粗谈现场总线

曹操的槊 · 发表于 2014-1-13 16:34:33

本帖最后由曹操的槊于 2014-1-13 16:48 编辑

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。

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。

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。
这里我来说说我理解的现场总线，和我所的一点感受。

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。

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。

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）。

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。

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。

目前DCS系统中比较常见的现场总线协议有以下几种：
1，HART总线
2，基金会现场总线 Foundation Field BUS
3, Profibus
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。

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。

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。

从资料上看，现场总线的优势有以下几个：
1，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。
2，数字传输的高效率。
3，数字传输的高抗干扰能力。

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。
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。

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：

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。

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。

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。

4，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。

5，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。

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。

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。

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。
http://www.chinabaike.com/z/gyzd/494156.html

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。

那么，现场总线的发展趋势怎样呢？

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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。

水杉 · 发表于 2014-1-13 20:29:31

本帖最后由水杉于 2014-1-13 20:36 编辑

有线的话还有个物理隔离，美国无人机都能被伊朗牵到家里，无线控制网如何保证化工厂的安全。
控制系统越先进，要求工厂的自控人员水平就越高，前些年好多上了DCS也不能正常运行，现场还是很多人。

晨枫 · 发表于 2014-1-14 02:40:54

好文就要送花，呵呵。

HART也算现场总线吗？不过算不算，都只是一个名称而已。

无线的电源问题怎么解决呢？单一电源线当然比每一个仪表都拉一根信号线要省事，但这一根线断了，一片仪表就瞎了，也不是一个事。我们正在做的新项目用现场总线，但无线只用于监测，不用于控制，所有控制线还都是有线的。

无线的传输速率是多少？PLC需要毫秒级的反应速度，几百、几千个这样的无线信号拥挤在一起，带宽会有问题吗？这样大功率无线信号环境会对健康有影响吗？战斗机飞行员患癌的比例高于一般人，据说和长期在雷达照射环境工作有关。无线信号传输是line of sight吗？中继站分设几个不同地方保证冗余？如果在检修的时候，大型吊车过来了，会阻挡信号吗？对于恶意人为干扰有什么办法？我自己从来没有用过无线信号，问题很多，可能很初级，勿见笑。

曹操的槊 · 发表于 2014-1-14 10:40:21

本帖最后由曹操的槊于 2014-1-14 10:46 编辑

无线仪表的供电目前还是依赖电池。内部资料显示，我们公司的无线仪表产品的电池寿命最长为15年，有效工作时间为6年（数据更新周期为60秒下），带自诊断。如果更新周期为1秒，寿命则为6个月。半年换块电池。也能接受啊。哈哈
大家最近也知道现在有在弄无线充电技术和电力网络数字传输技术。这两种技术可能会给无线仪表的供电和数字传输以新的发展方向。

由于仪表的信号更新未必需要跟PLC的扫描周期一致。DCS中大多数仪表的数据更新周期为秒级。因此一般过程信号传输的扫面周期要求并不那么高。当然组态，校验和高更新率的仪表信号也存在，但是数据量却大大减少了。因此能够实现网络的“错峰运行”，就能满足工控要求。这设计到运筹和博弈等方面的理论，也是研究的方向之一。
无线信号的功率和频率跟抗干扰，信号屏蔽以及安全性息息相关。我们公司的无线仪表数据传输距离在20米左右，20米以外就要设中继或网关了。这个信号还是很弱的。跟家里的无线路由的能力也就差不多。
我们公司的无线仪表采用的通讯参数如下：
Communication protocol: ISA100.11a protocol
Data rate: 250 kbps
Frequency: 2400 - 2483.5 MHz license free ISM band
Radio security: AES 128 bit codified
RF Transmitter power: Max. 11.6 dBm (fixed)
Antenna: +2 dBi Omni directional type
从上面可以看出就是采用2.4G的频率（和大家的无线鼠标用的一样）。传输速率才250Kbps，估计是考虑到单块仪表的通讯，这么大也就够用了。

