应用现场总线需注意的问题及以太网在现场总线中的应用

１ 现场总线的特点
现场总线有以下几个特点
１可互操作性与可互换性；
２开放性；
３全数字化；
４双向通信；
５智能化的现场仪表
２ 现场总线有哪些好处

１可以减少１／２－２／３隔离器、端子柜、１／０终端、１／０卡件、１／０文件及１／０柜子；这样就节省了１／０装置及装置室的空间；

２由于免去了Ｄ／Ａ及Ａ／Ｄ变换，使精度可以从０．５％提高到０．１％；

３减少电缆的用量，费用可以节省６６％或更多；

４可以产生先进的、智能化现场仪表，如多变量变送器和执行器等，使维修预报成为可能；

５可以将Ｐｒｏ功能植入到变送器或执行器中去，大大缩短控制周期。可以从ＤＣＳ的每秒调节２～３次增加到每秒调节１０～２０次，改善调节性能；

６免除主机入口处的“瓶颈”现象，提高系统的安全性和可靠性同时也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益；

７组态简单，安装、运行、维护简便；

８用户可以自己择优选择，达到最佳集成。

３ 现场总线的局限性

现场总线固然会给用户带来效益，但它还终究处于企业网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益。因此，现场总线必须与企业管理自动化如采用ＥＲＰ－－相结合。也就是所谓的管控一体化。

４ 应用现场总线应注意的若干问题

现场总线既然有众多的优点，而且已日益受到人们的重视，有的已开始应用，但是在实际应用中还有许多应该注意的问题，大致情况如下：

１开放性

开放性是现场总线系统的主要特点之一，用户喜欢开放式的系统，在全世界范围内，其中不乏价廉物美、性能优越、服务周到的产品，用户可以择优选择从而达到最佳的集成。由于传统的ＤＣＳ或ＰＬ属于封闭式的系统，而新一代的ＦＣＳＦｉｅｌｄｂｕｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ属于开放式的系统，因此它一出现，便受到广大用户的青睐。但值得注意的是：各种现场总线本身虽然是开放的，但不同种类现场总线之间却是不开放的。

２国际标准方面

标准的制定可以推动生产力的发展，保护制造厂商和用户的利益，但以前标准的变动给我国的仪表制造商、设计院和广大用户带来了极大的不便，也使我们遭受了一定的损失，所以我们一定要注意标准的变化。目前现场总线的国际标准已有１２种之多，而且还有增加的趋势，至于世界各国，各个大型厂商的标准更多。这种现象不但是空前的，而且也是极不正常的，造成的后果是不论制造厂商也好，用户也好，面对众多的标准，在选择时往往感到困惑而无所适从。所以说，多标准实质上是没有标准。

３互操作性

互操作性〔ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｌｅ是现场总线系统的又一特点，但不同种类现场总线之间是不可互操作的，虽然他们可以通过互联网进行相互访问，或者通过ＰＣＯＬＥ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ ＣｏｎｔｒｏｌＪ７协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表之间直接进行。也就是说甲种现场总线的现场仪表不能与乙种现场总线的现场仪表直接进行互操作，而甲种现场总线的现场仪表必须先通过自己的主机，再借助于ＯＰＣ协议到达乙种现场总线的主机，再下达到乙种现场总线现场仪表的目的地。反之亦然。这种互操作必须通过上述的曲折途径才能实现，这对于实时控制ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ所要求的实时性来讲，显然是不能满足的，因此也是没有实际意义的。

４时间的确定性

各种现场总线的通信方式也不完全相同，主要有二种形式。主－从ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ式和广播式，各有其特点。但在时间的确定性ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ上，严格地讲是有区别的，尤其对于那些特殊对象，是非常敏感的，例如发电厂对时间上的确定性，就有严格的要求。但是主从式现场总线对于时间上的确定性先天上就有所不足，所以有的主从式现场总线也在采取措施以弥补其不足，如采取软件的办法，在首发偏离的参数上进行时间上的锁定等。这也是我们应特别注意的问题。

