现场总线对自动化仪表与系统的影响分析

吴刚

德州实华化工有限公司 山东省德州市 253000

摘要：计算机网络及通信技术的发展使工厂现场设备、控制与管理实现了自动化，并引发了自动化系统的结构变革，为自动化仪表与系统的发展带来新的机会。文章通过介绍现场总线的发展过程及其特点，从三个方面总结了现场总线对工业过程自动化仪表与系统、自动化技术带来的深远的影响，以期为我国仪器仪表产业发展提供新思路。

关键词：现场总线；自动化仪表与系统；影响

一、智能化实现技术

1.32位RISC处理器

传统自动化仪表的主处理器主要由CISC结构主导，其代表是Motorola的68000系列、Intel的80X86系列以及8051内核系列。随着自动化仪表的发展，对主处理器提出了高性能、低功耗的要求，这使得仪表的主处理器迅速朝着32位RISC处理器发展。目前，ARM7/9内核系列、STRONGGARM系列、MIPS系列、Motorola公司的M-CORE系列等32位RISC处理器正逐步成为应用主流。32位RISC处理器能达到67位的强大的运算处理能力和寻址空间，而又没有相应的传统32位处理器的开销，成为高性能自动化仪表的首选。以ARM7Thumb系列为例，主要的性能参数为：时钟速度为66MHz，性能为40MIPS（66MHz），平均功耗为0.6Mw/MHz，32位寻址空间―4GB线性地址空间，32x8DSP乘法器，32位寄存器区和ALU，三级流水指令结构，32-Bbit桶状移位器。

2.实时嵌入式操作系统（RTOS）

当自动化仪表功能逐渐增强时，程序将越来越复杂，资源的合理安排以及任务的调度将是很大的挑战。采用实时嵌入式操作系统（RTOS）将很好地解决这些问题，并降低开发难度，缩短开发周期。RTOS的基本功能是：抢先多任务，硬实时，代码少（适合于嵌入式系统），可以扩展图形、网络协议等功能。目前应用较多的RTOS主要是Vxworks，Nucleus，PSOS及ThreadX。

二、现场总线对自动化仪表与系统的影响

2.1促使工业控制由控制室转向现场

现场总线对于自动化仪表与系统的最直接、最大的影响，就是实现了各种控制功能由控制室向现场的转变，从根本上改变了工厂控制系统结构。数字式仪表将被模拟仪表取而代之，目前DCS控制功能将由FCS系统功能取而代之。现场总线涉及的各种新概念，会不断促进现场仪表的检测与控制功能的更新。为此，政府及各决策机构应积极鼓励各仪表生产厂家和广大用户分析研究与开发应用现场总线。当前国外仪表公司产品进入我国市场参与竞争的炙热局面下，我国仪表企业面临重重困难，推动现场总线仪表及系统的发展，将促进我国仪表产业及产品结构的调整，从而使我国仪表产业在技术与市场的推动下取得竞争优势。

2.2实现传输信号数字化

首先，现场总线将完全替代4～20mADC联络信号，实现传输信号数字化，更方便进行现场布线，降低了近70％的现场配线费用。其次，现场总线可将控制、报警、趋势分析等先进功能增加到现场仪表，减少了D／A与A／D变换，上层系统得到简化。最后，现场总线为系统的开放化奠定基础，实现了自动化仪表从封闭式系统向开放式系统的转变，从模拟数字混合技术向全数字化技术的转变，各厂家设备在相同标准下通过互连实现交互操作和互换使用，极大地方便了用户间的信息交换。此外，采用现场总线完成底层通信，系统冗余和故障诊断与容错功能增强，大大提高了系统可靠性、安全性，为其在更广泛领域的应用创造了条件。为此，政府应积极组织成立“中国现场总线协会”，形成以企业、大型集团、研究所及高校等各种力量为一体的凝聚力，共同致力于现场总线技术及其产品的开发和应用。并实现与国际上各现场总会组织的衔接与互动，密切关注现场总线国际标准的制订，以更好地指导我国现场总线技术的开发与完善。如国家重点安排几个DCS应用熟练且经济实力较强的化工企业与仪表研究、生产部门组成集团，进入国际现场总线基金会，并努力成为其试验基地，取得实际试验的初始资料，为发展我国新一代仪表打下基础。

