现场总线引发工控领域技术革命

现场总线是国际上20世纪90年代迅速发展起来的工业控制系统技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化
的适用技术之一，近年来才在中国获得初步发展。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础，这一技
术正在从根本上改变控制系统的理念和方法，将极大地推动整个工业领域的技术进步，对工业自动化系统的影响将
是积极和深远的。
　　鉴于目前中国大部分企业对这一新兴技术的认识还十分有限，本版特约请了在该技术研究方面富有经验的有关
专家，共同探讨在该技术发展过程中一些普遍关心的问题，希望能够给已经涉足和正在关注这一技术应用的企业提
供更多的实用信息与帮助。
　　现场总线技术是当代工业数字通信的前沿技术，是计算机技术、通信技术和自动化控制技术的集成，也是信息
技术、测量技术在信息时代的体现。现场总线技术经过10年的研发、试验和局部应用阶段，现已开始大量地在中小
系统中应用，并即将开始在超大规模的自动化系统工程中应用。
　　引发工控领域技术革命
　　现场总线技术是工业数字通信时代的先驱，它的出现正在引起工业控领域的一次前所未有的技术革命。现场总
线不仅仅是分散于最底层的控制系统，而且是建立于整个工业体系的通信系统，它的通信协议建立在控制策略之
上，标准的编程语言（DDL）和强大的通信功能又反馈到受控的现场设备中，使现场总线控制系统成为贯彻操作者
意志的最得力的工具。
　　在过程控制领域，目前占主导地位的现场级协议有三个，即HART、OFIBUS-PA和基金会现场总线（FF）H1。从
茯应用范围、现场仪表支持的广度和外围技术拓展的前景来看，首选当属基金会现场总线。在今后的一段时间里，
三者会并存发展和相互融合，技术开发者也注意到用户非常需要使用统一的编程语言和设备描述语言，以达到产品
在外特性上的“透明”。2003年2月，现场总线基金会、HART通信基金会和PROFIBUS（PNO）已经开始史无前例的合
作项目，统一编程语言协议和共同扩展网络设备描述语言（DDL）的功能。一旦合作开发成功，用户无论使用哪种
协议，都可以在用户层里用同一语言描述设备的状态、过程资料和组态信息。
　　近年来，现场总线在高层通信功能上，都吸收和发展了以太网技术，光纤介质10Mb/s和100Mb/s的通信速率得
到了应用。在连接方式上，使用以太网的集线器简化了高层通信的网络结构，极大地拓展了网络集成和智能化管理
功能。目前，高速总线以太网（HSE）的开发正趋于成熟，基金会现场总线已公布了HSE的分析工具（HATPRO），向
用户提供了高速HSE网络冗余设备的实时双重端口包和为开发HSE产品的样品源代码。当这些功能实现后，基金会现
场总线技术不仅仅可以实现下层与上层、段与段、网络与网络间的快速通信，而且可以极大地拓展网络系统的功
能。
　　高危区域、大型复杂系统的安全保障
　　现场总线发展的另一个进展，表现在系统的安全性要达到工业应用的程度。对于主站级网络来说，高度安全和
有效性显得非常重要，高速以太网HSE一整套冗余方案保证了系统的正常运行，它包括了最底层的物理介质冗余、
中间的整体网络冗余和高层的以太网设备冗余。在软件上，现场总线也提出了多种工业的容错解决方案，加上用于
易爆区的FISCO安全模型（规范），这些措施使得现场总线的网络不仅可以应用在通常的控制系统中，也可以用在
工业高危区和大型复杂系统的操控上。
　　基金会现场总线采用了两个功能互补的现场总线，一个是兼顾现场设备的较长距离通信和传送本制裁安全电源
等需求的H1现场总线，运行在31.32Kb/s；另一个是用于网络高速通信、运行柔性功能块的主干道高速现场总线
HSE，运行在100Mb/s。这种互补的结构为设备高性能控制、子系统集成、高密度数据生成和对数据服务器提供广泛
支持。开发中的高速以太网（HSE）和柔性功能模块，将功能扩展到断续控制、批量、离散控制中，使基金会现场
