现场总线技术的现状存在的问题展望

现场总线技术的现状存在的问题及展望-测控领域新技术张梦乡-电测本一班-20128408现状目前，国内、外的现场总线有60几种之多，由于这一新技术所具有的潜在而巨大的市场前景，在商业利益的驱动下，导致了近年来制订现场总线国际标准大战。在市场和技术发展需要统一的国际标准的呼声下，修改后的IEC61158.3～6标准最终于2000年1月4日获得通过。该标准包括了8种类型的现场总线子集，它们分别是：①基金会现场总线FF（原有的技术规范IEC61158）；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥SwiftNet；⑦WordFIP；⑧Intferbus。这8种现场总线中，④、⑥是用于有限领域的专用现场总线；②、③、⑦、⑧是由PLC为基础的控制系统发展而来，本质上以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场设备供电和本征安全性能；①、⑤则由传统DCS控制系统发展而来，具有总线供电和本征安全功能；①、⑧属于现场设备级总线，②、⑤属于监控级现场总线；③、⑦则是包括两个层次的现场总线。以上8种类型的现场总线采用完全不同的通信协议，例如：Profibus采用的是令牌环和主/从站方式；FFHSE是CSMA/CD方式；WordFIP是总线裁决方式。因此，要这8种现场总线实现相互兼容和互操作几无可能。面对这种多总线并存的局面，系统集成将面临更为复杂的任务，系统集成技术也将会有很大的发展。长期以来的标准之争，实际上已延缓了现场总线的发展速度。为了加快新一代系统的发展，人们开始寻求新的出路，一个新的动向是从现场总线转向Ethernet，用以太网作为高速现场总线框架的主传。以太网是计算机应用最广泛的网络技术，在IT领域已被使用多年，已有广泛的硬、软件开发技术支持，更重要的是启用以太网作为高速现场总线框架，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来。为了促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会，开展工业以太网关键技术的研究。此外，开发设备网供应商协会（ODVA）已经发布了在工厂现场使用以太网的全球性标准——以太网/IP标准。该标准使用户在采用开放的工业应用层网络的同时，能利用可买到的现成的以太网物理介质和组件，也即由多个供应商所提供的可互操作的以太网产品。随着网络技术的发展，以太网应用于工业领域所要面对的网络可确定性问题、环境适应性问题、包括总线供电和本征安全问题都会迅速得到解决。存在问题现场总线是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线，简单理解就是通信总线一直延伸到现场设备。它是一个开放互联模型，可与以太网结合，通过Internet实现远程监视、控制、调试、诊断等。现场总线是计算机、通信、控制技术的融合，优点来源于三大特点：一是数字化，意味着数据传输更为便利，信息传输量增加，提供数据的可共享性；二是标准统一开放，利于共享，为不同网络互联扫清道路，提供互操作性；三是控制分散，简化网络体系结构，使互联更加便利。信号传输数字化是所有现场总线的基本特点，它使系统精度提高；现场设备的信息增加几十倍，可用于自诊断、系统调试和管理，提高系统的有效性；同一电缆挂接多台现场设备，可节省电缆70％～90％及施工量。但节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCS／PLC远程I／O也可达到类似效果，而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。标准统一开放是所有现场总线必需的特点，也是它与许多原来“专有”的通信总线的关键区别之一。它给用户带来的本质优点是打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。DCS只做到操作站以上开放，控制层不可能开放，而FCS则做到系统从上到下全开放。不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的I／O总线开放的难度较低，而控制用的系统总线的开放互操作就很难。控制彻底分散是现场总线具有的突出特点。它给用户带来的实质优点是由高度智能的现场设备来分散完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，可降低设备费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。当然，现场总线也有难以发挥其优势的场合。在很长时期内，包括DCS／PLC在内的许多控制系统和现行标准都会与现场总线共存，这和DCS出现后乃至今天许多原有控制设备依然存在的局面相似。目前现场总线技术在我国的应用已取得很大进展，但也存在一些问题，制约了其推广。在工程应用方面，工程投资比较大。虽然各种现场总线都把节省费用当成自己的主要优点，但在实际应用中现场总线的投资比传统控制系统要大。一是试用的系统规模太小；二是试用的系统并不分散或者是利用原有布线的改造项目，因此无法充分发挥现场总线节省电缆的优势。其次，调试和运行维护比较难。由于现阶段熟练掌握现场总线的应用技术和开发技术的人才少，企业在调试和运行时经常会遇到困难。因此，企业在选择系统集成商时，应选择技术力量比较强，比较有经验的单位。再者，与传统控制系统相比优点不明显。以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于控制方面，更多的在于自诊断、自校正等自动管理方面。但是，目前国内用的系统大多数太小，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势。在技术方面，当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果，用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证；现有的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省电缆优点的发挥；系统组态参数过分复杂，不容易掌握。但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。在应用中，现场总线的开放、互联性及互操作性决定了与之俱来的不可避免的安全问题。外部网是一个由现场总线实现的自动化系统，是和企业的Intranet紧密结合在一起的，存在着与Internet普通应用相同的种种威胁，包括窃听、盗取资料、非法获取控制权、进行破坏、阻碍通信等。要解决这些问题，必须建立起一套适合企业的针对现场总线应用的安全策略。在Intranet内部，人们容易放松警惕。由于现场总线多应用于化工、电气及楼宇自动化控制中，这些场合都要求系统连续运行，因此现场总线可能受到的攻击时间与普通应用相比长得多。基于安全情况，可以考虑将各子系统设计得较为独立，使一个子系统受到破坏不会影响到整个系统；采用通信控制器将总线与以太网相联，改善通信控制器的功能，可以起到一定程度的安全防范作用，包括拒绝非法访问，危险时将总线与以太网隔离等；进行合理的冗余设计，以提高系统稳定性。综上所述，现场总线并不是为解决传统控制系统不能解决的问题而出现的，它的主要优点是更灵活、更开放，并为采用新型系统维护方式和企业管理模式提供了可能。但对于以价格为首选条件的场合，系统规模较小、控制对象分布比较集中的场合，以及没有扩展设备智能诊断和管理要求的场合，现场总线并不一定是最佳选择。发展趋势从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准；二是IndustrialEthernet走向工业控制网络；统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的进展。随着FFHSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。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。在分散型控制系统的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网技术。随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，因此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，因此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。因为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、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。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：①仪表或执行器控制中断的能力；②信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；③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，因此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，这是一种很复杂的技术。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