现场总线技术及其新进展

1现场总线技术简介

　　现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统；使用公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统【1】。

　　按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义，现场总线(Fieldbus)是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。他是用于制造自动化或过程自动化中的，实现智能化现场设备(智能变送器、执行器、控制器等)与高层设备(主机、网关、人机接口设备等)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统【2】。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展趋势，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到了全世界的普遍关注【3】。

　　现场总线有3种数据操作模式：(1)对等( peer to peer ) ； ( 2)主从(client/server，简称C/S ) ； ( 3)网络计算结构(network computing architecture，简称NCA)。20世纪80年代C/S方式是其主要发展阶段，20世纪90年代出现了NCA方式。

　　现场总线的网络拓扑结构有4种：环型、总线型、树型、混合型。

2 现场总线的技术特点

现场总线在技术上主要具有以下特点：

(1) 系统开放性好
　　用户可按照自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。

(2) 具有互可操作性与互用性

　
　　互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换。

(3) 使现场设备具有智能化与功能自治性

　　所谓智能化与功能自治性就是将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠监控设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

(4) 系统结构的高度分散性

　　现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，这从根本上改变厂现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

(5) 对现场环境的强适应性

　　作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力。能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

(6) 系统成本低、性能高

　　采用现场总线技术后，由于现场底层设备的智能化以及改变了过去点对点的连接方式，使自动化系统的性能价格比大幅度提高。这不仅使系统的硬件、软件成本和辅助成本大大降低，也使得系统的性能得到很大提高。

3 现场总线技术的现状

　　在20世纪80年代中期，德国、法国等欧洲国家的一些大公司相继推出自己的现场总线产品，同时也制定了自己相应的标准。自20世纪90年代以后，现场总线技术迅猛发展，全世界发展起来的现场总线已达数十种。国际电工委员会(IEC)历时12年，于2000年1月才正式公布了IEC61158现场总线全部技术标准，由于是妥协于各方面的既有利益，并没有实现完全统一国际标准的初衷。在此标准中容纳了8种互不兼容的通信协议，它们是：
Type1：FFH1(Foundation，USA)；
Type2：ControlNet(Rockwell，USA)；
Type3：Profibus(Siemens，DE)；
Type4：P2Net(ProcessData，DM)；
Type5：FFHSE(Foundation，USA)；
Type6：SwiftNet(Boeing，USA)；
Type7：WorldFIP(Alsthom，FR)；
Type8：Interbus(Phoenix，DE)；

　　以上现场总线的网络通信协议各有千秋，但都面临兼容性问题，任一个现场总线和其它现场总线都不易于互联和互换。另外，现场总线大多具有各自的形成背景，使得在某些现场环境下需要使用不同类型的现场总线，多类型现场总线的使用又让整个控制系统显得相当混乱，而且现场总线类型的选择本身也是一个棘手的问题。

　
　　在传输速率方面，总线的传输速率也不尽人意。有些低速总线的传输速率为9600bps，H1的传输速率为31.25kbps，高速总线H2的传输速率也只有1Mbps或者2.5Mbps，如果要做到“管理控制一体化”，实现远程控制，将无法满足特殊情况的实时性要求。

4 现场总线技术的新进展

　　现场总线协议长期争论不休，使得FCS系统的发展相对缓慢。随着控制、计算机、通信、网络技术的发展，以太网以其成熟的技术、开放和统一的标准、广泛的应用和高传输速率等优势，弥补了现场总线的某些缺陷。近年来，现场总线开始转向在IT领域广泛应用的Ethernet网络技术。工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，满足了工业网络在开放性、互联性、带宽方面提出的高要求，因此，从信息集成的角度出发，要达到“管控一体化”的最佳状态，现场总线与以太网相结合将会是最佳的方案，也是现场总线未来发展的方向。

　　与现场总线国际标准历时漫长的12年制定过程形成极大反差的是， 工业以太网在3年之内就在现场总线技术领域真正确立下来。

　　实际上，各种工业以太网的协议基本上无异于目前在信息和管理领域大量使用的常规以太网。工业以太网摆脱了主从式或令牌总线式的传统工业网络通信模式，采用端到端的高速数据交换，统一解决了工业网络的纵向分层和横向远程的系统问题，使信息可以从设备传感器到管理层办公桌面完全集成【4】。由于以太网技术成熟、性能优越、成本低廉，所以受到用户广泛的欢迎，从而能够在自动控制领域异军突起。

