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北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司 羅安

作者簡介

羅安，研究員級(jí)高級(jí)工程師，享受國家政府津貼專家。曾任北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司總工程師。長期從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程應(yīng)用工作，七十年代開始研制實(shí)施用于生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，建成了我國第一批掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用化控制系統(tǒng)。作為主要人員開發(fā)的大慶煉油廠油品貯運(yùn)自動(dòng)化系統(tǒng)、北京供電局電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)等曾獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、電子工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。從“九五”期間開始，致力于國家重大技術(shù)裝備控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化、自主化，先后主持研究西氣東輸站場自動(dòng)化控制系統(tǒng)、核電站計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用、三峽電站和梯級(jí)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施方案研究、新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、城市軌道交通綜合自動(dòng)化等大型項(xiàng)目。擔(dān)任“九五”科技攻關(guān)秦山二期監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)負(fù)責(zé)人，開發(fā)研究并形成了自主化的產(chǎn)品。該項(xiàng)目是國家“九五”期間優(yōu)秀科技攻關(guān)項(xiàng)目，于2004年獲電子信息產(chǎn)業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，本人得到國家有關(guān)部委“九五”期間優(yōu)秀科技人員表彰。著有《分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例》（第二作者）及《化工過程控制系統(tǒng)》（第二作者）。

現(xiàn)代的生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)具有兩個(gè)最顯著的趨勢，一個(gè)是越來越走向智能化，另一個(gè)是在結(jié)構(gòu)上越來越走向小型化、分散化。造成前一個(gè)趨勢的原因是產(chǎn)品市場的多樣化需求，迫使傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式走向個(gè)性化的生產(chǎn)制造模式；后一個(gè)趨勢則源于微電子技術(shù)與信息技術(shù)的進(jìn)步。在這個(gè)發(fā)展變革當(dāng)中，一個(gè)非常重要的技術(shù)就是現(xiàn)場總線技術(shù)，如果說現(xiàn)代生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)將越來越依賴于現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展當(dāng)不為過。

現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)是串行通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。自從20世紀(jì)80年代Intel公司推出其針對(duì)低速I/O的串行總線BitBus以來，這種低成本、靈活方便的通信手段得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)生產(chǎn)的控制與自動(dòng)化方面。經(jīng)過了多年的演變發(fā)展，逐步形成了針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的多種現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，極大地改變了工業(yè)控制系統(tǒng)的面貌，特別是與生產(chǎn)現(xiàn)場直接相關(guān)的控制設(shè)備方面。以往的控制系統(tǒng)，其現(xiàn)場端都是各種類型的儀表，包括傳感器、執(zhí)行器等。這些設(shè)備在早期大多是就地顯示、就地操作的。這使整個(gè)生產(chǎn)裝置的控制與管理相當(dāng)困難和復(fù)雜。這種狀況在電動(dòng)單元組合儀表出現(xiàn)以后得到了很大的改觀。由于現(xiàn)場儀表可以通過電氣信號(hào)的傳遞，將現(xiàn)場狀態(tài)傳輸?shù)郊锌刂剖遥沟貌僮魅藛T可以對(duì)生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)集中控制與管理。而電動(dòng)單元組合儀表的進(jìn)一步發(fā)展，則是智能化、數(shù)字化的新一代智能儀表。智能儀表的最大特點(diǎn)是其內(nèi)部處理實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，其對(duì)外通信也是通過數(shù)字通信而非電氣信號(hào)。其優(yōu)越性表現(xiàn)在功能方面，現(xiàn)場儀表可以完成比傳統(tǒng)儀表復(fù)雜得多的運(yùn)算和處理，可以實(shí)現(xiàn)更加精確的控制。更為重要的是，除了控制，現(xiàn)場儀表還具備了一定程度的管理功能，這使對(duì)生產(chǎn)裝置的控制管理一體化的要求從現(xiàn)場端就得到了實(shí)現(xiàn)的保證。現(xiàn)場總線承擔(dān)了智能儀表與集中控制與管理中心之間以及智能儀表之間的通信連接任務(wù)，正是現(xiàn)場總線，構(gòu)成了完整的生產(chǎn)控制管理系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線今后應(yīng)該如何發(fā)展，這是大家普遍關(guān)心的問題。從目前的情況看，現(xiàn)場總線在技術(shù)上還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，其應(yīng)用也還處于開始階段，遠(yuǎn)未達(dá)到普及階段。為了促進(jìn)現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用，有哪些問題是我們必須關(guān)注的呢？就個(gè)人的看法，可以歸結(jié)為以下五個(gè)方面。

