论现场总线的应用.docx
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论现场总线的应用
论现场总线的应用
北京钢铁设计研究总院夏德海【100053】
[摘要]现场总线是一种新兴的通讯技术，理应得到全面而迅速的推广，但实际的应用状况却并非如此，究其原因，主要是国际标准太多，多标准实际上就等于没有标准，为了能使现场总线得到健康的发展和应用，特提出若干建议。
[关键词]现场总线应用单一的标准多标准
不再要标准事实上的标准
现场总线是现场仪表或设备与控制室的控制系统之间的一种开放的、全数字化、双向通信和多站的通信系统。
现场总线起源于欧洲，1984年IEC就开始着手制定现场总线的国际标准。
现场总线的优点很多，他的出现可以说在自动化领域内，是继DCS以后的又一里程碑，可是他的应用却没有像DCS那样得到迅速而全面的推广。
一、现场总线的优点
1、开放性
基于现场总线的控制系统FCS的技术与标准是公开的；而DCS
制造厂商的技术与标准却是各有各的专利，是封闭的。
不同厂商DCS之间的通信需要网关。
2、全数字化
DCS的主机虽然是数字的，但现场仪表则还是利用了模拟技
术，目前国际标准的信号制为直流4-20mA。
因此，DCS是一个数模混合的系统；而FCS则是一个全数字化的系统，现场仪表与主机之间用不到模/数（A/D）和数/模（D/A）的转换，从而减少了I/O卡件，缩小了I/O柜的体积，并可提高精度，缩短响应时间。
3、双向通信
在DCS内变送器向主机发送信号，只能是单向的，而主机下达给执行器的控制信号也只能是单向的，因此变送器与执行器虽然属于同一控制回路，彼此之间不能直接通信；而在FCS内，主机与变送器、执行器之间或变送器与执行器之间均可直接进行双向通信。
4、多站
所谓多站即FCS中一条现场总线（一根双绞线）可以连接多台现场仪表，然后只要用一根电缆通向主机；而DCS中主机与每台现场仪表中能只用一根2芯或4芯电缆一对一地连接，因此用电缆的根数要多得多。
5、可互操作性
FCS中不同厂商所生产的主机或现场仪表之间都可以相互通信或操作，而在DCS中则往往需要接口和驱动软件来实现。
6、彻底分散
FCS有丰富的功能模块，而且可以将模块植入到现场仪表，如将PID等模块植入到现场仪表后，即可在现场实现自主调节（当然还受到主机的监控），从而提高系统的可靠性。
7、智能化
FCS中的现场仪表既有多变量变送器（如将压力、温度、流量集中在一台变送器内），又都有自诊断等功能；相比之下，DCS的现场仪表智能化程度很低。
二、现场总线的国际标准
1、由于标准对产品的研发、生产、销售至关重要，特别是国际标准更为突出，自从1984年IEC制订国际标准以来，环绕着单一的现场总线国际标准的大战持续了15年之久，单一的现场总线国际标准经过多次投票表决，始终没有得到通过，只能在1999年3月作为技术规范出版，这是IEC61158标准的第一版。
【1】要注意的是，这仅仅是技术规范，而不是正式的国际标准。
2、后来又经过斗争和妥协，在2000年1月产生了包括8种类型现场总线在内的IEC61158第二版国际标准。
这就为多标准开辟了道路。
3、由于现场总线与工业以太网的技术发展很快，于2003年4月又颁布了IEC61158第三版国际标准，从第2版的8种现场总线扩大为10种类型。
4、目前因为实时工业以太网的技术发展很快，各大公司或有关的国际标准化组织又推出了各种工业以太网实时性的解决方案，于是又出现了IEC61158的第四版国际标准，目前已通过CDV（送审）阶段，已进入FDIS（报批）阶段，如果没有什么特殊原因，该标准将于2007年年底前投票表决通过，正式成为国际标准。
IEC61158第四版共有了20种类型的现场总线，这20种类型见下表：
IEC61158第四版现场总线类型【2】
类型
名称
1
TS61158现场总线
2
CIP现场总线
3
PROFIBUS现场总线
4
P-NET现场总线
5
FF的HSE高速以太网
6
SwiftNet
7
WorldFIP现场总线
8
INTERBUS现场总线
9
FF的HI现场总线
10
PROFINET实时以太网
11
TC-net实时以太网
12
EtherCAT实时以太网
13
EthernetPowerLink实时以太网
14
EPA实时以太网
15
Modbus-RTPS实时以太网
16
SERCOSⅠ，Ⅱ现场总线
17
V-NET/IP实时以太网
18
CC-Link现场总线
19