（５）冗余问题

用于过程控制的现场总线ＦＦ ＨＩ和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ都是没有冗余的。按照现场总线的设计思想，低速部分是不需要冗余的，但对于某些行业，某些对象在安全方面有特殊要求的部位确实是需要冗余的也有些企业由于国情或企业文化存在着差异，或者曾经发生恶性事故的企业，往往也会提出不同程度的冗余要求。那么我们就要对没有冗余的现场总线采取一些特殊的处理来保证企业所要求的冗余，这样就会增加企业费用，增加企业负担。

（６）示范工程

我们都知道工程技术是实践技术，在应用中是不允许失败的。因此示范工程对工程设计来讲十分重要。当然在设计时也不能生搬硬套，必须根据国情和工程的实际情况，通过调查研究，学习消化和吸收提高。可以用渐进的办法，先在外围或者辅助设施上，进而在主机不太关键的部位上采取措施进行试验，取得成功后再逐步扩大，但是这需要时间。总之，示范工程是重要的，遗憾的是像样的、具有说服力的现场总线大型示范工程至今还没有看到过。

（７）工程造价问题

目前国内用户对硬件的价格比较敏感，而对软件的费用则往往注意不够。在国外，硬件方面ＦＣＳ与ＤＣＳ的费用可能持平或略高，但在工程设计和工程的安装、调试和开车费用方面则要低得多，因此综合来讲，总的费用要低。在国内，进口硬件的费用要高很多，但国内目前人工费用低，所以工程设计、管理、安装和调试等费用远比国外为低。所以在应用现场总线时我们要时刻注意其造价走势。

（８）效益问题

就现在国内情况而言，应用的现场总线基本上都是小系统，可效益还是很显著的。但就现场总线的本质而言，系统越大，效益越显著。我国现在大多数企业都是旧厂改造，现场总线还与老式的模拟仪表相混用，大大提高工艺，所以所得效益不能全归现场总线的使用，工艺和管理上的改进也是主要方面。

（９）先进技术的采用问题

先进技术是发展生产力的基础，采用先进技术以后，能为企业创造效益，但需要提醒的是采用先进技术需要一些必要的前提条件，不能盲目。历史的经验值得注意，自上世纪８０年代引进的ＤＣＳ，大部分只发挥了３０％左右的功能即为一例。我们知道先进的自动化技术的主要目的是以最少的投人获得最大的产出。因此，作为一个自动化的工程设计人员切不可单纯地为先进而先进，为现场总线而现场总线，一定要注意实际情况。

（１０）要密切注意现场总线及其相关技术的进展

现场总线目前虽然已有１２种国际标准，但它在继续发展或改进。世界上较大的企业都在致力于现场总线的研究，并不断地对现有的现场总线进行改进。如将以太网应用于现场总线，由于以太网过去仅适用于办公室自动化，如今要用于工业现场，还有不少难题尚待去解决，如要满足工业控制要求的实时性，工业环境下的抗电磁干扰性、抗震性、耐高温性、耐高湿性、防尘性和需向现场仪表供电的问题以及危险时所要求的防爆性等，问题虽然不少，但全世界大型企业都在进行研究。所以我们要时刻搜集最前沿的信息，跟上现场总线的发展进程，及时对我们的工作做出部署。

（１１）一专多能

现场总线技术是控制、通信和计算机技术的综合，牵涉到三个不同的学科另外熟悉工业控制过程和某些行业工艺过程的制造厂结合信息技术以后，推出了ＥＩＣ集成化系统、ＡＰＣ先进过程控制系统等产品，同时一些计算机制造公司与一些软件公司则借其长于信息技术的优势千方百计地往下渗透，推出了基于ＰＣＰＣ ｂａｓｅｄ的控制系统、软ＰＬＣｓｏｆｔ ＰＬＣ和虚拟仪表等。这一上一下的两种趋势必然会在企业自动化系统内有一个交汇点，而这个交汇点处于动态变化之中，要掌握这个交汇点是重要的，但也是很不容易的，因为必须了解电控、仪控、计算机和通信技术，而在应用时还须熟悉生产对象的工艺过程和对象的动态特性和管理技术。所以我们必须尽可能的来了解更多的知识和应用，尽可能的达到一专多能。

