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产品描述
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1引言
在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，大量的智能设备需要通过网络相互通信，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及管控一体化。
现场总线顺应了现场设备智能化的发展趋势，它以具备数字计算与数字通信能力的现场设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的纽带，构成数字式、双向传输、全分散、多分支结构的控制网络［1］。现场总线的出现适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，并且促使目前的自动化仪表、DCS和可编程控制器（PLC）等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革，导致工业自动化领域的一次更新换代。
从信息集成的角度来看，随着计算机、控制、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场［2］。为实现工业企业的综合自动化，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的集成网络平台，不仅为数据信息的纵向传递提供通道，同时保横向设备间的相互通信。
但是现场总线技术在信息集成方面存在许多不足，现有的现场总线标准过多，仅IEC国际标准就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来，多种现场总线并存已成定局，不同类型的现场总线设备均配有**的通信协议，互相之间不能兼容，无法实现互操作［3］，无法协同工作，也无法实现信息的无缝集成［4］［5］。为了解决同一控制系统中多种现场总线的集成问题，在一些工程中通常是利用某种标准技术（如OPC技术等）开发能够连接其现场总线的接口。但各现场总线标准没有完全统一，需要开发大量的接口才能满足不同工控对象的需要。不少企业为了解决来自不同现场总线厂家产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。
交换式以太网技术的发展，提高了Ethernet的实时能力，使得工业以太网成为一种确定网络［6］，而Ethernet/IP、HSE、PROFInet、iLon等新型现场总线标准的推出，更是为较好的解决多现场总线的集成问题提供了技术基础。
针对目前多种现场总线广泛共存的局面，利用交换式以太网技术，提出了一种适合现场总线工业应用现状的集成方案，并讨论了将其应用于变电站自动化系统的几种典型现场总线技术。
2多现场总线系统的集成趋势
2.1现场总线发展现状
现场总线是从20世纪80年代以来逐步发展形成的。根据IEC定义，现场总线是安装在生产过程区域的现场设备与控制室内的自动控制装置之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。现场总线用数字通信代替了传统的模拟信号传输，大量的减少了仪表之间的连接电缆、接线端子等，降低了系统的硬件成本；它不仅可以传输正常的测控信号，而且还可以状态、报警、趋势等附加信息，甚至可以对仪表进行远程编程和维护，因此被誉为自动化领域的计算机局域网［7］。
由于现场总线技术所蕴涵的巨大经济潜力，世界上不少公司投入了大量的人力、物力、财力*的进行技术研究和应用研究，目前形成了100余种各具特色的现场总线，其中宣称为开放型的总线就有40多种，由此引发了现场总线的国际标准大战。尽管经历了多年的努力，但IEC于2000年通过的现场总线标准却容纳了IEC61158（FF的H1）、ControlNet、Profibus、PNet、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFip、InterbusS等8种互不兼容的协议。异构现场总线互连和互操作的问题并未得到解决，用户仍要面临现场总线系统的选择和集成，需要花费大量的精力去解决不同标准系统之间的信息交互问题。另外，传统现场总线的通信速率大都较低，在某些场合无法满足工业网络成倍增加的数据通信量的实时性要求［8］。
2.2集成是现场总线的必然趋势
由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到了广泛应用。各种现场总线代表着不同公司多年的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重不同，各有特色，各有相应的应用领域。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线能够完全适用于所有的应用领域［9］。尽管工业以太网因其无可比拟的优势进入现场控制级已成为发展趋势，但至少现在看来，它难以完全取代现场总线而成为实时控制通信的单一标准［10］。因此，多种现场总线共存的局面将在一个很长的时间内存在。在由多种不同类型的现场总线构成的系统中，各种现场总线产品由于协议的不同而无法相互通信，严重妨碍了用户的选择。对用户而言，如果一个系统中每一个智能化产品均选择其**的通信卡或通信控制器，系统的组态性和灵活性将很差，而且改造升级的成本会很大。
随着工业以太网技术的发展，各现场总线相继推出了捆绑以太网的新一代现场总线技术和产品，以期建立能够让多种现场总线协同工作的控制系统。如Rockwell公司推出了由Ethernet、ControlNet、DeviceNet层总线构成的Ethernet/IP；FF则摒弃了原有的高速总线H2，从1998年开始制定HSE标准；Siemens公司也推出了PROFInet解决方案。这些新型现场总线技术均采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准以及TCP/IP协议组，使用标准以太网传输介质和连接设备，且兼容上一代现场总线系统甚至DCS。不难看出，多种现场总线集成起来协同完成工业企业的测控任务，是目前自动化系统供应商抢夺市场的重要策略，只有这样才能适应目前现场测控设备多态性和用户需求多样性的需要，较大限度的保护用户的利益。
3多现场总线集成的解决方案
3.1交换式以太网技术
众所周知，以太网具有全开放、、带宽高、稳定性和可靠性高、应用广泛、共享资源丰富等优点，将其应用到工业网络已经成为国内外工业控制领域研究的热点。但传统以太网的层协议为CSMA/CD，各个节点采用1坚持BEB（Binary exponential backoff）算法处理冲突，具有冲突时延不确定的缺陷［11］，使之无法在工业实时控制系统中得到有效的应用。
随着IT技术的快速发展，Ethernet的传输速度已经从10 Mbit/s提高到100 Mbit/s，以致目前的1 Gbit/s，使得冲突时间大大缩短；而交换式以太网技术的发展，则为彻底解决以太网通信的非确定性问题带来了希望。交换式以太网通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路，在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个**的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道，使不同设备之间产生冲突的可能性大大降低，网络传输的确定性问题得到了妥善解决［12］。
3.2多现场总线集成系统
在工业网络中引入现场总线，就是在工业现场建立一条高可靠性的开放式数据通信线路，以实现各种智能设备之间以及智能设备和监控单元之间的数据交换。现场总线技术不能实现统一的一个重要原因，就是因为采用了不同的网络技术。由于每种现场总线已经获得很多厂家的支持并拥有众多用户，运用单一的网络技术来实现现场总线的统一已不可能［13］。将交换式以太网技术引入工业控制系统，融合现存的多种现场总线，可构成如图1所示的一种多现场总线集成系统。
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