北京和利時(shí)系統工程股份有限公司 羅安

作者簡(jiǎn)介

羅安，研究員級高級工程師，享受?chē)艺蛸N專(zhuān)家。曾任北京和利時(shí)系統工程股份有限公司總工程師。長(cháng)期從事自動(dòng)化控制系統的研究開(kāi)發(fā)、工程應用工作，七十年代開(kāi)始研制實(shí)施用于生產(chǎn)過(guò)程的計算機控制系統，建成了我國第一批掌握自主知識產(chǎn)權的實(shí)用化控制系統。作為主要人員開(kāi)發(fā)的大慶煉油廠(chǎng)油品貯運自動(dòng)化系統、北京供電局電網(wǎng)調度自動(dòng)化系統等曾獲國家科技進(jìn)步二等獎、電子工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎。從“九五”期間開(kāi)始，致力于國家重大技術(shù)裝備控制系統的國產(chǎn)化、自主化，先后主持研究西氣東輸站場(chǎng)自動(dòng)化控制系統、核電站計算機監測系統的開(kāi)發(fā)與應用、三峽電站和梯級綜合自動(dòng)化系統實(shí)施方案研究、新一代開(kāi)放式數控系統開(kāi)發(fā)、城市軌道交通綜合自動(dòng)化等大型項目。擔任“九五”科技攻關(guān)秦山二期監測系統開(kāi)發(fā)的技術(shù)負責人，開(kāi)發(fā)研究并形成了自主化的產(chǎn)品。該項目是國家“九五”期間優(yōu)秀科技攻關(guān)項目，于2004年獲電子信息產(chǎn)業(yè)科技進(jìn)步一等獎，本人得到國家有關(guān)部委“九五”期間優(yōu)秀科技人員表彰。著(zhù)有《分布式控制系統（DCS）設計與應用實(shí)例》（第二作者）及《化工過(guò)程控制系統》（第二作者）。

現代的生產(chǎn)制造控制系統具有兩個(gè)最顯著(zhù)的趨勢，一個(gè)是越來(lái)越走向智能化，另一個(gè)是在結構上越來(lái)越走向小型化、分散化。造成前一個(gè)趨勢的原因是產(chǎn)品市場(chǎng)的多樣化需求，迫使傳統的生產(chǎn)模式走向個(gè)性化的生產(chǎn)制造模式；后一個(gè)趨勢則源于微電子技術(shù)與信息技術(shù)的進(jìn)步。在這個(gè)發(fā)展變革當中，一個(gè)非常重要的技術(shù)就是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，如果說(shuō)現代生產(chǎn)制造控制系統將越來(lái)越依賴(lài)于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展當不為過(guò)。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的基礎是串行通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。自從20世紀80年代Intel公司推出其針對低速I(mǎi)/O的串行總線(xiàn)BitBus以來(lái)，這種低成本、靈活方便的通信手段得到了越來(lái)越廣泛的應用，特別是在工業(yè)生產(chǎn)的控制與自動(dòng)化方面。經(jīng)過(guò)了多年的演變發(fā)展，逐步形成了針對不同應用領(lǐng)域的多種現場(chǎng)總線(xiàn)。

現場(chǎng)總線(xiàn)的出現，極大地改變了工業(yè)控制系統的面貌，特別是與生產(chǎn)現場(chǎng)直接相關(guān)的控制設備方面。以往的控制系統，其現場(chǎng)端都是各種類(lèi)型的儀表，包括傳感器、執行器等。這些設備在早期大多是就地顯示、就地操作的。這使整個(gè)生產(chǎn)裝置的控制與管理相當困難和復雜。這種狀況在電動(dòng)單元組合儀表出現以后得到了很大的改觀(guān)。由于現場(chǎng)儀表可以通過(guò)電氣信號的傳遞，將現場(chǎng)狀態(tài)傳輸到集中控制室，使得操作人員可以對生產(chǎn)裝置實(shí)現集中控制與管理。而電動(dòng)單元組合儀表的進(jìn)一步發(fā)展，則是智能化、數字化的新一代智能儀表。智能儀表的最大特點(diǎn)是其內部處理實(shí)現了數字化，其對外通信也是通過(guò)數字通信而非電氣信號。其優(yōu)越性表現在功能方面，現場(chǎng)儀表可以完成比傳統儀表復雜得多的運算和處理，可以實(shí)現更加精確的控制。更為重要的是，除了控制，現場(chǎng)儀表還具備了一定程度的管理功能，這使對生產(chǎn)裝置的控制管理一體化的要求從現場(chǎng)端就得到了實(shí)現的保證?，F場(chǎng)總線(xiàn)承擔了智能儀表與集中控制與管理中心之間以及智能儀表之間的通信連接任務(wù)，正是現場(chǎng)總線(xiàn)，構成了完整的生產(chǎn)控制管理系統。

