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圖1  現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)大大提高工廠運(yùn)行診斷的能力

   (3)  管理因素。包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表在內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行資產(chǎn)管理是用信息化改進(jìn)工業(yè)管理的一種有效途徑。由于現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的設(shè)備描述文件存儲(chǔ)了該儀表的基本參數(shù)信息，人們得以知道生產(chǎn)廠商、型號(hào)、硬件和軟件的版本等一系列對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行管理的基礎(chǔ)信息。另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表提供的運(yùn)行信息和診斷信息，為實(shí)時(shí)降低成本和消耗，使工藝流程和工藝設(shè)備處于優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)創(chuàng)造了前提條件。
   現(xiàn)在看來(lái)，只有在中大規(guī)模的連續(xù)流程的過(guò)程控制系統(tǒng)才最有可能淋漓盡致地發(fā)揮FF的潛力。至于在中小型裝置上，盡管國(guó)內(nèi)已安裝和投運(yùn)了數(shù)以百計(jì)的FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，但優(yōu)越性就不夠明顯。甚至有的項(xiàng)目因上馬早，暴露出一些早期FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的不足和因經(jīng)驗(yàn)少而導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)的缺陷。任何新技術(shù)的成熟應(yīng)用都會(huì)有一個(gè)過(guò)程，出現(xiàn)一些非致命性的問題并不足為奇，反而可以根據(jù)問題的所在加以分析改進(jìn)。

圖2  PROFIBUS適合用在制藥、飲料/食品和精細(xì)化工工業(yè)FF適用于連續(xù)流程工業(yè)

   在離散工業(yè)和流程工業(yè)之間，人們常常把在同一個(gè)工廠中既有連續(xù)流程又有離散流程的稱之為混合型工業(yè)（如圖2所示）。制藥、食品工業(yè)、飲料工業(yè)和精細(xì)化工都是典型的混合型工業(yè)。在這些工業(yè)中，為達(dá)到操作運(yùn)行的優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)總線可以起到很重要的作用。特別是PROFIBUS，由于其體系結(jié)構(gòu)能夠以相同的通信協(xié)議既滿足離散過(guò)程控制PROFIBUS-DP的要求，又能用PROFIBUS-PA滿足連續(xù)過(guò)程控制的諸多要求（總線供電、本安防爆等）。此外，還有PROFIdrive的行規(guī)可滿足交流驅(qū)動(dòng)或伺服驅(qū)動(dòng)的同步要求，PROFIsafe提供附加的安全協(xié)議層，符合IEC 61508國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的故障安全的要求。以上這些滿足不同要求的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都共享同一個(gè)通信棧協(xié)議，使這些行業(yè)的用戶只用一種現(xiàn)場(chǎng)總線就能解決控制系統(tǒng)的各種要求。甚至已廣泛使用的HART現(xiàn)場(chǎng)儀表，也可以用PROFIBUS HART規(guī)范使HART的客戶—主站模型在PROFIBUS上映射，這樣便允許設(shè)備之間的HART報(bào)文利用PROFIBUS來(lái)作透明的傳輸[2]。顯然，在混合型工業(yè)應(yīng)用PROFIBUS更加凸現(xiàn)其獨(dú)特的價(jià)值。

3  工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的相互補(bǔ)充[6]

   當(dāng)從傳輸速率、傳輸距離、本質(zhì)安全、無(wú)須有源交換式設(shè)備而能在同一條通信電纜上連接多個(gè)設(shè)備的能力等方面來(lái)審視，發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線是相互補(bǔ)充的。對(duì)處在現(xiàn)場(chǎng)層的儀表設(shè)備有著其獨(dú)特的、以太網(wǎng)難以滿足的要求，而現(xiàn)場(chǎng)總線恰恰具有這些特性，這就構(gòu)成了它們之間的理想的互補(bǔ)。
   現(xiàn)場(chǎng)總線只有中等適當(dāng)?shù)膫鬏斔俾?，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線用來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層的儀表和設(shè)備的通信，一般每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)不斷在刷新的變量只有一個(gè)或兩個(gè)，而其它要監(jiān)視的信息通常都不要求頻繁地去觀察。而在較高的層次，控制器或鏈接設(shè)備要對(duì)來(lái)自許多變送器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合或組合處理，以太網(wǎng)的高傳輸速率和高帶寬便是通信網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)選擇。要求一些像變送器、接近開關(guān)等小小的設(shè)備配備在100Mbps處理TCP/IP通信棧的能力，是沒有必要的。這就是現(xiàn)場(chǎng)總線只要適中的傳輸速率和較為簡(jiǎn)單的通信棧的理由。