无线信号的传输途径是另一个课题。晨大的line of sight一语道破目前的情况。下面一张图可以看的更清楚。

现在无线网关就是需要放在蓝点和红点这种高高在上的位置，犄角旮旯里都不能装仪表，这样才能实现line of sight的要求。但是目前听说有在研究无线电波的反射，干涉等等理论，看看还能搞搞其他的办法，无损的让信号拐弯。这样就好的多啦。

抗干扰能力，如果把东西都架高，应该要好一点，再加上多位置设网关实现多点通讯，如图内的Repeater,单一途径受干扰时有其他通道可走信号，就能解决问题。

一无所之 · 发表于 2014-1-14 10:46:28

我觉得工业现场用无线的时间可能还很长。
关键在于无线传输的可靠性对应工业现场来说是不是不是能够做的更好？或者是和有线一样。
之所以现在模拟信号传输扔有市场，就在于，在某些较为恶劣的工业现场环境下。模拟信号的抗干扰能力可能更好。比如一个4～20mA 或者是+10～-10V的信号，在干扰严重的情况下，经常表现为传输信号的波动较大，对应一些对控制精度要求不高的工业现场，这是可以容忍的。但是如果采用数字或者是无线传输，表现出来的形式可能就是信号的时有时无，这对于要求连续生产的工业现场是无法容忍的。

曹操的槊 · 发表于 2014-1-14 10:51:29

一无所之发表于 2014-1-14 10:46
) p# E* r: `/ j我觉得工业现场用无线的时间可能还很长。) D( m) l) H; R6 P. }
关键在于无线传输的可靠性对应工业现场来说是不是不是能够做的更 ...

有些地方还是可以用的。最近中东就用了一批井口监视的无线模块。感觉还行

一无所之 · 发表于 2014-1-14 10:55:42

曹操的槊发表于 2014-1-14 10:51 ( O9 o0 A; y. F8 }% y
有些地方还是可以用的。最近中东就用了一批井口监视的无线模块。感觉还行 ...

恩，是的。关键看疗效

晨枫 · 发表于 2014-1-14 11:05:22

曹操的槊发表于 2014-1-13 20:51 ( K4 m; e+ t9 {( f. M- G2 J8 e
有些地方还是可以用的。最近中东就用了一批井口监视的无线模块。感觉还行 ...

监测的问题不大，控制的要求更高啊。还有，国内的仪表工和仪表工程师分别那么清楚啊，你说到的仪表级组态我们都是仪表工做的。在Honeywell DCS上，输入、输出和控制是三个不同的tag，apps负责控制tag，仪表工负责输入和输出tag。其实这个分工是人为的，仪表工完全可以把三个tag都管下来，但是apps对控制回路要统筹考虑，包括多回路、APC、RTO，所以把这一块拿了过来。从组态工具来说，都是一样的。

无线如果传输距离只有20米，那需要很多repeater啊。不知道信号会受风雪、冷却塔水汽影响吗？家里wifi每过多少时间就要reset一下，无线信号要是也玩这个，就要被玩死啦。

一无所之 · 发表于 2014-1-14 11:17:05

晨枫发表于 2014-1-14 11:05
+ \9 e( h6 V# o: H+ f X3 l监测的问题不大，控制的要求更高啊。还有，国内的仪表工和仪表工程师分别那么清楚啊，你说到的仪表级组态 ...

对，其实这也是我想说的。控制和监控对于信号的要求完全是不一样的。

晨枫 · 发表于 2014-1-14 13:06:46

一无所之发表于 2014-1-13 21:17 # y8 M9 n( r- j2 ?
对，其实这也是我想说的。控制和监控对于信号的要求完全是不一样的。

我们现在对无线的想法是：可以用multiplexer的地方都可以用无线，HLAI或者LLAI或者DI的都不能用，控制阀一律不用。

南京老萝卜 · 发表于 2014-1-14 14:13:45

曹操的槊发表于 2014-1-14 10:40
* ~5 h5 R& K) k* a: ?无线仪表的供电目前还是依赖电池。内部资料显示，我们公司的无线仪表产品的电池寿命最长为15年，有效工作时 ...