現場(chǎng)總線(xiàn)今后應該如何發(fā)展，這是大家普遍關(guān)心的問(wèn)題。從目前的情況看，現場(chǎng)總線(xiàn)在技術(shù)上還有相當大的發(fā)展空間，其應用也還處于開(kāi)始階段，遠未達到普及階段。為了促進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)的廣泛應用，有哪些問(wèn)題是我們必須關(guān)注的呢？就個(gè)人的看法，可以歸結為以下五個(gè)方面。

1　成本

作為現場(chǎng)級的網(wǎng)絡(luò )設備，其使用量是非常巨大的，因此現場(chǎng)總線(xiàn)是一種價(jià)格敏感型產(chǎn)品。與傳統儀表的單純傳輸模擬信號的介質(zhì)不同，現場(chǎng)總線(xiàn)要傳輸的是數字信號，與現場(chǎng)總線(xiàn)相關(guān)的設備除線(xiàn)材外，還包括集線(xiàn)器（Hub）、中繼器（Repeater）、交換器（Switch）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)橋（Bridge）和路由器（Router）等網(wǎng)絡(luò )設備。這些設備的單價(jià)及使用量將直接影響到最終現場(chǎng)總線(xiàn)系統的成本。

2　可靠性

由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的安裝地點(diǎn)一般環(huán)境條件不是很好，這對現場(chǎng)總線(xiàn)設備的運行提出了較高的要求，例如抗惡劣環(huán)境能力、抗電磁干擾能力、抗振動(dòng)能力和抗電源波動(dòng)、抗雷擊、抗浪涌電流能力等方面，都需要從產(chǎn)品設計、安裝、防護等各個(gè)方面都非常嚴格，才能保證設備的可靠運行。另外，由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的安裝地點(diǎn)非常分散，對其進(jìn)行檢查維護十分不便，加之數量眾多，因此實(shí)現設備的少維護甚至免維護是至關(guān)重要的。如果現場(chǎng)總線(xiàn)設備的可靠性不能達到一個(gè)較高的水平，那么系統的維護費用將會(huì )很高，且在長(cháng)期運行過(guò)程中會(huì )一直居高不下，這對現場(chǎng)總線(xiàn)的應用十分不利。

3　技術(shù)難度

對于大規模使用現場(chǎng)總線(xiàn)的需求，應該盡量降低其技術(shù)復雜度，對于這一點(diǎn)可能會(huì )有不同意見(jiàn)?，F場(chǎng)總線(xiàn)是一項非常具有發(fā)展潛力的技術(shù)，隨著(zhù)微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)的潛能將不斷發(fā)揮。自然而然，對于技術(shù)研發(fā)人員來(lái)說(shuō)，都希望將越來(lái)越多的功能賦予這項新技術(shù)，使其具有更加強大的處理能力。但從應用的角度看，對于現場(chǎng)總線(xiàn)的首要目標是大面積的使用，而功能的復雜性會(huì )阻礙其得到迅速而廣泛的推廣。對于使用現場(chǎng)總線(xiàn)的工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，以往的儀表車(chē)間將變身為現場(chǎng)總線(xiàn)的安裝、使用、運行及維護的部門(mén)。面對這樣一種從基礎技術(shù)就不同于傳統儀表的新設備，需要一個(gè)較長(cháng)時(shí)期的培訓、學(xué)習和適應過(guò)程。特別是在現場(chǎng)總線(xiàn)的應用初期，工廠(chǎng)的儀表部門(mén)將面對兩種完全不同的技術(shù)和產(chǎn)品，能否順利地轉移到新的系統上，與新技術(shù)的易用性有極大的關(guān)系。如果新技術(shù)的產(chǎn)品過(guò)于復雜，那么工廠(chǎng)就不得不長(cháng)期依賴(lài)供貨廠(chǎng)家，這又是一筆不小的成本。而且從一般的情況看，技術(shù)復雜的產(chǎn)品由于使用維護、診斷排錯的難度比較高，因此運行過(guò)程中出現停運的可能性也比較大。

