發布日期：2022-07-14 點擊率：9
現場總線網絡已經使用了十多年了，在全球的工業自動化應用中展現了它的價值。大多數的情況下，過程工廠中的現場總線網絡用于連接現場設備和上位計算機系統。
這里討論的現場設備通常是儀表、分析儀和調節控制閥。最常用的儀表類型是溫度、壓力、流量和液位變送器－雖然一個典型的過程工廠也包含很多其他類型的過程變量變送器。
常用的分析儀類型是測量參數的化學成分，比如濕度、二氧化碳、甲烷和其他氣體和液體。調節控制閥提供了連續的液體和氣體的流量控制。
連接現場設備的上位計算機系統包括控制系統、企業資源計劃（ERP）系統和資產管理系統。這里討論的控制系統通常是基本過程或者調節控制系統。其他連接現場總線設備的控制系統包括先進過程系統和安全系統。
現場設備通過具有高速數據通信的現場總線連接上位計算機系統的好處包括：
? 聯網設備的配置和健康管理，節省了成本；
? 聯網設備的電子文檔，節省了成本；
? 預先維護，提高了運行時間；
? 預先維護，提高了性能；
? 預先維護，降低了維護成本。
幾乎在所有的場合，現場總線都取代了設備的硬接線，如：從現場儀表到控制系統的4-20mA連線。這個4-20mA信號用于把測量的過程變量傳送到過程控制系統。
相反，現場總線提供了一種高速雙向數據鏈路，在現場設備和控制系統之間可以傳送數量廣泛的信息。最重要的信息是儀表健康方面的相關數據，在需要預先維護的場合，它們可用于上位計算機系統進行校準安排。
校準安排僅在需要替換周期性維護的場合，可以節省維護費用，因為現場設備在它的工作參數之內是不需要校準的。當需要時，校準可以改進性能，因為在關鍵的現場設備需要經常進行校準，減少可能超限的漂移。
預先維護可能是現場總線系統帶來的最重要的收益了。使用現場總線提供的數據，工廠可以在問題發生之前預先發現它們。這樣維護工作可以事先安排，而不是等問題發生了再反應，節省了費用，改進了安全。
但預先維護的主要收益是避免宕機。如果一個現場設備出現失效，通常進行維修和替換設備時要使整個流程停下來。
現場總線是一種對許多數字工業網絡的統稱，包括但不限制，如：基金會現場總線（Foundation Fieldbus），哈特（HART），EtherNet/IP，Modbus TCP和Profibus。很多現場總線網絡，包括上面提到的，因為各種原因，正在轉移到基于以太網的協議。
為什么要使用以太網？
現場總線的收益在多年多種的過程應用中，已經很好地歸檔，大多數已經安裝的現場總線使用的都是專有協議，這和基于以太網的協議正相反。而基于以太網的現場總線可以提供更好的性能，造價也更低，并且安裝簡單，維護容易。
當在商業領域中提及以太網這個術語時，它通常是指使用TCP/IP協議的以太網網絡。在工業領域，術語以太網只是特指底層的硬件，而不包括協議，協議可以由用戶按自己喜好選擇使用。壞消息是有很多相互競爭的工業以太網協議。好消息是所有協議都可以運行在同一個以太網硬件上，而且還是同時的。
一個很好的性價比也許是轉換到以太網的主要因素。就在幾年以前，一個領先的現場總線網絡組織還在吹噓一個事實：使用他們專有協議的現場總線設備，在10年的時間里銷售了1百萬。這個數量比起其他的競爭對手可能印象深刻，但比起全球范圍內以太網設備的安裝數量，微不足道。
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作為用于計算機連接的領先協議，全世界的以太網安裝節點有幾十億，大多數是商業應用。巨大的數量產生了規模經濟效應，使得以太網硬件的價格不斷地下降，性能不斷提升。因為以太網是全世界標準，供應商通過性價比競爭，所以有著極大動力推動更好的產品應運而生。
現場總線組織采用了商用以太網規模經濟的優勢，推出了高速度低價位的網絡。高速度實現了監視應用的快速更新。根據控制過程的特性，高速可以實現實時控制。
因為以太網的廣泛使用，安裝和維護是非常容易的。有幾個原因，第一，對比起專有網絡，很容易找到熟悉以太網的技術人員。第二，用于安裝和診斷的硬件和軟件工具非常的多，而且便宜。最后，有可能依靠公司和工廠的IT人員支持和維護，因為IT人員了解以太網。 經過融合他們的工業和辦公室網絡，最終用戶只有不多的網絡需要維護，當集成技術和通信時，得到的是更多的收益。
以太網提供了比現場總線更多的好處，很多用戶在不同應用中獲益。特別是，以太網連接性使現場總線可以連接到可編程自動化控制器（PAC）層。
直接的是最佳的
當從一個城市飛到另一個城市，直飛航線總是比需要換乘的航班要好。同樣的道理也適用于現場總線連接到上層的上位計算機系統，直接從現場總線設備連接到一個ERP或者資產管理系統比通過中間的控制系統轉接更好。
旁路控制系統而直接連接一個上位計算機系統，像一個ERP或者資產管理系統，使用以太網型的現場總線更加容易實施。這是因為多數上位計算機系統都使用以太網進行通信。
在典型的過程工廠，多數現場總線設備不直接與實時控制相連，而是主要用于監視。一些設施有高達70%的現場設備與控制功能沒有任何關系。所以，每個現場設備必須連接到控制系統的假設這是不正確的，也沒有發揮它們的應有價值。
