本文將考察當(dāng)前流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)內(nèi)容、傳輸要求等。在此基礎(chǔ)上，本文提出流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)構(gòu)想，為建設(shè)新一代流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸高速公路提供選項(xiàng)。
第1類設(shè)備：模擬類儀表和模擬數(shù)字混合儀表
模擬數(shù)據(jù)是指用連續(xù)變化的物理量所表達(dá)的信息，如溫度、濕度、壓力、長(zhǎng)度、電流、電壓等等。模擬信號(hào)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)可以有無限多個(gè)不同的取值。
在數(shù)字電路發(fā)明之前，生產(chǎn)流程狀態(tài)參量都是以模擬信號(hào)形式傳送的。生產(chǎn)流程參量在現(xiàn)場(chǎng)儀表中轉(zhuǎn)換為電壓或者電流模擬信號(hào)，通過電纜送到控制系統(tǒng)。當(dāng)前模擬信號(hào)基本上以4-20mA和開關(guān)量為主。4-20mA電流信號(hào)在1970年代就被IEC確定為標(biāo)準(zhǔn)，至今仍然是現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)傳輸?shù)闹髁鞣绞健?/span>
第1類設(shè)備的模擬數(shù)據(jù)(下稱1a類數(shù)據(jù))用于生產(chǎn)控制，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笫歉呖煽啃院痛_定性時(shí)延?？煽啃允侵笖?shù)據(jù)要可靠地從現(xiàn)場(chǎng)儀表傳輸都位于控制室的控制器以及上位機(jī)，一般采取冗余設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸路徑來保證。確定性時(shí)延是指現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)要在確定的時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)娇刂破鳎蛘呦喾?。根?jù)工藝控制對(duì)象不同，這個(gè)要求一般在1ms到1000ms之間不等。
一個(gè)典型的大型石化綜合裝置，1a類數(shù)據(jù)數(shù)量大約在10萬~20萬之間。中小型石化和化工裝置，1a類數(shù)據(jù)數(shù)量大約在1千~10萬之間。
第1類設(shè)備的數(shù)據(jù)包括疊加在模擬信號(hào)之上的管理配置數(shù)字類數(shù)據(jù)(下稱1b類數(shù)據(jù))。這一類數(shù)據(jù)以HART協(xié)議數(shù)據(jù)為當(dāng)前主流。
HART協(xié)議是美國(guó)ROSEMOUNT公司(現(xiàn)屬于EMERSON)于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議提供低帶寬和適度響應(yīng)時(shí)間的通信，目前在流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸上得到廣泛應(yīng)用。
HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2kbps。由于FSK信號(hào)的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。
1b類數(shù)據(jù)主要用于儀表的配置和管理。這類數(shù)據(jù)對(duì)傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)間確定性要求比1a類數(shù)據(jù)低。事實(shí)上，HART數(shù)據(jù)以其傳輸速度低聞名，但是由于HART技術(shù)實(shí)現(xiàn)了初步的數(shù)字化，這個(gè)缺點(diǎn)沒有阻礙其得到廣泛應(yīng)用。
1b類數(shù)據(jù)內(nèi)容要比1a類數(shù)據(jù)豐富很多。在一臺(tái)第1類設(shè)備中，1a類數(shù)據(jù)一般僅是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，1b類數(shù)據(jù)可能有上百個(gè)不同類型的數(shù)據(jù)。
第2類設(shè)備：現(xiàn)場(chǎng)總線儀表
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信技術(shù)，它允許在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的雙向傳輸。這種技術(shù)通過使用總線架構(gòu)，使得多個(gè)設(shè)備能夠共享同一通信介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)信息的交換和控制任務(wù)的協(xié)調(diào)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有節(jié)省線纜、簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
不同的廠商開發(fā)了許多類型的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，僅IEC61158規(guī)定了20種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。在流程工業(yè)，應(yīng)用較多的有FF總線技術(shù)和PROFIBUS DP/PA技術(shù)。
現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸內(nèi)容包括1a類流程參量和1b類管理配置數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸要求也與上述要求相同。與第1類設(shè)備不同的是，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備將這兩類數(shù)據(jù)都通過數(shù)字形式在總線上傳輸，能夠傳輸更多的流程參數(shù)和管理配置類數(shù)據(jù)。
由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用等原因，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一直沒有得到市場(chǎng)普遍接受。一般認(rèn)為，流程工業(yè)中現(xiàn)場(chǎng)總線儀表占總儀表數(shù)量的10%~15%之間。
第3類設(shè)備：RS485類儀表
由于RS485具有更高的帶寬，可以傳輸更多的數(shù)據(jù)?；赗S-485的MODBUS RTU協(xié)議簡(jiǎn)單易用，標(biāo)準(zhǔn)公開，逐漸成為現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜儀表的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。
比較典型的RS485儀表有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)罐計(jì)量?jī)x表、裝車批量控制器、現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器等。
有些儀表支持第1類模擬數(shù)據(jù)傳輸，但是也保留了RS485接口，用于管理和配置類數(shù)據(jù)通信。
支持RS485技術(shù)的儀表約占現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的15%~20%之間。
RS485/MODBUS RTU的缺點(diǎn)是組網(wǎng)困難、數(shù)據(jù)無語義等。這導(dǎo)致了RS-485只能用于近距離小型網(wǎng)絡(luò)或者診斷數(shù)據(jù)接口。
第4類設(shè)備：工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備
工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)的一種專用網(wǎng)絡(luò)，用于工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信和傳輸。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有更高的可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性。它通過標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議和硬件接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和信息交換。
目前在流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有下面幾種：
1、MODBUS TCP
MODBUS TCP是一種基于TCP/IP協(xié)議的通信協(xié)議，它是MODBUS協(xié)議的擴(kuò)展，允許通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MODBUS TCP通過將MODBUS映射到TCP/IP協(xié)議上，使得它能夠適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
2、Ethernet/IP
