現場總線的現狀及其發展趨勢 現場總線的現狀 1.現場總線的國際標準 （1）IECTC65（IEC第65技術委員會） 1999年底IEC通過的現場總線標準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，其內容如付表所示。 （2）IECTC17（IEC第17技術委員會） IEC62026有4中現場總線類型即AS－i（Actuator Sensor－interface執行器傳感器接口），主要由Siemens公司支持；DeviceNet（ Rockwell公司）；SDS（Smart Distributed System靈巧式分散型系統）（美Honeywell）；Serilex（串聯多路控制總線）。 （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中現場總線，加上IEC62026的4種與ISO的1種，共計有13種現場總線技術國際標準。 2.實際工業以太網的國際標準 （1）PAS 由于實時工業以太網的技術發展很快，而IEC/TC65在2002年決定，在2007年開始對現場總線國際標準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的發展，經過相關成員得悶投票同意（簡單多數贊成票）而將某些成熟的技術規范直接發布的一種標準化文件PPAS（Publicly Available Specification）,即公共可用規范。 在2004年1月在法國召開的IEC會議上，有6種實時工業以太網申請成為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，歐洲開放網絡聯合會的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“與工業控制系統中使用的現場總線有關的用于連續和離散制造的行規集”。它描述IEC61158中規定的“服務”集的子集，該子集用于特定的現場總線系統的通信或基于以太網系統的通信。用這種方法定義的特定的通信行規（CP）被組合在“通信行規簇（CPF Communication Profile Family）中并對應于他們在各自通信系統中的使用情況。” 2004年1月IEC/SC65C在法國召開會議，會上規定起草實時以太網標準，即IEC61784－2。它包括IEC61158中規定的現場總線在實時以太網應用中的行規（類型1～9）以及將要發布的PAS行規，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）將以現版本（第3版）為基礎，加入已稱為PAS文件的實時以太網解決方案，成為新的IEC61158現場總線標準。經討論IEC61158（第4版）將包括14類現場總線技術，IEC61784中將包括39種通信行規。 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2000萬個節點以上。 （2）Interbus 2005年Interbus累計銷售了750萬個節點。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，FF在全世界已安裝運行了60萬臺現場設備和1萬套現場總線系統。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（SIS）完成了開發，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。 2）自控規模 ①總回路數：48200個 ②總位號：168000個。 ③現場總線儀表設備54025臺，其中FF現場設備14375臺，占26.6％。 ④電纜根數：66000根，其中FF的HI網段2473個，平均每個網段上掛5.8臺FF現場設備。 ⑤工作站數目：164個。 ⑥MD控制站130個。 ⑦現場接線箱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，所有生產控制、公用工程及輔助設備的操作控制和生產管理全部集中。 ②全廠設15個外站，分別設在各生產裝置設施內，除各種控制系統和機柜外，還有帶工程師屬性的操作站，外站面積在50～300m2之間，全部按防爆結構設計。 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）自控系統的設備選型 ①DCS與FCS相結合：系統框架為Emerson的PlantWeb，采用10套DeltaV。 ②安全儀表系統，HIMA。 ③現場儀表：FF、HART。 6）現場總線的控制方式 基本的調節功能原則上放在現場只能閥門定位器中執行。 7）HI網段上的設備數量 規定每個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機組采用了熱電聯產方式，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。由于采用了過程優化技術，整個機組的效率達到了45%。由于采用了PROFIBUS現場總線技術，號稱目前全球范圍內全面采用數字化電廠技術的裝機容量最大的機組。 2）工程進度2002年12月投入商業運行。 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，低壓配電系統、電磁閥、閥門定位器、電動執行機構、MIS、SIS及主控室設計。 4）自控規模 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、電動執行機構698臺。 5）系統配置：共分3個層次，即操作管理層、過程控制層和現場設備層。操作管理層集成了SIS（監控信息系統Supervisory Information System），MIS（信息管理系統）和ERP（企業資源規劃）功能。 現場總線采用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系統中大量采用了PROFIBUS。通過現場總線將智能儀表、高低壓智能保護裝置接入DCS，同時現場設備的管理信息、設備維修信息等通過現場總線進入DCS和上層SIS/MIS軟件，從而實現了機組的優化操作及優化維修管理，使整個機組僅配備一個操作員。 