本文作者阳宪惠女士，清华大学自动化系教授；徐用懋女士，教授；魏庆福先生，航天信息股份有限公司总经理、教授。 关键词：现场总线　互联网　信息集成　控制网络　非确定性通信 互联网作为当代社会的信息高速通道，把大量局域网连接成广域网，对社会发展和人类生活产生了重要影响。在该项技术迅速发展与不断成熟的同时，也深刻影响着相关领域的技术发展。现场总线是近年来备受关注并得到迅速发展的自控新技术，在实现自控设备间数据通信与控制网络互联的过程中，其技术发展趋势明显受到互联网技术的影响。与互联网技术结合已成为现场总线技术发展的新亮点。 互联网技术通常是WWW中网络与数据通信技术的俗称。按ISO开放系统互联参考模型的分层结构，它包括有通信模型中物理层与数据链路层的以太网规范；网络层的网际互联协议IP；传输层的传输控制协议TCP、用户数据报文协议UDP；会话层至应用层的简单邮件传送协议SMTP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、虚拟终端TELNET等，即把以太网和TCP/IP紧密地捆绑在一起，再加上超文本链接HTTP、动态网页发布等。 现场总线技术产生于20世纪80年代。当初人们在开发这一自控设备间数据通信技术时，把注意力集中在满足控制的实时性要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等控制网络特定条件下的需要。由于传统控制网络中要传输的数据量不大，那时开发的现场总线的传输速率大都较低。当时人们还没有意识到自控设备会有向网络发布网页信息的需要与可能，加上以太网采用载波监听多路访问的媒体访问控制方式，其通信的非确定性使人们一直认为它不适于在控制网络中使用。 随着信息技术的发展，也由于现场总线技术本身所蕴涵的经济潜力，出现了近年来的现场总线技术与产品的开发热。据说已出现各式各样的现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种，并出现了各式各样的地区与国家标准，由此引发了现场总线的国际标准大战。 IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6于1984年就开始着手标准的制定，并致力于推出世界上单一的现场总线标准。自1993年通过了IEC现场总线物理层标准IEC61158-2之后，由于种种经济、社会与技术原因，使现场总线标准的制定一直处于混乱状态。IEC在历经多年争斗与调解的努力之后，于2000年初宣布有IEC 61158、ControlNet、Profibus、P-Net、FF HSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus-S等8种现场总线标准成为IEC现场总线国际标准子集。这一结果确实令人失望，也违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。至今，除了少数组织还希望将其总线挤入IEC标准并正不懈努力外，许多人对制定国际现场总线标准已失去信心与兴趣，致使2000年之后的标准混战明显降温。IEC现场总线国际标准制定的结局也在向世人表明，在相当长一段时期内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临困难的复杂局面。无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术发展的新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案。 正是在现场总线标准争论处于不可开交之际，互联网技术悄然进军现场总线控制网络领域。这一方面是因为它技术成熟、易于得到，性能价格比高；另一方面是因为随着技术发展，现场设备对通信性能的要求提高，原有的现场总线技术难以满足应用需求，因而转向青睐互联网技术。 一 与互联网技术的结合是现场总线控制网络的应用需要 现场总线控制网络位于企业信息网络的底层，其根本任务是要完成生产现场的测量控制任务，提供生产过程与设备的各种信息。从网络结构与企业信息集成的应用需求来看，企业要把管理、决策、市场信息和生产控制信息结合起来，把各种应用协调为一个整体，实现产品开发、生产加工、原料供应与产品储运、市场信息、企业管理、决策等过程的一体化解决方案，就需要把现场总线控制网络与Intranet、Internet连接成为一个整体。 图1为企业网络系统的层次结构。一般可按功能把它划分为3层：底层为完成生产现场测量控制功能的过程控制层(Process Control System, PCS)；最上层为企业资源规划层(Enterprise Resource Planning, ERP)；而传统概念上的监控、管理、调度等多项控制管理功能交错的部分都被包罗在中间的制造执行层(Manufacturing Execution System, MES)。