現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀 1.現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn) （1）IECTC65（IEC第65技術(shù)委員會(huì)） 1999年底IEC通過的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC1158共有8種類型，2003年有了修訂版，將8種類型增加了2種，達(dá)10種類型，其內(nèi)容如付表所示。 （2）IECTC17（IEC第17技術(shù)委員會(huì)） IEC62026有4中現(xiàn)場總線類型即AS－i（Actuator Sensor－interface執(zhí)行器傳感器接口），主要由Siemens公司支持；DeviceNet（ Rockwell公司）；SDS（Smart Distributed System靈巧式分散型系統(tǒng)）（美Honeywell）；Serilex（串聯(lián)多路控制總線）。 （3）ISO11898與ISO11519 ISO（International Standardization Organization國際化標(biāo)準(zhǔn)組織）亦是制訂國際標(biāo)準(zhǔn)的3個(gè)組織之一。 CAN ISO11898（1Mbit/s） CAN ISO11519（125kbit/s） CAN主要由德國Robert Bosch公司支持。 綜上所述，IEC61158雖有10種類型，但類型1、5、9實(shí)際上都屬于FF，因此可歸納為8中現(xiàn)場總線，加上IEC62026的4種與ISO的1種，共計(jì)有13種現(xiàn)場總線技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)。 2.實(shí)際工業(yè)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn) （1）PAS 由于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展很快，而IEC/TC65在2002年決定，在2007年開始對(duì)現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158進(jìn)行修訂之前，不再增加新的類型，但又考慮到要適應(yīng)市場的需要和技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過相關(guān)成員得悶投票同意（簡單多數(shù)贊成票）而將某些成熟的技術(shù)規(guī)范直接發(fā)布的一種標(biāo)準(zhǔn)化文件PPAS（Publicly Available Specification）,即公共可用規(guī)范。 在2004年1月在法國召開的IEC會(huì)議上，有6種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)申請(qǐng)成為PAS ,這6種是中國的EPA（ Ethernet for Plant Automation主要由浙大中控支持），德國Beckhoff公司的Ether CAT（Ethernet for Control and Automation Technology），日本橫河的V－net，日本東芝的TCnet，歐洲開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會(huì)的IAONA的EPL（Ethernet Powerlink）和法國施耐得的MODBUS TUP（RIPS）。 2005年2月26日經(jīng)過投票表決EPA正式稱為IEC的PAS。有效期為2年。 （2）IEC61784－2 〕IEC61784是“與工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的現(xiàn)場總線有關(guān)的用于連續(xù)和離散制造的行規(guī)集”。它描述IEC61158中規(guī)定的“服務(wù)”集的子集，該子集用于特定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的通信或基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的通信。用這種方法定義的特定的通信行規(guī)（CP）被組合在“通信行規(guī)簇（CPF Communication Profile Family）中并對(duì)應(yīng)于他們?cè)诟髯酝ㄐ畔到y(tǒng)中的使用情況?！? 2004年1月IEC/SC65C在法國召開會(huì)議，會(huì)上規(guī)定起草實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61784－2。它包括IEC61158中規(guī)定的現(xiàn)場總線在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用中的行規(guī)（類型1～9）以及將要發(fā)布的PAS行規(guī)，即CPF作為類型10～15。 