過程自動(dòng)化領(lǐng)域數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用與展望

林 融

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

0 引言

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)(information and communication technology,ICT)與先進(jìn)制造技術(shù)(包括工藝技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)技術(shù)等)深度融合，貫穿研發(fā)、設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式[1]。發(fā)展智能制造是我國(guó)制造工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵路徑，不僅有助于制造企業(yè)全面提升研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，持續(xù)改善產(chǎn)品品質(zhì)，滿足在新常態(tài)下企業(yè)迫切希望實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求，并且可帶動(dòng)眾多新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備[2]的快速發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展注入強(qiáng)有力的新動(dòng)能，促進(jìn)制造工業(yè)邁向全球產(chǎn)業(yè)鏈中高端。伴隨著傳統(tǒng)制造企業(yè)加快數(shù)字化、智能化制造的轉(zhuǎn)型進(jìn)程，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迅速在全世界范圍內(nèi)興起。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架中，科技界普遍認(rèn)為，ICT應(yīng)由信息獲取(感知)、信息傳輸、信息處理和信息應(yīng)用四大部分技術(shù)組成[3]。其中，信息傳輸部分是通過各類模擬、數(shù)字信號(hào)傳輸與通信方式將不同現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備接入過程控制系統(tǒng)，是ICT的重要一環(huán)。

本文從過程自動(dòng)化領(lǐng)域數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用與市場(chǎng)需求角度出發(fā)：闡述了基礎(chǔ)自動(dòng)化層的5種數(shù)字通信方式，即現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)-先進(jìn)物理層(advanced physical layer，APL)、工業(yè)無線儀表、通用I/O技術(shù)；總結(jié)歸納了這5種技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析結(jié)果，展望了各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 過程自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

過程自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)大致經(jīng)歷了以下6個(gè)主要發(fā)展階段。

①氣動(dòng)單元組合儀表(20世紀(jì)50年代至60年代)：信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)為20～100 kPa。

②電動(dòng)單元組合儀表(20世紀(jì)60年代至80年代)：信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)為0～20 mA DC和4～20 mA DC。

③分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)/可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)(20世紀(jì)80年代至90年代末)：HART/DE/BRAIN模數(shù)混合信號(hào)。

④DCS /現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,FCS)(2000年以后)：IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線全數(shù)字信號(hào)。

⑤DCS/FCS/無線儀表系統(tǒng)(wireless instrument system,WIS)(2010年以后)：IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線+工業(yè)無線儀表(IEC WirelessHART /ISA 100.11a[4]/WIA-PA[5]等)。

⑥D(zhuǎn)CS/FCS/WIS/以太網(wǎng)-APL(2020年以后)：IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線+工業(yè)無線儀表(IEC WirelessHART/ISA 100.11a[4]/WIA-PA[5]等)+以太網(wǎng)-APL(IEEE 802.3cg-2019)。

過程自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 過程自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)發(fā)展歷程Fig.1 Process automation instrumentation and control system development history

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)綜述

2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線起源及定義

①現(xiàn)場(chǎng)總線起源。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代在國(guó)際自動(dòng)化控制領(lǐng)域興起的一項(xiàng)突破性技術(shù)。它集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化儀表技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)之大成，組成雙向、多節(jié)點(diǎn)、全數(shù)字的開放式通信系統(tǒng)。FCS位于過程控制系統(tǒng)(process control system，PCS)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層，并直接與過程控制對(duì)象相連接。

②現(xiàn)場(chǎng)總線定義。

根據(jù)IEC 61158，現(xiàn)場(chǎng)總線的定義是：安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置或系統(tǒng)之間的一種數(shù)字、串行、雙向、多節(jié)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線[6]。

需要說明的是，現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。

2.2 按照IEC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線分類

目前，世界上存在著50多種現(xiàn)場(chǎng)總線。這些現(xiàn)場(chǎng)總線大多用于過程自動(dòng)化、醫(yī)藥、加工制造、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域。在實(shí)際發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出了許多著名的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，例如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus foundation，F(xiàn)F)、PROFIBUS、P-NET、LONWORKS、CIP、INTERBUS、WorldFIP、CC-Link、EtherCAT、EPA現(xiàn)場(chǎng)總線等。其中，歸入IEC 61158-1:2014及IEC 61784通信行規(guī)家族(communication profile family,CPF)的有以下19大類(除已被撤銷的SwiftNet外)、53種。由IEC 61158-1及IEC 61784所定義的現(xiàn)場(chǎng)總線分類如表1所示[7]。表1中，標(biāo)注有下劃線的通信總線為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)或高速以太網(wǎng)(即工業(yè)以太網(wǎng))。

