五、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網簡介現(xiàn)場總線主要的總線類型：FF、ProfiBus、ControlNet、P－Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、InterBus、CAN……現(xiàn)狀：各有各的規(guī)范，很難相互(互不)兼容現(xiàn)場總線既是通信網絡，又是自控系統(tǒng)。作為通信網絡，全數(shù)字通信系統(tǒng)要求信號和信息能夠準確、及時到位，同時還具有節(jié)點分散、報文簡短等特征。作為自控系統(tǒng)，它所傳輸?shù)男畔⒅苯雨P系到生產工藝、設備的正常性和安全性，其顯著特征是是一種由網絡集成的自動化系統(tǒng)。

“安裝在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備、儀表和控制室內的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線”（IEC61158定義）現(xiàn)場總線設備－－專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字處理、計算、控制和通信能力，成為能獨立承擔某些控制、通信任務的網絡節(jié)點?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)－－用公開、規(guī)范的通信協(xié)議標準，通過總線把各種測量控制儀表、自動控制裝置等作為節(jié)點連接成具有全數(shù)字通信功能的分布式控制系統(tǒng)。簡而言之，它把單個分散的測量控制設備變成網絡節(jié)點，共同完成自控任務的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術特征：全數(shù)字化（數(shù)字通信延伸到工業(yè)控制系統(tǒng)的最底層）全分布式（各現(xiàn)成設備有足夠的自主性）雙向傳輸開放性（現(xiàn)場總線應成為一種開放技術）互操作性（保證不同廠家的產品可以互操作）控制系統(tǒng)結構高度分散性現(xiàn)場設備的高度智能化和自治性……本意：排他的和聯(lián)合的

現(xiàn)場總線種類有數(shù)百種之多常見的有數(shù)十種※1999年制定的IEC61158Ed.2國際標準只是一種模式，8種類型都是平等的※IEC標準的其中Type2～Type8需要對Type1提供接口，而標準本身不要求Type2～Type8之內提供接口，用戶在應用各類型時仍可使用各自的行規(guī)，其目的就是為了保護各自的利益。IEC61158Type1：IEC61158技術報告★Type2：ControlNetType3：Profibus★Type4：P－NetType5：FFHSE★Type6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：Interbus以上8種總線采用完全不同的通信協(xié)議！IEC61158Ed.2IEC61158Ed.3為了反映現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網技術的最新發(fā)展，IEC/SC65C/MT9小組對IEC61158第二版標準進行了擴充和修訂，新版標準規(guī)定了10種類型現(xiàn)場總線，除原有的8種類型，還增加了Type9FFH1

現(xiàn)場總線和Type10PROFINET

現(xiàn)場總線。2003年4月，IEC61158Ed.3現(xiàn)場總線第三版正式成為國際標準。IEC61158Type1：TS61158Type2：ControlNetEthernet/IPType3：ProfibusType4：P－NetType5：FFHSEType6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：InterbusType9：FFH1Type10：ProfiNetIEC61158Ed.4--2007長期以來，由于現(xiàn)場總線爭論不休，互連、互通與互操作問題很難解決，于是現(xiàn)場總線開始轉向以太網。經過近幾年的努力，以太網技術已經被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受。為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網實時性的技術解決方案，從而產生了實時以太網（RealTimeEthernet，簡稱RTE）從IEC61158Ed.4標準的構成來看，該系列標準是經過長期技術爭論而逐步走向合作的產物，標準采納了經過市場考驗的20種主要類型的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網。亮點：EPA（標志著由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中科院沈陽自動化所、重慶郵電學院、清華大學、大連理工大學等單位聯(lián)合制定的、擁有自主知識產權的用于工廠自動化的實時以太網通信標準得到國際電工委員會的正式承認）IEC61158Ed.4幾個具體問題的分析(1)FCS與DCS的比較FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來的，F(xiàn)CS順應了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，這已是業(yè)內人士的基本共識。FCS在開放性、控制分散等諸多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)DCS，代表著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向與潮流。DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，DCS以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應用而占居著一個尚不可完全替代的地位。影響FCS發(fā)展、制約FCS應用的原因主要有三方面：①技術原因②商務原因③用戶原因①技術原因產品單一，優(yōu)越性還難以得到全部發(fā)揮。暫時還無法提供DCS已有的控制，復雜功能還無法在總線儀表中實現(xiàn)……結論：二者各具優(yōu)勢，F(xiàn)CS將逐步取代DCS主導控制系統(tǒng)地位，但并不意味DCS消亡②商務原因價格昂貴(FCS本質優(yōu)點是數(shù)字化，網絡化從控制室擴展到“現(xiàn)場”)結論：現(xiàn)場總線不是低成本簡易產品③用戶原因