2005年12月IEC、SC65C在美國開會(huì)確定了IEC61158新版本（第4版）將以現(xiàn)版本（第3版）為基礎(chǔ)，加入已稱為PAS文件的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案，成為新的IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)討論IEC61158（第4版）將包括14類現(xiàn)場總線技術(shù)，IEC61784中將包括39種通信行規(guī)。 IEC61158的第4版將在2007年投票表決，確定是否成立正式的國際標(biāo)準(zhǔn)。 3.現(xiàn)場總線的應(yīng)用狀況 （）PROFIBUS PROFIBUS非常注意市場的推廣。到2005年為止，PROFIBUS已在世界上安裝了1300萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。占世界上第1位，主要是他的DP，而且PROFIBUS以每年30％的速度在增漲。到2007年將達(dá)到2000萬個(gè)節(jié)點(diǎn)以上。 （2）Interbus 2005年Interbus累計(jì)銷售了750萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。占世界上第2位。主要應(yīng)用于FA領(lǐng)域。 （3）FF 2006年2月28日FF的年會(huì)在上海召開。FF總載Timong在會(huì)上的報(bào)告中提到，F(xiàn)F在全世界已安裝運(yùn)行了60萬臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備和1萬套現(xiàn)場總線系統(tǒng)。特別是上海的Secco90萬t乙烯工程和廣東惠州的80萬t乙烯工程建成，標(biāo)志著FF進(jìn)入了大型工程應(yīng)用的新階段。FF的安全儀表系統(tǒng)（SIS）完成了開發(fā)，得到了TÜV的認(rèn)證。 4.二個(gè)“示范工程” （1）上海賽科（Secco）90萬T乙烯工程 1）概況 ①10套獨(dú)立的工廠，他們是聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯、聚丙烯、芳烴油提、丁二烯和乙烯、甲基丙烯酸甲脂、有機(jī)硅樹脂、丙烯腈、OSBL（公用工程和界外設(shè)施）。年產(chǎn)230萬t。 ②工程總投資：27.48億美元。 ③投資比例：億諾化學(xué)（原為英國石油BP公司）50％；中國石化30％；上海石化20％。 ④工程進(jìn)度：2004年8月啟動(dòng)，2005年6月29日宣布正式投產(chǎn)。 2）自控規(guī)模 ①總回路數(shù)：48200個(gè) ②總位號(hào)：168000個(gè)。 ③現(xiàn)場總線儀表設(shè)備54025臺(tái)，其中FF現(xiàn)場設(shè)備14375臺(tái)，占26.6％。 ④電纜根數(shù)：66000根，其中FF的HI網(wǎng)段2473個(gè)，平均每個(gè)網(wǎng)段上掛5.8臺(tái)FF現(xiàn)場設(shè)備。 ⑤工作站數(shù)目：164個(gè)。 ⑥MD控制站130個(gè)。 ⑦現(xiàn)場接線箱5300個(gè)。 3）主要儀表供貨商（MIV）為Emerson公司 4）中央控制室和外站 ①全廠設(shè)一個(gè)中央控制室，所有生產(chǎn)控制、公用工程及輔助設(shè)備的操作控制和生產(chǎn)管理全部集中。 ②全廠設(shè)15個(gè)外站，分別設(shè)在各生產(chǎn)裝置設(shè)施內(nèi)，除各種控制系統(tǒng)和機(jī)柜外，還有帶工程師屬性的操作站，外站面積在50～300m2之間，全部按防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 ③各外站到中央控制室之間采用雙冗余光纖電纜通信方式傳輸，最長距離約2.5km。 5）自控系統(tǒng)的設(shè)備選型 ①DCS與FCS相結(jié)合：系統(tǒng)框架為Emerson的PlantWeb，采用10套DeltaV。 ②安全儀表系統(tǒng)，HIMA。 ③現(xiàn)場儀表：FF、HART。 6）現(xiàn)場總線的控制方式 基本的調(diào)節(jié)功能原則上放在現(xiàn)場只能閥門定位器中執(zhí)行。 7）HI網(wǎng)段上的設(shè)備數(shù)量 規(guī)定每個(gè)HI要安裝12臺(tái)設(shè)備，色計(jì)為9臺(tái)，實(shí)際平均安裝5.8臺(tái)。 （2）德國尼德豪森電廠 1）概況 尼德豪森電廠位于德國西部，該廠的K機(jī)組采用了熱電聯(lián)產(chǎn)方式，總出力達(dá)到101.2萬kW，該機(jī)組為超超臨界機(jī)組，主汽溫度為580℃，主汽壓力達(dá)到27MPa。由于采用了過程優(yōu)化技術(shù)，整個(gè)機(jī)組的效率達(dá)到了45%。由于采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，號(hào)稱目前全球范圍內(nèi)全面采用數(shù)字化電廠技術(shù)的裝機(jī)容量最大的機(jī)組。 2）工程進(jìn)度2002年12月投入商業(yè)運(yùn)行。 3）供貨商及供貨范圍 西門子。