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现场总线发展趋势浅析

供稿:中国工控网 2017/10/10 11:28:41

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  • 关键词: 现场总线
  • 摘要:本文对国内现场总线及现场总线应用工程的现状及未来发展趋势进行了详细介绍,供参考。

  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,得到大 范围的推广,导致了自动控制领域的一场革命。  
一、现场总线的发展不会被计算机通信技术取代  
  在现场总线技术诞生的初期,它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器(program mable logic controller, PLC)以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC,计算机通信技术被引入现场总线;PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求,计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能,成为现场总线技术发展的主要趋势。  
  在分散型控制系统(distribution control system, DCS)的发展历程中,较早地在站间通信中采用了局域网(local area netw ork, LAN)技术。随着电子技术的发展,许多站的功能已经可以在现场实现,因此通信也逐渐延伸到现场。  
  在过程控制领域,曾经采用过许多通信协议。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网(ethernet)垄断,过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展,人们通过因特网访问控制系统,进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈,因此TCP/IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。  
  这里我们看到了两种趋势,第一是现场有越来越多的信息需要往上送,第二是计算机通信技术越来越向下延伸。人们不禁要问:包括Internet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场,并取代现场总线?  
  我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场,现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术,但是计算机通信技术不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。  
1、功能  
  计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是:①经济、安全、可靠地传递信息;②正确使用所传信息;③及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时,解决现场装置的供电问题,并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题,包括电磁环境适应性(传输时不要干扰别人,也不要被别人干扰)、气候环境适应性(要耐温、防水、防尘)、机械环境适应性(要耐冲击、耐振动)。 
  正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息,这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递,要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的,但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势--信息处理现场化。  
2、要求  
  对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快,在过程控制领域还要求响应快,即实时性要求。这样“快”就有三种含义。  
(1)传输速度快:指单位时间内传输的信息要多,通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。  
(2)响应时间短:指突然发生意外事件时,仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的:① 仪表或执行器控制中断的能力;②信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间;③等待网络空闲的时间;避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数,因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短,但它要求最大值是预先可知的,并小于一定值。  
(3)巡回时间短 指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统,当高优先级事件发生比较频繁时,低优先级事件会长时间得不到响应;对这类通信协议,巡回时间是随机量,预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的,并小于一定值。  
  响应时间和巡回时间反映了实时性,而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。 
  一种是简化技术。将网络形式简化成线形(实际上已经不成其为“网”了);将通信模型简化为只有一、二层;将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化,节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间,这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性,但是反复发生不确定事件的概率很低,可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了,就可以简化系统的管理;这时采用主-从方式轮询访问,只要限制网络轮询的规模,就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本,大多数位式开关量现场总线采用这种技术。 
  另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性,这是一种很复杂的技术。一般认为,分时式实时系统的响应具有可预知性,但资源利用率低;抢先式实时系统资源利用率高,但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度,以达到某种平衡。 
  随着多媒体计算机通信系统的不断发展,语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms,过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的,即只要大部分时间满足要求就行了,偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的,因为它往往涉及安全,必须在任何时间都及时响应,不允许有不确定性。 
  改善现场总线的实时性,减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。  
3、结构  
  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。 
  大部分现场总线的结构是线状的,虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等;但在大多数现场总线中,从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。 
  线状结构的优点是: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。 
  很显然,在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的,沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况,各电源的负载平衡,以及网络中各节点处的电压下降,都比较难以预料。 
  我们目前的本安防爆主导理论还是认为,电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的,因此由于电磁感应产生的火花能量,也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下,要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。 
