网络技术、信息技术的飞速发展，引起了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了网络化的、全开放、全分布的自动控制系统体系结构。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。它的关键是把网络化、信息化的概念彻底引入到控制领域和工厂的控制中，构建完整的控制网络和信息网络。不仅可以实现高度灵活、高可靠性的分散控制，而且可以实现全厂、甚至世界范围的信息共享，优化企业生产过程，实现企业的量化管理，提高企业的生产效率。现场总线技术对科研、生产企业的影响将是全方位的，必将改变企业的组织和生产方式，并对社会生产力的发展起到巨大的促进作用。
目前，我国大部分生产过程仍用人工进行控制，造成生产质量难以保证和提高，更不能很好地实现系统优化控制。而大量科研院校的科研人员对实际生产过程不了解，造成严重的理论和实践的脱节。通过互连网和现场总线，能够将企业和科研院校紧密地联系起来，使广大科研人员能够随时了解生产状况，帮助企业发现问题和解决问题，更好地为企业服务，从而促进整个社会生产效率的提高。
目前，现场总线技术已成为当今世界各国关注的热点课题。世界发达国家的自动化公司都投入了巨大的人力、财力，全方位地进行技术和应用研究，并进行了激烈的市场争夺，期待成为现场总线控制领域的领导者。这使现场总线技术出现了复杂的局面，形成了多种现场总线标准。
在这场现场总线技术引起的变革中，我国采取什么样的现场总线技术发展策略是十分重要的。本文结合我国的实际情况，对我国现场总线技术的发展策略进行了探讨。
1 现场总线技术发展展望
作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术具有如下特点：
① 实现系统的全分散控制。
② 系统的开放性。
③ 现场设备的智能化与功能自治性。
④ 互操作与互用性。
⑤ 对现场环境的适应性。
现场总线的这些特点和传统控制系统的体系结构相比，具有节省硬件数量和投资、减少安装费用、降低维护开销、用户具有高度的系统集成自主权、提高了系统准确性和可靠性等优点。
目前国际上有40多种现场总线，但影响较大的主要有FF、Profibus、CAN、LonWorks等。
由于不同总线代表着不同厂商的利益，为了使自己的技术和产品能够占领整个世界市场，围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争，并主要形成了FF和Profibus两大阵营，都希望能够统一整个世界市场。
另一方面，现场总线技术出现的时间还不长，仍处于发展阶段，应用还不是特别广泛，仍然需要时间的检验，尤其需要经受复杂应用环境的检验，不仅要满足现有的应用需要，而且还应满足今后发展的需要。
目前，现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制，并已取得了许多成功的应用。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线技术的核心内容之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。因此，今后现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。
高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。在这一领域，目前基本上还是空白。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。
解决这个问题需要从几个方面来衡量。应用于控制领域的现场总线的关键特点在于它的数字式互连网络、互操作性、开放性和网络性能。网络性能包括实时性、可靠性等。数字式互连是网络的基本特征，这是任何网络技术都能够满足的。互操作性可以通过采用共同的协议和标准实现。而开放性是所有因素中十分重要的一个。
开放性不仅是指技术公开，而且也应具有应用广泛的特点，应用广泛是开放性最重要的衡量指标。从这个标准来衡量，以太网（Ethernet）是高性能现场总线极好的选择，因为Ethernet是目前世界上应用最为广泛的计算机通信技术。
如果采用Ethernet作为高速现场总线，有如下优点：
① 采用Ethernet作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。由于Ethernet的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，保证了Ethernet技术不断地向前发展。目前速率最低的Ethernet是10 Mbps，百兆的快速Ethernet也开始广泛应用，千兆 Ethernet技术也逐渐成熟。如果工业控制领域采用Ethernet作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。这一点是任何现有的现场总线技术无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通信协议有更高的灵活性。这些要求Ethernet都能很好地满足。
② Ethernet受到广泛的开发技术支持。由于Ethernet是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，例如Java 、Visual C+ +、Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用，为人们所熟悉，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景，可以期待其性能会不断改进。同时也可以期待今后还会出现更好的Ethernet开发技术。因此，采用Ethernet作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。
③ 由于Ethernet是应用最广泛的计算机网络技术，它也受到硬件开发商的高度重视，这使得Ethernet系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。并且由于应用的广泛，其硬件价格必然相对十分低廉。目前Ethernet网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的十分之一。并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。
④ 由于Ethernet已被使用多年，Ethernet具有大量的软件资源，人们对Ethernet设计、应用有很多的经验，对Ethernet技术十分熟悉。实际上，Ethernet已经在控制领域的系统集成中获得广泛应用，许多控制系统软件就建立在Ethernet上。大量的软件资源和设计经验，意味着可以显著降低系统的开发和培训费用，从而显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
