現(xiàn)場總線對自動化儀表與系統(tǒng)的影響分析

李克

摘要：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的發(fā)展使工廠現(xiàn)場設(shè)備、控制與管理實(shí)現(xiàn)了自動化，并引發(fā)了自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變革，為自動化儀表與系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的機(jī)會。文章通過介紹現(xiàn)場總線的發(fā)展過程及其特點(diǎn)，從3方面總結(jié)了現(xiàn)場總線對工業(yè)過程自動化儀表與系統(tǒng)、自動化技術(shù)帶來的深遠(yuǎn)的影響，以期為我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新思路。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；自動化儀表與系統(tǒng)；特點(diǎn)；影響

現(xiàn)場總線出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末90年代初，是一種以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、智能傳感控制、數(shù)字通信為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，涉及電力、冶金、化工、建材、輕工、造紙等多個(gè)領(lǐng)域，主要用于制造自動化、過程自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。目前現(xiàn)場總線已在自動化儀表與系統(tǒng)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，實(shí)現(xiàn)了自動化系統(tǒng)的深刻變革，大大提高工廠自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

1.現(xiàn)場總線的發(fā)展概述

現(xiàn)場總線可以稱作是第五代控制系統(tǒng)，即：FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。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(tǒng)，第三代為數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)DDC，第四代為集散式分布控制系統(tǒng)DCS。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS打破了DCs系統(tǒng)被束縛于通信專用網(wǎng)絡(luò)的局面，形成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，將控制功能從根本上轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場。

關(guān)于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，最早由國際電工委員會于1985年著手制訂國際性現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，此后，美國儀表學(xué)會參與其中，但由于雙方意見不一致而使該標(biāo)準(zhǔn)遲遲未出臺，各國家便開始制訂各自的標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，國際上的ISP和World IFP兩大現(xiàn)場總線組織合并，統(tǒng)一了IEC/SP50標(biāo)準(zhǔn)，此后，近200家儀表廠、公司成立了現(xiàn)場總線基金會（FF）。

目前，市場上的現(xiàn)場總線及相關(guān)產(chǎn)品包括主要用于工業(yè)控制的FF，用于樓宇自動化為的美國LON.以汽車工業(yè)為目標(biāo)的德國CAN，傳統(tǒng)的DCS等自動化控制系統(tǒng)逐漸被這種開放的自動化系統(tǒng)取而代之，整個(gè)測量與控制領(lǐng)域迎來發(fā)展的新時(shí)期。

2.現(xiàn)場總線的特點(diǎn)

現(xiàn)場總線作為21世紀(jì)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以其獨(dú)特優(yōu)勢對自動化儀表與系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響，在很大程度上影響著測量與控制行業(yè)的發(fā)展。文章主要從以下3點(diǎn)分析了現(xiàn)場總線的特點(diǎn)。

2.1系統(tǒng)的開放性

開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各廠家設(shè)備通過互連實(shí)現(xiàn)信息交換，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開性特征，F(xiàn)CS的信號傳輸就實(shí)現(xiàn)了開放的全數(shù)字化通訊?，F(xiàn)場總線的開放性特征，滿足了用戶對系統(tǒng)集成的要求，使用戶能夠根據(jù)自身需求將各供應(yīng)商的產(chǎn)品組成任意系統(tǒng)。同時(shí)，互連設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通的實(shí)現(xiàn)，使各廠商現(xiàn)場設(shè)備可進(jìn)行互換，并統(tǒng)一組態(tài)，從根本上解決了傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性問題。

2.2現(xiàn)場設(shè)備的智能化

現(xiàn)場總線將補(bǔ)償計(jì)算、傳感測量、工程量處理與控制等功能應(yīng)用于在現(xiàn)場設(shè)備，通過現(xiàn)場設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確度與系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，另一方面也方便了用戶對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的查詢，以便提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并盡快解決，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，提高了設(shè)備工作效率。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散陛

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備本身完成自動控制的基本功能，采用全分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，把DCS控制站的功能分散地分配給現(xiàn)場儀表，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既減少了變送器的數(shù)量，又無需單獨(dú)使用控制器、計(jì)算單元等，傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線一并被廢棄，大大節(jié)省了硬件投資與控制室占地面積。

3.現(xiàn)場總線對自動化儀表與系統(tǒng)的影響

現(xiàn)場總線被稱為是一種引發(fā)自動化和儀器儀表變革的新技術(shù)，而現(xiàn)場總線之所以受到諸多關(guān)注，也正是由于它對控制及自動化產(chǎn)品和系統(tǒng)帶來的沖擊和影響，可以說，現(xiàn)場總線是推動自動化產(chǎn)品進(jìn)入“新世紀(jì)”的主要因素。那么，現(xiàn)場總線究竟是如何影響自動化儀表與系統(tǒng)變革，人們又將如何抓住機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)自動化儀表與系統(tǒng)的新飛躍？本文通過搜集大量資料，結(jié)合現(xiàn)場總線與自動化儀表與系統(tǒng)發(fā)展的實(shí)際情況，得到以下結(jié)論。

