現(xiàn)場總線在工業(yè)中得到了極大的發(fā)展，但同時也存在一些我們應(yīng)該注意的問題。隨著現(xiàn)場總線的應(yīng)用，以太網(wǎng)在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用也有了很大的提高，這也是我們現(xiàn)在應(yīng)該關(guān)注的。 一、現(xiàn)場總線的特點(diǎn) 現(xiàn)場總線有以下幾個特點(diǎn)： 可互操作性與可互換性 開放性 全數(shù)字化 雙向通信 智能化的現(xiàn)場儀表 二、現(xiàn)場總線有哪些好處 可以減少1/2～2/3隔離器、端子柜、I/0卡件、I/0文件及I/0柜子；這樣就節(jié)省了I/0裝置及裝置室的空間； 由于免去了D/A及A/D變換，使精度可以從0.5%提高到0.1%； 減少電纜的用量，費(fèi)用以節(jié)省66%或更多； 可以產(chǎn)生先進(jìn)的、智能化現(xiàn)場儀表，如多變量變送器和執(zhí)行器等，使維修預(yù)報(bào)成為可能； 可以將Pro功能植入到變送器或執(zhí)行器中去，大大縮短控制周期?？梢詮腄CS的每秒調(diào)節(jié)2次～3次增加到每秒調(diào)節(jié)10次～20次，改善調(diào)節(jié)性能； 免除主機(jī)入口處的“瓶頸”現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性；同時也可使主機(jī)騰出手來從事優(yōu)化等工作以提高效益； 組態(tài)簡單，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡便； 用戶可以自己擇優(yōu)選擇，達(dá)到最佳集成。 三、現(xiàn)場總線的局限性 現(xiàn)場總線固然會給用戶帶來效益，但它還終究處于企業(yè)網(wǎng)的最低層，局部雖有效益，但有時卻不能為企業(yè)帶來整體效益。因此，現(xiàn)場總線必須與企業(yè)管理自動化（如采用ERP一）相結(jié)合。也就是所謂的管控一體化。 四、應(yīng)用現(xiàn)場總線應(yīng)注意的若干問題 現(xiàn)場總線既然有眾多的優(yōu)點(diǎn)，而且已日益受到人們的重視，有的已開始應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用中還有許多應(yīng)該注意的問題，大致情況如下： 1. 開放性 開放性是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一，用戶喜歡開放式的系統(tǒng)，在全世界范圍內(nèi)，其中不乏價廉物美、性能優(yōu)越、服務(wù)周到的產(chǎn)品，用戶可以擇優(yōu)選擇從而達(dá)到最佳的集成。由于傳統(tǒng)的DCS或PL屬于封閉式的系統(tǒng)，而新一代的FCS（Fieldbus C0ntmlSvstem）屬于開放式的系統(tǒng)，因此它一出現(xiàn)，便受到廣大用戶的青睞。但值得注意的是：各種現(xiàn)場總線本身雖然是開放的，但不同種類現(xiàn)場總線之間卻是不開放的。 2. 國際標(biāo)準(zhǔn)方面 標(biāo)準(zhǔn)的制定可以推動生產(chǎn)力的發(fā)展，保護(hù)制造廠商和用戶的利益，但以前標(biāo)準(zhǔn)的變動給我國的儀表制造商、設(shè)計(jì)院和廣大用戶帶來了極大的不便，也使我們遭受了一定的損失，所以我們一定要注意標(biāo)準(zhǔn)的變化。目前現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)已有12種之多，而且還有增加的趨勢，至于世界各國，各個大型廠商的標(biāo)準(zhǔn)更多。這種現(xiàn)象不但是空前的，而且也是極不正常的，造成的后果是不論制造廠商也好，用戶也好，面對眾多的標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時往往感到困惑而無所適從。所以說，多標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上是沒有標(biāo)準(zhǔn)。 3. 互操作性 互操作性（intemperable）是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的又一特點(diǎn)，但不同種類現(xiàn)場總線之間是不可互操作的，雖然他們可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行相互訪問，或者通過PC（OLE for Process C0ntml）J7協(xié)議進(jìn)行互操作，但這種互操作只能在各自的主機(jī)間進(jìn)行，不能在彼此的現(xiàn)場儀表之間直接進(jìn)行。