现场总线控制网络的比较解析与发展

李 丹

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

现场总线控制网络的比较解析与发展

李 丹

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

介绍了以现场总线技术为核心的现场控制系统（FCS）的三个层次结构和技术特点；对当今有影响力的几种现场总线的物理特性和性能特性进行了比较；并分析了现场总线技术的发展趋势。

现场总线控制系统（FCS）；现场总线发展趋势

1 现场总线控制系统

1.1 概述

根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System).。

现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）是以现场总线技术为核心发展的全数字控制系统。它综合了3C技术，电子计算机（Computer）技术、控制（Control）技术、通信（Communication）技术，沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备的联系，实现了工业控制系统的分散化、智能化、数字化和网络化的发展。

衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。

1.2 现场总线控制系统的结构

现场总线控制系统（FCS）是工业控制网络的分布式实时系统，按照功能和应用分为三个层次：过程控制层PCS(Process Control Syetem)、制造执行层MES（Manufacturing Execution System）、生产管路层EPR（Enterprise Resource Planning）。过程控制层（PCS）即是现场总线控制系统（FCS），是一个面向现场控制设备的低层控制网络。在这一层中，单个站点的控制信息量不大，信息传输的任务相对简单。中间的制造执行层，是车间级生产管理系统；这一层将EPR与底层工业过程控制信息链接起来，一般采用以太网。生产管理层可构建安全的远程监控系统，用户可通过标准网络浏览器实现远程访问数据，远程监控现场设备状态。

这三个层次从低层到高层时间粒度越来越大，从毫秒到秒，秒到分钟；系统的规模越来越大；实时性的要求越来越弱。

2 现场总线技术比较解析

2.1 多种总线标准并存

目前，世界上已经出现了100多种总线，形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际的现场总线标准。这种多标准的现状本身就违背了标准化的初衷，使现场数据通信与网络连接的一致性不得不面临许多问题。

虽然国际标准化组织（ISO）、国际电工协会（IEC）等都致力于推出单一的现场总线标准，但由于现场总线应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；同时现场总线技术的发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约，我们面对的多总线标准的现实，也是商业利益的妥协产物。

因此，在经过长达15年的争论，国际电工协会（IEC）在 2000年 1月 4日通过了修改后的IEC 61158.3～6标准。该标准包括了8种类型的现场总线子集，它们分别是：①基金会现场总线FF（原有的技术规范 IEC 61158）；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥Swift?Net；⑦Word FIP；⑧Intferbus。

这8种现场总线中，④、⑥是用于有限领域的专用现场总线；②、③、⑦、⑧是由PLC为基础的控制系统发展而来，本质上以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场设备供电和本征安全性能；①、⑤则由传统DCS控制系统发展而来，具有总线供电和本征安全功能；①、⑧属于现场设备级总线，②、⑤属于监控级现场总线；③、⑦则是包括两个层次的现场总线。

以上8种类型的现场总线都有其产生背景和应用背景，各个标准各有特点，采用完全不同的通信协议。

2.2 有影响的总线技术比较

通过近四十年的发展，国际上几种典型的的现场总线技术在其特定的控制领域显示其卓越的优势。下面对几种有影响的总线技术作一个比较。

3 现场总线的发展趋势与前景

3.1 工业以太网与现场总线相结合

现场总线有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准；二是工业以太网Industrial Ethernet走向工业控制网络；

工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决。随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

如何整合Ethernet与现场总线，对各种现场总线的未来命运是至关重要的，因此各种现场总线在整合的方法上展开了激烈的争夺，成为当前现场总线领域的热点。

目前现场总线正在开发与Ethernet、TCP/IP结合的技术有：ControlNet、DeviceNet和 Ethernet/IP联合推出 CIP（Control and?Information Protocol）；Foundation Fieldbus推出 HSE（High Speed Ethernet）；Profibus推出ProfiNet；还有一些现场总线本身就是与Ethernet功能接近的LAN（局域网），因此它们不经过Ethernet而直接与TCP/IP推出WorldFIP推出WorldFIP TCP/IP。Ethernet与现场总线整合。

3.2 工业以太网技术技术改进方向

工业以太网在工厂自动化管理层和车间监控层已得到广泛应用和用户认可，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用；如果以太网希望走的更远，能够全面进入工厂底层成为设备连接的主要网络技术，那么，以太网必须作出技术改进。具体表现在：

（1）改进物理层

1）传输介质应能提供多种工业级护套和铠装电缆、光纤等；

2）各种防护等级工业级的接插件；

3）应该具有总线供电及本质安全的解决方案,用于流程控制及要求防爆功能的场合。

（2）满足工业控制网络的实时性和确定性的要求

1）采用提高带宽、减少碰撞。Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1 000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降；

2）应用智能集线器、交换机技术等。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷三是从机理上保证通信的实时性和确定性

（3）成本

以太网进入现场层，单站点成本是必需考虑的因素；与目前现场总线（PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet）产品竞争。

4 结束语

使自动化领域步入通信时代的现场总线技术，在越来越多的行业领域中得到广泛应用。但同时，我们也不得不面对一个多种工业总线技术竞争和共存的现实世界。满足对应用功能的需求是选择现场总线技术的最基本的出发点。

[1]蒲 维.现场总线控制系统实时建模、分析与调度方法的研究[D].中国科学院自动化研究所，2003.

[2]张昌凡.现场总线控制系统技术与研究[D].中南大学，2003.

[3]张 州.现场总线技术及其应用研究[D].郑州大学，2005.

[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，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：数控技术，数控维修，控制工程。