現場總線的發(fā)展趨勢                    

                                                    上海工業(yè)自動化儀表研究所 范鎧

  現場總線技術自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護和管理， 降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣泛注意，得到大 范圍的推廣，導致了自動控制領域的一場革命。  
一、現場總線的發(fā)展不會被計算機通信技術取代  
   在現場總線技術誕生的初期，它的主要功能是將當時的可編程邏輯控制器（program mable logic controller， PLC）以一種較簡潔的方式連接起來。隨著計算機技術引入PLC，計算機通信技術被引入現場總線；PLC功能的增強對現場總線提出了更高的要求，計算機通信技術的引入大大增強了現場總線的功能，成為現場總線技術發(fā)展的主要趨勢。  
   在分散型控制系統(tǒng)（distribution control system， DCS）的發(fā)展歷程中，較早地在站間通信中采用了局域網（local area netw ork， LAN）技術。隨著電子技術的發(fā)展，許多站的功能已經可以在現場實現，因此通信也逐漸延伸到現場。  
   在過程控制領域，曾經采用過許多通信協(xié)議。隨著商用計算機領域的局域通信逐步被以太網（ethernet）壟斷，過程控制領域中上層的通信也逐步統(tǒng)一到以太網和快速以太網。由于因特網的快速發(fā)展，人們通過因特網訪問控制系統(tǒng)，進行遠程診斷、維護和服務的愿望越來越強烈，因此TCP／IP協(xié)議也進入過程控制領域。實際上我們現在就可以看到通過因特網訪問現場儀表的事例。  
   這里我們看到了兩種趨勢，第一是現場有越來越多的信息需要往上送，第二是計算機通信技術越來越向下延伸。人們不禁要問：包括Internet技術內的現代計算機通信技術是否會最終延伸到現場，并取代現場總線?  
   我們認為現代計算機通信技術有能力延伸到現場，現場總線技術中也會不斷地融入計算機通信技術，但是計算機通信技術不會取代現場總線。因為現場總線與一般計算機通信在功能、要求和結構上有所不同。  
1、功能  
   計算機通信的基本功能是可靠地傳遞信息?，F場總線的功能是：①經濟、安全、可靠地傳遞信息；②正確使用所傳信息；③及時處理所傳信息。經濟性要求現場總線在傳遞信息的同時，解決現場裝置的供電問題，并要求傳輸介質較廉價。安全性要求現場總線解決防爆問題?？煽啃砸蟋F場總線解決環(huán)境適應性問題，包括電磁環(huán)境適應性（傳輸時不要干擾別人，也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應性（要耐溫、防水、防塵）、機械環(huán)境適應性（要耐沖擊、耐振動）。
　　正確使用信息要求不同制造商生產的裝置能相互理解所傳信息，這就是現場總線的可互操作性要求。及時處理信息要求現場裝置不要將信息過多地在網絡上往返傳遞，要盡可能地就地處理信息。及時處理信息的要求主要是針對高層次現場總線和智能儀表的，但是這條要求最集中地體現了現場總線技術發(fā)展趨勢--信息處理現場化。  
2、要求  
   對計算機通信的主要要求是快。對現場總線不僅要求傳輸速度快，在過程控制領域還要求響應快，即實時性要求。這樣"快"就有三種含義。  
   （1）傳輸速度快：指單位時間內傳輸的信息要多，通常用波特率來衡量。這條要求與普通計算機通信是一致的。  
   （2）響應時間短：指突然發(fā)生意外事件時，儀表將該事件傳輸到網絡上或執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時間。這個時間是由4個方面決定的：① 儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力；②信息在通信協(xié)議的應用層與物理層之間的傳輸時間；③等待網絡空閑的時間；避免信息在網絡上碰撞的時間。由于這個時間對大多數通信協(xié)議是一個隨機數，因此大部分通信協(xié)議不給這個參數。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，并小于一定值。  
   （3） 巡回時間短　指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需的時間。這個時間一般可由系統(tǒng)組態(tài)來調整。對那些單純靠優(yōu)先級解決實時性的搶先式通信系統(tǒng)，當高優(yōu)先級事件發(fā)生比較頻繁時，低優(yōu)先級事件會長時間得不到響應；對這類通信協(xié)議，巡回時間是隨機量，預先不可知。過程控制系統(tǒng)希望最長巡回時間是預先可知的，并小于一定值。  
   響應時間和巡回時間反映了實時性，而實時性與通信協(xié)議有很密切的關系?，F場總線采用兩種技術來實現實時性。
　　一種是簡化技術。將網絡形式簡化成線形（實際上已經不成其為"網"了）；將通信模型簡化為只有一、二層；將節(jié)點的信息簡化到只有幾比特。經過以上簡化，節(jié)點的訪問就非常快了。這也可以通過極大地提高通信傳遞速度來縮短節(jié)點訪問時間，這時雖然理論上某些現場總線的節(jié)點訪問時間還有某種不確定性，但是反復發(fā)生不確定事件的概率很低，可以在一些非關鍵部位使用這種現場總線。節(jié)點訪問快了，就可以簡化系統(tǒng)的管理；這時采用主-從方式輪詢訪問，只要限制網絡輪詢的規(guī)模，就可以將響應控制在指定的時間內。采用這種技術可大大降低總線的成本，大多數位式開關量現場總線采用這種技術。
