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現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)場總線技shu自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理， 降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣fan注意，得到大 范圍的推廣，導(dǎo)致了自動控制領(lǐng)域的一場革命。  
一、現(xiàn)場總線的發(fā)展不會被計算機(jī)通信技shu取代  
    在現(xiàn)場總線技shu誕生的初期，它的主要功能是將當(dāng)時的可編程邏輯控制器（program mable logic controller， PLC）以一種較簡潔的方式連接起來。隨著計算機(jī)技shu引入PLC，計算機(jī)通信技shu被引入現(xiàn)場總線；PLC功能的增強(qiáng)對現(xiàn)場總線提出了更高的要求，計算機(jī)通信技shu的引入大大增強(qiáng)了現(xiàn)場總線的功能，成為現(xiàn)場總線技shu發(fā)展的主要趨勢。  
    在分散型控制系統(tǒng)（distribution control system， DCS）的發(fā)展歷程中，較早地在站間通信中采用了局域網(wǎng)（local area netw ork， LAN）技shu。隨著電子技shu的發(fā)展，許多站的功能已經(jīng)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)，因此通信也逐漸延伸到現(xiàn)場。  
    在過程控制領(lǐng)域，曾經(jīng)采用過許多通信協(xié)議。隨著商用計算機(jī)領(lǐng)域的局域通信逐步被以太網(wǎng)（ethernet）壟斷，過程控制領(lǐng)域中上層的通信也逐步統(tǒng)一到以太網(wǎng)和快SU以太網(wǎng)。由于因 te網(wǎng)的快SU發(fā)展，人們通過因 te網(wǎng)訪問控制系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和服務(wù)的愿望越來越強(qiáng)烈，因此TCP／IP協(xié)議也進(jìn)入過程控制領(lǐng)域。實際上我們現(xiàn)在就可以看到通過因 te網(wǎng)訪問現(xiàn)場儀表的事例。  
    這里我們看到了兩種趨勢，di一是現(xiàn)場有越來越多的信息需要往上送，第二是計算機(jī)通信技shu越來越向下延伸。人們不禁要問：包括Internet技shu內(nèi)的現(xiàn)代計算機(jī)通信技shu是否會zui終延伸到現(xiàn)場，并取代現(xiàn)場總線?  
    我們認(rèn)為現(xiàn)代計算機(jī)通信技shu有能力延伸到現(xiàn)場，現(xiàn)場總線技shu中也會不斷地融入計算機(jī)通信技shu，但是計算機(jī)通信技shu不會取代現(xiàn)場總線。因為現(xiàn)場總線與一般計算機(jī)通信在功能、要求和結(jié)構(gòu)上有所不同。  
1、功能  
    計算機(jī)通信的基本功能是可kao地傳遞信息。現(xiàn)場總線的功能是：①經(jīng)濟(jì)、an全、可kao地傳遞信息；②正確使用所傳信息；③及時處理所傳信息。經(jīng)濟(jì)性要求現(xiàn)場總線在傳遞信息的同時，解決現(xiàn)場裝置的供電問題，并要求傳輸介質(zhì)較廉價。an全性要求現(xiàn)場總線解決防爆問題�？蒶ao性要求現(xiàn)場總線解決環(huán)境適應(yīng)性問題，包括電磁環(huán)境適應(yīng)性（傳輸時不要干擾別人，也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（要nai溫、防水、防塵）、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（要nai沖擊、nai振動）。 
　　正確使用信息要求不同制造商生產(chǎn)的裝置能相互理解所傳信息，這就是現(xiàn)場總線的可互操作性要求。及時處理信息要求現(xiàn)場裝置不要將信息過多地在網(wǎng)絡(luò)上往返傳遞，要盡可能地就地處理信息。及時處理信息的要求主要是針對高層次現(xiàn)場總線和儀表的，但是這條要求zui集中地體現(xiàn)了現(xiàn)場總線技shu發(fā)展趨勢--信息處理現(xiàn)場化。  
2、要求  
    對計算機(jī)通信的主要要求是快。對現(xiàn)場總線不jin要求傳輸速度快，在過程控制領(lǐng)域還要求響應(yīng)快，即實時性要求。這樣“快”就有三種含義。  