　　目前，Profibus、DeviceNet、ControlNet和LonWorks等都打算使用 Ethernet。这些公司都在研究通过一种称作管道（Tunnel）的简单传递机构，使用Ethernet网络传送它们的报 文。这种方法简单可行，现场装置保持不变，仅需要一个专用的Ethernet网络接口就可完成与以太网的连接。与此同时，美国电气工程师协会（IEEE）正着手制定现场装置与 Ethernet通信的新标准，该标准能够使网络直接“看到”对象（Object）。这些工作均为Ethernet进入工业自动化的现场级打下了基础。

　
　　现在市场上已经有大量的工业以太网产品，包括：连接板卡、网关、远程IPO、软PLC、通信软件和驱动软件等。

　　从20世纪90年代的中后期开始各种基于Ethernet的工业现场总线标准也相继发布，但它们主要应用于控制系统的中上层设备间的通信，底层设备间仍由相应的现场总线连接。这些技术均利用了经济的Ethernet芯片、支持电路、集线器、中继器、交换机和电缆。

现在已经发布的主要工业以太网现场总线标准有：

(1) HSE(Foundation，2000)
根据近年来网络技术的快速发展形势，基金会现场总线 (FF)及时终止了H2的标准制订，转而引入开放的100Mbps高速以太网HSE作为现场总线标准，列入了IEEE61158的开放协议。由于FF在现场总线方面的主流地位，HSE自提出以来就一直倍受关注。HSE具有以下技术特点：
HSE在物理层和数据链路采用符合IEEE802的100Mbps高速以太网标准，这是已经商品化和产业化的现成网络硬件技术，有价格低廉的网络芯片和大量的市场化网络产品可供选择，无须专门开发；
在网络层和传输层采用标准的TCP/IP通信协议，有成熟的软件开发工具可供使用，使通信软件开发和节点部署的成本大大降低；
HSE在应用层具有FF特别的应用协议，包括数据链接、现场设备访问代理、系统管理、网络管理、冗余管理和系统诊断等；
HSE在用户层具有FF新增加的柔性功能模块，包括多变量输入输出、协调控制、数据采集和监控、顺序控制、先进控制等。
但是，HSE目前还只是应用在H1网络的上层(将FF现场总线接入管理网)。将HSE嵌入FF仪表设备是其发展的方向。

(2) Profinet (Profibus，2001)
Profibus组织为了应对FF HSE引发的高速以太网现场总线技术竞争，及时推出了工业网络方案：Profinet。Profinet同样是基于高速以太网技术，提供Profibus代理耦合器Proxy，建立从Profibus到Ethernet的连接。Profinet不仅有硬件，还包括组态、配置和通信软件在内的一休化解决方案。
Profinet可将Profibus DP与Profibus PA的信息送上Ethernet。Profinet采用TCP/IP和COM/DCOM的第三方控制软件，预示着Profibus FMS可能会逐渐淡化。

(3) EtherNet/IP (ODVA，1999)
EtherNet/IP由ODVA组织发布(IP是指工业协议)。它是唯一受到CI， IEA， ODVA同时支持的协议。它与Device Net使用相同的开放的应用层协议CIP，二者可以共享设备界面和对象库。
该协议是基于以太网的CIP ( Control and Information Protocol)，是专为工业控制设计的基于对象的一种方法，包括体系结构、数据类型、服务等。它是独立于特定网络的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的服务集。它为以太网用户提供了一个健壮、不断增加的厂商共通性和对象库，对象和设备描述实现了不同厂商混杂设备件的即插即用。对象的定义是严格的，它支持同一网络的实时I/0通信、组态和诊断。用户不需要专用软件就可以连接复杂的设备，例如变频器、机器人控制、条形码阅读器和磅称等，使网络直接看到对象，为以太网进入工业自动化的现场级打下了基础。
采用UDP(用户数据报协议)/IP(网际协议)和TCP(传输控制协议)/1P(网际协议)作为以太网的控制和信息协议，允许发送显式信息和隐式控制报文。隐式报文是对时间有苛刻要求的I/O信息，通过UDP/IP来完成隐式报文中包含实时I/0数据的数据区传送(CIP控制部分)。由于连接建立时，数据位的意义已经预先定义，故运行时节点的处理时间可以大大缩短。这样报文短，占用资源少，可以满足实时性强的控制。应用层使用CIP后，为面向制造自动化领域提供了以太网解决方案，实现了以太网上的工业自动化设备和控制设备的互操作性和互换性。