FCS成功的應用實例不多，習慣勢力不愿冒風險。結論：充分利用已有的DCS設施，基于現(xiàn)有DCS的系統(tǒng)以及成熟的DCS控制管理方式來實現(xiàn)FCS不失為當前的應選之途

(2)計算機通信技術與現(xiàn)場總線技術的比較現(xiàn)場總線的本質就是一種通信技術，計算機通信技術的發(fā)展會從各個方面影響現(xiàn)場總線的發(fā)展。但二者在基本功能、信號傳輸要求和網絡結構上均有所不同。①基本功能前者的基本功能是“可靠地傳遞信息”，而后者則包括了更多的內容：①高效、低成本地實現(xiàn)儀表及自控設備間的全數(shù)字化通信，體現(xiàn)其經濟性②解決現(xiàn)場裝置的總線供電問題，及總線的本質安全，體現(xiàn)其安全性；③解決環(huán)境適應性問題，如電磁干擾、環(huán)境溫濕度、振動等，體現(xiàn)其可靠性；④現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場控制裝置要盡可能地就地處理信息，不要將信息過多地在網絡上往返傳遞，以體現(xiàn)現(xiàn)場總線技術發(fā)展趨勢——信息處理現(xiàn)場化。

②信號傳輸要求

二者在“快”的要求上是一致的一般通信系統(tǒng)對實時性是一種“軟”的要求，即只要大部分時間滿足要求現(xiàn)場總線對實時性是“硬”的要求，它往往涉及安全，不允許有不確定性現(xiàn)場總線的實時性主要體現(xiàn)在響應時間和循環(huán)周期二個方面：響應時間是指系統(tǒng)發(fā)生特殊請求或發(fā)生突發(fā)事件時，（檢測儀表－－信息－→主控設備－－信息－→執(zhí)行器）信息轉遞所需的時間，過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個時間達到最短，但它要求最大值是預先可知的。過程控制系統(tǒng)通常需要周期性地與現(xiàn)場控制設備進行信息交流，循環(huán)周期是指系統(tǒng)與所有現(xiàn)場控制設備都至少完成一次通信所需的時間。這個時間往往具有一定的隨機性，過程控制系統(tǒng)同樣希望其最大值是可預知的?，F(xiàn)場總線通常采用以下二種技術來保證其實時性：一是簡化技術。 簡化網絡結構，現(xiàn)場總線一般將網絡形式簡化成線形； 簡化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3層； 簡化節(jié)點信息，通常簡化到只有幾字節(jié)。

經過以上簡化，可以極大地提高通信傳遞速度。二是采用網絡管理技術來實現(xiàn)實時性并保證其可預知性。 例如:采用主-從訪問方式，只要限制網絡的規(guī)模，就可以將響應時間控制在指定的時間內?？偠灾簩崟r性要求（降低不確定性）是現(xiàn)場總線區(qū)別一般計算機通信的主要因素③網絡結構計算機通信系統(tǒng)的結構是網絡狀的，節(jié)點間的通信路徑是不固定的大部分現(xiàn)場總線的結構是線狀的，節(jié)點間的通信路徑是比較固定的如果線狀結構的現(xiàn)場總線上某支路斷開了以后，這條支路就可能完全癱瘓，而一般的網絡系統(tǒng)則沒有這種問題，信息還可以通過選擇其它路由進行傳遞?？傊含F(xiàn)場總線并不僅僅是一項通信技術，它是通信技術、儀表智能化技術及自動控制技術的結合產物。目前并不是所有的現(xiàn)場總線都滿足了上述要求，但這些要求是用于過程控制的現(xiàn)場總線所追求的目標。FB采用線狀結構的原因在于：

