现场总线的困惑、无奈与出路(转载) 点击：4446 | 回复：12
发表于：2003-09-19 21:14:00
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本文作者夏德海先生，中国仪器仪表学会自控工程设计委员会主任委员、教授级高工。
关键词：现场总线 国际标准 困惑 无奈 出路 结论
一 概述
总线(Bus)的概念由来已久，而现场总线(Fieldbus)的出现是在1984年。它的出现决不是偶然的，而是出于当时用户的需要，用户的需要是产生现场总线的动力，而计算机、通信和控制技术的发展则为研究开发现场总线提供了技术基础。
1. 什么是现场总线
现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向通信与多站的通信系统。现场总线在企业网(Intranet)内仅处于最低层的控制系统(Infranet)。
2. 用户为什么需要现场总线
用户需要开放式的控制系统。用户感到1975年出现的DCS(分散型控制系统)和随后不久出现的PLC(可编程控制器)都属于封闭式的控制系统，每家DCS或PLC制造厂的产品由各自的硬件和软件构成自己产品的体系，其中多少都含有自己的专利技术，彼此封锁，只能通过网关等接口才能与其他厂商的系统进行通信。由于厂商不论大小，都有其独到之处，因此用户需要开放式的控制系统，以便择优选择不同公司的产品(变送器、执行器和控制系统)以达到其最佳的集成。
用户为了降低企业成本，提高产品质量，以增加企业的竞争能力，不得不扩大其生产规模，强化其生产过程，同时为了保证安全生产和达到环保的要求，使检测的点数和控制回路急剧上升。以钢铁企业炼铁生产的高炉为例，其冶炼容积已达4000m3以上，检测和控制的点数也超过了5000点。如此众多的检测信号汇集到DCS的入口处，不可避免地会出现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性和可靠性。而且如此大量点到点的电缆，不但增加了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，同时也增加了投资和安装、调试与维护的费用。因此用户迫切需要现场总线与智能化的现场仪表，以便将60~80%的控制功能下放到现场仪表，减少DCS处理信息的压力，增强系统的可靠性和安全性，同时也可减少电缆及其相关费用。
3. 现场总线有哪些特点
现场总线有以下特点：(1)开放性。(2)可互操作性与可互换性。(3)全数字化，用不着像DCS那样需A/D或D/A转换。(4)双向通信，不像DCS那样，只能单向通信。(5)智能化的现场仪表。
4. 现场总线有哪些好处
(1)可以减少1/2~2/3的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜子，这样就节省了I/O装置及装置室的空间。
(2)由于免去了D/A及A/D转换，使精确度可以从±0.5%提高到±0.1%。
(3)可以减少电缆的用量，费用可以节省66%或更多。
(4)可以产生先进的、智能化现场仪表，如多变量变送器和执行器使维修预报(predicted maintenance)成为可能。
(5)由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2~3次增加到每秒调节10~20次，从而改善了调节性能。
(6)由于免除了主机入口处的瓶颈现象，既可以提高系统的安全性和可靠性；同时也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益。
(7)组态简单，安装、运行、维护简便。
(8)用户可以自己择优选择，达到最佳集成。
5. 现场总线的意义
现场总线的出现，给控制领域带来了又一次革命，但其深度与广度将超过历史上的任何一次，将开创自动化的新纪元。基于现场总线的控制系统，最后将取代传统的DCS。
6. 现场总线目前有多少种类型的国际标准
争夺现场总线国际标准的大战，持续了16年之久。屡经磨难与挫折，先后经过9次投票表决，都是功亏一篑而未能通过。最后通过协商、妥协，于1999年底IEC TC65(负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会)通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。
8种类型分别为：
类型1 IEC技术报告(即FF的H1)
类型2 ControlNet(美国Rockwell公司支持)
类型3 Profibus(德国西门子公司支持)
类型4 P-Net(丹麦Process Data公司支持)
类型5 FF HSE(即原FF的H2，Fisher-Rosemount公司支持)
类型6 Swift Net(美国波音公司支持)
类型7 World FIP(法国Alstom公司支持)
类型8 Interbus(德国Phoenix Contact公司支持)
再加上IEC TC17B通过的3种现场总线国际标准，他们分别为SDS(Smart Distributed System)、ASI(Actuator Sensor Interface)与DeviceNet。此外，ISO还有一个ISO 11898的CAN(Control Area Network)。所以一共有12种之多。
7. 目前状况