SERCOSⅢ实时以太网
20
HART现场总线
表中的类型Ⅰ是原IEC61158第一版技术规范（TechnicalSpecificationTS）的内容，由于该总线主要依据FF现场总线和部分吸收WorldFIP现场总线技术制订的。
而类型2CIP（CommonIndustryProtocol）包括了DeviceNet，Controlnet现场总线和Ethernet/IP实时以太网。
类型6SwiftNet将被撤消，主要是因为市场推广应用不理想，而且也不经常出席会议之故，他主要是美国制造飞机的波音公司推出的。
至于HART是4-20mA向现场总线过渡的产品，他在4-20mA的信号上再叠加一个数字信号，因为不是全数字化，严格来讲，不能算是现场总线，放在里边，可能只是HART的应用层协议而已。
此外，现场总线的国际标准还有IEC62026中的AS-i、DeviceNet、SDS与Seriplex；ISO61898的CAN（1Mbps）与ISO11519的CAN（125kps），及CC-Link。
可见现场总线国际标准种类之多。
而且近来无线通信技术已在向现场仪表级的应用方向发展，各大公司或有关国际组织已经开始在制订自己的标准，现场总线的国际标准可能还会增多。
三、现场总线的应用概况
由于现场总线的类型很多，总的来讲现场总线的应用还没有达到全面推广的局面，绝大多数处于试点或在小规模系统上的应用。
在工厂自动化（FA）方面，PROFIBUS的DP所占的份额较大，可以他作为代表，目前已达1500万个节点，在世界上处于领先地位，INTERBUS其次；而在过程自动化（PA）方向，可以FF作为代表，目前产品有400多种，现场仪表销售达85万台，系统一万余套。
四、二个示范工程
现场总线在应用方面，要推广的话，示范工程十分重要，今以PROF1BUS与FF作为代表，加以说明：
1、上海赛科（Secco）90万t乙烯工程
（1）概况
1）10套独立的工厂，他们是聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯、聚丙烯、芳烃油提、丁二烯和乙烯、甲基丙烯酸甲酯、有机硅树脂、丙烯睛和OSBL（公用工程和界外设施）。
年产230万t。
2）工程总投资27.48亿美元。
3）投资比例：
伊诺化学（原为英国石油BP公司）50%；中国石化30%；上海石化20%。
4）工程进度：
2004年8月启动，2005年6月29日宣布正式投产。
（2）自控规模
1）总回路数：
48200个
2）总位号：
168000个
3）现场总线仪表设备54025台，其中FF现场设备14375台，占26.6%。
4）电缆根数：
66000根，其中FF的HI网段2473个，平均每个网段上挂5.8台FF现场设备。
5）工作站数目：
164个。
6）MD控制站130个。
7）现场接线箱5300个。
（3）主要仪表供货商（MIV）为Emerson公司
（4）中央控制室和外站
1）全厂设一个中央控制室，所有生产装置、公用工程及辅助设备的操作控制和生产管理全部集中。
2）全厂设15个外站，分别设在各生产装置设施内，除各种控制系统和机柜外，还有带工程师属性的操作站，外站面积在50~300m2
之间，全部按防爆结构设计。
3）各外站到中央控制室之间采用双冗余光纤电缆通信方式传输，最长距离约2.5km。
（5）自控系统的设备选型
1）DCS与FCS相结合：
系统框架为Emerson的PlantWeb，采用10套DeltaV
2）安全仪表系统：
HIMA
3）现场仪表：
FF、HART
（6）现场总线的控制方式
基本的调节功能原则上放在现场智能阀们定位器中执行。
（7）HI网段上的设备数量
规定每个HI要安装12台设备，设计为9台，实际平均安装5.8台。
2、德国尼德豪森电厂
（1）概况
尼德豪森电厂位于德国西部，该厂的K机组采用了热电联产方式，总出力达到101.2万kW，该机组为超超临界机组，主汽温为580℃,主汽压力达到27MPa。
由于采用了过程优化技术，整个机组的效率达到了45%。
由于采用了PROFIBUS现场总线技术，号称目前全球范围内全面采用数字化电厂技术的装机容量大的机组。
（2）工程进度：
2002年12月投入商业运行
（3）提供商及供货范围：
西门子。
包括DCS、DEH、变送器、智能高中压配电系统、低压配电系统、电磁阀、阀门定位器、电动执行机构、MIS、SIS及主控室设计。
（4）自控规模：
模拟量I/O2703个，开关量I/O3865个。