(4) ModbusTCP/IP (Schneider，1998)
Modicon可编程控制器可以相互通信，且在许多网络上与其他设备通信。被支持的网络包括Modicon的Modbus(标记为MB)，Modbus Plus(MB+)工业以太网如MAP和Ethernet。控制器中的内嵌端口和Modicon公司销售的网络适配器，选模块和网关可从网络存取数据。旱期的设备制造商Modicon ModConnect公司的相关程序可用来将MB+这类网络紧密集成在专有的产品设计中。Modicon控制器使用的公共语言是Modbus协议。这个协议定义了控制器能识别和使用的报文结构，而不管在其上通信的网络类型。它定义了控制器如何要存取数据到另一个设备而使用的进程，控制器如何响应其他设备的需求，以及错误如何检测和发布。

　在其他网络中，含有MB协议的报文被内嵌到用于网络的帧结构或包结构之中。例如，用于MB+或MAP网络的Modicon网络控制器，和相关的应用软件库及驱动程序一起，提供了在内嵌MB报文协议和网络节点设备通信所使用的具体组帧协议之间的转换。这种转换也倾向于解决节点地址，路由选择和专用于每种网络的检错方法。例如，Modbus协议中的Modbus设备地址在报文传输之前，会转变成节点地址。检错字节也将应用到信息包，以便与每一种网络协议相一致。然而，传输终端用Modbus协议所写的内嵌报文规定了执行的动作。

当然，为IT领域应用而开发的Ethernet，过去在工业自动化领域只能得到有限应用，其关键原因在于：

(1) Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重（大约40％）时，网络的确定性（determinism）不能满足工业控制的实时要求；
(2) Ethernet所用的接插件（connector）、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求；
(3) 在工厂环境中，Ethernet抗干扰性能较差；
(4) Ethernet网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
(5) 由于Ethernet收发器本身功耗较大，对办公环境很安全，但对一些化工危险场合容易引起火花产生爆炸。
(6) 互操作性问题。严格意义上讲，Ethernet并非一个完整的协议。这种不开放性造成不同厂家Ethernet设备之间不能相互操作，而且即使是同一厂家开发的不同Ethernet设备之间也有可能不能透明访问。
同时，由于工业Ethernet已经把传统的3层网络体系合为一体，在实现数据共享的同时，也存在网络安全性，网络生存性及传输速度的问题等。
随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。以太网被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案。

以太网在工厂自动化管理层和车间监控层已得到广泛应用和用户认可，特别是采用TCP/IP协议可与互联网Internet连接，是未来eManufatory的技术基础。在设备层对实时性没有严格要求场合，以太网也有许多应用。如果以太网希望走得更远，能够全面进入工厂底层成为设备连接的主要网络技术，那么，以太网必须作出技术改进。从硬件和软件上，工业以太网技术有以下一些改进：
(1) 改进物理层
传输介质应能提供多种工业级护套和铠装电缆、光纤等；各种防护等级工业级的接插件；应该具有总线供电及本质安全的解决方案，用于流程控制及要求防爆功能的场合。
(2) 采用交换设备
采用交换设备，使有实时要求的站点的通信通过交换机实现透明的转发，避免信道共享引起的竞争问题，可以方便地实现优先级排队机制，使紧急信息的传送达到最快。
(3) 采用高速背板交换或微处理器交换
采用高速背板交换，响应时间是确定的。根据ARC公司分析，126个节点的100M交换式以太网的响应时间为2-3ms，足以满足大部分控制系统的要求[8]。
(4) 在以太网的协议中加入实时功能
现在，一些FCS生产商（Profibus、Modbus等）开发自己的工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功能技术，它其实是在设备中加入特殊的协议芯片。有一种完全基于软件的协议RETHER（Real-Time Ethernet），可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性，它采用一种混合操作模式，能减少网络中非实时数据传输性能的影响；非竞争容许控制机制和有效的令牌传递方案能有效防止由于节点故障而引起的令牌丢失。此方法主要着眼于在以太网中提供带宽保证。因为尽管以太网协议规范中有优先权访问仲裁，但这种机制本身不能为一对被仲裁的节点提供带宽保证。
遵守RETHER协议的网络以两种模式运行，即CSMA 模式和RETHER模式。在实时对话期间，网络将透明的转换到RETHER模式，在实时对话结束后又重新回到CSMA模式。

5 结束语
总体说来，各现场总线标准将会向着统一的新标准进发，自动化系统与设备也将朝着现场总线体系结构的方向前进。将以太网和现场总线相结合是未来控制技术发展的一种趋势。随着技术的改进，标准的建立和对信息集成要求的不断提高，以太网技术应用于现场总线的优势将越来越明显。

参考文献
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