http://m.casecurityhq.com 2023-10-25 09:36 來源:國利信安
從第一代的氣動信號控制系統(tǒng)PCS,到第二代的動模擬信號控制系統(tǒng),再到第三代的數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng),和第四代的集散式分布控制系統(tǒng)DCS,工業(yè)控制迎來了——
第五代控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是現(xiàn)場總線。操作簡單、運行可靠、經(jīng)濟實用……數(shù)十年來,現(xiàn)場總線在工業(yè)領(lǐng)域大放異彩,革新了工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計。
那么,究竟什么是現(xiàn)場總線呢?
01
工業(yè)現(xiàn)場的“神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”
在人體內(nèi),有一套起到主導(dǎo)作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠感知內(nèi)外部環(huán)境的各種信息,并將之傳遞到各級神經(jīng)中樞進行整合,以維持機體的正常運轉(zhuǎn),我們稱之為“神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”。
現(xiàn)場總線,就是復(fù)雜工業(yè)裝備內(nèi)部的“神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”。它應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備(變送器、現(xiàn)場控制器、執(zhí)行機構(gòu)等)之間的通信互連,是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)。
追溯現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史,大致可以分為模擬信號(1975年前)、數(shù)字通信(20世紀80年代)、低速現(xiàn)場總線(20世紀90年代)和高性能現(xiàn)場總線(21世紀)四個階段。
上世紀60年代,隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展,新型傳感器和執(zhí)行器——也就是我們今天所說的智能儀表不斷涌現(xiàn),為這些設(shè)備研制新型通信系統(tǒng)的需求呼之欲出。
因此,早在70年代初期,第一批現(xiàn)場總線就已經(jīng)安裝投用,但是一直到80年代中期,現(xiàn)場總線的標準化工作才算真正開始,而且時至今日,現(xiàn)場總線也仍未形成一致的國際標準。
標準不統(tǒng)一的結(jié)果就是:混亂。
當(dāng)時,歐美的不同廠家采用不同的方法、不同的信號標準進行產(chǎn)品開發(fā),以致于眾多的智能化工業(yè)控制儀表互不兼容。從用戶角度看,嚴重影響了生產(chǎn)的全球化發(fā)展。
鑒于這種混亂局面的不利影響,國際電工技術(shù)委員會(IEC)站了出來,從1985年起開始主導(dǎo)制訂國際性的智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制室自動化設(shè)備之間的通訊標準,并正式命名為Fieldbus,也就是現(xiàn)場總線。
然而,伴隨現(xiàn)場總線標準制訂而來的,卻是一場“現(xiàn)場總線標準大戰(zhàn)”。
02
曠日持久的“現(xiàn)場總線大戰(zhàn)”
起初,最有希望統(tǒng)一現(xiàn)場總線標準的是德國的Profibus與法國的FIP,它們在各自的國家層面上完成了標準化工作,并將成果提交給國際電工技術(shù)委員會進行國際標準化。
但是,這兩個系統(tǒng)的技術(shù)方法卻是大相徑庭。
Profibus基于分布式控制思想,支持垂直通信,F(xiàn)IP則設(shè)計了中央式的控制方案,用于水平通信。兩大總線團隊彼此對壘,誰也不服誰,統(tǒng)一協(xié)議標準也因此遲遲無法落地。
不過,盡管技術(shù)手段不同,Profibus和FIP在應(yīng)用領(lǐng)域上卻形成了互補。因此,有專家小組提議,在結(jié)合Profibus和FIP兩者優(yōu)點的基礎(chǔ)之上,研制新型通用現(xiàn)場總線。
但由于戰(zhàn)略原因,新型總線的研制在還未達到成熟階段時即被放棄。
正當(dāng)歐洲人相持不下的時候,美國人也順勢加入了戰(zhàn)局。美國儀表協(xié)會(ISA)下屬的標準與實施工作組的ISA/SP50,在上世紀80年代后期主導(dǎo)了現(xiàn)場總線標準的編制工作。
彼此不服氣的德法,自然也不愿意接受被美國主導(dǎo)的局面。于是,德法美多方僵持,現(xiàn)場總線的標準化工作陷入了徹底的膠著狀態(tài)。而更大的亂局,即將洶涌而至。
出于市場利益的考量,歐美各國的巨頭企業(yè)紛紛下場,開發(fā)、推廣自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品,各類現(xiàn)場標準相繼誕生。
◉ 1986年,德國推出Profibus過程現(xiàn)場總線標準。
◉ 1990年,美國Echelon公司推出LonWorks現(xiàn)場總線產(chǎn)品。
