应用现场总线需注意的若干问题
【摘要】 本文叙述了当前现场总线的概况，并提出了在应用时需注意的几个问题，最后做出了结论。
【关键词】 现场总线 应用 问题 条件 不成熟 结论 前途光明
一、概述
现场（bus）的概念由来已久，但现场总线（fieldbus）的出现却在1984年。它的出现绝不是偶然的，而是出于当时用户的需要，全球制造商之间的竞争和受到国家有关安全、保健和环境保护等规程或法令的约束；并在计算机技术、通信技术和控制技术发展到一定程度后才产生的。因此用户的需要是产生先藏总显得动力，而上述三种技术则为研究开发现场总线提供了技术基础。
1. 什么是现场总线
现场总线适用于现场仪表预控知识系统之间的一种开放式、全数字化、双向通信与多站的通信系统。现场总线在企业网（intranet）内仅处于最底层的控制系统（infranet）.
2．用户为什么需要现场总线
用户需要开放式的控制系统。1975年出现的DCS（分散型控制系统）和随后不久出现的PLC（可编程控制器）都属于封闭式的控制系统，每家DCS和PLC制造厂的产品都有各自的硬件和软件构成自己产品的体系，其中多少都含有自己的专利技术，彼此封闭，只能通过网关等接口才能与其他厂商的系统进行通信。由于厂商不论大小，都有企图到之处，因此用户需要开放式的控制系统，以便择优选择不同公司的产品（变送器、执行器和控制系统），以达到其最佳的集成。
用户为了降低企业的成本、提高产品质量已增加企业的竞争能力，不得不扩大其生产规模、强化其生产过程，同时为了保证安全生产和达到环保的要求，使检测和控制回路急剧上升，以钢铁企业炼钢生产的高炉为例，企业连溶剂已达4000m³以上，检测和控制的点数也超过了5000点。如此众多的检测信号汇集到DCS的入口处，不可避免的会出现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性与可靠性。而且如此大量点到点的电缆，不但增加了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，同时也提高了投资和安装、调试与维护的费用。因此，用户迫切需要现场总线与智能化的现场仪表，比便将80%的控制功能下放到现场仪表，减少DCS处理信息的压力，以增加系统的可靠性与安全性，同时也可减少电缆及其相关费用。
3．现场总线有哪些特点
现场总线有以下几个特点：
（1） 开放性；
（2） 可互操作性与可互换性；
（3） 全数字化，不想DCS那样需要A/D或D/A变换；
（4） 双向通信，不想DCS那样，只能单向通信；
（5） 智能化的现场仪表。
4. 现场总线有哪些好处
（1） 由于免去了D/A及A/D变换，是精度可以从±0.5%提高到±0.1%；
（2） 可以较少电缆的用量，费用可以节省66%或更多；
（3） 可以声场先进的、智能化现场仪表；
（4） 由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2~3次增加到每秒调节10~20次，从而改善了调节性能；
（5） 由于免除了主机入口处的“瓶颈”现象，可以提高系统的安全性和可靠性；同时也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益；
（6） 组太简单，安装、运行、维护简便；
（7） 用户可以自己择优选择，达到最佳集成。
5.现场总线的意义
现场总线的出现，给控制领域带来了又一次革命，但其深度与广度将超过历史上的任何一次，将开创自动化的新纪元。基于现场总线的控制系统FCS最后将取代传统的DCS。
6.现场总线的局限性
现场总线固然会给用户带来效益，但它还终究处于企业网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益。一次，现场总线必须与企业管理自动化相结合。也就是所以的管控一体化。
二、应用现场总线需主义的若干问题
现场总线既然有众多优点，而且已日益受到人们的重视，有的已开始应用，但根据目前的情况，特提出以下几个问题，供应用时参考。
1. 开放性
采用开放式的控制控制系统对用户来说是受欢迎的，以为世界上，厂无大小，其中不乏价廉物美，性能优越而服务又周到的产品，用户可以择优选择从而达到最佳的集成。由于传统的DCS或PLC属于封闭式的系统，而新一代的FCS现场总线控制系统属于开放式的系统，因此，便受到广大用户的青睐。但是，各种现场总线对他自己本身来讲虽然是开放，但异种现场总线之间却是不开放的。
多种现场总线的并存，显然是有违于当初开发现场总线的初衷。
多种开放的现场总线与市场上多种封闭式的DCS或PLC相比，究竟有多大的差别呢？
