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前 言

　　在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响巨大，笔者曾在1996年中国电工技术学会成立15周年暨第5届学术会议发表的《智能虚拟电器》一文中，将“现场总线”列为“对电力网络的智能化发展有较大影响的技术”的首位，详见参考文献1。

　　现场总线是提高输配电整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。在电工电器行业中发展现场总线，关键的技术支撑在于低压电器元件，而低压电器行业正确地如何面对，如何积极地参与，因此有必要就现场总线的基本情况和来龙去脉弄清楚，加以分析研究以便作出我们的对策。
本文对现场总线的一些原则上、概念上、有争议的问题进行介绍和讨论，限于篇幅对它的技术分析比较将另行撰文探讨。

一、什么现场总线

　　什么是现场总线？这个问题始终困扰着我们；它仅仅是一个新技术领域或新技术问题吗？不！在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。

1、现场总线是一个巨大的商业机会：

　　一项权威报告声称现场总线的应用将使控制系统的成本下降67％；巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场，并且促使传统市场萎缩，从而引发技术进步。这些对于我们行业来说都很重要，因为我们正处在新旧市场交替的关口。

2.现场总线是一场技术革命：

　　现场总线带来了观念的变化，我们以往开发新产品，往往只注意产品本身的性能指标，对于新产品与其它相关产品的关联就考虑比较少一点。这样对于电工行业这样一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。而现场总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。然而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合。这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统产品很难做到的。现场总线的“负跨越”的特性使它的推广更加容易。
注：负跨越——指在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度却降低了.

二、现场总线与配电自动化

现场总线的技术基础：

　　现场总线以数字信号取代模拟信号，在3C技术即计算机（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基础上，大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备，一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面前。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。”
　　按照国际电工委员会IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。”
我们将在第3章中说细介绍现场总线的方方面面。
　　配电电网的智能化的发展势头迅猛，主要表现为两点：第一是电器元件的智能化；第二是电网控制技术智能化。配电自动化对于电网运行的各项指标均有提高，但是两者发展的瓶颈在于智能化的应用需要较高的技术水平。而“负跨越”使现场总线的应用和推广变得简单。如“ASI”现场总线在构建网络时，就象用图钉钉图片一样简单。

三、现场总线的发展、竞争和IEC62026现场总线标准

1、自动控制领域的发展过程

　　（1）50多年前第一代过程控制体系是基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。

　　（2）第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。

　　（3）第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。

　　（4）第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4－20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。

　　（5）第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。

2、现场总线崛起的过程和原因：

　　80年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为DCS发展的瓶颈。1982年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于1984年各国开始进行现场总线标准的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通讯协议HART（Highway Addressable Remote Transducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在4－20mA的DC信号上叠加FSK（Frepuency Shift Keying,频率调制键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同时Interbus等简单的现场总线也都取得了成功。这样DSC的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）的时代。
　　FCS是从DCS发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来看，FCS与DCS区别仅仅在于从“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输从“点到点”采用“总线”方式。其实不然，当时系统论的观点已被广泛地接受，人们开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络的通讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大大地推进控制系统的发展。整个控制系统就象是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了FCS的主要发展空间，于是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。

3、现场总线

　　从现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）的角度来看，它的通讯网络结构将是ISO的通讯模型的七层结构（一般简化为三层，物理层、数据链路层、应用层）。

（1）各种现场总线

几种主要的现场总线

　　①IEC 1984年提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158－2，因为德国的反对，其它层尚未通过并在1998年9月30日投票失败（赞成票68％反对票32％）。
　　②SP50 IEC/ISA SP50国际总线规范由Honeywell等公司共同开发。1984年美国仪表协会ISA（Instrument Society of America）下属的标准实施（Standard and Practice）第50组，简称ISA/SP50开始制定现场总线标准，1992年IEC批准了SP50的物理层标准。
　　③Profibus,过程现场总线，1987年德国联邦科技部集中了Siemens等13家公司的5个研究所成立了一个专门委员会开始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中发表，对其进行了论述从而正式为德国现场总线的国家标准，现在是欧洲标准pr ENS50170的三个组成部分之一。被工业界称为“德国派”。
　　④ISP和ISPF 1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP组织（Interoperable System Project,可互操作系统规划），是一个以Profibus为基础制定的现场总线1993年成立ISPF（ISP Foundation,ISP基金会）
　　⑤World FIP工厂仪表世界协议，1993年由Honeywell,Bailey等公司牵头成立FIP（Factory Instrumentation Protocol），120家公司加盟，以法国标准46－602/603/604/606为基础制定.该标准与德国的Profibus同时在欧洲投票通过为欧洲标准pr EN50170,成为三个组成部分之一。被工业界称为“法国派”。
　　⑥FF（Fielbdus Foundation,现场总线基金会）1994年6月ISPF和World FIP握手言和成立了FF，总部设在美国Texas州的Austin，有会员120家，它是一个非商业化的公正的国际标准化组织和协会组织，无专利许可要求，供任何人使用（World FIP的欧洲部分在1995年3月才参加）。低速总线H1已进入实用阶段。FF发展的主要障碍来自Profibus的商业利益。

