1、現(xiàn)場總線技術

1.1現(xiàn)場總線技術概念
　　根據國際電工委員會IEC1158定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是“安裝在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線”。或者說，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。其中，“生產過程”應包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程兩類。現(xiàn)場設備/儀表指位于現(xiàn)場層的傳感器、驅動器、執(zhí)行機構等設備。因此，現(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數字化網絡技術?；谶@項技術的自動化系統(tǒng)稱為FCS（Fieldbus Control System）。

　　1.2現(xiàn)場總線技術的主要特點
　?。╨）數字化通信取代4~20mA模擬信號傳統(tǒng)技術，現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4~20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。應用現(xiàn)場總線技術可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場設備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數字化通信完成底層設備通信及控制要求。
　　（2）現(xiàn)場設備智能化應用現(xiàn)場總線技術，要求現(xiàn)場設備（傳感器、驅動器、執(zhí)行機構等設備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數化）設備。因此，現(xiàn)場總線技術以計算機大規(guī)模集成電路的發(fā)展為基礎。
　?。?）集現(xiàn)場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體現(xiàn)場總線采用計算機數字化通信技術連接智能化現(xiàn)場設備，因此，控制器可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，可實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送，可完成設備遠程控制、參數化及故障診斷工作。
　?。?）現(xiàn)場總線是計算機網絡通信向現(xiàn)場級的延伸傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設備與控制器之間的通信采用一對一連線的方式，傳輸4~20mA/24VDC信號。這種通信技術信息量有限，難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術采用計算機數字化通信技術，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網絡，成為企業(yè)信息網絡底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現(xiàn)場。
　?。?）現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)工廠底層信息集成的關鍵技術要成功的實施CIMS，各層次的信息集成及支撐技術——計算機網絡問題就必須得到解決?，F(xiàn)場總線是工廠計算機網絡到現(xiàn)場級設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術基礎。

　　1.3現(xiàn)場總線技術發(fā)展及標準
　　（1）國內外現(xiàn)場總線技術、產品發(fā)展迅速國際上現(xiàn)場總線技術及產品、系統(tǒng)發(fā)展迅速。以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，目前支持PRomBUS標準的產品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產廠家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，年增長率25%。由CONSULTIC提供的現(xiàn)場總線系統(tǒng)FBS（FBSz由10個以上設備組成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)）市場調查表明（在歐洲市場，1996年）：已安裝的FBS為427500套，新增FBS數量為146400?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)占整個自動化系統(tǒng)市場份額平均為25%。目前國際著名自動化、儀表、電器制造商均有現(xiàn)場總線產品及系統(tǒng)，如羅克威爾、西門子、施耐德、羅斯蒙特、霍尼威爾、橫河等。
　?。?）現(xiàn)場總線沒有形成統(tǒng)一的國際標準現(xiàn)場總線技術得以實現(xiàn)的一個關鍵問題，是要在行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線技術標準。國際上著名自動化產品及現(xiàn)場設備生產廠家，意識到現(xiàn)場總線技術是未來發(fā)展方向，紛紛結成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標準及產品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴大影響，并支持國際標準組織制定現(xiàn)場總線國際標準。各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標準中的競爭，實際是技術、經濟實力的較量，是對未來市場的爭奪與瓜分，因此，由于利益所在，在短期達成協(xié)議是很困難的。目前，IEC還沒有達到預期目標。#p#分頁標題#e#
　?。?）不可能用一種現(xiàn)場總線標準面對種類繁多的自動化行業(yè)和各種各樣的應用需求自動化技術對通信網絡的要求不同于計算機，沒有脫離行業(yè)的自動化，不可能用一種現(xiàn)場總線標準面對種類繁多的自動化行業(yè)和各種各樣應用需求。某一種現(xiàn)場總線標準在某些領域中是適用的、具有高性能價格比，超出這些領域可能就不是最優(yōu)的，甚至是不適用的。試圖用一種現(xiàn)場總線標準去覆蓋所有應用領域范圍的想法和做法是不現(xiàn)實的。
　?。?）面對眾多的現(xiàn)場總線標準，應積極開展適合中國國情的、面向制造業(yè)自動化的現(xiàn)場總線技術的研究面對國際上各種流派的現(xiàn)場總線及標準，中外專家普遍認為：
　　·期望IEC能盡早按預期目標完成統(tǒng)一標準的制定。但按目前進度估計，近年內IEC很難完成預期目標。
　　·目前IEC提出的建議方案只限于過程自動化，難于滿足其它應用領域要求，不可能成為唯一標準，很可能形成多種標準體系共存。在統(tǒng)一標準框架下做多種通信協(xié)議接口，可能是統(tǒng)一標準的一種適宜的解決方案。