　　另一種是采用網絡管理和數據鏈路調度技術來實現實時性，這是一種很復雜的技術。一般認為，分時式實時系統(tǒng)的響應具有可預知性，但資源利用率低；搶先式實時系統(tǒng)資源利用率高，但往往響應具有不可預知性?，F在的現場總線往往采用兩者結合的方式進行管理和調度，以達到某種平衡。
　　隨著多媒體計算機通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，語音和圖象的實時傳輸對網絡的響應時間提出了新的要求。多媒體傳輸對實時性的要求是幾十ms，過程控制對系統(tǒng)的實時性要求是幾ms到十ms。多媒體對實時性的要求是"軟"的，即只要大部分時間滿足要求就行了，偶然幾次不及時響應是沒關系的。過程控制對實時性的要求是"硬"的，因為它往往涉及安全，必須在任何時間都及時響應，不允許有不確定性。
　　改善現場總線的實時性，減少響應時間的不確定性是現場總線的重要發(fā)展趨勢。  
3、結構  
計算機通信系統(tǒng)的結構是網絡狀的，從一點到另外一點的通信路徑可以是不固定的。
　　大部分現場總線的結構是線狀的，雖然現場總線的拓撲結構可以是總線型、星型、環(huán)行、回路型等；但在大多數現場總線中，從一點到另外一點的通信路徑是比較固定的。
　　線狀結構的優(yōu)點是：①解決網絡供電比較容易；②解決本安防爆比較容易；③使通信協(xié)議中可以舍去與路徑有關的幾層，有利于改善實時性。
　　很顯然，在線狀結構時一條現場總線支路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。在網狀結構中一定會出現多電源供電情況，各電源的負載平衡，以及網絡中各節(jié)點處的電壓下降，都比較難以預料。
　　我們目前的本安防爆主導理論還是認為，電纜的分布電感、電容是隨著電纜的長度增加的，因此由于電磁感應產生的火花能量，也是隨著電纜的長度而增加。在這種情況下，要解決網狀結構的本安防爆問題是很難的。
　　本安防爆理論的現狀對現場總線的推廣應用限制極大。因為它限制電纜的長度和總線上負載的數量。現場總線的主要優(yōu)點在這些限制下，大部分都消失了。因此現場總線要求本安防爆理論要有所發(fā)展，目前各國都在對現場總線本質安全概念（fieldbus intri nsical safety concept， FISCO）理論加強研究，爭取有所突破。
　　克服本安防爆對現場總線的限制是現場總線在應用理論上的發(fā)展趨勢。
　　現場總線的線狀結構的優(yōu)點在前面說明了，它的主要缺點是當一條總線支路的電纜斷了，這條支路就癱瘓了。對于網狀結構，斷了一、二條支路，信息還能夠通過其它路徑傳遞；系統(tǒng)的性能會下降，但不會癱瘓。這個問題是現場總線至今未被用在最關鍵場合的主要原因之一，也是現場總線制造商們近期要研究解決的問題之一。
　　上述情況說明現場總線并不只是一項通信技術，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。雖然并不是所有的現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場總線所追求的目標。雖然我們已經看到一些直接通過因特網訪問現場儀表的例子，但這都是一些對控制和實時性沒有嚴格要求的檢測系統(tǒng)。我們認為計算機通信技術不會取代現場總線。  
二、國內現場總線的發(fā)展趨勢  
　　國內現場總線的發(fā)展趨勢是：①多種現場總線在國內展開激烈競爭，競爭的重點是應用工程；②國內自己開發(fā)的現場總線產品開始投入市場；③國內各行業(yè)的現場總線應用工程迅速發(fā)展。
　　現場總線技術傳入中國已經好幾年了，前幾年我們主要是了解學習和宣傳，然后開始開發(fā)和應用。由于中國經濟正處于起飛階段，市場潛力巨大，各種現場總線的主要支撐企業(yè)都看好中國市場，他們在中國展開了激烈的競爭。競爭的集中體現是在國內引起現場總線協(xié)議的爭論。爭論的焦點是哪種現場總線更好。
　　我們認為，這種爭論在初期對宣傳現場總線是有好處的，它促使更多的人了解現場總線，為今后現場總線的推廣做了很好的準備。但是要想通過這種爭論來搞清楚到底哪種現場總線更好，那是不可能的。
　　對于目前的爭論，我們的看法是：
　　從國內標準化的角度講，我們應該緊跟國際標準化的潮流，加大對IEC標準的學習、宣傳力度，使更多的人了解國際現場總線發(fā)展的趨勢。
　　從現場總線產品的開發(fā)角度講，應把有限的資金集中在有限的目標上，不宜搞太多的現場總線。對一個企業(yè)來講，已經投資在哪種總線上，應堅持做下去；不宜過多地變換目標。
　　從現場總線的應用角度講，我們支持各種現場總線在我國的推廣應用。多種總線的競爭，有利于降低產品價格，有利于加快現場總線在我國的推廣。
　　筆者認為，每種現場總線有自己的適用范圍，在它自己的適用范圍內，它是最好的，出了這個范圍它就不是最好的。同時，現場總線是一種正在發(fā)展中的技術，迄今尚未有一種現場總線可稱是完美的。每一種現場總線都處在不斷地完善過程中，今天存在的問題明天可能就克服了。
　　從"九五"起，我國政府開始投資支持現場總線的開發(fā)。這期間國家機械工業(yè)局、教育部和中科院組織力量對HART、FF等現場總線展開研究和開發(fā)。到現在已經取得了階段性成果，HART儀表已經開始批量試用，FF儀表也即將投入試用。此外還有一些企業(yè)自籌資金開發(fā)現場總線。但是總的來說暫時還不能滿足廣大用戶的要求。
