1、 . . 21/21建筑物自動化的三種總線技術摘要： 中國 行業(yè)標準JGJ/T16-92民用建筑電氣設計規(guī)第26章建筑物自動化系統(tǒng)（BAS）所規(guī)定的模擬和數(shù)字混合的集散型系統(tǒng)（TDS），已面臨更新為全數(shù)字系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。就像 工業(yè) 自動化一樣，建筑物自動化市場在技術接受期曲線上，通常落后于商業(yè)領域技術 應用 會有幾年之久 關鍵詞： 建筑物 自動化 總線技術 中國行業(yè)標準JGJ/T16-92民用建筑電氣設計規(guī)第26章建筑物自動化系統(tǒng)（BAS）所規(guī)定的模擬和數(shù)字混合的集散型系統(tǒng)（TDS），已面臨更新為全數(shù)字系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。就像工業(yè)自動化一樣，建筑物自動化市場在技術接受期曲線上，通常落后于商業(yè)領域技術應用會

2、有幾年之久，因此，在商業(yè)領域已經(jīng)成功運用多年的個人 計算 機和以太網(wǎng)通信，現(xiàn)在卻成為BAS更新途徑的熱門話題。PC-Based Control和以太網(wǎng)技術，已經(jīng)開始全面進入BAS領域。2000年3月，Honewell公司推出的全數(shù)字化閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)DVM，就用PC-Based Video Server，類似于商業(yè)領域應用的個人計算機式視頻服務器，取代了傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字混合的CCTV閉路電視矩陣切換器和磁帶錄象設備；DVM系統(tǒng)中，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換接口把所有攝像機的視頻信號直接連入以太網(wǎng)通信，每20臺攝像機使用1臺Video Server。這種第三代保安監(jiān)控電視的全數(shù)字化CCTV以太網(wǎng)系統(tǒng)，已經(jīng)在澳

3、大利亞悉尼機場使用。PC機技術日新月異的進步，使BAS的中央站功能不斷增強；PC機的商業(yè)軟件，如ODBC、API等等，已成為BAS的標準軟件；基于PC機技術的分站不斷 發(fā)展 。信息領域的以太網(wǎng)技術對工業(yè)自動化和建筑物自動化各個層面的 影響 ，從上到下。BAS管理層的以太網(wǎng)正在下植到自動化層和更低的現(xiàn)場層。BAS三層結構將會成為以太網(wǎng)一網(wǎng)到底的三層 網(wǎng)絡 。完成這項通體透明網(wǎng)絡革新的主要技術，就是以太網(wǎng)現(xiàn)場總線。以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，也可稱為以太網(wǎng)I/O（Input/Output），是控制技術和信息技術的完美結合，性能發(fā)揮到極致，它或許能夠解決工業(yè)自動化長期爭論不休的現(xiàn)場總線標準化 問題 ，是商業(yè)技術

4、影響工控技術的一個例。以總線為脈絡， 分析 計算機總線、測控總線和網(wǎng)絡總線在BAS技術發(fā)展中分別擔綱的角色，可以加深對BAS未來發(fā)展的了解。1、總線BUS 總線一詞，源于計算機技術?？偩€是各種信號線的集合（包括地址、數(shù)據(jù)、控制、電源等），是各種信息傳輸?shù)耐?，有匯總的涵義。微軟百科詞典定義總線為：計算機系統(tǒng)中各部件之間用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M硬件連線（導線）。IBM公司將其簡稱為用于傳輸信號或功率的一根或多根導體。在建筑物自動化中，BAS總線可解釋為用來連接中央站分站、現(xiàn)場設備或者各種系統(tǒng)的那些具有導電性的通路，以完成數(shù)據(jù)或信號的傳輸。以應用圍來分，BAS總線可劃分為計算機總線、測控總線和網(wǎng)絡總線、

5、。計算機總線用于上位管理計算機和中央站部部件的連接。測控總線用于中央站與分站的連接，分站與現(xiàn)場設備的連接，現(xiàn)場設備之間的連接。網(wǎng)絡總線則是將上位管理計算機和中央站、瀏覽器等視為節(jié)點而共同連接在一起的一條多分支線路，將數(shù)據(jù)置于網(wǎng)絡總線中，數(shù)據(jù)將會經(jīng)所有的節(jié)點檢測后，由其指定地址的節(jié)點接收。BAS管理層的以太網(wǎng)就是網(wǎng)絡總線。當以太網(wǎng)下植到自動化層和現(xiàn)場層以后，以太網(wǎng)又扮演著測控總線的角色，在這種背景下，我們借用網(wǎng)絡就是計算機的概念，不免也可以說網(wǎng)絡就是控制器，因為所有傳感器、執(zhí)行器、分站、中央站已經(jīng)遍布以太網(wǎng)中，以太網(wǎng)被賦予完成分布式控制兼有普通信息存取的能力，人們可以隨心所欲使用以太網(wǎng)，無論是進

