1  現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展的新動(dòng)態(tài)

    2004年P(guān)ROFIBUS Trade Organization（PTO）和DeviceNet的國際組織ODVA都舉辦了成立10周年的慶典。PROFIBUS用戶(hù)組織PNO還宣布PROFIBUS的安裝節點(diǎn)突破了1 000萬(wàn)個(gè)。這兩種在離散制造業(yè)系統占主導地位的現場(chǎng)總線(xiàn)，以及其它一些也占有相當離散市場(chǎng)份額的總線(xiàn)如CC-Link、Interbus等，都還是屬于經(jīng)典的遠程I/O系統的升級換代，以適應分散的I/O系統由板卡或端子排向進(jìn)一步的單個(gè)現場(chǎng)設備或單點(diǎn)I/O的分散。正因為如此，這一類(lèi)的現場(chǎng)總線(xiàn)的應用推廣相對比較容易，用戶(hù)一般都是持支持態(tài)度，接受程度很高。這一類(lèi)的現場(chǎng)總線(xiàn)已安裝的節點(diǎn)都在好幾百萬(wàn)個(gè)的數量級。
    另外一類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)是從過(guò)程控制領(lǐng)域的儀表控制系統發(fā)展過(guò)來(lái)的，主要以基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF為代表。據悉，FF的安裝量已超過(guò)30萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，雖遠少于上述那類(lèi)的現場(chǎng)總線(xiàn)，不過(guò)，近年來(lái)，以每年增長(cháng)12.5萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)的速度在發(fā)展[1]。這種現場(chǎng)總線(xiàn)的特征是：它不但具有基本的現場(chǎng)通信能力，還具有基本的檢測和控制算法和功能，并能提供對現場(chǎng)設備進(jìn)行診斷、管理的必要信息?？梢哉f(shuō)這是它最關(guān)鍵的技術(shù)跨越，也是構成它大部分優(yōu)點(diǎn)的基礎。由于它和現行的系統（如DCS）、現場(chǎng)設備，從業(yè)經(jīng)驗有質(zhì)的差別，導致不少人持觀(guān)望、懷疑或等待的態(tài)度。
    由于FF是以一種全新的技術(shù)面貌出現的，而在當初介紹宣傳現場(chǎng)總線(xiàn)時(shí)，也許是因為這類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)還處在它發(fā)展的早期階段，人們對它的認識還比較表面，沒(méi)有突出它的本質(zhì)所在，因而許多人都認為FF和其它現場(chǎng)總線(xiàn)一樣，可在節省電纜、節省接線(xiàn)人工和時(shí)間方面帶來(lái)不錯的經(jīng)濟利益。一旦了解到帶FF的現場(chǎng)儀表（變送器、執行器等）價(jià)格遠較一般的現場(chǎng)儀表昂貴（這也許是因為各種FF的現場(chǎng)儀表的生產(chǎn)數量還不夠大），又看到或聽(tīng)到有些較早使用FF的項目投運以后暴露出一些問(wèn)題，就誤以為FF不足為道，還是用帶HART的現場(chǎng)儀表來(lái)得可靠實(shí)惠。實(shí)際上有些設計院的自控設計人員就持這一種觀(guān)點(diǎn)。
    其實(shí)，HART只是現場(chǎng)儀表邁向分散型數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的過(guò)渡技術(shù)，它是一種較為簡(jiǎn)單、能同時(shí)提供DC 4~20mA模擬量輸出和數字式輸出信號，但很適合從DCS系統延伸的通信協(xié)議?，F在已安裝了1400萬(wàn)個(gè)HART現場(chǎng)儀表，據預測在2002至2010年期間的增長(cháng)率有望達到5%[1]。事實(shí)上，這幾年來(lái)HART儀表的制造和應用在國內發(fā)展很快，很受用戶(hù)和設計院的青睞。不僅在國內，就是在工業(yè)發(fā)達國家，HART技術(shù)的發(fā)展仍很健康：用戶(hù)已廣泛接受符合HART標準的I/O設備；能處理一定的智能信號；它并不像有些人認為的那樣發(fā)展前景有限，很快會(huì )被其它現場(chǎng)總線(xiàn)所取代。HART 6.0將原來(lái)1200bps的通信速率提高到9600bps，容許在同一根雙絞線(xiàn)網(wǎng)段上掛15個(gè)HART設備。除此而外，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)數字通信通道，擴充了HART傳輸的信息內容，增加了對現場(chǎng)設備附加信息的獲取和診斷功能，從而使HART協(xié)議的內容與前相比更臻完善，更利于儀表和控制系統的信息集成。主要的改進(jìn)有：在設備變量狀態(tài)方面，改進(jìn)指令9使它可輪循訪(fǎng)問(wèn)現場(chǎng)設備，各設備分別響應這個(gè)指令，這樣便于進(jìn)行自診斷和回送詳細設備狀態(tài)和維修建議。在設備變量分類(lèi)方面，新版本對指令0 和8 作了改建，為管理應用軟件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的機制，用以定義與過(guò)程相關(guān)變量的數目和類(lèi)型。這樣，管理應用軟件可獲取大量設備性能的信息。
    還應該注意到，HART是第一個(gè)創(chuàng )造性地提出和應用設備描述語(yǔ)言（DDL）的通信技術(shù)。PROFIBUS和FF均使用了這一概念和技術(shù)。電子設備描述語(yǔ)言（EDDL）是一種文本語(yǔ)言，用來(lái)描述設備參數的顯示特性，還包括復雜設備參數的算法關(guān)系、長(cháng)時(shí)效保存的數據和實(shí)時(shí)性等內容。它符合IEC 61804-2標準。FF、HART通信基金會(huì )（HCF）和PNO正在共同努力以增強EDDL的性能。
    總而言之，關(guān)于現場(chǎng)總線(xiàn)標準的競爭或爭論早已煙消云散，代之而起的是努力地去應用，在應用中發(fā)現問(wèn)題，積累經(jīng)驗，尋找盡可能完善的解決方案，更深入地發(fā)掘現場(chǎng)總線(xiàn)的潛力。各個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)的推廣應用國際組織都很重視對于工程應用的指導和引導，FF組織繼2003年12月出版了《基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)系統應用指南》后，又在2004年出版了《基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)應用指南31.25Kbit/s本質(zhì)安全系統》，接下來(lái)還要出版有關(guān)HSE（高速以太網(wǎng)）的工程應用指南。據悉，PROFIBUS的推廣應用組織也有類(lèi)似的出版物。

