石澤宇

摘要：文章以現(xiàn)場(chǎng)總線的主要技術(shù)特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)通信模型以及主流現(xiàn)場(chǎng)總線比較等為切入點(diǎn)，分析了現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀，繼而研究其對(duì)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，在把握發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)對(duì)其今后的發(fā)展路徑進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)；發(fā)展

在以往的發(fā)展中，工業(yè)過程控制儀表一直對(duì)4-20 mA標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)予以采用，在微電子技術(shù)、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展背景下，微處理器在過程控制裝置、變送器以及調(diào)節(jié)閥等儀表裝置中得到了愈發(fā)廣泛的應(yīng)用，智能變送器、智能調(diào)節(jié)閥等以高新技術(shù)為支撐的儀表產(chǎn)品得以出現(xiàn)并呈現(xiàn)出極為迅速的發(fā)展態(tài)勢(shì)?，F(xiàn)代化工業(yè)過程控制在速率、精度、成本等多種環(huán)節(jié)對(duì)儀表裝置提出了更為嚴(yán)格的要求，致使數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)與裝置對(duì)現(xiàn)行模擬信號(hào)傳輸技術(shù)與裝置的代替已是大勢(shì)所趨，其中的現(xiàn)場(chǎng)傳輸技術(shù)與裝置便是現(xiàn)場(chǎng)總線。換言之，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種由過程控制技術(shù)、儀表技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)以過程控制技術(shù)由分離設(shè)備向共享設(shè)備的發(fā)展、儀表技術(shù)由簡單向智能的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由MAP網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為標(biāo)志。

1.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1主要技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)以往的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式予以打破。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）采用一對(duì)一的設(shè)備連線方式，各設(shè)備根據(jù)控制回路分別建立起聯(lián)系，一對(duì)一的物理連接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送器與控制室控制器之間、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器與控制器之間、開關(guān)與控制器之間等方面均有體現(xiàn)；而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）中，設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)會(huì)全部連接于總線之上，這實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜的節(jié)省，并向布線提供了便利。

不僅如此，現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)還呈現(xiàn)出以下技術(shù)性特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：（1）性價(jià)比提高；（2）系統(tǒng)性能顯著優(yōu)化；（3）對(duì)數(shù)字信號(hào)通信予以采用；（4）具有互操作與互用性功能；（5）可進(jìn)行雙向傳輸；（6）系統(tǒng)開放性特征明顯；（7）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備被賦予了智能與自治的能力；（9）系統(tǒng)的精度與自診斷能力大幅提升；（10）軟硬件的設(shè)計(jì)與安裝支出以及系統(tǒng)的維護(hù)支出得到降低；（11）組態(tài)與修改更加簡單與便捷。

1.2網(wǎng)絡(luò)通信模型

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)具有通信功能，各節(jié)點(diǎn)之間需要持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與信息的控制，它們?cè)谕ㄐ胖畷r(shí)必須以事先商定好的規(guī)則為約束，嚴(yán)格按照規(guī)則要求的格式與時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。其中，規(guī)則、約定與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它們的建立以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有序與高效交換為目的。

作為一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，ISO/OSI參考模型的7層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層）模型有著豐富的內(nèi)容與完善的結(jié)構(gòu)，它對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)通信問題均有涉及。傳感器、控制器與執(zhí)行器等是在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中參與通信的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)揮的網(wǎng)絡(luò)功能較為簡便，進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸也比較少，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與可靠性提出了嚴(yán)格的要求。針對(duì)于此，很多現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)模型都在一定程度上簡化了參考模型的7層結(jié)構(gòu)，僅對(duì)其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層予以保留，有的甚至只保留了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層兩層結(jié)構(gòu)，如果涉及的內(nèi)容較為復(fù)雜，則會(huì)外加一個(gè)用戶層。只有個(gè)別的網(wǎng)絡(luò)模型將完整的7層結(jié)構(gòu)包括在內(nèi)。

1.3主流現(xiàn)場(chǎng)總線的比較

當(dāng)前，F(xiàn)F，Profibus-DP，CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在我國的應(yīng)用較為廣泛，它們以各自的特色在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著不容忽視的作用，每種技術(shù)均不可替代，表1所示為幾種總線的對(duì)比。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)的影響

對(duì)于自動(dòng)化與儀器儀表而言，現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)為其工業(yè)革命的發(fā)生產(chǎn)生了推動(dòng)作用，促使其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全面更新與換代的技術(shù)性變革?，F(xiàn)場(chǎng)總線之所以能夠得到人們的關(guān)注，逐漸發(fā)展為研究工作的熱點(diǎn)內(nèi)容，原因在于它能對(duì)控制及自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。具體而言，這些影響有以下方面的體現(xiàn)：

