總線專題：第一講 現(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái)

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是當(dāng)前國(guó)際上自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)給工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了又一次革命。以智能化儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)將逐步取代傳統(tǒng)的分散性控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)。

現(xiàn)場(chǎng)總線起源于歐洲，隨后發(fā)展至北美。早在1984年，制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威機(jī)構(gòu)之一，國(guó)際電工委員會(huì)IEC(International Electro technical Commission)就開始著手制定現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),但由于國(guó)際上幾個(gè)跨過(guò)大公司為了他們的利益,阻礙和干擾了制定單一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過(guò)了15年環(huán)繞著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)以妥協(xié)而告終。結(jié)果是出現(xiàn)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，到目前為止，已有12種之多，多標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上就是沒有標(biāo)準(zhǔn)，這給用戶、自動(dòng)化儀表制造商及系統(tǒng)集成商帶來(lái)了困惑與無(wú)奈。目前，新一輪環(huán)繞著市場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)正在進(jìn)行。

一個(gè)單一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)始終是用戶的希望和要求，為了尋找出路，目前國(guó)內(nèi)外不少組織與廠商正在尋找新的出路，將以太網(wǎng)（Ethernet）應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)總線將是一個(gè)新的亮點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE（Real Time Ethernet）的現(xiàn)場(chǎng)總線，雖然還不完善，正在繼續(xù)研發(fā)之中，估計(jì)要到2007年才能完成。浙大中控的EPA（Ethernet for Plant Automation）就是其中之一?？磥?lái)，就是將來(lái)多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面還會(huì)繼續(xù)存在。

二、產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)總線的背景

工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)檢測(cè)和控制的要求日益增多，原始的目測(cè)，耳聞與手摸的檢測(cè)方式正在向著用儀表檢測(cè)和自控的方向發(fā)展。

1.早期的儀表與調(diào)節(jié)器

早期的儀表與調(diào)節(jié)裝置是機(jī)械式的，如膨脹式溫度計(jì)，彈簧管式壓力計(jì)和用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器等。

2.液動(dòng)和氣動(dòng)儀表以及其調(diào)節(jié)裝置

進(jìn)入20世紀(jì)以后，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模開始擴(kuò)大，需要將分散在現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械式儀表和調(diào)節(jié)器集中起來(lái)，于是就出現(xiàn)了有作為輔助能源的液動(dòng)（hydraulic）調(diào)節(jié)器。它是采用油壓的方式進(jìn)行工作的。但由于油容易滲漏和有產(chǎn)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，再加上油的粘滯而不能遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)，所以不久又出現(xiàn)了用壓縮空氣作為輔助能源的氣動(dòng)（pneumatic）儀表與調(diào)節(jié)器，這樣就出現(xiàn)了將檢測(cè)、顯示和調(diào)節(jié)集中在一起的氣動(dòng)基地式儀表；后來(lái)為了便于集中在控制室進(jìn)行監(jiān)控而又生產(chǎn)出氣動(dòng)單元組合儀表。

3.電動(dòng)儀表

進(jìn)入20世紀(jì)50年代，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模更大，而氣動(dòng)儀表的傳輸距離卻也有限；并且氣動(dòng)儀表對(duì)氣源供氣的可靠性和凈度要求又比較嚴(yán)格，需設(shè)置專用的氣源（無(wú)油壓縮機(jī)站）；再加上多個(gè)氣動(dòng)信號(hào)的疊加和處理比較麻煩，諸多不便逐步凸顯，漸漸無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是出現(xiàn)了電動(dòng)儀表，但氣動(dòng)儀表存在著體積太大的缺點(diǎn)，一塊儀表盤安裝不了幾個(gè)儀表，為了不致使控制室的面積過(guò)大而便于操作人員集中觀看，在60年代又出現(xiàn)了電子儀表，而電子儀表也從開始的真空管式電子儀表，發(fā)展到半導(dǎo)體式和基于集成電路的電子儀表，電子儀表雖然體積比電動(dòng)儀表要小，但為了少占用儀表盤的盤面面積，只能將電子儀表的尾部加長(zhǎng)，這樣又不得不將盤式儀表屏改為架裝式儀表盤以便于電子儀表的密集安裝。即便如此，一個(gè)大型工藝裝置的儀表盤有時(shí)亦會(huì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米，便操作人員難以從如此眾多的儀表讀數(shù)中綜合掌握和判斷全部的生產(chǎn)過(guò)程。

