1现场总线的发展趋势

现场总线的发展趋势

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范铠

现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。

1现场总线的发展不会被计算机通信技术取代

在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（program mable logic controller，PLC）以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。

在分散型控制系统（distribution control system，DCS）的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网（local area netw ork，LAN）技术。随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，所以通信也逐渐延伸到现场。

在过程控制领域，曾经采用过许多通信协议。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网（ethernet）垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，所以TCP／IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。

这里我们看到了两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。人们不禁要问：包括Internet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场，并取代现场总线?

我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。由于现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。

1.1功能

计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。

现场总线的功能是：①经济、安全、可靠地传递信息；②正确使用所传信息；③及时处理所传信息。

经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。

安全性要求现场总线解决防爆问题。

可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。

正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的

可互操作性要求。

及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势--信息处理现场化。

1.2要求

对计算机通信的主要要求是快。

对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。

①传输速度快指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。

②响应时间短指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的：仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，所以大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。

③巡回时间短指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。

响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。

一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。

另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性?

术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。

随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，由于它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。

改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。

1.3结构

计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。

大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。

线状结构的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。

很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。

我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的，所以由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。

本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。由于它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失了。所以现场总线要求本安防爆理论要有所发展，目前各国都在对现场总线本质安全概念（fieldbus intri nsical safety concept，FISCO）理论加强研究，争取有所突破。

克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。

现场总线的线状结构的优点在前面说明了，它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。

上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。我们认为计算机通信技术不会取代现场总线。

2国内现场总线的发展趋势

国内现场总线的发展趋势是：①多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。

现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。