現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使用了十多年了，在全球的工業(yè)自動化應(yīng)用中展現(xiàn)了它的價值。大多數(shù)的情況下，過程工廠中的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)用于連接現(xiàn)場設(shè)備和上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
這里討論的現(xiàn)場設(shè)備通常是儀表、分析儀和調(diào)節(jié)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(shù)的化學(xué)成分，比如濕度、二氧化碳、甲烷和其他氣體和液體。調(diào)節(jié)控制閥提供了連續(xù)的液體和氣體的流量控制。
連接現(xiàn)場設(shè)備的上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)和資產(chǎn)管理系統(tǒng)。這里討論的控制系統(tǒng)通常是基本過程或者調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。其他連接現(xiàn)場總線設(shè)備的控制系統(tǒng)包括先進(jìn)過程系統(tǒng)和安全系統(tǒng)。
現(xiàn)場設(shè)備通過具有高速數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線連接上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的好處包括：
? 聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的配置和健康管理，節(jié)省了成本；
? 聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電子文檔，節(jié)省了成本；
? 預(yù)先維護(hù)，提高了運(yùn)行時間；
? 預(yù)先維護(hù)，提高了性能；
? 預(yù)先維護(hù)，降低了維護(hù)成本。
幾乎在所有的場合，現(xiàn)場總線都取代了設(shè)備的硬接線，如：從現(xiàn)場儀表到控制系統(tǒng)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(tǒng)。
相反，現(xiàn)場總線提供了一種高速雙向數(shù)據(jù)鏈路，在現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間可以傳送數(shù)量廣泛的信息。最重要的信息是儀表健康方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，在需要預(yù)先維護(hù)的場合，它們可用于上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)安排。
校準(zhǔn)安排僅在需要替換周期性維護(hù)的場合，可以節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，因?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備在它的工作參數(shù)之內(nèi)是不需要校準(zhǔn)的。當(dāng)需要時，校準(zhǔn)可以改進(jìn)性能，因?yàn)樵陉P(guān)鍵的現(xiàn)場設(shè)備需要經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)，減少可能超限的漂移。
預(yù)先維護(hù)可能是現(xiàn)場總線系統(tǒng)帶來的最重要的收益了。使用現(xiàn)場總線提供的數(shù)據(jù)，工廠可以在問題發(fā)生之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)它們。這樣維護(hù)工作可以事先安排，而不是等問題發(fā)生了再反應(yīng)，節(jié)省了費(fèi)用，改進(jìn)了安全。
但預(yù)先維護(hù)的主要收益是避免宕機(jī)。如果一個現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)失效，通常進(jìn)行維修和替換設(shè)備時要使整個流程停下來。
現(xiàn)場總線是一種對許多數(shù)字工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，包括但不限制，如：基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus），哈特（HART），EtherNet/IP，Modbus TCP和Profibus。很多現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，包括上面提到的，因?yàn)楦鞣N原因，正在轉(zhuǎn)移到基于以太網(wǎng)的協(xié)議。
為什么要使用以太網(wǎng)？
現(xiàn)場總線的收益在多年多種的過程應(yīng)用中，已經(jīng)很好地歸檔，大多數(shù)已經(jīng)安裝的現(xiàn)場總線使用的都是專有協(xié)議，這和基于以太網(wǎng)的協(xié)議正相反。而基于以太網(wǎng)的現(xiàn)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(hù)容易。
當(dāng)在商業(yè)領(lǐng)域中提及以太網(wǎng)這個術(shù)語時，它通常是指使用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)領(lǐng)域，術(shù)語以太網(wǎng)只是特指底層的硬件，而不包括協(xié)議，協(xié)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(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。好消息是所有協(xié)議都可以運(yùn)行在同一個以太網(wǎng)硬件上，而且還是同時的。
一個很好的性價比也許是轉(zhuǎn)換到以太網(wǎng)的主要因素。就在幾年以前，一個領(lǐng)先的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)組織還在吹噓一個事實(shí)：使用他們專有協(xié)議的現(xiàn)場總線設(shè)備，在10年的時間里銷售了1百萬。這個數(shù)量比起其他的競爭對手可能印象深刻，但比起全球范圍內(nèi)以太網(wǎng)設(shè)備的安裝數(shù)量，微不足道。