4.用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控

20世紀(jì)60年代開始試用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，即所謂SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）。計(jì)算機(jī)不但可以采集數(shù)據(jù)，而且可經(jīng)過(guò)運(yùn)算來(lái)改變控制儀表的設(shè)定值，使控制得以優(yōu)化；或者直接用計(jì)算機(jī)進(jìn)行DDC（Direct Digital Control）直接數(shù)字控制。但當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的可靠性沒有完全過(guò)關(guān)，加之價(jià)格又貴，體積又大，功能也不強(qiáng)，難以應(yīng)用冗余技術(shù)或多機(jī)并行處理，一旦一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，整個(gè)工藝機(jī)組的生產(chǎn)即陷于癱瘓。結(jié)果以一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的失敗而告終。

5.分散型控制系統(tǒng)

進(jìn)入70年代，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使微機(jī)處理器（micro processor）芯片的價(jià)格大幅度降低，導(dǎo)致了自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)革命。1975年美國(guó)的霍尼韋爾（Honeywell）公司首先推出了TDC-2000型集散控制系統(tǒng)，級(jí)管理是集中的，而控制則是分散的。所謂TDC即是此意，T代表Total集中，D代表Distributed分散，而C則代表Control控制。后來(lái)這種系統(tǒng)被稱為DCS（Distributed Control System）后，慢慢地DCS的中文名稱就從開始的集散型控制系統(tǒng)變?yōu)槟壳俺Ｓ玫姆稚⑿涂刂葡到y(tǒng)的名稱了，但在計(jì)算機(jī)行業(yè)中，則稱之為分布式控制系統(tǒng)。DCS在20世紀(jì)80-90年代達(dá)到了其鼎盛時(shí)期，有人稱之為自動(dòng)化領(lǐng)域中的一個(gè)里程碑。

DCS最初使用一個(gè)CPU中央處理器（Central Processor Unit）來(lái)控制8個(gè)PID（P代表Proportion,即比例；I代表Integral,即積分；D代表Differential，即微分）調(diào)節(jié)回路（loop）。一個(gè)CPU的故障只影響局部8個(gè)調(diào)節(jié)回路而不會(huì)影響全廠的控制，使危險(xiǎn)得以分散，大大地提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。DCS的數(shù)據(jù)采集和處理以及調(diào)節(jié)回路的控制算法都是在控制室內(nèi)的主機(jī)中完成的。操作人員只需看控制室內(nèi)操作站上的CRT（ Cathod Ray Tube 陰極射線管）屏幕就等于看到了儀表盤上的儀表，而在操作站上的鍵盤KB（Key Board）操作即等于在儀表盤或操作臺(tái)上用于操器或按鈕進(jìn)行操作，避免了操作人員頻繁地在很長(zhǎng)的儀表盤前來(lái)回走動(dòng)，以及用筆來(lái)記錄和計(jì)算班報(bào)和日?qǐng)?bào)?？刂剖业拿娣e也得以縮小。這時(shí)控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但處于現(xiàn)場(chǎng)的大量的變送器與執(zhí)行器仍然是用模擬信號(hào)，每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表都必須各自用2芯或4芯電纜將4-20mA的直流模擬信號(hào)通往控制室。

