現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀 1.現(xiàn)場總線的國際標準 （1）IECTC65（IEC第65技術(shù)委員會） 1999年底IEC通過的現(xiàn)場總線標準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10種類型，其內(nèi)容如付表所示。 （2）IECTC17（IEC第17技術(shù)委員會） 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國際化標準組織）亦是制訂國際標準的3個組織之一。 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，共計有13種現(xiàn)場總線技術(shù)國際標準。 2.實際工業(yè)以太網(wǎng)的國際標準 （1）PAS 由于實時工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展很快，而IEC/TC65在2002年決定，在2007年開始對現(xiàn)場總線國際標準IEC61158進行修訂之前，不再增加新的類型，但又考慮到要適應市場的需要和技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過相關成員得悶投票同意（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)布的一種標準化文件PPAS（Publicly Available Specification）,即公共可用規(guī)范。 在2004年1月在法國召開的IEC會議上，有6種實時工業(yè)以太網(wǎng)申請成為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)絡聯(lián)合會的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”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）中并對應于他們在各自通信系統(tǒng)中的使用情況。” 2004年1月IEC/SC65C在法國召開會議，會上規(guī)定起草實時以太網(wǎng)標準，即IEC61784－2。它包括IEC61158中規(guī)定的現(xiàn)場總線在實時以太網(wǎng)應用中的行規(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在美國開會確定了IEC61158新版本（第4版）將以現(xiàn)版本（第3版）為基礎，加入已稱為PAS文件的實時以太網(wǎng)解決方案，成為新的IEC61158現(xiàn)場總線標準。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準。 3.現(xiàn)場總線的應用狀況 （）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1300萬個節(jié)點。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年將達到2000萬個節(jié)點以上。 （2）Interbus 2005年Interbus累計銷售了750萬個節(jié)點。占世界上第2位。主要應用于FA領域。 （3）FF 2006年2月28日FF的年會在上海召開。FF總載Timong在會上的報告中提到，F(xiàn)F在全世界已安裝運行了60萬臺現(xiàn)場設備和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，標志著FF進入了大型工程應用的新階段。FF的安全儀表系統(tǒng)（SIS）完成了開發(fā)，得到了TÜV的認證。 4.二個“示范工程” （1）上海賽科（Secco）90萬T乙烯工程 1）概況 ①10套獨立的工廠，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、有機硅樹脂、丙烯腈、OSBL（公用工程和界外設施）。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（原為英國石油BP公司）50％；中國石化30％；上海石化20％。 ④工程進度：2004年8月啟動，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 ②總位號：168000個。 ③現(xiàn)場總線儀表設備54025臺，其中FF現(xiàn)場設備14375臺，占26.6％。 ④電纜根數(shù)：66000根，其中FF的HI網(wǎng)段2473個，平均每個網(wǎng)段上掛5.8臺FF現(xiàn)場設備。 ⑤工作站數(shù)目：164個。 ⑥MD控制站130個。 ⑦現(xiàn)場接線箱5300個。 3）主要儀表供貨商（MIV）為Emerson公司 4）中央控制室和外站 ①全廠設一個中央控制室，所有生產(chǎn)控制、公用工程及輔助設備的操作控制和生產(chǎn)管理全部集中。 ②全廠設15個外站，分別設在各生產(chǎn)裝置設施內(nèi)，除各種控制系統(tǒng)和機柜外，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)設計。 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)段上的設備數(shù)量 規(guī)定每個HI要安裝12臺設備，色計為9臺，實際平均安裝5.8臺。 （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機組采用了熱電聯(lián)產(chǎn)方式，總出力達到101.2萬kW，該機組為超超臨界機組，主汽溫度為580℃，主汽壓力達到27MPa。由于采用了過程優(yōu)化技術(shù)，整個機組的效率達到了45%。由于采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，號稱目前全球范圍內(nèi)全面采用數(shù)字化電廠技術(shù)的裝機容量最大的機組。 2）工程進度2002年12月投入商業(yè)運行。 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、電動執(zhí)行機構(gòu)、MIS、SIS及主控室設計。 4）自控規(guī)模 模擬量I/O 2703個，開關量I/O 3865個。智能馬達保護裝置721個，電磁閥670個、閥門定位器957個、電動執(zhí)行機構(gòu)698臺。 5）系統(tǒng)配置：共分3個層次，即操作管理層、過程控制層和現(xiàn)場設備層。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個雙絞線總線段和40個光纖總線段。 6）達到的水平：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、高低壓智能保護裝置接入DCS，同時現(xiàn)場設備的管理信息、設備維修信息等通過現(xiàn)場總線進入DCS和上層SIS/MIS軟件，從而實現(xiàn)了機組的優(yōu)化操作及優(yōu)化維修管理，使整個機組僅配備一個操作員。 5、實時工業(yè)以太網(wǎng)是當前的一個熱點 以太網(wǎng)在信息領域內(nèi)已獲得廣泛應用，由于以太網(wǎng)的優(yōu)勢在于技術(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?；價格便宜；熱已有熟練的經(jīng)驗，因此已成功地用于工業(yè)控制領域，當然以太網(wǎng)要從條件優(yōu)越的IT環(huán)境下進入工業(yè)領域，必須采取下列措施：采用優(yōu)質(zhì)元器件及材料；要適應機械環(huán)境（如耐振動、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）以及適應電磁的干擾。