| 一、前言
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù),但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展,在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場前所未有的革命�？刂茖＜覀兗娂婎A(yù)言：FCS將成為21世紀控制系統(tǒng)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(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào),其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標準尚未統(tǒng)一,這使得各廠商的儀表設(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(yè)控制中的推廣應(yīng)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(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)。
以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢,由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯,這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間,這是影響以太網(wǎng)長期無法進入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實用價值,從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)—工業(yè)以太網(wǎng)。
二、工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀
近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作,其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標準,其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀,出現(xiàn)了兩個值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實時功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。
1、 以太網(wǎng)集線器
FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中,并以它作為H2的底層協(xié)議,其網(wǎng)絡(luò)采用星型拓樸結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖中集線器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場設(shè)備,其中實時現(xiàn)場儀表和普通現(xiàn)場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實時現(xiàn)場儀表和通道組,然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。
圖1 網(wǎng)絡(luò)星型拓撲結(jié)構(gòu)
通常普通控制算法在現(xiàn)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(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場執(zhí)行儀表。由于實時現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址,并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù),所以保證了實時數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。
集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器,除了控制通信雙方的傳輸時間外,還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行優(yōu)先級設(shè)置,使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數(shù)。此外智能 化的集線器還可以動態(tài)檢測需要通訊的現(xiàn)場設(shè)備所在以太網(wǎng)I/O口,并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū),這樣可大大縮短現(xiàn)場設(shè)備的響應(yīng)時間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享。
經(jīng)驗證這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實時數(shù)據(jù)的延遲時間控制在200納秒的范圍之內(nèi),這已足以滿足多數(shù)場合的實時控制要求。
2、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能
一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時,在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實時功能,此項技術(shù)被稱為“地道”,它其實僅僅是在設(shè)備中加入特殊的協(xié)議芯片,這里不做具體介紹。
3、工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題
上述研究工作的進展為以太網(wǎng)進入FCS提供了可行性,但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢,以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中日益增長的數(shù)據(jù)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(yīng)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(lǐng)域出現(xiàn)了世界各大廠商各自為戰(zhàn)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(chǎn)品,而FCS的國際標準又遲遲不能出臺所造成的。標準的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個個“自動化孤島”,不同系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)FCS的“世界大同”。
1994年6月WorldFIP和ISP聯(lián)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(nèi)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(tǒng)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(chǎn)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(yè)以太網(wǎng)向FCS現(xiàn)場級的延伸必須指出,圖1所示的工業(yè)以太網(wǎng)FCS中,其現(xiàn)場級總線的傳輸速度并不理想,這是因為工業(yè)以太網(wǎng)還只是在上層控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,而許多廠商出于安全考慮,在許多技術(shù)問題沒有解決之前,現(xiàn)場級尚未使用工業(yè)以太網(wǎng),所以FCS總體的傳輸速度沒有什么質(zhì)的飛躍。為了實現(xiàn)以太網(wǎng)向現(xiàn)場級的延伸,除了改進以太網(wǎng)的通訊協(xié)議之外,還需要解決網(wǎng)絡(luò)的本安、現(xiàn)場設(shè)備的冗余和通過以太網(wǎng)向現(xiàn)場儀表供電等技術(shù)問題。
作者認為,在保留FCS特色的基礎(chǔ)上解決上述問題才能使工業(yè)以太網(wǎng)具有生命力。
三、工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用實例
Bayer AG公司最近在其生產(chǎn)高度腐蝕性產(chǎn)品的化工廠中成功的在原現(xiàn)場總線（Profibus）的基礎(chǔ)上應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò),并且把所有的現(xiàn)場設(shè)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(tǒng),系統(tǒng)最大限度使用了數(shù)字化通訊和分布式計算技術(shù),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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