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圖1  現場總線技術大大提高工廠運行診斷的能力

   (3)  管理因素。包括對現場儀表在內的設備進行資產管理是用信息化改進工業管理的一種有效途徑。由于現場總線儀表的設備描述文件存儲了該儀表的基本參數信息，人們得以知道生產廠商、型號、硬件和軟件的版本等一系列對這些設備進行管理的基礎信息。另外，通過現場總線儀表提供的運行信息和診斷信息，為實時降低成本和消耗，使工藝流程和工藝設備處于優化的運行狀態創造了前提條件。
   現在看來，只有在中大規模的連續流程的過程控制系統才最有可能淋漓盡致地發揮FF的潛力。至于在中小型裝置上，盡管國內已安裝和投運了數以百計的FF現場總線系統，但優越性就不夠明顯。甚至有的項目因上馬早，暴露出一些早期FF現場設備的不足和因經驗少而導致工程設計的缺陷。任何新技術的成熟應用都會有一個過程，出現一些非致命性的問題并不足為奇，反而可以根據問題的所在加以分析改進。

圖2  PROFIBUS適合用在制藥、飲料/食品和精細化工工業FF適用于連續流程工業

   在離散工業和流程工業之間，人們常常把在同一個工廠中既有連續流程又有離散流程的稱之為混合型工業（如圖2所示）。制藥、食品工業、飲料工業和精細化工都是典型的混合型工業。在這些工業中，為達到操作運行的優化，現場總線可以起到很重要的作用。特別是PROFIBUS，由于其體系結構能夠以相同的通信協議既滿足離散過程控制PROFIBUS-DP的要求，又能用PROFIBUS-PA滿足連續過程控制的諸多要求（總線供電、本安防爆等）。此外，還有PROFIdrive的行規可滿足交流驅動或伺服驅動的同步要求，PROFIsafe提供附加的安全協議層，符合IEC 61508國際標準的故障安全的要求。以上這些滿足不同要求的現場總線技術都共享同一個通信棧協議，使這些行業的用戶只用一種現場總線就能解決控制系統的各種要求。甚至已廣泛使用的HART現場儀表，也可以用PROFIBUS HART規范使HART的客戶—主站模型在PROFIBUS上映射，這樣便允許設備之間的HART報文利用PROFIBUS來作透明的傳輸[2]。顯然，在混合型工業應用PROFIBUS更加凸現其獨特的價值。

3  工業以太網和現場總線的相互補充[6]

   當從傳輸速率、傳輸距離、本質安全、無須有源交換式設備而能在同一條通信電纜上連接多個設備的能力等方面來審視，發現以太網和現場總線是相互補充的。對處在現場層的儀表設備有著其獨特的、以太網難以滿足的要求，而現場總線恰恰具有這些特性，這就構成了它們之間的理想的互補。
   現場總線只有中等適當的傳輸速率，這是因為現場總線用來實現現場層的儀表和設備的通信，一般每個節點內不斷在刷新的變量只有一個或兩個，而其它要監視的信息通常都不要求頻繁地去觀察。而在較高的層次，控制器或鏈接設備要對來自許多變送器和執行器的數據進行綜合或組合處理，以太網的高傳輸速率和高帶寬便是通信網絡的適當選擇。要求一些像變送器、接近開關等小小的設備配備在100Mbps處理TCP/IP通信棧的能力，是沒有必要的。這就是現場總線只要適中的傳輸速率和較為簡單的通信棧的理由。

