现场总线的危机和机遇.doc

1、现场总线的危机和机遇朱守云(上海电器科学研究所 上海 200063 Tel:021-62574990-268)摘 要: IEC61158 现场总线国际标准于 1999 年 12 月通过,有 8 个类型,IEC62026 于 2000 年 6月通过,有 3 个类型,加上 ISO 的两个 CAN 国际标准。因此已经有 13 个现场总线国际标准面世.实际上现场总线作为国际标准的意义已经不大,真正的现场总线危机已经开始,本文就这些问题展开讨论.关键词: 现场总线、标准0. 前 言现场总线的讨论，关系到企业的重大投资的决策问题，以往的讨论是为了支持那一种现场总线，然而，现在工业界的现场总线格局已经有了根

2、本的变化，因此我们看问题的角度，技术路线都应该作相应变化,。现场总线的国际标准问题已经整整制定了 15 年,是现场总线领域的最主要焦点.现在局面已经明朗:IEC61158 现场总线国际标准于 1999 年 12 月通过,IEC62026 于 2000 年 6 月通过。(CAN 总线原来已经是 ISO 的国际标准)但是总共 13 个现场总线国际标准的面世,(IEC61158 有 8 个,IEC62026 有两个，CAN 两个)不但使局面更加复杂,而且作为规范和引导技术发展的国际标准来说，意义已经不大。需要指出的是：13 个现场总线的国际标准并存这一事实，对整个现场总线领域造成了冲击，前几年讨论支

3、持那一种现场总线的问题已经没有意义！可以说真正的现场总线危机已经开始,有危机就有机遇;认清危机,分析趋势,把握机遇,已经摆在我们面前,本文就这些问题展开讨论1 现场总线国际标准我们可以从现场总线的演变和竞争中看出发展的总趋势。11 IEC61158 的制定1984 年 IEC 提出现场总线国际标准的草案。1993 年才通过了物理层的标准 IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。发展 61158 现场总线的本意是“排他的和联合的” ，各自独立的“ 现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，Interoperable Syst

4、em Project,可互操作系统规划,是一个以 Profibus 为基础制定的现场总线国际组织)和法国派（WORLD FIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于 IEC无法通过国际标准。1994 年 6 月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP 和World FIP 成立了 FF(Fieldbus Foundation,现场总线基金会), 推出了 FF 现场总线。IEC投票的文本就是以 FF 为蓝本的方案。这是现场总线发展的主流方向。由于 FF 的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含 PROFIBUS）和 WORLD FIP。它的成立导致了德国派

5、 ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对 IEC 的方案，并且可以友好地与 IEC 方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派 PROFIBUS 因为与 FF 的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对 IEC 方案以保住市场份额。但是 PROFIBUS 提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对 FF，国际上的现场总线之争已经演变成为 PROFIBUS 的德国派与以 FF 为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业利益，如最能说明问题的是最主要的反对

6、者西门子公司（PROFIBUS 主要成员）也参加了 FF。这种具有特殊意义事实已经说明了 PROFIBUS 要与 FF 对抗在技术上处于明显的劣势。因为德国派的反对,数据链路层和其它层在 1998 年 9 月 30 日投票失败（赞成票 68，反对票 32，），这样 IEC61158 就只能作为技术报告出版。但是事情并未了结，美法等国立即提出了提案，要求对反对票的技术理由进行审议。1998 年 11 月 15 日 IEC、SC65C 下发了文件，要求对德国等 6 国的反对票是否含有技术理由进行表决。1999 年 1 月 29 日以 63的结果支持美法提案。1999 年 6 月 17 日 IEC

7、执委会否定了德国等 6 国的反对票，重新计票的结果使原 61158标准得以通过。IEC 执委会另一个决定是允许其他 12 个现场总线作为子集进入61158（意味着允许 Profibus 有条件地进入国际标准）。将在 1999 年的 10 月下旬发布修改的 61158 文件草案，12 月投票。如否决，原来的 61158 方案将在 1999 年年底成为出版物（意味着 Profibus 的利益方如继续反对的话将被排除在国际标准之外）。经过有关各方的共同努力和协商妥协，在 1999 年年底的投票表决中，经过修改后加入Control Net 等 7 种协议的 IEC61158 国际标准已经正式获得通过。