    （1）傳輸速度快：指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒁�多，通常用�?te率來衡量。這條要求與普通計算機(jī)通信是一致的。  
    （2）響應(yīng)時間短：指突然發(fā)生意外事件時，儀表將該事件傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上或執(zhí)行器接收到該信息 ma上執(zhí)行所需的時間。這個時間是由4個方面決定的：① 儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力；②信息在通信協(xié)議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時間；③等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時間；避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時間。由于這個時間對大多數(shù)通信協(xié)議是一個隨機(jī)數(shù)，因此大部分通信協(xié)議不給這個參數(shù)。過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個時間達(dá)到zui短，但它要求zui大值是預(yù)先可知的，并小于一ding值。  
    （3） 巡回時間短　指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需的時間。這個時間一般可由系統(tǒng)組態(tài)來調(diào)整。對那些單純靠優(yōu)先ji解決實時性的搶先式通信系統(tǒng)，當(dāng)高優(yōu)先ji事件發(fā)生比較頻繁時，低優(yōu)先ji事件會長時間得不到響應(yīng)；對這類通信協(xié)議，巡回時間是隨機(jī)量，預(yù)先不可知。過程控制系統(tǒng)希望zui長巡回時間是預(yù)先可知的，并小于一ding值。  
    響應(yīng)時間和巡回時間反映了實時性，而實時性與通信協(xié)議有很密切的關(guān)系�，F(xiàn)場總線采用兩種技shu來實現(xiàn)實時性。 
　　一種是簡化技shu。將網(wǎng)絡(luò)形式簡化成線形（實際上已經(jīng)不成其為“網(wǎng)”了）；將通信模型簡化為只有一、二層；將節(jié)點的信息簡化到只有幾比 te。經(jīng)過以上簡化，節(jié)點的訪問就fei �？炝恕＿@也可以通過ji大地ti gao通信傳遞速度來縮短節(jié)點訪問時間，這時雖然理論上某些現(xiàn)場總線的節(jié)點訪問時間還有某種不確定性，但是反復(fù)發(fā)生不確定事件的概率很低，可以在一些非關(guān)鍵部位使用這種現(xiàn)場總線。節(jié)點訪問快了，就可以簡化系統(tǒng)的管理；這時采用主-從方式輪詢訪問，只要限制網(wǎng)絡(luò)輪詢的規(guī)模，就可以將響應(yīng)控制在指定的時間內(nèi)。采用這種技shu可大大降低總線的成本，大多數(shù)位式開關(guān)量現(xiàn)場總線采用這種技shu。 
　　另一種是采用網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)鏈路調(diào)度技shu來實現(xiàn)實時性，這是一種很復(fù)雜的技shu。一般認(rèn)為，分時式實時系統(tǒng)的響應(yīng)具有可預(yù)知性，但資源利用率低；搶先式實時系統(tǒng)資源利用率高，但往往響應(yīng)具有不可預(yù)知性�，F(xiàn)在的現(xiàn)場總線往往采用兩者結(jié)合的方式進(jìn)行管理和調(diào)度，以達(dá)到某種平衡。 
　　隨著多媒體計算機(jī)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，語音和圖象的實時傳輸對網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間提出了新的要求。多媒體傳輸對實時性的要求是幾十ms，過程控制對系統(tǒng)的實時性要求是幾ms到十ms。多媒體對實時性的要求是“軟”的，即只要大部分時間滿足要求就行了，偶然幾次不及時響應(yīng)是沒關(guān)系的。過程控制對實時性的要求是“硬”的，因為它往往涉及an全，bixu在任he時間都及時響應(yīng)，不允許有不確定性。 
　　改善現(xiàn)場總線的實時性，減少響應(yīng)時間的不確定性是現(xiàn)場總線的重要發(fā)展趨勢。  
3、結(jié)構(gòu)  
計算機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的，從一點到另外一點的通信路徑可以是不固定的。 
