現(xiàn)場總線應用的價值取向及它與工業(yè)以太網(wǎng)的互補
2004年PROFIBUS Trade Organization（PTO）和DeviceNet的國際組織ODVA都舉辦了成立10周年的慶典。PROFIBUS用戶組織PNO還宣布PROFIBUS的安裝節(jié)點突破了1 000萬個。這兩種在離散制造業(yè)系統(tǒng)占主導地位的現(xiàn)場總線，以及其它一些也占有相當離散市場份額的總線如CC-Link、Interbus等，都還是屬于經典的遠程I/O系統(tǒng)的升級換代，以適應分散的I/O系統(tǒng)由板卡或端子排向進一步的單個現(xiàn)場設備或單點I/O的分散。正因為如此，這一類的現(xiàn)場總線的應用推廣相對比較容易，用戶一般都是持支持態(tài)度，接受程度很高。這一類的現(xiàn)場總線已安裝的節(jié)點都在好幾百萬個的數(shù)量級。
另外一類現(xiàn)場總線是從過程控制領域的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展過來的，主要以基金會現(xiàn)場總線FF為代表。據(jù)悉，F(xiàn)F的安裝量已超過30萬個節(jié)點，雖遠少于上述那類的現(xiàn)場總線，不過，近年來，以每年增長12.5萬個節(jié)點的速度在發(fā)展[1]。這種現(xiàn)場總線的特征是：它不但具有基本的現(xiàn)場通信能力，還具有基本的檢測和控制算法和功能，并能提供對現(xiàn)場設備進行診斷、管理的必要信息。可以說這是它最關鍵的技術跨越，也是構成它大部分優(yōu)點的基礎。由于它和現(xiàn)行的系統(tǒng)（如DCS）、現(xiàn)場設備，從業(yè)經驗有質的差別，導致不少人持觀望、懷疑或等待的態(tài)度。
由于FF是以一種全新的技術面貌出現(xiàn)的，而在當初介紹宣傳現(xiàn)場總線時，也許是因為這類現(xiàn)場總線還處在它發(fā)展的早期階段，人們對它的認識還比較表面，沒有突出它的本質所在，因而許多人都認為FF和其它現(xiàn)場總線一樣，可在節(jié)省電纜、節(jié)省接線人工和時間方面帶來不錯的經濟利益。一旦了解到帶FF的現(xiàn)場儀表（變送器、執(zhí)行器等）價格遠較一般的現(xiàn)場儀表昂貴（這也許是因為各種FF的現(xiàn)場儀表的生產數(shù)量還不夠大），又看到或聽到有些較早使用FF的項目投運以后暴露出一些問題，就誤以為FF不足為道，還是用帶HART的現(xiàn)場儀表來得可靠實惠。實際上有些設計院的自控設計人員就持這一種觀點。
其實，HART只是現(xiàn)場儀表邁向分散型數(shù)字通信現(xiàn)場總線儀表的過渡技術，它是一種較為簡單、能同時提供DC 4~20mA模擬量輸出和數(shù)字式輸出信號，但很適合從DCS系統(tǒng)延伸的通信協(xié)議?，F(xiàn)在已安裝了1400萬個HART現(xiàn)場儀表，據(jù)預測在2002至2010年期間的增長率有望達到5%[1]。事實上，這幾年來HART儀表的制造和應用在國內發(fā)展很快，很受用戶和設計院的青睞。不僅在國內，就是在工業(yè)發(fā)達國家，HART技術的發(fā)展仍很健康：用戶已廣泛接受符合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，很快會被其它現(xiàn)場總線所取代。HART 6.0將原來1200bps的通信速率提高到9600bps，容許在同一根雙絞線網(wǎng)段上掛15個HART設備。除此而外，還開發(fā)了一個數(shù)字通信通道，擴充了HART傳輸?shù)男畔热?，增加了對現(xiàn)場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(tǒng)的信息集成。主要的改進有：在設備變量狀態(tài)方面，改進指令9使它可輪循訪問現(xiàn)場設備，各設備分別響應這個指令，這樣便于進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簡單的機制，用以定義與過程相關變量的數(shù)目和類型。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是第一個創(chuàng)造性地提出和應用設備描述語言（DDL）的通信技術。PROFIBUS和FF均使用了這一概念和技術。電子設備描述語言（EDDL）是一種文本語言，用來描述設備參數(shù)的顯示特性，還包括復雜設備參數(shù)的算法關系、長時效保存的數(shù)據(jù)和實時性等內容。它符合IEC 61804-2標準。FF、HART通信基金會（HCF）和PNO正在共同努力以增強EDDL的性能。
