流程行業(yè)的工業(yè)通訊應用分為兩部分，第一部分為控制器之上的控制、管理及信息層，第 二部分為控制器之下的信息輸入輸出的I/O層，這兩部分由于所處環(huán)境、信息量以及面對對象 的差異會(huì )產(chǎn)生技術(shù)應用的巨大差異?？刂破髦系牟糠?，可以預見(jiàn)未來(lái)極有可能是以基于 Windows、Linux等操作系統的高速以太網(wǎng)+OPC UA構建高速、高效、通用的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。在此，本文重點(diǎn)討論控制器之下的 I/O層的通訊技術(shù)。

浙江中控技術(shù)股份有限公司現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)總監 張曉剛

1　流程行業(yè)現場(chǎng)層未來(lái)需求

流程行業(yè)現場(chǎng)層未來(lái)發(fā)展的六大主要特點(diǎn)分別為：

（1）現場(chǎng)信號和控制室距離較遠，且越來(lái)越遠

流程行業(yè)的裝置規模通常 較大，大型化工和煉化裝置甚至可達1平方公里，現場(chǎng)信號到 控制室機柜間有較長(cháng)的距離需要傳輸。隨著(zhù)管控一體化的要求和生產(chǎn)安全要求的提高，傳統的控 制室和機柜間不再布置在裝置附 近，而是在整個(gè)廠(chǎng)區集中放置， 這樣傳統的點(diǎn)對點(diǎn)信號傳輸必然帶來(lái)大量的電纜成本。

（2）管理的要求越來(lái)越高，且要求來(lái)自現場(chǎng)的信息越來(lái)越多

傳統的4~20mA已經(jīng)不能滿(mǎn) 足未來(lái)發(fā)展的要求，智能變送器的大量輔助信息需要傳送到中央控制室進(jìn)行集中分析。此外，對于現場(chǎng)的震動(dòng)、腐蝕、泄露等等，以人工巡查信息的方式將被自動(dòng)化的方式替代，從而使來(lái)自現場(chǎng)的信息成倍加，對通訊帶寬提出更高的要求。

（3）流程行業(yè)現場(chǎng)的防爆要求

流程行業(yè)產(chǎn)品或原料通常含有易燃易爆氣體、液體或粉塵，安放在現場(chǎng)電子部件要具有防爆的能力，現場(chǎng)要盡量減少動(dòng) 火操作。

（4）流程行業(yè)現場(chǎng)供電不易

很多裝置是露天設備，且有防爆要求，要限制現場(chǎng)220V交流v> 電使用的頻率。

（5）開(kāi)放性和通用性的要求提高

現場(chǎng)的設備數量和種類(lèi)越來(lái)越多，不僅僅是傳統的溫度壓力流量物位，來(lái)自不同品牌、不同功能 和特點(diǎn)的特殊設備加大了管理人員對設備配置和管理的難度。各種設備需要具有相對通用的接口和系統，自動(dòng)識別現場(chǎng)設備并自動(dòng)加載正確的驅動(dòng)。

（6）控制器負荷大幅提高

傳統的PID控制邏輯已無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)控制系統的運算需求，大量復雜的運算、智慧型分析工作不再依賴(lài)基于windows的計算機。嵌入式控制器將承擔越來(lái)越多的工作，與操作員的接口也將不完全依賴(lài)于上位機服務(wù)器?？煽?、低功耗的單機控制器模式也將無(wú)法承擔繁重的運算任務(wù)，控制器集群化會(huì )成為未來(lái)的趨勢。

總而言之，未來(lái)的I/O通訊系統將可能是基于控制器集群的，自適應、端到端、高速、可靠的通訊 系統。

2　流程行業(yè)工業(yè)通訊技術(shù)發(fā)展趨勢

因而，流程行業(yè)工業(yè)通訊技術(shù)發(fā)展需要實(shí)現以 下幾點(diǎn)：

（1）控制器集群的協(xié)作處理能力及多對多的冗 余模式。大量控制器協(xié)同處理復雜運算邏輯，控制 器間自動(dòng)協(xié)調負荷分配并實(shí)現多對多的冗余，當部 分硬件實(shí)體發(fā)生異常時(shí)其他實(shí)體自動(dòng)接管負荷，所 有過(guò)程無(wú)需人員干預。

（2）基于雙線(xiàn)以太網(wǎng)的高速現場(chǎng)通道和通用接 口可使任何設備可以在任何地點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò )，并實(shí)現高速數據傳輸。

（3）具備驅動(dòng)傳輸能力的通用應用協(xié)議。這意味著(zhù)設備接入網(wǎng)絡(luò )，系統平臺會(huì )自動(dòng)識別到設備并加載合適的驅動(dòng)。如果系統無(wú)法找到合適的驅動(dòng)， 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議支持驅動(dòng)從設備中上載，從而實(shí)現設備的即插即用。

（4）面向設備名稱(chēng)的扁平化尋址方式。在整個(gè)控制區域內對智能設備進(jìn)行統一尋址，不再依賴(lài)于控制站-通訊卡-I/O卡-通道的逐級尋址方式，設備間的訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現真正的端到端。

（5）基于MESH網(wǎng)絡(luò )的信道冗余模式和可靠的數據路由功能。打破原有的1:1冗余模式，通訊的可靠性來(lái)自于多路徑的可靠數據傳輸。

（6）支持各種應用和服務(wù)的工業(yè)操作系統。設備制造商具有充分的自主權，盡情發(fā)揮設備能力。先進(jìn)的工業(yè)操作系統為來(lái)自不同供應商的驅動(dòng)和服務(wù)提供展示平臺。

【中控技術(shù)在現場(chǎng)總線(xiàn)方面的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應用已有20余年的歷史。1996年承擔國家 “九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項目96-749“現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的開(kāi)發(fā)”，并獲國家科技進(jìn)步獎二等獎；2000年， 推出具有自主知識產(chǎn)權的HART協(xié)議圓卡；2007年， 主持設計的“EPA”正式成為IEC-61158第14種現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準；2011年，正式推出全面支持FF總線(xiàn)的DCS產(chǎn)品ECS-700及SAMS資產(chǎn)管理軟件，并成為世界上第3個(gè)通過(guò)最新61b FF主機認證標準的公司。 2018年，FCS系統通過(guò)中國石油和化工聯(lián)合會(huì )組織的專(zhuān)家鑒定，鑒定認為中控技術(shù)的FCS系統性能安全可靠，技術(shù)指標先進(jìn)，滿(mǎn)足煉油化工生產(chǎn)應用FF控制系統的要求，達到國際先進(jìn)水平?！?/p>

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年5月刊