　　國內企業(yè)要推廣現場總線產品，目前的主要困難是：①產品尚不成熟；②擴充和配齊品種規(guī)格所需的開發(fā)力量（資金和人才）不足；③市場開發(fā)的投入不足。因此國內企業(yè)應歡迎國外企業(yè)在我國開發(fā)市場和推廣應用。現場總線的市場打開后，國內企業(yè)銷售產品會輕松得多。
　　現在要使用現場總線，客觀地說不得不用外國的產品。但是關于總線的無休止爭論使用戶無法判斷到底應該用哪一種現場總線。因此現在這種爭論已經開始阻礙現場總線在我國的發(fā)展。
　　我們認為推動我國現場總線發(fā)展的捷徑是，供助外國公司的力量，大力推動現場總線的應用。
　　對于選哪種現場總線，我們建議選確實降低系統(tǒng)成本的現場總線。因為是否確實能降低系統(tǒng)成本是一種現場總線是否成熟、是否適合所針對對象的一個明顯標志。
　　由于現在尚無全能的現場總線，因此我們建議在系統(tǒng)的不同部分選不同的現場總線，即在系統(tǒng)的每個部分都選最適合的現場總線。前面已經談到，位式現場總線相當便宜，非常適合傳遞開關量信息。因此當過程控制系統(tǒng)中有較多的開關量時，應該在系統(tǒng)中增加一條位式現場總線。
三、現場總線應用工程的發(fā)展趨勢  
1、通過應用技術發(fā)揮現場總線的優(yōu)勢  
現場總線系統(tǒng)的優(yōu)越性很多，主要突出它的哪一種優(yōu)點
　　我們認為首先要突出現場總線降低系統(tǒng)投資成本和減少運行費用的優(yōu)點。這一點很重要，有了這一基本思想，在進行總線類型的選擇和網絡設計時，就會有明確的方向。
　　但是，現場總線的這項優(yōu)點能否發(fā)揮，與應用者是否合理地使用現場總線、充分發(fā)揮它的潛能有關。  
2、不同類型的現場總線組合更有利于降低成本  
表1（略）列出了不同類型現場總線的簡單比較，針對不同的情況選用不同的總線可以最大限度地降低系統(tǒng)成本。
　　從表1可以看到，位式總線的能力很有限，用位式總線作為大型系統(tǒng)的信息傳輸主體是不可能的。但是它在成本，速度等方面的優(yōu)勢又是其它高層次總線無法替代的。因此它常常與其它總線混合使用。
　　用戶可能會擔心，用了多種現場總線，會使整個系統(tǒng)的操作、管理變得復雜。實際現在一些通用的人-機界面軟件，都支持多種現場總線，因此到人-機界面這一層，不同總線的區(qū)別對使用者來說是不大的。  
3、現場總線的本質是信息處理現場化  
一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線和智能儀表后，可以從現場得到更多的診斷、維護和管理信息?，F場總線系統(tǒng)的信息量大大增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力、減少多余信息的傳遞。另一方面要讓大量信息在現場就地完成處理，減少現場與控制機房之間的信息往返。
　　如果僅僅把現場總線理解為省掉了幾根電纜，是沒有理解到它的實質。信息處理的現場化才是智能化儀表和現場總線所追求的目標，也是現場總線不同與其它計算機通信技術的標志。  
4、網絡的設計  
一般控制系統(tǒng)也有網絡設計問題，網絡設計的重點是從物理形態(tài)上考慮通信網絡和輸入、輸出線纜網絡的布置。
　　前面提到許多現場總線的網絡形態(tài)是線形的，每一組網段上的節(jié)點數是有限制的。由于網段上的節(jié)點數較少，因此除考慮網絡的物理布置之外，還要考慮減少信息在網絡上的往返傳遞。
　　減少信息的往返傳遞是現場總線系統(tǒng)中網絡設計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常常可帶來改善系統(tǒng)響應時間的好處。因此，網絡設計時應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點，放在同一條支路里。例如多回路調節(jié)中，一個調節(jié)回路的節(jié)點應盡量放置在同一條支路里。  
5、系統(tǒng)組態(tài)傻瓜化  
現在一些帶現場總線的現場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產品同種功能塊在性能上會稍有差別，但一個網絡支路上有許多功能類同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個現場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。
　　考慮這個問題的原則是，盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。
　　目前現場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復雜的，需要組態(tài)的參數多，各參數之間的關系比較復雜，如果不是對現場總線非常熟悉，很難將系統(tǒng)設置到最佳狀態(tài)。顯然，廣大用戶對這種狀態(tài)不滿意?，F場總線系統(tǒng)的制造商也正在努力，以使系統(tǒng)組態(tài)逐步傻瓜化。
　　現場總線的發(fā)展很快，我國在現場總線的開發(fā)和應用方面都緊跟了世界潮流，其發(fā)展速度超出預料。我們希望政府和企業(yè)應拿出更多的資金，投入這一領域，這是大有希望的事業(yè)。

