| 现场总线——一体化方案的催化剂 |
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| 2001-07-04 |
序言
本文论述的关键在于简单地介绍现在正在用于整个过程和制造工业的数字通信，尤其看一下称为“现场总线”的最新技术是如何演变的。
OSI模型和现场总线
在谈及现场总线及其状态之前必须先对现场总线所遵从的通信模式进行讨论。这对于引入一个国际上所遵从的通信方式——开放系统互连（OSI）通讯方式是非常有用的。OSI是个分层模型。一般通信方案由七个功能独立的层组成。
| 应用层 | 适用格式化数据 | | 描述层 | 解释数据 | | 会话层 | 控制对话 | | 传输层 | 确保完整 | | 网络层 | 路径发送 | | 数据链路层 | 探测错误 | | 物理层 | 发送数据 |
图1 OSI模型
OSI模型分配特殊任务并为每层定义接口。从“网络”层到“描述”层（也即是从第3层到第6层）通常与不同网络间的 数据传输有关，单个现场总线对此不需要。用于实时现场通信网络的层是应用层、数据链路层和物理层。
| 用户层 | 从数据产生数值 | | 应用层 | 适用格式化数据 | | 现场总线访问子层 | 映射到数据链接层 | | 无需使用 | | | 无需使用 | | | 无需使用 | | | 无需使用 | | | 数据链路层 | 探测错误 | | 物理层 | 发送数据 |
图2 现场总线模型
用户层并非严格使通信模式部分。然而，它已经被纳入到现场总线模型，用户层是一些数据或信息查询的应用软件。它将通信命令传送到应用层。应用层与用户层接口。它专门执行信息指令的翻译，它获取所需数据，并知道数据的结构及意义。现场总线访问子层（FAS）包含了应用层以下的部分所需的服务，它弥补了被省略的网络层到描述层中的某些通信服务。
在现场总线通信模型中，数据链路层接口在物理层的上面、应用层的下面。该层负责执行总线通信规则。它处理出错检测、出错恢复、仲裁、调度及信息结构。它负责取得包含应用层指令或从用户层到物理层的数据信息。
物理层向上连接数据链路层，向下连接媒介。在发送期间，物理层编码并调制来自数据连接层的数据流。它用物理信号驱动媒介。在接收期间，它用来自媒介的合适的控制信息解调和解码数据。
过程控制
以工厂为中心的企业业务的实际需求可以分解成以下区域：
连续过程的测量与控制
离散事件的控制，通常与开/关、开/关控制、逻辑控制及运动控制有关
全厂范围内的中央控制以满足生产要求
通过维护和设备状况监控进行工厂基础管理
对工厂业务活动进行财务管理，最佳利用股东资金
现场总线技术应用在各个方面改善企业性能。如今从现场总线技术取得的英里已远远超出了在安装期间减少布线成本的最初收益。在过程控制中的现场设备已不仅仅使在控制过程，而且能提供更佳的有关现场设备和工厂的信息，从而能更好更有效的进行工厂管理。
总线协议
各种协议是按不同的需要建立的。大体分三种，每一个都具有被过程控制工业普遍接收的描述。应用于简单I/O、满足开/关和传感器/执行器需要的基本数据高速总线被定义为传感器总线（sensorbus）。对智能型离散设备如PLS和以微处理器为基础的离散现场设备的先进通信要求是设备总线（devicebus）。对速度要求较低而对过程信息通信量要求较高的连续过程的测量与控制，称为现场总线。除了这三种总线外，用于到中央操作员控制室的高速通信的网络（控制级）被普遍接受。最后的网络强调了在以太网上使用TCP/IP的管理信息系统（工厂级）。此以太网不只是局限与办公室网络，它能在工厂的控制领域内发挥作用。
当用于连续过程的测量和控制的现场设备时，目前有三种方法。最初的是混合模拟/数字协议，其他良种全是数字协议。HART通信协议是一种使用迭加在一个4-20mA电流信号上的以频率为基础的数字信号的混合协议。严格的说，它不是现场总线。然而，它是个全球范围事实上的标准，为最终用户提供了许多好处。
