制定中国现场总线标准的几点思考 作者:阳宪惠 现场总线作为一个专业术语，已成为工业数据通信与控制网络技术的代名词。其技术核心是以具备数字通信能力的现场测量控制设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的联系纽带，构成开放式数字通信系统和网络集成式自动化系统，实现工业数据的传输，完成各项测量控制任务。 现场总线是近年来倍受关注并得到迅速发展的自控新技术。由于其技术本身所蕴涵的经济潜力，导致了近年来现场总线技术与产品的开发之热。世界上出现了各式各样的现场总线，也出现了形形色色的现场总线标准：行业标准、国家标准、地区标准(如欧洲标准)、IEC、ISO国际标准等，并引发了现场总线国际标准大战。 1. 总线标准制定的回顾 始于欧洲的现场总线技术，其历史不过20年，而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年就开始着手制定现场总线标准。也就是说，从现场总线技术出现之初就开始了总线标准的制定，而推出单一现场总线标准正是IEC这一举措的初衷。 单纯从技术需要与方便应用的角度来说，作为数据通信与控制网络的技术标准，理应是通行的单一标准。但由于种种经济、社会与技术原因，在历经10多年的争斗与调解努力之后，IEC的相关组织在2000年初宣布：IEC61158、ControlNet、Profibus、P-Net、High Speed Ethernet、Newcomer SwiftNet、WorldFIP、Interbus-S 8种现场总线标准成为IEC现场总线标准子集。这一令人失望的结果违背了制定单一标准的初衷，也表明在相当长一段时期内会是多种现场总线并存。 我国正是在上述背景下，开始了制定自己的现场总线标准的历程。由于我国现场总线技术的开发起步较晚，至今尚未形成自己的有影响的现场总线技术。在进入WTO、各项工作都正与世界接轨之际，应该建立一个什么样的现场总线标准体系，的确令人深思。 2. 发展现场总线技术应该遵循国际标准与主流技术 尽管单一现场总线标准未能实现，但作为开放系统的数据通信与控制网络的技术，仍然应该坚持一致通信的原则。因此遵循国际标准，采用主流技术，顺应世界技术发展趋势的大潮流，应该成为我们设立总线标准的基本出发点。已成为IEC现场总线标准子集的上述8种总线，成为IEC TC178国际标准的DeviceNet, ASI(Actuator Sensor Interface), SDS(Smart Distributed System)，以及成为ISO 11898标准的CAN(Control Area Network)，都是在不同应用领域显示了各自技术优势的总线品种。它们是总线竞争中的佼佼者，属于总线的优选对象。我们应以已有的总线技术作为起点，发展我国自己的总线技术与产品，使我国的该项技术最终融入国际主流技术之列。 国内业界人士也有自己开发新现场总线标准的主张。仅就技术因素而言，作者认为我国完全有能力推出新的总线标准，经济投资因素也不是主要障碍。问题是在已有几十、上百种总线技术的条件下，现在是否还有另辟蹊径，增加新总线品种的必要？待许多总线都已经争奇斗艳后才蕴酿下种，是否已失去了发展良机，推出的新总线品种能否得到世界其他地区的认同而进入主流技术，一项通信技术若失去认同是否还会有生命力等，都是值得认真考虑的问题。 在当前情况下，遵循国际标准与主流技术应该成为我国发展现场总线技术的基本国策。 3. 制定中国的标准要为发展我国的现场总线技术服务 中国需要发展自己的现场总线技术与产品，也需要制定自己的现场总线标准。我们建立自己的现场总线标准，是为了规范市场，指导与促进我国现场总线技术与产品的发展，因而标准制定的工作要围绕实现这一目标进行。 在现存多种总线标准的条件下，市场竞争将决定各种总线今后的发展与存亡。中国是令世人瞩目的有巨大潜力的市场，许多有实力的总线都正寻求扩大在中国的市场份额。它们能否成为中国现场总线标准的组成部分，一方面取决于其技术实力与应用前景，另外还应该考察我国是否已经掌握了该项技术。在我们自己尚未掌握某项技术、生产出自己的产品之前就把它立为中国标准，那只会为他人利用中国市场推销产品与技术提供御用工具。制定中国的现场总线标准要坚持走自己的路，为发展我国自己的现场总线技术与产品服务，不要为某些眼前微利所左右。 4. 当前标准制定工作的重点在高层协议与应用规范 国际标准化组织ISO为制定各类通信协议推出了开放系统互连参考模型OSI(Open System Interconnection)。在OSI参考模型中，各层功能独立，每一层利用其相邻上、下层提供的服务，同时也为相邻层提供服务，而与其他层的具体工作情况无关。通常，OSI参考模型的第1~3层功能称为底层功能，即通信传送功能。第4~7层功能称为高层功能，即通信处理功能。由于工业控制网络数据传输的实时性要求较高，如果按照七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络接口的造价与时间开销都较高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线的通信模型大都在ISO模型的基础上进行了不同程度的简化。OSI模型与部分现场总通信模型的对应关系如图所示。从图中可以看到，许多现场总线都简化其高层功能，有的甚至只采用了OSI七层结构中的底部两层，即只完成数据的通信传送功能。许多现场总线采用了OSI的应用层，再加上自定义的用户层，形成了自己的通信与应用特色。 应该指出的是，现场总线系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。许多其他类型的通信系统往往只需要把数据、文件或声音从网络的一个节点传送到另一节点就完成了其使命。而现场总线系统不同，它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。实际上前一阶段激烈的总线标准之争大多停留在底层通信传输协议上。有人预言今后的现场总线标准之争会在应用与用户层上表现得更为突出。我们应充分注意到这一变化，把高层协议与应用规范作为今后总线标准制定的重点。 5. 适时制定我国基于工业以太网的底层网络通信标准 在以太网、互联网技术正逐步渗透到控制领域的今天，工业以太网技术正成为现场总线技术发展的新亮点。不少业内人士把总线统一的希望寄托在工业以太网身上，出现了一批致力于在控制设备底层开发工业以太网技术与产品的公司，国际组织也正在蕴酿制定基于工业以太网的通信标准。在当前情况下不失时机地着手制定我国自己的基于工业以太网的标准，将有助于促进、规范我国工业以太网技术的健康发展。 以太网技术成熟、应用量大面广、价格便宜，便于与公用数据网络集成，是它得以在现场总线大战之际跻身于底层网络的主要原因。就其底层通信传输协议而言，已经十分成熟，无需再作什么添加修改。如果硬要为更适合控制领域的应用而对其底层通信传输协议的内容做某些修改的话，将会使它失去原本在控制网络中的应用优势。底层通信传输协议上就是沿用现有的IEEE802.3标准，其他值得做的事不多。但在应用规范、应用层、用户层等高层协议方面要做的工作不少，如以太网通信传输条件下如何使系统更好地满足对控制网络实时性、确定性、可靠性要求，如何设置应用功能块、满足互可操作性要求，以及如何解决总线供电、本质安全等问题。因而工业以太网标准制定的工作重点应是高层协议与应用规范，并力求与国际标准接轨。 通过制定现场总线标准，规范我国现场总线技术的开发与应用，促进技术发展，让总线技术发挥出更大的经济效益，是总线标准制定者与使用者的共同目标。