遠程I/O與現場總線，我們到底該選擇誰?

摘要：文中對現場總線在汽車工業（FA）和化學工業（PA）中不同的應用情況進行了簡單的總結。并在此基礎上對現場總線在化學工業（PA）中應用所遇到的特殊問題進行了深入的探討。最后，提出直接安裝在危險區（1區）的具有總線接口的遠程I/O系統將是我們近年內所最需要的產品的結論。
關鍵字： 現場總線、汽車工業、化學工業、冗余、爆炸防護、遠程I/O
如果按照對待現場總線的態度來對人們進行分類的話，那么大體上可以分為如下四類：Ａ、使用者；Ｂ、堅定的支持者；Ｃ、徹底的反對者；Ｄ、尚未做出決定者。在工廠自動化領域，或更精確地說，在汽車工業領域內，Ａ類人群已經有５０％以上，Ｂ類人群會有９０％左右，而Ｃ類和Ｄ類人群所占的比例則很小。在此領域內，現場總線所帶來的好處已經十分的明顯，再去談論應不應該選用現場總線就沒有什么必要了。但是，對于過程自動化領域來說，情況就大不相同了。例如，在化學工業中，Ａ類人群所占比例很小；Ｂ類人群正在逐漸增多；Ｃ類人群所占比例超過２０％；但Ｄ類人群仍然占有一個非常大的比例。
在這兩個不同的工業門類中，現場總線的實際使用情況也呈現出明顯的不同。在汽車工業中，人們考慮的是使用哪一種總線（總線的參數以及結構非常重要），例如，是ＰＲＯＦＩＢＵＳ，ＩＮＴＥＲＢＵＳ還是ＤＥＶＩ-ＣＥＮＥＴ等等，是使用銅芯導線還是光纖或者兩者混用，是使用“即插即用（ＰＬＵＧ　ＡＮＤ　ＰＬＡＹ）”還是使用接線端子的方式進行總線的連接等等。現存的以及正在不斷發展的各種各樣的現場總線產品和解決方案完全可以滿足用戶的需要。而在過程自動化領域的情況則截然不同。盡管有許多支持者，但實際上只是ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＰＡ和ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ　ＦＩＥＬＤＢＵＳ有一些測試性質的安裝實例，現場總線大規模的使用看起來還要有相當長的路要走。雖然，可能有５０％的人相信使用總線能降低成本同時增加靈活性，但是究竟使用哪一種現場總線系統合適是大家面臨的一個突出問題。如同其它的工業門類一樣，化工、石化和醫藥行業必須要考慮經濟和商業的因素。它們所面臨的一些特殊情況使得人們很難下定決心去使用現場總線。
下面，我們來分析一下這些特殊情況。在化工行業中，有兩個不同的過程，一個是所謂的“批量”生產過程，另一個是所謂的“連續”生產過程。在這兩個過程中，一個意外的中途“停車”可能會帶來很大的損失，因為清洗反應釜和管道就需要好幾天的時間。因此，系統的連續運轉能力是需要首先考慮的問題，這也就解釋了在該領域內做系統設計的時候為什么十分強調“故障－安全”的原因了。也就是說，如果采用現場總線，那么，系統的連續運轉能力至少不能夠比采用傳統的控制結構低。傳統的控制結構中，某一點的故障只會影響這一個或幾個相關點的工作，不至于影響到整個的控制系統，但是這種點對點的連接（一根導線上只連接兩個點）概念就與現場總線的在一根總線電纜上盡可能多地串接設備的概念是相互矛盾的。為了做到這一點，就要考慮將現場總線系統設計為冗余的結構，但這樣做就會降低成本節省的潛力。同時，又帶來了另一個重要的問題，就是要求每個現場設備要具有兩個總線接口或者采用環型的總線結構來連接現場設備，很顯然，這樣做是不經濟的。如果采用一定數量的小型遠程I/O來連接現場設備的話，就可以通過在該遠程I/O上配置兩個網關來實現總線線路的冗余，而且最大的好處就是大大減少了現場儀表與總線的連接部件從而大大降低了接線成本。
另一個更為復雜的問題是現場的爆炸防護。常規的爆炸防護方法很簡單，例如，通過限制能量來避免產生火花的本安（EX i）方法，通過特殊的外殼來防護的隔爆（EX d）和澆封（EX m）的方法等等。但是，這些方法都與現場總線的基本概念有相抵觸的地方。如果，從限制能量的角度考慮（運用本安方法），那么，每個總線分支上允許連接的現場設備的數量就會大大的減少，例如，PROFIBUS PA 或 FOUNDATION FIELDBUS 的每一個總線分支上允許連接的現場設備的數量被限制在6-10個，但是本來如果沒有能量限制的話，PROFIBUS DP的一個分支上可以連接100多個現場設備（通過中繼器）。如運用隔爆（EX d）或澆封（EX m）的方法（它們常常與增安方法組合使用），那么，對進入危險區的能量基本上是沒有什么限制，但是，這兩種方法的缺陷就是在現場設備進行檢修或更換之前必須要把供電切斷。但對于現場總線系統來說，設備的“熱插拔”應該是一個起碼的要求。當然，可以采用總線是本安的，現場設備用隔爆（EX d）或澆封（EX m）方法的系統方案，也就是說，現場設備均選用無需總線供電的獨立供電形式，總線上傳誦的信號能量達到本安的水平。如果這樣做，就需要在有一條通訊電纜的同時鋪設一條供電電纜。但是，每一個現場設備的供電也存在較大的困難，因為目前大多數儀表的供電電壓都是直流24伏，但直流24伏電源的遠傳是一個較難解決的問題；如果采用交流220付供電，儀表需要改型不說，交流220伏進入危險現場本身就存在著較大的安全隱患。
有沒有更好的解決辦法呢？比較起來，遠程I/O應該是最佳的選擇：
　　l 與現場設備采用傳統的安裝連接方式
　　l 使用單一的電源模塊（如必要，也可冗余配置）為眾多的現場設備供電
　　l 檢修或更換現場設備時可以“熱插拔”
　　l 更加經濟
總結一下上述的情況，我們發現采用遠程I/O的方案要比采用現今的現場總線方案具有更多的優勢。但是，遠程I/O并不是用來取代現場總線的，它要通過現場總線與PLC或DCS相連。使用遠程I/O的主要目的一方面是為了解決現場設備與總線相連需要統一的總線接口的問題，因為給每一個現場設備（包括傳送開關量的設備）都配置一個總線接口目前來看是既不經濟也不實際的；另一方面是為了解決現場的防爆問題，既可以做到本安防爆又可以帶電插拔。進一步分析后，我們發現在遠程I/O解決了現場設備與總線相連時需要統一的總線接口這一問題的同時，如果其能夠直接安裝在危險區域之內，也就是說它不僅僅作為一個本安設備的關聯設備（需放置在安全區）而且其本身可以通過不同的防爆方法直接安裝在危險區的話，那么，從危險區到安全區的大量的電線和電纜就可以十分輕松地省掉了。
至此，我們可以斷言，這種可以直接安裝在危險區（1區）的具有總線接口的遠程I/O系統將是我們近年內所最最需要的。