2  用信息化技術(shù)改造現場(chǎng)設備是現場(chǎng)總線(xiàn)的價(jià)值所在

    正確認識現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展前景，應該首先澄清什么是現場(chǎng)總線(xiàn)推廣應用的原動(dòng)力？FF最適宜用于什么樣的過(guò)程控制系統？PROFIBUS用于哪些工業(yè)部門(mén)最合適？
    2004年5月，美國ARC咨詢(xún)集團發(fā)表白皮書(shū)[2]指出：“雖然使用現場(chǎng)總線(xiàn)可以節省安裝和工程成本，但最大的利益還是體現在生產(chǎn)裝置投運之后長(cháng)期的維護和運行中?！?BR>    知名專(zhuān)家斯可克教授說(shuō)過(guò)：“通過(guò)十幾年的討論和實(shí)踐，大家逐漸認識到用信息化技術(shù)改造現場(chǎng)設備是現場(chǎng)總線(xiàn)的靈魂，而不僅僅是節省了電纜等表層的優(yōu)點(diǎn)。所以，用戶(hù)對系統底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)推廣的原始動(dòng)力[3]?！?BR>
    (1)  控制因素。為什么說(shuō)控制算法和功能放在現場(chǎng)設備中會(huì )發(fā)生控制品質(zhì)的質(zhì)的變化呢？在調節閥的閥門(mén)定位器內實(shí)現回路控制，其控制的動(dòng)態(tài)性能顯然優(yōu)于在多功能控制器中實(shí)現回路控制[4]。因為用PID算法對閥桿定位執行內環(huán)控制，就地補償了滯回，再在外環(huán)對調節閥執行串級調節。閥門(mén)定位誤差對內環(huán)控制回路的直接反饋，可消除由于閥門(mén)定位誤差造成的積分飽和，從而穩定外環(huán)控制回路。再加上動(dòng)態(tài)性能的改善，這二者的綜合效果使得回路控制更為穩定。在此基礎上進(jìn)行設定值優(yōu)化，獲得平穩操作肯定會(huì )取得效益。這就是說(shuō)，只有當調節閥的閥門(mén)定位器支持FCS的系統結構時(shí)，真正意義的優(yōu)化控制才是可行的。實(shí)現這種控制策略的前提是，閥門(mén)定位器能提供至少兩個(gè)PID功能塊讓系統工程師進(jìn)行組態(tài)。