表1 現(xiàn)場(chǎng)總線分類(由IEC 61158-1及IEC 61784所定義)Tab.1 Fieldbus classification (defined by IEC 61158-1 and IEC 61784)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特征

本節(jié)以FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線為例進(jìn)行分析。FF現(xiàn)場(chǎng)總線是PCS的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層控制網(wǎng)絡(luò)，是DCS系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的延伸，是過程控制領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。FF具有以下顯著特點(diǎn)[8]。

①全數(shù)字化(數(shù)字通信延伸到工業(yè)控制系統(tǒng)的最底層——現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層)。

②全分布式控制(各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有足夠的自主性)。

③雙向傳輸。

④良好的開放性(現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)成為一種開放技術(shù))。

⑤良好的互操作性(保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作和互用)。

⑥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散性(控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)CIF)。

⑦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化和自治性。

⑧高精度、高可靠性和高安全性(測(cè)量精度達(dá)0.1級(jí)，取得SIL3認(rèn)證)。

⑨可節(jié)省安裝材料、減少調(diào)試工作量及縮短開工時(shí)間。

⑩先進(jìn)診斷及預(yù)測(cè)性維護(hù)功能，可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，降低工廠生命周期成本。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)缺陷

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)存在以下缺陷。

①網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲。

②通信系統(tǒng)的瞬時(shí)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)包丟失。

③發(fā)送與到達(dá)次序的不一致等問題都會(huì)破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原有的確定性，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更為復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的性能造成負(fù)面影響。

④多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議共存，很難形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，造成用戶選擇困難。

3 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)綜述

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)定義

通用的工業(yè)以太網(wǎng)定義為：技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上必須滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性、可互操作性、抗干擾性、本質(zhì)安全性、環(huán)境適應(yīng)性等方面的需要，是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后發(fā)展起來的、被廣泛認(rèn)同為頗具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在應(yīng)用層會(huì)加入各自特有的協(xié)議(通常為IEEE 802.3/IEEE 802.3u)。

從定義角度而言，工業(yè)以太網(wǎng)也是現(xiàn)場(chǎng)總線中的一種，如同現(xiàn)場(chǎng)總線的各種協(xié)議一樣，又被稱為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應(yīng)用層包括超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol，HTTP)、文件傳輸協(xié)議(file transfer protocol，F(xiàn)TP)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network management protocol，SNMP)等常用協(xié)議。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。至21世紀(jì)，工業(yè)以太網(wǎng)還沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，但受到廣泛支持并已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品的主要協(xié)議有FF-HSE、Modbus TCP/IP、PROFINET、EtherNet/IP等。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)特征

與商用以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特征體現(xiàn)在對(duì)以下方面的特殊要求。

①具有高實(shí)時(shí)性與良好的時(shí)間確定性。

②傳送信息多為短幀信息，且信息交換頻繁。

③容錯(cuò)能力強(qiáng)，可靠性、安全性好。

④控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高度分散性。

⑤控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)單、實(shí)用，工作效率高。

⑥控制設(shè)備的智能化與控制功能的自治性。

⑦與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效率的通信，易于實(shí)現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。

⑧設(shè)備的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。

⑨遠(yuǎn)距離傳輸。

⑩總線供電。

3.3 工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①應(yīng)用廣泛。

以太網(wǎng)是應(yīng)用較為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大部分編程語言(如Visual C++、Java、Visual Basic等)都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，支持用于過程控制的對(duì)象連接與嵌入(object linking and embedding for process control,OPC)通信協(xié)議。

②通信速率高。

目前，100 Mbit/s的快速以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用，1 Gbit/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟。而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線最高速率只有12 Mbit/s(如西門子PROFIBUS-DP)。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線快得多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的帶寬要求。

③軟硬件成本低廉。

由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備可供用戶選擇，價(jià)格低廉。

④資源共享能力強(qiáng)。

隨著Internet/Intranet的發(fā)展，由于以太網(wǎng)是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，所以遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同廠商的設(shè)備可以很容易地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。隨著以太網(wǎng)滲透到各個(gè)角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛。因此，以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。這是其他任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都無法比擬的。

