工业现场的通信网络是实现企业信息化的基础。随着企业信息化与自动控制技术的发展，基于以太网和现场总线的网络控制技术正广泛应用于石化、化工、制药、食品加工、电力、能源、数控系统等几乎所有的行业。

以太网在自动化行业中的应用分为两个层次。其一是工厂自动化技术与IT技术的结合。与互连网Internet技术的结合，将会成为未来制造业电子商务技术、网络制造技术的雏形，大多数专家对自动化技术的这种发展趋势给予了充分的肯定。另一方面，以太网能否在工业过程控制的底层，也就是设备层得到广泛应，以及能否取代现有的现场总线技术，成为统一的工业网络标准，这已经成为业界争论的焦点和热点。

PROCESS: 用户如何选择和使用如此之多的现场总线？

蔡向前：事实证明，目前不可能存在唯一的适用于各个行业的国际现场总线标准，只能是适合不同行业的标准共存。原因之一是各种现场总线的背后都有世界知名的大公司在支持，从其各自的商业利益出发, 各大公司不可能主动放弃自己支持的总线，大环境上造成了市场上存在众多的现场总线技术。在这种情况下我们提出以下建议供用户选择总线时参考：

●应首先考虑总线的应用基础与市场份额。应用基础好、市场份额高的总线体现了在工程项目中有良好的使用实例，并在当今激烈的竞争中脱颖而出，逐步占据了较高的市场份额，经过多年的使用和改进已经逐步成熟可靠。

●其次应考虑总线的适用性和同行业应用业绩。适用性是指任何一种总线都有各自的优缺点，选择时应尽量做到量体裁衣、物尽其用，以实现较高的性能价格比。

●总线的开放性使多家产品能够互相兼容，但在项目的实际调试过程中各厂家产品之间存在“如何实现兼容”的普遍问题，为此建议尽量选择实力雄厚、知名度高、产品应用基础好的大公司产品，积极跟踪、勇于进取!

段永康：在讨论如何选择现场总线之前，有必要先了解现场总线的实际情况。由于各现场总线的开发基本上专项于某一类产品或某一类应用，比如说仪表类、传感器类、电气设备类、控制系统与HMI等。理论上,一个网络可以把所有的设备都连接起来，但实际上在现阶段还不是行之有效的,因为还没有一种单独的现场总线可以在各类设备间实现最有效的信息传送，所以现在很多自动化系统的制造商都在推行网络体系的概念及其解决方案。因此在选择现场总线时，本人认为要经历以下几个步骤：

1） 首先要根据企业的实际应用制定一个基本的规划，从分考虑企业工艺流程的性质、信息访问和设备监控的要求，未来扩展的需要等。

这种规划通常是自上而下的，是从最主要的系统、设备到最底层的传感器。这种规划在现阶段表现为如何建立一个网络体系。

2）评估所选控制系统是否能够支持这种规划的实现， 也就是有无支持这种网络体系的能力。

3）确定能够采购到的关键设备是否支持所拟定的网络。

4）确定不同设备所连接的现场总线的互连性。

从纯技术层面上，还要考虑网络的传输速率、网络的最大距离、网络介质、节点连接能力、供电能力、安装方式等。这些纯技术的因素应该服从企业整体规划的需要。

George·Thomas：在选择网络时，有以下问题需考虑：

●距离有什么要求？

●应用上需要哪种类型的物理接线方案？以太网的星型拓扑对于那些设备需成组集合的应用场合适用，而对另外的应用，如传送带，每20m分布的节点就不那么方便了。在这种情况下，主干/分支拓扑（如CANOpen和DeviceNet）更合适。

●对时间要求高的设备来说，实际的速度（反应时间）要求是什么？是所有设备都要求有这种速度么？或者有些设备需有更高的优先权？

●网络是否允许有信息优先？

●拟用的设备是否支持同样的网络标准？是否存在开放式对封闭式架构的考虑？

●如果是开发带联网功能的产品，这个网络的硬件开销和软件开发成本是多少？

●应用中的电气噪声有多大？电缆是否能够承受？

●数据发送包最大的尺寸？数据是否可分段？完整信息最迟何时到达？

●设备间关系属于哪种类型？（主/ 从、对等或广播）

●网络需分配电源么？电流多大？

●网络架构中，允许的出错容限是多少？

●预计的安装成本是多少？

卢焕青：数字化的通讯是自动控制技术发展的方向，就目前发展的状况而言，现场总线处于百家争鸣，百花齐放的阶段。还没有任何一种现场总线被确定为是唯一的数字化通讯标准，其中最常用的有八家现场总线：FOUNDATION fieldbus、 Profibus、ControlNet、WorldFIP、P-Net、Interbus、SwiftNet、FF High Speed Ethernet。应该说每一种总线的标准都有其优势，在选择的过程中应根据实际的传输距离的限定、传输速率和传输介质的需求，以及通讯对象的类型来确定。

