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学DCS和PLC，不如看看这篇文章！
摘要：学习的目的全在于应用。本文把应用现场总线的对象分为制造产品的制造厂商与使用产品的最终用户。由于二者在性质上的不同，通过在应用方面所考虑问题的不同，分别加以讲述。 现场总线在制造厂商方面的应用
现场总线是在现场设备之间以及在现场设备与控制室监控设备之间的一种通信技术，如果设备制造厂商采用了现场总线技术，那么就可使自己生产的现场设备或监控系统与其它厂商所生产的设备（须同一种现场总线技术或协议）相互通信或相互操作。如果世界上只有一种现场总线的国际标准，正如目前现场仪表只有一种4-20mA的国际信号标准的话，那么情况就非常简单了，采用他就是了。就等于有了一张使自己产品进入国际市场的通行证。但是，目前的情况是：现场总线的国际标准已有十多种，最近CC-Link又成为ISO的标准，向2007年IEC61158又要重新改版，又要有几种实时以太网的标准加入进来，为数就更多了，何况现场无线通信网络又已经展露了头角，使情况更为复杂。摆在现场设备制造厂商面前的问题是到底选用哪一种国际标准为宜。
现场总线国际标准如此之多，不是一种正常现象，从历史上看恐怕也是绝无仅有的，多标准等于是没有标准，这对目前现场总线的国际标准的状况是一种讽刺，作为用户来讲，希望只有一种标准。有一次在与IEC负责现场总线官员的交流会上交谈，当我提出这个观点时，他也同意，但他也无力改变这一经过几个跨国大公司十多年来现场总线国际标准大战的妥协结果。从历史上看，无论是气动仪表的模拟信号制，还是电动仪表的模拟信号制，都是只有一种国际标准，前者为0.2～1.0kgf/cm2；后者为直流4～20mA。在1975年前，电动仪表的信号制也极不统一，各大国家，各大公司都有各自的标准，如德国为0～10mA，其他国家则有5～25mA，0～20mA等标准，我国第一代电动单元组合仪表DDZ-I（电子管式）就采用了0～10mA的标准，但到了1975年国际标准定为4～20mA以后，DDZ-Ⅲ型（集成电话）就不得不改为4～20mA，这对国内的仪表厂与用户造成了损失与不便。从长远看现场总线的国际标准应该只有一种标准。由于现场总线有许多优点，如果没有众多的国际标准，恐怕早已获得推广应用，就是在目前的状况下，还是有不少厂商企图开发此一产品。当然在现场总线的国际标准尚未获得统一之前，是有风险的。因此，在开发现场总线产品之前务须谨慎从事。
研究开发一种新产品是属于科学研究的范畴，所以也允许失败，但由于投入较大，需要规避风险，尽可能使之获得成功。因此，事先必须做好可行性研究。可行性研究包括以下几个方面：
（1）市场的调研。针对当前和今后若干年内，哪一种现场总线的产品是适销对路的。
（2）对现场总线的调研。了解各种现场总线的特点和不足之处，加以分析比较，做到心中有数。
（3）对同行的调查。要了解哪些产品已经有人生产？而哪些产品还是空白？哪个行业的应用有着良好的前景？今后的切入点何在？
（4）对各个现场总线组织的了解。一般各个现场总线都有其国际化的组织来推广其技术和规范。但各个现场总线技术的难度和进入“门槛”的高低各不相同。例如在现场仪表方面，FF的技术虽然比较完备，但难度也是比较高的。在进入的“门槛”方面，有的比较严格，收费也较高；有的入门虽然简易，芯片也比较便宜，但其开发装置就不便宜，功能越全的开发装置，价格也越贵。须知天下没有“免费的午餐”，每种现场总线的开发费用都不在少数，他们的付出是要求回报的。按照正规的程序，你要开发某种现场总线的产品，他们是非常欢迎的，一般先要求你入会作为会员，当然会费是必须每年交的，会费的多少对制造厂来讲是按销售额来定的，分几个档次，销售额越大，交费也更多，对于院校或院所的会费则较少，一般每年1000美元左右，但所享受的权利也较少。会员的权利一般对购买资料，参加培训班等都有优惠折扣，信息的获得也颇及时。至于不参加该会，如需购买资料或芯片也是可以的，但就没有优惠待遇，而且信息的获得也不及时。