无线信号传输距离只有20米，应该还是受制于电池，发射功率不能太大。要不然现场设备就得支个定向的天线，降低发射功率。总之为了省这根线，麻烦也不少。

除了晨大提到的天气，还有个干扰类型就是各种设备。反应器、管道，各种电机开起来，对无线的干扰也挺大的。不知道你们的产品在抗这类干扰的性能如何。

请教一下，国内DCS和PLC的厂家，现在如何了？过去我记得浙大中控在搞和利时，不知道现在怎么样了。

另外，DCS和PLC的区别现在到底有多少？过去我记得DCS有个冗余设计，比如一个AO，端子板接了两块控制卡，一块坏了，另一块自动切换，热冗余。而PLC上是没有冗余的，坏了就歇。现在是什么情况？

曹操的槊 · 发表于 2014-1-14 14:20:45

晨枫发表于 2014-1-14 11:05
7 r# e1 h7 `' J监测的问题不大，控制的要求更高啊。还有，国内的仪表工和仪表工程师分别那么清楚啊，你说到的仪表级组态 ...

我来说说我知道的国内石化企业对仪表工作的分配吧。
石化企业一般按照功能分炼油和化工两大部分。
每个部分根据主要产品分厂，比如炼油厂，芳烃厂，塑料厂，化肥厂等等。厂名有时候很奇怪。比如齐鲁石化有氯碱厂，但是这个厂其实是生产氯乙烯和聚氯乙烯的，光看氯碱两个字，还真不容易想到。

每个厂都有自己的仪表车间或者仪电车间。
仪表车间统管仪表工和仪表工程师，仪电车间还要另管电气。
仪表工这块，车间会根据装置分班，比如炼油厂仪表车间会有蒸馏一班，重整二班，加氢三班等等。他们主要负责现场仪表和阀门等的巡检和现场接线箱的维护。
有些仪表和阀门到校验周期或者需要拆下维护，也是仪表工的工作。
如果指定装置有升级改造扩容更新等项目，除了建设单位，这些仪表工有时候也会参与电缆敷设与连接，仪表安装等。仪表工一般不会参与机柜间和控制室的工作。

仪表工程师这块，车间会根据装置指定工程师。比如张三负责一蒸馏，二蒸馏和一加氢；李四负责二加氢，一重整和三硫磺。有些工厂因为技改，升级，扩容，新装置等工作比较多，还会设立专门的DCS技术组等。技术组内也仍然根据装置将某人指定在某些装置上。一旦这些装置有故障或者升级改造扩容更新的事情，相应工程师都要负责。
因为这些事情太多了，仪表工程师忙不过来，那么有升级改造扩容更新项目的时候，仪表班或建设单位会抽出人来配合仪表工程师工作。
国内的项目很少有仪表工能参与到组态的。在回路检查之前，如果仪表需要组态，不是我们厂家工程师弄就是仪表工程师弄。最多是组态做好了，调位号，记录检查值这些事，是由受指派配合工程师工作的仪表工完成的。还有就是这些特定的仪表工会配合工程师做室内查线的事情。
国内基本上没有专职的控制工程师，即使是DCS技术组，仍然认为他们是仪表工程师，控制系统是仪表系统的一部分。

曹操的槊 · 发表于 2014-1-14 14:47:30

南京老萝卜发表于 2014-1-14 14:13 0 ]9 l* P" P+ I, J- g2 Z
无线信号传输距离只有20米，应该还是受制于电池，发射功率不能太大。要不然现场设备就得支个定向的天线， ...

好多地方都在谈DCS和PLC的区别。我说说我的感受吧。

软件上。在DCS中，很少有对寄存器的操作。寄存器在DCS里都是打包封好的，你只需要调用相应的功能块，给各个块分配好IO，然后将块之间做好连线，组态就完成了。功能块与IO，功能块之间的数据联系是DCS自己定义好的，你能动的空间很小。
在PLC中，运用最多的是寄存器。比如西门子S7系列PLC里头的DB,FB，输入的I寄存器，输出的Q寄存器能等等，都是对寄存器的操作。在寄存器之间，数据类型的转换还是很自由的。