4　標準化

現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品的種類(lèi)越少越好，因為越是規范劃一的產(chǎn)品，就越能夠大面積應用，也便于大規模生產(chǎn)，更能做好品質(zhì)保證并降低成本。但是目前的情況是，現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)品種類(lèi)相當多，這給這項新技術(shù)的廣泛采用造成了不小的困難。造成這種情況的原因雖然多，但歸其根本，恰恰是這項技術(shù)自身?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò )和軟件，這使得其功能空前強大，自然其應用的覆蓋面也是空前的。這與傳統儀表的情況截然不同，如果說(shuō)傳統儀表所覆蓋的范圍被限制在現場(chǎng)的測量和控制，那么現場(chǎng)總線(xiàn)的覆蓋范圍擴展到了完整的控制系統。而在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，由于生產(chǎn)的目標、方式、過(guò)程及控制方法五花八門(mén)，不可能統一，因此面向完整控制系統的現場(chǎng)總線(xiàn)也產(chǎn)生了各種各樣的產(chǎn)品。這是自然形成的，誰(shuí)也改變不了。這就成為了一個(gè)悖論：功能強大的現場(chǎng)總線(xiàn)理應具有廣泛的應用市場(chǎng)，但是為了廣泛的市場(chǎng)應用，又必須形成多樣性和復雜性的產(chǎn)品，這就對其廣泛應用造成了障礙。如何破解這個(gè)悖論，是當前現場(chǎng)總線(xiàn)面臨的大問(wèn)題。因為目前對生產(chǎn)制造業(yè)的智能化需求越來(lái)越高，沒(méi)有智能儀表及現場(chǎng)總線(xiàn)是無(wú)法實(shí)現智能制造的。不僅大型企業(yè)需要實(shí)現智能制造，中小企業(yè)也同樣甚至更加需要走向智能制造。這些都在呼喚著(zhù)標準化的、高可靠性的、低成本的、簡(jiǎn)單易行的現場(chǎng)總線(xiàn)系統。近年來(lái)迅速崛起的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正在逐步逼近這樣的一個(gè)目標。作為一種高性能的數字化網(wǎng)絡(luò )，工業(yè)以太網(wǎng)提供了標準的網(wǎng)絡(luò )設備，以及各種傳輸介質(zhì)，其底層規約簡(jiǎn)單易行，適應性強，足以滿(mǎn)足各行各業(yè)的需求。而在其基礎上形成的多種行規為不同行業(yè)應用提供了豐富的功能，從而滿(mǎn)足了不同行業(yè)對控制功能的不同需求。

5　安全性

安全問(wèn)題是近年來(lái)才開(kāi)始引起人們重視的，這里所說(shuō)的安全性主要是指信息安全。由于控制系統今后的大趨勢是走向網(wǎng)絡(luò )化，因此信息安全的問(wèn)題日益嚴重，必須予以高度的重視。雖然我們無(wú)法單獨依靠技術(shù)手段來(lái)保證信息安全，但完善的保護措施對于網(wǎng)絡(luò )化的系統是非常必要而不可或缺的。

6　結語(yǔ)

作為新一代的控制系統，對現場(chǎng)總線(xiàn)的要求遠不止是可以實(shí)現現有工業(yè)控制系統的已有功能。以目前已經(jīng)運行的各個(gè)行業(yè)的控制系統看，距離實(shí)現全面的、智能化的控制還有相當大的差距，僅從測量的角度講，目前的控制系統實(shí)現了為滿(mǎn)足基本控制功能的測量覆蓋度，但要達到更加全面的、更加智能化的控制，現有的測點(diǎn)還遠遠不夠。要達到能夠“感知”的水平，就需要有更多的測點(diǎn)，保守估計可能會(huì )達到現有測點(diǎn)的2~3倍。這樣巨大的測點(diǎn)數量再使用現有的技術(shù)就不可能達到了，而必須借助新的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)。也就是說(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)絕不僅僅是為了替代現有控制系統而出現和發(fā)展的，其使命是要大大擴展現有控制系統的控制范圍和控制深度。由此可見(jiàn)，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展空間還相當巨大，而為滿(mǎn)足智能化生產(chǎn)制造的要求，還必須進(jìn)行大量的創(chuàng )新研發(fā)，使這項新技術(shù)真正成為智能制造時(shí)代的技術(shù)基礎。

摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應用在中國》