這樣價格就要貴得多，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的主干網(wǎng)上應用。 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際性，在時間上不具有確定性的通信方式，不能滿足現(xiàn)場儀表或設備這一層的通信要求。 但是在采用增加帶寬，提高通信速率（如達到100M）；降低網(wǎng)絡負荷（如低于10％）；采用全雙工通信以及采用星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的交換機以后，就可以滿足實時通信和在時間上具有確定性的通信要求了。因此實時工業(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）成為當前的一個亮點 當前安全問題日益得到人們的重視，這是由于生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴大，生產(chǎn)工藝日益強化，一旦發(fā)生事故其危害的程度也越大，這些血的教訓使我們記憶猶新。為此IEC制定了有關功能安全的標準IEC61508及有關流程工業(yè)的安全標準IEC61511?，F(xiàn)在各大公司紛紛提出了有關功能安全的產(chǎn)品和措施，一時成為當前的一個亮點。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。這個潮流正方興未艾。 存在的問題及今后的發(fā)展趨勢 1.現(xiàn)場總線的國際標準還會更多 到2007年現(xiàn)場總線的國際標準還會增加，單以IEC61158而言，由于有IEC61784－2實時以太網(wǎng)的加入，其標準將會由目前的10種增加到18種。甚至還會更多。 2.種類雖多，但卻會此消彼長 SwiftNet將會在標準中被刪去而SDS也會“淡出江湖”；World FIP源自法國的國家標準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World FIP的支持力度將會下降；SERCOS（Serial Real time Communication System）也一樣，Rockwell由于也有了自己的ConrtolNet/IP，將會減少對他的支持力度；而P－NET的前途也堪憂。 3.實時工業(yè)以太網(wǎng)還會快速發(fā)展 已有的PROFINET和EPA等將會不斷完善；而新的實時工業(yè)以太網(wǎng)（RTE）也會不斷出現(xiàn)。 4.網(wǎng)絡附件存在著商機 由于各種現(xiàn)場總線包含今后的實時工業(yè)以太網(wǎng)在內(nèi)將會同時并存，因此溝通他們的一些接口，網(wǎng)橋等附件，存在著商機建議一些中小企業(yè)雨衣關注。 5.實時以太網(wǎng)目前在PA方向存在著薄弱環(huán)節(jié) 目前對制訂標準防線存在著兩種截然不同的理念，一種是以PROFINET為代表，即先有標準，再有產(chǎn)品，其優(yōu)點在于可以掌握先機，擴大影響，因此PROFINET首先進入IEC61158（第三版）正式成為國際標準。但這里的PROFINET僅是他的CBA是基于組件的自動化，這對莉薩工業(yè)（FA工廠自動化）是非常適用的，由于他將生產(chǎn)線的各個工序做成模塊存儲起來到應用時，選擇各個模塊再組合起來，的確是既省時又省錢，用在汽車或飲料生產(chǎn)線上真是得心應手非常方便。但是如要應用于連接工業(yè)PA過程自動化時，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，其理化反應十分復雜，至今尚未完全掌握其機理，很難用數(shù)學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FF旗下有二家公司生產(chǎn)了實時以太網(wǎng)的產(chǎn)品，經(jīng)過試驗才制訂自己的標準，也就是說得先有產(chǎn)品再有標準，這種做法當然穩(wěn)妥，但未免有穩(wěn)健有余而闖勁不足之嫌。 再看一下IEC61784－2標準中，幾乎都是適用于FA的標準，只是EPA，根據(jù)浙大中控的企業(yè)文化，注定EPA會優(yōu)先考慮在PA方向的應用。這正是EPA的機遇所在，希望EPA能珍重此良機而有所作為。 6.“示范工程”并不典型 從分析本文所列的2個所謂“示范工程”來看：系統(tǒng)的規(guī)模雖然并不算小，但實際上這2個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，因為HART儀表是在4～20mA的直流信號上疊加了數(shù)字信號，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 從國外的報道，F(xiàn)CS整個產(chǎn)品周期來看是有效益的，但由于國情的不同，效益就要重新計算。首先國內(nèi)一般對硬件的價格是敏感的；而從軟的方向（指工程設計費用、調(diào)試、安裝、運行和維護費用）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細地計算的，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，信息需要及時引用并采取相關措施后才能使生產(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。雖然由先進的工具歸納出來的信息而不善于及時應用是徒勞的，最終只能浪費了投資。 8.目前的用戶更加成熟，更加具有理性 試看有些項目，如新疆的獨山子工程并不套用Secoo的模式，沒有采用現(xiàn)場總線。不像過去20世紀60年代的計算機熱和20世紀70年代末、80年代初的DCS熱，那時候一哄而起，大部分DCS處于低于平運行，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.實現(xiàn)SIS的集成缺乏可操作性 功能安全還會得到進一步的發(fā)展，目前有關的國際標準也已有了，有些公司也已推出了有關產(chǎn)品，有關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。 按照國際標準的規(guī)定，將安全等級分為4級即SIL1～4。其中SIL4等級為最高。所謂SIL其全名為安全完整性等級（Safety Integrity Level），英文縮寫為SIL，由每小時發(fā)生的危險失效概率來區(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由專門的生產(chǎn)工藝公司來評估確定。一般對安全要求比較高的工藝生產(chǎn)過程需要的安全等級為SIL3。 因此，當用戶選定了通過認證過的SIL3的儀表與裝置組成的系統(tǒng)后如何簡要地進行計算，驗證符合SIL3的 要求，就成為當務之急了。 10.今后DCS與FCS在一段時期內(nèi)將會共存。 現(xiàn)場總線的國際標準將會增多，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（實時工業(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將會共存一段時期。 結(jié) 束 語 EPA是我國自主創(chuàng)新的基于實時以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線，已經(jīng)入味IEC61784－2國際標準并正式成為PAS文件。遺憾的是EPA safety在2006年3月未能順利進入正式起草的IEC61784－3中，好在2年后還能補考，還有著機會。因此謹以8個字寄望于EPA作為本文的結(jié)束語，這8個字就是“珍惜機遇、任重道遠”。 轉(zhuǎn)自： 電氣時代雜志