　　大部分現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)是線狀的，雖然現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型、環(huán)行、回路型等；但在大多數(shù)現(xiàn)場總線中，從一點到另外一點的通信路徑是比較固定的。 
　　線狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：①解決網(wǎng)絡(luò)供電比較容易；②解決本安防爆比較容易；③使通信協(xié)議中可以舍去與路徑有關(guān)的幾層，有利于改善實時性。 
　　很顯然，在線狀結(jié)構(gòu)時一條現(xiàn)場總線支路的電源負(fù)載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可以預(yù)料的。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中一ding會出現(xiàn)多電源供電情況，各電源的負(fù)載平衡，以及網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點處的電壓下降，都比較難以預(yù)料。 
　　我們目前的本安防爆主導(dǎo)理論還是認(rèn)為，電纜的分布電感、電容是隨著電纜的長度增加的，因此由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的火花能量，也是隨著電纜的長度而增加。在這種情況下，要解決網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的本安防爆問題是很難的。 
　　本安防爆理論的現(xiàn)狀對現(xiàn)場總線的推廣應(yīng)用限制ji大。因為它限制電纜的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量�，F(xiàn)場總線的主要優(yōu)點在這些限制下，大部分都消失了。因此現(xiàn)場總線要求本安防爆理論要有所發(fā)展，目前各國都在對現(xiàn)場總線本質(zhì)an全概念（fieldbus intri nsical safety concept， FISCO）理論加強(qiáng)研究，爭取有所tu破。 
　　克服本安防爆對現(xiàn)場總線的限制是現(xiàn)場總線在應(yīng)用理論上的發(fā)展趨勢。 
　　現(xiàn)場總線的線狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在前面說明了，它的主要缺點是當(dāng)一條總線支路的電纜斷了，這條支路就癱瘓了。對于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，斷了一、二條支路，信息還能夠通過其它路徑傳遞；系統(tǒng)的性能會下降，但不會癱瘓。這個問題是現(xiàn)場總線至今未被用在zui關(guān)鍵場合的主要原因之一，也是現(xiàn)場總線制造商們近期要研究解決的問題之一。 
　　上述情況說明現(xiàn)場總線并不只是一項通信技shu，它是通信技shu、儀表化技shu及自動控制技shu的結(jié)合產(chǎn)物。雖然并不是所有的現(xiàn)場總線都滿足了上述要求，但這些要求是用于過程控制的現(xiàn)場總線所追求的目標(biāo)。雖然我們已經(jīng)看到一些直接通過因 te網(wǎng)訪問現(xiàn)場儀表的例子，但這都是一些對控制和實時性沒有嚴(yán)格要求的檢測系統(tǒng)。我們認(rèn)為計算機(jī)通信技shu不會取代現(xiàn)場總線。  
二、國內(nèi)現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢  
　　國內(nèi)現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢是：①多種現(xiàn)場總線在國內(nèi)展開激烈競爭，競爭的重點是應(yīng)用工程；②國內(nèi)自己開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品開始投入市場；③國內(nèi)各行業(yè)的現(xiàn)場總線應(yīng)用工程迅速發(fā)展。 
　　現(xiàn)場總線技shu傳入中國已經(jīng)好幾年了，前幾年我們主要是了解學(xué)習(xí)和宣傳，然后開始開發(fā)和應(yīng)用。由于中國經(jīng)濟(jì)正處于起飛階段，市場潛力巨大，ge種現(xiàn)場總線的主要支撐企業(yè)都看好中國市場，他們在中國展開了激烈的競爭。競爭的集中體現(xiàn)是在國內(nèi)引起現(xiàn)場總線協(xié)議的爭論。爭論的焦點是哪種現(xiàn)場總線更好。 
