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面臨一次新的機遇。 關鍵字：現場總線；PROFIBUS；自動化監控系統 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"應包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。現場設備/儀表指位于現場層的傳感器、驅動器、執行機構等設備。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。基于這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模集成電路的發展為基礎。 　　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、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"，嚴重制約了企業信息集成及企業綜合自動化的實現。現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， 成為企業信息網絡底層，使企業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。現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 現場總線技術發展及標準 　　1.3.1 國內外現場總線技術、產品發展迅速 　　國際上現場總線技術及產品、系統發展迅速。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。現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展方向，紛紛結成企業聯盟，推出自己的總線標準及產品，在市場上培養用戶、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個國家和地區有地區性組織，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年發表。1997年5月建立了中國現場總線（FF）專業委員會，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。 　　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性組織分部。P-NET現場總線在歐洲及北美地區得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環保工程和制造業等應用領域。 　　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、面向行業的現場總線技術、標準、應用和產品開發的研究。 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、在線設備狀態監測及現場設備生產、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行之。因此，現場級與車間級監控及信息集成系統是實現工廠自動化及CIMS系統的基礎。 　　 3. 現場總線技術的發展促使工廠底層自動化系統及信息集成技術產生變革 　　3.1 傳統的現場級與車間級監控系統 　　傳統的的現場級與車間級監控系統多是基于PLC的分布式監控系統。其主要特點之一是，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。如圖2所示： 　　3.2 系統主要缺點 　　（1）信息集成能力不強： 控制器與現場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監控現場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障紀錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統對底層數據的要求。 　　（2）系統不開放、可集成性差、專業性不強：除現場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，面向行業的監控系統很少。 　　（3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統的不可靠性。 　　（4）可維護性不高：由于現場級設備信息不全，現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。 　　3.3 現場總線技術的發展促成新一代自動化監控系統的產生 　　現場總線技術的發展，新一代、基于現場總線的自動化監控系統的已初露端倪，未來基于現場總線技術的現場級與車間級自動化監控系統如圖3所示： 　　3.4 基于現場總線的自動化監控系統主要優點 　　（1）基于現場總線的自動化監控系統增強了現場級信息集成能力 　　現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。 　　（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性 　　不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。 　　（3）系統可靠性高、可維護性好 　　基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。 　　（4）節省成本： 　　對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。 　　