除了有12种国际标准外，还有欧洲标准，而世界上其他国家还各有其国家标准，如英国的ERA、挪威的FINT等，一些国外的大公司还推出自己的标准，如日本三菱的CC-LINK、法国Shneider公司的Modbus等。
与此同时，国际上一些公司与组织正在紧锣密鼓地在进行用以太网(Ethernet)来做现场总线的研究与开发工作。
8. 现场总线的局限性
现场总线固然会给用户带来效益，但它毕竟处于企业网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益，因此，现场总线必须与企业的管理自动化(如采用ERP……)相结合，也就是所谓管控要一体化。
二 困惑
基于现场总线众多的优点，1984年有关组织已开始着手制订现场总线的国际标准，原以为现场总线的应用与推广已经为期不远。16年来，世界上一些大公司为了各自的利益，环绕着现场总线的国际标准进行了大战，战争的结局导致了众多的标准的出现，这对大公司来讲，固然是皆大欢喜，但对用户来讲，面对着如此多的标准，在选用时不免感到困惑。
1. 多标准实际上就是没有标准
先回顾一下控制领域内有关制订控制信号国际标准的历史。30年代出现的气动仪表其国际标准信号制最终定为0.2~1.0kgf/cm2；而60年代出现的电动单元组合仪表，当时的信号制颇为混乱，有0~10mA，0~20mA，4~20mA，5~ 25mA…，但到了1975年就定为4~ 20mA。这样，凡符合国际标准信号制的产品都可以互操作，使用何等方便。有了国际标准，这两类仪表当时都得到了很快、很大的发展，对推动工业生产力的发展起到了十分积极的作用。
反观现在的现场总线，标准如此之多，但没有一种能覆盖所有的应用面。因为目前现场总线有着3个层次，即传送数据宽度以位(bit)计的传感器总线、宽度以字节(byte)计的设备总线(device bus)和宽度为数据流(Block)的现场总线。其应用范围如图1所示。但不可否认，在每个层次中都存在着1对以上的竞争对手，这就使用户无从选择。难道这样能使设备制造厂商有所遵循吗？难道这样能起到国际标准应有的作用吗？此乃困惑之一。
2. IEC的审核程序和投票表决的方法
IEC(国际电工技术委员会)作为一个国际标准化组织对批准一种国际标准是严格的，按照规定，一个标准需通过9个程序和阶段，层层过关，一丝不苟，而在投票表决的方法上，又有两条线，一条是必须有2/3以上有表决权的国家投赞成票才能通过；而同时另一条线规定，若反对票在25%以上(包括无投票权的观察员国在内)又不能通过。
试观IEC61158中8种类型的现场总线，其中类型1的IEC H1(即FF的H1)前后经历了16年，投了8次票，未获通过，可谓严之极矣！而其他的7种类型呢？1999年6月15日IEC执委会通过决议，规定标准可以有1种以上协议，但必须在1999年10月15日前提交资料，在1999年年底投票表决。表决的结果，7种类型全都通过。如果仔细分析一下，那么7种类型的现场总线是坐了“直升飞机”一步登天的，而且采用的表决方法又是一揽子买卖的方法来表决的，而不是一个一个分别表决。再细细分析一下，其中类型5的HSE，在1999年10月15日之前提交的资料显然是不完善的，因为HSE的最终版本1.0是在2000年3月29日才发布的，随后在2000年11月1日又发布了1.1的版本。IEC在这件事情上显然是有损于其严肃性与权威性。IEC为何前紧而后松？此乃困惑之二。
3. 关于开放性
一般认为：DCS和PLC是属于封闭性的控制系统，而FCS是开放性的系统。但事实上，且不说那些为数众多的各国标准和一些大制造商的企业标准，就是在12种国际标准的后面，那些支持它们的公司其中不乏就是制造DCS或PLC的大厂商。这两者到底有多大区别？能大言不惭地说，前者属于封闭，而后者属于开放吗？此乃困惑之三。
4. 关于互操作性
现场总线的主要特点之一是可互操作性，但现有的12种现场总线国际标准中，异种现场总线之间是不能进行互操作的，虽说可以通过网关(gateway)通信或通过OPC(OLE for Process Control)协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表间进行。由
8种类型分别为：
类型1 IEC技术报告(即FF的H1)
类型2 ControlNet(美国Rockwell公司支持)
类型3 Profibus(德国西门子公司支持)
类型4 P-Net(丹麦Process Data公司支持)
类型5 FF HSE(即原FF的H2，Fisher-Rosemount公司支持)
类型6 Swift Net(美国波音公司支持)
类型7 World FIP(法国Alstom公司支持)
类型8 Interbus(德国Phoenix Contact公司支持)
再加上IEC TC17B通过的3种现场总线国际标准，他们分别为SDS(Smart Distributed System)、ASI(Actuator Sensor Interface)与DeviceNet。此外，ISO还有一个ISO 11898的CAN(Control Area Network)。所以一共有12种之多。
7. 目前状况
除了有12种国际标准外，还有欧洲标准，而世界上其他国家还各有其国家标准，如英国的ERA、挪威的FINT等，一些国外的大公司还推出自己的标准，如日本三菱的CC-LINK、法国Shneider公司的Modbus等。
与此同时，国际上一些公司与组织正在紧锣密鼓地在进行用以太网(Ethernet)来做现场总线的研究与开发工作。
8. 现场总线的局限性
