图1  传统集中分散控制系统连接示意图。

随着控制系统在大型工业生产中的迅猛发展，在此发展过程中也扮演着重要角色的接口设备同样经历了从低级到高级的发展阶段，采用最新的技术，融合流行的连接方式，在国内近年推出的总线型接口设备，即是在这一特定仪表发展过程中的产物。图尔克公司推出的EXCOM系统即是这样一个全新概念的产品，它将接口技术的发展提高到一个新的阶段。

自20世纪50年代以来，随着工业革命的推进，控制系统在大型工业生产中得到迅猛的发展。从开始的气动、模拟回路控制，发展到现在的DCS集散控制系统、FCS现场总线控制系统。接口设备在此过程中也扮演着重要角色，其同样经历了从低级到高级的发展阶段。采用最新的技术，融合流行的连接方式，在国内近年推出的总线型接口设备，即是在这一特定仪表发展过程中的产物。

接口设备的发展

所谓接口设备就是把不同类型的输入按要求提供不同的输出，相当于一个转换设备。从概念上讲，其本质的含义是隔离设备，对运行于危险区域的仪表与安全区域中的控制系统之间起到信号隔离作用。

在控制系统的发展中，自20世纪50年代以来，对于在危险区内的工艺过程实现控制，一般采用基地式单回路调节，采用气动信号传送。由现场的气动变送器把表示不同示值的信号传送到气动调节器，通过操作人员的设置，通常由仪表设计采用各种常规或非常规运算，将运算结果转换为气动信号输出，输出的气动信号直接传送至危险区的现场仪表。以气动信号作为传送媒体，不会在危险区域产生发生爆炸的点火条件，即不会产生电火花，电弧或因表面温升以至燃点而引起爆炸。因此无需隔离设备，即可达到控制和防爆的目的。

随着工艺过程复杂程度的增加，采用气动信号无法满足复杂过程控制的要求，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表。这样可把各单元仪表的信号按需要组合成复杂的控制系统，此时模拟信号的传递是一对一的物理连接，所需的接口设备仅起到信号转换的作用。由于采用了电气信号，在危险区使用的仪表均采用隔爆形式，用以防止发生爆炸。这一时期的接口设备即是后来接口技术发展的雏形，而隔爆保护概念也是今后隔爆技术发展的初期阶段。

图2  现场总线控制系统连接示意图。

由于上述技术存在着不可避免的缺陷，伴随着计算机技术的发展，计算机可靠性大幅提高，价格大幅下降，应用领域出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的控制系统，这就是今天被普遍采用的DCS系统。

控制系统和现场仪表的发展，也推动了接口设备的发展，尤其是电动仪表，从强电仪表向弱电、智能化发展，因此产生了本质安全的概念。其本质是限制因到达危险区域的电能和热能达到一定程度，使导致爆炸发生的能量因素（如温升、火花、电弧）产生，从而起到防护作用。这也顺应了减少能耗的要求，尤其适合于仪表与自控设备，在使用中可以进行带电维护和接线，成本降低等多种优点。

要达到本质安全，在一个控制回路中，现场仪表必须具有防爆认证，连接电缆也需得到认证。介于控制系统和现场仪表之间的接口设备担当起了提供本质安全的隔离设备，只要它能够在接口设备和现场仪表侧提供本质安全回路，使控制系统和处于危险区的现场仪表得以隔离，即达到要求。因此，接口设备在一个控制系统中所扮演的角色被提高到一个新的水平，不仅要起到信号转换的功能，而且还要能够限制从安全区到危险区的能量，使处于危险区的回路达到本质安全的要求。

为使回路达到本质安全，在传统控制方法中，安全栅做为接口设备，在防爆中起着重要作用，它能限制控制器的大能量传到危险区的现场仪表，防止爆炸。

关于隔离接口设备发展的叙述可以看出不论控制系统、现场仪表，还是提供安全保护的接口设备，均采用了传统控制系统的结构形式，即采用点对点的设备连接方式。其基本原理图如图1所示，为一个典型的集中分散型的控制系统。

现场总线技术的发展状态

产生的背景

随着计算机技术的不断发展，成本的不断降低，与之相应的计算机网络系统得到迅速发展。处于整个生产过程底层的测控自动化系统，要与高一级的管理层网络系统交换信息，实现整个生产过程的信息集成自动化，必须设计一种能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉的通信系统，实现现场智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及与上层网络的信息交换。现场总线就是在此背景下产生的。