6、行實時控制還是傳遞管理信息。2、標準化Standardization 作為信息傳輸通路的總線，追求標準化，是各種總線的共同目標；只有標準總線，才能夠支持更多的性能不同的產(chǎn)品的連接，完成更多更好的系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)更完善的控制和管理，因此，總經(jīng)以其有匯集性能的特點，尤其需要標準化。標準總線的形成，主要有兩種 方法 ，一種是由非商業(yè)的或政府組織所產(chǎn)生的標準，目的在于使某一種類型總線開發(fā)和使用規(guī)化，例如RS232C；這種正規(guī)的合法的技術標準，是在對已有方法、途徑與技術開發(fā)進行仔細 研究 的基礎上起草，并經(jīng)正式批準后產(chǎn)生，這種標準通常包括著一些國際標準。另外一種方法，是有某一家公司先行開發(fā)出一種總線技術

7、，由于成功，得到其它公司模仿和廣泛使用，以至一偏離該總線就會產(chǎn)生不兼容問題，導致產(chǎn)品在市場中受到限制，例如現(xiàn)場總線LonTalk Bus；這類事實上的總線技術標準，是基于市場需求產(chǎn)生而形成的，無需正式批準，這種標準通常包括大量流行的工業(yè)標準。3、計算機總線Computer Bus中國行業(yè)標準JGJ/T16-92第26章BAS，對中央站硬件、組態(tài)、系統(tǒng)軟件的規(guī)定（）非常簡單，僅是基于采用計算機作為監(jiān)控中心的一般原則，如應設置CPU、CIU、CRT、打印機等規(guī)定，對上位管理計算機則僅限于優(yōu)化控制與管理某些功能要求。但是，近年來計算機技術發(fā)展很快，系統(tǒng)軟件、應用軟件、存儲系統(tǒng)、處理器技術、輸入輸出系

8、統(tǒng)和計算機結構，都是如此，其中，計算機總線技術與工業(yè)自動化、建筑物自動化關系密切，計算機總線是計算機系統(tǒng)信息總通道，性能優(yōu)劣，對BAS上位管理計算機和工作站的影響是至關重要的。因為采用先進的計算機總線，可以提高工作站的帶寬，改變工作站的兼容性和開放性，并能提高工作站的可靠性，這對控制系統(tǒng)無疑是最重要的性能。例如，使用PCI總線技術的PC機，每年停機時間可以小于315秒中，可靠性高達99.99%，因此，BAS用戶已經(jīng)開始關心工作站的計算機總線，2000年9月省市某國際貿(mào)易中心大廈BAS招標文件中，明確提出中央站應該使用計算機33MHz三總線結構PCI（外部設備互聯(lián)總線），說明用戶不僅關心各種功能

9、模塊設置，還要求提供工控級別的總線來保證工作站性能。隨著基于PC機控制的技術進展，計算機總線對BAS的影響會更加重要。因為BAS將逐漸最終成為由一臺PC機控制幾條現(xiàn)場總線的系統(tǒng)。31 計算機總線的發(fā)展 歷史 1970年，DEC公司首先推出了稱為Unibus的總線，把PDP11小型計算機上所有的部件、設備都連接在一起。它是一種單總線結構。1981年，IBM公司在第1臺個人計算機IBMPC/XT上推出了XT總線，也是單總線，1984年，采用16位CPU的IBMPC/AT出臺，AT總線在XT總線結構上，增加了一組輸入/輸出總線，形成雙總線結構。AT總線就是著名的工業(yè)標準總線ISA，全稱是Indust