最重要的是，如果采用Ethernet作为现场总线，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般网络技术互相促进的局面。这将意味着可以实现自动控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域有更多的人和行业参与，使其成为一个竞争更加激烈的领域，保证自动化技术能够得到更加迅速的发展。而最大的受益者显然是广大用户。但是，因为Ethernet采用的是一种随机访问协议——带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)介质访问控制协议，一般认为它不能满足控制系统的实时性要求。目前在工业控制领域的Ethernet应用中，通过限制总线上站点数目，控制网络流量，使总线保持在轻负载工作条件下，以满足控制的实时性要求。同时，近些年还出现了一种以太网交换技术。以太网交换技术分为全双工交换和半双工交换两种。通过全双工交换技术，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。它完全避免了CSMA/CD、主从、令牌等可能的低效率。半双工交换技术也可以极大地降低碰撞的可能性，从而提高网络带宽的利用率和实时性能。因此，今后Ethernet的实时性问题不是影响其在控制领域应用的因素。
实际上，Ethernet已在控制领域取得广泛的应用。目前很多小型PLC都采用了Ethernet通信技术，尽管其通信的具体协议内容是专有的。同时，基于PC的软逻辑控制也在迅速发展。显然Ethernet是实现计算机之间通信的最方便的实现手段。FF也将Ethernet列为其高速现场总线的一部分。因此，采用Ethernet作为现场总线也符合控制领域的发展潮流。可以肯定，Ethernet必将是今后现场总线技术的重要组成部分。
2 我国的发展策略
现场总线技术是控制领域的一次革命，它对企业的生产方式、管理模式都将产生深刻的变革。它的出现，对我国自动化领域既是机遇又是挑战。
为了采取合适的发展策略，首先必须对世界技术的发展状况和我国的实际情况有充分的认识和了解，分析各种有利和不利的条件。
目前，国际上现场总线技术已经呈现出竞争十分激烈的局面。各大厂商为了自己的利益，都在发展和维护自己的产品，并积极参与和把持标准的制定工作，希望能主导现场总线技术的发展。这导致在现有的产品结构和应用水平上，现场总线领域已经很难统一。而且其技术也都不是特别成熟，还需要大量实践和复杂应用环境的检验。
在国内，对科研单位的有利条件是，由于现场总线技术还是一种新兴技术，还处于发展阶段，尤其在高速现场总线领域还有很大的发展空间，只要积极努力，还是能够和国外进行竞争的。但不利的条件是我国综合技术力量薄弱，科研力量规模小、资金少，无力研制复杂的现场总线专用芯片，在硬件技术上基本上只能采用已有的产品。因此很难和国外企业进行正面的竞争，只能采取开发具有自己特色产品的策略。如果采用紧跟策略，则很难开发出具有自己特色的产品，而且产品的发展速度必然落后于国外企业，结果只能是被国外企业所淘汰，或沦为国外企业的技术代理。
另一方面，国内生产企业的情况是：大多数企业还处于模拟仪表和人工控制的阶段，采用DCS控制系统的企业仍是少数。而且目前现场总线设备和系统还十分昂贵，在相当长的一段时间内，我国大多数企业不可能也没有能力投入大量资金采用现场总线控制系统。因此，除了新建企业外，我国企业在较长时间内不可能全面采用现场总线技术，而必须走逐步发展、过渡的道路。
从我国的科研单位和生产企业的实际情况看，采取紧跟策略并不适合我国的国情，而必须选择适合我国国情的现场总线发展道路。而所谓适合我国国情的发展道路，就是指采用我国的科研单位、企业有能力完成，并且适合我国生产企业实际情况、能够尽快应用的具有自己特色的技术路线。同时，所研究、应用的技术必须能够体现现场总线技术的主要优点，符合现场总线技术的主要发展方向。
现场总线技术的主要优点在于和来源于全分散控制和信息的充分共享。为了实现这一点，不妨采用图1所示的基于交换以太网的全分散控制系统结构。这种系统，主要由模拟仪表、设备；数据输入输出节点；控制计算机；操作计算机；数据库计算机等组成。其中数据输入输出节点连接模拟仪表、设备，完成生产过程的数据采样和控制的输出，并实现现场总线节点的虚拟操作；控制计算机用于完成各种控制算法；操作计算机完成组态、监控等任务；数据库计算机完成历史数据的记录；所有这些单元之间通过交换以太网相连，并可通过互连网络进行远程访问。
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图1 基于交换以太网的全分散控制系统
这种系统和完全的现场总线控制系统不同之处在于，所有的变化集中在控制室内，现场仪表、设备部分保持不变，仍采用非现场总线的模拟仪表和设备。这样的好处是，可以充分利用现有的设备，保护既有投资，同时还可以具有现场总线控制的分散控制和信息的充分共享等优点。
这种系统和DCS不同的地方在于，它采用了现场总线技术的思想，所有的控制算法和功能分散在不同的计算机上，并封装在虚拟现场总线节点中，通过网络构成统一的整体。系统的每个组成部分都可以通过冗余技术提供高可靠性。
这种基于交换以太网的全分散控制系统，对硬件的开发能力要求较低，可以大量采用现有的成熟的硬件产品，如I/O板、计算机等，而不需开发复杂的专用电路，主要工作集中在软件设计和开发上，我国的科研单位和企业完全有能力承担。同时，由于采用技术成熟、应用广泛的产品，成本相对低廉，是我国生产企业所能够承担的。
这种系统设计方法，也体现了自顶向下的设计思路。因为以太网必然是今后现场总线技术的一个重要发展方向。我们直接采用以太网技术，就可以使我国和国外同步进行研究，增强我国的研究能力和竞争能力，掌握现场总线领域研究和发展的主动权。在此基础上，可以先完成国内企业的低成本的技术改造，并在这一过程中对现场总线技术有更深的理解，然后再积极投入到现场总线产品的竞争。那时，现场总线技术会更成熟，价格也更低廉。
同时由于以太网、TCP/IP协议的开放性结构，其用户层完全是自定义的。即使今后出现基于以太网的现场总线技术标准，现有的产品和符合新标准的产品仍可以在同一个网络中运行，互不影响，并通过网关互连，实现产品的逐渐统一和标准化。
3 结束语
现场总线技术是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现。它的出现，必然对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起到极大的促进作用。对于我国这样的发展中国家而言，其意义十分重大。
目前，现场总线技术还处于发展和完善阶段，标准的完善和统一在短期内还不会实现。这对我国自动化领域既是机遇又是挑战。必须抓住有利条件，积极发展符合现场总线技术发展趋势和我国国情的现场总线技术，而不能采取盲目跟从的策略，否则，将只能使我国成为国外大公司的巨大市场。