此外，了解该组织在中国有没有派出机构、技术支持中心或认证机构也是重要的，因为当产品研制出来以后，必须进行一致性和可互操作性的测试，如该组织在国内没有认证中心时，就用不到走出国门了，一般一致性测试是比较容易通过的；而可互操作性的认证测试是比较难的，而出国的费用也是一笔不小的开支。
各种总线的核心技术一般是不公开的，做在专用芯片之内。芯片一般由二个以上的厂家出售购买是比较容易的。
（5）目前在市场上也可购得各种协议的转换接口，如由4～20mA的模拟信号制通过转换接口来达到与其它现场总线的通信功能，这种做法当然简便，但这是在一定程度上以牺牲精度、可靠性与延迟信号传递时间为代价而获得的。
（6）资金问题。新产品开发的初期，是需要投入的，2～3年之内一般是要赔本的，3－5年之内才能有盈利，弄得不好，也有血本无归的先例。最好的办法是先以别的产品的利润来培育此一新的产品。
（7）人才问题。由于现场总线技术牵涉到控制、计算机与通信技术，因此除了专业人才以外，还需要有一专多能的复合型人才作为开发新一产品的技术骨干。开发新产品，人才问题是至关重要的。
（8）尽量争取政府或有关部门在政策上、财务上、技术上的支持。
以上的几个因素，有的是相互制约的，这就要根据本企业的实际情况，权衡利弊，审视度势做出抉择。
从目前情况来看，大企业、大集团由于实力雄厚，往往“脚踩几条船”如有些仪表集团公司既开发FF的产品，又开发PROFIBUS等的产品。所以政府号召各企业进行重组，以加大产品创新的力度。当然，这也不能说中小型企业，或者新创建的小企业就没有机会了。
由于EPA是我国具有自主知识产权的现场总线，一则2007年国际标准IEC61158改版时，极有可能正式成为国际标准；二则EPA的起点较高，因为EPA是基于实时工业以太网的技术；三则适合本国的国情与企业文化；四则振兴我国的民族工业，人人有责。因此，不妨优先考虑。
现场总线在最终用户方面的应用
现场总线在为用户的应用方面与科研完全不同，它是属于工程技术的范畴，工程技术是具体实现某一目标而采取的各种具体方法，技术和措施，它是不允许失败的，所以必须按照一定的程序和阶段，逐步深入，具体细化，一直到竣工投产和验收，讲究的是能使自动化专业（包括现场总线）配合其他专业做到以最少的投资获得最大的效益，也就是说是投产的企业能达到：优质低耗，高产稳产和安全环保的目的。随着技术的进步，经验的积累，这方面的发展是永无止境的，做得好的话，就不完全是技术而会上升达到了艺术的境地。这就需要我们下大力气地去追求和创造。
现提出以下几个方面供应用时参改：
（1）大的项目必须按工程的办法来实施。
所谓按工程的办法，就是首先按需要进行立项，再经过可行性研究，初步设计或扩大初步设计，现在按西方的习惯又有叫做基本设计（basic design）的，然后再进行施工图设计或叫做详细设计（detail design），施工安装，调试投产，试生产，正式投产竣工验收等阶段，每个阶段内又必须按照各自一定的程序进行，例如立项，设计阶段必须由委托，招标，投标，评标，分包，各级审批等程序，以便层层把关，确保工程的质量和进度。大的项目一般由业主通过按投标的办法先委托设计院进行设计或总承包，目前有的设计院已改名为工程公司，除了设计的业务以外还承担采购订货等任务。
（2）包括现场总线在内的自动化系统是整个工程的重要组成部分。
随着市场竞争的日趋激烈，产品生产的规模越来越大，外加技术的进步，人们对自动化的重要性已经十分清楚不再多说。
（3）自动化是为生产工艺服务的，在工程中处于配合的专业
