现场总线对自动化仪表与系统的影响及其发展路径探索

石泽宇

摘要：文章以现场总线的主要技术特点、网络通信模型以及主流现场总线比较等为切入点，分析了现场总线的发展现状，继而研究其对自动化仪表与系统产生的影响，在把握发展趋势的同时对其今后的发展路径进行了探索。

关键词：现场总线；自动化仪表与系统；发展

在以往的发展中，工业过程控制仪表一直对4-20 mA标准的模拟信号予以采用，在微电子技术、大规模及超大规模集成电路的迅猛发展背景下，微处理器在过程控制装置、变送器以及调节阀等仪表装置中得到了愈发广泛的应用，智能变送器、智能调节阀等以高新技术为支撑的仪表产品得以出现并呈现出极为迅速的发展态势。现代化工业过程控制在速率、精度、成本等多种环节对仪表装置提出了更为严格的要求，致使数字信号传输技术与装置对现行模拟信号传输技术与装置的代替已是大势所趋，其中的现场传输技术与装置便是现场总线。换言之，现场总线是一种由过程控制技术、仪表技术以及计算机网络技术相互结合的产物，它的出现以过程控制技术由分离设备向共享设备的发展、仪表技术由简单向智能的发展以及计算机网络技术由MAP网络向现场网络的发展为标志。

1.现场总线的发展现状

1.1主要技术特点

现场总线对以往的控制系统结构形式予以打破。传统控制系统（Distributed Control System，DCS）采用一对一的设备连线方式，各设备根据控制回路分别建立起联系，一对一的物理连接在现场测量变送器与控制室控制器之间、现场执行器与控制器之间、开关与控制器之间等方面均有体现；而在现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）中，设备作为网络中的节点会全部连接于总线之上，这实现了对电缆的节省，并向布线提供了便利。

不仅如此，现场总线的结构还呈现出以下技术性特点与优势：（1）性价比提高；（2）系统性能显著优化；（3）对数字信号通信予以采用；（4）具有互操作与互用性功能；（5）可进行双向传输；（6）系统开放性特征明显；（7）现场设备被赋予了智能与自治的能力；（9）系统的精度与自诊断能力大幅提升；（10）软硬件的设计与安装支出以及系统的维护支出得到降低；（11）组态与修改更加简单与便捷。

1.2网络通信模型

现场总线控制系统由多个节点组成，这些节点具有通信功能，各节点之间需要持续进行数据的交换与信息的控制，它们在通信之时必须以事先商定好的规则为约束，严格按照规则要求的格式与时序进行数据的交换。其中，规则、约定与相关标准统称为网络协议，它们的建立以网络数据的有序与高效交换为目的。

作为一种网络系统，ISO/OSI参考模型的7层（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）模型有着丰富的内容与完善的结构，它对多种网络通信问题均有涉及。传感器、控制器与执行器等是在现场总线控制系统中参与通信的相关网络节点，它们发挥的网络功能较为简便，进行的数据传输也比较少，但对网络的实时性与可靠性提出了严格的要求。针对于此，很多现场总线网络模型都在一定程度上简化了参考模型的7层结构，仅对其物理层、数据链路层与应用层予以保留，有的甚至只保留了物理层与数据链路层两层结构，如果涉及的内容较为复杂，则会外加一个用户层。只有个别的网络模型将完整的7层结构包括在内。

1.3主流现场总线的比较

当前，FF，Profibus-DP，CAN等现场总线技术在我国的应用较为广泛，它们以各自的特色在相关领域发挥着不容忽视的作用，每种技术均不可替代，表1所示为几种总线的对比。

2.现场总线对自动化仪表与系统的影响

對于自动化与仪器仪表而言，现场总线的出现为其工业革命的发生产生了推动作用，促使其实现产品全面更新与换代的技术性变革。现场总线之所以能够得到人们的关注，逐渐发展为研究工作的热点内容，原因在于它能对控制及自动化仪表与系统产生极为深远的影响。具体而言，这些影响有以下方面的体现：

