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流程行業(yè)的工業(yè)通訊應(yīng)用分為兩部分，第一部分為控制器之上的控制、管理及信息層，第 二部分為控制器之下的信息輸入輸出的I/O層，這兩部分由于所處環(huán)境、信息量以及面對對象 的差異會產(chǎn)生技術(shù)應(yīng)用的巨大差異。控制器之上的部分，可以預(yù)見未來極有可能是以基于 Windows、Linux等操作系統(tǒng)的高速以太網(wǎng)+OPC UA構(gòu)建高速、高效、通用的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在此，本文重點討論控制器之下的 I/O層的通訊技術(shù)。

浙江中控技術(shù)股份有限公司現(xiàn)場總線技術(shù)總監(jiān) 張曉剛

1　流程行業(yè)現(xiàn)場層未來需求

流程行業(yè)現(xiàn)場層未來發(fā)展的六大主要特點分別為：

（1）現(xiàn)場信號和控制室距離較遠(yuǎn)，且越來越遠(yuǎn)

流程行業(yè)的裝置規(guī)模通常 較大，大型化工和煉化裝置甚至可達(dá)1平方公里，現(xiàn)場信號到 控制室機(jī)柜間有較長的距離需要傳輸。隨著管控一體化的要求和生產(chǎn)安全要求的提高，傳統(tǒng)的控 制室和機(jī)柜間不再布置在裝置附 近，而是在整個廠區(qū)集中放置， 這樣傳統(tǒng)的點對點信號傳輸必然帶來大量的電纜成本。

（2）管理的要求越來越高，且要求來自現(xiàn)場的信息越來越多

傳統(tǒng)的4~20mA已經(jīng)不能滿 足未來發(fā)展的要求，智能變送器的大量輔助信息需要傳送到中央控制室進(jìn)行集中分析。此外，對于現(xiàn)場的震動、腐蝕、泄露等等，以人工巡查信息的方式將被自動化的方式替代，從而使來自現(xiàn)場的信息成倍加，對通訊帶寬提出更高的要求。

（3）流程行業(yè)現(xiàn)場的防爆要求

流程行業(yè)產(chǎn)品或原料通常含有易燃易爆氣體、液體或粉塵，安放在現(xiàn)場電子部件要具有防爆的能力，現(xiàn)場要盡量減少動 火操作。

（4）流程行業(yè)現(xiàn)場供電不易

很多裝置是露天設(shè)備，且有防爆要求，要限制現(xiàn)場220V交流v> 電使用的頻率。

（5）開放性和通用性的要求提高

現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)量和種類越來越多，不僅僅是傳統(tǒng)的溫度壓力流量物位，來自不同品牌、不同功能 和特點的特殊設(shè)備加大了管理人員對設(shè)備配置和管理的難度。各種設(shè)備需要具有相對通用的接口和系統(tǒng)，自動識別現(xiàn)場設(shè)備并自動加載正確的驅(qū)動。

（6）控制器負(fù)荷大幅提高

傳統(tǒng)的PID控制邏輯已無法滿足未來控制系統(tǒng)的運算需求，大量復(fù)雜的運算、智慧型分析工作不再依賴基于windows的計算機(jī)。嵌入式控制器將承擔(dān)越來越多的工作，與操作員的接口也將不完全依賴于上位機(jī)服務(wù)器。可靠、低功耗的單機(jī)控制器模式也將無法承擔(dān)繁重的運算任務(wù)，控制器集群化會成為未來的趨勢。

總而言之，未來的I/O通訊系統(tǒng)將可能是基于控制器集群的，自適應(yīng)、端到端、高速、可靠的通訊 系統(tǒng)。

2　流程行業(yè)工業(yè)通訊技術(shù)發(fā)展趨勢

因而，流程行業(yè)工業(yè)通訊技術(shù)發(fā)展需要實現(xiàn)以 下幾點：

（1）控制器集群的協(xié)作處理能力及多對多的冗 余模式。大量控制器協(xié)同處理復(fù)雜運算邏輯，控制 器間自動協(xié)調(diào)負(fù)荷分配并實現(xiàn)多對多的冗余，當(dāng)部 分硬件實體發(fā)生異常時其他實體自動接管負(fù)荷，所 有過程無需人員干預(yù)。

（2）基于雙線以太網(wǎng)的高速現(xiàn)場通道和通用接 口可使任何設(shè)備可以在任何地點接入網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

（3）具備驅(qū)動傳輸能力的通用應(yīng)用協(xié)議。這意味著設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)平臺會自動識別到設(shè)備并加載合適的驅(qū)動。如果系統(tǒng)無法找到合適的驅(qū)動， 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持驅(qū)動從設(shè)備中上載，從而實現(xiàn)設(shè)備的即插即用。

（4）面向設(shè)備名稱的扁平化尋址方式。在整個控制區(qū)域內(nèi)對智能設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一尋址，不再依賴于控制站-通訊卡-I/O卡-通道的逐級尋址方式，設(shè)備間的訪問實現(xiàn)真正的端到端。

（5）基于MESH網(wǎng)絡(luò)的信道冗余模式和可靠的數(shù)據(jù)路由功能。打破原有的1:1冗余模式，通訊的可靠性來自于多路徑的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

（6）支持各種應(yīng)用和服務(wù)的工業(yè)操作系統(tǒng)。設(shè)備制造商具有充分的自主權(quán)，盡情發(fā)揮設(shè)備能力。先進(jìn)的工業(yè)操作系統(tǒng)為來自不同供應(yīng)商的驅(qū)動和服務(wù)提供展示平臺。

【中控技術(shù)在現(xiàn)場總線方面的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用已有20余年的歷史。1996年承擔(dān)國家 “九五”重點科技攻關(guān)項目96-749“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的開發(fā)”，并獲國家科技進(jìn)步獎二等獎；2000年， 推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HART協(xié)議圓卡；2007年， 主持設(shè)計的“EPA”正式成為IEC-61158第14種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)；2011年，正式推出全面支持FF總線的DCS產(chǎn)品ECS-700及SAMS資產(chǎn)管理軟件，并成為世界上第3個通過最新61b FF主機(jī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的公司。 2018年，F(xiàn)CS系統(tǒng)通過中國石油和化工聯(lián)合會組織的專家鑒定，鑒定認(rèn)為中控技術(shù)的FCS系統(tǒng)性能安全可靠，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，滿足煉油化工生產(chǎn)應(yīng)用FF控制系統(tǒng)的要求，達(dá)到國際先進(jìn)水平。】

摘自《自動化博覽》2021年5月刊