10、rial Architecture工業(yè)標準結構，它是通過將板卡出入IBMPC與其兼容機的標準擴展槽來添加計算機部件的總線設計規(guī)。1989年康柏、惠普等9家公司在ISA基礎上，推出EISA，擴展工業(yè)標準結構，這是一種把附加卡（例如視頻卡、置卡MODEM卡與支持其它外圍設備的卡）聯(lián)接到PC機主板的一種總線標準。EISA總線操作頻率比ISA高很多，能提供很多的數(shù)據(jù)吞吐率。為了提高PC機性能，使某些擴展板可以直接與微處理器通信，而不必經(jīng)過通常使用的系統(tǒng)總線，Intel公司提供了PCI總線規(guī)。這種局部總線允許在計算機上安裝多至10個PCI兼容的擴展卡，PCI局部總線系統(tǒng)需要在某個PCI兼容插槽中安裝一塊

11、PCI控制卡，每次可以以32位或64位的速度與CPU進行數(shù)據(jù)交換。PCI規(guī)還考慮了多路復用Multiplexing。因此，PCI總線已成為今天計算機事實上的局部總線標準。由于PCI獨立于處理器，不僅Intel系列可用，DEC的Alpha、Motorola的PowerPC等系列也可以用，它的向前向后兼容性，能使現(xiàn)有的多種計算機都能平滑過度到新標準，所以尤其受工業(yè)控制機行業(yè)的歡迎，建立了PCI工業(yè)計算機協(xié)會PCI Industrial Computer Manufacturers Group（PCIMG），致力于在工控機行業(yè)推廣PCI總線。1995年，出版了Compact PCI規(guī)。PCI總線在計

12、算機中配置了3組總線，時鐘33MHz，與CPU時鐘頻率無關，寬度32位，可擴展至64位，帶寬達132Mbps至246Mbps，可以和ISA、EISA、VL-BUS等總線兼容，支持5V和3.3V兩種電壓，可以在芯片、軟件和開發(fā)工具方面廣泛利用PC機豐富資源，它具有良好的網(wǎng)絡性能、圖形視窗介面和數(shù)據(jù)存貯性能，是工業(yè)自動化和建筑物自動化中央站理想的計算機總線。32 標準計算機總線國際標準IEEE969（S-100）微機通用IEEE488（HP-IB）測試儀器IEEE1394（FireWire）測試儀器EIARS232C 設備總線EIARS422/423/449/485 設備總線ANSISCSI 小型

13、計算機，設備總線VESAVL-BUS 局部總線工業(yè)標準（流行微機總線）ISA 系統(tǒng)總線EISA 系統(tǒng)總線PCI 局部總線33新一代計算機總線（正在開發(fā)中）1998.9 PCI-X Compaq IBM HP1998.12NGIO（NextGenerationI/O）Intel Dell SunNEC日立NEC西門子1999.2 FutuieI/O Compaq IBM HP4、 網(wǎng)絡 總線 Network Bus中國 標準JGJ/T16-92第26章BAS，規(guī)定優(yōu)先采用共享總線型局域網(wǎng)結構作為BAS管理層、自動化層、現(xiàn)場層的網(wǎng)絡拓撲，即用一條總線，把上位管理 計算 機、中央站、分站、現(xiàn)場設備各

14、自連接在一起，形成三層局域網(wǎng)。因為所有節(jié)點共享一條傳輸通路，一次只能允許一個節(jié)點發(fā)送信息，所以需要建立信息發(fā)送的控制方式，JGJ/T96-在26.6.6條文說明中，沒有明確規(guī)定是用IEEE802.3以太網(wǎng)的CSMA/CD波與監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測爭搶發(fā)送，還是用IEEE802.4令牌總線排隊訪問控制，只有指出這兩種 方法 都是 目前 流行的，但是并無一致的看法。在26.6信號傳輸與數(shù)據(jù)通信中，則把現(xiàn)場層至自動化層之間的信息傳遞成為信號傳輸，把自動化層和管理層之間的信息傳遞，稱為數(shù)據(jù)通信，以示區(qū)別，前者為現(xiàn)場設備與計算機通信，包括模擬信號，后者為計算機之間通信，全部為數(shù)字信號。20多年來， 發(fā)展