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作為用于計(jì)算機(jī)連接的領(lǐng)先協(xié)議，全世界的以太網(wǎng)安裝節(jié)點(diǎn)有幾十億，大多數(shù)是商業(yè)應(yīng)用。巨大的數(shù)量產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，使得以太網(wǎng)硬件的價格不斷地下降，性能不斷提升。因?yàn)橐蕴W(wǎng)是全世界標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商通過性價比競爭，所以有著極大動力推動更好的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。
現(xiàn)場總線組織采用了商用以太網(wǎng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，推出了高速度低價位的網(wǎng)絡(luò)。高速度實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視應(yīng)用的快速更新。根據(jù)控制過程的特性，高速可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。
因?yàn)橐蕴W(wǎng)的廣泛使用，安裝和維護(hù)是非常容易的。有幾個原因，第一，對比起專有網(wǎng)絡(luò)，很容易找到熟悉以太網(wǎng)的技術(shù)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(hù)，因?yàn)镮T人員了解以太網(wǎng)。 經(jīng)過融合他們的工業(yè)和辦公室網(wǎng)絡(luò)，最終用戶只有不多的網(wǎng)絡(luò)需要維護(hù)，當(dāng)集成技術(shù)和通信時，得到的是更多的收益。
以太網(wǎng)提供了比現(xiàn)場總線更多的好處，很多用戶在不同應(yīng)用中獲益。特別是，以太網(wǎng)連接性使現(xiàn)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(dāng)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(xiàn)場總線連接到上層的上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，直接從現(xiàn)場總線設(shè)備連接到一個ERP或者資產(chǎn)管理系統(tǒng)比通過中間的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)接更好。
旁路控制系統(tǒng)而直接連接一個上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，像一個ERP或者資產(chǎn)管理系統(tǒng)，使用以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線更加容易實(shí)施。這是因?yàn)槎鄶?shù)上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。
在典型的過程工廠，多數(shù)現(xiàn)場總線設(shè)備不直接與實(shí)時控制相連，而是主要用于監(jiān)視。一些設(shè)施有高達(dá)70%的現(xiàn)場設(shè)備與控制功能沒有任何關(guān)系。所以，每個現(xiàn)場設(shè)備必須連接到控制系統(tǒng)的假設(shè)這是不正確的，也沒有發(fā)揮它們的應(yīng)有價值。
比如，環(huán)境應(yīng)用諸如EPA（美國環(huán)保署）的監(jiān)視和報告需要多種現(xiàn)場設(shè)備，而它們不需要連接到控制系統(tǒng)。ERP應(yīng)用諸如存儲管理需要現(xiàn)場設(shè)備的輸入，但不需要毫秒級的更新速度，或者控制系統(tǒng)需要的確定性。
旁路控制系統(tǒng)提供了很多好處。首先，直接連接消除了中間的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)。其次，現(xiàn)場設(shè)備的問題不再是控制系統(tǒng)的一部分，不用加入到整體的驗(yàn)證和維護(hù)程序。再次，現(xiàn)場設(shè)備的訪問可以通過已有的IT安保系統(tǒng)來控制。
這些來自現(xiàn)場設(shè)備的非關(guān)鍵性信息，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和無限網(wǎng)關(guān)，直接傳送到過程監(jiān)視應(yīng)用。不僅主要信息發(fā)布到整個定義的工程單元，而且設(shè)備狀態(tài)可以通過事件驅(qū)動或者周期發(fā)送的方式，不斷地得到監(jiān)視和通信。
工作在網(wǎng)絡(luò)層的遠(yuǎn)程服務(wù)工具和資產(chǎn)管理應(yīng)用，也可以配置和管理連接的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)IT安保和數(shù)據(jù)管理工具可以用于訪問控制。
現(xiàn)場總線以太網(wǎng)促進(jìn)了PAC的應(yīng)用
在早期的使用中，多數(shù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是DCS的變種?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)提供了一個公共通信協(xié)議，現(xiàn)場總線成為PAC控制系統(tǒng)的可選項(xiàng)。這樣可以降低過程控制系統(tǒng)的費(fèi)用，因?yàn)橥ǔAC比DCS系統(tǒng)要便宜。
領(lǐng)先的制造商用以太網(wǎng)覆蓋了辦公和制造領(lǐng)域，使用結(jié)合PAC和EtherNet/IP－使現(xiàn)場總線設(shè)備提高了產(chǎn)品質(zhì)量、推動了綠色制造和增強(qiáng)了生產(chǎn)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(shí)時控制平臺。PAC采用了內(nèi)置的EtherNet/IP，所以工廠選擇了支持這種協(xié)議的設(shè)備，做為他們以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線。
