現(xiàn)場總線的應(yīng)用分析

夏德海

（北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院，北京100053）

1 歷 史

現(xiàn)場總線于20世紀(jì)中后期在歐洲首先出現(xiàn)，后來發(fā)展到北美。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場總線有40多種，其中有的是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有的是國家標(biāo)準(zhǔn)，如英國的ERA，法國的FIP，芬蘭的FINT，德國的Profibus。有些標(biāo)準(zhǔn)隨后成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。1984年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織之一，國際電工委員會IEC下的技術(shù)分會TC65開始制訂現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)［1］。

由于國際標(biāo)準(zhǔn)制訂得較晚，各個(gè)跨國公司為了各自的利益，圍繞著現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的爭執(zhí)達(dá)16年之久［2］，最后以妥協(xié)告終。2000年1月4日IEC中央辦公室公布了投票表決結(jié)果［3］，通過了IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括了8種類型的現(xiàn)場總線，歐洲與北美各有4種。稍后IEC61158的第二版又增加了4種。到最近的一版，增加了實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，再加上ISO11898的CAN（Control Area Network）總線和IEC TC17B的SDS（Smart Distributed System）及ASi（Actuator Sensor interface），就有了23種總線。

2 現(xiàn) 狀

2.1 標(biāo)準(zhǔn)種類

現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)共有23種，面對如此眾多的標(biāo)準(zhǔn)，不免使用戶感到困惑與無奈［4］，多標(biāo)準(zhǔn)等于沒有標(biāo)準(zhǔn)。

回顧工業(yè)自動化儀表的信號制，20世紀(jì)初的氣動儀表國際標(biāo)準(zhǔn)的信號制為19.6～98kPa；20世紀(jì)60年代的電動儀表，開始時(shí)也有很多種信號制，但最終定為4～20mA DC，這樣使大家有章可循。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)場總線應(yīng)用于下列三類自動化領(lǐng)域，即過程自動化PA（Process Automation），工廠自動化FA（Factory Automation）及運(yùn)動控制MC（Motion Contiol）。

a）PA的生產(chǎn)過程一般與熱力過程有關(guān)，所以變化比較緩慢，如石油和石化、化工，火電廠等。所以DCS的掃描周期一般在200ms，適用的現(xiàn)場總線有FF，Profibus－PA，EPA等，其中以FF的應(yīng)用情況較好。

b）FA可以用生產(chǎn)線來代表，如汽車制造，飲料罐裝等。PLC掃描周期大概在幾ms到幾十ms，適用的現(xiàn)場總線有Profibus－DP，Device Net等，其中以Profibus－DP應(yīng)用最為普遍。

c）MC主要用于印染或彩色印刷機(jī)等。其要求的速度很快，而且還要求時(shí)間同步，常以微秒級來衡量。適用的現(xiàn)場總線有SERCOS，Power Link及Ether－CAT等。

所有的現(xiàn)場總線很難全面兼顧，只能在某一方面有所側(cè)重。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)過多的缺陷

雖然圍繞著國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線爭執(zhí)以妥協(xié)告終，但在隨后的推廣過程中，情況并不理想。

由于標(biāo)準(zhǔn)過多，用戶中的觀望者較多，市場分散，不易做到擴(kuò)大生產(chǎn)、降低成本，結(jié)果誰也不是贏家。

形成對比的是微軟的操作系統(tǒng)。雖然不是國際標(biāo)準(zhǔn)，但用戶多，使用過程中的缺點(diǎn)能及時(shí)打上“補(bǔ)丁”，價(jià)格也逐步下降，從而形成良性循環(huán)。

或許因?yàn)檫@個(gè)原因，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN沒出現(xiàn)像現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)那樣的爭執(zhí)。至今只有無線HART和中國的WIA－PA，隨后可能還有ISA的ISA100。

2.4 PA現(xiàn)場總線

筆者從事PA應(yīng)用領(lǐng)域，因此僅分析適用于PA的幾種現(xiàn)場總線的應(yīng)用狀況及其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.4.1 FF的應(yīng)用狀況