包括DCS、DEH、變送器、智能高中壓配電系統(tǒng)，低壓配電系統(tǒng)、電磁閥、閥門定位器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、MIS、SIS及主控室設(shè)計(jì)。 4）自控規(guī)模 模擬量I/O 2703個(gè)，開關(guān)量I/O 3865個(gè)。智能馬達(dá)保護(hù)裝置721個(gè)，電磁閥670個(gè)、閥門定位器957個(gè)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)698臺(tái)。 5）系統(tǒng)配置：共分3個(gè)層次，即操作管理層、過程控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。操作管理層集成了SIS（監(jiān)控信息系統(tǒng)Supervisory Information System），MIS（信息管理系統(tǒng)）和ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）功能。 現(xiàn)場總線采用PROFIBUS，包括DP與PA，也有部分HAPT儀表。DP總線有20個(gè)雙絞線總線段和40個(gè)光纖總線段。 6）達(dá)到的水平：由于DCS系統(tǒng)中大量采用了PROFIBUS。通過現(xiàn)場總線將智能儀表、高低壓智能保護(hù)裝置接入DCS，同時(shí)現(xiàn)場設(shè)備的管理信息、設(shè)備維修信息等通過現(xiàn)場總線進(jìn)入DCS和上層SIS/MIS軟件，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的優(yōu)化操作及優(yōu)化維修管理，使整個(gè)機(jī)組僅配備一個(gè)操作員。 5、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn) 以太網(wǎng)在信息領(lǐng)域內(nèi)已獲得廣泛應(yīng)用，由于以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)上成熟，軟硬件資源豐富；市場上容易購得；通信速率高，目前已有100～1000M，而且發(fā)展?jié)摿Υ?；價(jià)格便宜；熱已有熟練的經(jīng)驗(yàn)，因此已成功地用于工業(yè)控制領(lǐng)域，當(dāng)然以太網(wǎng)要從條件優(yōu)越的IT環(huán)境下進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，必須采取下列措施：采用優(yōu)質(zhì)元器件及材料；要適應(yīng)機(jī)械環(huán)境（如耐振動(dòng)、耐沖擊）氣候環(huán)境（如溫度要求－40℃～85℃，并要耐腐蝕，防塵與防水）以及適應(yīng)電磁的干擾。這樣價(jià)格就要貴得多，但由于具有優(yōu)越的性能，目前已獲得廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)比較知名的廠商就有德國的赫斯曼，美國的卓越等公司。但目前只在車間一級(jí)的主干網(wǎng)上應(yīng)用。 那么工業(yè)以太網(wǎng)能否在企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)場這一層上獲得應(yīng)用呢？如果能行，那么從企業(yè)的ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），PCS（過程控制系統(tǒng)）層再往下到現(xiàn)場層，實(shí)現(xiàn)e網(wǎng)到底無縫連接豈不更好，但由于以太網(wǎng)所采用的CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測的方法是一種非實(shí)際性，在時(shí)間上不具有確定性的通信方式，不能滿足現(xiàn)場儀表或設(shè)備這一層的通信要求。 但是在采用增加帶寬，提高通信速率（如達(dá)到100M）；降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷（如低于10％）；采用全雙工通信以及采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交換機(jī)以后，就可以滿足實(shí)時(shí)通信和在時(shí)間上具有確定性的通信要求了。因此實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)一下子就熱了起來，目前就有PROFINET和浙大中控的EPA等。但都還不完善（如供電、防爆等）都還有待于妥善解決。 6、儀表安全系統(tǒng)SIS（Safety Instrumented System）成為當(dāng)前的一個(gè)亮點(diǎn) 當(dāng)前安全問題日益得到人們的重視，這是由于生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝日益強(qiáng)化，一旦發(fā)生事故其危害的程度也越大，這些血的教訓(xùn)使我們記憶猶新。為此IEC制定了有關(guān)功能安全的標(biāo)準(zhǔn)IEC61508及有關(guān)流程工業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61511?