智能马达保护装置721个，电磁阀670个、阀门定位器957个，电动执行机构698台。
（5）系统配置：
共分三个层次，即操作管理层，过程控制层和现场设备层。
操作管理层集成了SIS（监控信息系统），MIS（信息管理系统）和ERP（企业资源规划）功能。
现场总线采用PROFIBUS，包括DP与PA，还有部分HART仪表。
DP总线有20个双绞线总线段和40个光纤总线段。
（6）达到的水平：
由于DCS系统中大量采用了PROFIBUS。
通过现场总线将智能仪表、高低压智能保护等装置接入DCS，同时现场设备的管理信息、设备维修信息等通过现场总线进入DCS和上层SIS/MIS软件，从而实现了机组的优化操作及优化维修管理，使整个机组仅配备一个操作员。
五、现场总线的应用情况
由于现场总线类型很多，总的来讲，现场总线的应用还没有达到全面推广的阶段，绝大多数处于试点，或者在小规模的系统上获得应用；就是在大型项目上，DCS与FCS也还处于混用的状态，例如上述二个示范工程就是如此。
以上海的Secco为例，Secco工程在国际上属于同期建设10个大型乙烯项目之一，用FF是最多的，但FF所占现场仪表的份额，也只有26.6%，并且连HSE也没用上，不过他的最成功之处是将简单的PID调节已成功地下放到了现场仪表，在现场实现了自主调节。
示范工程虽然是有了，但推广的效果却并不理想，例如在Secco投产以后，我国新疆的独山子工程，其规模为1000万t炼油与100万t乙烯。
并没有采用Secco的模式，也就是说没有采用现场总线。
从现场仪表来看，目前在全世界的范围内HART仪表仍占有着半壁江山。
六、为什么现场总线的推广应用不够理想？
究其原因:
1、中国的用户已日趋成熟、更加理智
回顾计划经济的上世纪60年代的计算机热，和上世纪70-80年代的DCS热，那时候一哄而起，以致其结果：
不是让先进的设备闲置；便是不能充分发挥先进设备的作用。
如那时候大多数的DCS只发挥了30%左右的功能。
在市场经济的今天，业主已充分认识到自动化的目的，在于讲究效益，即以最少的投资获得最大的收益，因而不再是为先进而先进，为现场总线而现场总线了。
2、现场总线硬件价格偏高
目前现场总线设备的价格偏高，而且所配套用的附件，其价格也不菲，这一点对我们来讲是敏感的，与我国的国情有关。
3、软效益在国内外存在着差距
应用现场总线对减少工程设计的费用，减轻安装、调试与维护的工作量等的优点确实存在，但由于国内外工资水平尚存在着差距，因此软效益与国外相比是要打折扣的。
4、效益的高低还与企业人员的素质与水平有关。
由于现场总线的技术含量较高，因此效益还与工艺流程、工艺设备的水平，人员的素质和操作、维护和管理水平息息相关，否则效益也可能是不明显的。
5、所谓生命周期
赞成用现场总线的人往往会提及设备的生命周期，也就是说不要只看到设备的一次投资大而犹豫，而要着重于看到设备应用的整个生命周期的长期效益，这种说法也是对的，但由于现场总线技术更新的速度是在太快（实时工业以太网和现场仪表的无线通信），这种说法会被抵消而甚至产生负面的影响。
6、FF在应用中发生的缺陷，长期没有获得及时的改进
FF的HI在1984年已经初步成形，迄今却没有看到明显的改进，
甚至对在应用中所发现的速度太慢，芯片功耗太大，一条HI所带的仪表，设计时为32台，在Secco工程设计时为12台（防爆场合）。
但在实际应用中平均仅为5.8台。
这些问题却没有看到应有的重视和采取的改进措施。
而PROFIBUS的DP与PA却屡次受到升级和改进，这正是与他有1500万台的市场份额因而带来的效应吧！
7、标准过多，选型困难
据说IEC61158（第四版）的资料达8000多页，用户面对如此多的标准和资料，往往会感到困惑和无奈【3】，从而处于观望和等待，甚至会产生失望或愤怒的感觉。
8、达不到原来开发现场总线的初衷
如果说DCS是封闭的，FCS是开放的。
试看当今世界上制造DCS或PLC的著名厂商也只有10多家；而目前20来种现场总线国际标准或组织，其后台也不就是这10多家厂商吗？
你能说前者是封闭的，而后者是开放的，这能信服吗？
目前的状态，完全违背了当初开发现场总线的初衷。
七、谁是造成上述状况的“罪魁祸首”
从上述几个原因中进行分析，不难看出，造成上述状况的“罪魁祸首”就是多标准所造成的。
如果成立了单一的国际标准，那么从事研发、生产的厂家一多，产品种类和类型也就丰富起来，价格也会降低。
在应用过程中所发现的问题，也能及时改进，随着用户经验的积累，使应用后的效益也更加显著从而得到用户的认可，这就扩大了应用面；反过来，应用面的扩大又更加促进了产品的开发速度，从而形成了良性循环。