　　我們認(rèn)為，這種爭論在初期對宣傳現(xiàn)場總線是有好處的，它促使更多的人了解現(xiàn)場總線，為今后現(xiàn)場總線的推廣做了很好的準(zhǔn)備。但是要想通過這種爭論來搞清楚到底哪種現(xiàn)場總線更好，那是不可能的。 
　　對于目前的爭論，我們的看法是： 
　　從國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的角度講，我們應(yīng)該緊跟guoji標(biāo)準(zhǔn)化的潮流，加大對IEC標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)、宣傳力度，使更多的人了解guoji現(xiàn)場總線發(fā)展的趨勢。 
　　從現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)角度講，應(yīng)把有限的資金集中在有限的目標(biāo)上，不宜搞太多的現(xiàn)場總線。對一個企業(yè)來講，已經(jīng)投資在哪種總線上，應(yīng)堅持做下去；不宜過多地變換目標(biāo)。 
　　從現(xiàn)場總線的應(yīng)用角度講，我們支持ge種現(xiàn)場總線在我國的推廣應(yīng)用。多種總線的競爭，有利于降低產(chǎn)品價格，有利于加快現(xiàn)場總線在我國的推廣。 
　　筆者認(rèn)為，每種現(xiàn)場總線有自己的適用范圍，在它自己的適用范圍內(nèi)，它是zui好的，出了這個范圍它就不是zui好的。同時，現(xiàn)場總線是一種正在發(fā)展中的技shu，迄今尚未有一種現(xiàn)場總線可稱是 的。每一種現(xiàn)場總線都處在不斷地完善過程中，今天存在的問題明天可能就克服了。 
　　從“九五”起，我國政府開始投資支持現(xiàn)場總線的開發(fā)。這期間guo家機(jī)械工業(yè)局、教育部和中科院組織力量對HART、FF等現(xiàn)場總線展開研究和開發(fā)。到現(xiàn)在已經(jīng)取得了階段性成果，HART儀表已經(jīng)開始批量試用，F(xiàn)F儀表也即將投入試用。此外還有一些企業(yè)自籌資金開發(fā)現(xiàn)場總線。但是總的來說暫時還不能滿足廣大用戶的要求。 
　　國內(nèi)企業(yè)要推廣現(xiàn)場總線產(chǎn)品，目前的主要困難是：①產(chǎn)品尚不成熟；②擴(kuò)充和配齊品種規(guī)格所需的開發(fā)力量（資金和人才）不足；③市場開發(fā)的投入不足。因此國內(nèi)企業(yè)應(yīng)歡迎國外企業(yè)在我國開發(fā)市場和推廣應(yīng)用�，F(xiàn)場總線的市場打開后，國內(nèi)企業(yè)銷售產(chǎn)品會輕松得多。 
　　現(xiàn)在要使用現(xiàn)場總線，客觀地說不得不用外國的產(chǎn)品。但是關(guān)于總線的無休止?fàn)幷撌褂脩魺o法判斷到底應(yīng)該用哪一種現(xiàn)場總線。因此現(xiàn)在這種爭論已經(jīng)開始阻ai現(xiàn)場總線在我國的發(fā)展。 
　　我們認(rèn)為推動我國現(xiàn)場總線發(fā)展的捷徑是，供助外國公司的力量，大力推動現(xiàn)場總線的應(yīng)用。 
　　對于選哪種現(xiàn)場總線，我們建議選確實降低系統(tǒng)成本的現(xiàn)場總線。因為是否確實能降低系統(tǒng)成本是一種現(xiàn)場總線是否成熟、是否適合所針對對象的一個明顯標(biāo)志。 
　　由于現(xiàn)在尚無全能的現(xiàn)場總線，因此我們建議在系統(tǒng)的不同部分選不同的現(xiàn)場總線，即在系統(tǒng)的每個部分都選zui適合的現(xiàn)場總線。前面已經(jīng)談到，位式現(xiàn)場總線相當(dāng)便宜，fei 常適合傳遞開關(guān)量信息。因此當(dāng)過程控制系統(tǒng)中有較多的開關(guān)量時，應(yīng)該在系統(tǒng)中增加一條位式現(xiàn)場總線。 
三、現(xiàn)場總線應(yīng)用工程的發(fā)展趨勢  
1、通過應(yīng)用技shu發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)勢  
現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)越性很多，主要突出它的哪一種優(yōu)點 
　　我們認(rèn)為shou先要突出現(xiàn)場總線降低系統(tǒng)投資成本和減少運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)點。這一點很重要，有了這一基本思想，在進(jìn)行總線類型的選擇和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，就會有明確的方向。 
　　但是，現(xiàn)場總線的這項優(yōu)點能否發(fā)揮，與應(yīng)用者是否合理地使用現(xiàn)場總線、充分發(fā)揮它的潛能有關(guān)。  