2. 户操作性
现场总线的主要特点之一就是具有可户操作性，但异种现场总线之间是不存在可户操作性的。虽然它们可以通过网关进行通信，或者通过OPC协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表之间直接进行，也就是说甲种现场总线的现场仪表不能与乙种现场总线的现场仪表直接进行互操作，而甲种现场总线的现场仪表必须先通过自己的主机，再借助于OPC协议到达乙种现场总线的主机，再下达到一种现场总线的现场仪表的目的地。反之亦然。
这种互操作必须通过上述的曲折途径才能实现，这对于实习控制所要求的实习性来讲，显然是不能满足的，因此也是没有实际意义的。
3. 时间上的确定性
各种现场总线在通信上也不完全相同，主要有二种形式，即主—从式及广播式，当然他们各有特点。但是时间的确定性上，严格地讲是有区别的，当然对于那些变化缓慢的工业过程对象来讲，由于他们的差别并不大，因此是可以忽略不计的，但对于那些特殊对象，则是非常敏感的，例如发电厂对时间上的确定性，就有严格的要求，因为一旦发生事故后，要分析故障的原因，就需要从事故报表上确定哪一个工艺参数首先发生偏离，这就要从事故发生的时间来确定，由于主从式现场总线对于时间上的确定性在先天上就有所不足，所以有的主从式现场总线也在采取措施以弥补其不足，如果才去软件的办法，在首发偏离的参数上进行时间的锁定等。
4．冗余问题
适用于过程控制的现场总线FF HI和Profibus-PA都是没有冗余的。按照现场总线的设计思想，低速部分是不需要冗余的，因为现场总线已经将危险彻底分散了，局部故障不会导致全局故障，而现场总线的智能化仪表又有实现维修预报的功能而可事先预防。并且从另一方面来看，万一现场仪表发生故障，调节贿赂失灵，则可以由主机进行干预；而一旦主机发生故障，则智能化仪表在现场可以自称调节回路而实现自主调节。
但对于某些行业，某些对象在安全方面有特殊要求的部位确实是需要冗余的；也有一些企业对于国情或企业文化存在这差异，或者曾经发生恶性事故的企业，往往也会提出不同程度的冗余要求。前者如发电厂的汽包水位计、炉膛压力等参数，往往在测点上就有冗余，这样可用2条低速总线来实现冗余，如对于FF，则可用2台变送器分别由2条HI，从不同的布线路径通向主机，以免在同一路径上发生机械损伤或者其他伤害而丧失冗余，而对Profibus-PA，则可分别由2台变送器通过各自的适配器与冗余的ProfibusDP相连而实现冗余。这样做，当然会增加费用。
5.关于造价
由于国情的不同，目前国内用户对硬件的价格比较敏感，而对软件的费用往往注意不够。
根据目前国外试点的报导，在硬件方面FCS的费用与DCS相比，其价格可能持平获略高，但在工程设计和工程的安装、调试和开车费用方面则要低得多，因此综合来讲，总的费用要低。但在国内，进口硬件的费用则要显得高得多，而由于国内目前人工费用低，所以工程设计、管理、安装和调试等费用远比国外低。因此应用现场总线时，其造价只能居高不下，影响推广应用。
6.关于效益问题
从国内应用现场总线的报道来看，基本上全是小系统，但效益却很显著，但从现场总线的本质来看，确实系统越大，效益才会越显著，因此，对这些报道的效益得仔细分析才行，而大多数的报道往往伴随这旧厂改造，工艺流程，工艺设备，原材料和燃料等也会变更，而在管理上也会有所改进，因此，所得的效益实际上是综合的效益，如将所有效益都归于现场总线是令人难以信服的，何况工艺与管理上改进所获得的效益应该是效益的主体。
7．关于采用先进技术
采用先进技术是发展生产力的动力之一，而采用先进技术以后，也确实能为企业创造效益，但要采用先进技术却需要一些必要的前提条件。在自动化领域内，也有不少先进技术，采用时，如果没有先进的工艺流程，工艺设备，良好的原材料条件，科学的管理水平，操作水平和维修水平与之配套，即使采用了最先进的自动化技术或装备，也不能奏效而只能造成浪费。历史的经验值得注意，自上世纪80年代引进的DCS，大部分只发挥了30%左右的功能即为一例。
我们知道先进的自动化技术仅是一种手段，一种工具，采用它的本身并不是我们的目的。以最少的投入获得最大的产出才是我们真正的目的。因此，作为一个自动化的工程设计人员切不可单纯地为先进而先进，为现场总线而现场总线。
三、结论
综上所述，目前要全面推广应用现场总线的条件还不够齐全和成熟，但是现场总线具有众多优点，因此必然会存在并获得发展，预计在不久的将来，一个统一的现场总线国际标准将会出现，现场总线的前途是光明的。
参考文献
1.阳宪惠主编 . 现场总线技术及其应用 . 北京：清华大学出版社，1999.
2.周明 . 现场总线控制 . 北京：中国电力会出版社， 2002.