也就是說甲種現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表不能與乙種現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表直接進(jìn)行互操作，而甲種現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表必須先通過自己的主機(jī)，再借助于OPC協(xié)議到達(dá)乙種現(xiàn)場總線的主機(jī)，再下達(dá)到乙種現(xiàn)場總線現(xiàn)場儀表的目的地。反之亦然。這種互操作必須通過上述的曲折途徑才能實(shí)現(xiàn)，這對于實(shí)時控制（real time control）所要求的實(shí)時性來講，顯然是不能滿足的，因此也是沒有實(shí)際意義的。 4. 時間的確定性 各種現(xiàn)場總線的通信方式也不完全相同，主要有二種形式。主一從（master—slave）式和廣播式，各有其特點(diǎn)。但在時間的確定性（time deterministic）上，嚴(yán)格地講是有區(qū)別的，尤其對于那些特殊對象，是非常敏感的，例如發(fā)電廠對時間上的確定性，就有嚴(yán)格的要求。但是主從式現(xiàn)場總線對于時間上的確定性先天上就有所不足，所以有的主從式現(xiàn)場總線也在采取措施以彌補(bǔ)其不足，如采取軟件的辦法，在首發(fā)偏離的參數(shù)上進(jìn)行時間上的鎖定等。這也是我們應(yīng)特別注意的問題。 5. 冗余問題 用于過程控制的現(xiàn)場總線FF HI和Pmfibus—PA都是沒有冗余的。按照現(xiàn)場總線的設(shè)計(jì)思想，低速部分是不需要冗余的，但對于某些行業(yè)，某些對象在安全方面有特殊要求的部位確實(shí)是需要冗余的；也有些企業(yè)由于國情或企業(yè)文化存在著差異，或者曾經(jīng)發(fā)生惡性事故的企業(yè)，往往也會提出不同程度的冗余要求。那么我們就要對沒有冗余的現(xiàn)場總線采取一些特殊的處理來保證企業(yè)所要求的冗余，這樣就會增加企業(yè)費(fèi)用，增加企業(yè)負(fù)擔(dān)。 6. 示范工程 我們都知道工程技術(shù)是實(shí)踐技術(shù)，在應(yīng)用中是不允許失敗的。因此示范工程對工程設(shè)計(jì)來講十分重要。當(dāng)然在設(shè)計(jì)時也不能生搬硬套，必須根據(jù)國情和工程的實(shí)際情況，通過調(diào)查研究，學(xué)習(xí)消化和吸收提高?？梢杂脻u進(jìn)的辦法，先在外圍或者輔助設(shè)施上，進(jìn)而在主機(jī)不太關(guān)鍵的部位上采取措施進(jìn)行試驗(yàn)，取得成功后再逐步擴(kuò)大，但是這需要時間?？傊?，示范工程是重要的，遺憾的是像樣的、具有說服力的現(xiàn)場總線大型示范工程至今還沒有看到過。 7. 工程造價問題 目前國內(nèi)用戶對硬件的價格比較敏感，而對軟件的費(fèi)用則往往注意不夠。在國外，硬件方面FCS與DCS的費(fèi)用可能持平或略高，但在工程設(shè)計(jì)和工程的安裝、調(diào)試和開車費(fèi)用方面則要低得多，因此綜合來講，總的費(fèi)用要低。在國內(nèi)，進(jìn)口硬件的費(fèi)用要高很多，但國目前人工費(fèi)用低，所以工程設(shè)計(jì)、管理、安裝和調(diào)試等費(fèi)用遠(yuǎn)比國外為低。所以在應(yīng)用現(xiàn)場總線時我們要時刻注意其造價走勢。 8. 效益問題 就現(xiàn)在國內(nèi)情況而言，應(yīng)用的現(xiàn)場總線基本上都是小系統(tǒng)，可效益還是很顯著的。但就現(xiàn)場總線的本質(zhì)而言，系統(tǒng)越大，效益越顯著。我國現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)都是舊廠改造，現(xiàn)場總線還與老式的模擬儀表相混用，大大提高工藝，所以所得效益不能全歸現(xiàn)場總線的使用，工藝和管理上的改進(jìn)也是主要方面。 9. 先進(jìn)技術(shù)的采用問題 先進(jìn)技術(shù)是發(fā)展生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，采用先進(jìn)技術(shù)以后，能為企業(yè)創(chuàng)造效益，但需要提醒的是采用先進(jìn)技術(shù)需要一些必要的前提條件，不能盲目。歷史的經(jīng)驗(yàn)值得注意，自20世紀(jì)80年代引進(jìn)的DCS，大部分只發(fā)揮了約30%的功能即為一例。