   (1)  多節點。以太網每連接一個節點設備就要用一根電纜，還要求有源的交換式集線器。當在一個中大型工廠中有成百上千個變送器、傳感器和執行器要聯網，用這種網絡連接，顯然會變得昂貴和難以維持。但在此低級別，現場總線可以方便而高效地把儀表連接起來，用一根電纜連接好多個現場設備，不用附加有源的交換式集線器。這既減少了電纜和其它硬件，又為連接大量的小節點不必耗費過多的費用。
   (2)  距離。由于分配給每個數據包的傳輸時間是有限的，所以在作為中繼的局域網交換式設備之間，如果采用銅線電纜的話其間距不得大于100米。當控制室與現場儀表的距離很長，以太網也許就不能滿足這樣的鏈接要求了。但是，現場總線卻能用一根電纜為控制室與現場儀表之間提供長達2000米的連接；若有必要，通過中繼器還可獲得幾倍長的傳輸距離。當然，以太網可以通過光纜解決幾公里的連接。不過，考慮到要連接的現場節點的數量很大的時候，成本過高的因素又會促使人們選擇以太網和現場總線互補的方案。
   (3)  供電問題。目前規范的以太網并不通過通信電纜集中提供電源。IEEE 802.3af雖然規定了以太網的集中供電的規范，但其DC 48V的最低電壓等級并不適用于自動化產品。現場總線則不然，它具有這個功能。這再一次表明這二者之間的互補性。
   (4)  本質安全問題。規范的以太網及其產品不具備本質安全的性能，因而不適合將它們用在有防爆要求的危險I區。而且在100Mbps執行TCP/IP通信棧，需要一定的處理功率，而這又恰恰超過了危險IIC區的允許范圍。但是，對現場總線來說這不算什么大問題。
   (5)  多協議問題。一個現場總線系統只能處理一種單一的通信協議，但為了鏈接不同的子系統，也許有必要支持多種工業以太網協議。好多工業以太網協議都在物理層和介質存取控制層MAC符合標準Ethernet，在傳輸層和網絡層符合TCP/IP，只是在應用層和用戶層有所不同。這就是說，HSE、EtherNet/IP和Modbus/TCP等可以在一條高速的Ethernet上傳輸，而到達各自的子系統。這是以太網和現場總線互補的又一證明。至于那些并非基于標準的IEEE 802.3，或并非基于TCP/IP的混合式的工業以太網協議，則不具備多協議的能力。

4  以太網和現場總線的可互操作性

   IEC 61802給出了關于設備的兼容性的確切定義。圖3和表1描述了控制網絡中由不同制造廠商提供的設備之間所具有的共存性、可互連性、可協作性、可互操作性和可互換性的邏輯關系。由圖3可以清晰地知道，所謂的互操作性是指設備具有相同的通信協議、通信接口、數據類型和數據存取，以及相同的參數語義、應用功能性。
   顯然，以太網和TCP、UDP和IP只不過是在OSI 7層模型中的低層協議，壓根不是用來提供可互操作性的解決方案的。但是，如果在工業以太網的通信棧的頂層采用現場總線的應用層協議，是能夠做到可互操作性的。就好像Ethernet/IP在其頂層與ControlNet和DeviceNet的頂層具有共同的CIP，FF的HSE在其頂層向下兼容H1的頂層協議，這樣的工業以太網與現場總線的互補，才能實現在一個系統中的可互操作性。

圖3  控制網絡中設備的兼容性邏輯關系

   目前出現了許多為解決不同領域的應用而開發的工業以太網協議，它們之間同樣也不具備可互操作性，因為它們的頂層協議也是各不相同的。它們的低層協議往往一致的，這才是它們的共同點（如圖4所示 ）。

圖4  工業以太網往往采用Ethernet的網絡技術，但應用層協議各不相同

   應該注意的是，以太網和TCP或UDP/IP綁在一起，要求適當的應用層目標結構以及用戶應用程序。否則，所有有關標定（量程、零點和滿刻度）、診斷、遠程監控、連接選擇和傳感器類型等的實現，又變成專用的了。
   使用OPC可以實現不同工業以太網協議的設備之間交換數據，但應該清楚地認識到這種數據交換絕非是處于現場層
的數據交換，而僅僅是在監控層的數據交換。總之，以太網具有現場總線所不具備的特性。現場總線具有的特性以太網又不具備。OPC提供的卻是軟件與軟件之間的數據交換，而以太網和現場總線解決的硬件與硬件之間的通信。
表1  功能性的特性描述

   例如，過程值的刷新速率會影響到控制算法。
   現場總線屬于設備級的網絡，用一根通信電纜就可以解決供電、本安、多節點連接和連接距離的問題。以太網是控制系統的骨干網，它傳輸速率高、可承載多種應用協議，傳輸路徑可利用路由器加以選擇，必要時可采用全冗余的網絡結構。不同的工業以太網設備之間利用OPC來交換數據。在生產執行層（MES）和經營管理層（ERP）同樣運用以太網網絡。這就構成了如圖5 所示的系統結構圖，圖中還給出了不同的網絡介質和網絡協議。

圖5  現場總線、工業以太網、以太網結合成一個完整的系統結構

5  結語

   希望通過以上的論述能夠對現場總線應用的價值取向進行重新認識，促使更多的自動化技術工作者去挖掘現場總線的應用潛力，讓現場總線在企業生產信息系統中體現出更多的價值，真正從生產的最基礎的環節開始，用信息技術推動工業生產的高效、低能耗、長期可靠地運行。