两个全数字协议是基金会现场总线和Profibus-PA现场总线。基金会现场总线是从用最新的技术和创新，在完全一体化设计的基础上发展而来。Profibus-PA是Profibus-Dp的远程I/O能力的扩展。当现场设备仅用做远程I/O时两者是相似的。但是Profibus-DP为“分散的后位仪表”（换句话说就是“远程I/O”）设计，并且由于Profibus-PA必须通过一个Profibus-DP网络工作。基金会现场总线经设计，不局限于现存的网络技术，它已经能够结合以最新的微处理器技术为基础的能力和接口。如果只是要求一个基本的远程I/O，Profibus-PA和基金会现场总线的特点将在远程I/O领域外的区域中显现出来。
| 应用层 | 适用格式化数据 | | 无须使用 | | | 无须使用 | | | 无须使用 | | | 无须使用 | | | 无须使用 | | | 数据连接层 | 探测错误 | | 物理层 | 发送数据 |
图4 Profibus-PA现场总线模式
可互操作性
所谓的智能型仪表最初用于提供补充处理能力，改善变送器的测量精度，以建立有竞争性的优势。这些“智能型”仪器的确是更为精确了，但是用户只着眼于拥有设备数据和现场设备中一些报警限制的有限好处。于是可互操作型再次变的很重要，HART通信协议处理了这个问题。该协议使用一个被迭加了双频FSK信号的现存的4-20mA信号用于同步数字通信。模拟量用传统的方式被连接到主机设备并且仍能满足4-20mA信号的要求。所有现存的回路设备如远程指示器、图象记录仪等，继续起作用。它提供给最终用户和供应商获取现场仪器数字通信的经验。今天，HART仍是主要的通信协议。在线软件包给用户带来有价值的信息，这些益处证明了过程工业正在不断向前发展。可互操作性是最大程度获取使用不同的动硬商设备的益处是最关键的特性，这些设备采用一种特定的通信协议。OSI模型提供了一些观察这些协议之间相似性的方法，同时也可看到生产商要获取真正的“可交互操作性”是何等的困难。每种协议都使用OSI模型种的三层但各不相同。每层及其层间的接口的设计必须为其应用最优化。
能够实现的技术
在压力变送器、液位变送器、分析仪、阀门控制器种微处理器的概念是熟识的。由于微处理器计算能力的提高，尺寸变小、耗电降低，它们在许多工业中变的很普通。另外，在专用集成电路（ASIC）方面的发展提供了将客户智能功能嵌于设备的一个经济的方法。在双线过程仪器上采用现场总线的方法每天都变的更容易，功能更强。但是在现场设备中的微处理器仅仅是开端，还需要更多的先进技术。现场总线设备的用处远不止只是将变送器和阀门控制器连接到集散控制系统（DCS）和远程I/O控制系统的一种新方法。现场总线的功能来自采集有关过程、设备的正常情况及工厂的大量的新信息，这些信息取自于变送器和阀门控制器。为了从现场总线获取最大的好处，现今在一对电缆上可获取的来自工厂的大批现场总线变送器和阀门的信息必须对所有的工厂员工都可利用。为了这个目的，必须开发新的执行方案处理新的功能，人机界面需重新建立，以允许个人用最少的培训处理大量的数据。这意味着界面应是一个经济的方案以提供使得操作人员、工程师、维护人员及管理人员看到所有智能现场设备必须提供的东西。大多数人员认为现场总线是种通信协议。然而，它的涵义更丰富！它不仅为过程管理、而且为控制过程设备的管理展示了一副新的图景。当基金会现场总线在工厂所有的信息基础设备中使用时，整个工厂便能够获得该技术的好处。而这些益处是不能通过仅仅扩展远程I/O协议的控制系统得到的，这样的系统永远不能实现立足于全新概念设计的现场总线系统的全部的功能和益处。
管理益处
各个层次的管理都能实现现场总线的益处。
管理过程的操作员
管理工厂内所有设备的每天维修和更换设备的维护人员
管理过程和工厂变化的工程师
对整个商业负责的管理人员
为了得到这些益处，就必须从现场总线真正是什么和它能干什么的已经形成的先入为主的想法退回一步。