此文作者狡猾。在目前的諸多種類的現場總線中到底誰好？到底誰最有發(fā)展前途這個關鍵問題上，躲躲閃閃。搞技術的也機會主義呀?，F場總線的發(fā)展趨勢和潮流勢不可擋，在今天的工控領域已經是主流結構了。這不言而喻，有目共睹。用得著在描嗎？而關鍵的是走那一條路？選用什么形式的？這很重要。就像計算機捆綁微軟視窗系統(tǒng)一樣?，F在選錯了，將來就可能走進死胡同了。CAN、PROFIBUS-DP、以太網等等，到底選中誰呀？這是關鍵。說那么多的邊邊沿沿。沒用。
感謝YANLI7234，開了一個新題目?，F場總線與傳動控制密切相關。是熱點。我想看看有沒有人為此發(fā)言。期待。

我覺得現場總線還是各有特色的，要想讓某個總線一統(tǒng)天下，還是要等待很多時日的。
但是，從西門子公司對將來的展望來看（我是道聽途說的），以太網還是應該能代替所以其他所有的現場總線的。
   以太網現在的缺點是成本高、TCP/IP(UDP)協(xié)議復雜、實時性較差（相對于高速網絡而言），優(yōu)點是性能高、連接上位網絡成本低、實時性好（100M的以太網和1M的CAN比）。
   但我們也應該看到：1.硬件的成本下降的速度很快，高端的單片機開始自帶以太網接口（雖然10M的居多）。2.TCP/IP雖然復雜，但越來越多的人也已經掌握。3.具有更高實時性的協(xié)議也被逐漸開發(fā)出來了。
   所以，我認為以太網最終會一統(tǒng)天下的。
   但是目前，485和CAN的低成本是很大的優(yōu)勢，尤其是CAN，是硬件支持的多主總線，速度能達到1M（當然也有10M的）完全能滿足除了視頻外的工業(yè)通訊要求。而且很多單片機是帶CAN接口的（如：我們用的菲利普的LPC2119），只要加個驅動器即可（我們還加了高速光偶）。
   由于西門子的國際地位問題，不能不提及PROFIBUS-DP。這個DP總線的物理層就是485，但確實是很不容易做到的超高速的485。一般的232/485的波特率最高是115200bps，而西門子的DP最高是12M（115200才115.2K、0.1152M）。而且西門子等大公司把持著關鍵的技術，看看karl版主帖的PROFIBUS簡介等，你能找到多少實質內容？不是karl保守，而是西門子的所謂“開放”做的實在是太“好”了。我找了幾年都沒有找到PROFIBUS-DP的協(xié)議文本，而MODBUS、DEVICENET等我早就得到了（由于某些原因，DEVICENET我不能公開）。
   所以，我覺得這個DP會隨著西門子的觀點轉變而最先遭到淘汰（西門子轉向PROFINET）。不過因為DP的市場占有率太高了，一時半會是不會退出歷史舞臺的（西門子的DP比AB的DEVICENET的市場占有率高好幾倍）。
   個人觀點，僅供參考。
   注：DEVICENET是跑在CAN上面的通訊協(xié)議。
         MODBUS-RTU是跑在485上的通訊協(xié)議。
         PROFIBUS-DP是跑在485（超高速）上的通訊協(xié)議。
         另外，所有單主總線上的協(xié)議，都可以在多主總線上運行，但反之則不一定。就是說在CAN、以太網上可以運行MODBUS，而DEVICENET、TCP/IP則不能在485上運行。當然，單主總線的協(xié)議在多主總線上運行是不能發(fā)揮多主總線的優(yōu)點的，所以，MODBUS還有個MODBUS-TCP。