，F(xiàn)在各大公司紛紛提出了有關(guān)功能安全的產(chǎn)品和措施，一時(shí)成為當(dāng)前的一個(gè)亮點(diǎn)。如PROFIBUS首先推出了PROFIsafe的行規(guī)，Emerson也有了SIS的概念與產(chǎn)品，橫河也推出了PROsafe－RS，浙大中控也有了EPAsafety。這個(gè)潮流正方興未艾。 存在的問題及今后的發(fā)展趨勢(shì) 1.現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)還會(huì)更多 到2007年現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)還會(huì)增加，單以IEC61158而言，由于有IEC61784－2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的加入，其標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)由目前的10種增加到18種。甚至還會(huì)更多。 2.種類雖多，但卻會(huì)此消彼長 SwiftNet將會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)中被刪去而SDS也會(huì)“淡出江湖”；World FIP源自法國的國家標(biāo)準(zhǔn)FIP，過去受到法國大企業(yè)Alstom及Schneider等的支持，但目前Schneider已有了自己的MODBUS－TCP和MODBUS－RTPS，對(duì)World FIP的支持力度將會(huì)下降；SERCOS（Serial Real time Communication System）也一樣，Rockwell由于也有了自己的ConrtolNet/IP，將會(huì)減少對(duì)他的支持力度；而P－NET的前途也堪憂。 3.實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)還會(huì)快速發(fā)展 已有的PROFINET和EPA等將會(huì)不斷完善；而新的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)（RTE）也會(huì)不斷出現(xiàn)。 4.網(wǎng)絡(luò)附件存在著商機(jī) 由于各種現(xiàn)場總線包含今后的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)在內(nèi)將會(huì)同時(shí)并存，因此溝通他們的一些接口，網(wǎng)橋等附件，存在著商機(jī)建議一些中小企業(yè)雨衣關(guān)注。 5.實(shí)時(shí)以太網(wǎng)目前在PA方向存在著薄弱環(huán)節(jié) 目前對(duì)制訂標(biāo)準(zhǔn)防線存在著兩種截然不同的理念，一種是以PROFINET為代表，即先有標(biāo)準(zhǔn)，再有產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)在于可以掌握先機(jī)，擴(kuò)大影響，因此PROFINET首先進(jìn)入IEC61158（第三版）正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。但這里的PROFINET僅是他的CBA是基于組件的自動(dòng)化，這對(duì)莉薩工業(yè)（FA工廠自動(dòng)化）是非常適用的，由于他將生產(chǎn)線的各個(gè)工序做成模塊存儲(chǔ)起來到應(yīng)用時(shí)，選擇各個(gè)模塊再組合起來，的確是既省時(shí)又省錢，用在汽車或飲料生產(chǎn)線上真是得心應(yīng)手非常方便。但是如要應(yīng)用于連接工業(yè)PA過程自動(dòng)化時(shí)，特別是以熱交換為特征的生產(chǎn)過程就存在著問題。以煉鐵的高爐為例，其理化反應(yīng)十分復(fù)雜，至今尚未完全掌握其機(jī)理，很難用數(shù)學(xué)模型予以精確的描述，做成組件也難。因此在PA方面存在著薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)悉西門子成立了專門小組以從事PA方面的研究。 而非常適用于PA的FF，卻是另外一種理念，即只有當(dāng)FF旗下有二家公司生產(chǎn)了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的產(chǎn)品，經(jīng)過試驗(yàn)才制訂自己的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說得先有產(chǎn)品再有標(biāo)準(zhǔn)，這種做法當(dāng)然穩(wěn)妥，但未免有穩(wěn)健有余而闖勁不足之嫌。 再看一下IEC61784－2標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎都是適用于FA的標(biāo)準(zhǔn)，只是EPA，根據(jù)浙大中控的企業(yè)文化，注定EPA會(huì)優(yōu)先考慮在PA方向的應(yīng)用。這正是EPA的機(jī)遇所在，希望EPA能珍重此良機(jī)而有所作為。 