現場總線對自動化儀表與系統的影響及其發展路徑探索

石澤宇

摘要：文章以現場總線的主要技術特點、網絡通信模型以及主流現場總線比較等為切入點，分析了現場總線的發展現狀，繼而研究其對自動化儀表與系統產生的影響，在把握發展趨勢的同時對其今后的發展路徑進行了探索。

關鍵詞：現場總線；自動化儀表與系統；發展

在以往的發展中，工業過程控制儀表一直對4-20 mA標準的模擬信號予以采用，在微電子技術、大規模及超大規模集成電路的迅猛發展背景下，微處理器在過程控制裝置、變送器以及調節閥等儀表裝置中得到了愈發廣泛的應用，智能變送器、智能調節閥等以高新技術為支撐的儀表產品得以出現并呈現出極為迅速的發展態勢。現代化工業過程控制在速率、精度、成本等多種環節對儀表裝置提出了更為嚴格的要求，致使數字信號傳輸技術與裝置對現行模擬信號傳輸技術與裝置的代替已是大勢所趨，其中的現場傳輸技術與裝置便是現場總線。換言之，現場總線是一種由過程控制技術、儀表技術以及計算機網絡技術相互結合的產物，它的出現以過程控制技術由分離設備向共享設備的發展、儀表技術由簡單向智能的發展以及計算機網絡技術由MAP網絡向現場網絡的發展為標志。

1.現場總線的發展現狀

1.1主要技術特點

現場總線對以往的控制系統結構形式予以打破。傳統控制系統（Distributed Control System，DCS）采用一對一的設備連線方式，各設備根據控制回路分別建立起聯系，一對一的物理連接在現場測量變送器與控制室控制器之間、現場執行器與控制器之間、開關與控制器之間等方面均有體現；而在現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）中，設備作為網絡中的節點會全部連接于總線之上，這實現了對電纜的節省，并向布線提供了便利。

不僅如此，現場總線的結構還呈現出以下技術性特點與優勢：（1）性價比提高；（2）系統性能顯著優化；（3）對數字信號通信予以采用；（4）具有互操作與互用性功能；（5）可進行雙向傳輸；（6）系統開放性特征明顯；（7）現場設備被賦予了智能與自治的能力；（9）系統的精度與自診斷能力大幅提升；（10）軟硬件的設計與安裝支出以及系統的維護支出得到降低；（11）組態與修改更加簡單與便捷。

1.2網絡通信模型

現場總線控制系統由多個節點組成，這些節點具有通信功能，各節點之間需要持續進行數據的交換與信息的控制，它們在通信之時必須以事先商定好的規則為約束，嚴格按照規則要求的格式與時序進行數據的交換。其中，規則、約定與相關標準統稱為網絡協議，它們的建立以網絡數據的有序與高效交換為目的。

作為一種網絡系統，ISO/OSI參考模型的7層（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層）模型有著豐富的內容與完善的結構，它對多種網絡通信問題均有涉及。傳感器、控制器與執行器等是在現場總線控制系統中參與通信的相關網絡節點，它們發揮的網絡功能較為簡便，進行的數據傳輸也比較少，但對網絡的實時性與可靠性提出了嚴格的要求。針對于此，很多現場總線網絡模型都在一定程度上簡化了參考模型的7層結構，僅對其物理層、數據鏈路層與應用層予以保留，有的甚至只保留了物理層與數據鏈路層兩層結構，如果涉及的內容較為復雜，則會外加一個用戶層。只有個別的網絡模型將完整的7層結構包括在內。

1.3主流現場總線的比較

當前，FF，Profibus-DP，CAN等現場總線技術在我國的應用較為廣泛，它們以各自的特色在相關領域發揮著不容忽視的作用，每種技術均不可替代，表1所示為幾種總線的對比。

2.現場總線對自動化儀表與系統的影響

對于自動化與儀器儀表而言，現場總線的出現為其工業革命的發生產生了推動作用，促使其實現產品全面更新與換代的技術性變革。現場總線之所以能夠得到人們的關注，逐漸發展為研究工作的熱點內容，原因在于它能對控制及自動化儀表與系統產生極為深遠的影響。具體而言，這些影響有以下方面的體現：