◉ 1992年,Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司聯(lián)合成立ISP(Interoperable System Project,可互操作系統(tǒng)規(guī)劃)協(xié)會,著手在Profibus基礎(chǔ)上制定標準。
◉ 1993年,Honywell、Bailey等公司成立WorldFIP協(xié)會,共有120家公司參加,以法國標準FIP(Factor Insrtumentation Protoco1)為基礎(chǔ)制定標準。
◉ 1994年,ISP與WorldFIP(北美部分)兩大集團握手言和,成立了現(xiàn)場總線基金會FF(Fieldbus Foundation)。
◉ 1996年,F(xiàn)F公布了低速總線H1標準,并安裝了示范系統(tǒng),將不同廠商的符合FF規(guī)范的設(shè)備互連構(gòu)成控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò),使H1低速總線開始步入實用階段。
時間來到了1999年的6月15日,一度失聲的IEC提出了一個新的解決方案:和解。在它的居中斡旋下,7月16日,幾家主流現(xiàn)場總線標準的代表聯(lián)合簽署了一份和解協(xié)議。
曠日持久的“現(xiàn)場總線標準大戰(zhàn)”,終于迎來了中場時刻。
2000年1月4日,IEC宣布現(xiàn)場總線國際標準以86%贊成、12%反對的票數(shù)比獲得通過,IEC 61158標準正式面世,并將于當(dāng)年的12月31日起發(fā)布實施。
然而,即便是來之不易的IEC 61158,其實也并非是完全意義上的大一統(tǒng)標準。它包含了8種不同類型的總線協(xié)議,這些協(xié)議互不兼容,與IEC的初衷相差甚遠。
一直到今天,現(xiàn)場總線市場仍舊是數(shù)十種總線并存的局面。
03
打破壟斷的EPA現(xiàn)場總線
聊到這兒,不難發(fā)現(xiàn)一個問題,主流的現(xiàn)場總線主要由歐美企業(yè)牽頭開發(fā),它們擁有相關(guān)技術(shù)的標準和專利,掌握了行業(yè)話語權(quán)。在這一領(lǐng)域,中國企業(yè)長期缺席,受制于人。
EPA總線的出現(xiàn),改變了這一現(xiàn)狀。
EPA的全稱是Ethernet for Plant Automation,專為工業(yè)控制系統(tǒng)高速、確定、實時、安全可靠的通信需求而研制,解決了以太網(wǎng)應(yīng)用于控制領(lǐng)域的多項關(guān)鍵技術(shù)難題。
2005年,EPA被正式接受為IEC PAS標準化文件發(fā)布。2007年,被納入IEC 61158標準體系的EPA國際標準發(fā)布,該標準成為我國在工業(yè)自動化領(lǐng)域的第一個國際標準,具備完整自主知識產(chǎn)權(quán),100%掌握核心技術(shù),無需任何國外授權(quán)。
EPA國際標準涵蓋6項內(nèi)容,分別是EPA現(xiàn)場總線協(xié)議、EPA實時以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議、EPA功能安全通信協(xié)議、EPA線纜與安裝標準、EPA驅(qū)動標準和EPA分布式冗余協(xié)議。
其中,EPA線纜與安裝標準被向來以嚴苛著稱的德國引進為德國國家標準,成為我國在工業(yè)標準領(lǐng)域打破國際壟斷、爭取國際話語權(quán)的典型案例。
EPA現(xiàn)場總線技術(shù)也先后獲得“中國標準創(chuàng)新貢獻獎”、“國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎”、“中國專利優(yōu)秀獎”等重大獎項肯定。
標準先行,是知識經(jīng)濟時代的市場競爭法則。誰制定的標準為世界所認同,誰就掌握了產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的話語權(quán)。那場延續(xù)了十多年的現(xiàn)場總線之爭,其實就是行業(yè)話語權(quán)之爭。
圍繞現(xiàn)場總線,在多方博弈、諸強混戰(zhàn)之后,姍姍來遲的IEC 61158標準體系,也只是一個折衷妥協(xié)的結(jié)果。近年來,隨著工業(yè)以太網(wǎng)的崛起,現(xiàn)場總線的市場份額更是受到了正面沖擊,現(xiàn)場總線之戰(zhàn)逐步升級成了現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之戰(zhàn)。
因此,在可預(yù)見的未來,工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)的競爭仍舊會激烈存在。
而對于一度居于落后地位的中國企業(yè)而言,面對這場激烈競爭的科技博弈,堅持自主可控的標準體系和技術(shù)力量,才是我們能從新一輪產(chǎn)業(yè)革命中脫穎而出的不二通途。
山高路遠,我們正在路上。
[1] The Fieldbus Standards:History and Structures.(2002).Max Felser
[2] The fieldbus war:history or short break.(2002).Max Felser, Thilo Sauter
[3] 現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史與未來發(fā)展趨勢.(2005).賀天柱,孫瑜
[4] The Fieldbuses.(1997).Jean Pierre Thomesse