DCS比较PLC的优势在于对封装好的数据进行操作比较方便，功能块很丰富，模拟量编程还是比较轻松的。
劣势是不能对寄存器操作，对于习惯数据转换的用户来说觉得不自由，另外DCS基本没有全面支持梯形图编顺控和逻辑的，这点我觉得不爽。

硬件上，以前有DCS支持冗余，PLC不能支持冗余的说法。其实随着技术的发展，PLC做冗余在技术上不是不可能，只是出于成本的考虑，PLC厂家不去做而已。西门子原来按照PLC推的S7-400就是可以支持冗余的，一样的从电源到信号到网络全面冗余。现在西门子把S7-400的硬件，Step7和WinCC的软件打包成了PCS7，就是在按照DCS卖哇。

DCS从电源到信号到网络全面冗余，看上去是高端大气上档次，钱花起来也厉害。PLC灵活小巧成本低，挖个水池子都能上套PLC来控一控。这都是市场的选择了。

晨枫 · 发表于 2014-1-14 22:28:48

曹操的槊发表于 2014-1-14 00:20
$ ?5 k/ a8 N" d* B( j/ U* c我来说说我知道的国内石化企业对仪表工作的分配吧。
( s6 {! C# S- G5 F' O- G石化企业一般按照功能分炼油和化工两大部分。
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惊叹！我们的一个炼油厂（用60万吨乙烯作类比）或者化工厂（用50万吨聚乙烯做类比）都是只有4人仪表工，2人控制工程师。仪表工从现场拉线、维修到机柜、拆下维修，包括输入输出tag，另加2人负责PLC、DCS硬件和分析仪表。控制工程师从控制tag往上一直到APC、RTO。技改、扩容、新厂会有外包支援。

晨枫 · 发表于 2014-1-14 22:34:19

曹操的槊发表于 2014-1-14 00:47
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DCS和PLC的差别越来越小。DCS能做ladder logic和function block，也能做sequential flow chart；PLC也有冗余了。两者都越来越OPC compliant。DCS的重点依然在连续控制，PLC的重点依然在断续控制，但我还没有见到过大化工用PLC代替DCS的；相反，用DCS代替PLC的例子见到过，但后来都很惨。还是各得其所的好。

曹操的槊 · 发表于 2014-1-15 09:44:03

晨枫发表于 2014-1-14 22:28
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4个仪表工怎么分班次啊？炼化厂都要连续运行的，4个人连3班也没办法分呀。

晨枫 · 发表于 2014-1-15 10:03:12

曹操的槊发表于 2014-1-14 19:44 " G. F/ M: c' L: x
4个仪表工怎么分班次啊？炼化厂都要连续运行的，4个人连3班也没办法分呀。 ...

只有白班，每周4天，每天10小时，其余时间on call，有事打电话叫人来。

曹操的槊 · 发表于 2014-1-15 10:09:23

晨枫发表于 2014-1-15 10:03
3 W7 d$ Y V# K+ r& A" A: b# h+ G只有白班，每周4天，每天10小时，其余时间on call，有事打电话叫人来。

那说明设备状态好。
还有就是资本主义实在是太重视成本啦。
国内的企业就是要养人呀。放一堆人在那，没事溜一圈记几个数就行。真的能干的，也就那几个。

马鹿 · 发表于 2014-1-15 10:17:10

对无线信号用于控制，我认为还需要技术继续进步，现阶段还差太多：传输速度，传输距离，抗干扰，。。。

PLC跟DCS各有所长，不建议互相代替。长处都是拿短处换来的。

晨枫 · 发表于 2014-1-15 10:22:52

曹操的槊发表于 2014-1-14 20:09 # S8 @ A* }2 u( H/ b. _
那说明设备状态好。4 L8 l( m" ~3 Y2 g' R. k4 v
还有就是资本主义实在是太重视成本啦。
- {# E4 o! x2 e国内的企业就是要养人呀。放一堆人在那，没事 ...

这里养一个仪表工贵着呢，一年光外出培训就是几千上万刀，尤其是开始几年。

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[工程技术] 粗谈现场总线

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