（1）對4-20 mA DC聯絡信號予以全面取代，數字化的傳輸信號得以實現，為現場布線提供了極大的便利，降低了近70%成的現場配線費用支出。（2）賦予了現場儀表更多、更先進的功能，例如控制、報警以及趨勢分析等，降低了D/A與A/D的變換率，對上層系統予以簡化，最終實現了對現場裝置精度及其可靠性的大幅度提升。（3）不同廠家之間實現了對產品的交互操作與互換使用，對于用戶而言，便利性得到了極大的提高。（4）加速了自動化儀表技術與自動化系統的發展，使其由模擬數字混合技術轉變為全數字化技術，由封閉式系統轉變為開放式系統。現場總線使得自動化系統采用開放系統互連參考模型進行高層通信網絡的建立，極大地強化了系統冗余與故障診斷功能以及容錯功能，大幅度提高了系統的可靠性與安全性。相對而言，現場總線為自動化系統的開放式發展奠定了基礎，而開放型的自動化系統又成為現場總線發展的必然。（5）現代自動化正在朝著綜合自動化的方向發展，它對過程控制與企業管理進行有機結合，以多項綜合式集成發展為其發展的最終目標。在這一綜合自動化的發展進程中，現場總線智能化儀表以及開放式的自動化系統成為最有效的手段與工具。（6）微處理器對現場儀表予以引入，突出了現場儀表的智能化與功能多樣化的特征。現場總線加速了新式、更為先進的現場設備（如測控一體化產品、多變量變送器等）的產生與應用。應用智能儀表，軟硬件進行了結厶，傳統的實現方式得到了改變，軟件向眾多功能的實現提供了越來越多的支撐。（7）應用于現場總線，所有的控制設備與測量值都能通過工程單位得到體現，簡化了在控制裝置中將初始傳感器數據轉換為工程單位的操作，實現了對控制裝置在任務中的解脫，使其履行起更加高級的控制職責。（8）對現場總線多變量現場儀表的采用極大地減少了儀表的數量，最終實現了儀表購置、安裝以及維護等成本支出的縮減。（9）現場總線標準實現了很多控制功能從控制室向現場的流轉，工廠的控制系統結構由此發生了徹底性的變革，這是其最為顯著的影響所在。當前，數字式儀表已經對模擬儀表予以取代，控制功能的完成方也己由DSC轉變為由現場總線開發的相應功能模塊。現場總線對很多新概念的應用完善了現場儀表的檢測與控制功能，向更加開放的控制系統（現場控制系統FCS）提供支持，為過程控制系統與儀表制造工業帶來了極為深刻的變革。

3.現場總線的發展趨勢與路徑把握

3.1現場總線的發展趨勢

近年來，工業以太網技術得到了突飛猛進的發展，此標準原來應用于IT領域，目前亦在信息網擴展中實現了廣泛地開發。相較于其他工業自動化技術，工業以太網技術以其日益完善的性能與迅速降低的成本取得絕對性的優勢，這使很多工業自動化領域中的企業將更多精力放于對以太網資源的利用之上，因此，新生代的工業自動化網絡勢必會以以太網為基礎而建立，以太網技術已成為支持工業發展的熱點。

分析總線技術的發展方向，當前全部的現場總線都將實現向Ethernet的過渡，很多以現場總線為基礎的控制系統最終都會與Ethernet建立連接，在滿足一定條件后，還會實現與Internet的連接。對于工業控制系統而言，工業以太網是其一個主要的發展方向，當前過程監控層對工業以太網進行了大量的應用，其在現場層的應用則主要以對現場總線技術的采用為體現。

3.2現場總線的發展路徑

第一，政府職能部門與各決策機構應給予高度重視于現場總線技術的發展，盡早作出響應，推動技術開發向國家意志的方向上升。第二，相關部門要在全社會進行工業的宣傳，使儀表生產企業與廣大用戶對現場總線技術有一個充分的認識與了解，打下堅實的群眾基礎于技術的科技攻關、研究開發與推廣應用。第三，成立多處現場總線協會，以企業為主體，依賴于大型企業集團的支撐，讓用戶廣泛參與進來，加速技術發展，擴大產品開發與應用規模，開放格局，在與國際的接軌中對相關工作的開展進行指導。第四，吸收人力、物力、財力等資源對以現場總線為基礎的智能網絡自動化儀表進行大力開發，從科技攻關產品開發、技術改造與行業工作推進等方面向相關單位提供重點支持，建立開放自動化系統生產基地，形成適度規模經濟。

4.結語

基于現場總線的控制系統己成為工業自動化發展的必然趨勢，在網絡技術迅猛發展的今天，工業以太網日益向現場設備層滲透，現場總線今后應沿著提高認識、正確決策、做好全社會宣傳、組織建設以及建立現場總線自動化儀表與生產基地等路徑實現更好、更快的發展。