现场总线国际标准的形成过程及现状

    现场总线是用于工厂自动化领域的开放互连系统。开发这项技术首先必须制定相应的统一标准。    1984年，美国仪表协会下属的标准与实施工作组开始制定现场总线标准，1985年国际电工技术委员会(IEC)提出组建工作组负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作，并于1988年立项，由此拉开了现场总线标准制定及产品开发的序幕。    例如：1987年由西门子公司等13家企业和5家研究机构联合开发，1989年批准为德国工业标准DIN 19245 (PROFIBUS-FMS/-DP)；1996年批准为欧洲标准EN50170 V．2(PROFI-BUS-FMS/-DP)，1998年PROFIBUS-PA批准纳入EN 50170 V.2(PROFIBUS-FMS/-DP/-PA)。在欧洲形成的EN50170的标准体系，还包括有：P-Net（丹麦）、PROFIBUS（德国）、World FIP（法国）、Control Net（美国）。    同时IEC TC65的各工作组积极开展工作，其目标是制定用于过程自动化（连续生产过程）和工厂自动化（离散生产过程）的单一现场总线标准。虽然经过多年的努力，进行多次国际投票，但是在1998年投票时，由于当时的IEC 61158只包含了用于过程自动化部分的总线标准，因此没有通过投票，而只形成IEC 61158(TS)的工作报告。此后，经过国际协商，专家们认识到，以一种现场总线技术适应各行各业的自动化需求是不现实的。最后通过协商、妥协，于1999年底IEC TC 65（负责工业测量和控制的第65标准化委员会）通过了包含8种类型的现场总线的IEC 61158作为现场总线国际标准，并于2000年正式发布。此国际标准( 2000)所包含的8种类型的现场总线分别为：    ·类型1 IEC技术报告（以FF的H1为原型）；    ·类型2 Control-Net（美国Rockwell公司支持）；    ·类型3 PROFIBUS（德国西门子公司支持）；    ·类型4 P-Net（丹麦Process Dats公司支持）；    ·类型5 FF HSE（即原FF的H2 Fisher-Rosemount公司支持）；    ·类型6 Swift Net（美国波音公司支持）；    ·类型7 World FIP（法国Alstom公司支持）；    ·类型8 Interbus（德国Phoenix contact公司支持）。    由于2000年IEC 61158标准的发布比较仓促，又由于现场总线技术的发展必须满足用户的新要求，于是在此后各类型总线协议的提出者又分别做了修改、完善和补充，现在已进入第3版。根据最新的IEC/TC65C文件，该标准目前包括10种协议类型，除以上所说的8种外，增加了：    ·类型9：FF应用层；    ·类型10: PROFInet（工业以太网）。    1．IEC 61158的优点    1)其模型明确区分了各层的服务、接口和协议的规范。每一层都为上一层提供必要的服务，每一个服务定义该层应该完成的事务，而不管上一层如何访问它和该层如何工作；某一层的接口规定上一层如何访问它，并定义需要何种参数以及期望的结果等，它与该层如何工作也无关；在某一层中使用的对等协议是该层的内部事务，它可以使用能够完成该层工作任务的任何协议，而协议的改变不应对它的上下层产生影响。这种模型的思想与面向对象的编程技术非常吻合。    2)为了提高协议的效率和降低协议处理的开销，IEC 61158没有完全遵照OSI（开放系统互连）的7层协议结构模型，而是采用了3层结构的简化模型，这样提高了网络的通信流量，缩短了传输时间，从而满足了网络实时响应的要求。    3)在OSI参考模型的基础上增加了用户层的概念，用于解决不同制造商产品的相互通信等问题。    2．IEC 61158的不足之处    1)标准文本多达4500余页，且整个标准不是一个完整的有机体系，只是将10个协议的内容按照一个模型结构拼合起来而形成的。因此，要想读懂IEC 61158的全部内容是十分困难的，甚至要从该文本中获得有关某种协议类型的完整内容也是很不容易的，更不用说按此标准来开发产品了。    2)该标准没有很好地考虑其中所包含的10种总线之间的互连问题等。在这10种类型的现场总线中，类型4 (P-Net)和类型6(SwiftNet)现场总线是用于有限领域的专用现场总线；类型2( Control Net)、类型3(PROFIBUS)、类型7(WorldFIP)和类型8(Interbus)现场总线是由PLC为基础的控制系统发展而来的现场总线，类型2(Control Net)只是监控级总线，类型8 (Interbus)仅是现场设备级总线，类型3和类型7则包含监控级和现场设备级两个层次的总线；类型1（相当于FF的Hl低速总线）和类型5（FF HSE高速总线）是由传统DCS发展而来的现场总线。    此外，LonWorks、CC-link等一些现场总线虽然没有被列入IEC 61158标准中，去口仍然得到了一定的应用。今后一段时间内仍将是多种现场总线并存发展、相互竞争的态势，选用哪种现场总线，将由市场和用户来决定。    IEC 61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败，使一部分人自然转向了在IT行业已经获得成功的以太网技术。因此现场总线标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。将现场总线与以太网相结合，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成，现已成为一种趋势。目前3种重要现场总线技术的制定者，已分别提出了各自的解决方案。    1)Ethernet/IP：Ethernet/IP是Ethernet Industrial Protocol的缩写，是以Rockwell公司为主的开放式DeviceNet规划师协会(ODVA)提出的，作为类型1的补充。    2) PROFINET：PROFINET是以西门子公司等推出的一套在自动化领域使用工业以太网以及使工业以太网与PROFIBUS等现场总线有机互连的解决方案，实现工厂的纵向和横向信息的集成。PROFINET现在已经成为IEC 61158现场总线标准的类型10的标准。PROFINET是将工业以太网应用于现场总线，其标准同样参考了ISO/OSI的7层模型。其中第1层（物理层）和第2层（数据链路层）应用了工业以太网的成果。例如，双绞线传输，全双工发送、接收，应用网络交换机、( Switch)，网桥（Bridge）等。其工作原理是CSMA/CD（带碰撞检测的载波侦听多址访问）。在第3层（网络层）和第4层（传输层）中，将TCP/IP的数据格式嵌入以太网的数据区内，因此可以执行功能强大的TCP/IP，并在应用层中提供各种服务，例如，应用于电子邮件的SMTP访问，应用于3W浏览器的HTTP服务，传输计算机文件的FTP服务，允许在网络中分配COM目标的DCOM服务，以及简单网络管理协议的SNMP服务等。    总之，PROFINET是与以太网100%兼容的，使用全双工模式(Full Duplex Mode)和应用交换机( Switch)技术，传输速率达到100 Mbit/s的现场总线。    有关PROFINET的更多内容，请参看第6.4节“PROFINET现场总线的基本知识”。    以上2种现场总线与以太网相结合的技术都是最近几年提出的，这是网络化浪潮在工业界的表现。以太网的兴起发生于历时10多年的现场总线大战之后。种种迹象表明，工业以太网协议的标准化可能也会经历相同的历程。由于现已协调到三或四种上层以太网协议，因此与以前的十几种现场总线之争相比，争夺领先地位的较量要缓和些。    现场总线是专为工业现场层设备通信设计，是为自动化量体裁衣的技术。以太网设计的初衷是办公网，用于数据处理。从技术比较出发似乎很容易得出结论。但技术发展受社会政治、经济影响，市场因素很大程度左右技术走向，回顾计算机发展历史，这种先例不胜枚举。因此，以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主体技术，特别是采用TCP/IP可与互联网连接，更是未来制造业的技术基础。在设备层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也会有部分市场。但是，在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。