现场总线的应用分析

夏德海

（北京钢铁设计研究总院，北京100053）

1 历 史

现场总线于20世纪中后期在欧洲首先出现，后来发展到北美。当时现场总线有40多种，其中有的是企业标准，有的是国家标准，如英国的ERA，法国的FIP，芬兰的FINT，德国的Profibus。有些标准随后成为欧洲标准。1984年国际标准化组织之一，国际电工委员会IEC下的技术分会TC65开始制订现场总线的国际标准［1］。

由于国际标准制订得较晚，各个跨国公司为了各自的利益，围绕着现场总线国际标准的争执达16年之久［2］，最后以妥协告终。2000年1月4日IEC中央办公室公布了投票表决结果［3］，通过了IEC61158现场总线国际标准。该标准包括了8种类型的现场总线，欧洲与北美各有4种。稍后IEC61158的第二版又增加了4种。到最近的一版，增加了实时工业以太网，再加上ISO11898的CAN（Control Area Network）总线和IEC TC17B的SDS（Smart Distributed System）及ASi（Actuator Sensor interface），就有了23种总线。

2 现 状

2.1 标准种类

现场总线的国际标准共有23种，面对如此众多的标准，不免使用户感到困惑与无奈［4］，多标准等于没有标准。

回顾工业自动化仪表的信号制，20世纪初的气动仪表国际标准的信号制为19.6～98kPa；20世纪60年代的电动仪表，开始时也有很多种信号制，但最终定为4～20mA DC，这样使大家有章可循。

2.2 应用领域

现场总线应用于下列三类自动化领域，即过程自动化PA（Process Automation），工厂自动化FA（Factory Automation）及运动控制MC（Motion Contiol）。

a）PA的生产过程一般与热力过程有关，所以变化比较缓慢，如石油和石化、化工，火电厂等。所以DCS的扫描周期一般在200ms，适用的现场总线有FF，Profibus－PA，EPA等，其中以FF的应用情况较好。

b）FA可以用生产线来代表，如汽车制造，饮料罐装等。PLC扫描周期大概在几ms到几十ms，适用的现场总线有Profibus－DP，Device Net等，其中以Profibus－DP应用最为普遍。

c）MC主要用于印染或彩色印刷机等。其要求的速度很快，而且还要求时间同步，常以微秒级来衡量。适用的现场总线有SERCOS，Power Link及Ether－CAT等。

所有的现场总线很难全面兼顾，只能在某一方面有所侧重。

2.3 标准过多的缺陷

虽然围绕着国际标准的现场总线争执以妥协告终，但在随后的推广过程中，情况并不理想。

由于标准过多，用户中的观望者较多，市场分散，不易做到扩大生产、降低成本，结果谁也不是赢家。

形成对比的是微软的操作系统。虽然不是国际标准，但用户多，使用过程中的缺点能及时打上“补丁”，价格也逐步下降，从而形成良性循环。

或许因为这个原因，无线传感器网络WSN没出现像现场总线国际标准那样的争执。至今只有无线HART和中国的WIA－PA，随后可能还有ISA的ISA100。

2.4 PA现场总线

笔者从事PA应用领域，因此仅分析适用于PA的几种现场总线的应用状况及其优缺点。

2.4.1 FF的应用状况

在过程控制领域，FF是比较适用的，其应用面较广，且有多个成功的范例。

a）在国内的中外合资大型百万吨级的石化乙烯项目都使用了FF，有的在现场仪表这一级实现了PID的自主调节，有的仍放在DCS这一级。

b）凡国内独资的大型石油及百万吨级的乙烯项目一概不用FF。

c）据德国NAMUR组织的一次就“讨论现场总线应用中的症结”的圆桌会议的报道［5］，其中提到“仪表设备的集成是最大问题”。同时了解到现场总线不在德国本土应用而仅使用于国外的生产基地的现状。

2.4.2 情况分析

a）根据以上事实，觉得有些地方不可思议。即一般先进技术的应用，首先应该在管理、操作、维护等技术水平较高的工业发达国家中应用，然后推广到发展中国家。而现在却相反，难免有借他国做试验和转嫁风险给合资方之嫌。

b）国内独资的大型石油及石化企业为什么不用FF？据中石化工程建设公司一位专家的说法是“水土不服”。

c）FF的优点。实现了将PID调节下放到现场仪表层，能进行自主调节，从而达到彻底分散，增加了控制系统的可靠性与实时性；用一根双绞线可带多个仪表，而且信号与电源共用一线；FF具有丰富的功能块，其中基本功能块有10个（有各种输入、输出及PID调节等），先进功能块有19个（有超驰控制、比例控制、串级控制、分级控制等）。这些功能块，可以使DCS 60%～80%的基本控制任务下放到现场智能仪表中去。

d）FF的缺点。以上海SECCO项目来看，将PID调节下放到现场仪表时，发现每条H1总线只能带4台设备，离协议中规定的2～32台相差甚远。由此可见，H1的31.25Kbit／s的速度偏低，芯片的功耗偏大；同时由于每条H1总线所带的仪表台数少，所节省的电缆比预计的要少得多；符合FF现场仪表的品种少；虽然出于投标的需要，供货方的FF现场仪表价格相对合理，但其附加的备品、备件等价格不菲，造成FF的总投资造价较高。