自动化固然重要，但他不能在工业生产过程中独立存在，只能依附于生产流程和工艺设备，才能体现出自己的价值，从而增加企业的效益。所谓皮之不存，毛将焉附。
由于自动化专业是属于新兴的技术，所以目前其发展往往比工艺生产技术的发展要快，容易使自动化技术工作者不知不觉地陷入以自我为中心，甚至凌驾于工艺之上的境地。
如前年有一次听到有一位自动化的技术权威要做一个“以自动化来治理三高”的报告会，我是怀着以一种“虔诚的心态去听取的，报告的前一部分讲的是我国目前能耗环境污染与原材料消耗指标与国外工业发达国家的差距，具体的数字与事例深动人心；但第二部分讲自动化怎么来治理三高时，却大讲什么开发软硬作平台，建立技术标准…，最后报告就这样结束了。听了报告的第一部分，虽然过去也知道当前的情况比较严重，但不具体，听了以后大有收获；但听完报告以后，却感到茫然。自动化能直接降低三高吗？”用了什么平台，什么标准以后就行了吗？当然我绝不怀疑这位权威在自动化方面的造诣，但怎么具体来降低三高呢？没有解决我思想上的问题。
目前火电与铜铁是耗能大户，又因我国的煤炭含硫量比较高，要降低SO2的排放量只有应用清洁能源，如天然气或事先将煤进行脱硫，或者从排出的烟气中将SO2脱去，目前在烟气中用湿法脱硫比较实际，但一个脱硫装置要使火电厂的造价增加近2个亿，如再要脱氧化氮化合物（NOX）又要加1个亿；再如为了节水，用空（空气）冷的办法还要增加1亿元左右。一般自动化在工程的总投资中占有的比例不大，如能用自动化办法去解决节能、环保问题不是太好了吗？
再用一些例子说明只有革新工艺流程与研发出新的工艺装置才能显著地减少投资节能与增产。如钢铁工业过去靠平炉来炼钢，一炉钢要十多个小时，要用大量煤气，为了节能，当时苏联的自动化专家花了很大的力气去研发平炉的综合自动化一直没有完成，但当上世纪60年代，奥地利成功地发明了纯氧顶吹转炉炼钢法，炼一炉钢只要几十分钟，氧气的吹入与铁水中的碳起了氧化反应，产生大量的热足以保证炼钢所需的温度，时间缩短了，产量提高了，煤气也不用了，相反还能回收产生的二次能源（转炉煤气），效益非常显著，所以现在平炉早已不存在了，那时还未完成的平炉综合自动化也就用不着再去研发和完善了，而保证转炉高效运转的副轮测温，定碳，炉口微差压调节与用转炉计算机来判断吹煤终点的自动化系统则起到了关键的作用；再如过去钢水炼成以后，用模铸的方法铸成钢锭，冷却以后如需开坯成钢坯，还需均热炉加温均热，经过功率强大的初扎机扎制成所需尺寸的钢坯，冷却以后放入钢坯库，如需轧制成成品（如钢板、型钢、管材等）时，还需从钢坯库中取出，经加热炉再加热进入成品轧机轧制成材，这种冷了又热，热后又冷，冷了又热的过程既浪费了能源又需要多种工艺设备（均热炉、加热炉、初轧机等），上世纪50年代，德国与我国相继发明了连铸工艺，即将钢水直接注入连续铸锭机，通过结晶器冷却水的冷却，不断地靠引锭桿从结晶器出口拉出板坯，这就废除了模铸，均热炉，初轧机等工序，既节省了投资，缩小了厂房面积，又节约了能源与时间，效益也非常显著，因此，现在的钢铁厂都已实现了全连铸工艺，而其中连铸机结晶器的钢水液位的测量与控制，控制二次冷却水的计算机数学模型等方法都是保证连铸机高效而安全生产的关键，而上世纪90年代出现的连铸连轧工艺，实现了一火火成材，即可将钢水直接加工成钢板，其中板型的测量与控制以及连轧机各机架的速度控制亦至为关键。
从上可以看出，降低三高或创造显著效益，主要是靠工艺流程的革新和研发新的工艺设备，自动化只达到了使工艺生产稳定而高效地安全环保生产，起到了保驾护航或画龙点睛的作用。
从以上的事例，充分说明只要一个自动化的工作者，能够在工作中正确地定位，牢固地树立为工艺生产服务的思想，这样才能使你的聪明才智在工作中充分地体现出价值与贡献。
