現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角度，論述了現場總線技術的概念及特點，分析了基于現場總線技術的自動化系統結構的變化，產品市場格局的改變。作者認為我國自動化產品制造業(yè)面臨一次新的機遇。 1．現場總線技術 1.1 現場總線技術概念 根據國際電工委員會IEC1158定義，現場總線（Fieldbus）是"安裝在生產過程區(qū)域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線"。或者說，現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，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。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?，F場設備/儀表指位于現場層的傳感器、驅動器、執(zhí)行機構等設備。因此，現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稱為FCS（Fieldbus Control System）。 1.2 現場總線技術的主要特點 1.2.1 數字化通信取代4-20mA模擬信號：傳統技術，現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。應用現場總線技術可用一條通信電纜將控制器與現場設備（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。 1.2.2 現場設備智能化：應用現場總線技術，要求現場設備（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，現場總線技術以計算機大規(guī)模集成電路的發(fā)展為基礎。 1.2.3 集現場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體：現場總線采用計算機數字化通信技術連接智能化現場設備，因此，控制器可從現場設備獲取大量豐富信息，可實現設備狀態(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。 1.2.4 現場總線是計算機網絡通信向現場級的延伸：傳統的現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，難以實現設備之間及系統與外界之間的信息交換，使自控系統成為工廠中的"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?，F場總線技術采用計算機數字化通信技術，使自控系統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場。 1.2.5 現場總線技術是實現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它的支撐技術-計算機網絡問題就必須得到很好的解決?，F場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸，是支撐現場級與車間級信息集成的技術基礎。 1.3 現場總線技術發(fā)展及標準 1.3.1 國內外現場總線技術、產品發(fā)展迅速 國際上現場總線技術及產品、系統發(fā)展迅速。以現場總線PROFIBUS為例，目前支持PROFIBUS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提供的現場總線系統FBS（FBS：由十個以上設備組成的現場總線系統）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場總線系統占整個自動化系統市場份額平均為25%。目前國際著名自動化、儀表、電器制造商均有現場總線產品及系統，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 現場總線沒有形成統一的國際標準 現場總線技術得以實現的一個關鍵問題，是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現場總線通信協議技術標準。國際上著名自動化產品及現場設備生產廠家，意識到現場總線技術是未來發(fā)展方向，紛紛結成企業(yè)聯盟，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，并積極支持國際標準組織制定現場總線國際標準。能否使自己總線技術標準在未來國際標準中占有較大比例成份，關系到該公司相關產品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽。而歷史經驗證明：國際標準都是采用一個或幾個市場上最成功的技術為基礎。因此，各大國際公司在制定現場總線國際標準中的竟爭，體現了各公司在技術領先地位上的競爭，而其最終還是要歸結到市場實力的競爭。 據說目前國際上現有各種總線及總線標準不下二百多種。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現場總線： 1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS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，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現場運行。 1989年12月，自愿在其產品中采用PROFIBUS標準的企業(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月組建了中國現場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并建立現場總線PROFIBUS產品演示及認證的實驗室。PROFIBUS主要應用領域有：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。 FF現場總線： 1994年由ISP 基金會和World FIP(北美)兩大集團合并成立FF基金會，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現場總線產品認證中心。FF現場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統、廢水處理、油田等行業(yè)。 LONWORKS總線： LONWORKS現場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網絡技術，希望推出能夠適合各種現場總線應用場合的測控網絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA系統等。國內主要應用于樓宇自動化方面。 CANBUS現場總線： CANBUS現場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。 WorldFIP現場總線： 96年成為歐洲標準（EN 50170 V.3）。WorldFIP現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用。 P-NET現場總線： 1987年P-NET標準成為開放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年成為歐洲總線標準的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現有企業(yè)會員近百家，總部設在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設有地區(qū)性組織分部。P-NET現場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應用，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)等應用領域。 1.2.3 不可能用一種現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實的。 1.2.4 面對眾多的現場總線標準，應積極開展適合中國國情的、面向制造業(yè)自動化的現場總線技術的研究 面對國際上各種流派的現場總線及標準，中外專家普遍認為： (1) 期望IEC能盡早按預期目標完成統一標準的制定。但按目前進度估計，近年內IEC很難完成預期目標。 (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。在統一標準框架下做多種通信協議接口，可能是統一標準的一種適宜的解決方案。 針對我國現場總線技術發(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場總線標準，開展適合我國國情的、面向行業(yè)的現場總線技術、標準、應用和產品開發(fā)的研究。 2. 工廠底層自動化系統及信息集成技術 2.1 CIMS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、車間級和現場級。如圖1所示。 2.2 現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 現場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統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)測及現場設備生產、運行數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現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，現場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統是實現工廠自動化及CIMS系統的基礎。 3. 現場總線技術的發(fā)展促使工廠底層自動化系統及信息集成技術產生