總而言之，關于現(xiàn)場總線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(xiàn)問題，積累經驗，尋找盡可能完善的解決方案，更深入地發(fā)掘現(xiàn)場總線的潛力。各個現(xiàn)場總線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，F(xiàn)F組織繼2003年12月出版了《基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)應用指南》后，又在2004年出版了《基金會現(xiàn)場總線應用指南31.25Kbit/s本質安全系統(tǒng)》，接下來還要出版有關HSE（高速以太網(wǎng)）的工程應用指南。據(jù)悉，PROFIBUS的推廣應用組織也有類似的出版物。
2 用信息化技術改造現(xiàn)場設備是現(xiàn)場總線的價值所在
正確認識現(xiàn)場總線的發(fā)展前景，應該首先澄清什么是現(xiàn)場總線推廣應用的原動力？FF最適宜用于什么樣的過程控制系統(tǒng)？PROFIBUS用于哪些工業(yè)部門最合適？
2004年5月，美國ARC咨詢集團發(fā)表白皮書[2]指出：“雖然使用現(xiàn)場總線可以節(jié)省安裝和工程成本，但最大的利益還是體現(xiàn)在生產裝置投運之后長期的維護和運行中?！?BR> 知名專家斯可克教授說過：“通過十幾年的討論和實踐，大家逐漸認識到用信息化技術改造現(xiàn)場設備是現(xiàn)場總線的靈魂，而不僅僅是節(jié)省了電纜等表層的優(yōu)點。所以，用戶對系統(tǒng)底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現(xiàn)場總線技術推廣的原始動力[3]?！?BR> (1) 控制因素。為什么說控制算法和功能放在現(xiàn)場設備中會發(fā)生控制品質的質的變化呢？在調節(jié)閥的閥門定位器內實現(xiàn)回路控制，其控制的動態(tài)性能顯然優(yōu)于在多功能控制器中實現(xiàn)回路控制[4]。因為用PID算法對閥桿定位執(zhí)行內環(huán)控制，就地補償了滯回，再在外環(huán)對調節(jié)閥執(zhí)行串級調節(jié)。閥門定位誤差對內環(huán)控制回路的直接反饋，可消除由于閥門定位誤差造成的積分飽和，從而穩(wěn)定外環(huán)控制回路。再加上動態(tài)性能的改善，這二者的綜合效果使得回路控制更為穩(wěn)定。在此基礎上進行設定值優(yōu)化，獲得平穩(wěn)操作肯定會取得效益。這就是說，只有當調節(jié)閥的閥門定位器支持FCS的系統(tǒng)結構時，真正意義的優(yōu)化控制才是可行的。實現(xiàn)這種控制策略的前提是，閥門定位器能提供至少兩個PID功能塊讓系統(tǒng)工程師進行組態(tài)。
圖1 現(xiàn)場總線技術大大提高工廠運行診斷的能力
(3) 管理因素。包括對現(xiàn)場儀表在內的設備進行資產管理是用信息化改進工業(yè)管理的一種有效途徑。由于現(xiàn)場總線儀表的設備描述文件存儲了該儀表的基本參數(shù)信息，人們得以知道生產廠商、型號、硬件和軟件的版本等一系列對這些設備進行管理的基礎信息。另外，通過現(xiàn)場總線儀表提供的運行信息和診斷信息，為實時降低成本和消耗，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(xiàn)在看來，只有在中大規(guī)模的連續(xù)流程的過程控制系統(tǒng)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，盡管國內已安裝和投運了數(shù)以百計的FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)，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(xiàn)場設備的不足和因經驗少而導致工程設計的缺陷。任何新技術的成熟應用都會有一個過程，出現(xiàn)一些非致命性的問題并不足為奇，反而可以根據(jù)問題的所在加以分析改進。