王文海：我们认为，用户选择的基本原则应该是适用性。用户需要的是问题的整体解决，稳定、可靠、实用是最重要的。现场总线没有统一标准的事实说明，在近期不存在一种现场总线可以解决所有问题的可能，因此应针对用户的具体情况，参考同行业用户的应用情况，结合不同总线的差异性和适用性进行选择。当然还有一个选择就是不选择，即可以采用其它更为成熟的控制技术或控制系统，因为由于技术的高速发展，前瞻性的考虑是必要的，但前瞻性的实践则应慎重，这样的实践意味着成本与风险。

PROCESS: 以太网与现场总线从技术角度相比有何联系和区别？

蔡向前：首先，以太网和现场总线都属于局域网络技术，在网络层次上都以传输介质和数据链路层为基础，在规范上都符合相应的国际标准，两者都是目前应用最为广泛的局域网络技术。

另一方面，在内部机制上、(主要是数据链路层上)以太网与现场总线又有明显的差异。举例来说，以太网采用的是同等身份访问模式，网上各节点地位相同，以速度快（10M、100M、1000M、1000000M）、传输数据量大（Max.1518 Bytes）为特点；而现场总线如PROFIBUS、INTERBUS 、DEVICENET、LONWORKS等采用主、从轮询访问模式，主站之间循环传送令牌，拥有令牌的主站有权访问其附属和管理的从站设备，这样保证了信息传输的确定性和准确性。从速度上看，当前市场上速度较快的PROFIBUS最大是12Mbps，ARCNET是10Mbps，SP50 是5Mbps，其它的则更低。

段永康：现在各种比较有影响的自动化网络体系都包含有Ethernet，所以它和现场总线是密不可分的。 也有很多的说法是将Ethernet 也划分为现场总线。如果要从技术角度来谈，就应该从各自开发的环境和设计目标谈起。从技术的角度看，一般的现场总线都是基于某种特定的应用和某类特定的设备专门开发的物理层和应用层协议，所以在它所覆盖的应用和设备方面，效果是很好的。但现场总线在信息管理层次上却受到其兼容性、适用性等方面的限制。Ethernet 的开发历史大家都很清楚，原本是为IT开发的产品，随着控制系统与信息系统之间日见紧密的结合，也随着人们应用水平的提高和经验的积累，以及所开发的大量的工业标准服务，Ethernet 技术也在开始渗透到工业控制领域，并从当初的控制系统的信息层向设备层迅猛发展。虽然Ethernet 没有被包括在IEC61158 的标准当中，似乎也没有什么机构在牵动，但几乎所有的控制网络体系都含盖了Ethernet。正如人们常说的，是事实上的标准。当然，作为工业现场总线，Ethernet 也受到其技术贮备、可用现场设备以及用户认可度等的限制。 但Ethernet 与其它的现场总线有一点非常不同的地方就是，虽然Ethernet 的应用层协议各有不同，但采用的都是相同的物理介质和TCP/IP工业标准的传输协议，同时各工业以太网组织都支持OPC DX，因此最有可能实现网络的互连。

George·Thomas：以下是有关以太网与一些流行现场总线比较的简要描述。

Modbus通常在RS-232或485 上实施。速度很慢但硬件是通用的，且协议相当简单。Modbus on Ethernet （“Modbus/TCP”）相当于10/100Mbps 的高速。RS-485 为菊花链型拓扑，长度限制在400m。以太网允许星型拓扑，速度取决于媒体类型。

Profibus在欧洲是占统治地位的总线，也是在RS-485上实施，它具有确定性，非常适合于要求连续不断更新数据流的过程工业中。以太网在这方面不具有可靠性。PROFINet（Profibus 贸易组织在以太网上的协议）并不是Profibus 的替代，而是一种补充。

DeviceNet基于CAN，是一种主干/ 分支网络，在一条长的传送带上，在不同位置布有多个节点，DeviceNet 的使用较容易，DeviceNet适于在危险的环境下发送短数据且有标准防水接头。Ethernet 和DeviceNet 通过Ethernet/IP 互为补充，它在TCP/UDP 上使用DeviceNet 的对象模型。