⑤可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

以太網(wǎng)的引入將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能，使用戶在技術(shù)升級(jí)方面無需獨(dú)自的研究投入。這也是其他任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都無法比擬的。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，且通信協(xié)議有更高的靈活性。這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。

3.4 工業(yè)以太網(wǎng)亟需解決的技術(shù)問題

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率大幅提高和以太網(wǎng)交換技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)以太網(wǎng)的不確定性問題(如碰撞、丟包、傳輸延時(shí)等)已經(jīng)得到很好的解決。但是，工業(yè)以太網(wǎng)仍存在下列技術(shù)問題需要(或正在)解決。

①統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

②總線供電技術(shù)。

③本質(zhì)安全技術(shù)。

④網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。

⑤通信實(shí)時(shí)性服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)。

⑥互可操作技術(shù)。

⑦網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)比

根據(jù)瑞典工業(yè)數(shù)據(jù)通信專家——HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)公司(簡(jiǎn)稱HMS)公布的調(diào)研結(jié)果，2015年、2017年和2020年的工業(yè)通信技術(shù)市場(chǎng)份額如表2所示。

表2 工業(yè)通信技術(shù)市場(chǎng)份額Tab.2 Market share of industrial communication technology

①2015年，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域全球份額中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)以太網(wǎng)的2倍。

2015年，HMS公布的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在工業(yè)通信市場(chǎng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線仍然占據(jù)約三分之二(66%)的市場(chǎng)份額，而工業(yè)以太網(wǎng)占據(jù)剩余的約三分之一(34%)的市場(chǎng)份額。

PROFINET和EtherNet/IP作為工業(yè)以太網(wǎng)中最重要的2個(gè)協(xié)議，每個(gè)約占8%的市場(chǎng)份額。

②2017年，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)安裝節(jié)點(diǎn)首次超過傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線。

2017年，HMS公布的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)以太網(wǎng)占新安裝節(jié)點(diǎn)的52%(2016年是46%)，而現(xiàn)場(chǎng)總線是42% (2016年是48%)。EtherNet/IP成為最廣泛安裝的網(wǎng)絡(luò)，占15%；PROFINET和PROFIBUS DP并列第二，占12%。無線技術(shù)也在不斷發(fā)展，占6%市場(chǎng)份額。

③2020年，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)安裝節(jié)點(diǎn)超過現(xiàn)場(chǎng)總線2倍。

2020年，HMS公布的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)份額增加，現(xiàn)場(chǎng)總線市場(chǎng)份額持續(xù)下降，無線市場(chǎng)份額趨于穩(wěn)定。設(shè)備和機(jī)器的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接是實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)工廠的關(guān)鍵。HMS對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的年度研究表明，從新安裝節(jié)點(diǎn)來看，工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)份額增加到64%(2019年為 59%)，而現(xiàn)場(chǎng)總線的市場(chǎng)份額下降到30%(2019年為35%)。主流網(wǎng)絡(luò)EtherNet/IP和PROFINET以17%的份額并列第一。無線技術(shù)的市場(chǎng)份額保持在6%不變。

5 以太網(wǎng)-APL技術(shù)進(jìn)展

5.1 以太網(wǎng)-APL技術(shù)發(fā)展背景

長(zhǎng)期以來，流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室內(nèi)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸仍然以4～20 mA+HART信號(hào)和低速現(xiàn)場(chǎng)總線為主。隨著自動(dòng)化和智能化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嗵嵘?。首先，隨著流程工業(yè)過程自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等需要傳輸數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)量成倍增加。其次，由于智能化生產(chǎn)對(duì)預(yù)測(cè)性維護(hù)的需要，單臺(tái)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)量越來越多，除了儀表測(cè)量數(shù)據(jù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令數(shù)據(jù)，儀表本身數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及其他環(huán)境數(shù)據(jù)也需要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)不能滿足技術(shù)發(fā)展的需求。第三，現(xiàn)有技術(shù)消耗了大量的銅芯電纜和安裝空間，導(dǎo)致設(shè)備材料成本居高不下，而數(shù)據(jù)傳輸速率卻很低。由此可見，傳統(tǒng)儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)成為制約流程工業(yè)自動(dòng)化和智能化發(fā)展的瓶頸。

