数字革命的巨手，如同藤蔓一样紧紧抓住了世界，并给这个世界带来了难以计数的可能性：20年前，在加工制造厂中，要实现这些被认为是不可能的事情。今天，以总线技术为平台，新的炼油厂拔地而起，旧的工厂则获得升级。 本文将对应用总线技术、构建最佳数字工厂结构的方方面面进行深入探讨。
　　数字通信技术的产生，大大优化了工厂的接线。用户可以在同一个线路中安装多台设备，传递多个信号，这就能够让信号在同一个物理层中的传输速度更快。应用现场总线技术，桥架、线槽、终端、输入输出卡、减少了安全栅以及控制线路等数量。由于接线的减少，在图纸设计、相关文件的编制等方面也更加方便了，而回路的检查和调试速度则由于数字结构带来的自动化而大大加快。 总的来说，数字技术的应用可以使自动化项目的工程成本降低30%之多。因为一个典型的工厂运作通常会持续15年或者更久，因此现场总线技术拥有的一项关键性优势是，它可以提供一个数字平台，这个平台对于今后技术和软件的升级及变化具有极强的兼容性。

　                                                                                 图1  基于EDDL制造的手持式通信工具可用于野外工作。
　　数字通信技术可以提高点到点信号传递的精确性和完整性，可以提供更广泛的传感器量程，可以避免量程的失配，并且可以获得例如设备有效性、故障报警，以及详细的诊断等远程设备的信息，从而更快地解决故障。该技术还有一个特征，即可以进行设备固件的无扰在线升级，确保在升级过程中不会影响运行。这些特性使工序变得简单，使设备处于更好的工作状态，降低了造成停工的风险。正是由于这些特性，数字工厂结构大大提高了产品的质量和产量，同时通过精确的、具有前摄性的维护计划降低了过程的可变性及维护成本，从而使运行收益提高了两个百分点。

　　                                                                                    图2  智能安全逻辑处理器与HART通信。
　　过程自动化中的总线技术
　　过程控制、工厂自动化，以及机器人技术等等，为控制方面带来了不同的挑战， 因此需要不同的总线技术。 在24种总线技术中， 过程自动化基本上会用到三种协议：HART、基金会现场总线以及PROFIBUS-DP协议。 在应用HART 和基金会现场总线的现代工厂控制系统中，这几种协议得到广泛的支持，这些系统同时支持手操器的远程使用。

　　                                                                      图3  通过基于EDDL的设备管理软件可以访问信息并减少养护成本。
　　基金会现场总线 H1
　　在精炼厂和石化工厂的设备目录上可能有数百甚至数千台设备，由于每条电缆可连接6~8台或更多的设备以求设备工作能力的最大化，因此布线将大大减少。
　　基金会现场总线H1协议以其独特的性能满足控制方面的要求，非常适合于石化、精炼等行业。 在常规过程控制中，如PID和流量测量累计，要求输入输出的采样过程有准确的周期， 并且同通信和控制同步。在这里避免混淆、避免延长反应时间、避免由于通信繁忙带来的不稳定性是有必要的。 同样地，对于非实时通信必须有信道隔离，以防止其产生对实时通信的干扰。H1协议还满足以下总线方面的要求：从控制室到现场之间的远距离工作；可以有长的分支以满足拓扑的灵活性；支持用于设备配置和诊断的电子设备描述语言(EDDL)；实现即插即可调试的自动寻址功能；总线供电；可在危险区域带电作业的本安功能。
　　基金会现场总线H1所独有的IEC-6180402功能块语言，可以用来制定控制策略。
　　H1功能块的执行与通信功能的执行是同步的，这样死区时间就可以降到最低，并可达到更佳的控制效果。为了减少网络通信负荷，还可以选择在现场实现设备控制。新的快速数字现场设备执行控制回路的时间可以达到250ms，甚至可以满足最严格的过程技术要求，所以完全能够获得过程认证部门的许可。

　                                                                                                  　图4  数字自动化系统结构。
　　HART协议
　　在同一根双线上面，HART协议采用数字通信和4~20mA技术相结合的方式来连接单个设备，这种方式还可以用作纯粹的多分支数字总线。
　　HART协议支持的设备类型范围几乎与基金会现场总线相同。此外，HART还用于安全仪表系统的变送器和阀门定位器。
　　PROFIBUS-DP协议
　　PROFIBUS-DP协议用于几种不同的组态，并采用RS485接口。请注意，离散式接近开关、线圈和其他简单的开关设备并不使用PROFIBUS来连接。 然而，PROFIBUS上的远程I/O子系统会通过传统的线路来连接离散式的信号。

　                                                                           　图5  数字自动化系统控制器配有接口卡以适应不同类型的总线技术。
　　专有协议
　　虽然HART采用4~20mA的通信技术取代了大多数炼油厂和石化工厂专有智能协议，部分工厂仍然拥有使用专有协议的仪表。 有些工厂几年前购买了使用专用协议输入卡的DCS，需要继续向相同的DCS供应商购买变送器以便维持互操作性。 由于选择受到了限制，只能购买价格昂贵的备件进行日后维护。PROFIBUS-DP使这个问题迎韧而解，因为它使用了开放的标准化的通信方式。现在的工厂越来越倾向于标准化的技术，他们会将基于标准化多路转换器或无线网关的设备管理系统接入DCS系统中，而绕过DCS输入卡中的专用协议。多路转换器应用HART通信，直接访问来自于智能数字仪表的重要诊断信息。

　　总线技术的承诺
　　虽然对于现场总线而言布线成本的降低是首要的，来自于设备管理软件的维护保养成本的节省也是十分可观的。
　　利用软件可以进行过程仪表的识别、信息访问、远程诊断以及性能分析。 此外，操作统计、记录审查、标定的记录和整理、文件的访问、设备状态的监测，以及维护和服务记录等也在该软件的功能范围之内。
　　为了确保充分发挥设备管理软件的作用，它必须与操作人员工作站的软件紧密整合。操作人员可以方便地点击屏幕上的问题设备或设备报警，以打开该设备页面，检查设备的健康状况。同样重要的是，设备管理软件必须整合到日常的工作流程中。
　　基于IEC 61804-3标准的EDDL技术也非常重要，因为它是开放式标准协议的一个关键组成部分。 EDDL是HART、基金会现场总线和PROFIBUS协议的必要组成部分，这是因为它能使各种工厂现场设备在同一个软件中显示出来。设备的每种版本都配备一个EDDL文件，该文件同软件进行通信，以确定如何获得设备内的信息并将信息以用户友好的界面显示出来。 关键在于，EDDL文件是放置在压缩文本内的， 不在编程语言内， 这样在将新设备集成到控制系统中时，就不必安装可能给系统稳定性带来风险的新软件了。
　　数字工厂结构
　　数字工厂结构应用现场仪器仪表及设备的智能，通过将准确、有用的信息及时传达给操作和维护人员，从而改进过程和工厂的效率。

　　由于各种设备都使用不同的协议来传递其独特的功能（表1），我们要将工厂中不同的总线技术有效整合起来，发挥数字工厂的最大优势。所以控制系统必须具有整合所有协议的能力。
　　更少的方案。 具体来说，工程师站的软件必须支持各种现场总线的组态，而不是一个采用独立软件的复杂方案。
　　应用最好的现代技术并采用最好的操作规程，装备有完全集成的数字工厂结构的工厂将在每一个工程阶段获得非凡的速度和效率。后续操作将提供更好的改进。对于过程制造商来说， 开放的标准化的基金会现场总线和补充的总线技术为实现以上这些优势起到了至关重要的作用。