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从应用角度看现场总线标准和工业以太网 北京和利时系统工程股份有限公司 罗安 2005年10月 一、仪表控制的历史发展趋势 仪表控制从装置发展到系统 促成这个转变的关键技术是信号传输技术，这实质上是一种原始的通信技术。 控制功能的加强，人对过程观察和控制的手段加强、范围扩大。数字技术成为主导 功能的提升、范围的扩大提高了对通信的要求，计算机介入控制系统更使数字化的网络通信方式成为系统最基本的要求。 系统规模的扩大，信息量急剧膨胀 现场层的数字通信势在必行，这是实现全数字化控制系统，实现全系统信息化需要攻克的最后一个堡垒。 二、通信标准成为促进发展的关键 多台设备互连需要统一的通信协议 在同一个系统中要使用多个厂家的产品，这些产品的互通、互连、互操作，必须有统一的通信协议 为保护用户投资，新产品必须兼容老产品，因此要执行前后一致的标准 在使用上，各个厂家的产品应该有尽量一致的安装、使用方法和维护手段，以便于更多的用户学习和掌握 标准的特点 指向性——明确而且具体地规定产品性能、功能、参数。一个具体标准的作用域必须明确 唯一性——同一作用的标准只能有一个 公开性——便于执行和检验 普适性——在标准的作用域范围内普遍适用 系统性——有关联的标准之间不能出现矛盾 兼容性——改进、扩充或升级的标准必须兼容原标准 一致性——符合同一标准的产品能够互换、互操作 易执行性——符合当前技术、工艺水平 可验证性——用简易可行的方法验证标准的符合性 灵活性——在符合标准规定的条件下给厂家最大的设计和实现技术的发挥空间 好的标准应该起到促进产业发展和推动技术进步的双重作用 模拟仪表的通信标准 20－100kPa（气动仪表） 0-10mA电流信号 1-5V等电压信号 4-20mA电流信号 现场通信数字化的优势 数据量大、种类丰富 数据的精确度、稳定度提高，无传输损失 可满足实时条件下的数据共享 大系统布线工程的简化 仪表调校的准确性、稳定性和方便性，可在线、远程调校 仪表的远程、在线自诊断，随时掌握设备的完好状态 可使用多种物理传输介质：铜线、光缆、无线… 可借助信息技术形成整个企业从最底层到最高层的完整统一的大系统 现场仪表（传感器、执行器等）走向数字化是大势所趋 现场通信数字化存在的问题 与模拟通信相比，技术复杂性大大增加了，尤其是形成全企业完整的一体化系统之后 网络通信方式从本质上比模拟信号通信方式的实时性差很多 大量信息通过一条网线传输，增加了故障危险性 数字系统的容错性比模拟系统差 网络强大的互连能力造成底层和高层之间的耦合非常紧密，互相牵扯、互相影响，使标准化的难度大大增加 掌握数字化的通信网络，学会安装、使用、管理、维护，需要现场人员具有较高的知识、技术水平 从模拟技术转向数字技术是一场革命性的改变，运行管理模式、设备、人员等都要有根本性的改变，可能需要很长的过渡时期 目前还没有统一的通信标准 三、当前现场总线的多标准局面及形成原因的探讨 多个标准化组织、多个现场总线标准： IEC 61158-2：10种现场总线标准 ISO 11898（CAN） IEEE 1473（LON Works） SEMI E54.12（CC-Link） 多个在不同领域使用的事实上的标准： MODBUS HART Power Link 多标准造成各个厂家的产品之间不能实现互通和互操作为什么出现多标准并存的局面？——技术方面和市场方面的原因 技术方面的原因： 现场总线是一项新技术，正处在“百花齐放”的时期。 新的数字技术与模拟技术相比，可以实现更多更强大的功能。 仪表和执行器层的通信在数字化后已不仅仅是物理信号的传输，还包括了许多控制与管理的内容。 仪表和执行器层的通信在数据的数量上大大增加、内容上大大丰富了，任何规约都不能面面俱到。 数字化的仪表和执行器能够满足更多领域的应用需求，但一种规约难以满足各种不同应用的需求。 功能的加强和应用领域的扩大使得产品带上了系统的性质，产品的复杂程度增加使标准化的难度大大增加。 在这样的技术背景下，形成统一标准的过程将十分漫长。 市场方面的原因： 现场总线意味着仪器仪表行业的全面升级换代，这是一个巨大的未来市场 技术上的复杂性和难度使得实力强大的大公司看到了垄断市场的机会 实现垄断的方法是保持高的技术门槛并推出自己独特的产品 现场总线数字化、信息化和系统性的特点，底层和上层紧密耦合的特点成为保持高技术门槛的有利条件 目前的多标准并存局面无法起到促进产业发展和推动技术进步的作用 四、是否存在形成统一现场总线标准的可能性？ 明确划分和定义应用的功能层次，降低各个层次之间的耦合度是关键 直接控制层 监督控制层 行业应用层 企业管理层 企业经营层 明确定义功能层次之间的接口关系，进而定义出连接功能层次的网络协议 直接控制层和