8、投票情况如下：P 成员（即有投票权的成员）投票 29 个，其中 25 票赞成，4 票反对（法国、加拿大、日本与俄罗斯），1 票弃权（意大利）。在现场总线国际标准 IEC61158 中，采用了一带七的类型，即：类型 1 原 IEC61158 技术报告（即 FF H1）类型 2 Control Net（美国 Rockwell）公司支持类型 3 Profibus（德国 SIEMENS 公司支持）类型 4 P-Net（丹麦 Process Data 公司支持）类型 5 FF HSE（即原 FF H2， 美国 Fisher Rosemount 公司支持）类型 6 Swift Net（美国波音公司支持）类

9、型 7 WorldFip（法国 Alstom 公司支持）类型 8 Interbus（德国 Phoenix contact 公司支持）目前 61158 的基本原则是不改变原来 61158 的内容，作为类型 1 不改变各个子集的行规，作为其他类型，并对类型 1 提供接口12 关于 IEC62026 的情况IEC62026 的情况就没有那么复杂，它的构成如下：IEC62026 1 一般要求 General Rules(in preparation)IEC62026 2 电器网络 Device Network(DN) IEC62026 3 操动器传感器接口 Actuator sensor interf

10、ace(ASI)IEC62026 4 协议（规约）LontalkIEC62026 5 灵巧配电系统 Smart distributed system(SDS) IEC62026 6 多路串行控制总线。Serial Multiplexed Control Bus(SMCB)另外 IEC17B 又发出一个 NP 文件“Device Word FIP电器网络“1998 年 4 月投票失败尚未成为 IEC62026 系列的 CD 文件。而 Interbus 努力成为第 7 部分。2000 年 6 月以下文件将进入最后一轮投票，并通过， （即将出版）IEC62026 1 一般要求 General Rul

11、es(in preparation)IEC62026 2 电器网络 Device Network(DN) IEC62026 3 操动器传感器接口 Actuator sensor interface(ASI)IEC62026 5 灵巧配电系统 Smart distributed system(SDS) 1 3 ISO11898 和 ISO11519现场总线领域中，在 IEC61158 和 62026 之前，CAN 是唯一被批准为国际标准的现场总线。CAN 由 ISO/TC22 技术委员会批准为国际标准 ISO11898（通信速率IMbps）和ISO11519（通信速率125Kbps） 。CAN

12、总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有 CAN 接口的微处理器（MCU）芯片。带有 CAN 的 MCU 芯片总量已经达到1 亿 3 千万片（不一定全部用于 CAN 总线） ；因此在接口芯片技术方面 CAN 已经遥遥领先于其他所有现场总线。需要指出的是 CAN 总线同时是 IEC62026 2 电器网络 Device Network(DN) 和IEC62026 5 灵巧配电系统 Smart distributed system(SDS) 的物理层，因此它是 IEC62026最主要的技术基础。2 危机分析21 体系的根本改变：1999 年 6 月 17 日 IEC 执委会决定允许其

13、他 12 个现场总线作为子集进入 61158，也许是为了在确立 IEC61158 原技术报告的主导地位的同时，缓和一下 Profibus 的严重对立的局面来共同发展现场总线。但是，IEC61158 的结构由一个现场总线变成一带七的类型并不是简单的组合，它导致了现场总线体系的根本改变！一个显而易见的事实是 15 年来致力于建立统一（单一的）现场总线国际标准的努力已经告一段落，新的体系开始建立。因此我们的技术观点和技术路线必需作根本的改变，否则行业乃至企业将蒙收巨大损失！目前 13 个现场总线分为三种类型，61158 是一带七的类型，是主流；62026 是分层结构 ASI 最低层（开关量），DN

14、和 SDS 为上一层（设备层，开关量和模拟量），并且 DN 和SDS 之间的关系并不明朗；CAN 总线则自成体系。从技术路线而言，以前国际标准走的是统一或单一的技术路线，因此那时候我们讨论的是支持那一种现场总线，现在再讨论这个问题已经没有意义，因为目前国际上支持 13 个总线。现在，我们的重要任务是：A：13 个现场总线不可能同步发展，也不可能同时淘汰，但是肯定有先淘汰的。在这方面我国有过教训，立项开发 HART 现场总线，产品还未问世即告淘汰。因此我们要研究那些总线在技术上已经落后，避免继续投入，B：目前发展 13 个现场总线的重点是解决面对多总线的体系，关键是总线间的接口C：现场总线最终是

