现场仪表与控制室仪表之间的数字通信统称为现场总线。实际因为现场设备不同,数字信号传输数据的通信宽度不同,而分为传感器总线、设备总线和现场总线几种(统称为现场总线)；又于过渡期有HART协议的准数字化通信；另外,就是国际标准和行业标准的复杂性和数字通信技术发展速度太快造成的系统架构扁平化等等原因,使现在现场总线技术处于“春秋战国”时期,所以有必要让流程工业及加工业决策者,对这个问题理出一个思路来,促进现场总线技术的普及。
20世纪70年代大约在电动单元组合式仪表研发时期,出现了4～20mDC的国际统一信号(对应电压信号为1～5VDC),相应两线制技术也得到普及。两线制是指一个现场变送器由两根导线与控制室对应端子相连,在其上完成供电(24VDC)及电流信号传输。当然,四线制技术也还可以使用(四线制指现场变送器接两根电源线和两根信号线)。
在1986年美国Rosemount公司推出HART(HighwayAddressableRemoteTransducer可寻址远程传感器高速公路)通信协议,在原两线制变送器上增加了数字信号传输功能,即在4～20mA的直流模拟信号基础上叠加了一个波形为FSK(FrequencyShiftingKeying)Bell202的数字通信信号,以后得到多家仪表研制这方面的产品。严格地说,它不是现场总线,但由于它兼容了模拟信号及有利于改造老产品,所以10多年来它还能生存下来,而且有所发展,如它规定了设备描述语言,而且多种DCS、PLC均可与之相连,配套的HARTMuHiplexer多路复用器之外,还有HARTI/O,使老装置装置改造中现有布线系统得到利用,完成工厂资产设备管理等功能,提高工厂生产效率。
国际标准和行业标准
追溯上世纪80年代IFC、90年代初ISP及ISPF已经进行了初步联合,1994年法国加入成立现场总线基金会(FF)比HART通信协议公布稍后,国际电工委员会IEC于1988年IEC/TC65/SC65C/WG6工作组正式开始现场总线标准化工作,于2000年1月正式通过IEC61158测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线标准,有10种类型,为了便于标准的应用,又制订了IEC61784作为解释和补充,IEC61784为工业控制系统的连续和断续制造用现场总线行规设置,涉及7个协议簇,即FF、ControlNet、Profibus、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、Interbus。
另外,IEC/TC17/SC17B分管低压电器的分委员会制订了IEC62026有关的现场总线AS-I、DeviceNet、SDS及Seriplex4种现场总线标准；IEC/TC22分管电力电子的分委员会将CAN总线列为国际标准,而且ISO(国际标准组织)通过为标准:CANISO11898(1Mbit/s)与CANISO11519(125Kbit/s)。以上通常称有7+4+1=12种现场总线国际标准。也有很多人把部分应用较少或原理与其它总线相宾的总线略去而称有8种现场总线。
在未成为国际标准的现场总线中,应用很广,性能很好的有Lonworks,它为ANSI美国国家标准及智能建筑等5个行业的标准；Modbus总线应用的历史较长,现在也在发展与以太网相结合等技术；另外就是CC-Link,它由日本三菱公司推出,应用面也很广。
关于多标准问题
在IEC制订现场总线标准的同时,各国或跨国大公司也在积极开发现场总线,一些国家或行业的特殊性,IEC原设想的现场总线基金会虽然代表了100多个国家,其开发的基金会现场总线并不能满足各行业的要求,而且要满足过程工业的要求,也还有一个完美的过程,所以只好将其低速标准FF的H1部分与其它各种功能相近的Profibus-PA、Profibus-DP等并列为标准。另外原因就是数字通信技术发展很快,加之FCS概念虽已形成,但与DCS、PLC等系统还得“和平共处”一无相当长时期；又与80年代刚制定标准时期相比,FF高速标准与以太网(互联网)技术相兼容是大势所趋,所以出现了FF的HSE及Profinet等标准,这些都是顺应潮流的选择。应该说多标准的产生,这是反映了数字通信技术的现实,不是以人们的意志而转移的。既然是多标准,以后还会有所增加,我国如有新的现场总线出现,也可以争取成为国际标准。
如事先制订出统一的开放的、可互操作的一个现场总线标准,制订出来以后,多数厂家都放弃原来的现场总线,当然很理想,最大受益者为最终用户,但是我们要面对现实,在承认现状、积极应用现标准的同时,用户和制造厂都对开放性和可互操作性的理想锲而不舍,我想这一天终究会到来。
现场总线的比较
多现场总线是制造商、集成商和最终用户以来不便选用困难,但是通过比较,结合自身特点,是能选出一种或两种现场总线,并发挥现场总线技术的优势,以来经济效益,而且可以自下而上防止出现信息孤岛。
主要现场总线比较如表1所示。表中除主要性能特点以外,与选型有关的还有:主从方式、无主方式或点对点方式；传送过程数据和住处组态住处运行状态等报文长短；通信实时性；通信准确性和通信安全性等。高速或上层的现场总线在表中所列的FFHSE、Profinet、ControlNet中的Ethernet/IP均使用了工业以太网；其它的现场总线现在也在致力于和以太网(互联网)相连；加之工业以太网也在从事“e网到底”的努力,即在发展直接与以太网相连的I/O模块;又IEC正与IAONA(工业自动化开放网络联合会)制订包含工业以太网行规的“工业网络化系统安装导则”,所以我们要重视工业以太网的发展。
结束语
▲我国在HART、FFH1、Profibus的研发方面投入了很大力量,也出现了一些产品,推广工作正在加强。在过程控制领域中,应在全球化的背景下,尽快应用到实际工作中,产生经济效益。
▲我国在CAN、Lonworks的开发研制和应用方面最为活跃,而且在很多行业取得了一定实效,所以应该继续努力。
▲传感器市场日新月异,美国约有17000多种传感器,我国也有6000多种；世界非军用传感器市场1998年为325亿美元,平均年增长率为9%,预计2008年将增加到506亿美元,我国传感器市场2003年销售额为186亿元,同比增长32.9%。流程工业用差压变送器出现了EJX型等多变量变送器,采用FF现场总线技术,能把质量流量、介质压力及导管堵塞诊断、蒸汽体热诊断和孔板磨损情况等多种信号和信息经一根双绞线传送到中央控制室,对设备维护、保证生产正常操作和装置安全都有很大作用,从而促进了自动化系统管控一体化的变革。具体工程实例有广东惠州的中海壳牌南海项目及上海赛科乙烯项目,全面采用基金会现场总线技术,分别由横河和艾默生—罗斯蒙特承包。其中横河总承包的广东项目为80万吨/年的乙烯、24万吨/年的乙二醇、56万吨/年的单体苯乙烯以及氧化丙烯(SMPO)等,预计2005年12月正式投产,这为国际上规模最大、技术最先进的工程之一,将对现场总线技术用于流程工业起到示范作用。
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