15、 極為成功的以太網(wǎng)技術，已經(jīng)得到公認。人類進入英特網(wǎng) 時代 ，以太網(wǎng)也迅速進入 工業(yè) 自動化的各層網(wǎng)絡。電氣 電子 工程師協(xié)會IEEE基于802.3以太網(wǎng)國際標準，正在積極制定現(xiàn)場與以太網(wǎng)通信的新標準，使以太網(wǎng)能夠直接為現(xiàn)場層所使用，可以預見，正象個人計算機PC迅速進入工業(yè)自動化領域一樣，以太網(wǎng)以與TCP/IP、UDP/IP協(xié)議將十分迅速進入工業(yè)自動化各個領域，包括BAS。網(wǎng)絡總線是網(wǎng)絡通信總線的簡稱，在BAS中，網(wǎng)絡總線是上位管理計算機、中央站、分站、現(xiàn)場設備之間的連接總線，從計算機系統(tǒng)結構的角度上看，它是計算機的外部總線，計算機總線則可視為部總線。網(wǎng)絡總線屬于網(wǎng)絡技術，計算機總線屬于計算機

16、技術，網(wǎng)絡是多個計算機的集合系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信和資源共享是其特點。今天，已經(jīng)進?quot;網(wǎng)絡就是計算機的時代，通信和計算機技術緊密結合、同步發(fā)展，計算機總線和網(wǎng)絡總線是計算機一種技術的兩個方面。新一代的計算機已經(jīng)把網(wǎng)絡接口集成到計算機母板上，網(wǎng)絡功能已經(jīng)嵌入到操作系統(tǒng)中，使得網(wǎng)絡總線可以視為計算機總線的外部延伸，密不可分。不進入網(wǎng)絡的工作站，是不完整的工作站。在建筑物領域，BAS是建筑物整體計算機網(wǎng)絡的重要子網(wǎng)，形成建筑物管理和建筑物設備控制一體化是從網(wǎng)絡開始的。計算機總站維系著BAS的通信子網(wǎng)，資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的組合，就是建筑物自動化網(wǎng)絡，就是建筑物自動化系統(tǒng)。41 以太網(wǎng)的發(fā)展 歷史 19

17、68-1972 Aloha無線電系統(tǒng)夏威夷大學開創(chuàng)爭用型通信1972-1977 首臺以太網(wǎng)2.94M Metcalf和Boggs先生建立CAMA/CD1979-1983 粗同軸以太網(wǎng)10M Com（DEC、Intel、Xerox）10BASE51980-1982 細同軸以太網(wǎng)商品化10M 3Com ISA總線與10BASE2相連1984-1987 雙絞線以太網(wǎng)1MUTP HP、ATT1BASE51986-1990 綜合布線+雙線絞線以太網(wǎng)10M SynOptics、HP 10BASET1990-1994 交換式和全雙工以太網(wǎng)10M KalpanaEtherSwitch1992-1995 快速以

18、太網(wǎng)100M UTP Grand Junction 100BASET1996-? 千兆位以太網(wǎng)1000M IEEE802.3z 1000BASEF42 以太網(wǎng)與局域網(wǎng)國際標準IEEE802.3以太網(wǎng)是商業(yè)市場上發(fā)展的，而802.3標準是獨立的標準組織電氣與電子工程師學會開發(fā)的802.3是基于以太網(wǎng)第個版本制定，但在一定程度上改進了設計，1983年公布以后，以太網(wǎng)以此又作了修改，原來互不兼容的局域網(wǎng)，變?yōu)榛ハ嗉嫒荩ǖ煌耆嫒荩?。二者主要區(qū)別是結構不同，例如，最大數(shù)據(jù)單元，802.3是1460字節(jié)，以太網(wǎng)是1500字節(jié)。但是，通?？梢园?02.3視同以太網(wǎng)。以太網(wǎng)速率有10M和100M兩種，最大

19、1518字節(jié)，最大段長度500米（粗同軸）、185米（細同軸）、100米（UTP），中斷段綜合長度2500米（粗同軸）、925米（細同軸）、2500米（UTP）。在BAS中用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡總線時，現(xiàn)在BAS供應商所提供的以太網(wǎng)接口卡NIC（安裝在中央站中），應該是10M/100M自適應型，以滿足用戶部署100M快速以太網(wǎng)的要求，例如Intel公司的PRO/100+管理適配器，適用于有PCI總線的臺式機，能自動監(jiān)聽集線器速度，從而自動選擇10M或100M，能支持最新的連接管理規(guī)wfw2.0，支持所有的主要操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，WinNT、95、98、2000，Nerware、UNIX，支持10