   (1)  多節(jié)點(diǎn)。以太網(wǎng)每連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備就要用一根電纜，還要求有源的交換式集線器。當(dāng)在一個(gè)中大型工廠中有成百上千個(gè)變送器、傳感器和執(zhí)行器要聯(lián)網(wǎng)，用這種網(wǎng)絡(luò)連接，顯然會(huì)變得昂貴和難以維持。但在此低級(jí)別，現(xiàn)場(chǎng)總線可以方便而高效地把儀表連接起來(lái)，用一根電纜連接好多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不用附加有源的交換式集線器。這既減少了電纜和其它硬件，又為連接大量的小節(jié)點(diǎn)不必耗費(fèi)過(guò)多的費(fèi)用。
   (2)  距離。由于分配給每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間是有限的，所以在作為中繼的局域網(wǎng)交換式設(shè)備之間，如果采用銅線電纜的話其間距不得大于100米。當(dāng)控制室與現(xiàn)場(chǎng)儀表的距離很長(zhǎng)，以太網(wǎng)也許就不能滿足這樣的鏈接要求了。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線卻能用一根電纜為控制室與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間提供長(zhǎng)達(dá)2000米的連接；若有必要，通過(guò)中繼器還可獲得幾倍長(zhǎng)的傳輸距離。當(dāng)然，以太網(wǎng)可以通過(guò)光纜解決幾公里的連接。不過(guò)，考慮到要連接的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量很大的時(shí)候，成本過(guò)高的因素又會(huì)促使人們選擇以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線互補(bǔ)的方案。
   (3)  供電問題。目前規(guī)范的以太網(wǎng)并不通過(guò)通信電纜集中提供電源。IEEE 802.3af雖然規(guī)定了以太網(wǎng)的集中供電的規(guī)范，但其DC 48V的最低電壓等級(jí)并不適用于自動(dòng)化產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)總線則不然，它具有這個(gè)功能。這再一次表明這二者之間的互補(bǔ)性。
   (4)  本質(zhì)安全問題。規(guī)范的以太網(wǎng)及其產(chǎn)品不具備本質(zhì)安全的性能，因而不適合將它們用在有防爆要求的危險(xiǎn)I區(qū)。而且在100Mbps執(zhí)行TCP/IP通信棧，需要一定的處理功率，而這又恰恰超過(guò)了危險(xiǎn)IIC區(qū)的允許范圍。但是，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)說(shuō)這不算什么大問題。
   (5)  多協(xié)議問題。一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)只能處理一種單一的通信協(xié)議，但為了鏈接不同的子系統(tǒng)，也許有必要支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。好多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都在物理層和介質(zhì)存取控制層MAC符合標(biāo)準(zhǔn)Ethernet，在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層符合TCP/IP，只是在應(yīng)用層和用戶層有所不同。這就是說(shuō)，HSE、EtherNet/IP和Modbus/TCP等可以在一條高速的Ethernet上傳輸，而到達(dá)各自的子系統(tǒng)。這是以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線互補(bǔ)的又一證明。至于那些并非基于標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3，或并非基于TCP/IP的混合式的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，則不具備多協(xié)議的能力。

4  以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的可互操作性

   IEC 61802給出了關(guān)于設(shè)備的兼容性的確切定義。圖3和表1描述了控制網(wǎng)絡(luò)中由不同制造廠商提供的設(shè)備之間所具有的共存性、可互連性、可協(xié)作性、可互操作性和可互換性的邏輯關(guān)系。由圖3可以清晰地知道，所謂的互操作性是指設(shè)備具有相同的通信協(xié)議、通信接口、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)存取，以及相同的參數(shù)語(yǔ)義、應(yīng)用功能性。
   顯然，以太網(wǎng)和TCP、UDP和IP只不過(guò)是在OSI 7層模型中的低層協(xié)議，壓根不是用來(lái)提供可互操作性的解決方案的。但是，如果在工業(yè)以太網(wǎng)的通信棧的頂層采用現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用層協(xié)議，是能夠做到可互操作性的。就好像Ethernet/IP在其頂層與ControlNet和DeviceNet的頂層具有共同的CIP，F(xiàn)F的HSE在其頂層向下兼容H1的頂層協(xié)議，這樣的工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線的互補(bǔ)，才能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)中的可互操作性。

圖3  控制網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的兼容性邏輯關(guān)系

   目前出現(xiàn)了許多為解決不同領(lǐng)域的應(yīng)用而開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它們之間同樣也不具備可互操作性，因?yàn)樗鼈兊捻攲訁f(xié)議也是各不相同的。它們的低層協(xié)議往往一致的，這才是它們的共同點(diǎn)（如圖4所示 ）。

圖4  工業(yè)以太網(wǎng)往往采用Ethernet的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但應(yīng)用層協(xié)議各不相同

   應(yīng)該注意的是，以太網(wǎng)和TCP或UDP/IP綁在一起，要求適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層目標(biāo)結(jié)構(gòu)以及用戶應(yīng)用程序。否則，所有有關(guān)標(biāo)定（量程、零點(diǎn)和滿刻度）、診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控、連接選擇和傳感器類型等的實(shí)現(xiàn)，又變成專用的了。
   使用OPC可以實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，但應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到這種數(shù)據(jù)交換絕非是處于現(xiàn)場(chǎng)層
的數(shù)據(jù)交換，而僅僅是在監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交換?？傊?，以太網(wǎng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線所不具備的特性?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有的特性以太網(wǎng)又不具備。OPC提供的卻是軟件與軟件之間的數(shù)據(jù)交換，而以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線解決的硬件與硬件之間的通信。
表1  功能性的特性描述

   例如，過(guò)程值的刷新速率會(huì)影響到控制算法。
   現(xiàn)場(chǎng)總線屬于設(shè)備級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，用一根通信電纜就可以解決供電、本安、多節(jié)點(diǎn)連接和連接距離的問題。以太網(wǎng)是控制系統(tǒng)的骨干網(wǎng)，它傳輸速率高、可承載多種應(yīng)用協(xié)議，傳輸路徑可利用路由器加以選擇，必要時(shí)可采用全冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備之間利用OPC來(lái)交換數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)執(zhí)行層（MES）和經(jīng)營(yíng)管理層（ERP）同樣運(yùn)用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這就構(gòu)成了如圖5 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中還給出了不同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

圖5  現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)結(jié)合成一個(gè)完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5  結(jié)語(yǔ)

   希望通過(guò)以上的論述能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的價(jià)值取向進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，促使更多的自動(dòng)化技術(shù)工作者去挖掘現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用潛力，讓現(xiàn)場(chǎng)總線在企業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)中體現(xiàn)出更多的價(jià)值，真正從生產(chǎn)的最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)開始，用信息技術(shù)推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的高效、低能耗、長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。