本文將考察當前流程工業(yè)現(xiàn)場設備、數據內容、傳輸要求等。在此基礎上，本文提出流程工業(yè)現(xiàn)場數據傳輸網構想，為建設新一代流程工業(yè)現(xiàn)場數據傳輸高速公路提供選項。
第1類設備：模擬類儀表和模擬數字混合儀表
模擬數據是指用連續(xù)變化的物理量所表達的信息，如溫度、濕度、壓力、長度、電流、電壓等等。模擬信號在一定的時間范圍內可以有無限多個不同的取值。
在數字電路發(fā)明之前，生產流程狀態(tài)參量都是以模擬信號形式傳送的。生產流程參量在現(xiàn)場儀表中轉換為電壓或者電流模擬信號，通過電纜送到控制系統(tǒng)。當前模擬信號基本上以4-20mA和開關量為主。4-20mA電流信號在1970年代就被IEC確定為標準，至今仍然是現(xiàn)場儀表信號傳輸的主流方式。
第1類設備的模擬數據(下稱1a類數據)用于生產控制，對數據傳輸的要求是高可靠性和確定性時延?？煽啃允侵笖祿煽康貜默F(xiàn)場儀表傳輸都位于控制室的控制器以及上位機，一般采取冗余設備和數據傳輸路徑來保證。確定性時延是指現(xiàn)場數據要在確定的時間內傳輸到控制器，或者相反。根據工藝控制對象不同，這個要求一般在1ms到1000ms之間不等。
一個典型的大型石化綜合裝置，1a類數據數量大約在10萬~20萬之間。中小型石化和化工裝置，1a類數據數量大約在1千~10萬之間。
第1類設備的數據包括疊加在模擬信號之上的管理配置數字類數據(下稱1b類數據)。這一類數據以HART協(xié)議數據為當前主流。
HART協(xié)議是美國ROSEMOUNT公司(現(xiàn)屬于EMERSON)于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議提供低帶寬和適度響應時間的通信，目前在流程工業(yè)現(xiàn)場信號傳輸上得到廣泛應用。
HART協(xié)議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2kbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。
1b類數據主要用于儀表的配置和管理。這類數據對傳輸的可靠性和時間確定性要求比1a類數據低。事實上，HART數據以其傳輸速度低聞名，但是由于HART技術實現(xiàn)了初步的數字化，這個缺點沒有阻礙其得到廣泛應用。
1b類數據內容要比1a類數據豐富很多。在一臺第1類設備中，1a類數據一般僅是一個浮點數，1b類數據可能有上百個不同類型的數據。
第2類設備：現(xiàn)場總線儀表
現(xiàn)場總線技術是一種應用于工業(yè)自動化領域的通信技術，它允許在生產現(xiàn)場的智能儀表和自動化控制系統(tǒng)之間進行數字信號的雙向傳輸。這種技術通過使用總線架構，使得多個設備能夠共享同一通信介質，從而實現(xiàn)信息的交換和控制任務的協(xié)調。現(xiàn)場總線技術具有節(jié)省線纜、簡化系統(tǒng)設計、安裝和維護等優(yōu)點。
不同的廠商開發(fā)了許多類型的現(xiàn)場總線技術，僅IEC61158規(guī)定了20種現(xiàn)場總線標準。在流程工業(yè)，應用較多的有FF總線技術和PROFIBUS DP/PA技術。
現(xiàn)場總線傳輸內容包括1a類流程參量和1b類管理配置數據，其數據傳輸要求也與上述要求相同。與第1類設備不同的是，現(xiàn)場總線設備將這兩類數據都通過數字形式在總線上傳輸，能夠傳輸更多的流程參數和管理配置類數據。
由于產品設計和應用等原因，現(xiàn)場總線技術一直沒有得到市場普遍接受。一般認為，流程工業(yè)中現(xiàn)場總線儀表占總儀表數量的10%~15%之間。
第3類設備：RS485類儀表
由于RS485具有更高的帶寬，可以傳輸更多的數據?；赗S-485的MODBUS RTU協(xié)議簡單易用，標準公開，逐漸成為現(xiàn)場復雜儀表的數據傳輸協(xié)議。
比較典型的RS485儀表有電動執(zhí)行機構、儲罐計量儀表、裝車批量控制器、現(xiàn)場PLC控制器等。
有些儀表支持第1類模擬數據傳輸，但是也保留了RS485接口，用于管理和配置類數據通信。
支持RS485技術的儀表約占現(xiàn)場儀表設備的15%~20%之間。
RS485/MODBUS RTU的缺點是組網困難、數據無語義等。這導致了RS-485只能用于近距離小型網絡或者診斷數據接口。
第4類設備：工業(yè)以太網設備
工業(yè)以太網是基于以太網技術的一種專用網絡，用于工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)中的數據通信和傳輸。與傳統(tǒng)以太網相比，工業(yè)以太網具有更高的可靠性、實時性和安全性。它通過標準化的通信協(xié)議和硬件接口，實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)和信息交換。
目前在流程工業(yè)現(xiàn)場應用較為廣泛的工業(yè)以太網協(xié)議有下面幾種：
1、MODBUS TCP
