1引言  在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著儀器儀表智能化的提高和工業(yè)管理自動化的深入，大量的智能設(shè)備需要通過網(wǎng)絡(luò)相互通信，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備的功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及管控一體化。 現(xiàn)場總線順應(yīng)了現(xiàn)場設(shè)備智能化的發(fā)展趨勢，它以具備數(shù)字計算與數(shù)字通信能力的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以總線作為節(jié)點間實現(xiàn)數(shù)字通信的紐帶，構(gòu)成數(shù)字式、雙向傳輸、全分散、多分支結(jié)構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展的方向，并且促使目前的自動化儀表、DCS和可編程控制器（PLC）等產(chǎn)品所面臨的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革，導(dǎo)致工業(yè)自動化領(lǐng)域的一次更新?lián)Q代。 從信息集成的角度來看，隨著計算機、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。為實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的綜合自動化，需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層到控制層、管理層等各個層次的集成網(wǎng)絡(luò)平臺，不僅為數(shù)據(jù)信息的縱向傳遞提供通道，同時保證橫向設(shè)備間的相互通信。 但是現(xiàn)場總線技術(shù)在信息集成方面存在許多不足，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)過多，僅IEC國際標(biāo)準(zhǔn)就包含了8個類型，未能統(tǒng)一到單一標(biāo)準(zhǔn)上來，多種現(xiàn)場總線并存已成定局，不同類型的現(xiàn)場總線設(shè)備均配有專用的通信協(xié)議，互相之間不能兼容，無法實現(xiàn)互操作無法協(xié)同工作，也無法實現(xiàn)信息的無縫集成。為了解決同一控制系統(tǒng)中多種現(xiàn)場總線的集成問題，在一些工程中通常是利用某種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)（如OPC技術(shù)等）開發(fā)能夠連接其現(xiàn)場總線的接口。但各現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)沒有完全統(tǒng)一，需要開發(fā)大量的接口才能滿足不同工控對象的需要。不少企業(yè)為了解決來自不同現(xiàn)場總線廠家產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。 交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，提高了Ethernet的實時能力，使得工業(yè)以太網(wǎng)成為一種確定性網(wǎng)絡(luò)，而Ethernet/IP、HSE、PROFInet、iLon等新型現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的推出，更是為較好的解決多現(xiàn)場總線的集成問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 針對目前多種現(xiàn)場總線廣泛共存的局面，利用交換式以太網(wǎng)技術(shù)，提出了一種適合現(xiàn)場總線工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀的集成方案，并討論了將其應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)的幾種典型現(xiàn)場總線技術(shù)。 2多現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成趨勢 2.1現(xiàn)場總線發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)場總線是從20世紀(jì)80年代以來逐步發(fā)展形成的。根據(jù)IEC定義，現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的一種串行、數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線用數(shù)字通信代替了傳統(tǒng)的模擬信號傳輸，大量的減少了儀表之間的連接電纜、接線端子等，降低了系統(tǒng)的硬件成本；它不僅可以傳輸正常的測控信號，而且還可以傳輸設(shè)備狀態(tài)、報警、趨勢等附加信息，甚至可以對儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程編程和維護(hù)，因此被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。 由于現(xiàn)場總線技術(shù)所蘊涵的巨大經(jīng)濟(jì)潛力，世界上不少公司投入了大量的人力、物力、財力全方位的進(jìn)行技術(shù)研究和應(yīng)用研究，目前形成了100余種各具特色的現(xiàn)場總線，其中宣稱為開放型的總線就有40多種，由此引發(fā)了現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)。盡管經(jīng)歷了多年的努力，但I(xiàn)EC于2000年通過的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)卻容納了IEC61158（FF的H1）、ControlNet、Profibus、PNet、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFip、InterbusS等8種互不兼容的協(xié)議。異構(gòu)現(xiàn)場總線互連和互操作的問題并未得到解決，用戶仍要面臨現(xiàn)場總線系統(tǒng)的選擇和集成，需要花費大量的精力去解決不同標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之間的信息交互問題。