綜上所述，過程自動(dòng)化領(lǐng)域的專家、學(xué)者希望工業(yè)以太網(wǎng)不僅能用作高層控制網(wǎng)絡(luò)，而且希望將它直接和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)自下而上的工業(yè)以太網(wǎng)集成，即“E網(wǎng)到底”。

5.2 以太網(wǎng)-APL：工業(yè)以太網(wǎng)的重要通信協(xié)議

以太網(wǎng)-APL規(guī)定了用于流程工業(yè)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的以太網(wǎng)通信的詳細(xì)應(yīng)用規(guī)范。它是基于IEEE在2019年11月7日發(fā)布的10BASE-T1L(IEEE 802.3cg-2019)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，主要目標(biāo)是用雙絞線實(shí)現(xiàn)10 bit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸[9]。

IEC于2021年2月發(fā)布了符合10BASE-T1L傳輸標(biāo)準(zhǔn)的本安防爆標(biāo)準(zhǔn)：IEC TS 60079-47雙絞線本安以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙絞線以太網(wǎng)通信傳輸設(shè)備在爆炸危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)用[10]。

隨著以上兩項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，在IEC、IEEE、PI(PROFIBUS和PROFINET)、ODVA、FCG(FF、HART和OPC)、OPC Foundation標(biāo)準(zhǔn)組織，以及ABB、EMERSON、E+H、KROHNE、P+F、PHOENIX、ROCKWELL、SAMSON、SIEMENS、STAHL、VEGA和YOKOGAWA這12個(gè)主要的工業(yè)項(xiàng)目合作伙伴的推動(dòng)下，從2019年11月至2021年11月的3年間，“APL項(xiàng)目”成功實(shí)現(xiàn)合作，為現(xiàn)場(chǎng)儀表創(chuàng)建了這個(gè)新的物理層解決方案。以太網(wǎng)-APL即將成為工業(yè)以太網(wǎng)的重要通信協(xié)議之一。

5.3 以太網(wǎng)-APL技術(shù)特性與優(yōu)點(diǎn)

①數(shù)據(jù)傳輸物理介質(zhì)是符合IEC 61158-2的A類電纜要求的雙絞銅芯線，支持在1 000 m長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 Mbit/s速率全雙工數(shù)據(jù)傳輸。符合IEEE 802.3協(xié)議系列的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)和將來的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(time sensitive networking，TSN)都能以10BASE-T1L電纜作為物理層。

②系統(tǒng)電源能夠通過雙絞線給總線設(shè)備提供電能。用于普通區(qū)域的總線可以承載輸出最高為60 W的電能。爆炸危險(xiǎn)性區(qū)域的本質(zhì)安全總線電能支持最多50臺(tái)設(shè)備，且每臺(tái)設(shè)備耗電不超過500 mW。

③總線設(shè)備符合本質(zhì)安全要求，可以在爆炸危險(xiǎn)性環(huán)境工作和維護(hù)。IEC于2021年2月發(fā)布了符合10BASE-T1L傳輸標(biāo)準(zhǔn)的本安防爆標(biāo)準(zhǔn)：IEC TS 60079-47雙絞線本安以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙絞線以太網(wǎng)通信傳輸設(shè)備在爆炸危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)用。

④從最底層的儀表到最高層的管理信息網(wǎng)，所有通信設(shè)備都支持以太網(wǎng)協(xié)議。以太網(wǎng)-APL技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了全廠范圍內(nèi)的“E網(wǎng)到底”。原有用于協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)不再必要，使工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。以太網(wǎng)技術(shù)非常成熟。得到廣泛應(yīng)用的軟件、硬件工具用于設(shè)備安裝調(diào)試，能使控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試變得簡(jiǎn)單。

⑤在相同規(guī)格的雙絞銅芯電纜上，以太網(wǎng)-APL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了10 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，是當(dāng)前FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸速度的320倍。與現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)-APL技術(shù)能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備可以充分利用此條件，采集和存儲(chǔ)傳輸更多數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更多的智能化功能。

⑥成熟的以太網(wǎng)軟硬件供應(yīng)能夠提高儀表和控制系統(tǒng)的開放性，進(jìn)一步降低設(shè)備成本。以太網(wǎng)儀表直接在現(xiàn)場(chǎng)把流程和設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，使信號(hào)傳輸電纜材料數(shù)量大幅度下降；同時(shí)，機(jī)柜室內(nèi)也不再需要傳統(tǒng)的I/O轉(zhuǎn)換設(shè)備，使控制系統(tǒng)成本大幅度下降，給用戶帶來更多的利益。