MODBUS TCP是一種基于TCP/IP協(xié)議的通信協(xié)議，它是MODBUS協(xié)議的擴展，允許通過以太網進行數據交換。MODBUS TCP通過將MODBUS映射到TCP/IP協(xié)議上，使得它能夠適應標準TCP/IP網絡環(huán)境，實現(xiàn)更廣泛的應用。
2、Ethernet/IP
Ethernet/IP由ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)開發(fā)，用于連接工業(yè)自動化設備。它基于以太網技術，并結合了CIP(Common Industrial Protocol)通信協(xié)議，旨在提供一種高效、可擴展和安全的網絡通信解決方案。
Ethernet/IP廣泛應用于制造業(yè)、過程控制、能源管理和其他工業(yè)自動化領域，它結合了以太網的普及性和CIP協(xié)議的強大功能，為工業(yè)自動化提供了一個高效、可靠的通信平臺。
3、PROFINET
PROFINET是由德國西門子公司主導，與PROFIBUS和PNO(PROFInet組織)合作開發(fā)的工業(yè)以太網標準。它是一個開放的以太網通信協(xié)議，專為工業(yè)自動化和過程控制領域設計，旨在實現(xiàn)設備和系統(tǒng)之間的高效、可靠和實時的數據交換。PROFINET為工業(yè)自動化和過程控制提供了一個高效、可靠和安全的通信平臺，有助于提高生產效率和靈活性。
工業(yè)以太網設備網絡接口符合IEEE802.3系列標準，一般采用RJ45或者光纖接口。這也限制了工業(yè)以太網協(xié)議在現(xiàn)場儀表上的應用。一般只有大型現(xiàn)場設備支持工業(yè)以太網接口，如大型色譜分析儀、PLC控制器、人機界面、工控計算機、變頻器等。
以上4類設備是當前流程工業(yè)主流現(xiàn)場儀表設備。
根據SPE/APL技術特性，考慮構建流程工業(yè)現(xiàn)場數據傳輸網。網絡架構如下圖所示。
SPE/APL現(xiàn)場交換機支持下行SPE接口?，F(xiàn)場部署的SPE/APL儀表通過雙絞線接入現(xiàn)場交換機。傳統(tǒng)儀表通過遠程IO或者轉換器接入現(xiàn)場交換機；若干臺現(xiàn)場交換機與匯聚層交換機組成星形或者環(huán)形網。控制室內部署的控制器、上位機通過匯聚層交換機和IPoT網關接入控制網。網絡通過防火墻接入云端服務器。
本文篇幅有限，僅討論接入接入設備到APL現(xiàn)場交換機的數據傳輸。
第1類設備：模擬類儀表和模擬數字混合儀表
本類設備控制數據以模擬電流電壓或者開關量形式傳輸，管理配置數據以HART形式傳輸。數據傳輸量小。可以考慮采用遠程IO，在現(xiàn)場將模擬信號轉換為數字信號，與HART數據匯總后通過APL分支通路上行接入APL現(xiàn)場交換機。
第2類設備：現(xiàn)場總線儀表
現(xiàn)場總線儀表已經實現(xiàn)了傳輸信號的數字化，只是數據傳輸格式與SPE/APL的以太網信號不同。第一種解決方式是APL交換機在接入側將現(xiàn)場總線信號轉換為以太網信號。P+F開發(fā)的一款APL現(xiàn)場交換機就支持PROFIBUS PA儀表的接入；第二種方式現(xiàn)場總線/APL轉換器將現(xiàn)場總線信號轉換為以太網信號，接入APL現(xiàn)場交換機。
第3類設備：RS-485類儀表
有兩種形式。第一種輸出模擬信號，同時支持RS485接口。第二種儀表只支持RS485接口。第3類儀表一般采用MODBUS RTU協(xié)議。使用RS-485/APL轉換器，將MODBUS RTU數據轉換為MODBUS TCP協(xié)議數據。設備接入APL現(xiàn)場交換機。
下圖是儲罐計量儀表系統(tǒng)圖。儲罐儀表輸出RS485信號，組網后接入自動巡檢儀，轉換為標準以太網信號后，接入上位機。
采用新型現(xiàn)場數據傳輸網改造上述系統(tǒng)。使用RS485/APL轉換器，將RS485數據轉換為APL以太網數據。儲罐計量數據通過現(xiàn)場數據傳輸網接入自動巡檢儀和上位機。
新方案的優(yōu)點有：
1、現(xiàn)場數據傳輸網速度比RS485總線高；
2、現(xiàn)場數據傳輸網可以配置成冗余路徑，數據傳輸可靠性更高；
3、現(xiàn)場數據傳輸網是公用現(xiàn)場數據傳輸基礎設施，而非RS485專用總線，網絡配置靈活性提高，數據傳輸成本降低。
第4類設備：工業(yè)以太網設備
第4類設備已經是工業(yè)以太網設備，只需將網線和RJ45接口轉換為APL單對線介質即可。其余與第3類設備相同。
第0類設備：原生APL接口設備
以上討論了存量設備接入現(xiàn)場數據傳輸網的方式。事實上，隨著技術發(fā)展，越來越多的設備將支持APL接口，不需要各種轉換器，可以直接接入現(xiàn)場數據傳輸網。某大型儀表制造商的大部分現(xiàn)場儀表已經支持PROFINET/APL數據接口。APL設備直接入網將是未來工業(yè)數據傳輸的主要方式。
現(xiàn)場數據傳輸網將在流程工業(yè)現(xiàn)場構建工業(yè)數據傳輸高速公路。當前存量儀表設備和未來的原生SPE/APL智能設備的數據能夠高速傳輸。這些數據將有助于流程工業(yè)高效安全穩(wěn)定生產，創(chuàng)造更高價值。