另外，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的通信速率大都較低，在某些場合無法滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)成倍增加的數(shù)據(jù)通信量的實時性要求。 2.2集成是現(xiàn)場總線的必然趨勢 由于現(xiàn)場總線種類繁多，且各自在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。各種現(xiàn)場總線代表著不同公司多年的研發(fā)投資和市場利益，不同總線的技術(shù)側(cè)重不同，各有特色，各有相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。就目前各種現(xiàn)場總線技術(shù)來看，沒有哪種現(xiàn)場總線能夠完全適用于所有的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管工業(yè)以太網(wǎng)因其無可比擬的優(yōu)勢進(jìn)入現(xiàn)場控制級已成為發(fā)展趨勢，但至少現(xiàn)在看來，它難以完全取代現(xiàn)場總線而成為實時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。因此，多種現(xiàn)場總線共存的局面將在一個很長的時間內(nèi)存在。在由多種不同類型的現(xiàn)場總線構(gòu)成的系統(tǒng)中，各種現(xiàn)場總線產(chǎn)品由于協(xié)議的不同而無法相互通信，嚴(yán)重妨礙了用戶的選擇。對用戶而言，如果一個系統(tǒng)中每一個智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，系統(tǒng)的組態(tài)性和靈活性將很差，而且改造升級的成本會很大。 隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各現(xiàn)場總線相繼推出了捆綁以太網(wǎng)的新一代現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品，以期建立能夠讓多種現(xiàn)場總線協(xié)同工作的控制系統(tǒng)。如Rockwell公司推出了由Ethernet、ControlNet、DeviceNet層總線構(gòu)成的Ethernet/IP；FF則摒棄了原有的高速總線H2，從1998年開始制定HSE標(biāo)準(zhǔn)；Siemens公司也推出了PROFInet解決方案。這些新型現(xiàn)場總線技術(shù)均采用IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)以及TCP/IP協(xié)議組，使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)和連接設(shè)備，且兼容上一代現(xiàn)場總線系統(tǒng)甚至DCS。不難看出，多種現(xiàn)場總線集成起來協(xié)同完成工業(yè)企業(yè)的測控任務(wù)，是目前自動化系統(tǒng)供應(yīng)商搶奪市場的重要策略，只有這樣才能適應(yīng)目前現(xiàn)場測控設(shè)備多態(tài)性和用戶需求多樣性的需要，最大限度的保護(hù)用戶的利益。 3多現(xiàn)場總線集成的解決方案 3.1交換式以太網(wǎng)技術(shù) 眾所周知，以太網(wǎng)具有全開放、成本低、帶寬高、穩(wěn)定性和可靠性高、應(yīng)用廣泛、共享資源豐富等優(yōu)點，將其應(yīng)用到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為國內(nèi)外工業(yè)控制領(lǐng)域研究的熱點。但傳統(tǒng)以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議為CSMA/CD，各個節(jié)點采用1堅持BEB（Binary exponential backoff）算法處理沖突，具有沖突時延不確定的缺陷，使之無法在工業(yè)實時控制系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。 隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展，Ethernet的傳輸速度已經(jīng)從10 Mbit/s提高到100 Mbit/s，以致目前的1 Gbit/s，使得沖突時間大大縮短；而交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，則為徹底解決以太網(wǎng)通信的非確定性問題帶來了希望。交換式以太網(wǎng)通過網(wǎng)段的微化增加了每個網(wǎng)段的吞吐量和帶寬，為每個節(jié)點提供了獨占的點到點鏈路，在體系結(jié)構(gòu)上和簡單的點到點的連接完全一樣，每個設(shè)備都有一個專用的單獨信道連接到另一個設(shè)備，因此不需要競爭底層傳輸信道，使不同設(shè)備之間產(chǎn)生沖突的可能性大大降低，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性問題得到了妥善解決。 3.2多現(xiàn)場總線集成系統(tǒng) 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中引入現(xiàn)場總線，就是在工業(yè)現(xiàn)場建立一條高可靠性的開放式數(shù)據(jù)通信線路，以實現(xiàn)各種智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備和監(jiān)控單元之間的數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)場總線技術(shù)不能實現(xiàn)統(tǒng)一的一個重要原因，就是因為采用了不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于每種現(xiàn)場總線已經(jīng)獲得很多廠家的支持并擁有眾多用戶，運用單一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)場總線的統(tǒng)一已不可能。將交換式以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制系統(tǒng)，融合現(xiàn)存的多種現(xiàn)場總線，可構(gòu)成如圖1所示的一種多現(xiàn)場總線集成系統(tǒng)。 