2.4.3 Profibus－PA

Profibus原先没有考虑应用于过程控制，后来为了扩大应用领域，将Profibus的DP加以延伸，出现了适用于过程控制的PA，这在先天上就有所不足。例如PA的通信方式与DP一样都是主从系统，不同主站下的从站要互相通信，都必须通过各自的主站，不像FF的通信采用的广播方式即发布者／预订者（Publisher／Subscriber），一旦某个现场设备发布信息，相关设备均能收到。另外，由于Profibus－PA没有功能块，因此不能在现场实现自主调节。虽然Profibus－DP后来得到改进，其软件版本DPV0.0收集周期性数据，版本V1.0可收集非周期性数据，而版本V2.0则使各从站也可互相通信。适用于FA的Profibus－DP则在国际市场上是领先的，目前已达3 000多万个节点，但PA的市场占有份额却不及FF。

2.4.4 ProfiNet

a）ProfiNet的优点。ProfiNet由CBA（Component Based Automation）与I／O Link组成，CBA是基于自动化组件的简称。其设想非常好，即将生产过程划分为若干工序，再将各工序模型化后成为一个电子组件，在应用时按实际需要选择相关的电子组件一一加以连接即可。其使用方便、快捷，且通过I／O Link及Proxy代理可接入各种总线。

b）ProfiNet的缺点。ProfiNet适用于FA，却不太适合PA。因为一般的过程控制工艺流程离不开热交换，而热交换问题相对复杂，因为可变因素很多。ProfiNet采用Profibus－PA，将PA通过代理Proxy接到ProfiNet中去。

2.4.5 EPA

用于过程自动化的以太网EPA（Ethernet for Process Automation）是中控采用实时以太网技术的方案，目前已成为国际标准。

a）EPA的优点。从现场仪表往上经过PCS，MES一直到ERP层，全部都是以太网，可以实现直通快速的无缝链接。遗憾的是，EPA在开发时，可以在现场实现自主调节，但尚无实践的例证。

b）EPA的不足之处。和以太网一样，EPA所使用的电缆也为8芯，而传统的现场总线都是2芯的双绞线，而且工业级8芯电缆价格高。也有人认为，过程行业的参数检测如温度变送器、压力变送器等，数据量（字长）有限，而且过程控制变化较为缓慢，是否需要用快速的实时以太网也值得研究。

EPA目前的试点一般都是小规模的系统，缺乏大型应用范例。而根据现场总线的优点，系统的规模越大效果才越明显。

3 结束语

现场总线何处去？如果现场总线不改进，取而代之的将是基于无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）与能在现场进行自主调节的智能现场仪表，以保证控制的实时性，并与资源共享的云计算相结合的云控系统CCS（Cloud Control System）。在初始阶段，为了保障信息安全，CCS将在企业内部进行封闭式的运行。

［1］ 夏德海.现场总线的现状及其应用（一）［J］.中国仪器仪表，1998（01）：1－3.

［2］ 夏德海.现场总线的现状用其应用（二）［J］.中国仪器仪表，1998（02）：3－5.

［3］ 夏德海.现场总线的现状用其应用（三）［J］.中国仪器仪表，1998（03）：1－4.

［4］ 夏德海.现场总线大战何时休（一）——由此而带来的思改［J］.中国仪器仪表，1999（01）：1－2.

［5］ 夏德海.现场总线大战何时休（二）——由此而带来的思改［J］.中国仪器仪表，1999（02）：1－4.

［6］ 夏德海.如何用先进的自动化技术改造现有企事业［J］.中国仪器仪表，1999（03）：1－4.

［7］ 夏德海.现场总线的困惑、无奈与出路［J］.仪器仪表标准化与计量，2011（05）：10－15.

［8］ 夏德海.评IEC现场总线国际标准投票表决结果［J］.仪器仪表标准化与计量，2000（01）：5－7.

［9］ GERD K.讨论现场总线应用中的症结［J］.流程工业，2009（01）：42－46.

［10］ 夏德海.现场总线与后DCS时代的需求［J］.自动化仪表（增刊），2011（08）：80－84.

［11］ 缪学勤.20种类型现场总线进入IEC61158第四版国际标准［J］.自动化仪表，2007（09）：25－29.

［12］ 夏德海.DCS与现场总线纵横谈［J］.自动化仪表，1995（12）：1－8.

［13］ 夏德海.自动化现状及钢铁企业自动化的前提条件［J］.基础自动化，1995（03）：1－6.