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因此，一臺支持EtherNet/IP的流量計(jì)用于測量和控制質(zhì)量流量在一個工廠的連續(xù)過程相關(guān)的著色控制。制造商會進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)比較，選擇具有較高精度的質(zhì)量流量計(jì)。通過EtherNet/IP直接把儀表連接到PAC，提供了多種收益。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備通過以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線連接了控制系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，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(shù)的能力，包括質(zhì)量流量、產(chǎn)品密度、過程溫度、體積流量、濃度和粘性。工廠希望能夠監(jiān)視這些參數(shù)，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(xié)議。
工廠可以使用儀表的先進(jìn)診斷參數(shù)監(jiān)視功能，預(yù)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(fā)生之前進(jìn)行預(yù)測，提前進(jìn)行預(yù)先維護(hù)，減少了費(fèi)用，減少了宕機(jī)時間。
這些應(yīng)用的更多的明顯好處包括了減少40%的設(shè)備調(diào)試時間，減少了25%的回路識別、 設(shè)備集成和過程回路整定時間。做為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，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(yè)系統(tǒng)。
毫無疑問，現(xiàn)場總線將不斷朝著基于以太網(wǎng)的方向發(fā)展。為了保持競爭，現(xiàn)場總線組織將不得不采用以太網(wǎng)帶來的性價比的優(yōu)勢。
最終用戶將需要以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線，從現(xiàn)場設(shè)備簡單、直接地連接到控制系統(tǒng)或者上位計(jì)算機(jī)平臺，諸如DCS、PAC和ERP、資產(chǎn)管理系統(tǒng)。隨著過程工廠PAC使用數(shù)量的增加，以太網(wǎng)式的現(xiàn)場總線將會非常普及和自然。
越來越多的工廠技術(shù)人員會更加熟悉以太網(wǎng)，鼓勵以太網(wǎng)在過程工廠中的使用。內(nèi)部的IT人員也會喜歡以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線，因?yàn)樗鼈兒凸镜挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是相似的。以太網(wǎng)型現(xiàn)場總線的這部花車正不斷前進(jìn)，供應(yīng)商和最終用戶也正在歡呼雀躍。
不是所有以太網(wǎng)現(xiàn)場總線都是一樣的
現(xiàn)場總線組織都喜歡鼓吹他們的以太網(wǎng)是最好的，大多數(shù)都附著在商用的TCP/IP以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上，同時可以提供工業(yè)應(yīng)用需要的實(shí)時性和可靠性。而這些告白需要最終用戶和系統(tǒng)集成商去判斷，毫無疑問，以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線有著很多的不同，而且經(jīng)常還不能兼容。
比如，EtherNet/IP和PROFINET是以太網(wǎng)型的現(xiàn)場總線，但不一定能混合和搭配使用， 依附在這兩個標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)和/或者轉(zhuǎn)換器也是不一樣的。用另外的話講，一個支持 PROFINET的現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場總線的現(xiàn)場設(shè)備和控制器。不幸的是， 這通常是行不通的，因?yàn)槎鄶?shù)過程工廠已經(jīng)存在了遵從于不同現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場設(shè)備。
甚至在一個綠色工廠或者過程中，通常不可能從供應(yīng)商購買只依附一種以太網(wǎng)型現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場設(shè)備。不經(jīng)常使用的某些特殊儀表、分析儀和控制閥，如果需要使用現(xiàn)場總線連接到控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也要考慮它們能夠支持的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
為了處理這個問題，很多供應(yīng)商開發(fā)了網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以把一種以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的協(xié)議之后成另一個協(xié)議。比如，有一種網(wǎng)關(guān)可以把Modbus TCP現(xiàn)場設(shè)備連接到具有EtherNet/IP 端口的PAC上。
雖然網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)增加了現(xiàn)場總線安裝的總體成本。第二，網(wǎng)關(guān)增加了設(shè)計(jì)和維護(hù)的復(fù)雜性。最后，網(wǎng)關(guān)需要附加的維護(hù)備件和存儲需求。
Foundation Fieldbus 高速以太網(wǎng)有希望成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但不是所有DCS廠商都打算支持。最終用戶希望一種以太網(wǎng)現(xiàn)場總線兼容所有標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展，必要時使用網(wǎng)關(guān)。
