TA的每日心情 | 奋斗
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本帖最后由 曹操的槊 于 2014-1-13 16:48 编辑
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晨大的有关兜售先进自控项目的帖子里，有同学提到了现场总线。. h# Z5 e2 C% }& b$ ?8 {$ b* W
$ F% O$ ]8 _" e3 x% l因为现场总线在过去几年里一直是工控界很热门的话题，也一直有人在捧各种总线协议。因此各种协议层出不穷，各种资料浩如烟海。很容易大家就在这些概念里昏昏欲睡了。; i9 F7 Z4 P0 s6 w* L
/ f0 t2 M7 n0 N9 f因为我的工作一般是面向用户做以DCS为基础的工控项目，接触过一些使用了现场总线的项目。
' H/ w1 l, u2 m& |# }) N. K这里我来说说我理解的现场总线，和我所的一点感受。
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现场总线，我们叫Field Bus。从这个名字上，有PC基础的同学们都可以知道这是一种信号传输的形式。和大家常常接触的USB总线啊，串口总线啊等等一样。 N" a& k. r' h4 Q4 t
& p+ @6 E1 x5 I; J/ c: W' s因为传统工控当中使用的信号传输，特别是过程信号（Process Signal）比如温度，流量，压力，液位，重量，阀位，转速，使用的大多是4~20mA电流信号。这种信号的最大局限是信号内容单一，一个电流信号只能表达一种内容。而工程师如果想要从仪表本身读到更多的内容，比如位号，量程；甚至想通过这个信号去校验或者调整仪表，这种单纯的模拟量信号就没办法满足需要了。2 e6 W. Y6 U8 \" }3 j* ^
& {# ^# j% |' q2 S" C6 g: M开始人们还是想在4~20mA电流上打主意，于是产生了一些在电流信号上附加其他信号的办法。比如说HART协议。这种信号仍然采用低频电流信号作为物理载体，每块表需要单独的线缆从信号源连接到接收端（例如端子板或卡件）。, V) ]6 b3 l) s* _& |9 e
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后来随着数字技术的发展，有人认识到完全可以采用OSI的层级结构将传感器，控制器和执行器联系以及上层网络在一起。例如HART协议传输的信号，在传递给控制器后，完全可以用控制网络甚至更上层的以太网搜集和处理这些信号。而这种搜集和传输信号的方式，采用了总线通讯的方式。加上工控特有的面向现场和高可靠性，高即时性的特点。人们给这些总线通讯的方式统称为现场总线。那么，大家可以知道，现场总线，就是传感器，控制器，执行器以及上层网络之间信号的一种数字传输形式。而现场总线协议，主要指的就是传感器，控制器和执行器之前传输信号采用的协议。
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0 ~1 c$ b/ [6 O' I' ]' v( r随着数字通讯技术的发展，从附加在模拟信号上的音频数字信号到比较完善的纯数字传输信号到如今正要大行其道的无线数字传输，现场总线已走了将近30年的岁月。 J+ t9 B! j8 a5 t! p @
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. N; x! n7 J! S2 |( S目前DCS系统中比较常见的现场总线协议有以下几种：8 x5 p2 ?* @/ s+ ~; M
1，HART总线
; Y* k/ i9 V) T, X2 }4 }2，基金会现场总线 Foundation Field BUS
( H( F# B; n1 Y4 C5 m& v% U3, Profibus
' {5 n! C n& Y- D2 y Profibus由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。其中PROFIBUS－DP应用于现场级； PROFIBUS－PA适用于过程自动化；PROFIBUS－FMS用于车间级监控网络。" R1 C. Z j* c. W# B
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其他常见总线比如CAN, LONWORKS不常用于DCS系统。CAN常用于运动控制例如机床，LONWORKS常用于楼宇自控。: ~. Y; s7 W! ]! W% z" h$ A$ r7 P
, q/ Q ~; t- k* C/ x还有资料上可以见到很多其他的现场总线协议，比如DeviceNet,WorldFIP等。大家有兴趣的可以自己去找找看。而这些协议的区别与特点，也请有兴趣的各位做功课吧。1 ]. N8 L; I) d6 e. H
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从资料上看，现场总线的优势有以下几个：
# b1 W D3 x) O) U$ F: X1，节约线缆。因为总线形式的连接允许多设备共用网络链路，而相应的HUB或者SWITCH到控制器的物理层比传统方式大为节约电缆。" @4 N/ u0 S: @1 {0 |8 B
2，数字传输的高效率。
0 @, a: v- ^) X8 I2 {8 g( X3，数字传输的高抗干扰能力。
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* R- o# r5 B# z% I' |7 C+ S从我做过的项目看，现场总线的优势还可以添加一点，就是维护的专业性和便利。/ V* E& d" N! F& J) i
因为伴随现场总线的使用，基本上在对仪表或阀门定位器的通常校验和一般维护可以放在监视网络上进行。只有到检定周期，需要送检或拆下保养时，才需要现场作业。而通常校验和一般维护在监视网络上进行时，往往是仪表工程师来操作，其规范程度和技术水平均较仪表工为高，不易造成维护故障。
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那么现场总线为什么没有宣传上的那么火呢？我的感受，原因有以下几条：' V' j. e) |8 p