（1）對(duì)4-20 mA DC聯(lián)絡(luò)信號(hào)予以全面取代，數(shù)字化的傳輸信號(hào)得以實(shí)現(xiàn)，為現(xiàn)場(chǎng)布線提供了極大的便利，降低了近70%成的現(xiàn)場(chǎng)配線費(fèi)用支出。（2）賦予了現(xiàn)場(chǎng)儀表更多、更先進(jìn)的功能，例如控制、報(bào)警以及趨勢(shì)分析等，降低了D/A與A/D的變換率，對(duì)上層系統(tǒng)予以簡化，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置精度及其可靠性的大幅度提升。（3）不同廠家之間實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的交互操作與互換使用，對(duì)于用戶而言，便利性得到了極大的提高。（4）加速了自動(dòng)化儀表技術(shù)與自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，使其由模擬數(shù)字混合技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿珨?shù)字化技術(shù)，由封閉式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線使得自動(dòng)化系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)互連參考模型進(jìn)行高層通信網(wǎng)絡(luò)的建立，極大地強(qiáng)化了系統(tǒng)冗余與故障診斷功能以及容錯(cuò)功能，大幅度提高了系統(tǒng)的可靠性與安全性。相對(duì)而言，現(xiàn)場(chǎng)總線為自動(dòng)化系統(tǒng)的開放式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，而開放型的自動(dòng)化系統(tǒng)又成為現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的必然。（5）現(xiàn)代自動(dòng)化正在朝著綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展，它對(duì)過程控制與企業(yè)管理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以多項(xiàng)綜合式集成發(fā)展為其發(fā)展的最終目標(biāo)。在這一綜合自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程中，現(xiàn)場(chǎng)總線智能化儀表以及開放式的自動(dòng)化系統(tǒng)成為最有效的手段與工具。（6）微處理器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表予以引入，突出了現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化與功能多樣化的特征?，F(xiàn)場(chǎng)總線加速了新式、更為先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如測(cè)控一體化產(chǎn)品、多變量變送器等）的產(chǎn)生與應(yīng)用。應(yīng)用智能儀表，軟硬件進(jìn)行了結(jié)厶，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式得到了改變，軟件向眾多功能的實(shí)現(xiàn)提供了越來越多的支撐。（7）應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線，所有的控制設(shè)備與測(cè)量值都能通過工程單位得到體現(xiàn)，簡化了在控制裝置中將初始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程單位的操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制裝置在任務(wù)中的解脫，使其履行起更加高級(jí)的控制職責(zé)。（8）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線多變量現(xiàn)場(chǎng)儀表的采用極大地減少了儀表的數(shù)量，最終實(shí)現(xiàn)了儀表購置、安裝以及維護(hù)等成本支出的縮減。（9）現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了很多控制功能從控制室向現(xiàn)場(chǎng)的流轉(zhuǎn)，工廠的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由此發(fā)生了徹底性的變革，這是其最為顯著的影響所在。當(dāng)前，數(shù)字式儀表已經(jīng)對(duì)模擬儀表予以取代，控制功能的完成方也己由DSC轉(zhuǎn)變?yōu)橛涩F(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)的相應(yīng)功能模塊?，F(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)很多新概念的應(yīng)用完善了現(xiàn)場(chǎng)儀表的檢測(cè)與控制功能，向更加開放的控制系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)FCS）提供支持，為過程控制系統(tǒng)與儀表制造工業(yè)帶來了極為深刻的變革。

3.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)與路徑把握

3.1現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，此標(biāo)準(zhǔn)原來應(yīng)用于IT領(lǐng)域，目前亦在信息網(wǎng)擴(kuò)展中實(shí)現(xiàn)了廣泛地開發(fā)。相較于其他工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其日益完善的性能與迅速降低的成本取得絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)，這使很多工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的企業(yè)將更多精力放于對(duì)以太網(wǎng)資源的利用之上，因此，新生代的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必會(huì)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)而建立，以太網(wǎng)技術(shù)已成為支持工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。

分析總線技術(shù)的發(fā)展方向，當(dāng)前全部的現(xiàn)場(chǎng)總線都將實(shí)現(xiàn)向Ethernet的過渡，很多以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)最終都會(huì)與Ethernet建立連接，在滿足一定條件后，還會(huì)實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)而言，工業(yè)以太網(wǎng)是其一個(gè)主要的發(fā)展方向，當(dāng)前過程監(jiān)控層對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行了大量的應(yīng)用，其在現(xiàn)場(chǎng)層的應(yīng)用則主要以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的采用為體現(xiàn)。

3.2現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展路徑

第一，政府職能部門與各決策機(jī)構(gòu)應(yīng)給予高度重視于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，盡早作出響應(yīng)，推動(dòng)技術(shù)開發(fā)向國家意志的方向上升。第二，相關(guān)部門要在全社會(huì)進(jìn)行工業(yè)的宣傳，使儀表生產(chǎn)企業(yè)與廣大用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)與了解，打下堅(jiān)實(shí)的群眾基礎(chǔ)于技術(shù)的科技攻關(guān)、研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。第三，成立多處現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)會(huì)，以企業(yè)為主體，依賴于大型企業(yè)集團(tuán)的支撐，讓用戶廣泛參與進(jìn)來，加速技術(shù)發(fā)展，擴(kuò)大產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用規(guī)模，開放格局，在與國際的接軌中對(duì)相關(guān)工作的開展進(jìn)行指導(dǎo)。第四，吸收人力、物力、財(cái)力等資源對(duì)以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的智能網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化儀表進(jìn)行大力開發(fā)，從科技攻關(guān)產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)改造與行業(yè)工作推進(jìn)等方面向相關(guān)單位提供重點(diǎn)支持，建立開放自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)基地，形成適度規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

4.結(jié)語

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)己成為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，工業(yè)以太網(wǎng)日益向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層滲透，現(xiàn)場(chǎng)總線今后應(yīng)沿著提高認(rèn)識(shí)、正確決策、做好全社會(huì)宣傳、組織建設(shè)以及建立現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化儀表與生產(chǎn)基地等路徑實(shí)現(xiàn)更好、更快的發(fā)展。