总线成为全能的控制和数字通信技术。
　　在数字通信时代，使用标准的通信协议很重要，但首先要求所使用的设备具有相互一致的可互操作性，这也是
当今现场总线发展道路上最耗费精力的一件事。在这方面，由于全世界80%以上的现场设备生产厂家都是现场总线
基金会的成员它承担的设备可互操作任务尤为繁重，这也正是基金会现场总线成为全世界主导总线的原因之一。可
喜的是，经过多年的努力，已有几十家公司的120种设备和6种网络的控制系统主机在现场总线基金会完成了注册，
其可互操作的设备已能够让用户“按需选择、强力集成”了。
　　大发展时期为时不远
　　目前，仅基金会现场总线已有20万个现场设备、4000套系统在全世界运行。从总量上看，虽然目前现场总线仪
表所占的比例仅为整个自动化仪表应用的7%，但是到2006年将达到23%以上，届时模拟量仪表将由现在的50%降到
27%左右。由此可见，现场总线仪表及网络将逐渐成为工业自动化仪表应用的主流，发展前景很好。
　　在推动现场总线技术的过程中，有一种情况值得关注。目前，有相当一部分技术人员和用户钟情于使用分散型
控制系统（DCS）。产生这种情况的因素有两个：一是具有现场总线功能的现场设备（包括仪表、执行机构、工业
在线分析器、现场电力和电工设备等），其品种数量还没有多到可以覆盖更多的工业控制领域；二是传统的DCS系
统还有一定的份额的市场，制造厂家依然不会放弃已占有的市场。从技术进步的角度看，无论从控制的功能完善
性、安全性、布线易行性、节省电缆上还是信息量的获得上，现场总线技术有着无可比拟的优越性。今后，传统的
分散型控制系统（DCS）要么转化为现场总线控制系统（FCS），要么吸收现场总线的控制模式，转化成为新型的数
字控制系统（Digital Control System）。　
　　近年来，中国的现场总线市场呈现了较快的发展势头，每年有上百个项目投入运行。陕西的兴平化工厂化肥项
目、山西太原玻璃炉窑项目、武汉有机化工厂的苯甲酸置备项目、株洲冶炼厂的工业炉窑控制及尾气净化等一大批
现场总线项目都取得了良好的应用效果和经济效益。特别是最近一年，随着一些大型项目相继上马并选择了基金会
现场总线，使得基金会现场总线技术备受关注。
　　2003年1月，现场总线基金会宣布中国海洋石油总公司和壳牌石油化学公司将共同投资建造世界上最大的现场
总线系统项目，使用大约12000台的现场设备，年产230万吨石油气制品。不到两个月，现场总线基金会又宣布了更
大的项目，上海石油化学公司的联合石化新系统工程将使用23000台现场总线设备，大约有80000个I/O接口。用户
普遍认为，只有现场总线技术才可以胜任在数家工厂里实施生产控制、管理和采集信息量的重任，现场总线正在逐
渐步入完善成熟的大发展时期。（中国仪器仪表行业协会现场总线专委会副秘书长刘荣祥）

相关链接
　　现场总线的来源
　　总线（bus）的本来含义是二进制单元信息系统。可以将它理解为以信息传输软硬件为基础，以信息传输规范
为核心的信息传输系统，它对于电子计算机的诞生和发展起到了重要的作用。
　　将计算机应用于控制从一开始就是计算机研究的主要目的之一，最初由于计算机价格非常昂贵，计算机控制系
统采用集中式控制结构。进入20世纪80年代后，计算机技术飞速发展，价位迅速下降，使计算机在控制系统中的应
用迅速普及，单片机技术的推广使设备上电子测控系统的设计几乎成为嵌入式微机测控系统一统天下，控制系统的
结构向着理想的全分布式系统迅速靠近。1983年美国的Honey-well公司推出了在标准模拟4~20mA变送器上附加数字
信号传输的变送器，引发了智勇变送器研究的热潮和相关技术的迅速发展。人们注意到，利用高质量的器行通信，
便于故障诊断和维护，能大大降低运行维护成本的全分布式测控系统，是一种相当理想的方案。越来越多的企业看
到了这一技术潜在的巨大经济价值，以德法为首的欧洲最先提出了现场总线（Field Bus）的概念并大力投入研
究，美国随后也迅速参与竞争，最终形成了今天群雄割据的格局。