５ 以太网及其通信特点

以太网Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络最初出现于１９７５年。目前主要有快速以太网和交换式以太网，还有千兆以太网和光纤以太网。以太网以前主要应用于办公自动化，在现场总线中的应用还不多。以太网的主要通信特点是随机接人、载波侦听、碰撞检测和冲突竞争。目前通用的以太网标准ＩＥＥＥ８０２．３使用了ＣＳＭＡ／ＣＤ带冲突检测的载波监听多点接人传输协议。根据该传输协议，任何需要传输数据的节点首先要监听网络，网络繁忙时监听，网络空闲时发送数据，在发送数据过程中继续监听，检测到冲突时立即停止发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点此时的网络已经发生冲突，此时冲突各方主动退避随机等待一段时间后再重新监听网络。以太网冲突主要有两个来源其一是网络空闲多个节点同时发送数据造成的冲突其二是节点传输延迟造成的冲突。因此，工业控制中采用标准以太网时将不可避免地造成冲突。这种冲突随着通信负荷的上升而急剧增加，而在低负荷下则很少。更为严重的是，从纯理论角度讲标准以太网有可能出现“孤岛”现象，即某些节点在一段时间内可能得不到传输数据的机会。

标准以太网还具有传输不确定性的特点，即任何变量都不能完全确保在合适时间内发送成功。除此之外，为了分辨无效帧，以太网还有可能造成带宽浪费不符合工业现场环境要求；不具备本质安全性能；不能通过信号线向现场仪表供电等缺陷，因此以太网在工业控制领域方面的应用很有限。

６ 交换式以太网及其发展

交换式以太网是根据提高以太网的传输效率，尽可能的减少总线竞争这个思想开发出来的新型以太网。它采用星形布线方式，所有节点都分别连接到一个交换式集线器的端口上，交换式集线器内置一个复杂的交换阵列，任何两个端口之间都可以建立起一个传输信道，以标称传输速度、传输数据。优点是不存在总线竞争，能显著的提高系统的传输效率。缺点是不易控制最大传输时延。为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，并积极开展了工业以太网关键技术的研究。为解决以太网在无间断过程工业领域的极端条件下稳定工作，世界上一些大型企业专门开发和生产了导轨式收发器系列、集线器系列和交换机系列，它们安装在标准ＤＩＮ导轨上，并有冗余电源供电接插件采用牢固的ＤＢ一９结构。

在工业控制系统中，通过网络传送的数据必须在确定的时间内到达目的地，此即所谓网络的时间确定性。如ＰＩＤ调节器通过网络从现场变送器收集数据进行ＰＩＤ运算，为了实时实现ＰＲ调节，各调节回路需要有非常一致的采样时间，而且这些时间必须是确定的。对于这样的实时控制，通常要求网络的时间延迟小于２～４ｍｓ。长时间的通信将恶化对象特性，使控制系统品质下降。由于以太网时间的不确定性，现在的工业以太网现场总线采用一种称作连接装置Ｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ的类似带有开关的集线器结构，很好地解决了以太网的时间确定性问题。

