現(xiàn)場總線與工廠底層自動化及信息集成技

摘要：本文從工廠底層自動化及信息集成技術(shù)角度，論述了現(xiàn)場總線技術(shù)的概念及特點(diǎn)，分析了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)品市場格局的改變。作者認(rèn)為我國自動化產(chǎn)品制造業(yè)面臨一次新的機(jī)遇。 1．現(xiàn)場總線技術(shù) 1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概念 根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是"安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線"?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。其中，"生產(chǎn)過程"應(yīng)包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?，F(xiàn)場設(shè)備/儀表指位于現(xiàn)場層的傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)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(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；谶@項(xiàng)技術(shù)的自動化系統(tǒng)稱為FCS（Fieldbus Control System）。 1.2 現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點(diǎn) 1.2.1 數(shù)字化通信取代4-20mA模擬信號：傳統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個(gè)測控點(diǎn)）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(guān)量信息）信號。應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數(shù)字化通信完成底層設(shè)備通信及控制要求。 1.2.2 現(xiàn)場設(shè)備智能化：應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，要求現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數(shù)化）設(shè)備。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)以計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路的發(fā)展為基礎(chǔ)。 1.2.3 集現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體：現(xiàn)場總線采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)連接智能化現(xiàn)場設(shè)備，因此，控制器可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，可完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷工作。 1.2.4 現(xiàn)場總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場級的延伸：傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)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(shù)信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)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(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。 1.2.5 現(xiàn)場總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工廠底層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)：要成功的實(shí)施CIMS，各層次的信息集成及它的支撐技術(shù)-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題就必須得到很好的解決?，F(xiàn)場總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場級設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。 1.3 現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn) 1.3.1 國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展迅速 國際上現(xiàn)場總線技術(shù)及產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)展迅速。以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)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（FBS：由十個(gè)以上設(shè)備組成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)）市場調(diào)查表明（在歐洲市場，1996年）：已安裝的FBS為427500套，新增FBS數(shù)量為146400?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)占整個(gè)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(chǎn)品及系統(tǒng)，如羅克威爾、西門子、施耐得、羅斯蒙特、霍尼威爾、橫河等。 1.3.2 現(xiàn)場總線沒有形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)場總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問題，是要在自動化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際上著名自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識到現(xiàn)場總線技術(shù)是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大影響，并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗(yàn)證明：國際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)?，體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其最終還是要?dú)w結(jié)到市場實(shí)力的競爭。 據(jù)說目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種： PROFIBUS現(xiàn)場總線： 1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占?xì)W洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場運(yùn)行。 1989年12月，自愿在其產(chǎn)品中采用PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)組成用戶組織（PNO），1995年成立PROFIBUS國際組織（PI）。目前，PI在20個(gè)國家和地區(qū)有地區(qū)性組織，會員超過800家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并建立現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有：制造業(yè)自動化、過程控制自動化、電力自動化、樓宇自動化、鐵路交通信號系統(tǒng)。 FF現(xiàn)場總線： 1994年由ISP 基金會和World FIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立FF基金會，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國際現(xiàn)場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。FF現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。 LONWORKS總線： LONWORKS現(xiàn)場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希望推出能夠適合各種現(xiàn)場總線應(yīng)用場合的測控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動化方面。 CANBUS現(xiàn)場總線： CANBUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動化等場合均有所應(yīng)用。 WorldFIP現(xiàn)場總線： 96年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 50170 V.3）。WorldFIP現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應(yīng)用。 P-NET現(xiàn)場總線： 1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P-NET現(xiàn)場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。 1.2.3 不可能用一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)面對種類繁多的自動化行業(yè)和各種各樣的應(yīng)用需求 自動化技術(shù)對通信網(wǎng)絡(luò)的要求不同于計(jì)算機(jī)，沒有脫離行業(yè)的自動化，不可能用一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)面對種類繁多的自動化行業(yè)和各種各樣應(yīng)用需求。某一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在某些領(lǐng)域中是適用的、具有高性能價(jià)格比，超出這些領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)去覆蓋所有應(yīng)用領(lǐng)域范圍的想法和做法是不現(xiàn)實(shí)的。 1.2.4 面對眾多的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)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(shù)的研究 面對國際上各種流派的現(xiàn)場總線及標(biāo)準(zhǔn)，中外專家普遍認(rèn)為： (1) 期望IEC能盡早按預(yù)期目標(biāo)完成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定。但按目前進(jìn)度估計(jì)，近年內(nèi)IEC很難完成預(yù)期目標(biāo)。 (2) 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(yīng)用領(lǐng)域要求，不可能成為唯一標(biāo)準(zhǔn)，很可能形成多種標(biāo)準(zhǔn)體系共存。在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)框架下做多種通信協(xié)議接口，可能是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一種適宜的解決方案。 針對我國現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展政策，我認(rèn)為，不能無限期等待IEC的國際標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)結(jié)合我國國情，積極跟蹤、引進(jìn)、研究國際上已有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，開展適合我國國情的、面向行業(yè)的現(xiàn)場總線技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用和產(chǎn)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(shù) 2.1 CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分 根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，簡化的CIMS體系結(jié)構(gòu)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(shè)備單機(jī)控制、連線控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)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(shí)現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 3. 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展促使工廠底層自動化系統(tǒng)及信息集成技術(shù)產(chǎn)生