6.“示范工程”并不典型 從分析本文所列的2個(gè)所謂“示范工程”來看：系統(tǒng)的規(guī)模雖然并不算小，但實(shí)際上這2個(gè)工程并不是完全的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，而是DCS與現(xiàn)場總線儀表的混合系統(tǒng)。在Secco中FF儀表僅占26.6％，還有HART儀表并不能算屬于現(xiàn)場總線的范疇，因?yàn)镠ART儀表是在4～20mA的直流信號(hào)上疊加了數(shù)字信號(hào)，而現(xiàn)場總線的定義明確規(guī)定現(xiàn)場總線是全數(shù)字化的，HART僅僅是從4～20mA的模擬信號(hào)制過渡到全數(shù)字化的現(xiàn)場總線的產(chǎn)品而已。因此這2個(gè)工程無論從結(jié)構(gòu)和效益上來看都與真正的FCS存在著差異。 7.FCS的效益問題 從國外的報(bào)道，F(xiàn)CS整個(gè)產(chǎn)品周期來看是有效益的，但由于國情的不同，效益就要重新計(jì)算。首先國內(nèi)一般對(duì)硬件的價(jià)格是敏感的；而從軟的方向（指工程設(shè)計(jì)費(fèi)用、調(diào)試、安裝、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用）所獲得的效益，由于工資上存在著較大的差異這筆賬是要細(xì)細(xì)地計(jì)算的，但不管怎么樣，這折扣是肯定要打的。 其次，F(xiàn)CS所收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，整理后上報(bào)，信息需要及時(shí)引用并采取相關(guān)措施后才能使生產(chǎn)創(chuàng)造效益，這又與該企業(yè)的人員素質(zhì)和管理水平息息相關(guān)。雖然由先進(jìn)的工具歸納出來的信息而不善于及時(shí)應(yīng)用是徒勞的，最終只能浪費(fèi)了投資。 8.目前的用戶更加成熟，更加具有理性 試看有些項(xiàng)目，如新疆的獨(dú)山子工程并不套用Secoo的模式，沒有采用現(xiàn)場總線。不像過去20世紀(jì)60年代的計(jì)算機(jī)熱和20世紀(jì)70年代末、80年代初的DCS熱，那時(shí)候一哄而起，大部分DCS處于低于平運(yùn)行，有些外商得了便宜還賣乖，說什么你們的DCS只發(fā)揮了25％～30％的功能。 9.實(shí)現(xiàn)SIS的集成缺乏可操作性 功能安全還會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，目前有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)也已有了，有些公司也已推出了有關(guān)產(chǎn)品，有關(guān)功能安全的文章也在刊物上發(fā)表了不少，但是作為用戶，迫切需要的卻是集成儀表安全系統(tǒng)（SIS）的可操作性。 按照國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將安全等級(jí)分為4級(jí)即SIL1～4。其中SIL4等級(jí)為最高。所謂SIL其全名為安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level），英文縮寫為SIL，由每小時(shí)發(fā)生的危險(xiǎn)失效概率來區(qū)分（SIL2為≥10－7至<10－6；SIL3為≥10－8至<10－7）。 生產(chǎn)過程所需要的安全等級(jí)由專門的生產(chǎn)工藝公司來評(píng)估確定。一般對(duì)安全要求比較高的工藝生產(chǎn)過程需要的安全等級(jí)為SIL3。 因此，當(dāng)用戶選定了通過認(rèn)證過的SIL3的儀表與裝置組成的系統(tǒng)后如何簡要地進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證符合SIL3的 要求，就成為當(dāng)務(wù)之急了。 10.今后DCS與FCS在一段時(shí)期內(nèi)將會(huì)共存。 現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)增多，第一代基于總線的現(xiàn)場總線尚未得到普及，而第二代基于網(wǎng)絡(luò)（實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)）的現(xiàn)場總線又已崛起，未免使有些用戶感到困惑，無奈而等待，因此，DCS與FCS將會(huì)共存一段時(shí)期。 結(jié) 束 語 EPA是我國自主創(chuàng)新的基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線，已經(jīng)入味IEC61784－2國際標(biāo)準(zhǔn)并正式成為PAS文件。遺憾的是EPA safety在2006年3月未能順利進(jìn)入正式起草的IEC61784－3中，好在2年后還能補(bǔ)考，還有著機(jī)會(huì)。因此謹(jǐn)以8個(gè)字寄望于EPA作為本文的結(jié)束語，這8個(gè)字就是“珍惜機(jī)遇、任重道遠(yuǎn)”。 轉(zhuǎn)自： 電氣時(shí)代雜志