美国电气工程师协会ＩＥＥＥ正着手制定现场装置与以太网通信的新标准。该标准能够使网络直接“看到”对象ｏｂｊｅｃｔ。这为以太网进入工业控制现场打下了基础。目前，现场总线系统如ＰｒｏｆｉｂｕｓＤｅｖｉｃｅＮｅｔ Ｃｏｎｔｍｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都打算使用以太网。一些大公司正在研究通过一种称作管道ｔｕｎｎｅｌ的简单传递机构使用以太网络传送报文。这种方法简单可行，现场装置保持不变，仅需要一个专用的以太网络接口取代原来的总线驱动器就可完成与以太网的连接。过去，一些生产ＰＬＣ为主的公司都使用以太网完成信息级通信，其中西门子公司的ＳＬＭＡＴＩＣ ＮＥＴ则将工业以太网应用到车间级，该公司有着将工业以太网向下层通信应用的趋势。此外，生产ＤＣＳ公司的投入促进了将以太网广泛应用于过程自动化的监控级，如Ｆｏｘｂｏｒｏ公司将以太网用于Ｍｏｄｂｕｓ。由此可以预见，像当年代机进入工业自动化领域一样，以太网／ＩＰ将会十分迅速地进人工业控制系统的各级网络。

７ 以太网通信的发展ＩＰｖ６简介

互联网使用初期制定的ＩＰ地址方案ＩＰｖ４由四组数据组成。随着以太网／ＩＰ的通信在工控和管理的应用，将引起ＩＰ地址的重复或不足。为解决ＩＰ地址“升位”的问题，ＩＥＥＥ在９０年代早期开始了一些尝试，第一个成果是在１９９５年出版的ＲＦＣ１７５２ ＲＦＣ Ｒｅｑｕｅｓｔｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｅｎｔｓ，描述了称为下一代ＦＰ ＬＰ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＩＰＮＧ的要求，并在一些辅助性文件中描述了新协议的报头、路由、地址以及安全性方面的特征。以后出现了更多的ＲＦＣ，例如ＲＦＣ１８８３，并且该协议已被官方重新命名为“Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议版本６″Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｖｅｒｓｉｏｎ ６ＩＰｖ６。

在ＩＰｖ６上增加的内容中值得关注的几点是

１它提供更大的地址空间ＩＰｖ６地址有１２８字节长；

２它通过路由器提供更快的ＩＰｖ６报头处理，并且报头也变长了ＩＰＡ是２０节，ＩＰｖ６是４０字节。大多数不用路由器处理的选项被移入单独的扩展报头中；

３它定义了ＬＰ数据包提供身份验证、保密集成的机制。

它为应用程序提供了一种标记ＩＰ数据包的方法，该数据包需要特殊处理。使用此版本的典型应用程序包括多媒体应用程序和实时应用程序。ＩＰｖ６地址的长度为１２８一个节点能有多个接口因此就有多个ＩＰ地址。一个接口也能有多个ＩＰ地址。ＩＭ 提供的地址类型有三种单点传送地址、多点传送地址和任意点传送地址。ＩＰｖ６为动态ＩＰ分配提供了两种机制：一种与“动态主机配置协议”相似，在这种机制中，客户向配置服务器发出请求，服务器从预配置池中取出一个值赋给它，也把这种方法称为 “用状态配置”。服务器保持状态信息并在限定的时间内把地址租给用户，用户能够重新租用地址，如果有足够的地址，客户将分配到与上次相同的地址。第二种机制是一个“无状态”机制。在这种机制下，客户通过使用像“以太网”卡地址这样的标识符来生成ＩＰ地址。一个ＩＭ主机可能没有代码来分辨地址类型。另一方面，一个ＩＰｖ６路由器可能完全理解不同的地址类型，并且根据不同的地址类型采取不同的行动。

总之通过认识现场总线应用应注意的问题，并理解以太网通信原理，相信我们可以很好地将现场总线和以太网结合起来，更好的应用于工业现场控制中。

参考文献：

１ 阳宪惠．现场总线技术及其应用． 北京：清华大学出版社，１９９９．

２美布雷耶． 交换式以太网和快速性以太网． 电子工业出版社，１９９６．

３美布雷耶． 新型交换式以太网和快速性以太网． 电子工业出版社，１９９２．