20、BAS-TX，5類UTP，RJ-45連接器，數(shù)據(jù)路徑寬度32位，可在0-55環(huán)境中工作。43 以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制（MAC）CSMA/CD 載波監(jiān)聽多址訪問/沖突檢測是以太網(wǎng)搶先式信息發(fā)送的主要技術，它包括有先聽再講、無聲則講、有空就講、邊講邊聽、一人獨講、退避三舍等信息發(fā)送規(guī)則，保證所有站點都能以公平方式通過競爭來訪問大家共享的以太網(wǎng)，雖然難免有后到先服務的現(xiàn)象，但是，由于CSMA/CD有一套完整的處理沖突的方法，大體上實現(xiàn)了對網(wǎng)絡總線的公平訪問。它是退避三舍的自調(diào)整功能，保證所有信息的發(fā)送都是成功的，例如常用的一種沖突退避延遲算法，稱為截斷的二進制指數(shù)回退（EBE），它使發(fā)送信息的站點，每沖

21、突一次，自動延遲一個以2的冪函數(shù)計算的退避時間，用這種不斷擴大回退時間來適應網(wǎng)絡流量的變化，這是一種很巧妙的方法。它規(guī)定了退避也是有限度的，即最大退避時間以210倍為限，忍讓次數(shù)也是有限的，以216次為限，否則就會丟掉這個屢發(fā)屢敗以太岡幀，這種情況是絕少發(fā)生的，除非以太網(wǎng)已經(jīng)癱瘓。以太網(wǎng)每幀發(fā)送之間有一個固定的間隙64字節(jié)、512位，稱為時間片，用來識別由于沖突而失敗的發(fā)送信息幀碎片（最小幀規(guī)定為64字節(jié)，包括48字節(jié)數(shù)據(jù)），在512位時間，網(wǎng)絡岡所有站點檢測到載波（有信息發(fā)送）和合法的沖突、信息幀碎片，從而保證以太網(wǎng)能正常工作，不受非有效幀（碎片）的 影響 。一般談到以太網(wǎng)，主要是指802.

22、3的CSMA/CD協(xié)議，它是以太網(wǎng)的主經(jīng)軟件（其它還幀結構軟件等）此外，以太網(wǎng)還包括以太網(wǎng)接口卡NIC、收發(fā)器、中繼器硬件。總之，以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)，是共享總線型局域網(wǎng)（包括集線器Hub網(wǎng)絡），是國際標準局域網(wǎng)之一， 應用 最廣泛。44 以太網(wǎng)與TCPIP 傳輸控制協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議（TCPIP）是實踐中產(chǎn)生的解決網(wǎng)絡互連和異構計算機之間提供可行的透明通信服務的一組協(xié)議，它是世界上最大網(wǎng)絡因特網(wǎng)的基礎。以其公用性和有效性，成為公認的開放系統(tǒng)。TCPIP是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸事實上的標準，或者簡稱其為因特網(wǎng)通信協(xié)議。BAS結構圖中，標明以太網(wǎng)，是說網(wǎng)絡采用共享總線拓撲，標明TCPIP，是說數(shù)據(jù)傳輸采用因特網(wǎng)通

23、信協(xié)議。TCPIP獨立于特定的計算機軟硬件、獨立于特定的網(wǎng)絡系統(tǒng)，即使你不接入Internet，用它也是最好的組網(wǎng)方案，所以，我們在本文開始，對JGJT1692BAS的網(wǎng)絡結構就標明采用TCPIP，更何況，BAS進入Internet也是勢在必行的事情。TCPIP協(xié)議有三個特點，首先它的開放性，可以把現(xiàn)行的各種局域網(wǎng)互聯(lián)起來，其次，它統(tǒng)一了地址規(guī)則，這種IP地址與域名系統(tǒng)的唯一性，保證了因特網(wǎng)走向全球，最后，高層協(xié)議基本標準化，使各種用戶可靠而且便利，這一特點，在工業(yè)自動化中，有很好的應用，可以把標準化的控制總線協(xié)議，包裝在高層協(xié)議中，使TCPIP成為工業(yè)控制通信協(xié)議。TCPIP分成4個層次：應