（4）关于采用先进技术的问题。 采取先进技术是发展生产的动力之一，而且采用先进的技术也确实能为企业创造效益，但是要采用先进技术却需要具备一定的前提条件。在自动化领域内也有不少先进技术，现场总线也是一项重大的先进技术，但在采用时，如果没有先进的工艺流程和工艺设备，良好的原材料条件和足够的资金，以及在企业内部需要科学的管理水平、操作水平和维护水平与之配套及相适应，即使采用了最先进的自动化技术和装备，也不能奏效而甚至造成浪费。历史的经验值得注意，上个世纪70年代末和80年代初引进的DCS当时大多数投产的DCS只发挥了30%左右的功能即为一例。
我们知道先进的技术仅是一种手段，一种工具，采用它的本身并不是我们的目的，以最少的投资获得最大的效益才是我们真正的目的，因此，作为一个自动化工作者切不可为先进而先进，为现场总线而现场总线。（5）现场总线的选型。
以上讲述了工程设计的程序和各阶段的内容，也阐述了有关设计思想方面的问题，接着就要讲述有关应用方法上的若干问题。
选型是应用方面的重要组成部分，所谓选型，就是到底要选用什么厂家，什么型号的设备或产品对自己最为适用。
对于现场总线来讲，选型就是到底要选择哪一种现场总线为宜，当然，国际标准是在优选之首。如果国际标准只有一种，那就比较简单了，但在目前难就难于在有多种国际标准，而国际标准有不在少数，这就难上加难了。
首先用户要了解各种现场总线国际标准的内容及其特点，经过仔细研究就可发现大多数现场总线虽然都号称可以应用于各种领域，但根据支持其主要厂商的历史、典型产品，传统市场等方面就可发现都各有其特长或在性能方面有所侧重。
在用户方面，根据其生产过程的特点也各有差异，工业用户按生产过程可分为三类：即连续生产过程（Continuous Process）即从进料到成品的产出，其过程是连续的，化工，石油及石油化工和发电等的生产过程为其典型，而自动化应用于这类行业被称为过程自动化（Process Automation简称PA）；另一种生产过程是间歇的或离散的（Discrete Process），也就是生产是一步一步按顺序走的，最典型的就是汽车生产线，在生产线上，首先放上底盘，然后随着生产线的移动到某一部位时，停下来装上发动机，再移动到下一部位再停下来再装上车轮…，这样一步一步地移动，最后装配为一辆整车后出线。自动化应用于这类行业被称为工厂自动化（Factory Automation简称为FA），其信号的传输速度要求比PA快。第三种生产过程是批量生产过程（Batch Process），最近被叫做批过程，其特征介于连续生产过程和离散生产过程之间，即生产过程是按阶段生产的，这具有离散过程的特点；而在每个阶段内的生产又是连续的，又具有连续生产过程的特征，最典型的当属钢铁厂的转炉炼钢过程，即钢是一炉一炉炼的，每炉钢在装料或出钢时，需要停下来，而在用氧吹煤的过程却是连续的，用在这方面自动化就叫做批自动化（Batch Process简称 BA)。
从目前现场总线的类型来看：
1）PA领域。在PA领域内的控制系统一般选用DCS。适用于PA的现场总线的类型不多，最典型的为FF，其他则还有PROFIBUS的PA和EPA。FF继承了DCS与HART的一些行之有效的经验，如功能块与DDL等，所以熟悉仪表与DCS的设计人员不难使用FF。DA对信息的采样周期时间要求不高，一般以秒或毫秒来计算。
2）FA领域。在FA领域内的控制系统一般选用PLC。适合FA的现场总线的类型较多，如PROFIBUS DP，ControlNET，DeviceNET，Interbus，CC-link等。其采样周期所需的时间较高，一般以毫秒或微妙来计算。
3）BA领域。在BA领域内的控制系统过去一般采用DCS，但近来几乎都为PLC所置换。比较典型的是主要用于用于饲养业的P-Net。当然，其他类型的现场总线也可应用。
4）运动控制（Motion Control）。这是一种在时间上要求很高的控制，而且需要在时间上同步，一般以微妙甚至用纳秒（ns）来计算，主要应用于高速彩色印刷机或纺染设备，典型的现场总线如SercosIII等。