我們知道先進(jìn)的自動化技術(shù)的主要目的是以最少的投人獲得最大的產(chǎn)出。因此，作為一個自動化的工程設(shè)計(jì)人員切不可單純地為先進(jìn)而先進(jìn)，為現(xiàn)場總線而現(xiàn)場總線，一定要注意實(shí)際情況。 10. 要密切注意現(xiàn)場總線及其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展 現(xiàn)場總線目前雖然已有12種國際標(biāo)準(zhǔn)，但它在繼續(xù)發(fā)展或改進(jìn)。世界上較大的企業(yè)都在致力于現(xiàn)場總線的研究，并不斷地對現(xiàn)有的現(xiàn)場總線進(jìn)行改進(jìn)。如將以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場總線，由于以太網(wǎng)過去僅適用于辦公室自動化，如今要用于工業(yè)現(xiàn)場，還有不少難題尚待去解決，如要滿足工業(yè)控制要求的實(shí)時性，工業(yè)環(huán)境下的抗電磁干擾性、抗震性、耐高溫性、耐高濕性、防塵性和需向現(xiàn)場儀表供電的問題以及危險(xiǎn)時所要求的防爆性等，問題雖然不少但全世界大型企業(yè)都在進(jìn)行研究。所以我們要時刻搜集最前沿的信息，跟上現(xiàn)場總線的發(fā)展進(jìn)程，及時對我們的工作做出部署。 11. 一專多能 現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合，牽涉到三個不同的學(xué)科；另外熟悉工業(yè)控制過程和某些行業(yè)工藝過程的制造廠結(jié)合信息技術(shù)以后，推出了EIC集成化系統(tǒng)、APC先進(jìn)過程控制系統(tǒng)等產(chǎn)品，同時一些計(jì)算機(jī)制造公司與一些軟件公司則借其長于信息技術(shù)的優(yōu)勢千方百計(jì)地往下滲透，推出了基于PC（PC based）的控制系統(tǒng)、軟PLC（soft PLc）和虛擬儀表等。這一上一下的兩種趨勢必然會在企業(yè)自動化系統(tǒng)內(nèi)有一個交匯點(diǎn)，而這個交匯點(diǎn)處于動態(tài)變化之中，要掌握這個交匯點(diǎn)是重要的，但也是很不容易的，因?yàn)楸仨毩私怆娍亍x控、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，而在應(yīng)用時還須熟悉生產(chǎn)對象的工藝過程和對象的動態(tài)特性和管理技術(shù)。所以我們必須盡可能的來了解更多的知識和應(yīng)用，盡可能的達(dá)到一專多能。 五、以太網(wǎng)及其通信特點(diǎn) 以太網(wǎng)（Ethemet網(wǎng)絡(luò)）最初出現(xiàn)于1975年。目前主要有快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，還有千兆以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。以太網(wǎng)以前主要應(yīng)用于辦公自動化，在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用還不多。以太網(wǎng)的主要通信特點(diǎn)是隨機(jī)接人、載波偵聽、碰撞檢測和沖突競爭。目前通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802_3使用了CSMA/CD（帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接人）傳輸協(xié)議。根據(jù)該傳輸協(xié)議，任何需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)首先要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)繁忙時監(jiān)聽，網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中繼續(xù)監(jiān)聽，檢測到?jīng)_突時立即停止發(fā)送并發(fā)出一個強(qiáng)化沖突的干擾信號，通知所有節(jié)點(diǎn)此時的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生沖突，此時沖突各方主動退避隨機(jī)等待一段時間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)沖突主要有兩個來源：（1）網(wǎng)絡(luò)空閑多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)造成的沖突；（2）節(jié)點(diǎn)傳輸延遲造成的沖突。