几种有影响的现场总线

　　（1）CAN 由德国Robert Basch以及几个集成电路制造商一起开发，最初是专门为汽车工业设计，后来推广到各个领域.目前已由ISO/TC22技术委员会批准为ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是现场总线中唯一被批准为国际标准的现场总线。值得注意的是一些微处理器的生产商也在微处理器芯片中附加CAN的接口，并且成为一种潮流。而其他现场总线的协议芯片基本上是以专用的芯片来供应，这样CAN在低成本方面优势明显，此外CAN技术在抗干扰技术方面颇有特色。

　　与电器有关的是：AB公司的Device Net 以及Honeywell公司的SDS（Smart Distributed System）也是CAN产品（俩者都是IEC62026的组成部分）。

　　（2）LON works（Local Operation Network）局部操作网络

1991年3月由美国的Echelon公司推出，是一种“智能网”，核心技术是节点由神经元芯片（含三个CPU）构成，带有OSI的七层网模型，适应面最广，开发工具约10－30万，价格较贵。据统计产品的40％用于工业控制，30％用于楼宇自动化。

其他总线

　　（1）Hart和HCF 1986年由Rosemount提出的通讯协议HART（Highway Addressable Remote Transducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在4－20mA的DC信号上叠加FSK（Frequency Shift Keying，频率调制键控）数字信号，是现场总线的过渡性协议，它对于现场总线的形成有重大影响，但是在电器行中发展的可能性很小。

　　（2）一些可能对电器行业产生影响的低层次的现场总线：如：Bitbus,Interbus,AS－Interface,DEVICE Net,VXL等等。

4、现场总线的竞争

　　发展现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，以PROFIBUS为主）和法国派（WORLD FIP的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP和World FIP成立了FF（Fieldbus Foundation,现场总线基金会），推出了FF现场总线。目前IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案（投票结果是68％赞成，32％反对）。
由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。现在ISP已经解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些枝节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，目前国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业利益。

　　FF现场总线在国内得到了国家的强有力的支持，已经从各个口子投了相当的资金用于基础研究。国内已经成立了CFFC协会；可以用FF提供的原代码发展中国的协议芯片产品，国内已经有应用（样板工程）。这是一个重要的发展方向。
CAN是现场总线中唯一被批准为国际标准的现场总线，由于CAN在抗干扰方面有独到之处，和较低的开发成本，很值得我们注意。

5、电器方面的IEC62026标准；

　　近年来IEC的SC17B在用于电力系统方面的现场总线有较大的动作。1997年6月以CD文件发出6份　　IEC62026系列标准《用于低压开关设备和控制设备的控制电路电器和开关元件》：
　　IEC62026－1 一般要求General Rules (in preparation)
　　IEC62026－2电器网络Device Network(DN)
　　IEC62026－3操动器传感器接口Actuator sensor interface(ASI)
　　IEC62026－4协议（规约）Lontalk
　　IEC62026－5灵活的配电系统Smart distributed system(SDS)
　　IEC62026－6多路串行控制总线。Serial Multiplexed Control Bus(SMCB)
　　另外IEC17B又发出一个NP文件“《Device Word FIP》电器网络”1998年4月投票失败尚未成为IEC62026系列的CD文件。

四、低压电器的现场总线问题

　　对于电器领域来说，它的现场总线有一定的特殊性。同时它又不能完全脱离上层现场总线。
　　电器行业的现场总线网络，特别是低压电器将不得不面对几个现场总线：
　　实际上高中压电网控制系统存在各种不同的现场总线。建筑部门在推广Lonworks现场总线，用于智能大楼。
　　FF有国家的大力支持，也许是重要的发展方向。
　　CAN的价格优势对低压电器有很大的吸引力。
　　Profibus已经有了不少应用。这是一个需要认真考虑的现实。
　　IEC62026本身就包含各种现场总线。