3.1促使工業(yè)控制由控制室轉(zhuǎn)向現(xiàn)場

現(xiàn)場總線對于自動化儀表與系統(tǒng)的最直接、最大的影響，就是實(shí)現(xiàn)了各種控制功能由控制室向現(xiàn)場的轉(zhuǎn)變，從根本上改變了工廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。數(shù)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(tǒng)功能取而代之?，F(xiàn)場總線涉及的各種新概念，會不斷促進(jìn)現(xiàn)場儀表的檢測與控制功能的更新。為此，政府及各決策機(jī)構(gòu)應(yīng)積極鼓勵(lì)各儀表生產(chǎn)廠家和廣大用戶分析研究與開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)場總線，為我國國民經(jīng)濟(jì)各部門提供新的自動化裝備，振興我國儀表工業(yè)。尤其是在面對當(dāng)前國外儀表公司產(chǎn)品進(jìn)入我國市場參與競爭的炙熱局面下，我國儀表企業(yè)面臨重重困難，推動現(xiàn)場總線儀表及系統(tǒng)的發(fā)展，將促進(jìn)我國儀表產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從而使我國儀表產(chǎn)業(yè)在技術(shù)與市場的推動下取得競爭優(yōu)勢。

3.2實(shí)現(xiàn)傳輸信號數(shù)字化

首先，現(xiàn)場總線將完全替代4-20 mA DC聯(lián)絡(luò)信號，實(shí)現(xiàn)傳輸信號數(shù)字化，更方便進(jìn)行現(xiàn)場布線，降低了近70%的現(xiàn)場配線費(fèi)用。其次，現(xiàn)場總線可將控制、報(bào)警、趨勢分析等先進(jìn)功能增加到現(xiàn)場儀表，減少了D/h與A/O變換，上層系統(tǒng)得到簡化。最后，現(xiàn)場總線為系統(tǒng)的開放化奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了自動化儀表從封閉式系統(tǒng)向開放式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，從模擬數(shù)字混合技術(shù)向全數(shù)字化技術(shù)的轉(zhuǎn)變，各廠家設(shè)備在相同標(biāo)準(zhǔn)下通過互連實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場總線完成底層通信，系統(tǒng)冗余和故障診斷與容錯(cuò)功能增強(qiáng)，大大提高了系統(tǒng)可靠性、安全性，為其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。為此，本文認(rèn)為政府應(yīng)積極組織成立“中國現(xiàn)場總線協(xié)會”，形成以企業(yè)、大型集團(tuán)、研究所及高校等各種力量為一體的凝聚力，共同致力于現(xiàn)場總線技術(shù)及其產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。并實(shí)現(xiàn)與國際上各現(xiàn)場總會組織的銜接與互動，密切關(guān)注現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的制訊以更好地指導(dǎo)我國現(xiàn)場總線技術(shù)的開發(fā)與完善。如國家重點(diǎn)安排幾個(gè)DCS應(yīng)用熟練且經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的化工企業(yè)與儀表研究、生產(chǎn)部門組成集團(tuán)，進(jìn)入國際現(xiàn)場總線基金會，并努力成為其試驗(yàn)基地，取得實(shí)際試驗(yàn)的初始資料，為發(fā)展我國新一代儀表打下基礎(chǔ)。

3.3推動自動化儀表與系統(tǒng)的智能化

以實(shí)現(xiàn)過程控制與企業(yè)管理的有機(jī)集成為主的綜合自動化，是自動化發(fā)展的主要方向?，F(xiàn)場總線在自動化儀表與系統(tǒng)中的應(yīng)用，將成為實(shí)現(xiàn)這種綜合自動化強(qiáng)有力手段。首先，現(xiàn)場總線使全部控制設(shè)備的測量值以工程單位體現(xiàn)，這樣就避免了將控制裝置中初始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程單位的工作環(huán)節(jié)，使控制裝置可以去完成更高級的控制任務(wù)，方便了對控制裝置的管理。其次，現(xiàn)場儀表中使用微處理器，使現(xiàn)場儀表表現(xiàn)出智能化、功能多樣化的優(yōu)勢，促使先進(jìn)的、新式的現(xiàn)場設(shè)備被研發(fā)，如多變量變送器及測控一體化產(chǎn)品，而這種產(chǎn)品將大大減少工業(yè)控制所需的總儀表數(shù)量，不僅節(jié)約了儀表購置、安裝及維護(hù)費(fèi)用，而且更有利于實(shí)現(xiàn)過程控制與企業(yè)管理的有機(jī)集成。為此，本文認(rèn)為應(yīng)大力發(fā)展全數(shù)字式智能化現(xiàn)場儀表，這將是未來整個(gè)控制、管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國要取得經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展，必然離不開基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)達(dá)，而現(xiàn)場儀表作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，國家應(yīng)加大支持力度，有計(jì)劃地開發(fā)或通過引進(jìn)、合資、建立起現(xiàn)場儀表生產(chǎn)基地，依托科技與信息技術(shù)的進(jìn)步，推動全數(shù)字式智能化現(xiàn)場儀表在工業(yè)領(lǐng)域的影響力。

4.結(jié)語

現(xiàn)場總線作為21世紀(jì)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對自動化儀表與系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大影響，本文主要將其總結(jié)為促使工業(yè)控制由控制室轉(zhuǎn)向現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)傳輸信號數(shù)字化，以及推動自動化儀表與系統(tǒng)的智能化3方面。目前，現(xiàn)場總線儀表及系統(tǒng)己廣泛用于工業(yè)過程控制，并促使自動化技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)升級以及過程檢測產(chǎn)品的更新?lián)Q代。面對激烈的國際競爭局勢，我們應(yīng)努力克服現(xiàn)場總線技術(shù)的研究與開發(fā)中的各種難題，抓住機(jī)遇，瞄準(zhǔn)目標(biāo)，不斷完善現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，并形成有利于我國儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，振興中國儀器儀表工業(yè)。