因此，工業(yè)控制中采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)時將不可避免地造成沖突。這種沖突隨著通信負(fù)荷的上升而急劇增加，而在低負(fù)荷下則很少。更為嚴(yán)重的是，從純理論角度講標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)有可能出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，即某些節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)可能得不到傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會。 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)還具有傳輸不確定性的特點(diǎn)，即任何變量都不能完全確保在合適時間內(nèi)發(fā)送成功。除此之外，為了分辨無效幀，以太網(wǎng)還有可能造成帶寬浪費(fèi)；不符合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求；不具備本質(zhì)安全性能；不能通過信號線向現(xiàn)場儀表供電等缺陷，因此以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域方面的應(yīng)用很有限。 六、交換式以太網(wǎng)及其發(fā)展 交換式以太網(wǎng)是根據(jù)提高以太網(wǎng)的傳輸效率，盡可能的減少總線競爭這個思想開發(fā)出來的新型以太網(wǎng)。它采用星形布線方式，所有節(jié)點(diǎn)都分別連接到一個交換式集線器的端口上，交換式集線器內(nèi)置一個復(fù)雜的交換陣列，任何兩個端口之間都可以建立起一個傳輸信道，以標(biāo)稱傳輸速度、傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是不存在總線競爭，能顯著的提高系統(tǒng)的傳輸效率。缺點(diǎn)不易控制最大傳輸時延。為了促進(jìn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（Industrial Ethemet Association），并積極開展了工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。為解決以太網(wǎng)在無間斷過程工業(yè)領(lǐng)域的極端條件下穩(wěn)定工作，世界上一些大型企業(yè)專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器系列、集線器系列和交換機(jī)系列，它們安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電；接插件采用牢固的DB一9結(jié)構(gòu)。 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)必須在確定的時間內(nèi)到達(dá)目的地，此即所謂網(wǎng)絡(luò)的時間確定性。如PID調(diào)節(jié)器通過網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場變送器收集數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算，為了實(shí)時實(shí)現(xiàn)PR）調(diào)節(jié)，各調(diào)節(jié)回路需要有非常一致的采樣時間，而且這些時間必須是確定的。對于這樣的實(shí)時控制，通常要求網(wǎng)絡(luò)的時間延遲小于2 ms～4ms。長時間的通信將惡化對象特性，使控制系統(tǒng)品質(zhì)下降。由于以太網(wǎng)時問的不確定性，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線采用一種稱作連接裝置（Linking Device）的類似帶有開關(guān)的集線器結(jié)構(gòu)，很好地解決了以太網(wǎng)的時間確定性問題。 美國電氣工程師協(xié)會（IEEE）正著手制定現(xiàn)場裝置與以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)能夠使網(wǎng)絡(luò)直接“看到”對象（0bject）。這為以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制現(xiàn)場打下了基礎(chǔ)。