  本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下,大部分都消失了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发展,目前各国都在对现场总线本质安全概念(fieldbus intri nsical safety concept, FISCO)理论加强研究,争取有所突破。 
  克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。 
  现场总线的线状结构的优点在前面说明了,它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了,这条支路就瘫痪了。对于网状结构,断了一、二条支路,信息还能够通过其它路径传递;系统的性能会下降,但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一,也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。 
  上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术,它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的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,但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。我们认为计算机通信技术不会取代现场总线。  
二、国内现场总线的发展趋势  
  国内现场总线的发展趋势是:①多种现场总线在国内展开激烈竞争,竞争的重点是应用工程;②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场;③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 
  现场总线技术传入中国已经好几年了,前几年我们主要是了解学习和宣传,然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段,市场潜力巨大,各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场,他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。 
  我们认为,这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的,它促使更多的人了解现场总线,为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好,那是不可能的。 
  对于目前的争论,我们的看法是: 
  从国内标准化的角度讲,我们应该紧跟国际标准化的潮流,加大对IEC标准的学习、宣传力度,使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。 
  从现场总线产品的开发角度讲,应把有限的资金集中在有限的目标上,不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲,已经投资在哪种总线上,应坚持做下去;不宜过多地变换目标。 
  从现场总线的应用角度讲,我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争,有利于降低产品价格,有利于加快现场总线在我国的推广。 
  笔者认为,每种现场总线有自己的适用范围,在它自己的适用范围内,它是最好的,出了这个范围它就不是最好的。同时,现场总线是一种正在发展中的技术,迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中,今天存在的问题明天可能就克服了。 
  从“九五”起,我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果,HART仪表已经开始批量试用,FF仪表也即将投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。 
  国内企业要推广现场总线产品,目前的主要困难是:①产品尚不成熟;②扩充和配齐品种规格所需的开发力量(资金和人才)不足;③市场开发的投入不足。因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后,国内企业销售产品会轻松得多。 
  现在要使用现场总线,客观地说不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。 
  我们认为推动我国现场总线发展的捷径是,供助外国公司的力量,大力推动现场总线的应用。 
  对于选哪种现场总线,我们建议选确实降低系统成本的现场总线。因为是否确实能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志。 
  由于现在尚无全能的现场总线,因此我们建议在系统的不同部分选不同的现场总线,即在系统的每个部分都选最适合的现场总线。前面已经谈到,位式现场总线相当便宜,非常适合传递开关量信息。因此当过程控制系统中有较多的开关量时,应该在系统中增加一条位式现场总线。 
三、现场总线应用工程的发展趋势  
1、通过应用技术发挥现场总线的优势  
现场总线系统的优越性很多,主要突出它的哪一种优点 
  我们认为首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要,有了这一基本思想,在进行总线类型的选择和网络设计时,就会有明确的方向。 
  但是,现场总线的这项优点能否发挥,与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。  
2、不同类型的现场总线组合更有利于降低成本  
表1(略)列出了不同类型现场总线的简单比较,针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。 
  从表1可以看到,位式总线的能力很有限,用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本,速度等方面的优势又是其它高层次总线无法替代的。因此它常常与其它总线混合使用。 
  用户可能会担心,用了多种现场总线,会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人-机界面软件,都支持多种现场总线,因此到人-机界面这一层,不同总线的区别对使用者来说是不大的。   
3、现场总线的本质是信息处理现场化   
一个控制系统,无论是采用DCS还是采用现场总线,系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上,采用现场总线和智能仪表后,可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了,而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理,减少现场与控制机房之间的信息往返。 
  如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆,是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标,也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。   
4、网络的设计   
一般控制系统也有网络设计问题,网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置。 
  前面提到许多现场总线的网络形态是线形的,每一组网段上的节点数是有限制的。由于网段上的节点数较少,因此除考虑网络的物理布置之外,还要考虑减少信息在网络上的往返传递。 
  减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此,网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点,放在同一条支路里。例如多回路调节中,一个调节回路的节点应尽量放置在同一条支路里。   
5、系统组态傻瓜化   
现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块,虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别,但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块,是系统组态要解决的问题。 
  考虑这个问题的原则是,尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。 
  目前现场总线系统的组态是比较复杂的,需要组态的参数多,各参数之间的关系比较复杂,如果不是对现场总线非常熟悉,很难将系统设置到最佳状态。显然,广大用户对这种状态不满意。现场总线系统的制造商也正在努力,以使系统组态逐步傻瓜化。 
  现场总线的发展很快,我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流,其发展速度超出预料。我们希望政府和企业应拿出更多的资金,投入这一领域,这是大有希望的事业。 

审核编辑(王静)
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