15、要走向建立统一（单一的）现场总线，新的技术方案将会解决这一难题，因此要关注现场总线领域中发展最快的新技术22 这个体系是可以维持的吗？Profibus 从 1999 年 10 月进入现行 IEC61158 方案已经一年，它在规定的“对类型 1 原 IEC61158 技术报告（即 FF H1）提供接口”工作方面进展缓慢。特别是市场上，将IEC61158 一带七的类型构成的系统颇为罕见。事实上 Profibus 如果与 IEC61158 类型 1 不能构成一个系统，或者市场不接收这样的系统的话，那么现场总线一带七的格局最终不能确立。笔者在 1999 年 10 月的中国电工技术学会工建委华东年会上就

16、指出了这个问题（当时新 61158 文本刚刚提交）。要维持一带七体系的关键是技术层面是否能保证。从技术面来看，一带七本身就是矛盾，而且是很难解决的矛盾！因为即使提供了理想的接口，也不可能解决不同总线间的冲突，一个显而易见的事实是，如果这个矛盾可以解决的话，现场总线就不会有 15 年你死我活的竞争！例如：Profibus 是典型的主从型结构，而主从型结构中，一旦主机出问题，毫无疑问将导致这个控制系统全面瘫痪；因此主从结构存在“危险集中”缺陷。我们还记得“ 集中控制的中央控制系统” 退出历史舞台的根本原因也是“ 危险集中 ”。很遗憾，没有看到 Profibus组织在这方面作出有效的努力，同时 61

17、158 的一带七结构中，虽然类型 1 采用的是先进的客户服务器模型，但是它也不可能解决“接口” 以下的主从结构“ 危险集中”问题。所以说 61158 一带七的体系是一条颇为艰难的道路。23 封闭型现场总线将起死回生，将成为最生机勃勃的现场总线领域目前似乎有一种误解：误认为只有开放的现场总线才是现场总线，这是错误的。IEC 对现场总线的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”由此可见开放与否并不是必要技术特征，其实开放的本质是商业行为！其实大部分封闭型现场总线是相当有生命力的。231 三种现场总线：专用的，开放的，和标准的

18、1）专用的，封闭的现场总线：所谓的专用的现场总线是由各家控制系统公司、计算机公司、科研院所、大专院校自行研制的现场总线控制系统。往往是针对某一具体项目的定向设计，适应面比较窄，在它们自己的范围内都可以做得很好，很理想，但是在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都比较困难。专用的现场总线近年来逐渐向三个方向发展：第一是走向封闭的系统，以保持市场份额。其次是走向开放，建立独立的现场总线系统，第三是过渡到开放系统乃至标准的现场总线系统，如通过接口连接上去，成为一个子系统，这是一个相当有前途的发展方向。2）开放的现场总线：这类现场总线主要有 FF、Profibus、LON works、Worl

19、d FIP、Device Network、Modbus、CCLINK、AS-I、InterBus。一些是无条件开放，如 Modbus，相对比较简单，另一些（大部分）是有条件开放，仅对成员开放。3）标准的现场总线：IEC61158、IEC62026、ISO11898 和 ISO11519、欧洲标准 EN50170（由PNET、Profibus、World FIP 各自独立的三部分组成）详见前述232 封闭的现场总线的优势：一般的封闭的现场总线面向的对象比较简单，成本相当低，规约简单而实用，可靠性高，其实从控制角度来看专用的封闭的现场总线在各方面都有较强的优势，这也是许多公司不愿放弃专用总线的原因

20、之一。在一些专业性较强，相对比较封闭的行业来说，封闭的现场总线的具有相当强的优势。譬如低压电器行业的断路器基本上是封闭系统的天下。从国际上几个大公司来看都是如此：法国施耐德公司的 M 系列原先用开放的 BATIBUS 协议，现在用封闭的现场总线通过一个接口来与上层的 Modbus连接。德国西门子公司的 3WN6 用自己内部的协议通过一个接口来与上层的 Profibus 连接。GE 公司和卡特拉.汉姆(西屋)公司甚至完全是封闭的系统233 封闭的现场总线与开放的现场总线的关系IEC61158 用了一带七结构，如前所述，总线之间的连接是困难的，最根本的原因是是这些总线太复杂，冲突在所难免。但是“潘