如果供应商根据一个产品的增强或甚至只作为一种新的通信方法来谈论他们的“现场总线”，则只能造成现场总线能做什么的混淆。注意到如果不是因现场设备中更多的ASIC益处就不会产生对现场总线协议的需要是非常有趣的。通信是如何发生的并不重要，只要它是以最佳方式发生。智能型仪器及其先进的ASIC的智能与现场总线协议及现场总线模型中的用户层联合，促成最佳方案的演化——基于现场的结构。
基于现场的结构
基于现场的结构从中央控制室和机架演变而成。它是一个利用现场智能的功能来改进工厂性能的过程自动化结构。该结构不仅执行传统的实时控制，而且利用取自智能型现场设备的信息管理自动化设备。只有通过执行基于现场的结构方案、增加信息的好处才能渗透整个工厂。工厂里的每个人都能获得益处。显然，“标准”的使用在这样的结构中是必要的。信息从智能型现场设备经结构传递到管理企业系统的能力需要它。基金会现场总线只是所采用的标准的一种。布线成本的最终降低与任何其他现场总线协议相似。然而，所实现的节省远超过简单的远程I/O协议实现的节省。是创新的自动化结构的信息流程改变了过程自动化的经济。
两个例子
ARCO Alaska
应用：油回收
系统：费希尔-罗斯蒙特Delta V控制系统
协议：基金会现场总线
成本方面的降低：布线、端子、柜子、草图、工程、及试车运行
节省和效益
操作节省-US300，000
工程节省-US450，000
材料节省-US1，000，000
结构节省-US1，350，000
合计（5年）节省-US3，100，000
（资料来源：现场总线，先进的技术降低Alaska开发成本，Oil&Gas Journal，1998年12月14日）
SUNOCO炼油厂
应用：设备管理
系统：费希尔-罗斯蒙特设备管理方案
协议：HART
成本方面的降低：降低不必要的维护、新“智能”设备的组态、蒸汽使用的跟踪节省与效益
远程自诊断消除了在化学危险区对维护人员的需要
“智能型”变送器的组态-节省US700，000
“智能型”变送器的标定-节省US50，000/变送器/年
仪器温度的远程监控确保在仪器冻结前使用蒸汽跟踪
容易连接到Sunoco全厂范围内的计算机维护管理系统。
（资料来源：设备管理给加拿大炼油厂带来快速回报，Oil&Gas Journal，1998年12月7日）
未来趋势
现场总线术语普遍用于描述在许多工业用于监控的各种数字通信方法。当今使用中的术语是易混淆的。当各个供应商讨论现场总线时，他们的定义和解释可能来自与听众完全不同的方面。结果，客户可能相信两个零售商正在讨论同一种技术而实际上无法进行比较。
要得到现场总线的全部益处，要求设备功能最多，网络复杂性最小，及最佳数据表现。欲求最大效益，应注意到基金会现场总线是目前在全厂组织中能提供各方面好处的一种技术。根据自动化研究顾问（ARC）称，目前领先的传感器总线技术是AS-I。在设备总线技术中，Profibus-DP在欧洲处于领先。目前在过程自动化中领先的是HART协议。随着基金会现场总线的到来，HART和基金会现场总线两者将继续发展并替换传统的4-20m信号。现存DCS系统的用户和供应商会从集中技术转移到基于现场总线的系统。根据ARC，随着对现场控制需要的增加，具有这种能力的现场总线-基金会现场总线将会看到其市场位置开始上升，从2001年到2003年约35%。Profibus-PA被看作适当场合的协议，主要服务于欧洲市场，它源自那里。在控制级和工厂级也雨季有变化。在工厂的以太网技术将被进一步加强成高速以太网（HSE）技术，HSE将会下植到控制级和较低的设备总线级及现场总线级。过程控制的未来在于以前从未想象过的提供用户好处的数字技术的开发，在过程自动化方面，我们正处于一个勇敢的新世界的边缘，那里每天带来新的变化，新的想法和新的方法以提供更佳的全厂性能。
产品配置:
基金会现场总线和Profibus-PA现场总线
适用领域及情况:
现场总线和制造工业的数字通信 |
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