8 N H2 G1 S2 ~! X# `1，现场总线仪表本身的价格贵。比较传统仪表，总线仪表起码贵30%，而支持现场总线的阀门定位器就更加贵的多了。5 l1 y0 P/ u' O& e
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2，DCS系统中，支持现场总线的卡件价格贵。我们公司支持现场总线的卡件比传统模拟量卡件贵不少。7 q9 o1 P* n( s8 r( A: ?1 X N
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3，目前看，控制器对现场总线仪表的承受能力不够。按照我们的工程经验，拿我们公司的DCS系统和基金会总线仪表做例子。一块FF总线通讯卡可以带4个网段，理论上可以接入的仪表和阀门定位器很可观。但是实际使用时，以我们一个全厂使用FF总线仪表与执行器的工厂举例，一个网络最多可带4只仪表和2只阀门定位器，或者8只仪表，或者3只阀门定位器。其负荷能力不到理论能力的40%。而且由于FF总线是支持仪表与定位器形成单回路自治的，这时候通讯负荷比传统的控制器控制高的多。一旦投用，需要更多的网络负荷余量。比较下来，DCS系统对总线仪表的容纳程度并不必对传统仪表的容纳程度高。这样意味着相比采用传统仪表的DCS系统，采用现场总线仪表的系统不会使用更少的卡件和控制器。
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% g$ B" Q* k8 _2 v: k$ C' V4，组态仪表需要大量人工时。因为总线仪表的组态需要对组态工具和参数设定有比较清晰的认识，一般仪表工是不会太有机会接触到组态和校验过程的。这就需要少量的工程师（DCS厂家和用户工程师）对大量仪表进行组态。总线仪表的组态我做过，实话说速度不快，有时候通讯出现问题还需要退出再进组态界面。一般一块表需要5分钟。而这5分钟是不能取代回路检查的，也就是说回路检查仍然需要时间。这种人工时的开支也相当可观。
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! i, w& l) ^- S# p( N4 e2 F5，现场总线仪表的供电造成现场仪表还是需要现场配线。即使供电和信号使用同一电缆，仍然避免不了大量的现场接线盒和电缆。而且总线电缆的价钱也比普通信号电缆贵。DCS系统在解决给FF仪表供电的问题上，大多采用的还是24V DC外供电的方式。24V DC电源的价钱也是比较可观的。
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6，现实使用中，现场总线也不是十全十美，不出问题的。反而是供电，接地，信号屏蔽，设备本身都可能出现问题。且出现问题时只能在有限的平台（工程师站的组态、校验界面或者手持校验仪）上进行检查排除，从上到下仅有几个工程师知道怎么弄，其他人都参与不进来，从上到下对于这种出了问题无从置喙的境地有时候也颇有不满。如果这时候出现了长时间的工程师站占用或者人工时消耗，都会造成项目成本上升。
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将上述的电缆，仪表，外供电，组态，和有限的系统容量综合起来，现场仪表的成本优势基本上也就被抵消的差不多了。
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这里有一个有关上海赛科采用现场总线技术的文章。这上面可以看出，只有采用了国产FF总线电缆后，成本才会比传统仪表系统低。但是，我经历过的项目，还没有哪家使用的是国产FF总线电缆。
O$ X7 g' S+ I" t0 Khttp://www.chinabaike.com/z/gyzd/494156.html: e: b4 l# U# @
5 u! } ^+ M2 |7 u4 W/ O成本不低，技术门槛比较高，现场总线的使用也就出现了宣传热而实用不热的情况了。4 x' y% S! B1 C7 k* T1 |% }" e9 S
6 p3 {( \, V/ l3 v那么，现场总线的发展趋势怎样呢？
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' j- U9 r; [1 K1 _3 Z3 z9 _从技术发展的角度看，数字信号传输取代模拟信号传输是大势所趋。
$ B% `5 ?1 O3 N, S7 A打个比方，咱们家里用的有线电视，从模拟信号到数字信号到数字高清，很能说明上面说的这个趋势。
1 Y& R2 ^: S) }; A同样，从最近小米盒子，天猫盒子等等基于WIFI或者4G信号的视频娱乐设备大行其道可以看出。基于无线的数字传输信号的技术发展正在如火如荼。
* ^6 P! u5 N' k( J, n$ J, K这里，我觉得现场总线的发展趋势应该很明显了。那就是走以无线信号的数字传输的总线发展之路。) r( y- o' _# B4 }( |, f) C
有一句话我比较认同，一流企业做标准，二流企业做品牌，三流企业做产品。2 Z" S$ k) a% K. z" X7 R- n. g
现在一线的工控设备提供商例如霍尼韦尔，艾默生，西门子都在极力推广自己的无线信号传输标准。
8 T# ?; ?3 G! \# r这是之前各家力推自己现场总线协议的延续。也是现场总线的发展之路。" ~" g. j8 [; [; t4 G+ K" t4 }
一旦一种或几种工控用无线通信协议被广泛采纳，那么我认为传统仪表将渐渐淡出市场竞争。; u% v0 ^+ e1 @- [' E
目前工控用无线信号传输协议还有好几个瓶颈需要突破，例如仪表供电，信号传输的功率和频率，抗干扰，实时性，安全性等等。一旦有所突破，无线通信给工控带来的可能是革命性的影响。5 ^& _& z/ o7 H
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也许在不久的未来某天，控制室里再也不见大排的机柜，密密麻麻的连线和让人不胜其烦的端子，甚至也没有了机柜间，中控室。只有办公室里几个家伙，通过几台计算能力惊人的计算机，大容量的无线网关和大功率的天线，以及一张疏而不漏的大网，就能管理未来或宏大或精巧的工厂，为未来生活制造更加优良的产品了。
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雷达卡
发表于 2014-1-13 16:34:33
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