1引言  在工業(yè)控制領域，隨著儀器儀表智能化的提高和工業(yè)管理自動化的深入，大量的智能設備需要通過網絡相互通信，實現智能化現場設備的功能自治性、系統(tǒng)結構的高度分散性以及管控一體化。 現場總線順應了現場設備智能化的發(fā)展趨勢，它以具備數字計算與數字通信能力的現場設備作為網絡節(jié)點，以總線作為節(jié)點間實現數字通信的紐帶，構成數字式、雙向傳輸、全分散、多分支結構的控制網絡�，F場總線的出現適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網絡化和智能化發(fā)展的方向，并且促使目前的自動化儀表、DCS和可編程控制器（PLC）等產品所面臨的體系結構和功能結構產生重大變革，導致工業(yè)自動化領域的一次更新換代。 從信息集成的角度來看，隨著計算機、控制、通信、網絡等信息技術的發(fā)展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。為實現工業(yè)企業(yè)的綜合自動化，需要建立包含從工業(yè)現場設備層到控制層、管理層等各個層次的集成網絡平臺，不僅為數據信息的縱向傳遞提供通道，同時保證橫向設備間的相互通信。 但是現場總線技術在信息集成方面存在許多不足，現有的現場總線標準過多，僅IEC國際標準就包含了8個類型，未能統(tǒng)一到單一標準上來，多種現場總線并存已成定局，不同類型的現場總線設備均配有專用的通信協議，互相之間不能兼容，無法實現互操作，無法協同工作，也無法實現信息的無縫集成。為了解決同一控制系統(tǒng)中多種現場總線的集成問題，在一些工程中通常是利用某種標準技術（如OPC技術等）開發(fā)能夠連接其現場總線的接口。但各現場總線標準沒有完全統(tǒng)一，需要開發(fā)大量的接口才能滿足不同工控對象的需要。不少企業(yè)為了解決來自不同現場總線廠家產品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。 交換式以太網技術的發(fā)展，提高了Ethernet的實時能力，使得工業(yè)以太網成為一種確定性網絡，而Ethernet/IP、HSE、PROFInet、iLon等新型現場總線標準的推出，更是為較好的解決多現場總線的集成問題提供了技術基礎。 針對目前多種現場總線廣泛共存的局面，利用交換式以太網技術，提出了一種適合現場總線工業(yè)應用現狀的集成方案，并討論了將其應用于變電站自動化系統(tǒng)的幾種典型現場總線技術。 2多現場總線系統(tǒng)的集成趨勢 2.1現場總線發(fā)展現狀 現場總線是從20世紀80年代以來逐步發(fā)展形成的。根據IEC定義，現場總線是安裝在生產過程區(qū)域的現場設備與控制室內的自動控制裝置之間的一種串行、數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡�，F場總線用數字通信代替了傳統(tǒng)的模擬信號傳輸，大量的減少了儀表之間的連接電纜、接線端子等，降低了系統(tǒng)的硬件成本；它不僅可以傳輸正常的測控信號，而且還可以傳輸設備狀態(tài)、報警、趨勢等附加信息，甚至可以對儀表進行遠程編程和維護，因此被譽為自動化領域的計算機局域網。 由于現場總線技術所蘊涵的巨大經濟潛力，世界上不少公司投入了大量的人力、物力、財力全方位的進行技術研究和應用研究，目前形成了100余種各具特色的現場總線，其中宣稱為開放型的總線就有40多種，由此引發(fā)了現場總線的國際標準大戰(zhàn)。盡管經歷了多年的努力，但IEC于2000年通過的現場總線標準卻容納了IEC61158（FF的H1）、ControlNet、Profibus、PNet、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFip、InterbusS等8種互不兼容的協議。