現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的比較解析與發(fā)展

李 丹

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的比較解析與發(fā)展

李 丹

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

介紹了以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心的現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)；對當(dāng)今有影響力的幾種現(xiàn)場總線的物理特性和性能特性進(jìn)行了比較；并分析了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）；現(xiàn)場總線發(fā)展趨勢

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

1.1 概述

根據(jù)國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System).。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心發(fā)展的全數(shù)字控制系統(tǒng)。它綜合了3C技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)（Computer）技術(shù)、控制（Control）技術(shù)、通信（Communication）技術(shù)，溝通了生產(chǎn)過程領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即現(xiàn)場級設(shè)備）與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。

衡量一個(gè)控制系統(tǒng)是否為真正的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS有三個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，即：核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，這是FCS的系統(tǒng)效能體現(xiàn)。

1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，按照功能和應(yīng)用分為三個(gè)層次：過程控制層PCS(Process Control Syetem)、制造執(zhí)行層MES（Manufacturing Execution System）、生產(chǎn)管路層EPR（Enterprise Resource Planning）。過程控制層（PCS）即是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），是一個(gè)面向現(xiàn)場控制設(shè)備的低層控制網(wǎng)絡(luò)。在這一層中，單個(gè)站點(diǎn)的控制信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對簡單。中間的制造執(zhí)行層，是車間級生產(chǎn)管理系統(tǒng)；這一層將EPR與底層工業(yè)過程控制信息鏈接起來，一般采用以太網(wǎng)。生產(chǎn)管理層可構(gòu)建安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)。

這三個(gè)層次從低層到高層時(shí)間粒度越來越大，從毫秒到秒，秒到分鐘；系統(tǒng)的規(guī)模越來越大；實(shí)時(shí)性的要求越來越弱。

2 現(xiàn)場總線技術(shù)比較解析

2.1 多種總線標(biāo)準(zhǔn)并存

目前，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了100多種總線，形成了各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)、及國際的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。這種多標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀本身就違背了標(biāo)準(zhǔn)化的初衷，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)連接的一致性不得不面臨許多問題。

雖然國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工協(xié)會（IEC）等都致力于推出單一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，但由于現(xiàn)場總線應(yīng)用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)不可能滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；同時(shí)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約，我們面對的多總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)，也是商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。

因此，在經(jīng)過長達(dá)15年的爭論，國際電工協(xié)會（IEC）在 2000年 1月 4日通過了修改后的IEC 61158.3～6標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括了8種類型的現(xiàn)場總線子集，它們分別是：①基金會現(xiàn)場總線FF（原有的技術(shù)規(guī)范 IEC 61158）；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥Swift?Net；⑦Word FIP；⑧Intferbus。

這8種現(xiàn)場總線中，④、⑥是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來，本質(zhì)上以遠(yuǎn)程I/O總線技術(shù)為基礎(chǔ)，通常不具備通過總線向現(xiàn)場設(shè)備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現(xiàn)場設(shè)備級總線，②、⑤屬于監(jiān)控級現(xiàn)場總線；③、⑦則是包括兩個(gè)層次的現(xiàn)場總線。

以上8種類型的現(xiàn)場總線都有其產(chǎn)生背景和應(yīng)用背景，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)各有特點(diǎn)，采用完全不同的通信協(xié)議。

2.2 有影響的總線技術(shù)比較

通過近四十年的發(fā)展，國際上幾種典型的的現(xiàn)場總線技術(shù)在其特定的控制領(lǐng)域顯示其卓越的優(yōu)勢。下面對幾種有影響的總線技術(shù)作一個(gè)比較。

3 現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢與前景

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合

現(xiàn)場總線有兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢：一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)；二是工業(yè)以太網(wǎng)Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；

工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

過去一直認(rèn)為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問題正在迅速得到解決。隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而消除了以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能?？梢灶A(yù)見Ethernet技術(shù)將會十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。

如何整合Ethernet與現(xiàn)場總線，對各種現(xiàn)場總線的未來命運(yùn)是至關(guān)重要的，因此各種現(xiàn)場總線在整合的方法上展開了激烈的爭奪，成為當(dāng)前現(xiàn)場總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

目前現(xiàn)場總線正在開發(fā)與Ethernet、TCP/IP結(jié)合的技術(shù)有：ControlNet、DeviceNet和 Ethernet/IP聯(lián)合推出 CIP（Control and?Information Protocol）；Foundation Fieldbus推出 HSE（High Speed Ethernet）；Profibus推出ProfiNet；還有一些現(xiàn)場總線本身就是與Ethernet功能接近的LAN（局域網(wǎng)），因此它們不經(jīng)過Ethernet而直接與TCP/IP推出WorldFIP推出WorldFIP TCP/IP。Ethernet與現(xiàn)場總線整合。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)技術(shù)改進(jìn)方向

工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動(dòng)化管理層和車間監(jiān)控層已得到廣泛應(yīng)用和用戶認(rèn)可，在設(shè)備層對實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場合也有許多應(yīng)用；如果以太網(wǎng)希望走的更遠(yuǎn)，能夠全面進(jìn)入工廠底層成為設(shè)備連接的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，那么，以太網(wǎng)必須作出技術(shù)改進(jìn)。具體表現(xiàn)在：

（1）改進(jìn)物理層

1）傳輸介質(zhì)應(yīng)能提供多種工業(yè)級護(hù)套和鎧裝電纜、光纖等；

2）各種防護(hù)等級工業(yè)級的接插件；

3）應(yīng)該具有總線供電及本質(zhì)安全的解決方案,用于流程控制及要求防爆功能的場合。

（2）滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性的要求

1）采用提高帶寬、減少碰撞。Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今的1 000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降；

2）應(yīng)用智能集線器、交換機(jī)技術(shù)等。Ethernet交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷三是從機(jī)理上保證通信的實(shí)時(shí)性和確定性

（3）成本

以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場層，單站點(diǎn)成本是必需考慮的因素；與目前現(xiàn)場總線（PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet）產(chǎn)品競爭。

4 結(jié)束語

使自動(dòng)化領(lǐng)域步入通信時(shí)代的現(xiàn)場總線技術(shù)，在越來越多的行業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。但同時(shí)，我們也不得不面對一個(gè)多種工業(yè)總線技術(shù)競爭和共存的現(xiàn)實(shí)世界。滿足對應(yīng)用功能的需求是選擇現(xiàn)場總線技術(shù)的最基本的出發(fā)點(diǎn)。

[1]蒲 維.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)建模、分析與調(diào)度方法的研究[D].中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，2003.

[2]張昌凡.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)與研究[D].中南大學(xué)，2003.

[3]張 州.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].鄭州大學(xué)，2005.

[4]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

The Field Bus ControlNetwork Com parison Analysis and Development

LIDan
(Sichuan College ofArchitecture Technology，Deyang Sichuan 618000，China)

The control system introduces the field to field bus technology as the core of the(FCS)three levels of structure and technical characteristics;physical properties and performance characteristics of several fieldbus has influence on today'swere compared;and analyzes the development trend of field bus technology.

fieldbus controlsystem(FCS)；development trend of field bus

TH17

B

1672-545X（2014）04-0240-03

2014-01-10

李 丹（1970—），女，副教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)，數(shù)控維修，控制工程。