該系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線均采用捆綁以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的新型技術(shù)，不僅實現(xiàn)各類智能設(shè)備的互連，同時負(fù)責(zé)完成智能設(shè)備與上層監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)通信。各種現(xiàn)場總線所提供的以太網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)如表1所示。 整個系統(tǒng)的通信建立在Ethernet、TCP/IP和現(xiàn)場總線的混合通信協(xié)議之上，通過各種新型的現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)高速Ethernet與相對低速的現(xiàn)場總線的互連，以實現(xiàn)上層監(jiān)控單元和現(xiàn)場智能設(shè)備的互連和互操作。系統(tǒng)的信息傳輸機制如下：當(dāng)上層監(jiān)控單元需要向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送信息時，它首先基于Ethernet和TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送給相應(yīng)的新型現(xiàn)場總線以太網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)（比如PROFInet的代理機制），然后由該服務(wù)根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議發(fā)送給相應(yīng)的智能設(shè)備；現(xiàn)場設(shè)備向上層監(jiān)控單元發(fā)送信息的過程與此相反。 系統(tǒng)中的智能設(shè)備主要用于數(shù)據(jù)的采用、控制的輸出以及實現(xiàn)一些簡單的控制算法。系統(tǒng)的控制功能可以安排在網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺，或同時安排在幾臺計算機上完成，真正實現(xiàn)了控制功能的全分散和多冗余，系統(tǒng)可靠性大大提高，并可實現(xiàn)多種復(fù)雜控制算法。計算機可以利用軟件設(shè)計的高度靈活性，虛擬實現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線站點，并在整個系統(tǒng)中起到核心作用。這樣可以將不同的現(xiàn)場總線集成在一個分布式控制系統(tǒng)中，從而緩解不同現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和互操作的壓力，保護(hù)生產(chǎn)廠家和用戶的既有投資。當(dāng)用戶需要擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模時，可以采用任一種類的現(xiàn)場總線，實現(xiàn)多種現(xiàn)場總線的系統(tǒng)集成。由于Ethernet便于實現(xiàn)與Internet的無縫連接，該系統(tǒng)還支持通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。 4變電站自動化系統(tǒng)中多現(xiàn)場總線集成 4.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 變電站自動化系統(tǒng)是自動化和計算機、通信技術(shù)在變電站領(lǐng)域的應(yīng)用，通常采用分層分布結(jié)構(gòu)，分為過程級、間隔級和變電站級，其中過程級主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、提供I/O接口等；保護(hù)測控單元構(gòu)成分布式間隔級；變電站級主要包括總控單元、公共設(shè)備、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)等，同時負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程調(diào)度中心交換信息。 由于計算機、網(wǎng)絡(luò)通信及電力測控等技術(shù)的高速發(fā)展，使得應(yīng)用于變電站自動化的技術(shù)無法統(tǒng)一。雖然現(xiàn)場總線已經(jīng)在變電站自動化領(lǐng)域有了不少成功的應(yīng)用經(jīng)驗，但卻包括了LonWorks、CAN、Profibus等多種互不兼容的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要集成各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，使其協(xié)同工作。 隨著交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)和基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)逐步趨于統(tǒng)一，國際電工委員會制訂了IEC61850變電站自動化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提出了變電站內(nèi)部間隔級和過程級之間采用開放式、全分布、可互操作性的工業(yè)控制以太網(wǎng)絡(luò)全數(shù)字通信。基于交換式以太網(wǎng)技術(shù)的變電站多現(xiàn)場總線集成自動化系統(tǒng)如圖2所示。為了滿足變電站自動化系統(tǒng)信息交換量較大以及對數(shù)據(jù)實時性和安全運行的要求，該集成系統(tǒng)采用由監(jiān)控網(wǎng)和錄波網(wǎng)構(gòu)成的二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，監(jiān)控網(wǎng)用來傳送各種控制信息，錄波網(wǎng)則傳送電力系統(tǒng)故障錄波信息。由于主干網(wǎng)采用10 Mb/s或更高帶寬的全雙工交換式以太網(wǎng)，完全可以滿足網(wǎng)上節(jié)點多、數(shù)據(jù)流量大的需求。