现场总线在中国：背景与对策 现场总线也称为工控局域网，是80年代起步，90年代迅速发展起来的工业控制系统技术，在我国只是近几年才刚刚引起关注。继2000年成功举办首届中国国际现场总线技术交流会暨展览会之后，中国仪器仪表行业协会联合美国仪器仪表学会等单位，在中国科技部等国家管理部门的支持下，于2001年8月7日—10日，在北京国际展览中心召开了第二届中国国际现场总线与工业流程控制展览会暨技术交流会。多家国际大公司参与展览，业界国内主要公司积极设台，国际流行的主要现场总线纷纷亮相，技术讲座丰富多彩。展览会表明了国家对推广应用现场总线技术的重视，也表明了现场总线技术在我国的推广应用正在稳步地向前发展。 但是，展览会也反映了现场总线技术在我国的普及程度还很不够，还没有引起企业界科技界的广泛关注。现场总线到底是怎么回事？面对异彩纷呈的各种国际流行的现场总线，实践中该怎样选用？现场总线技术国际竞争的真正热点在哪里？国内现场总线技术的发展应当如何应对国际竞争？…澄清这些问题的困扰对于现场总线技术在我国的推广和发展显然是必要的。为抛砖引玉，在此谈出自己的一些肤浅思考。欠妥与错误之处敬请指正。 一、 总线技术应用概述 总线(bus)的本来含义是二进制单元信息系统。可以将它理解为以信息传输软硬件为基础，以信息传输规范为核心的信息传输体系。它对于电子计算机的诞生和发展起了重要作用。一台计算机系统中含有许多总线。从系统的不同层次上看，有芯片级总线、板级总线、系统级总线等。从信息传输形式上看，有并行总线和串行总线之分。总线技术与通信技术有密不可分的关系。并行通信强调高速性，较多地依赖于硬件实现。计算机中最早应用的总线是并行总线。芯片内和芯片间的并行总线一般地按功能分为分数据总线、地址总线和控制总线，这些总线结构由芯片生产厂家自行设计，没有国际标准。为便于用户开发应用，系统级总线一般由计算机生产厂家独立或联合提出，然后形成国际标准，以对进一步的开发应用进行规范。这种总线由于传输距离短，通常称为局部总线（Local Bus）。最早流行的计算机系统级并行总线是IBM在其286计算机上推出和应用的AT总线。该总线后来成为事实上的国际标准，被人们称为ISA（工业标准结构）总线。之后各种各样的系统级并行总线相继推出，广泛流行的有EISA总线、VESA（VL-Bus）总线、PCI总线、STD总线、VXI总线（一般用于仪器仪表）等，其中一些总线如PCI、VXI等至今仍处在推广应用阶段， PCI在图像等高速数据传输方面，VXI在高可靠性仪表方面都具有很强的生命力。 20世纪60年代后串行通信技术得到发展，不久国际上推出了第一个串行通信标准，即RS232标准，出现了至今仍广泛应用的RS232串行总线。按RS232的最简单应用模式（即远距离通信模式），用三根导线可进行全双工串行通信，用两根导线可进行半双工串行通信。全双工即信息的接收和发送可以同时进行，半双工则指的是既可接收，也可发送，但二者不能同时进行。完整的RS232应用模式要用到一系列的握手信号线及电源线。与并行通信相比，串行通信需要对信号进行一系列的规定，称为串行通信协议，这比并行通信只需对引线端加以简单的定义和说明要复杂得多。串行通信除了信号通道少外，还要对需传输的数据进行规范化分解封装，加上发送者信息、接收者信息、数据块大小类型和序号、校验信息等等附加数据，附加的数据量通常比原本要传输的数据量大许多，所以比并行通信要慢很多。但是，串行通信的巨大优势是：线缆用量显著减少。对于远距离应用而言，这不仅降低了线路费用，而且由线缆极其连接故障造成的系统故障（也是最常见的系统故障）大大减少，系统的易维护性显著提高，维护费用大大降低。因此，在远距离通信上，毫无疑问要采用串行通信而不采用并行通信。 远距离串行通信一般采用半双工通信方式，所用的两根导线一般采用加保护层的普通双绞线或屏蔽双绞线、同轴电缆或光缆。用光缆可以得到最高的传输数率（bps--波特率）。用双绞线或同轴电缆时，其可以达到的最高传输数率主要取决于单位线缆长度的等效电容和衰减率，同时也取决于串行接口的物理特性、电平规范、端接阻抗匹配和数据格式。电缆质量是保证串行通信可靠性的重要指标。电缆的质量指标包括机械指标、化学指标和电气指标。机械指标主要指保护层的抗拉强度、柔性、防水防潮性能和表观质量，化学指标主要指耐酸蚀性、耐水蚀性、耐温性、抗老化性及其它化学稳定性，电气指标包括绝缘性能、特征阻抗、单位线缆长度的等效电容和单位线缆长度的衰减率。在特征阻抗一定时，单位线缆长度的等效电容和衰减率越小，一定距离条件下可以获得的最大传输数率越高，或者一定通信数率下可以获得的最大传输距离越远，但要求电缆材质越好，直径越大，因而也越贵。 