21、多拉宝盒” 已经打开既然七种复杂的总线可以通过接口连接，那么“简单的封闭的总线为什么不能通过接口连接上去呢！”。事实上，法国施耐德公司和德国西门子公司都这样做了，而且做得很成功！从技术上来看，专用的封闭的现场总线通过接口是很容易连接到开放的总线上去的。24 现场总线的最终发展方向原 61158 的 15 年的争执、FF 的崛起、ISP 的自动消亡、Word FIP 向 FF 的“无缝连接”、以及 1999 年 6 月 17 日 IEC 执委会否定了德国等 6 国反对票使 61158 标准得以通过的努力都表明了工业界现场总线的主流。即使是一带七的类型也确立了类型 1（IEC61158 原技术报告

22、）是主导地位的格局。因此统一的甚至单一的现场总线是最终发展方向，现在的问题在于以什么方式统一！工业界已经在作这方面的尝试。下面介绍几个例子，这也许是我们的机遇。3 介绍几条新的技术路线随着形势的急剧变化,我们前两年讨论的一些观点已经过时,一些具有强大生命力的新协议发展迅速而且以完全不同的方式进行新的开拓,因此对我们会有一定的启迪。3.1 BACnetTM (A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks,楼宇自动化控制网络数据通讯协议) 它是由美国供热、制冷与空气调节工程师协会（ASHRAE）

23、的标准项目委员会 135P（SPC 135P）于 1995 年 6 月通过的标准，主要在智能建筑中使用，效果良好。由于智能建筑面对的控制对象远比纯粹的工业控制要复杂，它对现场总线的适应性要求也相当高，它的策略是建筑在一些主流现场总线标准的基础上，发挥各种现场总线的优点，充分考虑智能建筑的控制网络的任务，是一个比较优秀的协议。BACnet TM 包含了多种底层协议，最为显著的优点是经济性特别好，具有很好的“性能价格比”减少投资。而经济性正是现场总线最诱人的市场价值。它的模型见下表OSI 模型 BACnetTM 模型应用层 BACnetTM应用层网络层 BACnetTM网络层数据链路层 ISO88

24、022（IEEE 802.2） MS/TP(主从、令牌)PTP（点对点）物理层 ISO88023（IEEE802.3）ARCNET EIA485（RS485）EIA232（RS232）LONTALK32 OPC（OLE for process control）和 ODAS（Open Data Acquisition Standard）OPC现代工业控制软件互操作标准，是 1996 年秋天刚刚问世的新技术，是现场总线领域中发展最快的技术。OPC 基金会建立了一套标准的 OLE/COM 接口协议，它是建立在Microsoft 的 OLE/COM 技术上的规范，采用了先进的客户服务器模型。它的特点是

25、把硬件供应商和软件供应商分离开来，各自只对数据的格式负责，这样它就把现场总线最恼人的数据链路层的问题摔到一边去了。它可以采用统一的方式存取不同硬件生产商的设备，实现“互操作” 。它也许是现场总线最终走向统一的一种重要的途径。1998 年 11 月 10 日一些厂家宣布成立 ODAA（Open Data Acquisition Association，开放式数据采集协会） ，公布了 ODAS（Open Data Acquisition Standard，开放式数据采集标准）它比 OPC 走得更远，它有两个关联标准：一个是 OPC，另一个是IVI（Interchangeable Virtual I

26、nstruments）以及输入输出设备 PCPI，它进一步在软件和硬件方面实现真正的“互操作” ，因此它的生命力及其强大。有关内容另外撰文介绍。4 结论综上所述，现场总线的发展比我们想象的要快得多，专用的，封闭的现场总线以本文第三部分介绍的 BACnetTM OPC 和 ODAS，方式发展，就可能对目前的现场总线体系造成巨大的冲击。计算机技术领域，通讯技术领域技术更新的速度是惊人的，同样我们应该记得著名的王安电脑公司的几乎在一夜之间的倒闭，我国开发 HART 现场总线，产品还未问世即告淘汰的教训。对于目前已经投入现场总线产品开发的企业来说，应该认真地研究一下了，如果继续在那些“古老的”现场总线上继续投入的话，风险将大大高于希望。