原有現(xiàn)場總線系統(tǒng)（如LonWorks、CAN、Profibus等）通過相應(yīng)的以太網(wǎng)服務(wù)與主干網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)中智能現(xiàn)場設(shè)備之間的信息交互。 交互式以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了不同種類現(xiàn)場總線的集成，而且提高了網(wǎng)絡(luò)平臺的開放性和可擴(kuò)展性，使得整個變電站自動化系統(tǒng)可以滿足中、低壓變電站向高壓、超高壓變電站發(fā)展的需求。 4.2幾種典型現(xiàn)場總線技術(shù) 4.2.1LonWorks系統(tǒng)的i.LON 1000 新一代LonWorks系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備是i.LON 1000，它取代了傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備而成為連接LonWorks和Ethernet的橋梁。它將LonWorks報文打包，用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝，然后在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳送到LonWorks網(wǎng)段時，TCP/IP封裝被拋棄，LonWorks數(shù)據(jù)包被重新放置在網(wǎng)絡(luò)上。從計算機網(wǎng)絡(luò)的角度來看，i.LON 1000可以看作是一個典型的IP主機，能夠?qū)⒖刂凭W(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)無縫的連接在一起，其內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器允許網(wǎng)絡(luò)瀏覽器能夠輕松的獲得監(jiān)控信息，如電壓、電流等網(wǎng)絡(luò)變量。i.LON 1000使得系統(tǒng)的安裝、監(jiān)視、故障診斷和維護(hù)變得更加容易，網(wǎng)段上各個節(jié)點之間完全連通。 4.2.2Ethernet/IP Ethernet/IP是一種既支持I/O又支持?jǐn)?shù)據(jù)交換的開放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接，能同時支持10 Mb/s和100 Mb/s以太網(wǎng)商用產(chǎn)品，便于實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。Ethernet/IP的協(xié)議由Ethernet、TCP/IP和CIP組成，兼容CAN總線采用的DeviceNet協(xié)議，可實現(xiàn)CAN總線與Ethernet的信息交互。圖3給出了Ethernet/IP與CAN總線相結(jié)合的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。 4.2.3Profibus系統(tǒng)的PROFInet PROFInet規(guī)定了Profibus和Ethernet之間的開放、透明通信，它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接介質(zhì)，采用TCP/UDP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。PROFInet采用了先進(jìn)的對象模型（COM/DCOM），使得整個結(jié)構(gòu)清晰簡潔，便于管理，且可以同時掛接傳統(tǒng)的Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。傳統(tǒng)Profibus設(shè)備可通過一個代理接口與PROFInet上面的COM對象進(jìn)行通信，通過OLE自動化接口可實現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。 5結(jié)束語 由于各種現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和相互競爭、各種計算機主流技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的滲透和應(yīng)用以及自動化技術(shù)發(fā)展的延續(xù)性和繼承性，工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)必將長期出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線共存的局面。雖然以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的推廣應(yīng)用勢不可擋，應(yīng)用范圍也在迅速擴(kuò)大，但目前不會出現(xiàn)以太網(wǎng)一統(tǒng)天下的局面。因此，如何較好的解決工業(yè)企業(yè)現(xiàn)存的不同種類現(xiàn)場總線之間的互操作問題，使其協(xié)同工作，對于實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)的信息集成具有重大的現(xiàn)實意義。 為了保護(hù)用戶的原有投資，同時提供高速以太網(wǎng)的高帶寬數(shù)據(jù)通道，本文基于交換式以太網(wǎng)技術(shù)，提出了一種多現(xiàn)場總線集成的解決方案。該系統(tǒng)不僅可以很好的解決目前控制系統(tǒng)的全分散、全開放和多種現(xiàn)場總線的系統(tǒng)集成問題，而且通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線在更底層的結(jié)合，使得控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)更加扁平化。通過對幾種典型現(xiàn)場總線所提供的以太網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行探討可以看出，將本文提出的多現(xiàn)場總線集成方案應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)，不僅可以較好的實現(xiàn)LonWorks、CAN以及Profibus等現(xiàn)場總線的系統(tǒng)集成，而且符合現(xiàn)場總線在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。