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一、前言 現場總線控制系統（FCS）是順應智能現場儀表而發展起來的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術，但隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態、診斷、報警、記錄）的發展，在控制領域內引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統的主流。 然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發展在某些方面的不協調，其主要表現在迄今為止現場總線的通訊標準尚未統一，這使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現場總線（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時 控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業網絡中廣泛應用的以太網。 以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業系統中被廣泛采用。但是傳統以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表明：商業以太網在工業應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網的研究具有工程實用價值，從而產生了一種新型以太網—工業以太網。 二、工業以太網的研究現狀 近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業以太網的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業以太網的研究現狀，出現了兩個值得注意的發展方向：以太網集線器和具有實時功能的以太網的協議。 1、 以太網集線器 FF將以太網技術加入到H2協議中，并以它作為H2的底層協議，其網絡采用星型拓樸結構，如圖1所示。圖中集線器（HUB）置于網絡中心并通過以太網I/O接口掛接現場設備，其中實時現場儀表和普通現場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網I/O接口上。以太網I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實時現場儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。 圖1 網絡星型拓撲結構 通常普通控制算法在現場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經以太網集線器和以太網I/O接口傳輸到現場執行儀表。由于實時現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，所以保證了實時數據不會產生傳輸延滯和線路阻塞。 集線器作為網絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸的數據包進行優先級設置，使每條信息都包含傳輸優先級等實時參數。此外智能化的集線器還可以動態檢測需要通訊的現場設備所在以太網I/O口，并為之提供數據緩沖區，這樣可大大縮短現場設備的響應時間和減少數據的重發次數。集線器與其它集線器相連可實現不同網絡之間的數據共享。 經驗證這種采用以太網集線器技術的FCS可使實時數據的延遲時間控制在200納秒的范圍之內，這已足以滿足多數場合的實時控制要求。 2、在以太網的協議中加入實時功能 一些FCS的生產商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發自己的工業以太網FCS時，在工業以太網協議中加入實時功能，此項技術被稱為“地道”，它其實僅僅是在設備中加入特殊的協議芯片，這里不做具體介紹。 3、工業以太網的研究課題 上述研究工作的進展為以太網進入FCS提供了可行性，但要使以太網能在FCS中發揮其強大的網絡優勢，以滿足現代工業控制中日益增長的數據傳輸和信息傳輸種類（如語音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進展。目前的研究工作應集中解決以下兩個方面的問題： （1）盡快推出 FCS國際標準當今的FCS領域出現了世界各大廠商各自為戰的混亂局面。其中有影響的為Intel公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks等。這種混亂局面是由于各大廠商為了搶占市場急于推出自己的產品，而FCS的國際標準又遲遲不能出臺所造成的。標準的不統一使各廠家推出的FCS成為一個個“自動化孤島”，不同系統和現場設備的兼容性都很差。FCS的用戶強烈呼吁盡快出臺FCS的國際標準，以期望實現FCS的“世界大同”。 1994年6月WorldFIP和ISP聯合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的著名控制儀表廠商在內的100多個成員單位，致力于IEC的FCS國際標準化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標準出臺，形成了FF的FCS國際標準難以“一統天下”的令人擔憂的局面。解決這一問題的途徑是：一是要求FF在其國際標準中推出完善的用戶層和嚴格的互操作性的產品認證；二是提高用戶抵制非國際標準的FCS的自覺性。 （2）工業以太網向FCS現場級的延伸必須指出，圖1所示的工業以太網FCS中，其現場級總線的傳輸速度并不理想，這是因為工業以太網還只是在上層控制網絡中應用，而許多廠商出于安全考慮，在許多技術問題沒有解決之前，現場級尚未使用工業以太網，所以FCS總體的傳輸速度沒有什么質的飛躍。為了實現以太網向現場級的延伸，除了改進以太網的通訊協議之外，還需要解決網絡的本安、現場設備的冗余和通過以太網向現場儀表供電等技術問題。 作者認為，在保留FCS特色的基礎上解決上述問題才能使工業以太網具有生命力。 三、工業以太網的應用實例 Bayer AG公司最近在其生產高度腐蝕性產品的化工廠中成功的在原現場總線（Profibus）的基礎上應用工業以太網的控制網絡，并且把所有的現場設備、控制器件和個人計算機工作站集成為一個高度可靠、低耗和實時的控制系統,系統最大限度使用了數字化通訊和分布式計算技術，其結構如圖2所示。 圖2 圖中主要的現場設備通過GE Field I/O連到控制系統，每個Field I/O可直接連接超過20個Foxboro Micro-I/A現場級控制子系統。Field I/O和Micro-I/A安裝在靠近現場的全封閉式安全柜中。Micro-I/A可進行邏輯控制、批量控制和連續控制。現場儀表通過Field I/O設備連到工業PC上（所有設備由西門子公司提供）。它除了進行邏輯控制和安全互鎖外，還能實現過程點所要求的普通控制算法。工業PC通過工業以太網和裝有Microsoft Windows NT操作系統的工作站進行通訊，在工作站 保存高級控制算法，其控制輸出通過以太網下載到需要高級控制運算的現場儀表。Foxboro"s I/A系列工業軟件在工作站可為用戶提供報警、數據趨勢、歷史記錄、分析、報告和為操作者專門設計的可視化界面。 四、結束語 工業以太網的介入為FCS的發展注入了新的活力，隨著FCS國際標準的推出以及有關技術問題的突破性進展，一個代表21世紀潮流的工業以太網的現場總線控制系統時代就會到來。 |