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(xù)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工廠中既有連續(xù)流程又有離散流程的稱之為混合型工業(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(xiàn)場總線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)議既滿足離散過程控制PROFIBUS-DP的要求，又能用PROFIBUS-PA滿足連續(xù)過程控制的諸多要求（總線供電、本安防爆等）。此外，還有PROFIdrive的行規(guī)可滿足交流驅動或伺服驅動的同步要求，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。以上這些滿足不同要求的現(xiàn)場總線技術都共享同一個通信棧協(xié)議，使這些行業(yè)的用戶只用一種現(xiàn)場總線就能解決控制系統(tǒng)的各種要求。甚至已廣泛使用的HART現(xiàn)場儀表，也可以用PROFIBUS HART規(guī)范使HART的客戶—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來作透明的傳輸[2]。顯然，在混合型工業(yè)應用PROFIBUS更加凸現(xiàn)其獨特的價值。
3 工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的相互補充[6]
當從傳輸速率、傳輸距離、本質安全、無須有源交換式設備而能在同一條通信電纜上連接多個設備的能力等方面來審視，發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線是相互補充的。對處在現(xiàn)場層的儀表設備有著其獨特的、以太網(wǎng)難以滿足的要求，而現(xiàn)場總線恰恰具有這些特性，這就構成了它們之間的理想的互補。
現(xiàn)場總線只有中等適當?shù)膫鬏斔俾?，這是因為現(xiàn)場總線用來實現(xiàn)現(xiàn)場層的儀表和設備的通信，一般每個節(jié)點內不斷在刷新的變量只有一個或兩個，而其它要監(jiān)視的信息通常都不要求頻繁地去觀察。而在較高的層次，控制器或鏈接設備要對來自許多變送器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)進行綜合或組合處理，以太網(wǎng)的高傳輸速率和高帶寬便是通信網(wǎng)絡的適當選擇。要求一些像變送器、接近開關等小小的設備配備在100Mbps處理TCP/IP通信棧的能力，是沒有必要的。這就是現(xiàn)場總線只要適中的傳輸速率和較為簡單的通信棧的理由。
(1) 多節(jié)點。以太網(wǎng)每連接一個節(jié)點設備就要用一根電纜，還要求有源的交換式集線器。當在一個中大型工廠中有成百上千個變送器、傳感器和執(zhí)行器要聯(lián)網(wǎng)，用這種網(wǎng)絡連接，顯然會變得昂貴和難以維持。但在此低級別，現(xiàn)場總線可以方便而高效地把儀表連接起來，用一根電纜連接好多個現(xiàn)場設備，不用附加有源的交換式集線器。這既減少了電纜和其它硬件，又為連接大量的小節(jié)點不必耗費過多的費用。
(2) 距離。由于分配給每個數(shù)據(jù)包的傳輸時間是有限的，所以在作為中繼的局域網(wǎng)交換式設備之間，如果采用銅線電纜的話其間距不得大于100米。當控制室與現(xiàn)場儀表的距離很長，以太網(wǎng)也許就不能滿足這樣的鏈接要求了。但是，現(xiàn)場總線卻能用一根電纜為控制室與現(xiàn)場儀表之間提供長達2000米的連接；若有必要，通過中繼器還可獲得幾倍長的傳輸距離。當然，以太網(wǎng)可以通過光纜解決幾公里的連接。不過，考慮到要連接的現(xiàn)場節(jié)點的數(shù)量很大的時候，成本過高的因素又會促使人們選擇以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線互補的方案。
(3) 供電問題。目前規(guī)范的以太網(wǎng)并不通過通信電纜集中提供電源。IEEE 802.3af雖然規(guī)定了以太網(wǎng)的集中供電的規(guī)范，但其DC 48V的最低電壓等級并不適用于自動化產品。現(xiàn)場總線則不然，它具有這個功能。這再一次表明這二者之間的互補性。
(4) 本質安全問題。規(guī)范的以太網(wǎng)及其產品不具備本質安全的性能，因而不適合將它們用在有防爆要求的危險I區(qū)。而且在100Mbps執(zhí)行TCP/IP通信棧，需要一定的處理功率，而這又恰恰超過了危險IIC區(qū)的允許范圍。但是，對現(xiàn)場總線來說這不算什么大問題。