6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，為了降低產(chǎn)品成本，增加盈利，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來(lái)越大，生產(chǎn)過(guò)程也日益強(qiáng)化；并且人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)安全的意識(shí)也更加提高，各國(guó)對(duì)此也制定了與之有關(guān)的規(guī)程或法令。此外，隨著經(jīng)濟(jì)的國(guó)際化，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不可避免，這就迫使企業(yè)的生產(chǎn)向著穩(wěn)產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、環(huán)保與安全的方向發(fā)展。因此對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)與控制的點(diǎn)數(shù)與精度以及可靠性方面的要求也越來(lái)越高。以鋼鐵企業(yè)為例，4000m3 以上的大型煉鐵高爐，其檢測(cè)點(diǎn)已在5000以上；而火電廠30萬(wàn)機(jī)組的測(cè)點(diǎn)也在5000點(diǎn)左右，60萬(wàn)機(jī)組的測(cè)點(diǎn)也到了7000點(diǎn)，何況80萬(wàn)或90萬(wàn)機(jī)組也已經(jīng)有了；又如乙烯裝置也從過(guò)去的30萬(wàn)t到現(xiàn)在的90萬(wàn)t了。隨著測(cè)點(diǎn)的增加，所需的控制電纜數(shù)勢(shì)必隨之增漲，以火力發(fā)電站30萬(wàn)kwm組為例，其所需的電纜長(zhǎng)度已近500㎞以上，試想在電站的鍋爐房?jī)?nèi)，空間有限，已密布著各種水、蒸汽、空氣與燃料的管道，還要布置如此眾多的電纜，不僅給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，而且對(duì)安裝，調(diào)試與維修也帶來(lái)了極大的不便，而更重要的是如此大量的信息涌向DCS的入口，不可避免地出現(xiàn)了“瓶頸”堵塞的現(xiàn)象，嚴(yán)重地威脅著DCS的正常運(yùn)行。

因此，尋求現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化、智能化，使大量的一般控制功能從DCS下放到現(xiàn)場(chǎng)儀表中去解決，以減少汽機(jī)的負(fù)擔(dān)而增加系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)也要求減少通往控制室的電纜數(shù)。

以上就是產(chǎn)生智能化儀表與現(xiàn)場(chǎng)總線的背景。

三、產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)

既然隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大已經(jīng)顯示出需要智能化儀表與現(xiàn)場(chǎng)總線的苗頭，恰恰就在這個(gè)時(shí)候，控制技術(shù)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)（有人將Control控制、Communication通信、Computer計(jì)算機(jī)統(tǒng)稱為3C技術(shù)；也有人將CRT屏幕技術(shù)也加了進(jìn)來(lái)稱為4C技術(shù)）的發(fā)展提供了所需的技術(shù)基礎(chǔ)。于是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）就應(yīng)運(yùn)而生了。

四、總結(jié)

總結(jié)以上所述的發(fā)展史。可得到以下結(jié)論：

（1）生產(chǎn)的發(fā)展，市場(chǎng)的需求永遠(yuǎn)是產(chǎn)生新生事物的動(dòng)力，決不是相關(guān)技術(shù)的發(fā)展所得到的自然結(jié)果。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展只能為所需求的新生事物提供技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）事物的發(fā)展總是由簡(jiǎn)到繁，又從繁到簡(jiǎn)形成一個(gè)螺旋式上升的過(guò)程，但他決不是簡(jiǎn)單地重復(fù)，而是不斷地升華，達(dá)到了更高的水平。例如20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的04型基地式氣動(dòng)儀表，他就在現(xiàn)場(chǎng)集檢測(cè)、顯示與控制的功能于一體，后來(lái)又發(fā)展到氣動(dòng)、電動(dòng)單元組合式儀表進(jìn)行集中控制和DCS，而又到了目前的FCS，又回到了徹底分散，利用在現(xiàn)場(chǎng)的智能化變送器和執(zhí)行器，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，這種從現(xiàn)場(chǎng)分散到集中，又從集中回到分散，似乎又回到原來(lái)的情況，但FCS有了分散以后，現(xiàn)場(chǎng)儀表還有受主機(jī)監(jiān)控和向主機(jī)提供自診斷等功能，這與過(guò)去的現(xiàn)場(chǎng)基地式儀表相比，是不可同日而語(yǔ)了。