按照上述分类及适用的行业，选择的范围已收缩了不少，选型就比较容易了。一般要选择3种以上，然后进行分拆对此，最后推荐出一种。
（6）调研 。对于某些首次应用的新产品，或重要的设备，一般还需要去制造厂商进行实地考察，调研的重点是元器件是否经过严格筛选、老化？制造工艺是否精湛？管理是否到位？有哪些质量保证措施？虽然不免走马看花，但看的厂家多了，经过对此分析，自然心中有数。有时还可邀请专业代表一同下厂考察，以便及时交流，在决定选型时才有共同语言。（7）参观示范工程。当大型工程采用新产品、新技术时，例如现场总线，最好去参观考察同类型、同规模的工程项目，从中汲取经验及教训。但要考虑国情与本企业的具体情况，因地制宜地通过调研、学习、消化和吸收而达到提高的过程，决不要去生搬硬套。当然借考察之名，行旅游之实，回来后，一无所获之事，虽然极少，但也还是有的。应委派具有一定水平的技术人员、认真负责的业务骨干参加，才能取得良好的效果。
（8）没有示范工程怎么办？
由于工程是不允许失效的，借鉴别人的经验固然是个好办法，但如果没有示范工程，难道就没有办法了吗？难道就不能进步，没有创新了吗？况且示范工程总也是要有人才能干出来的。
示范工程怎么干才行呢？要敢吃“螃蟹”，除了需要勇气之外，还需要根据具体的背景和条件，采取必要的措施来降低风险，避免事故的发生。1）最简单而又万无一失的办法--采取备用措施。
如1978年开始建设上海宝山钢铁公司时，一号炼铁用的高炉就考虑要用DCS，而DCS是在1975年才开始推向市场的，连国外的炼铁厂当时也还没有成熟的使用经验，为了确保万无一失，采用了整套模拟仪表作为DCS的后备装置。这是因为上海的宝钢是一座完全从平地上新建的一个与国际接轨的大型钢铁企业，有着中央与地方的大力支持，而4000m3级的高炉在国际上也是为数不多的。当高炉顺利投产，证明DCS运行可靠以后，正因为有了这样的样板工程，随后我国新建的高炉就很快地推广应用了DCS。
但这是当时工期紧迫，投资充裕，对今后建设高炉自动化有着指导意义的情况下才做出的决策，但在目前的情况下不是随便哪个工程都能这样做了。
2）采用渐进的办法。所谓渐进的办法就是现在主机的外围工程或在辅助设施上，进而在主机不太关键的部位上采取一些必要的安全措施，先进行试点，待取得成功的经验以后再逐步扩大，这种做法，比起宝钢的方案，在费用上是节省了不少，但却需要较长的时间。
（9）工程投资 。自动化在整个工程投资中占有一定的比例，由于各行业工艺设备的结构不同，炉窑、瓶瓶罐罐的设备费用不大，但大型工艺精密旋转机械的价格就很贵，因此自动化设备在化工、石化等行业所占的比重就较大。而钢铁行业所占的比重相对而言就较小。一般在可行性阶段就有结算；在基本设计时就有概算；而在详细设计时就有预算。各个专业都有一定的份额，如采用的新产品超过概算不大时，报工程的总设计师进行平衡，若超过太大而不能平衡时，则只能叫停。
（10）改、扩建及技术改造的项目。
以上所述属于对大型新建的工程而言，若有改建、扩建时，而且就是新建的工程也有大、中、小之区别，因此所述的设计程序和阶段可根据不同的情况予以简化，但需要考虑的原则、思想、方法和精神则是不变的。不过改、扩建项目还需考虑与原有的设备协调和兼容的问题，因限于篇幅，不再细述了。
国内的应用状况
根据目前国内应用的情况归纳如下：