比如，環境應用諸如EPA（美國環保署）的監視和報告需要多種現場設備，而它們不需要連接到控制系統。ERP應用諸如存儲管理需要現場設備的輸入，但不需要毫秒級的更新速度，或者控制系統需要的確定性。
旁路控制系統提供了很多好處。首先，直接連接消除了中間的硬件設備和軟件系統。其次，現場設備的問題不再是控制系統的一部分，不用加入到整體的驗證和維護程序。再次，現場設備的訪問可以通過已有的IT安保系統來控制。
這些來自現場設備的非關鍵性信息，可以通過標準的以太網和無限網關，直接傳送到過程監視應用。不僅主要信息發布到整個定義的工程單元，而且設備狀態可以通過事件驅動或者周期發送的方式，不斷地得到監視和通信。
工作在網絡層的遠程服務工具和資產管理應用，也可以配置和管理連接的設備。標準IT安保和數據管理工具可以用于訪問控制。
現場總線以太網促進了PAC的應用
在早期的使用中，多數現場總線控制系統是DCS的變種。現在，以太網提供了一個公共通信協議，現場總線成為PAC控制系統的可選項。這樣可以降低過程控制系統的費用，因為通常PAC比DCS系統要便宜。
領先的制造商用以太網覆蓋了辦公和制造領域，使用結合PAC和EtherNet/IP－使現場總線設備提高了產品質量、推動了綠色制造和增強了生產效率。如在他們的一個工廠，制造商使用一臺PAC做為他們主實時控制平臺。PAC采用了內置的EtherNet/IP，所以工廠選擇了支持這種協議的設備，做為他們以太網型的現場總線。
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因此，一臺支持EtherNet/IP的流量計用于測量和控制質量流量在一個工廠的連續過程相關的著色控制。制造商會進行現場試驗比較，選擇具有較高精度的質量流量計。通過EtherNet/IP直接把儀表連接到PAC，提供了多種收益。當現場設備通過以太網型的現場總線連接了控制系統、資產管理系統和ERP系統，這些流量儀表能提供更多的價值
這種儀表具有同時測量多種參數的能力，包括質量流量、產品密度、過程溫度、體積流量、濃度和粘性。工廠希望能夠監視這些參數，但不希望有多條線路，使用的解決方案是使用高速的100兆EtherNet/IP協議。
工廠可以使用儀表的先進診斷參數監視功能，預先判斷對過程的影響，來自涂層、零件組合、腐蝕、和乘有氣體的條件。在問題發生之前進行預測，提前進行預先維護，減少了費用，減少了宕機時間。
這些應用的更多的明顯好處包括了減少40%的設備調試時間，減少了25%的回路識別、 設備集成和過程回路整定時間。做為一個網絡節點，馬上就可以識別一臺儀表，這是另一個收益，與儀表的透明性一起，可以從工廠車間到企業系統。
毫無疑問，現場總線將不斷朝著基于以太網的方向發展。為了保持競爭，現場總線組織將不得不采用以太網帶來的性價比的優勢。
最終用戶將需要以太網型的現場總線，從現場設備簡單、直接地連接到控制系統或者上位計算機平臺，諸如DCS、PAC和ERP、資產管理系統。隨著過程工廠PAC使用數量的增加，以太網式的現場總線將會非常普及和自然。
越來越多的工廠技術人員會更加熟悉以太網，鼓勵以太網在過程工廠中的使用。內部的IT人員也會喜歡以太網型的現場總線，因為它們和公司的計算機系統網絡是相似的。以太網型現場總線的這部花車正不斷前進，供應商和最終用戶也正在歡呼雀躍。
不是所有以太網現場總線都是一樣的
現場總線組織都喜歡鼓吹他們的以太網是最好的，大多數都附著在商用的TCP/IP以太網基礎之上，同時可以提供工業應用需要的實時性和可靠性。而這些告白需要最終用戶和系統集成商去判斷，毫無疑問，以太網型的現場總線有著很多的不同，而且經常還不能兼容。
比如，EtherNet/IP和PROFINET是以太網型的現場總線，但不一定能混合和搭配使用， 依附在這兩個標準的網關和/或者轉換器也是不一樣的。用另外的話講，一個支持 PROFINET的現場設備不能直接連接到具有EtherNet/IP端口的可編程自動化控制器（PAC）上。
解決這種問題的一個辦法是僅使用兼容相同現場總線的現場設備和控制器。不幸的是， 這通常是行不通的，因為多數過程工廠已經存在了遵從于不同現場總線標準的現場設備。
甚至在一個綠色工廠或者過程中，通常不可能從供應商購買只依附一種以太網型現場總線標準的現場設備。不經常使用的某些特殊儀表、分析儀和控制閥，如果需要使用現場總線連接到控制系統或上位計算機系統，也要考慮它們能夠支持的網絡標準。
為了處理這個問題，很多供應商開發了網關設備，可以把一種以太網現場總線的協議之后成另一個協議。比如，有一種網關可以把Modbus TCP現場設備連接到具有EtherNet/IP 端口的PAC上。
雖然網關方案解決了不兼容的問題，最好還是避免使用這種方法。有以下的原因。第一，網關增加了現場總線安裝的總體成本。第二，網關增加了設計和維護的復雜性。最后，網關需要附加的維護備件和存儲需求。
Foundation Fieldbus 高速以太網有希望成為工業標準，但不是所有DCS廠商都打算支持。最終用戶希望一種以太網現場總線兼容所有標準還要等待很長時間，在這之前，最好使用兼容的組件，最大限度的可擴展，必要時使用網關。
（羅克韋爾自動化 華镕）
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