總線(xiàn)專(zhuān)題：第一講 現場(chǎng)總線(xiàn)的由來(lái)

現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是當前國際上自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)的出現給工業(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的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(Fieldbus Control System)將逐步取代傳統的分散性控制系統DCS(Distributed Control System)。

現場(chǎng)總線(xiàn)起源于歐洲，隨后發(fā)展至北美。早在1984年，制定國際標準的權威機構之一，國際電工委員會(huì )IEC(International Electro technical Commission)就開(kāi)始著(zhù)手制定現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準,但由于國際上幾個(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場(chǎng)總線(xiàn)國際標準,經(jīng)過(guò)了15年環(huán)繞著(zhù)國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)大戰以妥協(xié)而告終。結果是出現了多種現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準，到目前為止，已有12種之多，多標準實(shí)際上就是沒(méi)有標準，這給用戶(hù)、自動(dòng)化儀表制造商及系統集成商帶來(lái)了困惑與無(wú)奈。目前，新一輪環(huán)繞著(zhù)市場(chǎng)的現場(chǎng)總線(xiàn)大戰正在進(jìn)行。

一個(gè)單一的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準始終是用戶(hù)的希望和要求，為了尋找出路，目前國內外不少組織與廠(chǎng)商正在尋找新的出路，將以太網(wǎng)（Ethernet）應用與現場(chǎng)總線(xiàn)將是一個(gè)新的亮點(diǎn)，現在已經(jīng)出現了多種基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE（Real Time Ethernet）的現場(chǎng)總線(xiàn)，雖然還不完善，正在繼續研發(fā)之中，估計要到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)多種現場(chǎng)總線(xiàn)并存的局面還會(huì )繼續存在。

二、產(chǎn)生現場(chǎng)總線(xiàn)的背景

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

1.早期的儀表與調節器

早期的儀表與調節裝置是機械式的，如膨脹式溫度計，彈簧管式壓力計和用于蒸汽機的飛球式調速器等。

2.液動(dòng)和氣動(dòng)儀表以及其調節裝置

進(jìn)入20世紀以后，工業(yè)生產(chǎn)的規模開(kāi)始擴大，需要將分散在現場(chǎng)的機械式儀表和調節器集中起來(lái)，于是就出現了有作為輔助能源的液動(dòng)（hydraulic）調節器。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)生火災的危險，再加上油的粘滯而不能遠距離傳送信號，所以不久又出現了用壓縮空氣作為輔助能源的氣動(dòng)（pneumatic）儀表與調節器，這樣就出現了將檢測、顯示和調節集中在一起的氣動(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50年代，工業(yè)生產(chǎn)的規模更大，而氣動(dòng)儀表的傳輸距離卻也有限；并且氣動(dòng)儀表對氣源供氣的可靠性和凈度要求又比較嚴格，需設置專(zhuān)用的氣源（無(wú)油壓縮機站）；再加上多個(gè)氣動(dòng)信號的疊加和處理比較麻煩，諸多不便逐步凸顯，漸漸無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是出現了電動(dòng)儀表，但氣動(dòng)儀表存在著(zhù)體積太大的缺點(diǎn)，一塊儀表盤(pán)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(guān)看，在60年代又出現了電子儀表，而電子儀表也從開(kāi)始的真空管式電子儀表，發(fā)展到半導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(pán)的盤(pán)面面積，只能將電子儀表的尾部加長(cháng)，這樣又不得不將盤(pán)式儀表屏改為架裝式儀表盤(pán)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(pán)有時(shí)亦會(huì )長(cháng)達數十米，便操作人員難以從如此眾多的儀表讀數中綜合掌握和判斷全部的生產(chǎn)過(guò)程。

4.用電子計算機進(jìn)行監控

20世紀60年代開(kāi)始試用電子計算機進(jìn)行監控和數據采集，即所謂SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）。計算機不但可以采集數據，而且可經(jīng)過(guò)運算來(lái)改變控制儀表的設定值，使控制得以?xún)?yōu)化；或者直接用計算機進(jìn)行DDC（Direct Digital Control）直接數字控制。但當時(shí)計算機的可靠性沒(méi)有完全過(guò)關(guān)，加之價(jià)格又貴，體積又大，功能也不強，難以應用冗余技術(shù)或多機并行處理，一旦一臺計算機發(fā)生故障，整個(gè)工藝機組的生產(chǎn)即陷于癱瘓。結果以一臺計算機控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的失敗而告終。