现场总线固然会给用户带来效益，但它毕竟处于企业网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益，因此，现场总线必须与企业的管理自动化(如采用ERP……)相结合，也就是所谓管控要一体化。
二 困惑
基于现场总线众多的优点，1984年有关组织已开始着手制订现场总线的国际标准，原以为现场总线的应用与推广已经为期不远。16年来，世界上一些大公司为了各自的利益，环绕着现场总线的国际标准进行了大战，战争的结局导致了众多的标准的出现，这对大公司来讲，固然是皆大欢喜，但对用户来讲，面对着如此多的标准，在选用时不免感到困惑。
1. 多标准实际上就是没有标准
先回顾一下控制领域内有关制订控制信号国际标准的历史。30年代出现的气动仪表其国际标准信号制最终定为0.2~1.0kgf/cm2；而60年代出现的电动单元组合仪表，当时的信号制颇为混乱，有0~10mA，0~20mA，4~20mA，5~ 25mA…，但到了1975年就定为4~ 20mA。这样，凡符合国际标准信号制的产品都可以互操作，使用何等方便。有了国际标准，这两类仪表当时都得到了很快、很大的发展，对推动工业生产力的发展起到了十分积极的作用。
反观现在的现场总线，标准如此之多，但没有一种能覆盖所有的应用面。因为目前现场总线有着3个层次，即传送数据宽度以位(bit)计的传感器总线、宽度以字节(byte)计的设备总线(device bus)和宽度为数据流(Block)的现场总线。其应用范围如图1所示。但不可否认，在每个层次中都存在着1对以上的竞争对手，这就使用户无从选择。难道这样能使设备制造厂商有所遵循吗？难道这样能起到国际标准应有的作用吗？此乃困惑之一。
2. IEC的审核程序和投票表决的方法
IEC(国际电工技术委员会)作为一个国际标准化组织对批准一种国际标准是严格的，按照规定，一个标准需通过9个程序和阶段，层层过关，一丝不苟，而在投票表决的方法上，又有两条线，一条是必须有2/3以上有表决权的国家投赞成票才能通过；而同时另一条线规定，若反对票在25%以上(包括无投票权的观察员国在内)又不能通过。
试观IEC61158中8种类型的现场总线，其中类型1的IEC H1(即FF的H1)前后经历了16年，投了8次票，未获通过，可谓严之极矣！而其他的7种类型呢？1999年6月15日IEC执委会通过决议，规定标准可以有1种以上协议，但必须在1999年10月15日前提交资料，在1999年年底投票表决。表决的结果，7种类型全都通过。如果仔细分析一下，那么7种类型的现场总线是坐了“直升飞机”一步登天的，而且采用的表决方法又是一揽子买卖的方法来表决的，而不是一个一个分别表决。再细细分析一下，其中类型5的HSE，在1999年10月15日之前提交的资料显然是不完善的，因为HSE的最终版本1.0是在2000年3月29日才发布的，随后在2000年11月1日又发布了1.1的版本。IEC在这件事情上显然是有损于其严肃性与权威性。IEC为何前紧而后松？此乃困惑之二。
3. 关于开放性
一般认为：DCS和PLC是属于封闭性的控制系统，而FCS是开放性的系统。但事实上，且不说那些为数众多的各国标准和一些大制造商的企业标准，就是在12种国际标准的后面，那些支持它们的公司其中不乏就是制造DCS或PLC的大厂商。这两者到底有多大区别？能大言不惭地说，前者属于封闭，而后者属于开放吗？此乃困惑之三。
4. 关于互操作性
现场总线的主要特点之一是可互操作性，但现有的12种现场总线国际标准中，异种现场总线之间是不能进行互操作的，虽说可以通过网关(gateway)通信或通过OPC(OLE for Process Control)协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表间进行。由
发表于：2002-03-05 15:53:00
8楼
物理层：实际场合千差万别，对通信介质的要求也不一样，这个肯定不会统一。
数据链路层：这个是最关键的，工业控制首要的指标应该是高效率、高可靠性，开放性应该是个次要的问题，简单的应用采用复杂的协议肯定会降低效率，特别是一些实时性很强的场合，简单的协议有不能满足所有
场合的需要，必然把很多工作推给了应用层。
所以我觉得在链路层以下很难实现统一，应当在链路层以上实现统一，tci/ip是很好的一个解决方案，这也是各个现场总线组织在努力的一个方向。以太网会在工控领域获得很大发展，但是我个人认为它不会成为绝对
的主流。
一点不成熟的看法，请各位指正。
发表于：2003-09-19 13:53:00
11楼
非常同意点点星光的观点。
我们可以把以太网作为整个控制网络的主干网，主干网上每个节点配置一台支持以太网的物理层和应用层的协议转换，并能实现基于tcp/ip网络进行实时数据服务器功能的专门的装置，此装置下层可以接入任何总线，任何通讯协议，并能实现兼容61131规范的软逻辑。开发这样一个装置是否比完全开发一个全新的总线技术来的可靠，可信，更加实实在在呢？
我们学问研究多了，也不能事事钻牛角尖，变通一下，从市场，从商业，从用户的角度来考虑，何苦一激动，就要把所有的东西都推倒，然后建个新楼房？！如果一种协议，一种技术新出现，我们也可以实时升级此装置软件以支持。
总而言之，除非我拿着国家的工资，闲着没事，我可能会想着自己开发一个新的总线技术，不过，也许，即使像我这样想的人也不多了。嗬嗨，我的mail: sunshengqian@263.net 欢迎讨论！
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