24、用層-常用的應用程序有SMTP（傳送）、NFS（網(wǎng)絡文件）、NIS（網(wǎng)絡信息）、SNMNP（網(wǎng)絡管理）、FTP（文件傳輸）、DNS（域名系統(tǒng)）等，以與工業(yè)自動化通信協(xié)議，也可在本層打包，如Moddbus、Honeywell C-Bus等。傳輸層-提供端到端（即應用程序之間）的通信，主要功能是信息格式化、數(shù)據(jù)確認和丟失重傳等，主要有（TCP傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議User Dataprogram Protocol，它在工業(yè)自動化應用中看好，它把數(shù)據(jù)先打包，后經(jīng)IP發(fā)送，效率高于TCP）網(wǎng)絡接口層-不同網(wǎng)或同網(wǎng)中計算機之間的通信，處理數(shù)據(jù)報和路由，主要是IP（網(wǎng)際互連協(xié)議）網(wǎng)絡接口層

25、-提供與物理網(wǎng)絡的連接，它包括所有現(xiàn)行的網(wǎng)絡訪問標準，最重要的是以太網(wǎng)（802.3系列）。5、測控總線 Measure and Control BusBAS現(xiàn)場層和自動層的總線，可視為測控總線。JGJT1692第26章BAS26.6.l節(jié)規(guī)定從現(xiàn)場到計算機系統(tǒng)的信號傳輸，需綜合考慮（1）簡化傳輸控制的硬件結構；（2）減少傳輸導線的根數(shù)；（3）弱化維修的技術難度，還進一步指出了采用的方法可選用一對一的傳輸方式、矩陣選碼一公用線傳輸方式或多路復用技術的一路通道多方使用的傳輸方式（陣列式傳輸方式）首先考慮時分制等等。反映中國行業(yè)標準對測控信號傳輸?shù)闹匾曇耘c要求采用最新技術的愿望。在當時的歷史條件下，

26、已經(jīng)把測控總線闡述得淋漓盡致。自從HGHTI6頒布近十年來，測控信號傳輸領域發(fā)生了重大的變化，這就是現(xiàn)場總線技術所帶來的深刻變革，對BAS的影響當然也是非常深遠的。只有現(xiàn)場總線技術才能符合JGJ/T1-92第26.6.1節(jié)規(guī)定的三項要求：最簡單的傳輸控制，最少的導線根數(shù)，最方便的維修技術；而且，最重要的是，現(xiàn)場總線帶來了工業(yè)自動化開放系統(tǒng)的新局面，減少了自控系統(tǒng)壽命周期成本Life Cycle Cost。因此，測控總線的討論，可以歸納為現(xiàn)場總線的討論。國際電工委員會IEC定義現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。安裝在控制室的BA

27、S中央站與現(xiàn)場的分站，分站與現(xiàn)場的傳感器，它們之間的信號傳輸均適用現(xiàn)場總線技術。換言之，自動化層和現(xiàn)場層，采用現(xiàn)場總線技術是歷史發(fā)展的必然。當有人提?quot;現(xiàn)場總線是管理控制一體化方案的催化劑時（美國Fisher公司Martin先生），我們深刻體會這一雋語的豐富涵。51 現(xiàn)場總線發(fā)展歷史1983年，Honeywell公司推出的差分信號驅(qū)動器，成功地在4-20mA直流信號上疊加了數(shù)字信號，隨即投入市場的智能化儀表Smart變送器，是現(xiàn)場總線產(chǎn)品的前驅(qū)，這些帶有微處理器芯片的儀表，除了在原由模擬信號儀表的基礎上增加了復雜的計算功能外，還在4-20mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，使現(xiàn)場與控制室之間

28、的連接，從模擬信號過渡到了數(shù)字信號。這種工作機制，成為美國fisher-Rosemount公司著名的現(xiàn)場總線HART通信協(xié)議的基礎。1984年，美國儀表協(xié)會ISASO50工作組，開始制定現(xiàn)場總線標準。IEC也成立現(xiàn)場總線工作組IECTC65SC65CWG6，開始 研究 現(xiàn)場總線標準。1985年，國際電工委員會決定由Proway Working Group負責研究現(xiàn)場總線體系結構和制定標準。1986年，德國推出Profibus過程現(xiàn)場總線標準。1990年，美國Echelon公司推出LonWorks現(xiàn)場總線產(chǎn)品。1992年，Siemens、Rosemount、Rosemount、ABB、Foxbo

29、ro、Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立ISP協(xié)會，著手在Profibus基礎上制定標準。1993年，Honewell、Bailey等公司成立WorldFIP協(xié)會，有120家公司參加，準備以法國標準FIP（Factor Insrtumentation Protocol）為基礎制定標準。1994年，ISP和WorldFIP北美部份合并，成立FF現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation）。推動現(xiàn)場總線國際標準的開發(fā)。1996年，F(xiàn)F公布了低速總線H1標準。2000年1月4日，IEC宣布現(xiàn)場總線國際標準以86%贊成、12%反對通過，IEC-61158面世。52 現(xiàn)場總線國際標準IE

