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现场总线的未来观

供稿:中国工控网 2017/10/10 11:19:09

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  • 关键词: 现场总线
  • 摘要:现代的生产制造控制系统具有两个最显著的趋势,一个是越来越走向智能化,另一个是在结构上越来越走向小型化、分散化。造成前一个趋势的原因是产品市场的多样化需求,迫使传统的生产模式走向个性化的生产制造模式;后一个趋势则源于微电子技术与信息技术的进步。在这个发展变革当中,一个非常重要的技术就是现场总线技术,如果说现代生产制造控制系统将越来越依赖于现场总线技术的发展当不为过。

  现代的生产制造控制系统具有两个最显著的趋势,一个是越来越走向智能化,另一个是在结构上越来越走向小型化、分散化。造成前一个趋势的原因是产品市场的多样化需求,迫使传统的生产模式走向个性化的生产制造模式;后一个趋势则源于微电子技术与信息技术的进步。在这个发展变革当中,一个非常重要的技术就是现场总线技术,如果说现代生产制造控制系统将越来越依赖于现场总线技术的发展当不为过。
  现场总线技术的基础是串行通信技术和网络技术。自从20世纪80年代Intel公司推出其针对低速I/O的串行总线BitBus以来,这种低成本、灵活方便的通信手段得到了越来越广泛的应用,特别是在工业生产的控制与自动化方面。经过了多年的演变发展,逐步形成了针对不同应用领域的多种现场总线。
  现场总线的出现,极大地改变了工业控制系统的面貌,特别是与生产现场直接相关的控制设备方面。以往的控制系统,其现场端都是各种类型的仪表,包括传感器、执行器等。这些设备在早期大多是就地显示、就地操作的。这使整个生产装置的控制与管理相当困难和复杂。这种状况在电动单元组合仪表出现以后得到了很大的改观。由于现场仪表可以通过电气信号的传递,将现场状态传输到集中控制室,使得操作人员可以对生产装置实现集中控制与管理。而电动单元组合仪表的进一步发展,则是智能化、数字化的新一代智能仪表。智能仪表的最大特点是其内部处理实现了数字化,其对外通信也是通过数字通信而非电气信号。其优越性表现在功能方面,现场仪表可以完成比传统仪表复杂得多的运算和处理,可以实现更加精确的控制。更为重要的是,除了控制,现场仪表还具备了一定程度的管理功能,这使对生产装置的控制管理一体化的要求从现场端就得到了实现的保证。现场总线承担了智能仪表与集中控制与管理中心之间以及智能仪表之间的通信连接任务,正是现场总线,构成了完整的生产控制管理系统。
  现场总线今后应该如何发展,这是大家普遍关心的问题。从目前的情况看,现场总线在技术上还有相当大的发展空间,其应用也还处于开始阶段,远未达到普及阶段。为了促进现场总线的广泛应用,有哪些问题是我们必须关注的呢?可以归结为以下五个方面。

一、成本

  作为现场级的网络设备,其使用量是非常巨大的,因此现场总线是一种价格敏感型产品。与传统仪表的单纯传输模拟信号的介质不同,现场总线要传输的是数字信号,与现场总线相关的设备除线材外,还包括集线器(Hub)、中继器(Repeater)、交换器(Switch)、网关(Gateway)、网桥(Bridge)和路由器(Router)等网络设备。这些设备的单价及使用量将直接影响到最终现场总线系统的成本。

二、可靠性

  由于现场总线设备的安装地点一般环境条件不是很好,这对现场总线设备的运行提出了较高的要求,例如抗恶劣环境能力、抗电磁干扰能力、抗振动能力和抗电源波动、抗雷击、抗浪涌电流能力等方面,都需要从产品设计、安装、防护等各个方面都非常严格,才能保证设备的可靠运行。另外,由于现场总线设备的安装地点非常分散,对其进行检查维护十分不便,加之数量众多,因此实现设备的少维护甚至免维护是至关重要的。如果现场总线设备的可靠性不能达到一个较高的水平,那么系统的维护费用将会很高,且在长期运行过程中会一直居高不下,这对现场总线的应用十分不利。

三、技术难度

  对于大规模使用现场总线的需求,应该尽量降低其技术复杂度,对于这一点可能会有不同意见。现场总线是一项非常具有发展潜力的技术,随着微电子技术、网络技术、软件技术的飞速发展,现场总线的潜能将不断发挥。自然而然,对于技术研发人员来说,都希望将越来越多的功能赋予这项新技术,使其具有更加强大的处理能力。但从应用的角度看,对于现场总线的首要目标是大面积的使用,而功能的复杂性会阻碍其得到迅速而广泛的推广。对于使用现场总线的工厂来说,以往的仪表车间将变身为现场总线的安装、使用、运行及维护的部门。面对这样一种从基础技术就不同于传统仪表的新设备,需要一个较长时期的培训、学习和适应过程。特别是在现场总线的应用初期,工厂的仪表部门将面对两种完全不同的技术和产品,能否顺利地转移到新的系统上,与新技术的易用性有极大的关系。如果新技术的产品过于复杂,那么工厂就不得不长期依赖供货厂家,这又是一笔不小的成本。而且从一般的情况看,技术复杂的产品由于使用维护、诊断排错的难度比较高,因此运行过程中出现停运的可能性也比较大。

四、标准化

  现场总线产品的种类越少越好,因为越是规范划一的产品,就越能够大面积应用,也便于大规模生产,更能做好品质保证并降低成本。但是目前的情况是,现场总线的产品种类相当多,这给这项新技术的广泛采用造成了不小的困难。造成这种情况的原因虽然多,但归其根本,恰恰是这项技术自身。现场总线技术基于网络和软件,这使得其功能空前强大,自然其应用的覆盖面也是空前的。这与传统仪表的情况截然不同,如果说传统仪表所覆盖的范围被限制在现场的测量和控制,那么现场总线的覆盖范围扩展到了完整的控制系统。而在工业生产领域,由于生产的目标、方式、过程及控制方法五花八门,不可能统一,因此面向完整控制系统的现场总线也产生了各种各样的产品。这是自然形成的,谁也改变不了。这就成为了一个悖论:功能强大的现场总线理应具有广泛的应用市场,但是为了广泛的市场应用,又必须形成多样性和复杂性的产品,这就对其广泛应用造成了障碍。如何破解这个悖论,是当前现场总线面临的大问题。因为目前对生产制造业的智能化需求越来越高,没有智能仪表及现场总线是无法实现智能制造的。不仅大型企业需要实现智能制造,中小企业也同样甚至更加需要走向智能制造。这些都在呼唤着标准化的、高可靠性的、低成本的、简单易行的现场总线系统。近年来迅速崛起的工业以太网技术正在逐步逼近这样的一个目标。作为一种高性能的数字化网络,工业以太网提供了标准的网络设备,以及各种传输介质,其底层规约简单易行,适应性强,足以满足各行各业的需求。而在其基础上形成的多种行规为不同行业应用提供了丰富的功能,从而满足了不同行业对控制功能的不同需求。

五、安全性

  安全问题是近年来才开始引起人们重视的,这里所说的安全性主要是指信息安全。由于控制系统今后的大趋势是走向网络化,因此信息安全的问题日益严重,必须予以高度的重视。虽然我们无法单独依靠技术手段来保证信息安全,但完善的保护措施对于网络化的系统是非常必要而不可或缺的。

审核编辑(王静)
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