(5) 多協(xié)議問題。一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)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(tǒng)，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存取控制層MAC符合標準Ethernet，在傳輸層和網(wǎng)絡層符合TCP/IP，只是在應用層和用戶層有所不同。這就是說，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(tǒng)。這是以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線互補的又一證明。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(xiàn)場總線的可互操作性
IEC 61802給出了關于設備的兼容性的確切定義。圖3和表1描述了控制網(wǎng)絡中由不同制造廠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(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)存取，以及相同的參數(shù)語義、應用功能性。
顯然，以太網(wǎng)和TCP、UDP和IP只不過是在OSI 7層模型中的低層協(xié)議，壓根不是用來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(xiàn)場總線的應用層協(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，F(xiàn)F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(xiàn)場總線的互補，才能實現(xiàn)在一個系統(tǒng)中的可互操作性。
圖3 控制網(wǎng)絡中設備的兼容性邏輯關系
目前出現(xiàn)了許多為解決不同領域的應用而開發(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（如圖4所示 ）。
圖4 工業(yè)以太網(wǎng)往往采用Ethernet的網(wǎng)絡技術，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?shù)膽脤幽繕私Y構以及用戶應用程序。否則，所有有關標定（量程、零點和滿刻度）、診斷、遠程監(jiān)控、連接選擇和傳感器類型等的實現(xiàn)，又變成專用的了。
使用OPC可以實現(xiàn)不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的設備之間交換數(shù)據(jù)，但應該清楚地認識到這種數(shù)據(jù)交換絕非是處于現(xiàn)場層
的數(shù)據(jù)交換，而僅僅是在監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交換?？傊?，以太網(wǎng)具有現(xiàn)場總線所不具備的特性?，F(xiàn)場總線具有的特性以太網(wǎng)又不具備。OPC提供的卻是軟件與軟件之間的數(shù)據(jù)交換，而以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線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，過程值的刷新速率會影響到控制算法。
現(xiàn)場總線屬于設備級的網(wǎng)絡，用一根通信電纜就可以解決供電、本安、多節(jié)點連接和連接距離的問題。以太網(wǎng)是控制系統(tǒng)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，必要時可采用全冗余的網(wǎng)絡結構。不同的工業(yè)以太網(wǎng)設備之間利用OPC來交換數(shù)據(jù)。在生產執(zhí)行層（MES）和經營管理層（ERP）同樣運用以太網(wǎng)網(wǎng)絡。這就構成了如圖5 所示的系統(tǒng)結構圖，圖中還給出了不同的網(wǎng)絡介質和網(wǎng)絡協(xié)議。
圖5 現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)結合成一個完整的系統(tǒng)結構
5 結語
希望通過以上的論述能夠對現(xiàn)場總線應用的價值取向進行重新認識，促使更多的自動化技術工作者去挖掘現(xiàn)場總線的應用潛力，讓現(xiàn)場總線在企業(yè)生產信息系統(tǒng)中體現(xiàn)出更多的價值，真正從生產的最基礎的環(huán)節(jié)開始，用信息技術推動工業(yè)生產的高效、低能耗、長期可靠地運行。
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