異構現場總線互連和互操作的問題并未得到解決，用戶仍要面臨現場總線系統(tǒng)的選擇和集成，需要花費大量的精力去解決不同標準系統(tǒng)之間的信息交互問題。另外，傳統(tǒng)現場總線的通信速率大都較低，在某些場合無法滿足工業(yè)網絡成倍增加的數據通信量的實時性要求。 2.2集成是現場總線的必然趨勢 由于現場總線種類繁多，且各自在不同領域得到了廣泛應用。各種現場總線代表著不同公司多年的研發(fā)投資和市場利益，不同總線的技術側重不同，各有特色，各有相應的應用領域。就目前各種現場總線技術來看，沒有哪種現場總線能夠完全適用于所有的應用領域。盡管工業(yè)以太網因其無可比擬的優(yōu)勢進入現場控制級已成為發(fā)展趨勢，但至少現在看來，它難以完全取代現場總線而成為實時控制通信的單一標準。因此，多種現場總線共存的局面將在一個很長的時間內存在。在由多種不同類型的現場總線構成的系統(tǒng)中，各種現場總線產品由于協議的不同而無法相互通信，嚴重妨礙了用戶的選擇。對用戶而言，如果一個系統(tǒng)中每一個智能化產品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，系統(tǒng)的組態(tài)性和靈活性將很差，而且改造升級的成本會很大。 隨著工業(yè)以太網技術的發(fā)展，各現場總線相繼推出了捆綁以太網的新一代現場總線技術和產品，以期建立能夠讓多種現場總線協同工作的控制系統(tǒng)。如Rockwell公司推出了由Ethernet、ControlNet、DeviceNet層總線構成的Ethernet/IP；FF則摒棄了原有的高速總線H2，從1998年開始制定HSE標準；Siemens公司也推出了PROFInet解決方案。這些新型現場總線技術均采用IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準以及TCP/IP協議組，使用標準以太網傳輸介質和連接設備，且兼容上一代現場總線系統(tǒng)甚至DCS。不難看出，多種現場總線集成起來協同完成工業(yè)企業(yè)的測控任務，是目前自動化系統(tǒng)供應商搶奪市場的重要策略，只有這樣才能適應目前現場測控設備多態(tài)性和用戶需求多樣性的需要，最大限度的保護用戶的利益。 3多現場總線集成的解決方案 3.1交換式以太網技術 眾所周知，以太網具有全開放、成本低、帶寬高、穩(wěn)定性和可靠性高、應用廣泛、共享資源豐富等優(yōu)點，將其應用到工業(yè)網絡已經成為國內外工業(yè)控制領域研究的熱點。但傳統(tǒng)以太網的MAC層協議為CSMA/CD，各個節(jié)點采用1堅持BEB（Binary exponential backoff）算法處理沖突，具有沖突時延不確定的缺陷，使之無法在工業(yè)實時控制系統(tǒng)中得到有效的應用。 隨著IT技術的快速發(fā)展，Ethernet的傳輸速度已經從10 Mbit/s提高到100 Mbit/s，以致目前的1 Gbit/s，使得沖突時間大大縮短；而交換式以太網技術的發(fā)展，則為徹底解決以太網通信的非確定性問題帶來了希望。交換式以太網通過網段的微化增加了每個網段的吞吐量和帶寬，為每個節(jié)點提供了獨占的點到點鏈路，在體系結構上和簡單的點到點的連接完全一樣，每個設備都有一個專用的單獨信道連接到另一個設備，因此不需要競爭底層傳輸信道，使不同設備之間產生沖突的可能性大大降低，網絡傳輸的確定性問題得到了妥善解決。 3.2多現場總線集成系統(tǒng) 在工業(yè)網絡中引入現場總線，就是在工業(yè)現場建立一條高可靠性的開放式數據通信線路，以實現各種智能設備之間以及智能設備和監(jiān)控單元之間的數據交換�，F場總線技術不能實現統(tǒng)一的一個重要原因，就是因為采用了不同的網絡技術。