好，yanli7234哥們夠板！要談就旗幟鮮明地亮觀點，就切入技術關鍵的講。圓滑那是官場的表現，太不實在了。而直截了當，敢于眾目睽睽的發(fā)表個人的觀點。痛快！實誠。支持呀。頂！

謝謝任工，我的觀點倒是明確了，對不對我是不能保證的。
我們一直在開發(fā)的FCS同時支持485和CAN。

這個時代，工控技術日新月異的迅猛發(fā)展，連科學預言家都驚嘆超乎尋常想象，所有的技術都超前于預言誕生了。就像大革命的時代，潮流迅猛，容不得你想，只有隨著潮流走了。大浪淘沙是這個時代的特點。只要順應潮流，管它呢。
我就喜歡（原創(chuàng)）觀點、個性化的發(fā)言?？粗庞形兜馈Ｖx謝兄弟的發(fā)言。并期待與兄弟交流。

謝謝任工的鼓勵，等我們的電路板做好以后，送任工一套，請任工多提意見和建議。
現在我們的開發(fā)工作暫時停了下來，要把另外一個緊急的事情搞好，然后再繼續(xù)。估計這個6月份恐怕都要干那個緊急任務了。

確實是這樣，每個現場總線都有它的特點。我們公司有自己的現場總線，叫RiB總線，不知道大家聽說過沒有。我在推銷RiB總線的時候，很多客戶就提到CAN總線。我跟他們說，我推銷自己的總線，并不是要推翻CAN總線，各有各的長處。在具體的應用中，設計人員應當為該系統(tǒng)選用最適合的總線。

總之，至少在目前，哪個總線要一統(tǒng)天下是很難的事。

*有誰對RiB總線感興趣，可隨時給我發(fā)郵件。

學習中

呵呵，看了以前的帖子，驚訝，居然有這么精彩的發(fā)言呢。我都不敢相信自己了。謝謝將此帖頂起來的哥們兒。

總線控制，確實要有選擇，要慎重選擇，否則，將來會障礙自己的發(fā)展。就象硬件系統(tǒng)，選用什么cpu做自己的系統(tǒng)“核”一樣。選錯了，以后吃虧。因為電子、自動化業(yè)的發(fā)展太快了。要跟對了“主流”才是。