　　針對我國現(xiàn)場總線技術發(fā)展政策，我認為，不能無限期等待IEC的國際標準。應結合我國國情，積極跟蹤、引進、研究國際上已有成熟應用經驗的現(xiàn)場總線標準，開展適合我國國情的、面向行業(yè)的現(xiàn)場總線技術、標準、應用和產品開發(fā)的研究。

2、工廠底層自動化系統(tǒng)及信息集成技術

　　2.1CIMS體系結構及工業(yè)數據結構的層次劃分根據工廠管理、生產過程及功能要求，簡化的CIMS體系結構可分為3層，即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。如圖1所示。

　　2.2現(xiàn)場級和車間級自動化監(jiān)控與信息集成是工廠自動化及CIMS不可缺少的重要部分現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設備單機控制、連線控制、通信連網、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設備生產、運行數據的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設備高質量完成生產任務，并將現(xiàn)場設備生產及運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數據庫提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎。

3、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展促使工廠底層自動化系統(tǒng)及信息集成技術產生變革

　　3.1傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控系統(tǒng)
　　傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控系統(tǒng)多是基于PLC的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。其主要特點之一是：現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。如圖2所示。

　　3.2系統(tǒng)主要缺點
　?。?）信息集成能力不強 控制器與現(xiàn)場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障記錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對底層數據的要求。

　?。?）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強 除現(xiàn)場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。
　?。?）可靠性不易保證對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。
　　（4）可維護性不高由于現(xiàn)場級設備信息不全，現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。#p#分頁標題#e#

　　3.3現(xiàn)場總線技術的發(fā)展促成新一代自動化監(jiān)控系統(tǒng)的產生
　　現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，新一代基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)已初露端倪，未來基于現(xiàn)場總線技術的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。

　　3.4基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要優(yōu)點
　?。?）基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)增強了現(xiàn)場級信息集成能力現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求。現(xiàn)場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4~20mA信號，還可實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。

　?。?）開放式、互操作性、互換性、可集成性不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。
　?。?）系統(tǒng)可靠性高、可維護性好基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。
　　（4）節(jié)省成本對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。

　　3.5基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)結構的變化
　　系統(tǒng)所有的軟、硬件均可由多家廠商提供，而且具有互操作性、互換性，可方便實現(xiàn)硬件及信息集成。系統(tǒng)的主要區(qū)別是具有面向不同行業(yè)的專業(yè)軟件，將會在市場上看到面向行業(yè)的各種系統(tǒng)，如發(fā)電、輸配電、制造、化工、樓宇等。
　?。?）控制器由于控制器對現(xiàn)場設備的監(jiān)控是通過標準的現(xiàn)場總線通信完成，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品，可使用任何一家的具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設備與控制器集成。因此控制器的主要指標是高速指令處理能力、大存儲容量及現(xiàn)場總線通信接口。所以控制器將被標準的、通用的硬件平臺Compact、Computer所取代，如Intel/Windows類PC機。
　　（2）I/O模塊插在控制器機架上的I/O模塊由連接到現(xiàn)場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產品，而是第3方廠家的產品；廉價的、專用的、具有特殊品質的I/O模塊（如高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等）將具有廣闊市場。
　?。?）現(xiàn)場設備向專業(yè)化方向發(fā)展，具有程序及參數存儲、智能控制功能，具有現(xiàn)場總線接口。控制器將下放一定的控制工作由現(xiàn)場設備自身完成，控制器只作參數化及運行監(jiān)測工作。如驅動器、傳感器、變送器、具有專業(yè)控制算法的調節(jié)器、執(zhí)行機構、HMI、電機啟動及電流保護裝置、輸配電保護裝置、高、低壓開關設備，這些設備將由那些在本行業(yè)中具有優(yōu)勢的廠家制造并具有互操作性、互換性。
　　（4）軟件一方面，軟件不再與控制器、I/O、現(xiàn)場設備等硬件捆綁，可運行在通用的標準控制器硬件，平臺上。軟件將成為具有標準通信協(xié)議、標準的基本編程語言（如IEC1131〉、統(tǒng)一的界面風格、標準數據格式與標準數據庫接口的通用自動化軟件平臺。
　　另一方面軟件必須是開放式的，允許行業(yè)上有獨到經驗的自動化專家廠商將專業(yè)的控制算法、仿真、優(yōu)化、調度等專用自動化軟件嵌入通用軟件平臺上，推出自己的面向行業(yè)的專業(yè)自動化系統(tǒng)。

4、現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控系統(tǒng)自主開發(fā)及產業(yè)化的新機遇