图1中ERP与MES层大多采用以太网技术构成网络，网络节点多为各种计算机及其外设。随着互联网技术的飞速发展与普及，在ERP与MES层的网络集成与信息交互得到了较好解决。它们与外界互联网之间的信息交互也相对比较容易。 由于生产现场自控设备的种类繁多，测控设备间通信技术发展的相对滞后与不成熟，使得在现场总线控制网络所处的过程控制层内部实现信息交换的难度较大。该层一般包含有现场总线设备、DCS、PLC、SCADA等。仅就现场总线系统而言，由于各种总线采用的网络协议和介质各不相同，不同标准的总线设备之间实现互连和互操作存在较多障碍。该层信息内容主要为生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。在一体化解决方案中，需要调用、设置这些参数值，需要解决该层内部、该层与上层及其与外部网络在信息集成中存在的困难。互联网技术深入到现场总线网络，无疑有助于实现层内与层间的信息集成。 控制网络与互联网的结合拓宽了测量控制系统的范围与视野，为实现跨地区的远程控制与远程故障诊断创造了条件。人们可以在千里之外查询生产现场的运行状态；方便地实现偏远地区生产设备的无人值守；远程诊断生产过程或设备的故障；在办公室查看并操作家中的各类电器等。正是控制网络与互联网的结合使这些应用的实现成为可能。 二 互联网技术成为现场总线技术发展的新亮点 随着现场设备功能逐渐增强，现场设备之间，以及现场设备与MES、ERP层之间需要进行交换的数据量成倍增加。加之现在有了现场设备要内置Web 服务器并以网页形式与外界沟通信息的需求，而现场总线网段的通信速率一般都比较低，典型的如FF H1的通信速率为31.25kb/s，而以此为传输速率的现场设备是无法支持上述功能的。 尽管有些总线可以得到更高的通信速度，如ControlNet的传输速率为5Mb/s，Profibus-DP的传输速率可以高达12Mb/s，但是它们需要特定通信芯片的支持，这些通信芯片的使用数量和价格都无法与以太网的相应部分相抗衡。市场需要技术成熟、鲁棒性好、成本低的通信技术。互联网技术能够满足这些要求，便于以较低的费用获得高性能、低成本的控制网络。 在现场总线领域采用快速以太网技术，以物美价廉的以太网设备替代控制网络中相对昂贵的专用总线设备是趋势之一。以太网是IEEE802.3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为以太网标准。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络中都得到广泛应用。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备的价格相对较低，带宽在迅速增长，出现了千兆、万兆以太网。采用快速以太网设备满足现场设备对通信速度增加的要求，的确是物美价廉的方便之举。 在现场总线网络中采用全双工交换式以太网交换机，以改善网络通信的实时性，是互联网技术在现场总线领域渗透的又一实例。以太网交换机以星形拓扑结构为其端口上的每个网络节点提供了独立带宽，使连接同一交换机的不同设备不存在资源争夺，相当于每个设备独占一个网段，使不同设备之间产生冲突的可能性大大降低，加上采用五类线将接收、发送信号分开，使全双工交换式以太网有条件成为确定性网络。 在现场设备中内置Web服务器，使现场设备具备网页发布功能，通过网页与外界交换信息，应该说这是将互联网设备的功能与技术直接引入到现场总线设备的结果。 当前许多现场总线组织都在积极致力于开发与互联网技术结合的现场总线产品。与互联网技术结合已经成为现场总线技术发展中的新亮点。 三 对通信非确定性的解决方案 通信非确定性是互联网技术进入控制领域的最大障碍。现场总线控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的多个节点采用平等竞争的方式争用总线。节点要求发送数据时，先监听总线是否空闲，如果空闲就发送数据，如果总线忙就只能以某种方式继续监听，等总线空闲后再发送数据。即便如此也还会出现几个节点同时发送而发生冲突的可能性，因而传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被称之为非确定性(Nondeterministic)网络。 正是快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网通信的非确定性带来了希望，使这一应用成为可能。首先以太网的通信速率一再得到提高，从十兆到百兆，目前千兆以太网已在局域网、城域网中普遍应用，万兆以太网也正加紧研制。在相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高网络通信的确定性。 在全双工交换式以太网上，交换机将网络切分为多个网段，交换机之间通过主干网络进行连接