现场总线对自动化仪表与系统的影响分析

现场总线对自动化仪表与系统的影响分析

李佳意

神华(福州)罗源湾港电有限公司，福建福州350001

摘要：现场总线出现于20世纪80年代末90年代初，是一种以计算机网络、智能传感控制、数字通信为主要内容的综合技术，涉及电力、冶金、化工、建材、轻工、造纸等多个领域，主要用于制造自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。目前现场总线已在自动化仪表与系统领域受到广泛关注，实现了自动化系统的深刻变革，大大提高工厂自动化水平，提高劳动生产率和经济效益。

关键词：现场总线；自动化仪表；系统影响

基于现场总线的控制系统已成为工业自动化发展的必然趋势，在网络技术迅猛发展的今天，工业以太网日益向现场设备层渗透，现场总线今后应沿着提高认识、正确决策、做好全社会宣传、组织建设以及建立现场总线自动化仪表与生产基地等路径实现更好、更快的发展。

1现场总线的发展概述

现场总线可以称作是第五代控制系统，即：FCS——现场总线控制系统。第一代为气动信号控制系PCS，第二代为4～20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统DDC，第四代为集散式分布控制系统DCS。现场总线控制系统FCS打破了DCS系统被束缚于通信专用网络的局面，形成了新型全分布式结构，将控制功能从根本上转移到现场。关于现场总线标准，最早由国际电工委员会于1985年着手制订国际性现场总线标准，此后，美国仪表学会参与其中，但由于双方意见不一致而使该标准迟迟未出台，各国家便开始制订各自的标准。截止到1994年年初，在美国、德国、法国分别形成了Porifbus，IFP，ISA等几种主要的现场总线标准，国际上的ISP和WorldIFP两大现场总线组织合并，统一了IEC/SP50标准，此后，近200家仪表厂、公司成立了现场总线基金会(FF)。目前，市场上的现场总线及相关产品包括主要用于工业控制的FF，用于楼宇自动化为的美国LON、以汽车工业为目标的德国CAN，传统的DCS等自动化控制系统逐渐被这种开放的自动化系统取而代之，整个测量与控制领域迎来发展的新时期。

2现场总线的发展现状

2.1主要技术特点

现场总线对以往的控制系统结构形式予以打破。传统控制系统（DistributedControlSystem，DCS）采用一对一的设备连线方式，各设备根据控制回路分别建立起联系，一对一的物理连接在现场测量变送器与控制室控制器之间、现场执行器与控制器之间、开关与控制器之间等方面均有体现；而在现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）中，设备作为网络中的节点会全部连接于总线之上，这实现了对电缆的节省，并向布线提供了便利。不仅如此，现场总线的结构还呈现出以下技术性特点与优势：（1）性价比提高；（2）系统性能显著优化；（3）对数字信号通信予以采用；（4）具有互操作与互用性功能；（5）可进行双向传输；（6）系统开放性特征明显；（7）现场设备被赋予了智能与自治的能力；（9）系统的精度与自诊断能力大幅提升；（10）软硬件的设计与安装支出以及系统的维护支出得到降低；（11）组态与修改更加简单与便捷。

2.2网络通信模型

现场总线控制系统由多个节点组成，这些节点具有通信功能，各节点之间需要持续进行数据的交换与信息的控制，它们在通信之时必须以事先商定好的规则为约束，严格按照规则要求的格式与时序进行数据的交换。其中，规则、约定与相关标准统称为网络协议，它们的建立以网络数据的有序与高效交换为目的。作为一种网络系统，ISO/OSI参考模型的7层（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）模型有着丰富的内容与完善的结构，它对多种网络通信问题均有涉及。传感器、控制器与执行器等是在现场总线控制系统中参与通信的相关网络节点，它们发挥的网络功能较为简便，进行的数据传输也比较少，但对网络的实时性与可靠性提出了严格的要求。针对于此，很多现场总线网络模型都在一定程度上简化了参考模型的7层结构，仅对其物理层、数据链路层与应用层予以保留，有的甚至只保留了物理层与数据链路层两层结构，如果涉及的内容较为复杂，则会外加一个用户层。只有个别的网络模型将完整的7层结构包括在内。

2.3主流现场总线的比较

当前，FF，Profibus-DP，CAN等现场总线技术在我国的应用较为广泛，它们以各自的特色在相关领域发挥着不容忽视的作用，每种技术均不可替代，表1所示为几种总线的对比。

表1几种典型现场总线技术的比较

3现场总线对自动化仪表与系统的影响

现场总线被称为是一种引发自动化和仪器仪表变革的新技术，而现场总线之所以受到诸多关注，也正是由于它对控制及自动化产品和系统带来的冲击和影响，可以说，现场总线是推动自动化产品进入“新世纪”的主要因素。那么，现场总线究竟是如何影响自动化仪表与系统变革，人们又将如何抓住机遇，实现自动化仪表与系统的新飞跃？本文通过搜集大量资料，结合现场总线与自动化仪表与系统发展的实际情况，得到以下结论。

3.1促使工业控制由控制室转向现场

现场总线对于自动化仪表与系统的最直接、最大的影响，就是实现了各种控制功能由控制室向现场的转变，从根本上改变了工厂控制系统结构。数字式仪表将被模拟仪表取而代之，目前DCS控制功能将由FCS系统功能取而代之。现场总线涉及的各种新概念，会不断促进现场仪表的检测与控制功能的更新。为此，政府及各决策机构应积极鼓励各仪表生产厂家和广大用户分析研究与开发应用现场总线，为我国国民经济各部门提供新的自动化装备，振兴我国仪表工业。尤其是在面对当前国外仪表公司产品进入我国市场参与竞争的炙热局面下，我国仪表企业面临重重困难，推动现场总线仪表及系统的发展，将促进我国仪表产业及产品结构的调整，从而使我国仪表产业在技术与市场的推动下取得竞争优势。