（1）FF的应用。2005年上海的Seeco中外合资90万t乙烯工程的顺利投产，标志着国内FF的最大用户的成功应用。虽然设有全部采用FF的仪表（占26.6%），HSE也没有用上，但在世界上同步建设的十个同类的项目上，FF也是用得最多的，而且简单的PID调节回路全部下放到现场仪表，堪称世界上的示范工程，但也突出了硬件投资过大，尤其是所用FF的附件，如插接件等投资也不在小数，同时也发现原FF的设计，每条H1总线可接32台现场仪表，但在实际应用时都平均只有5.8台仪表的问题。随后，在惠州投产的中外合资80万t乙烯工程CSPC也获得成功，也同样应用了大量FF仪表，不过其所有的PID调节，没有下放到现场，这是与Seeco的不同之处。但是最近兴建的新疆独山子工程是目前在石化行业内国内是最大的，其规模为1000万t炼油与100万t乙烯，但却没有采用FF。联想到我国上世纪60年代的计算机热，和上世纪70年代末的DCS热，那时全国一哄而起的情况，说明目前的用户日益成熟，更加理性，相信独山子工程的这样决策不失为明智之举，对今后“十一五”规划内兴建的大型乙烯项目会产生一定的影响。
（2）PROFIBUS。PROFIBUS的特点是注意市场运行，而且在技术上不断改进，所以在世界上的业绩首屈一指，前三年就已超过1000万个节点，而在功能上也有增加，如PROFIBUS过去只有主从通信，但现在又具有了像FF那样的“Publisher-Subscriber”广播式的通信功能。在国内又有技术推广中心与认证机构，在产品的开发上，上手又比较容易，所以在国内FA方面，其DP推广很快。在其PA方向，在水泥厂获得成功，据说所用的投资还更省。
（3）INTERBUS。INTERBUS在国际上的业绩，仅次于PROFIBUS。在国内的烟草工业的应用上比较突出，受到玉溪卷烟厂的好评，当然，在汽车工业上也有应用。
（4）Device NET。在中国已有了推广其技术的UDVA中国的组织。在国内的FA领域内也有很多的应用。如汽车行业也用得较多。
（5）CAN。目前国内有些厂商将CAN做成智能式I/O的控制系统，但一般都属于中小型规模的系统。
（6）LonWorks。LonWorks目前还没有成为国际标准，仅为美国的标准。由于它起源于楼宇自动化，进入中国也比较早，所以在楼宇自动化方面用得较多。
鉴于现场总线的国际标准过多，影响了推广应用，要解决这个问题须从源头上着手。
目前制定国际标准的组织，有三大家，即ISO，IEC与ITU（国际通信联盟）。ISO已批准了CAN与CC-Link作为国际标准。随着现场总线又在向无线现场网络方面发展，ITU会不会也会批准一些标准呢？而且可以预见的是，无限频道是属于电信管辖的范畴，所以ITU肯定是要管的，这样就会产生一些矛盾。因此，建议如下：
（1）能否将与电子、电气、仪表与管的通信协议标准划归IEC负责，当然三巨头之间需要协商和协调，以化解其矛盾。
（2）在IEC TC65或TC65C的进行试点，考虑设置用户委员会或工作组（Working Group），实行一票否决制，为建立单一的现场总线国际标准开辟道路。当然，考虑到PA、FA与运动控制方面的应用，有其特殊性，当一种标准目前不能完全覆盖时，也可分别设置三种标准，待技术发展到一定程度后再加以统一。
结论怎样才能使现场总线便于应用
建立国际标准的目的，不外乎有效地推动生产的发展，更好地为用户，也为全世界人民服务。为了便于应用，我们希望现场总线有单一的国际标准。在目前多标准的情况下，各大制造厂商当然是皆大欢喜，可就是苦了用户。为了让现场总线这样的先进技术早日为用户创造效益，谋取福利。必须打破这一多标准的格局。
目前，第一代的现场总线尚未全面推广，第二代给予实施以太网还正在完善，而第三代的现场无线网络又已兴起正在快速发展，Honeywell，西门子，HCF（HART基金会），ISA（美国仪表学会）与IEC等都在各自着手制定标准。多标准的局面，看来又将逐步形成。
除此关键时刻。不是大家都说“用户就是上帝”吗？我们不仅要大声疾呼，现场总线的国际标准应该让“上帝”－用户来说了算！
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