30、C-611588種現(xiàn)有的現(xiàn)場總線納入國際標準，如果考慮到世界上已有30多種現(xiàn)場總線，這也還是在統(tǒng)一的路程上，前進了一大步。從上表可以看出，8種現(xiàn)場，有8種通信協(xié)議，互不兼容，距離統(tǒng)一標準的現(xiàn)場總線，還有很大距離，雖然這些現(xiàn)場總線在功能上可以互補。為了解決現(xiàn)場總線統(tǒng)一 問題 ，借鑒IT行業(yè)的統(tǒng)一網(wǎng)絡通信標準，就是第5種類型，即以太網(wǎng)現(xiàn)場總線。1998年，在美國休斯敦召開的ISA展覽會期間，成正了工業(yè)自動化開放式網(wǎng)絡聯(lián)盟IAONA，建議把FF的H2高速現(xiàn)場總線，改成高速以太網(wǎng)HSE，有Honeywell參加的18個公司31位工程師正在Foxboro公司積極進行開發(fā)，希望HSE能成為眾望所歸的現(xiàn)場總

31、線。HSE的特點是速度高（100Mbps），數(shù)據(jù)通過量大，與計算機聯(lián)接容易，價格低。有兩類用途，一類是完成由于計算量過大而不適合在現(xiàn)場儀表中進行的運算，另一類是作為多條低速H1總線或其他網(wǎng)絡的網(wǎng)關設備。HSE是否適用干BAS，是有待研究的事情。在IEC61158國際標準中，有歐洲標準建筑物自動化系統(tǒng)MBSTC247推薦的Profibus FMS總線和World FIP總線，但是沒有歐洲推薦的LonWorks總線和歐洲設備總線EIB。53 現(xiàn)場總線的三層結構從IEC61158標準中的8類總線，可以看出現(xiàn)場總線并不需要保持與ISOOS17層結構一致，只需物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層等三層就可以了。因

32、為面向控制的信息比較簡單，但需要快速而可靠地到達目的地，七層模式使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變慢，會滯后實時控制的時間要求，七層有關的網(wǎng)絡接口成本也較高，同時，現(xiàn)場設備也不需要OSI地址。IEC61158還規(guī)定，所有2至8類現(xiàn)場總線，均需對類型1的FF總線提供接口，但2至8類總線之間，不要求提供接口。54 以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線的主要問題與其解決方法由于以太網(wǎng)802.3采用隨機式的CSMA/CD信息發(fā)送方式，對事實控制來說，就帶來一?quot;不確定性問題，不能事先預言測控信息傳送的時間，存在著后到先服務現(xiàn)象。而令牌式排隊發(fā)言信息傳送是可以預言的。要克服這個缺點，就要提高以太網(wǎng)的傳輸能力。由于10100BASET全

33、雙工交換式以太網(wǎng)技術發(fā)展，基本上解決了CSMACD隨即發(fā)送帶來的不確定性問題。1990年，智能交換機的出現(xiàn)，基本上淘汰了信息發(fā)送時的沖突，而且，智能交換機的成本不斷下降，為工業(yè)控制實際應用提供了可能。智能交換機（網(wǎng)絡開關EtherSwitch），能同時提供多條數(shù)據(jù)傳輸途徑，功能和交換機相似，使整體吞吐量顯著提高，同時智能交換機還使用一種名為切入法（Cut Through）的新橋接技術（常規(guī)橋接是使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術），是延遲時間又降低了一個數(shù)量級。1993全雙工技術是以太網(wǎng)可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 理論 上又可以使傳輸速度翻上一番，再加上快速以太網(wǎng)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)在處理事實控制方面，已經(jīng)可以做到測控

34、信息的傳輸不再是不確定的，而是有著良好概率Good Probability的表現(xiàn)，能夠適應事實控制的需要。以太網(wǎng)傳送測控信息的另一個問題是線路利用率，線路效率。利用率是指線路用來成功地傳輸幀的時間部分。每個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中那些不代表實際數(shù)據(jù)部分（同步、地址、字段長度、錯誤檢驗）較大，共26個字節(jié)，這種開銷使線路利用率下降。在測控領域，實際數(shù)據(jù)很短，例如，DI20個字節(jié)、DO16個字凇IAO200個字節(jié)、通信接口500字節(jié)、PID運算500字節(jié)、計數(shù)器4個字節(jié)等，這樣，當使用以太網(wǎng)信息包包裝時，大量信號還需要加上填充符才能滿足最小48個字節(jié)數(shù)據(jù)段的長度要求，如DI、DO、計數(shù)器，因此，效率較低。但