5.4 以太網(wǎng)-APL與其他數(shù)字通信技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比

以太網(wǎng)-APL與其他數(shù)字通信技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比如表3所示。從表3中的技術(shù)性能指標(biāo)可知：以太網(wǎng)-APL比其他數(shù)字通信技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[11]。

表3 以太網(wǎng)-APL與其他數(shù)字通信技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of performance indexes between Ethernet APL and other digital communication technologies

6 工業(yè)無線儀表技術(shù)進(jìn)展

6.1 工業(yè)無線儀表技術(shù)在流程工業(yè)中的應(yīng)用

在流程工業(yè)領(lǐng)域中，IEC WirelessHART[12]、ISA 100.11a[4]、WIA-PA[5]等基于2.4 GHz頻段的無線儀表通信技術(shù)，已發(fā)展成為世界公認(rèn)最主要的三大工業(yè)無線傳輸技術(shù)。其具有傳輸帶寬高、距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)容易的特點(diǎn)，在各行各業(yè)被廣泛應(yīng)用。智能儀表的問世以及無線通信、實(shí)時(shí)信息處理等技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線儀表技術(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，而用戶對(duì)高性能、高性價(jià)比的無線技術(shù)需求，也推動(dòng)了工業(yè)無線儀表技術(shù)的發(fā)展。

無線技術(shù)應(yīng)用在過程工業(yè)領(lǐng)域，可以解決難以敷設(shè)電纜區(qū)域的過程監(jiān)測(cè)和控制，如：對(duì)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制、偏遠(yuǎn)區(qū)域的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、屏蔽區(qū)域的應(yīng)用；沒有本地供電的區(qū)域、電纜橋架空間不夠和機(jī)柜卡件備用空間不夠等改造項(xiàng)目；塔頂或罐頂?shù)入y以觸及的區(qū)域的監(jiān)測(cè)，被道路河流等分隔的區(qū)域的監(jiān)測(cè)等。同時(shí)，無線技術(shù)可節(jié)省大量的安裝成本、調(diào)試時(shí)間、維護(hù)費(fèi)用，提高工廠運(yùn)行水平、工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

工業(yè)無線儀表技術(shù)在流程工業(yè)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景如下。

①轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)。

②設(shè)備腐蝕檢測(cè)及設(shè)備診斷。

③儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)及罐區(qū)檢測(cè)控制。

④高塔等大型設(shè)備的溫度、壓力檢測(cè)。

⑤在線分析儀表檢測(cè)。

⑤火氣檢測(cè)及泄漏檢測(cè)。

⑦污染物排放監(jiān)測(cè)。

⑧視頻監(jiān)視及分析與工廠防侵入安全。

⑨安全淋浴閥監(jiān)測(cè)。

⑩現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)巡檢與移動(dòng)設(shè)備及人員跟蹤。

6.2 流程工業(yè)對(duì)無線通信技術(shù)要求

①應(yīng)符合開放的工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)：如IEC WirelessHART、ISA 100.11a、WIA-PA和IEEE 802.11a/b/g(即Wi-Fi)等。

②所有的無線設(shè)備必須采用2.4 GHz ISM公用頻段。該頻段的使用不需要支付費(fèi)用，但必須由國(guó)家無線電管理委員會(huì)核準(zhǔn)。

③應(yīng)達(dá)到工業(yè)級(jí)的安全性、可靠性和兼容性。無線變送器的通信速率達(dá)到4 s刷新1次，通信可靠性達(dá)99.9%，完全符合工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控要求。

④多功能節(jié)點(diǎn)(或無線網(wǎng)關(guān))相互之間、多功能節(jié)點(diǎn)(或無線網(wǎng)關(guān))與無線變送器之間的通信距離完全滿足現(xiàn)場(chǎng)通信要求。

⑤工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)同控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議：支持TCP/IP、Modbus RTU、PROFIBUS DP、Modbus/TCP等。

⑥高帶寬，Mesh主干網(wǎng)的通信帶寬保證至少10 Mbit/s，一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)同時(shí)支持多種應(yīng)用共享，如無線變送器、移動(dòng)工作站、視頻監(jiān)視、管道腐蝕監(jiān)測(cè)、污染排放監(jiān)測(cè)等，以滿足未來擴(kuò)能的需要，也可充分利用現(xiàn)有投資的價(jià)值。