八、出路何在？
为了彻底摆脱现场总线的这种困境，出路何在？
1、各种现场总线不再要标准。
让市场去检验，优胜劣汰，逐步形成一种事实上的标准（de’factostandard）。
在IT行业中，这种事例也不在少数。
不过这是一种被动的方法，需要较长的时间去形成。
但这样做也有可取之处。
因为多标准实际上已经没有标准了，而没有国际标准的头衔，更少有“欺骗性”，从而更有利于形成事实上的标准。
此外还可省却为制订多标准而花费的大量人力、物力和财力。
试观目前制订现场总线的IECTC65/SC65C有十多个工作组。
我国参加的人数已经不少，有的单位是1人，但有的单位有2人，甚至有3-5人，一年在世界各地开三次至四次会。
“既劳民又伤财”，对我们尚处于发展中的国家来说，制订这种不实用的多标准，值得吗？
虽说参加这些活动能获取一些信息和经验，但这些经验从别的渠道，一样可以获得。
2、还应该积极地设法为制订单一的现场总线国际标准而努力
这是一种积极的办法，而且可能性还是有的。
（1）从自控领域内的现场仪表信号制的历史来看，其国际标准都是单一的，如气动仪表的信号制就是0.2-1.0kgf/cm2；而电动仪表的信号制，在初期阶段，各国也是不统一的，到了上世纪70年代，就统一成为4-20mA的直流信号，我国的DDZ-I型电动单元组合仪表的信号制为0-10mA，而到了DDZ-Ⅲ型只好变成4-20mA了。
这给我国的仪表制造厂与用户带来了损失。
（2）纵观国际标准的历史，一个国际标准从来没有20多个之多，国际标准这么多是一种极为不正常的现象。
（3）有人认为标准虽多，但可以靠OPC或各种专用接口、网桥、网关等转换而达到集成，这种做法在技术上是可行的。
但这是以增加用户的费用和牺牲信号转换时造成的精度下降、时间滞后、可靠性降低为代价而取得的，是一种不得已而为之的办法。
（4）建议改变IEC国际标准投票表决的机制【4】
1）要彻底改变多标准制必须从源头上来想办法，解铃还须系铃人。
根据IEC投票表决的规定，
1参加投票表决的代表有二类，即由有表决权资格的国家称为P
成员国；只有观察员资格的国家成为O成员国。
2投票表决需要有75%以上的赞成率方能通过（只计P成员国）。
3若反对率超过25%（计P与O成员国），则反对有效，标准不
能通过。
从现场总线投票表决的历史来看，93年、97年与98年每次关键
性的投票结果P成员国的赞成率都已超过了75%。
但P与O成员国的反对率也都超过了25%，有的只差了一点点。
所以单一的现场总线国际标准始终功亏一篑而没有获得通过。
本人认为既然有75%以上的有表决权的P成员国赞同，标准就可以通过了，何况O成员国只有观察员的身份，无权否决P成员国的决议，如果去掉这一“绊脚石”的条文，现场总线的局面早就大大地改观了。
因此建议干脆取消这后一条的规定。
2）设置用户委员会
如果说IEC为了顺应民意，所以设置了P与O成员国反对率超过25%有一票否决权的规定，还不如改为设置用户委员会，当用户委员会有25%以上的反对率时，有否决的权力。
这里决没有轻视观察员国的意思，但既然是观察员，在法律上就没有表决权，何况观察员成员国往往是些小国家或工业欠发达的国家，他们往往在政治上、经济上、技术上容易受到一些工业发达国家或一些大的跨国公司的影响，为了他们自己的利益在投票时常常发生摇摆而不能自主，因为只要反对率超过25%，所以持不同意见的反对派很容易能凑到这个数。
当然要改变投票机制是件大事，不会那么容易，但是规定是人制定的，如果在实践中发现有了问题，也是可以而且是应该改变的，有过则改，有错必纠，这才是泱泱大国际组织的风度。
九、结论
为了使现场总线这一新技术能够得到健康的发展，及时地得到推
广应用，以提高科技的发展水平，造福于世界人民。
现场总线国际标准的多标准制，可以休矣！
参考文献
【1】夏德海现场总线大战何时休。
中国仪器仪表，1999，
（1）：
1-5；1999，
（2）：
1-4
【2】缪学勤解读IEC61158第四版现场总线标准。
仪器仪表标准化与计量，2007，（3）.1-4
【3】夏德海现场总线的困惑、无奈与出路，仪器仪表标准化与计量，2001、（5）：
10-15
【4】夏德海现场总线的国际标准应该让用户来说了算。
仪器仪表标准化与计量，2007，
（2）3-6
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