①容易實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的總線供電。一條線狀結構現(xiàn)場總線支路上的電源負載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可以預料的。

②容易實現(xiàn)本安防爆規(guī)范。目前的本安防爆主導理論還是認為，電纜的分布電感、電容以及由于電磁感應產生的火花能量，都是隨著電纜的長度而增加?，F(xiàn)場總線由于限制電纜的長度和總線上負載的數(shù)量，可以較好的解決本安防爆問題。

(3)現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢

從現(xiàn)場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢： 一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準 二是IndustrialEthernet走向工業(yè)控制網絡工業(yè)以太網工業(yè)以太網是指技術上與商用以太網兼容，但在產品設計上，在實時性、可靠性、環(huán)境適應性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來，最被認同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網絡。工業(yè)以太網的本質就是以太網技術辦公自動化走向工業(yè)自動化以太網技術具有最最廣泛的應用背景（指商用以太網），是促使工業(yè)以太網得到廣泛認同和重視的最直接因素之一。Ethernet產生于上個世紀七十年代采用星型或總線型結構傳輸速率當時僅為幾M（目前已達千兆以上）傳輸介質：屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）為什么以前不用Ethernet？以太網存在所謂的“不確定性”??！EtherNet的介質訪問控制協(xié)議：CSMA/CD“先聽后說”、“邊聽邊說”負荷大時，網絡會發(fā)生碰撞響應時間無法預知，實時性得不到保證自1984年現(xiàn)場總線產生~2000年現(xiàn)場總線國際標準發(fā)布，國際上均沒有采用以太網作現(xiàn)場總線因此以太網通信存在不確定性，在90年代中期之前，幾乎所有的控制系統(tǒng)均不選用以太網，而選用令牌總線或令牌環(huán)（其實問題并沒有那么嚴重）設備D1時間①發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽網絡是否空閑②網絡空閑，發(fā)送數(shù)據(jù)；邊發(fā)送，邊檢測碰撞③檢測到碰撞，即同一時刻有多于兩個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)設備D2設備D3③①②④停止發(fā)送④⑤繼續(xù)等待一段時間通信機理示意工業(yè)以太網的發(fā)展得益于以下幾方面因素(確定性問題）：通信速率的提高，意味著網絡負荷減輕、傳輸延時減少、碰撞概率下降；以太網交換技術的發(fā)展，極大地減輕了碰撞問題負荷越小，碰撞越少；E網負荷在10%以下時，基本無碰撞負荷在25%以下時，E網通信響應時間明顯短于令牌網工業(yè)控制網絡通信特點傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長度都比較小周期性信息較多【測量、控制信息】非周期性信息較少用戶操作指令、組態(tài)信息等等報警等突發(fā)性事件信息網絡負荷較為平穩(wěn)信息流向具有明顯的方向性節(jié)點數(shù)少“不確定性”不再是E網的主要障礙E網通信速率的提高以太網交換技術的應用報文優(yōu)先級的處理當然，工業(yè)以太網還有很多問題需要（或正在）解決：

統(tǒng)一國際標準的問題、網絡安全的問題、安全防爆的問題等等總線供電技術本質安全技術網絡安全技術通信實時性服務質量（QoS）互可操作技術網絡生存性技術……“e網到底”

控制層網絡管理層網絡遠程節(jié)點Web服務器

操作站

工程師站

現(xiàn)場設備層網絡以太網冗余以太網EPAEthernet不僅僅用作高層網絡，而且希望將它直接和現(xiàn)場設備連接，實現(xiàn)自下而上的Ethernet集成，即所謂“e網到底”“e網