5.分散型控制系統

進(jìn)入70年代，大規模集成電路的出現，使微機處理器（micro processor）芯片的價(jià)格大幅度降低，導致了自動(dòng)化領(lǐng)域內的一項革命。1975年美國的霍尼韋爾（Honeywell）公司首先推出了TDC-2000型集散控制系統，級管理是集中的，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)這種系統被稱(chēng)為DCS（Distributed Control System）后，慢慢地DCS的中文名稱(chēng)就從開(kāi)始的集散型控制系統變?yōu)槟壳俺Ｓ玫姆稚⑿涂刂葡到y的名稱(chēng)了，但在計算機行業(yè)中，則稱(chēng)之為分布式控制系統。DCS在20世紀80-90年代達到了其鼎盛時(shí)期，有人稱(chēng)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）調節回路（loop）。一個(gè)CPU的故障只影響局部8個(gè)調節回路而不會(huì )影響全廠(chǎng)的控制，使危險得以分散，大大地提高了整個(gè)控制系統的可靠性。DCS的數據采集和處理以及調節回路的控制算法都是在控制室內的主機中完成的。操作人員只需看控制室內操作站上的CRT（ Cathod Ray Tube 陰極射線(xiàn)管）屏幕就等于看到了儀表盤(pán)上的儀表，而在操作站上的鍵盤(pán)KB（Key Board）操作即等于在儀表盤(pán)或操作臺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(cháng)的儀表盤(pán)前來(lái)回走動(dòng)，以及用筆來(lái)記錄和計算班報和日報?？刂剖业拿娣e也得以縮小。這時(shí)控制室內的控制系統已經(jīng)實(shí)現了數字化，但處于現場(chǎng)的大量的變送器與執行器仍然是用模擬信號，每臺現場(chǎng)儀表都必須各自用2芯或4芯電纜將4-20mA的直流模擬信號通往控制室。

6.現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統

進(jìn)入20世紀90年代，為了降低產(chǎn)品成本，增加盈利，工業(yè)生產(chǎn)的規模越來(lái)越大，生產(chǎn)過(guò)程也日益強化；并且人們對環(huán)境保護和生產(chǎn)安全的意識也更加提高，各國對此也制定了與之有關(guān)的規程或法令。此外，隨著(zhù)經(jīng)濟的國際化，企業(yè)之間的競爭不可避免，這就迫使企業(yè)的生產(chǎn)向著(zhù)穩產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、節能、環(huán)保與安全的方向發(fā)展。因此對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢測與控制的點(diǎn)數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，其檢測點(diǎn)已在5000以上；而火電廠(chǎng)30萬(wàn)機組的測點(diǎn)也在5000點(diǎn)左右，60萬(wàn)機組的測點(diǎn)也到了7000點(diǎn)，何況80萬(wàn)或90萬(wàn)機組也已經(jīng)有了；又如乙烯裝置也從過(guò)去的30萬(wàn)t到現在的90萬(wàn)t了。隨著(zhù)測點(diǎn)的增加，所需的控制電纜數勢必隨之增漲，以火力發(fā)電站30萬(wàn)kwm組為例，其所需的電纜長(cháng)度已近500㎞以上，試想在電站的鍋爐房?jì)?，空間有限，已密布著(zhù)各種水、蒸汽、空氣與燃料的管道，還要布置如此眾多的電纜，不僅給工程設計帶來(lái)了困難，而且對安裝，調試與維修也帶來(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，不可避免地出現了“瓶頸”堵塞的現象，嚴重地威脅著(zhù)DCS的正常運行。

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

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

三、產(chǎn)生現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎

既然隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)規模的不斷擴大已經(jīng)顯示出需要智能化儀表與現場(chǎng)總線(xiàn)的苗頭，恰恰就在這個(gè)時(shí)候，控制技術(shù)、通信技術(shù)與計算機技術(shù)（有人將Control控制、Communication通信、Computer計算機統稱(chēng)為3C技術(shù)；也有人將CRT屏幕技術(shù)也加了進(jìn)來(lái)稱(chēng)為4C技術(shù)）的發(fā)展提供了所需的技術(shù)基礎。于是現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS（Fieldbus Control System）就應運而生了。

四、總結

總結以上所述的發(fā)展史?？傻玫揭韵陆Y論：

（1）生產(chǎn)的發(fā)展，市場(chǎng)的需求永遠是產(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。

（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，而是不斷地升華，達到了更高的水平。例如20世紀40年代出現的04型基地式氣動(dòng)儀表，他就在現場(chǎng)集檢測、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，利用在現場(chǎng)的智能化變送器和執行器，在現場(chǎng)實(shí)現自主調節，這種從現場(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，現場(chǎng)儀表還有受主機監控和向主機提供自診斷等功能，這與過(guò)去的現場(chǎng)基地式儀表相比，是不可同日而語(yǔ)了。