事实上，RS232的物理结构并不是理想的串行通信结构，它采用单端输入输出方式，抗干扰能力差、通信距离近是其固有的缺点。80年代初推出的RS422和RS485，采用差动输入输出方式，使通信距离和性能大大提高（19.2Kbps时可传输1200米）。RS422适用于全双工异步通信，需两对（4根）导线；RS485则专用于半双工异步通信，只需一对导线。80年代中期推出的CAN（属于早期现场总线）协议，采用一对导线，半双工工作。在物理结构上，CAN总线可对输入输出方式进行设定，一般情况用差动输入输出方式，线路出现某些故障时可由软件改为某种单端输入输出方式，以期系统能在较低性能（较低通信数数率）下维持通信能力。在短距离串行通信方面，广泛用于计算机同串行外设连接的USB是取得巨大成功的一个例子，它用4根导线实现短距离高速串行数据传输。芯片级串行总线则广泛应用I2C总线协议和三线式串行通信协议。 串行通信技术是构成网络技术的基石。网络技术的发展也对串行通信提出了更高层次的要求。上面提到的RS232、RS422、RS485等只提供了串行通信的最低层协议，即物理层协议。仅靠物理层协议只能完成功能最简单的串行通信。由于网络通信需要面对复杂的网络拓卜结构和遥远的通信距离，需要解决线路共享、冲突仲裁、中继转发、分组发送、路径选择、流量控制、接收重组、差错处理等等一系列技术问题，对这些问题的研究导致开放式互连（OSI）基本参考模式于70年代应运而生，并于1983年成为正式国际标准ISO7498。70年代初，美国国防部投巨资研究Internet，TCP/IP协议和开放式互连（OSI）基本参考模式就是研究的重要成果。TCP/IP协议是一种适于复杂的互联网应用的串行通信协议。美国防部令许多局内人士都不可思议地将它免费公布于众，极大地推进了它的普及应用。现在TCP/IP已经成为网络通信的最通用的协议。TCP/IP协议与以太网的结合成为最成功的网络总线模式。但是由于互联网结构固有的复杂性，按TCP/IP协议传输数据需附加的数据量很大，传输大数据块时才有较高的效率，而对于传输通常较简短的控制信息、网上对话信息等，则传输过程的绝大部分时间用在附加数据上，技术上称为协议效率（Protocol Efficiency）低。好在网络具有良好的共享性和传输的高速性，对于普通应用来说时间上的开销一般并不构成经济上的负担和不可接受的时间延迟。这正是它得到广泛应用的根本原因。 将计算机应用于控制从一开始就是计算机研究的主要目的之一。最早时由于计算机非常昂贵，计算机控制系统采用集中式控制的系统结构。运算是这种系统的瓶颈，电缆线路繁杂是这种系统的外在特点。单个节点的故障常会导致整个系统瘫痪、故障不易检测和诊断、系统不易维护是这种系统结构的先天缺陷。同期并行发展、价位较低因而更为流行的，是由数字电路模块构成的直接数字控制（DDC）系统。当时计算机昂贵是采用集中结构的唯一理由。随着计算机技术的发展和价位的降低，70年代计算机控制先后出现了集散式控制系统和分布式控制系统。集散式控制系统的特点是上层计算机集中管理和下层分散控制相结合，控制层由多个局部计算机分担，底层广泛采用数字电路式功能模块。按全分布式控制系统的理想模式，管理层也由几个计算机分担，一台计算机出现故障，其它计算机可以取代其职能。这与美国国防部研究Internet的初衷完全吻合。由于这时计算机价位仍居高不下，所以当时在工业上实际流行的仍是DDCS，但研究者的目光已经向分布式系统聚焦。 进入80年代后，计算机技术飞速发展，价位迅猛下降，使计算机在控制系统中的应用迅速普及。发展至今，单片机技术的推广使设备上电子测控系统的设计几乎成为嵌入式微机测控系统的一统天下。控制系统的结构向着理想的全分布式系统迅速靠近。1983年美国的Honeywell公司推出了在标准模拟4—20mA变送器上附加数字信号传输的变送器，引发了智能变送器研究的热潮和相关技术的迅速发展。这件事情更大的意义在于：它将工控技术领域的关注点引向了串行通信。业内技术界似乎突然发现，工控技术竟然与串行通信技术有着如此密切的关系—全分布测控系统的实现要依赖于发挥串行通信的潜力。人们领悟到，过去一直采用的一对导线传输一路信号的典型解决方案仅对较高频率的信号传输才恰如其分，而对于通常的低频工业信号的传输则是对线缆资源的巨大浪费。频率越低，浪费越严重。人们注意到，利用高质量的串行通信，实现便于故障诊断和维护、能大大降低运行维护成本的全分布式测控系统，是一种相当理想的方案。越来越多的人看到了这一技术潜在的巨大经济价值。以德法为首的欧洲最先提出了现场总线（Field Bus）的概念并大力投入研究，美国随后也迅速参与竞争，形成了从80年代持续至今的现场总线技术群雄割剧的战国局面。 二、 现场总线的发展与竞争 现场总线是