FF有两种形式，H1（低速、本质安全，用于变送器、传感器和执行器）和HSE（高速以太网，协议同H1，但在TCP/IP上）。同样，底层网络也是对以太网的补充。

卢焕青：对工业控制而言，其控制的确定性无疑相当重要。Ethernet是一种商用的网络通信技术的标准，其网络带宽的利用率不高且碰撞多，无法达到确定性控制的目的。而大部分工业控制层的总线网络多采用令牌式的传递方式，在一段时间内只有一个节点发言，不会产生碰撞，以保证其控制的确定性，符合工业的标准。

总线应用于工业过程控制层和设备层，除了要保证其基本的数字通讯的需求以外，还要根据现场设备的特性确立其控制的功能块。例如基金会现场总线FF 在确立了传输距离和传输速率的同时，还定义了在现场设备中可运行的基本控制功能块和先进控制功能块，使得控制可以在现场运行，这种总线的方式更贴近过程控制的需求。

王文海：Ethernet与现场总线根本区别在于出生不同，Ethernet来源于商用领域，而现场总线来自于工业领域，由此形成了各自的先天技术差异性。应用TCP/IP 协议的以太网，开放标准，资源丰富，潜力无限，已成为商用计算机领域的事实标准。快速交换以太网等技术的采用，使其逐步能够胜任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求。现场总线实时性、可靠性、抗干扰性强，专业性强，但其通信速率较低，标准不统一的缺点大大地阻碍着其的应用和发展。现场总线的开放性和互连性只能局限于某一联盟的总线产品，底层数据交互，不同标准总线的互连性得不到保证，不利于建成整个开放式的控制系统。

PROCESS: 以太网如应用于工业过程现场需解决的主要问题是什么？

蔡向前：争论的焦点是信息的确定性问题。传统的以太网技术采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷超过38％时，网络的确定性不能满足工业控制的确定性要求；但目前采用的交换式全双工以太网技术已经彻底解决了这个问题。这种得益于公用电话系统、在1992 年首先由美国人卡帕纳提出的“智能开关”以及其后于1993年提出的“全双工”概念加上结构化的“星型布线”方式虽然现在来看不算是新东西，但对于计算机网络技术而言则具有划时代的意义，毕竟在此之前采用的是共享一根线的传输模式。

其它需要解决的问题有：1. 所用的接插件/ 集线器/ 电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求；2. 能够用于自动化工业的物理层介质较少；3. 市场上适于工业使用的局域网设备较少，且昂贵；4.在工业环境中，以太网抗干扰性能较差等。但随着业界各大公司的努力推广和使用量越来越大，这些将逐渐不再成为问题。

有一个有趣的话题，就是当以太网用于石化、化工等领域的危险场合时，还不具备本质安全性能，且不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。这一点从技术的角度来看也不算什么难题，但需要防爆和通讯技术两方面的专家一起合作解决，估计在两、三年内就能突破。

段永康：实际上现在已经出现了大量的可以连接到以太网上的用于工业过程控制的底层设备，比如变频器、远程I/O、HMI终端、电力测量仪表等等。 据ARC的最新报告，以太网工业设备在过去的两年里平均年增长50%。2002年安装的节点数达到了28.6 万个，并预计在今后5年里（2003～2007）会达到84.1%的年平均增长率。

关于工业以太网，现在大家考虑比较多的是实时性、可靠性、安全性、冲突检测和预防、安装方式和安装成本等问题，一旦这些问题取得了突破性的进展，那么以太网在设备层的应用将会有更快速的发展。

George·Thomas：以太网可以在工业过程控制底层即设备层应用，Modbus/TCP和更精简的Ethernet/IP就是特为此功能而服务的。

如应用于工业过程现场，涉及的问题有：1）如果嵌入式设计须支持完整的TCP/IP协议栈，设计费用昂贵；2）以太网的拓扑（星型）不如主干/分支型和菊花链型有用；3）以太网集线器或交换机是工厂信息及机器的神经中心，停机时间、人员安全及设备的正确操作都会处于危险中。如果设备处于空调环境；如果工厂里没有润滑剂、油和水，没有震动；如果电源供应没有问题，完全可以采用商用产品。但如果情况相反，则应该考虑用工业级别的集线器、交换机等产品来提高可靠性。

