甘肃工业大学电气工程与信息工程学院（７３００５０）郝晓弘 苏渊 【摘要】本文分析了现场总线控制系统存在的问题，介绍了以太网技术的改进，嵌入式以太网的发展和高速以太网。从目前来看，技术发展的趋势将使以太网向工业现场延伸，并形成一种新的完全基于以太网的现场总线系统。 【关键词】以太网 现场总线控制系统 嵌入式以太网 高速以太网 一、引言 现场总线(Fieldbus)是连接现场智能设备 和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。随着现场总线技术的出现和成熟，促使工业控制系统由集散控制系统(DCS)向现场总线控制系统(FCS)过渡。现场总线控制系 统把各个分散的测量、控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们联接成可以相互 沟通信息，共同完成控制任务的网络控制系统，真正实现了“信息集中、控制分散”的全分布式系统。但是，从目前来看，制约现场总线发展的关键因素是它的标准不统一，多种现场总线并存，难以沿开放的方向发展。 当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网技术却迅猛发展。以太网(Ethernet)是计算机应用最 广的网络技术，它不仅是一种主要的办公自动化局域网，而且大举进军工业自动化领域，在 工业控制局域网中得到了很好的应用。 随着通信、网络技术以及智能仪表的发展，以太网技术有能力延伸到现场，也就是说，可以 将以太网建到现场I/O级，从而实现办公自动化与工业自动化的无缝结合，形成真正意义上 的全开放、可互操作的现场总线控制系统。 二、现场总线控制系统的现状 １ 现场总线标准不一 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的，已有十多年的历史。当今不少国家的自 动化公司投入了巨大的人力、物力、财力全方位地进行技术研究和应用研究，形成了40余种各具特色的现场总线，其中，FF、Profibus为首的几个主流品种技术较成熟，市场占有率大 ，但这些总线之间的互联互通是当前存在的大问题。标准意味着市场、意味着利益。为了使 自己的技术与产品占领整个世界的市场，围绕着现场总线的国际标准展开了一场技术、经济与政治上的互不相让的激烈斗争。在这场斗争中，现场总线的国际标准先后经过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，IECTC65(负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会)于1999年底通过了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 Control Net(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(FisherRosemount公司支持) 类型6 Swift Net(美国波音公司支持) 类型7 WorldFIP(法国Alstom公司支持) 类型8 Interbus(德国Phoenix Contact公司支持) 再加上IECTC17B通过的3种现场总线国际标准，它们分别为SDS(Smart Distributed System) ,ASI(Actuator Sensor Interface)与Device Net。此外，ISO还有一个ISO11898的CAN(Cont rol Area Network)。所以一共有12种之多。 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，施奈德公司的Modbus等。 IEC制定IEC61158的初衷是要将各种总线归纳成一种统一的标准，既方便制造商的统一生产 ，又便于用户选用。但最终的结果依然是群雄混战，标准不一。这对大公司来讲，固然是皆 大欢喜，但对用户来讲，面对如此之多的标准，既有12种国际标准，又有欧洲标准，各国的 国家标准，还有一些大企业的企业标准，在选用之时，不免感到困惑，难以选择。难道这能 推动生产力的发展吗?难道能使设备制造厂商有所遵循吗?因此，标准不一严重制约了现场总 线控制系统的发展。 2 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 C ontrol)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，由于缺乏控制的实时性，这种所谓互操作是没有实际意义的。另外，在一种国际标 准现场总线的内部，进行互操作应该是没有问题的，许多应用实例也证明了这一点，但2001 年年底，国内部分石化厂与化工厂应德国某公司的邀请访问德国，其间参观了BASF化工厂， 发现该公司试用的两种国际标准的现场总线，其中有一种在其现场仪表之间却不能进行互操 作，而只能局限在一家公司的5台现场仪表之间才能进行互操作。虽然这是个别现象，但也 说明现场总线的互操作性还是存在一定问题的。 三、工业以太网技术的发展与应用 以太网是目前世界上应用最广的局域网技 术。随着Internet的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已深入 人心，为广大用户所接受。目前不仅在办公自动化领域内，而且各个企业的管理网络也都广 泛使用以太网。 在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，系统传输的信息量 必将增加，未来传输的数据可能已不满足于几十个字节，甚至可以是WEB网页，所以网络传 输的大容量在工业控制中越来越重要，而以太网可以满足工业控制的这种需求。 另外，工业底层网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼容问题一直困扰工业界。底层 网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设 备在水平层面上的集成成本，所以以太网向现场总线控制系统的底层延伸是顺理成章的。 1 以太网技术的改进 10年前，还没有一个严肃的工程师建议把以太网应用于工业控制。以太网是为办公自动化设 计的，并没有考虑工业要求，比如缺乏确定性、鲁棒性，在车间底层网中应用是脆弱的，存 在不可预见性。 这种局面是由以太网本身的CSMA/CD协议造成的。网络每个节点通过竞争来取得信息包的发 送权。节点通过监听信道，当发现信道空闲时，再发送信息，如果信道忙碌则需要等待。在 开始发送信息后，需要检查是否发生碰撞，发送信息发生碰撞时，退出重发。这样如果网络 比较忙碌，或冲突节点相距甚远时，就可能发生某些节点的信息不能及时发送，甚至长时间 发不出去的情况，这在工业控制中是大忌。 幸运的是今天这种局面已经得到根本的改观。首先以太网的通信速率一再提高，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。同样的通 信量，通信速率的提高意味着网络的负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性，有 人作过试验在网络负荷不超过36%的情况下，以太网发生碰撞的可能性极小。其次交换技术 的快速发展已经消除了以太网应用于控制领域的障碍。交换式以太网技术产生于1992年。这 项技术使得多个网上设备之间同时进行通信时不会有冲突发生。其做法是把网络用交换器分 割成互不相连的几个网段，每个设备独占一个网段，从而大大降低冲突的可能性。 现在已没什么理由再说以太网不能建立一个高效开放有确定性的现场总线系统，而且由于它 已经在局域网上广泛应用，所以它在控制层的应用可以使“从会议室到传感器”都集成起来 。现在还可以利用交换技术将通信变为全双工。这些都使以太网进入工业控制领域铺平了道 路。 2 嵌入式以太网的发展 随着计算机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件，设计 者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌入式以太网的出现为现场总线控 制系统的设计者提供了现场设备通信的新途径。 在硬件方面，目前国外一些著名大公司已经利用嵌入式技术将以太网用于它们最新推出的现 场总线控制系统。如GE公司将以太网接口做在保护装置中，ＧＥＨＡＲＲＩＳ公司推出了 带双以太网接口的D25测控单元装置，ABB也推出了带以太网接口的间隔控制器R580。 在软件方面，目前世界最有名也最具竞争力且广泛用于各种嵌入式智能设备的嵌入式操作系 统是美国集成系统公司(Integrated Systems Inc)推出的pSOSystem,简称pSOS。 pSOS采用了先进的模块化体系结构，包括一个实时多任务核心和一系列的公司软件部件和连 接库。系统中的每个部分都是封闭式的，相互之间既独立又密切协作，这在很大程度上提高 了pSOS的可扩展性。开发人员可以根据不同的应用需求来制定操作系统的功能和所需要内存 的大小。这种高度的可扩展性还使简单的独立系统能够轻松地升级到复杂的网络化多处理器 系统。目前，pSOS已经能够支持范围极其广泛的各种硬件产品。 另外，Windows CE也不失为一个嵌入式操作系统较好的选择，特别是其3.0版本的推出，在 确定性、实时性、优先级扩展能力及中断服务延