1　成本

作為現(xiàn)場級(jí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其使用量是非常巨大的，因此現(xiàn)場總線是一種價(jià)格敏感型產(chǎn)品。與傳統(tǒng)儀表的單純傳輸模擬信號(hào)的介質(zhì)不同，現(xiàn)場總線要傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，與現(xiàn)場總線相關(guān)的設(shè)備除線材外，還包括集線器（Hub）、中繼器（Repeater）、交換器（Switch）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)橋（Bridge）和路由器（Router）等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這些設(shè)備的單價(jià)及使用量將直接影響到最終現(xiàn)場總線系統(tǒng)的成本。

2　可靠性

由于現(xiàn)場總線設(shè)備的安裝地點(diǎn)一般環(huán)境條件不是很好，這對(duì)現(xiàn)場總線設(shè)備的運(yùn)行提出了較高的要求，例如抗惡劣環(huán)境能力、抗電磁干擾能力、抗振動(dòng)能力和抗電源波動(dòng)、抗雷擊、抗浪涌電流能力等方面，都需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、安裝、防護(hù)等各個(gè)方面都非常嚴(yán)格，才能保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。另外，由于現(xiàn)場總線設(shè)備的安裝地點(diǎn)非常分散，對(duì)其進(jìn)行檢查維護(hù)十分不便，加之?dāng)?shù)量眾多，因此實(shí)現(xiàn)設(shè)備的少維護(hù)甚至免維護(hù)是至關(guān)重要的。如果現(xiàn)場總線設(shè)備的可靠性不能達(dá)到一個(gè)較高的水平，那么系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用將會(huì)很高，且在長期運(yùn)行過程中會(huì)一直居高不下，這對(duì)現(xiàn)場總線的應(yīng)用十分不利。

3　技術(shù)難度

對(duì)于大規(guī)模使用現(xiàn)場總線的需求，應(yīng)該盡量降低其技術(shù)復(fù)雜度，對(duì)于這一點(diǎn)可能會(huì)有不同意見。現(xiàn)場總線是一項(xiàng)非常具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，隨著微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)場總線的潛能將不斷發(fā)揮。自然而然，對(duì)于技術(shù)研發(fā)人員來說，都希望將越來越多的功能賦予這項(xiàng)新技術(shù)，使其具有更加強(qiáng)大的處理能力。但從應(yīng)用的角度看，對(duì)于現(xiàn)場總線的首要目標(biāo)是大面積的使用，而功能的復(fù)雜性會(huì)阻礙其得到迅速而廣泛的推廣。對(duì)于使用現(xiàn)場總線的工廠來說，以往的儀表車間將變身為現(xiàn)場總線的安裝、使用、運(yùn)行及維護(hù)的部門。面對(duì)這樣一種從基礎(chǔ)技術(shù)就不同于傳統(tǒng)儀表的新設(shè)備，需要一個(gè)較長時(shí)期的培訓(xùn)、學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程。特別是在現(xiàn)場總線的應(yīng)用初期，工廠的儀表部門將面對(duì)兩種完全不同的技術(shù)和產(chǎn)品，能否順利地轉(zhuǎn)移到新的系統(tǒng)上，與新技術(shù)的易用性有極大的關(guān)系。如果新技術(shù)的產(chǎn)品過于復(fù)雜，那么工廠就不得不長期依賴供貨廠家，這又是一筆不小的成本。而且從一般的情況看，技術(shù)復(fù)雜的產(chǎn)品由于使用維護(hù)、診斷排錯(cuò)的難度比較高，因此運(yùn)行過程中出現(xiàn)停運(yùn)的可能性也比較大。