目前，現(xiàn)場總線系統(tǒng)如Profihus，DeviceNet，C0ntmlnet和LJonworks等都打算使用以太網(wǎng)。一些大公司正在研究通過一種稱作管道（tunnel）的簡單傳遞機(jī)構(gòu)使用以太網(wǎng)絡(luò)傳送報(bào)文。這種方法簡單可行，現(xiàn)場裝置保持不變，僅需要一個專用的以太網(wǎng)絡(luò)接口取代原來的總線驅(qū)動器就可完成與以太網(wǎng)的連接。過去，一些生產(chǎn)PLC為主的公司都使用以太網(wǎng)完成信息級通信，其中西門子公司的SLMATIC NET則將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到車間級，該公司有著將工業(yè)以太網(wǎng)向下層通信應(yīng)用的趨勢。此外，生產(chǎn)DCS公司的投入促進(jìn)了將以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于過程自動化的監(jiān)控級，如Foxbor0公司將以太網(wǎng)用于Modbus。由此可以預(yù)見，像當(dāng)年代機(jī)進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域一樣，以太網(wǎng)/IP將會十分迅速地進(jìn)人工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。 七、以太網(wǎng)通信的發(fā)展lPv6簡介 互聯(lián)網(wǎng)使用初期制定的IP地址方案（IPv4）由四組數(shù)據(jù)組成。隨著以太網(wǎng)/IP的通信在工控和管理的應(yīng)用，將引起IP地址的重復(fù)或不足。為解決IP地址“升位”的問題，IEEE在90年代早期開始了一些嘗試，第一個成果是在1995年出版的RFC l 752 （RFC Requests for Comments），描述了稱為下一代FP （LP Next Generation。IPNG）的要求，并在一些輔助性文件中描述了新協(xié)議的報(bào)頭、路由、地址以及安全性方面的特征。以后出現(xiàn)了更多的RFC，例如RFCl883，并且該協(xié)議已被官方重新命名為“Internet協(xié)議版本6”（Intemet pr0．tocol version 6，IPv6）。 在IPv6上增加的內(nèi)容中值得關(guān)注的幾點(diǎn)是： 它提供更大的地址空間，IPv6地址有128字節(jié)長； 它通過路由器提供更快的IPv6報(bào)頭處理，并且報(bào)頭也變長了（IPA是20節(jié)，IPv6是40字節(jié)）。大多數(shù)不用路由器處理的選項(xiàng)被移入單獨(dú)的擴(kuò)展報(bào)頭中； 它定義了LP數(shù)據(jù)包提供身份驗(yàn)證、保密集成的機(jī)制。 它為應(yīng)用程序提供了一種標(biāo)記IP數(shù)據(jù)包的方法，該數(shù)據(jù)包需要特殊處理。使用此版本的典型應(yīng)用程序包括多媒體應(yīng)用程序和實(shí)時應(yīng)用程序。IPV6地址的長度為128，一個節(jié)點(diǎn)能有多個接口因此就有多個IP地址。一個接口也能有多個IP地址。IM提供的地址類型有三種：單點(diǎn)傳送地址、多點(diǎn)傳送地址和任意點(diǎn)傳送地址。IPv6為動態(tài)IP分配提供了兩種機(jī)制：一種與“動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議”相似，在這種機(jī)制中，客戶向配置服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器從預(yù)配置池中取出一個值賦給它，也把這種方法稱為“用狀態(tài)配置”。服務(wù)器保持狀態(tài)信息并在限定的時間內(nèi)把地址租給用戶，用戶能夠重新租用地址，如果有足夠的地址，客戶將分配到與上次相同的地址。第二種機(jī)制是一個“無狀態(tài)”機(jī)制。在這種機(jī)制下，客戶通過使用像“以太網(wǎng)”卡地址這樣的標(biāo)識符來生成IP地址。一個IM主機(jī)可能沒有代碼來分辨地址類型。另一方面，一個IPv6路由器可能完全理解不同的地址類型，并且根據(jù)不同的地址類型采取不同的行動。 總之通過認(rèn)識現(xiàn)場總線應(yīng)用應(yīng)注意的問題，并理解以太網(wǎng)通信原理，相信我們可以很好地將現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)結(jié)合起來，更好的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制中。