    (2)  診斷因素。具有現場(chǎng)總線(xiàn)通信功能的現場(chǎng)儀表，在提供測量參數的信息的同時(shí)，一般還能提供測量器件的狀態(tài)信息，再配合一定的軟件手段可以大大豐富診斷的能力，并把診斷分類(lèi)為：通信診斷、設備診斷、回路診斷和全廠(chǎng)診斷（如圖1所示）。例如，設備診斷就是利用現場(chǎng)總線(xiàn)的設備描述文件對各種不同類(lèi)型的現場(chǎng)儀表的電子電路、傳感器等一系列器件進(jìn)行診斷；全廠(chǎng)診斷則是利用長(cháng)期的歷史數據和相關(guān)的仿真軟件予以實(shí)施。這樣豐富的診斷手段不但為實(shí)施基于設備狀態(tài)的預測性維護設置了前提，而且還為建立基于可靠性的維護機制[5]的維護系統創(chuàng )造了條件。

圖1  現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)大大提高工廠(chǎng)運行診斷的能力

    (3)  管理因素。包括對現場(chǎng)儀表在內的設備進(jìn)行資產(chǎn)管理是用信息化改進(jìn)工業(yè)管理的一種有效途徑。由于現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的設備描述文件存儲了該儀表的基本參數信息，人們得以知道生產(chǎn)廠(chǎng)商、型號、硬件和軟件的版本等一系列對這些設備進(jìn)行管理的基礎信息。另外，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表提供的運行信息和診斷信息，為實(shí)時(shí)降低成本和消耗，使工藝流程和工藝設備處于優(yōu)化的運行狀態(tài)創(chuàng )造了前提條件。
    現在看來(lái)，只有在中大規模的連續流程的過(guò)程控制系統才最有可能淋漓盡致地發(fā)揮FF的潛力。至于在中小型裝置上，盡管?chē)鴥纫寻惭b和投運了數以百計的FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統，但優(yōu)越性就不夠明顯。甚至有的項目因上馬早，暴露出一些早期FF現場(chǎng)設備的不足和因經(jīng)驗少而導致工程設計的缺陷。任何新技術(shù)的成熟應用都會(huì )有一個(gè)過(guò)程，出現一些非致命性的問(wèn)題并不足為奇，反而可以根據問(wèn)題的所在加以分析改進(jìn)。

圖2  PROFIBUS適合用在制藥、飲料/食品和精細化工工業(yè)FF適用于連續流程工業(yè)

    在離散工業(yè)和流程工業(yè)之間，人們常常把在同一個(gè)工廠(chǎng)中既有連續流程又有離散流程的稱(chēng)之為混合型工業(yè)（如圖2所示）。制藥、食品工業(yè)、飲料工業(yè)和精細化工都是典型的混合型工業(yè)。在這些工業(yè)中，為達到操作運行的優(yōu)化，現場(chǎng)總線(xiàn)可以起到很重要的作用。特別是PROFIBUS，由于其體系結構能夠以相同的通信協(xié)議既滿(mǎn)足離散過(guò)程控制PROFIBUS-DP的要求，又能用PROFIBUS-PA滿(mǎn)足連續過(guò)程控制的諸多要求（總線(xiàn)供電、本安防爆等）。此外，還有PROFIdrive的行規可滿(mǎn)足交流驅動(dòng)或伺服驅動(dòng)的同步要求，PROFIsafe提供附加的安全協(xié)議層，符合IEC 61508國際標準的故障安全的要求。以上這些滿(mǎn)足不同要求的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)都共享同一個(gè)通信棧協(xié)議，使這些行業(yè)的用戶(hù)只用一種現場(chǎng)總線(xiàn)就能解決控制系統的各種要求。甚至已廣泛使用的HART現場(chǎng)儀表，也可以用PROFIBUS HART規范使HART的客戶(hù)―主站模型在PROFIBUS上映射，這樣便允許設備之間的HART報文利用PROFIBUS來(lái)作透明的傳輸[2]。顯然，在混合型工業(yè)應用PROFIBUS更加凸現其獨特的價(jià)值。