4　標(biāo)準(zhǔn)化

現(xiàn)場總線產(chǎn)品的種類越少越好，因?yàn)樵绞且?guī)范劃一的產(chǎn)品，就越能夠大面積應(yīng)用，也便于大規(guī)模生產(chǎn)，更能做好品質(zhì)保證并降低成本。但是目前的情況是，現(xiàn)場總線的產(chǎn)品種類相當(dāng)多，這給這項(xiàng)新技術(shù)的廣泛采用造成了不小的困難。造成這種情況的原因雖然多，但歸其根本，恰恰是這項(xiàng)技術(shù)自身。現(xiàn)場總線技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)和軟件，這使得其功能空前強(qiáng)大，自然其應(yīng)用的覆蓋面也是空前的。這與傳統(tǒng)儀表的情況截然不同，如果說傳統(tǒng)儀表所覆蓋的范圍被限制在現(xiàn)場的測量和控制，那么現(xiàn)場總線的覆蓋范圍擴(kuò)展到了完整的控制系統(tǒng)。而在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，由于生產(chǎn)的目標(biāo)、方式、過程及控制方法五花八門，不可能統(tǒng)一，因此面向完整控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線也產(chǎn)生了各種各樣的產(chǎn)品。這是自然形成的，誰也改變不了。這就成為了一個(gè)悖論：功能強(qiáng)大的現(xiàn)場總線理應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用市場，但是為了廣泛的市場應(yīng)用，又必須形成多樣性和復(fù)雜性的產(chǎn)品，這就對(duì)其廣泛應(yīng)用造成了障礙。如何破解這個(gè)悖論，是當(dāng)前現(xiàn)場總線面臨的大問題。因?yàn)槟壳皩?duì)生產(chǎn)制造業(yè)的智能化需求越來越高，沒有智能儀表及現(xiàn)場總線是無法實(shí)現(xiàn)智能制造的。不僅大型企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)智能制造，中小企業(yè)也同樣甚至更加需要走向智能制造。這些都在呼喚著標(biāo)準(zhǔn)化的、高可靠性的、低成本的、簡單易行的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。近年來迅速崛起的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正在逐步逼近這樣的一個(gè)目標(biāo)。作為一種高性能的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)以太網(wǎng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及各種傳輸介質(zhì)，其底層規(guī)約簡單易行，適應(yīng)性強(qiáng)，足以滿足各行各業(yè)的需求。而在其基礎(chǔ)上形成的多種行規(guī)為不同行業(yè)應(yīng)用提供了豐富的功能，從而滿足了不同行業(yè)對(duì)控制功能的不同需求。

5　安全性

安全問題是近年來才開始引起人們重視的，這里所說的安全性主要是指信息安全。由于控制系統(tǒng)今后的大趨勢是走向網(wǎng)絡(luò)化，因此信息安全的問題日益嚴(yán)重，必須予以高度的重視。雖然我們無法單獨(dú)依靠技術(shù)手段來保證信息安全，但完善的保護(hù)措施對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)是非常必要而不可或缺的。

6　結(jié)語

作為新一代的控制系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場總線的要求遠(yuǎn)不止是可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)的已有功能。以目前已經(jīng)運(yùn)行的各個(gè)行業(yè)的控制系統(tǒng)看，距離實(shí)現(xiàn)全面的、智能化的控制還有相當(dāng)大的差距，僅從測量的角度講，目前的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了為滿足基本控制功能的測量覆蓋度，但要達(dá)到更加全面的、更加智能化的控制，現(xiàn)有的測點(diǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要達(dá)到能夠“感知”的水平，就需要有更多的測點(diǎn)，保守估計(jì)可能會(huì)達(dá)到現(xiàn)有測點(diǎn)的2~3倍。這樣巨大的測點(diǎn)數(shù)量再使用現(xiàn)有的技術(shù)就不可能達(dá)到了，而必須借助新的現(xiàn)場總線技術(shù)，包括有線和無線傳輸介質(zhì)。也就是說，現(xiàn)場總線技術(shù)絕不僅僅是為了替代現(xiàn)有控制系統(tǒng)而出現(xiàn)和發(fā)展的，其使命是要大大擴(kuò)展現(xiàn)有控制系統(tǒng)的控制范圍和控制深度。由此可見，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展空間還相當(dāng)巨大，而為滿足智能化生產(chǎn)制造的要求，還必須進(jìn)行大量的創(chuàng)新研發(fā)，使這項(xiàng)新技術(shù)真正成為智能制造時(shí)代的技術(shù)基礎(chǔ)。

摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在中國》