35、是，實際上，由于爭先式發(fā)送，會改變效率，計算指出，如果連續(xù)發(fā)送兩個64字節(jié)的以太網(wǎng)信息包，效率可以提高到54。盡管如此，在工業(yè)自動化領域，仍然重視如何減少開銷，提高通信效率，例如，在通信協(xié)議中，想已用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP來取代最常用的傳輸控制協(xié)議TCP，因為UDP信息包的包裝比TCP簡單，只有4個字節(jié)，而TCP，則是26個字節(jié)。IEC61158國際標準現(xiàn)場總線HSE高速以太網(wǎng)就考慮采用UDPIP來代替TCPIP。不過，以太網(wǎng)的高速度，已經(jīng)把這些問題全部覆蓋了，就算是以最低速3Mbps有效速率運行，一個100個字節(jié)的實時控制信息，在以太網(wǎng)的傳輸時間，只有0.336毫秒（100268/3M），對BA

36、S，已是很理想的數(shù)據(jù)了。55 TCPIP作為現(xiàn)場總線的通信協(xié)議的討論TCPIP協(xié)議是一組協(xié)議，采用四層結構，與現(xiàn)場總路線三層結構很相似，因此，適用于現(xiàn)場總線。采用TCPIP的以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，由于數(shù)據(jù)鏈路層的CSMACD，使得數(shù)據(jù)傳輸時間是建立?quot;概率基礎上，但由于以太網(wǎng)線路的改進，情況大為改善。TCPIP是非常流行的技術，移植到現(xiàn)場總線是順理成章的事，問題之一是TCPIP是為因特網(wǎng)設計的，TCP是要處理面對成千上萬的，它要處理好這么多路由的連接，只能采取在TCP層，設置發(fā)送機和接收機，提供端到端的可靠的進程間的通信，使數(shù)據(jù)報在傳輸過程中始終保持連接狀態(tài)，只有雙向通信。TCP才去發(fā)送數(shù)據(jù)

37、報（雙向通信不是指兩機器獨占式通過網(wǎng)絡對話，而是說兩臺機器間有一交互信息流），TCP發(fā)出信號后，必須等待對方應答信號，否則會重發(fā)，這種定向連接協(xié)議，使兩個端機經(jīng)常以適當?shù)乃俣认嗷ネㄔ?，TCP傳輸控制在兩個機器問來回發(fā)送狀態(tài)信息。而UDP用戶數(shù)據(jù)表協(xié)議卻比TCP簡單得多。對于自動控制的應用程序來說，并不需要時時保持個連接，以節(jié)約開銷和網(wǎng)絡通信量，而UDP是一個無連接系統(tǒng)，從TCP到UDP放棄了許多功能，簡單了許多，只是作為一個數(shù)據(jù)報的發(fā)端機和收端機操作，而不理會二者之間的連接。幀的結構簡化為源端口2字節(jié)，目的端口2字節(jié)，長度2字節(jié)，校驗2字節(jié)。UDP傳遞服務不建立通信雙方的連接，發(fā)完數(shù)據(jù)就完事大吉，所以，比較靈活，效率高，非常適合測控數(shù)據(jù)的發(fā)送，因為這類數(shù)據(jù)非常短，還有，在控制網(wǎng)絡中，通行的站點比起因特網(wǎng)來，少之又少，非常強調(diào)二者之間的連接管理，就顯得多余，比起TCP的大文件來，測控程度只是發(fā)出一個請求或者等待一個響應，三言兩語，傳遞本身就會很可靠。此外，在實時控制中，有時強調(diào)一種完全控制，即使在信號傳輸過程中發(fā)生錯誤，控制器業(yè)能夠自行處理作出決策，而不需要讓TCP一遍又一遍重復發(fā)送數(shù)據(jù)，因為自控系統(tǒng)控制器的自制能力都極強。無論TCP還是UDP，應用程序都是駐留在通信協(xié)議頂層的應用中，包括控制和人機接口等一系列應用程