在過程控制領(lǐng)域，F(xiàn)F是比較適用的，其應(yīng)用面較廣，且有多個(gè)成功的范例。

a）在國內(nèi)的中外合資大型百萬噸級的石化乙烯項(xiàng)目都使用了FF，有的在現(xiàn)場儀表這一級實(shí)現(xiàn)了PID的自主調(diào)節(jié)，有的仍放在DCS這一級。

b）凡國內(nèi)獨(dú)資的大型石油及百萬噸級的乙烯項(xiàng)目一概不用FF。

c）據(jù)德國NAMUR組織的一次就“討論現(xiàn)場總線應(yīng)用中的癥結(jié)”的圓桌會議的報(bào)道［5］，其中提到“儀表設(shè)備的集成是最大問題”。同時(shí)了解到現(xiàn)場總線不在德國本土應(yīng)用而僅使用于國外的生產(chǎn)基地的現(xiàn)狀。

2.4.2 情況分析

a）根據(jù)以上事實(shí)，覺得有些地方不可思議。即一般先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，首先應(yīng)該在管理、操作、維護(hù)等技術(shù)水平較高的工業(yè)發(fā)達(dá)國家中應(yīng)用，然后推廣到發(fā)展中國家。而現(xiàn)在卻相反，難免有借他國做試驗(yàn)和轉(zhuǎn)嫁風(fēng)險(xiǎn)給合資方之嫌。

b）國內(nèi)獨(dú)資的大型石油及石化企業(yè)為什么不用FF？據(jù)中石化工程建設(shè)公司一位專家的說法是“水土不服”。

c）FF的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了將PID調(diào)節(jié)下放到現(xiàn)場儀表層，能進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，從而達(dá)到徹底分散，增加了控制系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性；用一根雙絞線可帶多個(gè)儀表，而且信號與電源共用一線；FF具有豐富的功能塊，其中基本功能塊有10個(gè)（有各種輸入、輸出及PID調(diào)節(jié)等），先進(jìn)功能塊有19個(gè)（有超馳控制、比例控制、串級控制、分級控制等）。這些功能塊，可以使DCS 60%～80%的基本控制任務(wù)下放到現(xiàn)場智能儀表中去。

d）FF的缺點(diǎn)。以上海SECCO項(xiàng)目來看，將PID調(diào)節(jié)下放到現(xiàn)場儀表時(shí)，發(fā)現(xiàn)每條H1總線只能帶4臺設(shè)備，離協(xié)議中規(guī)定的2～32臺相差甚遠(yuǎn)。由此可見，H1的31.25Kbit／s的速度偏低，芯片的功耗偏大；同時(shí)由于每條H1總線所帶的儀表臺數(shù)少，所節(jié)省的電纜比預(yù)計(jì)的要少得多；符合FF現(xiàn)場儀表的品種少；雖然出于投標(biāo)的需要，供貨方的FF現(xiàn)場儀表價(jià)格相對合理，但其附加的備品、備件等價(jià)格不菲，造成FF的總投資造價(jià)較高。

2.4.3 Profibus－PA

Profibus原先沒有考慮應(yīng)用于過程控制，后來為了擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，將Profibus的DP加以延伸，出現(xiàn)了適用于過程控制的PA，這在先天上就有所不足。例如PA的通信方式與DP一樣都是主從系統(tǒng)，不同主站下的從站要互相通信，都必須通過各自的主站，不像FF的通信采用的廣播方式即發(fā)布者／預(yù)訂者（Publisher／Subscriber），一旦某個(gè)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)布信息，相關(guān)設(shè)備均能收到。另外，由于Profibus－PA沒有功能塊，因此不能在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。雖然Profibus－DP后來得到改進(jìn)，其軟件版本DPV0.0收集周期性數(shù)據(jù)，版本V1.0可收集非周期性數(shù)據(jù)，而版本V2.0則使各從站也可互相通信。適用于FA的Profibus－DP則在國際市場上是領(lǐng)先的，目前已達(dá)3 000多萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，但PA的市場占有份額卻不及FF。