3  工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)的相互補充[6]

    當從傳輸速率、傳輸距離、本質(zhì)安全、無(wú)須有源交換式設備而能在同一條通信電纜上連接多個(gè)設備的能力等方面來(lái)審視，發(fā)現以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)是相互補充的。對處在現場(chǎng)層的儀表設備有著(zhù)其獨特的、以太網(wǎng)難以滿(mǎn)足的要求，而現場(chǎng)總線(xiàn)恰恰具有這些特性，這就構成了它們之間的理想的互補。
    現場(chǎng)總線(xiàn)只有中等適當的傳輸速率，這是因為現場(chǎng)總線(xiàn)用來(lái)實(shí)現現場(chǎng)層的儀表和設備的通信，一般每個(gè)節點(diǎn)內不斷在刷新的變量只有一個(gè)或兩個(gè)，而其它要監視的信息通常都不要求頻繁地去觀(guān)察。而在較高的層次，控制器或鏈接設備要對來(lái)自許多變送器和執行器的數據進(jìn)行綜合或組合處理，以太網(wǎng)的高傳輸速率和高帶寬便是通信網(wǎng)絡(luò )的適當選擇。要求一些像變送器、接近開(kāi)關(guān)等小小的設備配備在100Mbps處理TCP/IP通信棧的能力，是沒(méi)有必要的。這就是現場(chǎng)總線(xiàn)只要適中的傳輸速率和較為簡(jiǎn)單的通信棧的理由。

    (1)  多節點(diǎn)。以太網(wǎng)每連接一個(gè)節點(diǎn)設備就要用一根電纜，還要求有源的交換式集線(xiàn)器。當在一個(gè)中大型工廠(chǎng)中有成百上千個(gè)變送器、傳感器和執行器要聯(lián)網(wǎng)，用這種網(wǎng)絡(luò )連接，顯然會(huì )變得昂貴和難以維持。但在此低級別，現場(chǎng)總線(xiàn)可以方便而高效地把儀表連接起來(lái)，用一根電纜連接好多個(gè)現場(chǎng)設備，不用附加有源的交換式集線(xiàn)器。這既減少了電纜和其它硬件，又為連接大量的小節點(diǎn)不必耗費過(guò)多的費用。
    (2)  距離。由于分配給每個(gè)數據包的傳輸時(shí)間是有限的，所以在作為中繼的局域網(wǎng)交換式設備之間，如果采用銅線(xiàn)電纜的話(huà)其間距不得大于100米。當控制室與現場(chǎng)儀表的距離很長(cháng)，以太網(wǎng)也許就不能滿(mǎn)足這樣的鏈接要求了。但是，現場(chǎng)總線(xiàn)卻能用一根電纜為控制室與現場(chǎng)儀表之間提供長(cháng)達2000米的連接；若有必要，通過(guò)中繼器還可獲得幾倍長(cháng)的傳輸距離。當然，以太網(wǎng)可以通過(guò)光纜解決幾公里的連接。不過(guò)，考慮到要連接的現場(chǎng)節點(diǎn)的數量很大的時(shí)候，成本過(guò)高的因素又會(huì )促使人們選擇以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)互補的方案。
    (3)  供電問(wèn)題。目前規范的以太網(wǎng)并不通過(guò)通信電纜集中提供電源。IEEE 802.3af雖然規定了以太網(wǎng)的集中供電的規范，但其DC 48V的最低電壓等級并不適用于自動(dòng)化產(chǎn)品?，F場(chǎng)總線(xiàn)則不然，它具有這個(gè)功能。這再一次表明這二者之間的互補性。
    (4)  本質(zhì)安全問(wèn)題。規范的以太網(wǎng)及其產(chǎn)品不具備本質(zhì)安全的性能，因而不適合將它們用在有防爆要求的危險I區。而且在100Mbps執行TCP/IP通信棧，需要一定的處理功率，而這又恰恰超過(guò)了危險IIC區的允許范圍。但是，對現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)說(shuō)這不算什么大問(wèn)題。
    (5)  多協(xié)議問(wèn)題。一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統只能處理一種單一的通信協(xié)議，但為了鏈接不同的子系統，也許有必要支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。好多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都在物理層和介質(zhì)存取控制層MAC符合標準Ethernet，在傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層符合TCP/IP，只是在應用層和用戶(hù)層有所不同。這就是說(shuō)，HSE、EtherNet/IP和Modbus/TCP等可以在一條高速的Ethernet上傳輸，而到達各自的子系統。這是以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)互補的又一證明。至于那些并非基于標準的IEEE 802.3，或并非基于TCP/IP的混合式的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，則不具備多協(xié)議的能力。