6.3 工業(yè)無線儀表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

①ISA 100.11a和IEC WirelessHART網(wǎng)格(Mash)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。圖2中，虛線表示IEEE 802.11a/b/g，實(shí)線表示IEEE 802.15.4。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.2 Comparison of network topological structures

②IEC WirelessHART、ISA 100.11a和WIA-PA技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比如表4所示。

表4 技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比Tab.4 Comparison of technical performance indexes

7 通用I/O技術(shù)應(yīng)用

7.1 通用I/O技術(shù)概述

通用I/O技術(shù)又稱電子布線技術(shù)，是由EMERSON于2008年首先在美國(guó)發(fā)布的，稱為“Charms”；2012年，該公司又發(fā)布了本安型的“Charms-IS”。隨后，國(guó)外的HONEYWELL推出了“Universal I/O”，YOKOGAWA推出了“Network I/O”，ABB推出了“Select I/O”，而國(guó)內(nèi)的浙江中控技術(shù)公司、杭州和利時(shí)公司也相繼研發(fā)并推出通用I/O產(chǎn)品。

到目前為止，國(guó)外已有大批流程工業(yè)的工程項(xiàng)目采用了通用I/O技術(shù)，國(guó)內(nèi)主要有煙臺(tái)萬華工業(yè)園二期石化項(xiàng)目(大乙烯部分已于2019年12月投產(chǎn))、中沙天津石化聚碳PC項(xiàng)目等石化項(xiàng)目(已中交)，另外還有陸博潤(rùn)化工、?？松梨诖髞啚呈韧赓Y項(xiàng)目。

7.2 通用I/O技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過實(shí)際工程應(yīng)用，通用I/O技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用效益。

①光纖通信容量大、效率高：在一根光纖上通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過240 Gbit/s。傳統(tǒng)方案中，1個(gè)儀表信號(hào)需要2根銅芯電線。而新方案96個(gè)儀表信號(hào)僅需1對(duì)冗余光纖進(jìn)口傳輸，將電纜鋪設(shè)成本降低到原來的8%左右。由于將I/O模塊前置，控制室機(jī)柜間只需要布置控制器CPU模塊即可，使控制系統(tǒng)機(jī)柜占地面積大大減少。

②抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸質(zhì)量佳：電信號(hào)傳輸不能解決各種電磁干擾問題，而光纖通信天然地不受各種電磁干擾。

③材料成本低：光纖材料來源豐富，其主要原料是石英，地球上到處都有；而電信號(hào)傳輸用的銅金屬資源有限，價(jià)格昂貴。

④可靠性高：現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)在通用I/O機(jī)柜或現(xiàn)場(chǎng)通用I/O接線箱轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過冗余鎧裝光纖總線傳輸?shù)娇刂破??？刂破骺梢员O(jiān)測(cè)通用I/O機(jī)柜或現(xiàn)場(chǎng)通用I/O箱的溫、濕度等運(yùn)行環(huán)境信號(hào)。這些技術(shù)提高了信號(hào)傳輸和接線箱運(yùn)行的可靠性。

⑤設(shè)計(jì)、供貨、安裝工作量小及工期短：在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，通用I/O技術(shù)使工程師可以跨過硬件設(shè)計(jì)直接進(jìn)行軟件組態(tài)。硬件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)大幅降低了耗時(shí)的系統(tǒng)I/O分配及點(diǎn)組態(tài)工作量，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)供貨。在安裝階段，復(fù)雜的機(jī)柜室接線和校線工作消失了，工作量大幅度降低。

⑥節(jié)省機(jī)柜室空間：由于取消了過渡接線柜和中間端子排，大幅減少了空間。

⑦可維護(hù)性好：通用I/O支持AI、AO、DI、DO、PI、MAMUR等多種信號(hào)類型，并可通過組態(tài)軟件隨意進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，方便項(xiàng)目后期維護(hù)和工廠改造升級(jí)。

7.3 通用I/O技術(shù)缺點(diǎn)