2、不同類型的現(xiàn)場總線組合更有利于降低成本  
表1（略）列出了不同類型現(xiàn)場總線的簡單比較，針對不同的情況選用不同的總線可以zui大限度地降低系統(tǒng)成本。 
　　從表1可以看到，位式總線的能力很有限，用位式總線作為大型系統(tǒng)的信息傳輸主體是不可能的。但是它在成本，速度等方面的優(yōu)勢又是其它高層次總線無法替代的。因此它常常與其它總線混合使用。 
　　用戶可能會擔(dān)心，用了多種現(xiàn)場總線，會使整個系統(tǒng)的操作、管理變得復(fù)雜。實際現(xiàn)在一些通用的人-機(jī)界面軟件，都支持多種現(xiàn)場總線，因此到人-機(jī)界面這一層，不同總線的區(qū)別對使用者來說是不大的。   
3、現(xiàn)場總線的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化   
一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線和儀表后，可以從現(xiàn)場得到更多的診斷、維護(hù)和管理信息�，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量大大增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大ti gao線纜傳輸信息的能力、減少多余信息的傳遞。另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機(jī)房之間的信息往返。 
　　如果jinjin把現(xiàn)場總線理解為省掉了幾根電纜，是沒有理解到它的實質(zhì)。信息處理的現(xiàn)場化才是化儀表和現(xiàn)場總線所追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)場總線不同與其它計算機(jī)通信技shu的標(biāo)志。   
4、網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計   
一般控制系統(tǒng)也有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重點是從物理形態(tài)上考慮通信網(wǎng)絡(luò)和輸入、輸出線纜網(wǎng)絡(luò)的布置。 
　　前面提到許多現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)是線形的，每一組網(wǎng)段上的節(jié)點數(shù)是有限制的。由于網(wǎng)段上的節(jié)點數(shù)較少，因此除考慮網(wǎng)絡(luò)的物理布置之外，還要考慮減少信息在網(wǎng)絡(luò)上的往返傳遞。 
　　減少信息的往返傳遞是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常�？蓭�來改善系統(tǒng)響應(yīng)時間的好處。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點，放在同一條支路里。例如多回路調(diào)節(jié)中，一個調(diào)節(jié)回路的節(jié)點應(yīng)盡量放置在同一條支路里。   
5、系統(tǒng)組態(tài)傻瓜化   
現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會稍有差別，但一個網(wǎng)絡(luò)支路上有許多功能類同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。 
　　考慮這個問題的原則是，盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關(guān)的信息輸出zui多的那臺儀表上的功能塊。 
　　目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復(fù)雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，如果不是對現(xiàn)場總線fei 常熟悉，很難將系統(tǒng)設(shè)置到理想狀態(tài)。顯然，廣大用戶對這種狀態(tài)不滿意。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的制造商也正在努力，以使系統(tǒng)組態(tài)逐步傻瓜化。 
　　現(xiàn)場總線的發(fā)展很快，我國在現(xiàn)場總線的開發(fā)和應(yīng)用方面都緊跟了世界潮流，其發(fā)展速度超出預(yù)料。我們希望政府和企業(yè)應(yīng)拿出更多的資金，投入這一領(lǐng)域，這是大有希望的事業(yè)。