4  以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)的可互操作性

    IEC 61802給出了關(guān)于設備的兼容性的確切定義。圖3和表1描述了控制網(wǎng)絡(luò )中由不同制造廠(chǎng)商提供的設備之間所具有的共存性、可互連性、可協(xié)作性、可互操作性和可互換性的邏輯關(guān)系。由圖3可以清晰地知道，所謂的互操作性是指設備具有相同的通信協(xié)議、通信接口、數據類(lèi)型和數據存取，以及相同的參數語(yǔ)義、應用功能性。
    顯然，以太網(wǎng)和TCP、UDP和IP只不過(guò)是在OSI 7層模型中的低層協(xié)議，壓根不是用來(lái)提供可互操作性的解決方案的。但是，如果在工業(yè)以太網(wǎng)的通信棧的頂層采用現場(chǎng)總線(xiàn)的應用層協(xié)議，是能夠做到可互操作性的。就好像Ethernet/IP在其頂層與ControlNet和DeviceNet的頂層具有共同的CIP，FF的HSE在其頂層向下兼容H1的頂層協(xié)議，這樣的工業(yè)以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)的互補，才能實(shí)現在一個(gè)系統中的可互操作性。

圖3  控制網(wǎng)絡(luò )中設備的兼容性邏輯關(guān)系

    目前出現了許多為解決不同領(lǐng)域的應用而開(kāi)發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它們之間同樣也不具備可互操作性，因為它們的頂層協(xié)議也是各不相同的。它們的低層協(xié)議往往一致的，這才是它們的共同點(diǎn)（如圖4所示 ）。

圖4  工業(yè)以太網(wǎng)往往采用Ethernet的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，但應用層協(xié)議各不相同

    應該注意的是，以太網(wǎng)和TCP或UDP/IP綁在一起，要求適當的應用層目標結構以及用戶(hù)應用程序。否則，所有有關(guān)標定（量程、零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度）、診斷、遠程監控、連接選擇和傳感器類(lèi)型等的實(shí)現，又變成專(zhuān)用的了。
    使用OPC可以實(shí)現不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的設備之間交換數據，但應該清楚地認識到這種數據交換絕非是處于現場(chǎng)層
的數據交換，而僅僅是在監控層的數據交換?？傊?，以太網(wǎng)具有現場(chǎng)總線(xiàn)所不具備的特性?，F場(chǎng)總線(xiàn)具有的特性以太網(wǎng)又不具備。OPC提供的卻是軟件與軟件之間的數據交換，而以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)解決的硬件與硬件之間的通信。
表1  功能性的特性描述

    例如，過(guò)程值的刷新速率會(huì )影響到控制算法。
    現場(chǎng)總線(xiàn)屬于設備級的網(wǎng)絡(luò )，用一根通信電纜就可以解決供電、本安、多節點(diǎn)連接和連接距離的問(wèn)題。以太網(wǎng)是控制系統的骨干網(wǎng)，它傳輸速率高、可承載多種應用協(xié)議，傳輸路徑可利用路由器加以選擇，必要時(shí)可采用全冗余的網(wǎng)絡(luò )結構。不同的工業(yè)以太網(wǎng)設備之間利用OPC來(lái)交換數據。在生產(chǎn)執行層（MES）和經(jīng)營(yíng)管理層（ERP）同樣運用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。這就構成了如圖5 所示的系統結構圖，圖中還給出了不同的網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

圖5  現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)結合成一個(gè)完整的系統結構

5  結語(yǔ)

    希望通過(guò)以上的論述能夠對現場(chǎng)總線(xiàn)應用的價(jià)值取向進(jìn)行重新認識，促使更多的自動(dòng)化技術(shù)工作者去挖掘現場(chǎng)總線(xiàn)的應用潛力，讓現場(chǎng)總線(xiàn)在企業(yè)生產(chǎn)信息系統中體現出更多的價(jià)值，真正從生產(chǎn)的最基礎的環(huán)節開(kāi)始，用信息技術(shù)推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的高效、低能耗、長(cháng)期可靠地運行。