在帶來諸多應(yīng)用效益的同時(shí)，通用I/O技術(shù)應(yīng)用也存在以下問題。

(1)通用I/O混裝既是優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也給檢維修帶來一定的不便。

(2)現(xiàn)場(chǎng)安裝通用I/O接線箱在惡劣環(huán)境下需要考慮以下問題。

①如何滿足-20～+55 ℃防爆環(huán)境溫度要求？其對(duì)策為寬溫設(shè)計(jì)、遮陽棚、防高溫措施。

②如何滿足早晚溫差帶來的箱內(nèi)結(jié)露問題？其對(duì)策為用儀表風(fēng)連續(xù)吹氣。

③如何滿足現(xiàn)場(chǎng)鹽霧腐蝕問題？由于ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級(jí)的防腐要求不適合，故對(duì)策同上。

④如何滿足現(xiàn)場(chǎng)帶電開箱維護(hù)問題？由于Exe防爆設(shè)備不允許帶電開蓋，故對(duì)策為開動(dòng)火票。

⑤如何避免阻擋操作維修通道？其對(duì)策為進(jìn)行合理布置。

⑥現(xiàn)場(chǎng)需配防爆交流配電箱、光纜分配箱等，增加了額外設(shè)備。其對(duì)策為采用光/電復(fù)合纜等。

8 數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

過程自動(dòng)化領(lǐng)域數(shù)字通信技術(shù)是智能自動(dòng)化技術(shù)中的第一步，即實(shí)現(xiàn)過程信息智能感知與集成的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)[13]。隨著新一代ICT技術(shù)和過程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)預(yù)測(cè)分析，在過程自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字化信號(hào)傳輸及通信技術(shù)將呈現(xiàn)以下主要發(fā)展趨勢(shì)。

①現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)趨向工業(yè)以太網(wǎng)方向發(fā)展。

盡管低速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，但隨著流程工業(yè)智能生產(chǎn)對(duì)海量過程信息測(cè)量與數(shù)據(jù)集成的需要，低速現(xiàn)場(chǎng)總線已向高速現(xiàn)場(chǎng)總線過渡，并趨向工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展。

②以太網(wǎng)-APL技術(shù)將成為新一代工業(yè)以太網(wǎng)的前沿技術(shù)之一。

工業(yè)以太網(wǎng)不僅用作高層工廠管理網(wǎng)和過程控制網(wǎng)，而且將通過以太網(wǎng)-APL直接和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)“E網(wǎng)到底”。

③通用I/O技術(shù)已在流程工業(yè)中逐漸推廣應(yīng)用，并將成為熱點(diǎn)。

由于通用I/O技術(shù)具有投資省、工期短、安全、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，它在國(guó)內(nèi)外的流程工業(yè)項(xiàng)目上的應(yīng)用市場(chǎng)將會(huì)很快超過現(xiàn)場(chǎng)總線，成為過程自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)[14]。

④工業(yè)無線儀表技術(shù)將成為過程自動(dòng)化領(lǐng)域的補(bǔ)充技術(shù)。

由于工業(yè)無線儀表技術(shù)在特定場(chǎng)所應(yīng)用的諸多優(yōu)點(diǎn)及穩(wěn)定的市場(chǎng)份額(約6%)，它將成為過程自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字通信技術(shù)的有效補(bǔ)充。

9 結(jié)論

本文從過程自動(dòng)化領(lǐng)域數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用與市場(chǎng)需求角度出發(fā)，對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化層的5種數(shù)字通信方式，即現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)-APL、工業(yè)無線儀表、通用I/O技術(shù)進(jìn)行闡述?；趯?duì)這些技術(shù)的分析，建議中國(guó)儀表自動(dòng)化企業(yè)界和流程工業(yè)企業(yè)用戶能夠抓住全球工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、人工智能和智能制造的大趨勢(shì)及良好機(jī)遇，大力研發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、通用I/O、以太網(wǎng)-APL、工業(yè)無線儀表等熱點(diǎn)技術(shù)和前沿技術(shù)并研發(fā)生產(chǎn)相關(guān)儀表設(shè)備和控制系統(tǒng)；同時(shí)，應(yīng)關(guān)注邊緣計(jì)算與云計(jì)算協(xié)同、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things,NB-IOT)、LoRa網(wǎng)絡(luò)、TSN及OPC UA等其他前沿ICT技術(shù)的發(fā)展與開放型自動(dòng)化架構(gòu)(open process automation forum,OPAF)技術(shù)[15]的融合，使過程自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字通信技術(shù)和智能自動(dòng)化技術(shù)成為推動(dòng)流程工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)與核心利器。