（1）对4-20 mA DC联络信号予以全面取代，数字化的传输信号得以实现，为现场布线提供了极大的便利，降低了近70%成的现场配线费用支出。（2）赋予了现场仪表更多、更先进的功能，例如控制、报警以及趋势分析等，降低了D/A与A/D的变换率，对上层系统予以简化，最终实现了对现场装置精度及其可靠性的大幅度提升。（3）不同厂家之间实现了对产品的交互操作与互换使用，对于用户而言，便利性得到了极大的提高。（4）加速了自动化仪表技术与自动化系统的发展，使其由模拟数字混合技术转变为全数字化技术，由封闭式系统转变为开放式系统。现场总线使得自动化系统采用开放系统互连参考模型进行高层通信网络的建立，极大地强化了系统冗余与故障诊断功能以及容错功能，大幅度提高了系统的可靠性与安全性。相对而言，现场总线为自动化系统的开放式发展奠定了基础，而开放型的自动化系统又成为现场总线发展的必然。（5）现代自动化正在朝着综合自动化的方向发展，它对过程控制与企业管理进行有机结合，以多项综合式集成发展为其发展的最终目标。在这一综合自动化的发展进程中，现场总线智能化仪表以及开放式的自动化系统成为最有效的手段与工具。（6）微处理器对现场仪表予以引入，突出了现场仪表的智能化与功能多样化的特征。现场总线加速了新式、更为先进的现场设备（如测控一体化产品、多变量变送器等）的产生与应用。应用智能仪表，软硬件进行了结厶，传统的实现方式得到了改变，软件向众多功能的实现提供了越来越多的支撑。（7）应用于现场总线，所有的控制设备与测量值都能通过工程单位得到体现，简化了在控制装置中将初始传感器数据转换为工程单位的操作，实现了对控制装置在任务中的解脱，使其履行起更加高级的控制职责。（8）对现场总线多变量现场仪表的采用极大地减少了仪表的数量，最终实现了仪表购置、安装以及维护等成本支出的缩减。（9）现场总线标准实现了很多控制功能从控制室向现场的流转，工厂的控制系统结构由此发生了彻底性的变革，这是其最为显著的影响所在。当前，数字式仪表已经对模拟仪表予以取代，控制功能的完成方也己由DSC转变为由现场总线开发的相应功能模块。现场总线对很多新概念的应用完善了现场仪表的检测与控制功能，向更加开放的控制系统（现场控制系统FCS）提供支持，为过程控制系统与仪表制造工业带来了极为深刻的变革。

3.现场总线的发展趋势与路径把握

3.1现场总线的发展趋势

近年来，工业以太网技术得到了突飞猛进的发展，此标准原来应用于IT领域，目前亦在信息网扩展中实现了广泛地开发。相较于其他工业自动化技术，工业以太网技术以其日益完善的性能与迅速降低的成本取得绝对性的优势，这使很多工业自动化领域中的企业将更多精力放于对以太网资源的利用之上，因此，新生代的工业自动化网络势必会以以太网为基础而建立，以太网技术已成为支持工业发展的热点。

分析总线技术的发展方向，当前全部的现场总线都将实现向Ethernet的过渡，很多以现场总线为基础的控制系统最终都会与Ethernet建立连接，在满足一定条件后，还会实现与Internet的连接。对于工业控制系统而言，工业以太网是其一个主要的发展方向，当前过程监控层对工业以太网进行了大量的应用，其在现场层的应用则主要以对现场总线技术的采用为体现。

3.2现场总线的发展路径

第一，政府职能部门与各决策机构应给予高度重视于现场总线技术的发展，尽早作出响应，推动技术开发向国家意志的方向上升。第二，相关部门要在全社会进行工业的宣传，使仪表生产企业与广大用户对现场总线技术有一个充分的认识与了解，打下坚实的群众基础于技术的科技攻关、研究开发与推广应用。第三，成立多处现场总线协会，以企业为主体，依赖于大型企业集团的支撑，让用户广泛参与进来，加速技术发展，扩大产品开发与应用规模，开放格局，在与国际的接轨中对相关工作的开展进行指导。第四，吸收人力、物力、财力等资源对以现场总线为基础的智能网络自动化仪表进行大力开发，从科技攻关产品开发、技术改造与行业工作推进等方面向相关单位提供重点支持，建立开放自动化系统生产基地，形成适度规模经济。

4.结语

基于现场总线的控制系统己成为工业自动化发展的必然趋势，在网络技术迅猛发展的今天，工业以太网日益向现场设备层渗透，现场总线今后应沿着提高认识、正确决策、做好全社会宣传、组织建设以及建立现场总线自动化仪表与生产基地等路径实现更好、更快的发展。