现场总线纵横谈

沈德耀 金敏

　　摘  要：分析了现场总线产生的原因，阐述了现场总线的概念、体系结构和特点，给出了现场总线的发展现状，提出了为迎接现场总线这场自控领域内的技术变革应采取的对策，并结合实例说明了现场总线具体开发应用方法。
　　关键词：现场总线；分布式体系结构；通讯协议；开放性；可互操作性；LonWorks

一、引言

　　现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年，然而其来势凶涌，且有愈演愈烈之趋势。那么，究竟什么是现场总线？什 么是现场总线控制系统？现场总线控制系统较之目前在工控界仍占主导地位的集散控制系统（DCS）有何特点和优点？在现场总 线标准尚未统一之前，能采用吗？若欲采用，40多种现场总线，应选用哪一种？

　　本文将围绕以上问题展开论述，从控制系统的发展历程角度探讨现场总线的成因；阐述现场总线的概念、体系结构和特点给出现场总线的发展现状；提出面对现场总线百家争鸣的现状应采取的对策；结合具体实例说明现场总线开发应用方法。

二、现场总线的产生

　　纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外
1、模拟仪表控制系统
　　模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。
2、集中式数字控制系统
　　集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信 号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。3、集散控制系统（DCS）
　　集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营 的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。
4、现场总线控制系统（FCS）
　　FCS正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是 一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。

三、现场总线及现场总线控制系统
1、现场总线的概念
　　现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统
2、现场总线与局域网的区别
　　（1）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不 要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。
　　（2）按实现方式比较现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需 要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。
3、现场总线控制系统体系结构

　　如图1所示，最底层的Infranet控制网即FCS，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底 的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。FCS形成的Infranet控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业 网络三级体系结构。

4、现场总线控制系统的特点

　　（1）开放性和可互操作性
　　开放性意味FCS将打破DCS大型厂家的垄断，给中小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。
　　（2）彻底的分散性
　　彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。
　　（3）低成本
　　衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对DCS而言，FCS开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方 式变为1对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，FCS的成本大大低于DCS的成本。
　　可以说，开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。

四、现场总线的发展现状

　　现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影响力的有5种，分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能对照见表1）

　　1、FF（Foundation Fieldbus现场基金会总线）由美国仪器协会（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路 层和应用层3层之上附加了用户层，通过对象字典OD（Object Dictionary）和设备描述语言DDL（Device Description Language）实现可互操作性。目前基于FF的现场总线产品有，美国Smar公司生产的压力温度变送器，Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix系统，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。

　　2、Profibus（Process Fieldbus）德国西门子公司1987年推出，主要应用于PLC。产品有三类：FMS用于主站之间的通讯；DP用于制造行业从站之间的通讯；PA用于过程行业从站之间的通讯。由于Profibus开发生产的现场总线产品开发时间早至 十年前，限于当时计算机网络水平，大多建立在IT网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用户要求越来越高，现场总线的 产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元（如各种耦合器），这为该产 品今后的进一步发展带来了一定的局限性。

　　3、HART（Highway Addressable Remote Tranducer可寻址远程传感器数据通路）美国Rosemount公司1989年推出，主要应 用于智能变送器。HART为一过渡性标准，它通过在4-20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近20年。

　　4、CAN（Controller Area Network控制局域网络）德国Bosch 6公司1993年推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业 等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。Motorala、Intel、Philips 均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的80C51芯片。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet、台湾研华的ADAM数据采集产品等。

　　5、LonWorks（LON Local Operating System局部操作系统）美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业 自动化和电力行业等。LonTalk的全部7层协议，介质访问方式为P-P CSMA（预测P-坚持载波监听多路复用），采用网络逻辑地 址寻址方式，优先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。Echelon公司推出的Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人 员在构造应用网络通讯方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制，因此业内许多专家认为LonWorks总线是一种很有希望的现场总线。基于LonWorks的总线产品有美国Action公司的Flexnet&Flexlink等。

五、我们的对策

　　1、要不要搞FCS在国外正蓬勃发展，我国工控界应如何迎接自控领域这场变革的到来呢？这个问题可从分析我国工控业的发展历程和现状中找到答案。我国民族工控产品如PLC、DCS长期落后于国外，根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构，我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握，因此贻误了市场时机而总是落后于人家，受制于人。现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇，当游戏规则的变更使大家站在同一起跑线上时，就看谁捷足先登，抢先占领市场，把握主动权，最终领导市场。因此，我们应当紧紧抓住这一契机，率先推出有中国特色的现场总线产品，开创中国自己的国际工控产品的名牌，从而翻开中国工控界发展的新篇章。

　　2、搞哪种FCS ?既然确定搞FCS，面对种类繁多的现场总线，应该搞哪种呢？分析现场总线多样性产生的原因，有助于理清这一思想。造成现场总线多样性的局面，一是因为行业习惯，如Profibus一直应用于PLC行业，FF应用于仪表行业；二是由于利益冲突，各工控厂商都不愿意放弃自己的标准而丧失已占用的市场份额。显而易见，现场总线标准完全统一尚为时过早。鉴于此，对于我国工控界的发展，建议采取以下策略：

　　（1）短期目标根据具体针对的行业特征，如楼宇自动化、过程自动化等，选择这一领域有较好业绩的一种（或两种）现场总线，加以研究开发，一方面抢先推出自己有特色的产品，占领市场，产生应用价值和社会效益；另一方面在于重点掌握现场总线的本质和精髓，以不变应万变，万一选用的总线没能成为最终标准总线，由于各总线之间本质的相通性，因此也能很快转产到最终的标准总线。

　　（2）长期目标掌握各总线的精髓后，扬长避短，制定中国自己的现场总线标准，振兴中国民族工控业。

六、开发实例

　　针对楼宇自动化行业，鉴于LonWorks现场总线在该领域中突出的业绩，我们开发研制出一种基于LonWorks通用网络型智能控制器节点产品和可视图形化控制组态平台——Visual Control Configuration 。该套产品特色在于目前国外大多数LonWorks产品开发商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 编程环境阶段，欲使用Neuron C 编制高效的控制应用程序，不仅需要熟悉这种高级指令语言本身，而且必须对Neuron1芯片的内部硬件结构、存储器的地址空间分配等各个技术环节有深入的了解和掌握，这对最终用户和现场技术人员来说显然是不现实的要求，可视图形化控制组态平台Visual Control Configuration很好地解决了这一问题，类似流程图的图形化表示方法，控制组态语言按照国际电工委员会IEC1131-3标准，将控制程序变为工程技术人员所构思的控制策略的图形化映象，而图元间的连接关系则表示控制算法的数据流程，有经验的现场 控制技术人员无须专门培训即可在短期内完成控制策略的编制，方便高效。目前，我们已在工程项目中应用该控制组态软件平台Visual Control Configuration 和LonWorks 通用网络智能控制器的节点，成功开发了南宁交通银行的出入控制系统。

七、结束语

　　现场总线的时代即将来临，让我们以热情和主动的姿态迎接这场世纪之交的机遇和挑战。