Ethernet/IP由ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)開發(fā)，用于連接工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。它基于以太網(wǎng)技術(shù)，并結(jié)合了CIP(Common Industrial Protocol)通信協(xié)議，旨在提供一種高效、可擴(kuò)展和安全的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。
Ethernet/IP廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、過程控制、能源管理和其他工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，它結(jié)合了以太網(wǎng)的普及性和CIP協(xié)議的強(qiáng)大功能，為工業(yè)自動(dòng)化提供了一個(gè)高效、可靠的通信平臺(tái)。
3、PROFINET
PROFINET是由德國(guó)西門子公司主導(dǎo)，與PROFIBUS和PNO(PROFInet組織)合作開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它是一個(gè)開放的以太網(wǎng)通信協(xié)議，專為工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)之間的高效、可靠和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。PROFINET為工業(yè)自動(dòng)化和過程控制提供了一個(gè)高效、可靠和安全的通信平臺(tái)，有助于提高生產(chǎn)效率和靈活性。
工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口符合IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)，一般采用RJ45或者光纖接口。這也限制了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)儀表上的應(yīng)用。一般只有大型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備支持工業(yè)以太網(wǎng)接口，如大型色譜分析儀、PLC控制器、人機(jī)界面、工控計(jì)算機(jī)、變頻器等。
以上4類設(shè)備是當(dāng)前流程工業(yè)主流現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備。
根據(jù)SPE/APL技術(shù)特性，考慮構(gòu)建流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示。
SPE/APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)支持下行SPE接口?，F(xiàn)場(chǎng)部署的SPE/APL儀表通過雙絞線接入現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。傳統(tǒng)儀表通過遠(yuǎn)程IO或者轉(zhuǎn)換器接入現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)；若干臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與匯聚層交換機(jī)組成星形或者環(huán)形網(wǎng)?？刂剖覂?nèi)部署的控制器、上位機(jī)通過匯聚層交換機(jī)和IPoT網(wǎng)關(guān)接入控制網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)通過防火墻接入云端服務(wù)器。
本文篇幅有限，僅討論接入接入設(shè)備到APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。
第1類設(shè)備：模擬類儀表和模擬數(shù)字混合儀表
本類設(shè)備控制數(shù)據(jù)以模擬電流電壓或者開關(guān)量形式傳輸，管理配置數(shù)據(jù)以HART形式傳輸。數(shù)據(jù)傳輸量小?？梢钥紤]采用遠(yuǎn)程IO，在現(xiàn)場(chǎng)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與HART數(shù)據(jù)匯總后通過APL分支通路上行接入APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。
第2類設(shè)備：現(xiàn)場(chǎng)總線儀表
現(xiàn)場(chǎng)總線儀表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了傳輸信號(hào)的數(shù)字化，只是數(shù)據(jù)傳輸格式與SPE/APL的以太網(wǎng)信號(hào)不同。第一種解決方式是APL交換機(jī)在接入側(cè)將現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號(hào)。P+F開發(fā)的一款A(yù)PL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)就支持PROFIBUS PA儀表的接入；第二種方式現(xiàn)場(chǎng)總線/APL轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號(hào)，接入APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。
第3類設(shè)備：RS-485類儀表
有兩種形式。第一種輸出模擬信號(hào)，同時(shí)支持RS485接口。第二種儀表只支持RS485接口。第3類儀表一般采用MODBUS RTU協(xié)議。使用RS-485/APL轉(zhuǎn)換器，將MODBUS RTU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MODBUS TCP協(xié)議數(shù)據(jù)。設(shè)備接入APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。
下圖是儲(chǔ)罐計(jì)量?jī)x表系統(tǒng)圖。儲(chǔ)罐儀表輸出RS485信號(hào)，組網(wǎng)后接入自動(dòng)巡檢儀，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)信號(hào)后，接入上位機(jī)。
采用新型現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)改造上述系統(tǒng)。使用RS485/APL轉(zhuǎn)換器，將RS485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為APL以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。儲(chǔ)罐計(jì)量數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)接入自動(dòng)巡檢儀和上位機(jī)。
新方案的優(yōu)點(diǎn)有：
1、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)速度比RS485總線高；
2、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)可以配置成冗余路徑，數(shù)據(jù)傳輸可靠性更高；
3、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)是公用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施，而非RS485專用總線，網(wǎng)絡(luò)配置靈活性提高，數(shù)據(jù)傳輸成本降低。
第4類設(shè)備：工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備
第4類設(shè)備已經(jīng)是工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，只需將網(wǎng)線和RJ45接口轉(zhuǎn)換為APL單對(duì)線介質(zhì)即可。其余與第3類設(shè)備相同。
第0類設(shè)備：原生APL接口設(shè)備
以上討論了存量設(shè)備接入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的方式。事實(shí)上，隨著技術(shù)發(fā)展，越來越多的設(shè)備將支持APL接口，不需要各種轉(zhuǎn)換器，可以直接接入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。某大型儀表制造商的大部分現(xiàn)場(chǎng)儀表已經(jīng)支持PROFINET/APL數(shù)據(jù)接口。APL設(shè)備直接入網(wǎng)將是未來工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞健?/span>
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)將在流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸高速公路。當(dāng)前存量?jī)x表設(shè)備和未來的原生SPE/APL智能設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠高速傳輸。這些數(shù)據(jù)將有助于流程工業(yè)高效安全穩(wěn)定生產(chǎn)，創(chuàng)造更高價(jià)值。