5、實時工業以太網是當前的一個熱點 以太網在信息領域內已獲得廣泛應用，由于以太網的優勢在于技術上成熟，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，而且發展潛力大；價格便宜；熱已有熟練的經驗，因此已成功地用于工業控制領域，當然以太網要從條件優越的IT環境下進入工業領域，必須采取下列措施：采用優質元器件及材料；要適應機械環境（如耐振動、耐沖擊）氣候環境（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，但由于具有優越的性能，目前已獲得廣泛應用。在國內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上應用。 那么工業以太網能否在企業內部現場這一層上獲得應用呢？如果能行，那么從企業的ERP（企業資源規劃）、MES（制造執行系統），PCS（過程控制系統）層再往下到現場層，實現e網到底無縫連接豈不更好，但由于以太網所采用的CSMA/CD載波監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）；降低網絡負荷（如低于10％）；采用全雙工通信以及采用星形網絡結構的交換機以后，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。因此實時工業以太網一下子就熱了起來，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，這是由于生產的規模不斷擴大，生產工藝日益強化，一旦發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及有關流程工業的安全標準IEC61511。現在各大公司紛紛提出了有關功能安全的產品和措施，一時成為當前的一個亮點。如PROFIBUS首先推出了PROFIsafe的行規，Emerson也有了SIS的概念與產品，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展趨勢 1.現場總線的國際標準還會更多 到2007年現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.實時工業以太網還會快速發展 已有的PROFINET和EPA等將會不斷完善；而新的實時工業以太網（RTE）也會不斷出現。 4.網絡附件存在著商機 由于各種現場總線包含今后的實時工業以太網在內將會同時并存，因此溝通他們的一些接口，網橋等附件，存在著商機建議一些中小企業雨衣關注。 5.實時以太網目前在PA方向存在著薄弱環節 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，再有產品，其優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（FA工廠自動化）是非常適用的，由于他將生產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線上真是得心應手非常方便。但是如要應用于連接工業PA過程自動化時，特別是以熱交換為特征的生產過程就存在著問題。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方面存在著薄弱環節。據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了實時以太網的產品，經過試驗才制訂自己的標準，也就是說得先有產品再有標準，這種做法當然穩妥，但未免有穩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，根據浙大中控的企業文化，注定EPA會優先考慮在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：系統的規模雖然并不算小，但實際上這2個工程并不是完全的現場總線控制系統FCS，而是DCS與現場總線儀表的混合系統。在Secco中FF儀表僅占26.6％，還有HART儀表并不能算屬于現場總線的范疇，因為HART儀表是在4～20mA的直流信號上疊加了數字信號，而現場總線的定義明確規定現場總線是全數字化的，HART僅僅是從4～20mA的模擬信號制過渡到全數字化的現場總線的產品而已。因此這2個工程無論從結構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，FCS整個產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，FCS所收集的數據經過分析，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創造效益，這又與該企業的人員素質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只發揮了25％～30％的功能。 9.實現SIS的集成缺乏可操作性 功能安全還會得到進一步的發展，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品，有關功能安全的文章也在刊物上發表了不少，但是作為用戶，迫切需要的卻是集成儀表安全系統（SIS）的可操作性。 按照國際標準的規定，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，由每小時發生的危險失效概率來區分（SIL2為≥10－7至<10－6；SIL3為≥10－8至<10－7）。 生產過程所需要的安全等級由專門的生產工藝公司來評估確定。一般對安全要求比較高的工藝生產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在一段時期內將會共存。 現場總線的國際標準將會增多，第一代基于總線的現場總線尚未得到普及，而第二代基于網絡（實時工業以太網）的現場總線又已崛起，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 束 語 EPA是我國自主創新的基于實時以太網的現場總線，已經入味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作為本文的結束語，這8個字就是“珍惜機遇、任重道遠”。 轉自： 電氣時代雜志