各廠家設備在相同標準下通過互連實現交互操作和互換使用，極大地方便了用戶間的信息交換。此外，采用現場總線完成底層通信，系統冗余和故障診斷與容錯功能增強，大大提高了系統可靠性、安全性，為其在更廣泛領域的應用創造了條件。為此，本文認為政府應積極組織成立“中國現場總線協會”，形成以企業、大型集團、研究所及高校等各種力量為一體的凝聚力，共同致力于現場總線技術及其產品的開發和應用。并實現與國際上各現場總會組織的銜接與互動，密切關注現場總線國際標準的制訊以更好地指導我國現場總線技術的開發與完善。如國家重點安排幾個DCS應用熟練且經濟實力較強的化工企業與儀表研究、生產部門組成集團，進入國際現場總線基金會，并努力成為其試驗基地，取得實際試驗的初始資料，為發展我國新一代儀表打下基礎。

3.3推動自動化儀表與系統的智能化

以實現過程控制與企業管理的有機集成為主的綜合自動化，是自動化發展的主要方向。現場總線在自動化儀表與系統中的應用，將成為實現這種綜合自動化強有力手段。首先，現場總線使全部控制設備的測量值以工程單位體現，這樣就避免了將控制裝置中初始傳感器數據轉換為工程單位的工作環節，使控制裝置可以去完成更高級的控制任務，方便了對控制裝置的管理。其次，現場儀表中使用微處理器，使現場儀表表現出智能化、功能多樣化的優勢，促使先進的、新式的現場設備被研發，如多變量變送器及測控一體化產品，而這種產品將大大減少工業控制所需的總儀表數量，不僅節約了儀表購置、安裝及維護費用，而且更有利于實現過程控制與企業管理的有機集成。為此，本文認為應大力發展全數字式智能化現場儀表，這將是未來整個控制、管理系統的發展方向。我國要取得經濟的長遠發展，必然離不開基礎工業的發達，而現場儀表作為信息產業的基礎，國家應加大支持力度，有計劃地開發或通過引進、合資、建立起現場儀表生產基地，依托科技與信息技術的進步，推動全數字式智能化現場儀表在工業領域的影響力。

4.結語

現場總線作為21世紀現場控制系統的基礎，對自動化儀表與系統產生了巨大影響，本文主要將其總結為促使工業控制由控制室轉向現場，實現傳輸信號數字化，以及推動自動化儀表與系統的智能化3方面。目前，現場總線儀表及系統己廣泛用于工業過程控制，并促使自動化技術領域產業升級以及過程檢測產品的更新換代。面對激烈的國際競爭局勢，我們應努力克服現場總線技術的研究與開發中的各種難題，抓住機遇，瞄準目標，不斷完善現場總線控制系統，并形成有利于我國儀表產業發展的現場總線標準，振興中國儀器儀表工業。