2.3推动自动化仪表与系统的智能化

以实现过程控制与企业管理的有机集成为主的综合自动化，是自动化发展的主要方向。首先，现场总线使全部控制设备的测量值以工程单位体现，这样就避免了将控制装置中初始传感器数据转换为工程单位的工作环节，使控制装置可以去完成更高级的控制任务，方便了对控制装置的管理。其次，现场仪表中使用微处理器，使现场仪表表现出智能化、功能多样化的优势，促使先进的、新式的现场设备被研发，如多变量变送器及测控一体化产品，而这种产品将大大减少工业控制所需的总仪表数量，不仅节约了仪表购置、安装及维护费用，而且更有利于实现过程控制与企业管理的有机集成。为此，本文认为应大力发展全数字式智能化现场仪表，这将是未来整个控制、管理系统的发展方向。我国要取得经济的长远发展，必然离不开基础工业的发达，而现场仪表作为信息产业的基础，国家应加大支持力度，有计划地开发或通过引进、合资、建立起现场仪表生产基地，依托科技与信息技术的进步，推动全数字式智能化现场仪表在工业领域的影响力。

三、现场总线的发展趋势与路径把握

3.1现场总线的发展趋势

近年来，工业以太网技术得到了突飞猛进的发展，此标准原来应用于IT领域，目前亦在信息网扩展中实现了广泛地开发。相较于其他工业自动化技术，工业以太网技术以其日益完善的性能与迅速降低的成本取得绝对性的优势，这使很多工业自动化领域中的企业将更多精力放于对以太网资源的利用之上，因此，新生代的工业自动化网络势必会以以太网为基础而建立，以太网技术已成为支持工业发展的热点。分析总线技术的发展方向，当前全部的现场总线都将实现向Ethernet的过渡，很多以现场总线为基础的控制系统最终都会与Ethernet建立连接，在满足一定条件后，还会实现Internet的连接。对于工业控制系统而言，工业以太网是其一个主要的发展方向，当前过程监控层对工业以太网进行了大量的应用，其在现场层的应用则主要以对现场总线技术的采用为体现。

3.2现场总线的发展路径

①政府职能部门与各决策机构应给予高度重视于现场总线技术的发展，尽早作出响应，推动技术开发向国家意志的方向上升。②相关部门要在全社会进行工业的宣传，使仪表生产企业与广大用户对现场总线技术有一个充分的认识与了解，打下坚实的群众基础于技术的科技攻关、研究开发与推广应用。③成立多处现场总线协会，以企业为主体，依赖于大型企业集团的支撑，让用户广泛参与进来，加速技术发展，扩大产品开发与应用规模，开放格局，在与国际的接轨中对相关工作的开展进行指导。④吸收人力、物力、财力等资源对以现场总线为基础的智能网络自动化仪表进行大力开发，从科技攻关产品开发、技术改造与行业工作推进等方面向相关单位提供重点支持，建立开放自动化系统生产基地，形成适度规模经济。

结论
　　本文主要总结为促使工业控制由控制室转向现场，实现传输信号数字化，以及推动自动化仪表与系统的智能化三方面。目前，现场总线仪表及系统已广泛用于工业过程控制，并促使自动化技术领域产业升级以及过程检测产品的更新换代。我们应抓住机遇，不断完善现场总线控制系统，并形成有利于我国仪表产业发展的现场总线标准，振兴中国仪器仪表工业。
参考文献：
[1] 关旭，纪轲，董刚力.自动化仪表与控制系统的现状以及发展趋势研究[J].科技展望，2016，08:74.
[2] 张宁，郭闰双.浅析自动化仪表控制系统技术[J].化工管理，2016，14:190.
　　

窗体底端