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：二十年前，在加工制造厂中，要实现这些被认是为不可能的事情。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。 该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。您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、安全栅以及控制线路等数量都减少了。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两个百分点。
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。
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至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，是石化和精炼行业以及许多其它行业的不二之选。 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、避免由于通讯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。
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协议名称 |
基金会现场总线H1 |
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距离 |
1.9 km或者使用中继器可达9.5 km |
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每个网段的可挂接设备 |
32 (理论上), 8-16 (实际应用) |
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总线供电 |
是 |
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本安 |
是 |
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通讯速率 |
31.25 kbit/s |
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分支长度 |
max 120 m |
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每个总线上的设备 |
240 (理论上), 8-16 (实际) |
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通讯关系 |
周期性的发布订阅，点到点的主从方式，报警发布 |
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数据 |
循环的 IO与非循环的设备数据 |
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EDDL 支持 |
是 |
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自动分配地址 |
是 |
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其他 |
根据模块和参数组织数据 |
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设备类型 |
温度,压力, 液位,流量, 密度,和电导计 and 浓度变送器
电导, pH/ORP, 电阻, 融氧, 和氧分析
机械健康监控
阀门定位器, 电动执行机构,离散开关,开关阀
信号转换器 |
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。为了减少网络通讯负荷，还可以选择在现场设备实现控制。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。
HART协议
在同一根双线上面，HART协议采用数字通讯和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跟基金会现场总线相同。 另外，HART还用于安全仪表系统的变送器和阀门定位器。
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协议名称 |
HART |
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距离 |
3 km |
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每个网段挂接设备 |
15 (可以), 1 (通常) |
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总线供电 |
是 |
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本安 |
是 |
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通讯速率 |
1.2 kbit/s |
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分支长度 |
N/A |
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每个总线挂接设备 |
15 (可以), 1 (通常) |
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通讯关系 |
主从轮询 |
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数据 |
通常仅有非周期数据 |
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EDDL 支持 |
是 |
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否 |
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其他 |
基于命令 |
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设备类型 |
温度,压力, 液位,流量, 密度,和电导计 和 浓度变送器电导, pH/ORP, 电阻, 融氧, 和氧分析
阀门定位器 |
图2： 智能安全逻辑处理器与HART通讯
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，离散式近接开关、线圈和其它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。
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协议名称 |
PROFIBUS-DP |
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距离 |
1.2 km at 93.75 bit/s or below, 100 m at 3 Mbit/s 或更高 |
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每个网段挂接设备 |
32 |
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总线供电 |
否 |
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本安 |
否 |
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通讯速率 |
9.6/19.2/45.45/93.75/187.5/500 kbit/s or 1.5/3/6/12 Mbit/s |
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分支长度 |
在1.5 Mbit/s速度分支最大 6.6 米或更短 |
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Devices per bus |
126 (理论上) |
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通讯关系 |
非计划同步的主从方式数据轮询 |
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数据 |
周期性的 IO数据与非周期设备数据 |
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EDDL 支持 |
是 |
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自动分配地址 |
否 |
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其他 |
由插槽和索引组织数据 |
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设备类型 |
远程 I/O,称重仪, 马达驱动,马达启动器, 电流断路器,电动执行机构和，多孔电磁阀 |
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