王文海：以太网的通讯速率、实时性、互连性、开放性已完全可以胜任工业过程控制底层，但是在设备层的广泛应用还需要解决诸如防爆、总线供电等问题。

PROCESS:以太网应用于工业控制现场的发展现状与趋势如何？未来工业控制网络的模式是什么？

蔡向前：大家都知道，技术上先进的概念未必能够在市场上成为宠儿，各个国家、集团和大公司之间的利益才是决定因素。正如20 世纪80 年代初的局域网标准之争和2000年底的现场总线标准之争一样。以太网能有今天的局面很大原因是麻省理工学院毕业的迈特卡菲开创的以太网登上了局域网标准的宝座，而不是技术和速度上有什么优势，尽管公认的IEEE802.3版的以太网与迈特卡菲版（也称为DIX版：DEC、Intel、Xerox）有所不同。

在工业现场应用以太网技术的现状是：目前已经有多家大公司生产出直接连接控制器和输入输出模件的以太网卡件，且具有Web 功能。

无论从什么角度看，IT 领域的技术总会领先于工业应用，而且目前工业控制尤其是网络通讯技术均来源并得益于日新月异的IT 技术，因此可以预见，未来工业现场的通讯技术原理也同样会取自于IT 技术。

对于未来的趋势，我个人的观点是基于交换原理的分布式网络通讯。“智能移入现场”加上“全数字的双向通讯”使得实现彻底的本地分散控制成为现实，而所谓的“分布式网络技术”早在若干年前就已经在IT 行业有了完整的理论，包括分布式网络拓扑结构、分布式操作系统、分布式网络计算、分布式计算机系统等，而不是工控领域经常提到的那种分布式概念（实际上讲，“分散式”比较准确）。

段永康：网络或现场总线最重要的作用是将不同的设备连接起来以交换数据和信息。而如果只是简单地将现场设备跨接在以太网上，并不能保证会实现这些设备的互连性。因此采用Internet 技术和工业标准的网络服务是保证设备互连性的重要保证。 当今工业以太网发展的一个很重要的标志就是采用Internet 技术，将Web Server嵌入到现场级设备当中，用标准的浏览器软件就可方便地实现对现场设备的数据采集、信息浏览、画面显示以及远程诊断等功能。施耐德电气公司所推出的在工业以太网方面居领先地位的“透明工厂”(Transparent Factory) 就是在广泛采用标准工业服务基础之上所建立的满足工业自动化要求的网络体系，它将Ethernet TCP/IP、Internet Web Server、 工业网络上的事实标准Modbus应用层协议、HTTP、FTP、SNMP、BOOTP/DHCP和TCPOpen等标准化服务有机地结合在一起，实现了控制系统及现场设备所要求的数据采集、系统组态、画面传送、远程诊断、数据同步、网络管理及故障设备更换等功能。

由于工业以太网在目前仍然处于快速发展和完善阶段，而其它现场总线的技术和应用也更加趋于成熟，因此说用工业以太网来取代现有的现场总线技术而成为统一的工业标准网络还不具备充分的说服力。本人认为，现阶段最有效的方法是如何将工业以太网和现有的现场总线结合起来，建立起完整的工业自动化网络体系。

George·Thomas：在五年前，即使是Profibus 和DeviceNet 这些现场总线都不被人看好，但现在的情况是，用户已非常习惯于联网，现场总线的应用持续增长。而工业以太网在自动化中的上升呈指数级，一些I/0生产商报告，半数以上售出产品都是以太网产品。

从纯技术角度看，以太网应用在自动化系统中并不是很理想，即使可以，没有人仅仅是因为有了更好的东西而愿意丢弃现存的设备和接线。以太网必须与其它网络技术共同工作，真实的世界是要求与现存的网络集成。另外，在某些应用中，其它网络的性价比更高。

卢焕青：Ethernet广泛地被应用于企业信息化的发展, 随着自动控制技术需求的提高，无线以态网的技术也被逐步应用于各种行业， 无线以态网的应用将是工业控制领域发展的潮流。

王文海：引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势，目前这方面的研究十分活跃，然而应用却不多。Ethernet技术的引入为现场总线的发展注入了新的活力，并将成为现场总线家族的新成员，从而丰富现场总线标准族。由于Ethernet 的先天特质，完全取代其他现场总线而成为唯一统一标准是不可能的，同时也是大可不必的。我们预测：未来的发展应该是Ethernet 的重生，在继承了Ethernet技术的基础上，结合工业过程应用， 产生新一代以Ethernet 为核心的现场总线技术。