現場總線控制網絡的比較解析與發展

李 丹

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

現場總線控制網絡的比較解析與發展

李 丹

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

介紹了以現場總線技術為核心的現場控制系統（FCS）的三個層次結構和技術特點；對當今有影響力的幾種現場總線的物理特性和性能特性進行了比較；并分析了現場總線技術的發展趨勢。

現場總線控制系統（FCS）；現場總線發展趨勢

1 現場總線控制系統

1.1 概述

根據國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線。由現場總線與現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System).。

現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System）是以現場總線技術為核心發展的全數字控制系統。它綜合了3C技術，電子計算機（Computer）技術、控制（Control）技術、通信（Communication）技術，溝通了生產過程領域的基本控制設備（即現場級設備）與更高層次自動控制領域的自動化控制設備的聯系，實現了工業控制系統的分散化、智能化、數字化和網絡化的發展。

衡量一個控制系統是否為真正的現場總線控制系統FCS有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。FCS的核心是總線協議，只有遵循現場總線協議的控制系統，才能稱為現場總線控制系統；FCS的基礎是數字智能現場儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質是信息處理現場化，這是FCS的系統效能體現。

1.2 現場總線控制系統的結構

現場總線控制系統（FCS）是工業控制網絡的分布式實時系統，按照功能和應用分為三個層次：過程控制層PCS(Process Control Syetem)、制造執行層MES（Manufacturing Execution System）、生產管路層EPR（Enterprise Resource Planning）。過程控制層（PCS）即是現場總線控制系統（FCS），是一個面向現場控制設備的低層控制網絡。在這一層中，單個站點的控制信息量不大，信息傳輸的任務相對簡單。中間的制造執行層，是車間級生產管理系統；這一層將EPR與底層工業過程控制信息鏈接起來，一般采用以太網。生產管理層可構建安全的遠程監控系統，用戶可通過標準網絡瀏覽器實現遠程訪問數據，遠程監控現場設備狀態。

這三個層次從低層到高層時間粒度越來越大，從毫秒到秒，秒到分鐘；系統的規模越來越大；實時性的要求越來越弱。

2 現場總線技術比較解析

2.1 多種總線標準并存

目前，世界上已經出現了100多種總線，形成了各式各樣的企業、國家、地區、及國際的現場總線標準。這種多標準的現狀本身就違背了標準化的初衷，使現場數據通信與網絡連接的一致性不得不面臨許多問題。

雖然國際標準化組織（ISO）、國際電工協會（IEC）等都致力于推出單一的現場總線標準，但由于現場總線應用于各行各業，使用一種現場總線技術不可能滿足所有行業的技術要求；同時現場總線技術的發展很大程度上受到市場規律、商業利益的制約，我們面對的多總線標準的現實，也是商業利益的妥協產物。

因此，在經過長達15年的爭論，國際電工協會（IEC）在 2000年 1月 4日通過了修改后的IEC 61158.3～6標準。該標準包括了8種類型的現場總線子集，它們分別是：①基金會現場總線FF（原有的技術規范 IEC 61158）；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥Swift?Net；⑦Word FIP；⑧Intferbus。

這8種現場總線中，④、⑥是用于有限領域的專用現場總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎的控制系統發展而來，本質上以遠程I/O總線技術為基礎，通常不具備通過總線向現場設備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統DCS控制系統發展而來，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現場設備級總線，②、⑤屬于監控級現場總線；③、⑦則是包括兩個層次的現場總線。

以上8種類型的現場總線都有其產生背景和應用背景，各個標準各有特點，采用完全不同的通信協議。

2.2 有影響的總線技術比較

通過近四十年的發展，國際上幾種典型的的現場總線技術在其特定的控制領域顯示其卓越的優勢。下面對幾種有影響的總線技術作一個比較。

3 現場總線的發展趨勢與前景

3.1 工業以太網與現場總線相結合

現場總線有兩個明顯的發展趨勢：一是尋求統一的現場總線國際標準；二是工業以太網Industrial Ethernet走向工業控制網絡；

工業以太網，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。

過去一直認為，Ethernet是為IT領域應用而開發的，它與工業網絡在實時性、環境適應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業自動化領域只能得到有限應用。事實上，這些問題正在迅速得到解決。隨著以太網通信速率的提高、全雙工通信、交換技術的發展，為以太網的通信確定性的解決提供了技術基礎，從而消除了以太網直接應用于工業現場設備間通信的主要障礙，為以太網直接應用于工業現場設備間通信提供了技術可能。可以預見Ethernet技術將會十分迅速地進入工業控制系統的各級網絡。

如何整合Ethernet與現場總線，對各種現場總線的未來命運是至關重要的，因此各種現場總線在整合的方法上展開了激烈的爭奪，成為當前現場總線領域的熱點。

目前現場總線正在開發與Ethernet、TCP/IP結合的技術有：ControlNet、DeviceNet和 Ethernet/IP聯合推出 CIP（Control and?Information Protocol）；Foundation Fieldbus推出 HSE（High Speed Ethernet）；Profibus推出ProfiNet；還有一些現場總線本身就是與Ethernet功能接近的LAN（局域網），因此它們不經過Ethernet而直接與TCP/IP推出WorldFIP推出WorldFIP TCP/IP。Ethernet與現場總線整合。

3.2 工業以太網技術技術改進方向

工業以太網在工廠自動化管理層和車間監控層已得到廣泛應用和用戶認可，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用；如果以太網希望走的更遠，能夠全面進入工廠底層成為設備連接的主要網絡技術，那么，以太網必須作出技術改進。具體表現在：

（1）改進物理層

1）傳輸介質應能提供多種工業級護套和鎧裝電纜、光纖等；

2）各種防護等級工業級的接插件；

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

（2）滿足工業控制網絡的實時性和確定性的要求

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，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率大大下降；

2）應用智能集線器、交換機技術等。Ethernet交換機由于具有數據存儲、轉發的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生碰撞；同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行過濾，使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其它網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷三是從機理上保證通信的實時性和確定性

（3）成本

以太網進入現場層，單站點成本是必需考慮的因素；與目前現場總線（PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet）產品競爭。

4 結束語

使自動化領域步入通信時代的現場總線技術，在越來越多的行業領域中得到廣泛應用。但同時，我們也不得不面對一個多種工業總線技術競爭和共存的現實世界。滿足對應用功能的需求是選擇現場總線技術的最基本的出發點。

[1]蒲 維.現場總線控制系統實時建模、分析與調度方法的研究[D].中國科學院自動化研究所，2003.

[2]張昌凡.現場總線控制系統技術與研究[D].中南大學，2003.

[3]張 州.現場總線技術及其應用研究[D].鄭州大學，2005.

[4]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，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：數控技術，數控維修，控制工程。