由于每種現場總線已經獲得很多廠家的支持并擁有眾多用戶，運用單一的網絡技術來實現現場總線的統(tǒng)一已不可能。將交換式以太網技術引入工業(yè)控制系統(tǒng)，融合現存的多種現場總線，可構成如圖1所示的一種多現場總線集成系統(tǒng)。 該系統(tǒng)中的現場總線均采用捆綁以太網標準的新型技術，不僅實現各類智能設備的互連，同時負責完成智能設備與上層監(jiān)控單元的數據通信。各種現場總線所提供的以太網應用服務如表1所示。 整個系統(tǒng)的通信建立在Ethernet、TCP/IP和現場總線的混合通信協議之上，通過各種新型的現場總線技術實現高速Ethernet與相對低速的現場總線的互連，以實現上層監(jiān)控單元和現場智能設備的互連和互操作。系統(tǒng)的信息傳輸機制如下：當上層監(jiān)控單元需要向現場設備發(fā)送信息時，它首先基于Ethernet和TCP/IP協議將信息發(fā)送給相應的新型現場總線以太網應用服務（比如PROFInet的代理機制），然后由該服務根據現場總線協議發(fā)送給相應的智能設備；現場設備向上層監(jiān)控單元發(fā)送信息的過程與此相反。 系統(tǒng)中的智能設備主要用于數據的采用、控制的輸出以及實現一些簡單的控制算法。系統(tǒng)的控制功能可以安排在網絡中的任意一臺，或同時安排在幾臺計算機上完成，真正實現了控制功能的全分散和多冗余，系統(tǒng)可靠性大大提高，并可實現多種復雜控制算法。計算機可以利用軟件設計的高度靈活性，虛擬實現多種標準的現場總線站點，并在整個系統(tǒng)中起到核心作用。這樣可以將不同的現場總線集成在一個分布式控制系統(tǒng)中，從而緩解不同現場總線標準統(tǒng)一和互操作的壓力，保護生產廠家和用戶的既有投資。當用戶需要擴充系統(tǒng)規(guī)模時，可以采用任一種類的現場總線，實現多種現場總線的系統(tǒng)集成。由于Ethernet便于實現與Internet的無縫連接，該系統(tǒng)還支持通過Internet進行遠程訪問。 4變電站自動化系統(tǒng)中多現場總線集成 4.1系統(tǒng)體系結構 變電站自動化系統(tǒng)是自動化和計算機、通信技術在變電站領域的應用，通常采用分層分布結構，分為過程級、間隔級和變電站級，其中過程級主要負責現場數據采集、提供I/O接口等；保護測控單元構成分布式間隔級；變電站級主要包括總控單元、公共設備、當地監(jiān)控系統(tǒng)等，同時負責與遠程調度中心交換信息。 由于計算機、網絡通信及電力測控等技術的高速發(fā)展，使得應用于變電站自動化的技術無法統(tǒng)一。雖然現場總線已經在變電站自動化領域有了不少成功的應用經驗，但卻包括了LonWorks、CAN、Profibus等多種互不兼容的現場總線標準，因此有必要集成各種現場總線系統(tǒng)，使其協同工作。 隨著交換式以太網技術的發(fā)展，現場總線控制網絡和基于以太網的數據通信網絡逐步趨于統(tǒng)一，國際電工委員會制訂了IEC61850變電站自動化系統(tǒng)標準，提出了變電站內部間隔級和過程級之間采用開放式、全分布、可互操作性的工業(yè)控制以太網絡全數字通信�；诮粨Q式以太網技術的變電站多現場總線集成自動化系統(tǒng)如圖2所示。為了滿足變電站自動化系統(tǒng)信息交換量較大以及對數據實時性和安全運行的要求，該集成系統(tǒng)采用由監(jiān)控網和錄波網構成的二級網絡結構，監(jiān)控網用來傳送各種控制信息，錄波網則傳送電力系統(tǒng)故障錄波信息。由于主干網采用10 Mb/s或更高帶寬的全雙工交換式以太網，完全可以滿足網上節(jié)點多、數據流量大的需求。