工业以太网在现场总线控制系统中的应用

一、前言

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。

然而就在人们沸沸扬扬的对FCS进行概念炒作的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时

控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式,在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型以太网—工业以太网。

二、工业以太网的研究现状

近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的发展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。

1、以太网集线器　　

FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采用星型拓朴结构，如图1所示。图中集线器（HUB）置于网络中心并通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和普通现场仪表（通过通道组）分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速(约100 kHz)扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层控制器。


图1 网络星型拓扑结构
  
通常普通控制算法在现场控制器中进行（可由上层控制器下载），而高级控制算法则在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，所以保证了实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。

集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网I/O口，并为之提供数据缓冲区，这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。

经验证这种采用以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时间控制在200纳秒的范围之内，这已足以满足多数场合的实时控制要求。

2、在以太网的协议中加入实时功能　　

一些FCS的生产商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在开发自己的工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”，它其实仅仅是在设备中加入特殊的协议芯片，这里不做具体介绍。

3、工业以太网的研究课题　　   

上述研究工作的进展为以太网进入FCS提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大的网络优势，以满足现代工业控制中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的需要，还有待于研究工作取得更大的突破性进展。目前的研究工作应集中解决以下两个方面的问题：

（1）尽快推出 FCS国际标准当今的FCS领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面。其中有影响的为Intel公司的Bitbus、德国的HART和Profibus、丹麦的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和横河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks等。这种混乱局面是由于各大厂商为了抢占市场急于推出自己的产品，而FCS的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使各厂家推出的FCS成为一个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都很差。FCS的用户强烈呼吁尽快出台FCS的国际标准，以期望实现FCS的“世界大同”。

1994年6月WorldFIP和ISP联合成立了FF，它包括了世界上几乎所有的著名控制仪表厂商在内的100多个成员单位，致力于IEC的FCS国际标准化工作。但由于部分成员为了自身利益，力图阻止FCS的国际标准出台，形成了FF的FCS国际标准难以“一统天下”的令人担忧的局面。解决这一问题的途径是：一是要求FF在其国际标准中推出完善的用户层和严格的互操作性的产品认证；二是提高用户抵制非国际标准的FCS的自觉性。

（2）工业以太网向FCS现场级的延伸必须指出，图1所示的工业以太网FCS中，其现场级总线的传输速度并不理想，这是因为工业以太网还只是在上层控制网络中应用，而许多厂商出于安全考虑，在许多技术问题没有解决之前，现场级尚未使用工业以太网，所以FCS总体的传输速度没有什么质的飞跃。为了实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通讯协议之外，还需要解决网络的本安、现场设备的冗余和通过以太网向现场仪表供电等技术问题。

作者认为，在保留FCS特色的基础上解决上述问题才能使工业以太网具有生命力。

三、工业以太网的应用实例

Bayer AG公司最近在其生产高度腐蚀性产品的化工厂中成功的在原现场总线（Profibus）的基础上应用工业以太网的控制网络，并且把所有的现场设备、控制器件和个人计算机工作站集成为一个高度可靠、低耗和实时的控制系统,系统最大限度使用了数字化通讯和分布式计算技术，其结构如图2所示。


图2

图中主要的现场设备通过GE Field I/O连到控制系统，每个Field I/O可直接连接超过20个Foxboro Micro-I/A现场级控制子系统。Field I/O和Micro-I/A安装在靠近现场的全封闭式安全柜中。Micro-I/A可进行逻辑控制、批量控制和连续控制。现场仪表通过Field I/O设备连到工业PC上（所有设备由西门子公司提供）。它除了进行逻辑控制和安全互锁外，还能实现过程点所要求的普通控制算法。工业PC通过工业以太网和装有Microsoft Windows NT操作系统的工作站进行通讯，在工作站

保存高级控制算法，其控制输出通过以太网下载到需要高级控制运算的现场仪表。Foxboro"s I/A系列工业软件在工作站可为用户提供报警、数据趋势、历史记录、分析、报告和为操作者专门设计的可视化界面。

四、结束语

工业以太网的介入为FCS的发展注入了新的活力，随着FCS国际标准的推出以及有关技术问题的突破性进展，一个代表21世纪潮流的工业以太网的现场总线控制系统时代就会到来。