3.5 基于現場總線的自動化監控系統結構的變化 　　系統所有的軟、硬件均可由多家廠商提供，而且具有互操作性、互換性，可方便實現硬件及信息集成。系統的主要區別是具有面向不同行業的專業軟件，將會在市場上看到面向行業的各種系統，如發電、輸配電、制造、化工、樓宇等。 　　（1）控制器：由于控制器對現場設備的監控是通過標準的現場總線通信完成，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品，可使用任何一家的具有現場總線接口的現場設備與控制器集成。因此控制器的主要指標是高速指令處理能力、大存儲容量及現場總線通信接口。所以控制器將被標準的、通用的硬件平臺Compact Computer所取代，如Intel/Windows類PC機。 　　（2）I/O模塊：插在控制器機架上的I/O模塊由連接到現場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產品，而是第三方廠家的產品;廉價的、專用的、具有特殊品質的I/O模塊（如高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等）將具有廣闊市場。 　　（3）現場設備：向專業化方向發展，具有程序及參數存儲、智能控制功能，具有現場總線接口。控制器將下放一定的控制工作由現場設備自身完成，控制器只作參數化及運行監測工作。如驅動器、傳感器、變送器、具有專業控制算法的調節器、執行機構、HMI、電機啟動及電流保護裝置、輸配電保護裝置、高、低壓開關設備，這些設備將由那些在本行業中具有優勢的廠家制造并具有互操作性、互換性。 　　（4）軟件：一方面，軟件不再與控制器、I/O、現場設備等硬件捆綁，可運行在通用的標準控制器硬件平臺上。軟件將成為具有標準通信協議、標準的基本編程語言（如IEC1131）、統一的介面風格、標準數據格式與標準數據庫接口的通用自動化軟件平臺。另一方面軟件必須是開放式的，允許行業上有獨到經驗的自動化專家廠商將專業的控制算法、仿真、優化、調度等專用自動化軟件嵌入通用軟件平臺上，推出自己的面向行業的專業自動化系統。 4.現場級與車間級自動化監控系統自主開發及產業化的新機遇 　　4.1基于現場總線的自動化系統促使系統生產廠商產生新的分化 　　主要特征為控制器與系統軟件制造商分離，趨向于通用化產品。I/O、傳感器等現場設備及應用軟件的開發制造趨向于專業化。 　　（1）控制器：傳統意義上的PLC、過程控制站將逐漸被標準的、通用的控制器硬件平臺——Compact Computer所取代。這是基于PC總線、Intel/Windows兼容的工業級、堅固型PC機。通用型計算機廠家產品將占主導地位。 　　（2）系統軟件：由專門監控類軟件公司開發的產品，如：Intellution（FIX）、Wonderware（INTOUCH）、PcSoft（WIZCON）等將占主導地位，而不是控制器硬件廠商的捆綁軟件產品。基于PC/WINDOWS平臺的、所謂"軟PLC（SoftPLC）"，與Intel/Windows兼容的工業級、堅固型PC機"拍擋"，可能會成為控制器或現場總線控制系統主站的主流。 　　（3）現場設備：傳感器、驅動器、執行機構、遠程I/O等，由不同的、具有專業優勢的廠家制造，如E+H、ROSEMOUNT的儀表，SIEMENS、A-B、ABB、丹佛斯的驅動器、施耐德、SIEMENS的輸配電保護裝置、高、低壓開關設備，施耐德、SIEMENS、A-B的I/O模塊等。 　　（4）系統：將有更多的廠家，基于通用軟硬件平臺和標準，在自己專業領域推出面向行業的、具有專業軟、硬件控制功能的系統。 　　4.1 自動化系統自主開發及應用推廣的新機遇 　　無論是PLC還是DCS，系統的硬件、軟件甚至現場級設備都是捆綁銷售的。由于國際著名自動化系統制造商在開發投入、生產規模、銷售組織、品牌宣傳、應用支持方面比國內廠商具有絕對優勢，因此，國內絕大部分產品市場份額被國外廠家占有。由于系統的封閉性，國內廠家很難在國外系統產品上做面向行業的專業性技術開發以期達到系統增值，多數國內系統集成商所能做的只是系統成套。系統集成商之間的市場競爭成敗，其中技術因素不多，主要是在價格方面。這使得國內從事自動化行業的企業度日艱難。 　　現場總線技術的發展，新型自動化監控系統的產生，使系統趨于開放，系統產品趨于通用型，具有互操作性、可互換性，總之，新型自動化監控系統提供了一個開放的、通用標準的軟硬件平臺。因此，這就為國內廠家提供了進入市場的機會。一方面對于自動化系統集成類企業，可利用企業在系統設計、軟件設計優勢，利用企業在某一領域自動化方面具有技術、經驗、知識方面優勢，在通用的系統平臺上，開發出自己的，面向優勢行業的、具有專家及智能控制功能的系統，這比單純的系統配套可為企業帶來更多的效益。另一方面，國內大批現場設備制造廠家（如驅動器、傳感器、變送器、調節器、執行機構、HMI、電機啟動及電流保護裝置、輸配電保護裝置、高、低壓開關設備等等），特別是那些生產特殊品質產品的廠家（如具有專業控制算法的調節器、高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等現場設備產品），改造產品使之具有現場總線接口，可為本企業產品開拓更廣泛的市場。因為，采用進口控制器、國產現場設備（如驅動器、傳感器、變送器、調節器、執行機構、I/O）的現場總線控制系統，兼顧了可靠性、功能、價格三方面因素，會得到用戶青睞并具有廣闊市場的。 5 結束語： 　　1.從工廠底層自動化及信息集成技術角度看，現場總線技術不是一項單純的以芯片換電纜的技術，是計算機及其數字化通信技術向工廠底層，即設備層的延伸。如同其他領域發生的一樣，現場總線技術是工廠底層通信技術的一次數字化革命。 　　2.工廠底層自動化及信息集成技術是實現全廠自動化及CIMS系統的基礎。現場總線技術的發展，使其傳統系統結構發生變革，并帶來傳統系統無法比擬的優異特性，如豐富的現場信息資源、系統的開放性、產品的可互換性。 　　3.系統結構的改變，最終將導致制造商門重新調整市場策略和格局。開放性為中國自動化產業帶來了新的機遇。