3.2实现传输信号数字化

首先，现场总线将完全替代4~20mADC联络信号，实现传输信号数字化，更方便进行现场布线，降低了近70%的现场配线费用。其次，现场总线可将控制、报警、趋势分析等先进功能增加到现场仪表，减少了D/A与A/D变换，上层系统得到简化。最后，现场总线为系统的开放化奠定基础，实现了自动化仪表从封闭式系统向开放式系统的转变，从模拟数字混合技术向全数字化技术的转变，各厂家设备在相同标准下通过互连实现交互操作和互换使用，极大地方便了用户间的信息交换。此外，采用现场总线完成底层通信，系统冗余和故障诊断与容错功能增强，大大提高了系统可靠性、安全性，为其在更广泛领域的应用创造了条件。为此，本文认为政府应积极组织成立“中国现场总线协会”，形成以企业、大型集团、研究所及高校等各种力量为一体的凝聚力，共同致力于现场总线技术及其产品的开发和应用。并实现与国际上各现场总会组织的衔接与互动，密切关注现场总线国际标准的制订，以更好地指导我国现场总线技术的开发与完善。如国家重点安排几个DCS应用熟练且经济实力较强的化工企业与仪表研究、生产部门组成集团，进入国际现场总线基金会，并努力成为其试验基地，取得实际试验的初始资料，为发展我国新一代仪表打下基础。

3.3推动自动化仪表与系统的智能化

以实现过程控制与企业管理的有机集成为主的综合自动化，是自动化发展的主要方向。现场总线在自动化仪表与系统中的应用，将成为实现这种综合自动化强有力手段。首先，现场总线使全部控制设备的测量值以工程单位体现，这样就避免了将控制装置中初始传感器数据转换为工程单位的工作环节，使控制装置可以去完成更高级的控制任务，方便了对控制装置的管理。其次，现场仪表中使用微处理器，使现场仪表表现出智能化、功能多样化的优势，促使先进的、新式的现场设备被研发，如多变量变送器及测控一体化产品，而这种产品将大大减少工业控制所需的总仪表数量，不仅节约了仪表购置、安装及维护费用，而且更有利于实现过程控制与企业管理的有机集成。为此，本文认为应大力发展全数字式智能化现场仪表，这将是未来整个控制、管理系统的发展方向。我国要取得经济的长远发展，必然离不开基础工业的发达，而现场仪表作为信息产业的基础，国家应加大支持力度，有计划地开发或通过引进、合资、建立起现场仪表生产基地，依托科技与信息技术的进步，推动全数字式智能化现场仪表在工业领域的影响力。

4现场总线的发展趋势与路径把握

4.1现场总线的发展趋势

近年来，工业以太网技术得到了突飞猛进的发展，此标准原来应用于IT领域，目前亦在信息网扩展中实现了广泛地开发。相较于其他工业自动化技术，工业以太网技术以其日益完善的性能与迅速降低的成本取得绝对性的优势，这使很多工业自动化领域中的企业将更多精力放于对以太网资源的利用之上，因此，新生代的工业自动化网络势必会以以太网为基础而建立，以太网技术已成为支持工业发展的热点。分析总线技术的发展方向，当前全部的现场总线都将实现向Ethernet的过渡，很多以现场总线为基础的控制系统最终都会与Ethernet建立连接，在满足一定条件后，还会实现与Internet的连接。对于工业控制系统而言，工业以太网是其一个主要的发展方向，当前过程监控层对工业以太网进行了大量的应用，其在现场层的应用则主要以对现场总线技术的采用为体现。

4.2现场总线的发展路径

第一，政府职能部门与各决策机构应给予高度重视于现场总线技术的发展，尽早作出响应，推动技术开发向国家意志的方向上升。第二，相关部门要在全社会进行工业的宣传，使仪表生产企业与广大用户对现场总线技术有一个充分的认识与了解，打下坚实的群众基础于技术的科技攻关、研究开发与推广应用。第三，成立多处现场总线协会，以企业为主体，依赖于大型企业集团的支撑，让用户广泛参与进来，加速技术发展，扩大产品开发与应用规模，开放格局，在与国际的接轨中对相关工作的开展进行指导。第四，吸收人力、物力、财力等资源对以现场总线为基础的智能网络自动化仪表进行大力开发，从科技攻关产品开发、技术改造与行业工作推进等方面向相关单位提供重点支持，建立开放自动化系统生产基地，形成适度规模经济。

5结论

现场总线作为21世纪现场控制系统的基础，对自动化仪表与系统产生了巨大影响，本文主要将其总结为促使工业控制由控制室转向现场，实现传输信号数字化，以及推动自动化仪表与系统的智能化3方面。目前，现场总线仪表及系统已广泛用于工业过程控制，并促使自动化技术领域产业升级以及过程检测产品的更新换代。面对激烈的国际竞争局势，我们应努力克服现场总线技术的研究与开发中的各种难题，抓住机遇，瞄准目标，不断完善现场总线控制系统，并形成有利于我国仪表产业发展的现场总线标准，振兴中国仪器仪表工业。

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