浅谈现场总线在工业中的发展趋势

2010-08-15王彦成吴景威陈志敏

科技传播 2010年13期

关键词：双绞线实时性总线

王彦成，吴景威，陈志敏

平煤蓝天化工有限公司，河南驻马店 463000

浅谈现场总线在工业中的发展趋势

王彦成，吴景威，陈志敏

平煤蓝天化工有限公司，河南驻马店 463000

现场总线结构简化、供电方便，不需要DCS系统的信号调理、转换隔离等功能单元及复杂的接线，节省了硬件数量和投资，既经济又实用，从而有较好的发展趋势。

工业；现场总线；发展趋势

1 现场总线的概念及种类

现场总线是工业生产中连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站通信系统，又称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线采用可进行简单连接的金属双绞线、同轴电缆、动力线或光纤作为总线，把多个测量控制仪表与远程监控系统连接成网络系统，按照公开、规范的通信协议，解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，从而实现数据的传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，并逐渐推广使用。

2 FF的一般特点

FF是基金会现场总线，是成立于1992年的国际现场总线基金会提出的一个现场总线标准。目前，很多工厂正在逐步尝试这种方式。平煤蓝天化工有限公司也在尝试用这种方式。本文结合我厂简要说明它的特点：

1）具有适合工业现场应用的通信规范和网络操作系统；

2）采用单一串行线上连接多个设备的网络连接方法，1条总线最多可连接32台设备。我厂采用的是两条总线，每条总线连4台压力检测仪表；

3）通信介质可以是金属双绞线、同轴电缆、动力线或光纤。我厂采用的是金属双绞线作为通信介质；

4）通信信号可以采用10mA电流方式，也可以采用电压方式。我厂采用的是电压方式；

5）通信与设备的供电线路可以共用；

6）具有比较完备的工业设备描述语言；

7）采用虚拟设备的概念实现设备的模块化处理；

8）实现了开放式系统，在FF系统内，不同厂家的产品具有互操作性；

9）提供了比较完善的系统测试手段和方法。可以说，FF在现场总线系统中显示出强大的生命力。

3 浅谈现场总线在工业中的优点及其不足

1）在过程控制系统中，聚分散系统也就是DCS在站间较早里采用了局域网技术，随着电子科技的逐步发展，在现场也能实现通信功能。

2）在过程控制系统中有过多种通信协议，但最后都被以太网所淘汰，通信逐渐统一到以太网，由于为了维护及访问过程系统的方便，TCP和IP协议也进入到了此领域，现在已经有通过以太网络访问现场仪表的例子。

3）含有Internet技术的计算机系统能否取代现场总线呢？笔者认为现场总线融入计算机通信技术，计算机通信系统也能扩展到现场，但是他们在功能、要求和结构上有所不同，因此计算机通信不可能取代现场总线。

（1）现场总线的传播介质较廉价，支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。由于现场总线结构简化，不再需要DCS系统的信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资，既经济又实用。在传递信号的同时又为现场供电，他能解决现场的防爆问题和对环境适应比较好，不受其他外界环境所影响，比如震动，电磁等。不同厂家制造的产品不一样，但是他的可互操作性强，尽可能的在现场或就地处理信息，而不必让现场将过多的信息在网络上传递，这也是最能体现他的发展趋势。

（2）对计算机通信要求主要是快，而对现场总线来说不但要求快，还要体现在传输速度快、响应时间短、巡回时间短这3方面。对仪表来说，要准确的测量和控制必须要有实时性做保证，响应时间和巡回时间反映了实时性，现场总线通过简化技术和采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性。因此，改善实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展方向。

（3）从结构方面来说，计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的，而大多数现场总线是线状的，即从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。它的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。对于网状结构来说，电缆多而长，由于电磁感应等方面产生电火花的机会也较大，同时本安防爆限制了现场总线的电缆长度和负载数量，在这个方面，它的优点已基本消失了。因此，现场总线要想在以安全为重的今天求得发展首先要解决的是克服本安防爆对其的限制。

（4）问题都有两面性，有优点肯定也有缺点。对现场总线来说，其中的一条总线有问题，那么这条线上的所有支路都不能正常工作了，这也是目前现场总线没有用在重要信号上的原因。

（5）由以上可以看出现场总线是通信、仪表智能化及自动控制的结合产物。虽不是所有现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这些都是对控制和实时性没有严格要求的检测系统。因此，计算机通信技术不会取代现场总线。

4 浅谈现场总线在工业中的发展趋势

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：

1）寻求统一的现场总线国际标准；

2）Industrial Ethernet走向工业控制网络统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去我们一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。