　　4.1基于現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)促使系統(tǒng)生產廠商產生新的分化
　　主要特征為控制器與系統(tǒng)軟件制造商分離，趨向于通用化產品。I/O、傳感器等現(xiàn)場設備及應用軟件的開發(fā)制造趨向于專業(yè)化。#p#分頁標題#e#
　?。?）控制器傳統(tǒng)意義上的PLC、過程控制站將逐漸被標準的、通用的控制器硬件平臺一一Compact Computer所取代。這是基于PC總線、Intel/Windows兼容的工業(yè)級、堅固型PC機。通用型計算機廠家產品將占主導地位。
　　（2）系統(tǒng)軟件由專門監(jiān)控類軟件公司開發(fā)的產品，如：IntentHion（FIX）、Wonderware（IN-
TOUCH）、PcSoft（WIZCON）等將占主導地位，而不是控制器硬件廠商的捆綁軟件產品。基于PC/WINDOWS平臺的、所謂“軟PLC（SoftPLC）”，與Intel/Windows兼容的工業(yè)級、堅固型PC機“組合”，可能會成為控制器或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主站的主流。
　　（3〉現(xiàn)場設備傳感器、驅動器、執(zhí)行機構、遠程I/O等，由不同的、具有專業(yè)優(yōu)勢的廠家制造，如E+H、ROSEMOUNT的儀表，SIEMENS、A-B、ABB、丹佛斯的驅動器、施耐德、SIENMENS的輸配電保護裝置、高、低壓開關設施、施耐德、SIEMENS、A-B的I/O模塊等。
　　（4）系統(tǒng)將有更多的廠家，基于通用軟硬件平臺和標準，在自己專業(yè)領域推出面向行業(yè)的、具有專業(yè)軟、硬件控制功能的系統(tǒng)。

　　4.2自動化系統(tǒng)自主開發(fā)及應用推廣的新機遇
　　無論是PLC還是DCS，系統(tǒng)的硬件、軟件甚至現(xiàn)場級設備都是捆綁銷售的。由于國際著名自動化系統(tǒng)制造商在開發(fā)投入、生產規(guī)模、銷售組織、品牌宣傳、應用支持方面比國內廠商具有絕對優(yōu)勢，因此，國內絕大部分產品市場份額被國外廠家占有。由于系統(tǒng)的封閉性，國內廠家很難在國外系統(tǒng)產品上做面向行業(yè)的專業(yè)性技術開發(fā)以期達到系統(tǒng)增值，多數國內系統(tǒng)集成商所能做的只是系統(tǒng)成套。系統(tǒng)集成商之間的市場競爭成敗，其中技術因素不多，主要是在價格方面。
現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，新型自動化監(jiān)控系統(tǒng)的產生，使系統(tǒng)趨于開放，系統(tǒng)產品趨于通用型，具有互操作性、可互換性，總之，新型自動化監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個開放的、通用標準的軟硬件平臺。因此，這就為國內廠家提供了進入市場的機會。一方面對于自動化系統(tǒng)集成類企業(yè)，可利用企業(yè)在系統(tǒng)設計、軟件設計優(yōu)勢，利用企業(yè)在某一領域自動化方面具有技術、經驗、知識方面優(yōu)勢，在通用的系統(tǒng)平臺上，開發(fā)出自己的，面向優(yōu)勢行業(yè)的、具有專家及智能控制功能的系統(tǒng)，這比單純的系統(tǒng)配套可為企業(yè)帶來更多的效益。另一方面，國內大批現(xiàn)場設備制造廣家（如驅動器、傳感器、變送器、調節(jié)器、執(zhí)行機構、HMI、電機啟動及電流保護裝置、輸配電保護裝置、高、低壓開關設備等等），特別是那些生產特殊品質產品的廠家（如具有專業(yè)控制算法的調節(jié)器、高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等現(xiàn)場設備產品〉，改造產品使之具有現(xiàn)場總線接口，可為本企業(yè)產品開拓更廣泛的市場。因為，采用進口控制器、國產現(xiàn)場設備（如驅動器、傳感器、變送器、調節(jié)器、執(zhí)行機構、I/O）的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，兼顧了可靠性、功能、價格3方面因素，會得到用戶青睞并具有廣闊市場的。

5、結束語

　?。?）從工廠底層自動化及信息集成技術角度看，現(xiàn)場總線技術不是一項單純的以芯片換電纜的技術，是計算機及其數字化通信技術向工廠底層，即設備層的延伸。如同其他領域發(fā)生的一樣，現(xiàn)場總線技術是工廠底層通信技術的一次數字化革命。
　?。?）工廠底層自動化及信息集成技術是實現(xiàn)全廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎?，F(xiàn)場總線技術的發(fā)展，使其傳統(tǒng)系統(tǒng)結構發(fā)生變革，并帶來傳統(tǒng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)異特性，如豐富的現(xiàn)場信息資源、系統(tǒng)的開放性、產品的可互換性。
　　（3）系統(tǒng)結構的改變，最終將導致制造商們重新調整市場策略和格局。開放性為中國自動化產業(yè)帶來了新的機遇。