总线的发展现状与发展方向

现场仪表的智能化与数字化为总线的发展提供了基础，但由于各个生产厂商其通信标准的不一致，严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到厂商都希望形成统一的标准，组成开放的互连网络，由此发展的结果就是依据不同的要求产生不同的开放式协议，于是产生现在“流行”于市场的总线协议，如ProfiBus、DeviceNetTM、FF、LON等。较有影响的总线协议有十几种之多，且各有特点，但哪几种协议能够成为最终的主体，还有待于实践的检验。如图2所示为一种现场总线的连接方式。

图3  河南龙宇煤化工项目远程I/O控制图。

因此，在现阶段，一方面是接口技术的发展已日趋完善，另一方面总线技术也在不断成熟，接口设备的生产厂家适时地推出了融合多种先进技术的新型接口设备。下面就以接口设备生产厂家之一的德国图尔克公司推出的EXCOM系统为例，介绍这一方面的发展。

EXCOM新型接口设备

鉴于接口技术的日臻完善以及总线技术的不断发展，如何充分利用现有的成熟技术，根据市场的需要，建立一个全新概念的产品，成为众多厂家研究发展的目标。作为接口设备的专业生产厂家，德国图尔克公司近年推出的EXCOM系统，具有很多优势，如图3所示为EXCOM与现场仪表和DCS或PLC构成的示意图，下面从系统的构成来了解其特点。

EXCOM系统的构成

EXCOM系统由系统母板、电源、网关模块、I/O模块系统母板（用于各个部件的安装，提供组成系统各部分的连接以及供电，根据不同需要可连接16/8/4个I/O模块，最大64个模拟量或128个开关量的输入或输出）、2/1网关、2/1电源模块，可提供网关冗余，电源冗余，内总线冗余。其向现场仪表、网关提供电源，外供电可为交流或直流，外供电及内供电均可冗余配置，运用了EEx m、EEx e和EEx i防爆技术，不需附加其他条件，直接应用于危险１区。

在网关模块设计上，采用ProfiBus-DP总线通信协议，提供现场设备和控制系统的通信，可提供冗余的连接方式，并提供状态指示。

I/O模块安装于母板之上，可连接传统的现场设备。每块卡可连接４个模拟量（包括温度信号）或８个开关量，对现场侧提供本质安全回路（相当于传统接口设备的隔离式安全栅），具有对回路进行监控、输入/输出可选、在线带电插拔等特点，并具有传送HART协议的功能。

在河南龙宇50万t甲醇项目的实际应用

多重先进技术的综合应用，保证了系统的先进性。

在系统的组成部分中，运用了多种先进的技术，电源设计运用了EEx m、EEx e和EEx i防爆技术，直接应用于危险1区；输入/输出卡采用先进的隔离技术，保证了危险区回路的本质安全特性；EXCOM系统与控制系统之间采用ProfiBus-DP总线的通信协议，保证了双向传送的速度；系统的状态指示以及软件监控提高了故障诊断和定位的速度；设计原理采用远传I/O概念、总线通信方式、电隔离等多种技术，保证了系统的先进性。

多重冗余技术的应用，保证了系统的安全性。

为保证应用于危险区的安全性，采用了多种冗余技术。电源模块的冗余设计，保证了供电系统的冗余性；网关的冗余设计、现场总线电缆的冗余设计、网关与I/O模块连接的内总线的冗余设计，保证了通信的冗余性。整体结构的冗余设计，保证了系统的安全性。

全新概念的应用，减少了大量的投资，保证了用户的利益。

从图3中可以看出EXCOM直接安装于危险1区，用总线形式将信号传到控制室，节约了大量的现场到控制室的仪表电缆、桥架、槽盒；无需安全栅及其复杂的端子机柜；通过总线的通信方式，不需要DCS或PLC的I/O模块，减少了控制系统的投资；安装材料的减少，大大减少了现场施工费用；接点的减少、故障诊断手段的提高，维护工作也随之减少；模块功能的增加，减少了备品备件的数量。总之，全新概念的应用，减少了应用的投资。

结论

通过以上讨论，可以看到，在接口设备的发展过程中，随着相关技术的不断发展，新的产品不断推出，从传统的气动仪表、电动仪表，到现在的集中分散控制系统，到总线的分散控制，相应的接口设备也不断的发展。EXCOM系统是一个全新概念的产品，将接口技术的发展提高到一个新的阶段。