2.4.4 ProfiNet

a）ProfiNet的優(yōu)點(diǎn)。ProfiNet由CBA（Component Based Automation）與I／O Link組成，CBA是基于自動化組件的簡稱。其設(shè)想非常好，即將生產(chǎn)過程劃分為若干工序，再將各工序模型化后成為一個(gè)電子組件，在應(yīng)用時(shí)按實(shí)際需要選擇相關(guān)的電子組件一一加以連接即可。其使用方便、快捷，且通過I／O Link及Proxy代理可接入各種總線。

b）ProfiNet的缺點(diǎn)。ProfiNet適用于FA，卻不太適合PA。因?yàn)橐话愕倪^程控制工藝流程離不開熱交換，而熱交換問題相對復(fù)雜，因?yàn)榭勺円蛩睾芏?。ProfiNet采用Profibus－PA，將PA通過代理Proxy接到ProfiNet中去。

2.4.5 EPA

用于過程自動化的以太網(wǎng)EPA（Ethernet for Process Automation）是中控采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的方案，目前已成為國際標(biāo)準(zhǔn)。

a）EPA的優(yōu)點(diǎn)。從現(xiàn)場儀表往上經(jīng)過PCS，MES一直到ERP層，全部都是以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)直通快速的無縫鏈接。遺憾的是，EPA在開發(fā)時(shí)，可以在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，但尚無實(shí)踐的例證。

b）EPA的不足之處。和以太網(wǎng)一樣，EPA所使用的電纜也為8芯，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線都是2芯的雙絞線，而且工業(yè)級8芯電纜價(jià)格高。也有人認(rèn)為，過程行業(yè)的參數(shù)檢測如溫度變送器、壓力變送器等，數(shù)據(jù)量（字長）有限，而且過程控制變化較為緩慢，是否需要用快速的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)也值得研究。

EPA目前的試點(diǎn)一般都是小規(guī)模的系統(tǒng)，缺乏大型應(yīng)用范例。而根據(jù)現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的規(guī)模越大效果才越明顯。

3 結(jié)束語

現(xiàn)場總線何處去？如果現(xiàn)場總線不改進(jìn)，取而代之的將是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）與能在現(xiàn)場進(jìn)行自主調(diào)節(jié)的智能現(xiàn)場儀表，以保證控制的實(shí)時(shí)性，并與資源共享的云計(jì)算相結(jié)合的云控系統(tǒng)CCS（Cloud Control System）。在初始階段，為了保障信息安全，CCS將在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行封閉式的運(yùn)行。

［1］ 夏德海.現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及其應(yīng)用（一）［J］.中國儀器儀表，1998（01）：1－3.

［2］ 夏德海.現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀用其應(yīng)用（二）［J］.中國儀器儀表，1998（02）：3－5.

［3］ 夏德海.現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀用其應(yīng)用（三）［J］.中國儀器儀表，1998（03）：1－4.

［4］ 夏德海.現(xiàn)場總線大戰(zhàn)何時(shí)休（一）——由此而帶來的思改［J］.中國儀器儀表，1999（01）：1－2.

［5］ 夏德海.現(xiàn)場總線大戰(zhàn)何時(shí)休（二）——由此而帶來的思改［J］.中國儀器儀表，1999（02）：1－4.

［6］ 夏德海.如何用先進(jìn)的自動化技術(shù)改造現(xiàn)有企事業(yè)［J］.中國儀器儀表，1999（03）：1－4.

［7］ 夏德海.現(xiàn)場總線的困惑、無奈與出路［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2011（05）：10－15.

［8］ 夏德海.評IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)投票表決結(jié)果［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2000（01）：5－7.

［9］ GERD K.討論現(xiàn)場總線應(yīng)用中的癥結(jié)［J］.流程工業(yè)，2009（01）：42－46.

［10］ 夏德海.現(xiàn)場總線與后DCS時(shí)代的需求［J］.自動化儀表（增刊），2011（08）：80－84.

［11］ 繆學(xué)勤.20種類型現(xiàn)場總線進(jìn)入IEC61158第四版國際標(biāo)準(zhǔn)［J］.自動化儀表，2007（09）：25－29.

［12］ 夏德海.DCS與現(xiàn)場總線縱橫談［J］.自動化儀表，1995（12）：1－8.

［13］ 夏德海.自動化現(xiàn)狀及鋼鐵企業(yè)自動化的前提條件［J］.基礎(chǔ)自動化，1995（03）：1－6.