摘 要：分析了工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，指出工業(yè)以太網(wǎng)的介入使現(xiàn)場(chǎng)總線能更好的滿足實(shí)時(shí)控制的要求，提出了在現(xiàn)場(chǎng)總線中應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題，并給出了一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例。 一、前言 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)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(chǎng)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(bào)警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命。控制專家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。 　　然而就在人們沸沸揚(yáng)揚(yáng)的對(duì)FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒(méi)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(chǎng)總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)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，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）正在制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［1］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［2］，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(chǎng)合下仍無(wú)法滿足實(shí)時(shí)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(dāng)人們冷靜下來(lái)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行思考時(shí)，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(shì)，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(tīng)碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）通訊方式［3］,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明［4］：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(zhǎng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對(duì)以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)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(lái)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(biāo)準(zhǔn)，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(gè)值得注意的發(fā)展方向［5］：以太網(wǎng)集線器和具有實(shí)時(shí)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）［6］置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過(guò)以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表和普通現(xiàn)場(chǎng)儀表（通過(guò)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(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。 通常普通控制算法在現(xiàn)場(chǎng)控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級(jí)控制算法則在上層控制器中進(jìn)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(chǎng)執(zhí)行儀表。由于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)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(shí)間外，還對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級(jí)等實(shí)時(shí)參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)需要通訊的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享［7］。 　　經(jīng)驗(yàn)證［8］這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。2、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能　　一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開(kāi)發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時(shí)，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能，此項(xiàng)技術(shù)被稱為“地道”［9］，它其實(shí)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(jìn)展為以太網(wǎng)進(jìn)入FCS提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳輸種類（如語(yǔ)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(jìn)展。目前的研究工作應(yīng)集中解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）盡快推出 FCS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)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［10,11］。其中有影響的為Intel公司的Bitbus、德國(guó)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(chǎng)急于推出自己的產(chǎn)品，而FCS的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)又遲遲不能出臺(tái)所造成的。標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個(gè)個(gè)“自動(dòng)化孤島”，不同系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的兼容性都很差。FCS的用戶強(qiáng)烈呼吁盡快出臺(tái)FCS的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以期望實(shí)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(gè)成員單位，致力于IEC的FCS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，形成了FF的FCS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)難以“一統(tǒng)天下”的令人擔(dān)憂的局面。解決這一問(wèn)題的途徑是：一是要求FF在其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中推出完善的用戶層和嚴(yán)格的互操作性的產(chǎn)品認(rèn)證；二是提高用戶抵制非國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的FCS的自覺(jué)性。（2）工業(yè)以太網(wǎng)向FCS現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(chǎng)級(jí)總線的傳輸速度并不理想，這是因?yàn)楣I(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(wèn)題沒(méi)有解決之前，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)尚未使用工業(yè)以太網(wǎng)，所以FCS總體的傳輸速度沒(méi)有什么質(zhì)的飛躍。為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的延伸，除了改進(jìn)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(chǎng)設(shè)備的冗余和通過(guò)以太網(wǎng)向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電等技術(shù)問(wèn)題。 　　作者認(rèn)為，在保留FCS特色的基礎(chǔ)上解決上述問(wèn)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(shí)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(chǎng)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)［12］，并且把所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器件和個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站集成為一個(gè)高度可靠、低耗和實(shí)時(shí)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(jì)算技術(shù)［13］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖中主要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)GE Field I/O連到控制系統(tǒng)，每個(gè)Field I/O可直接連接超過(guò)20個(gè)Foxboro Micro-I/A現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制子系統(tǒng)。Field I/O和Micro-I/A安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)的全封閉式安全柜中。Micro-I/A可進(jìn)行邏輯控制、批量控制和連續(xù)控制?，F(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)Field I/O設(shè)備連到工業(yè)PC上（所有設(shè)備由西門子公司提供）。它除了進(jìn)行邏輯控制和安全互鎖外，還能實(shí)現(xiàn)過(guò)程點(diǎn)所要求的普通控制算法。工業(yè)PC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和裝有Microsoft Windows NT操作系統(tǒng)的工作站進(jìn)行通訊，在工作站保存高級(jí)控制算法，其控制輸出通過(guò)以太網(wǎng)下載到需要高級(jí)控制運(yùn)算的現(xiàn)場(chǎng)儀表。Foxboro"s I/A系列工業(yè)軟件在工作站可為用戶提供報(bào)警、數(shù)據(jù)趨勢(shì)、歷史記錄、分析、報(bào)告和為操作者專門設(shè)計(jì)的可視化界面。四、結(jié)束語(yǔ) 　　工業(yè)以太網(wǎng)的介入為FCS的發(fā)展注入了新的活力，隨著FCS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的推出以及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的突破性進(jìn)展，一個(gè)代表21世紀(jì)潮流的工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)時(shí)代就會(huì)到來(lái)。