电器现场总线网络是个多层次的网络：

　　IEC62026明确表示了高层的工业通讯网络由IEC/SC65C考虑。
　　FCS，现场总线控制系统的一个重要的发展方向是多层次的网络结构；
　　向下连接低层次的现场总线。
　　各种总线相互间的转换可能是解决现场总线之争的途径之一。
　　电器现场总线网络需要多层次的网络。
　　低压电器需要非常灵活地与各种总线、控制对象等的配合控制和交换信息。

我们的一个想法是做一个统一而简单的子网：

　　一个简单的子网可能解决低压电网大部分控制问题。
　　与各种现场总线的配合可以通过相应的协议芯片来解决。
　　统一的子网可能使整个行业的开发成本最低，开发速度最快。
对于低压电器的现场总线如何发展，行业内还需要进一步研讨，这里我们可以给出一个例子：
我们在国家重点技术开发项目——城市电网关键技术和成套设备《智能型低压配电和控制装置》已经应用了低压电网控制系统的通讯网络，这是一个总线型的系统。

五、《智能型低压配电和控制装置》的通讯网络

　　整套装置由六个柜组成，其中智能型框架断路器两个柜（4个点，每点一个断路器通讯子站），智能型塑壳断路器两个柜（3个点，每点一个断路器通讯子站），控制与保护开关电器（CPS）两个柜（五个点，每点一个通讯子站含4个CPS）。上级计算机（上位机）位于远离现场的控制室内。

网络结构：

　　数据通信网络的结构为一点对多点的由上位机主呼的主从网结构（现场总线型）。通讯方式广播应答方式，半双工类型
硬件接口电路类型：RS－485接口电器，（具有瞬态保护或隔离型）通讯线路UTP双绞线，8芯（4对），五类通讯线，（在干扰严重的工业环境或线路与电力线一同敷设时可选用屏蔽线STP）上位机：中央处理器应为586以上。若上位机处于干扰严重的工业环境中，则应选用工控机机型。OAR.584.001《低压电器数据通讯规约（版本号V1.0）》。详见参考文献3

通讯功能：

遥讯功能：通讯子站向上站机报送断路器现时的各项保护参数。

遥测：通讯子站向上位机报送工作参数、故障参数，达到上位机对电力电网系统遥测的目的。

遥调：通讯子站接收上位机的遥调参数来改变断路器中智能型脱扣器的保护特性参数来达到改变电力

电网干路参数设定值的目的

遥控：通讯子站接收上位机的控制信号来实现电力电网计算机控制系统的遥控功能。

我们在智能型低压配电和控制装置项目中做了三项主要的工作：
开发了带通讯接口的智能型断路器。
编制了低压电器数据通讯规约。
组成了一个完整的计算机低压电网控制系统（现场总线型）。
由这个例子我们可以得出以下一些观点：低压电器通讯的数据统一编码是重要的！
我们编制了一个低压电器数据通讯规约。在智能型低压配电和控制装置项目中有了应用。它含有简单的通讯方面的规约。一个重要的尝试是建立了统一的数据编码表。
这是一个基础编码，它把电网控制方面的参数以代码形式确定下来。它的优点在于各种总线规约的转换中保持代码不变。
各个厂家在代码上的统一，明显改善了系统的兼容性。因为国内智能电器生产商大都是中小型企业。代码的统一可以降低整个行业开发成本。可以避免不必要的竞争。

六、结 语

低压电器现场总线发展空间是巨大的，面对的局面也是错综复杂的，我们在国家重点技术开发项目城市电网关键技术和成套设备《智能型低压配电和控制装置》已经应用了低压电网控制系统的通讯网络，这是一个总线型的系统。就该项目来看已经可以完成电网控制的大部分内容，我们需要做的是与上层现场总线的连接，如开发与FF、PROFIBUS、WORLD FIP交换数据的网关。
参考文献： 朱守云，智能虚拟电器，中国电工技术学会第5届学术会议论文集，1996.6
陈德桂，智能化电器的监控、保护与信息网络系统，低压电器，1996年第一期
朱守云，低压电器数据通讯及其规约，低压电器，1998年第一期。