原有現場總線系統(tǒng)（如LonWorks、CAN、Profibus等）通過相應的以太網服務與主干網相連，從而實現不同現場總線系統(tǒng)中智能現場設備之間的信息交互。 交互式以太網技術的應用，不僅實現了不同種類現場總線的集成，而且提高了網絡平臺的開放性和可擴展性，使得整個變電站自動化系統(tǒng)可以滿足中、低壓變電站向高壓、超高壓變電站發(fā)展的需求。 4.2幾種典型現場總線技術 4.2.1LonWorks系統(tǒng)的i.LON 1000 新一代LonWorks系統(tǒng)中的關鍵設備是i.LON 1000，它取代了傳統(tǒng)的網關設備而成為連接LonWorks和Ethernet的橋梁。它將LonWorks報文打包，用TCP/IP協議進行封裝，然后在網絡上發(fā)送。當數據包傳送到LonWorks網段時，TCP/IP封裝被拋棄，LonWorks數據包被重新放置在網絡上。從計算機網絡的角度來看，i.LON 1000可以看作是一個典型的IP主機，能夠將控制網和數據網無縫的連接在一起，其內置的網絡服務器允許網絡瀏覽器能夠輕松的獲得監(jiān)控信息，如電壓、電流等網絡變量。i.LON 1000使得系統(tǒng)的安裝、監(jiān)視、故障診斷和維護變得更加容易，網段上各個節(jié)點之間完全連通。 4.2.2Ethernet/IP Ethernet/IP是一種既支持I/O又支持數據交換的開放式工業(yè)網絡，采用以太網交換機實現各設備間的點對點連接，能同時支持10 Mb/s和100 Mb/s以太網商用產品，便于實現大量數據的高速傳輸。Ethernet/IP的協議由Ethernet、TCP/IP和CIP組成，兼容CAN總線采用的DeviceNet協議，可實現CAN總線與Ethernet的信息交互。圖3給出了Ethernet/IP與CAN總線相結合的應用體系結構。 4.2.3Profibus系統(tǒng)的PROFInet PROFInet規(guī)定了Profibus和Ethernet之間的開放、透明通信，它基于標準的以太網連接介質，采用TCP/UDP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網絡尋址。PROFInet采用了先進的對象模型（COM/DCOM），使得整個結構清晰簡潔，便于管理，且可以同時掛接傳統(tǒng)的Profibus系統(tǒng)和新型的智能現場設備。傳統(tǒng)Profibus設備可通過一個代理接口與PROFInet上面的COM對象進行通信，通過OLE自動化接口可實現COM對象之間的調用。 5結束語 由于各種現場總線技術的發(fā)展和相互競爭、各種計算機主流技術在工業(yè)控制領域的滲透和應用以及自動化技術發(fā)展的延續(xù)性和繼承性，工業(yè)現場控制網絡必將長期出現多種現場總線共存的局面。雖然以太網技術在工業(yè)自動化領域的推廣應用勢不可擋，應用范圍也在迅速擴大，但目前不會出現以太網一統(tǒng)天下的局面。因此，如何較好的解決工業(yè)企業(yè)現存的不同種類現場總線之間的互操作問題，使其協同工作，對于實現工業(yè)自動化系統(tǒng)的信息集成具有重大的現實意義。 為了保護用戶的原有投資，同時提供高速以太網的高帶寬數據通道，本文基于交換式以太網技術，提出了一種多現場總線集成的解決方案。該系統(tǒng)不僅可以很好的解決目前控制系統(tǒng)的全分散、全開放和多種現場總線的系統(tǒng)集成問題，而且通過以太網與現場總線在更底層的結合，使得控制系統(tǒng)體系結構更加扁平化。通過對幾種典型現場總線所提供的以太網應用服務進行探討可以看出，將本文提出的多現場總線集成方案應用于變電站自動化系統(tǒng)，不僅可以較好的實現LonWorks、CAN以及Profibus等現場總線的系統(tǒng)集成，而且符合現場總線在變電站自動化系統(tǒng)中的應用現狀。