現場總線的產生

自20世紀50年代起，過程控制領域便開始采用4~20mA的模擬信號標準，該標準一直沿用至今。隨著70年代數字計算機技術的引入，測控系統開始實現集中式控制處理，計算機在這一過程中扮演了核心角色。到了80年代，微處理器技術在控制領域得到了廣泛應用，它們被集成到各類儀器和設備中，促進了分布式控制系統（DCS）的形成。在這種系統架構下，每個微處理器負責執行一系列特定的任務，而設備間的通信則通過一個專門的網絡和附加的“網關”來實現，其中網關的程序主要是由用戶根據需要來編寫的。標志著控制系統從集中式向分布式的轉變，提高了系統的靈活性和可靠性。

隨著微處理器技術的不斷進步和在各個領域的廣泛應用，傳統的電子線路逐漸被集成電路（IC）所取代。這些以微處理器為核心的智能設備，能夠執行信息的采集、顯示、處理、傳輸以及優化控制等關鍵功能。一些先進的數字式智能化儀表甚至集成了專家系統的輔助推斷和決策能力，它們配備了自動量程轉換、自動調零、自校正、自診斷等高級功能，并且能夠提供故障診斷、歷史數據報告、設備狀態監控和趨勢分析等增強功能。通信技術的發展推動了數字化信息網絡技術的廣泛應用，這不僅促進了信息的高效傳輸，也滿足了對質量分析、維護管理、安全相關系統測試記錄以及環境監測等方面日益增長的需求。這些需求使得現場儀表不僅要能夠在當地處理信息，還要能夠在需要時被遠程管理和訪問，從而大大增加了現場儀表與上層控制系統之間的通信量。同時，從實際應用的角度出發，控制領域對于控制系統的精度、操作便利性、維護性和可移植性等方面也在不斷提出更高的要求。

為了滿足這些需求，現場總線技術應運而生，它通過提供一個標準化的數字通信鏈路，實現了現場智能化設備與控制室內自動化系統之間的高效互聯互通。現場總線技術構成了連接智能化現場設備與控制室內自動化系統的標準化數字通信路徑。它支持全面的數字化通信，允許雙向數據交換和多站點的總線通信，實現了設備間的互操作性和數據共享。這種通信方式主要用于執行控制任務、觸發警報以及報告重要事件。現場總線的通信協議設計注重響應速度和操作的可預測性，以確保最優化的性能。作為一層基礎的網絡協議，它為更高層次的監控和管理網絡提供了支撐，這些高層網絡負責處理文件傳輸等任務。現場總線技術為智能現場儀表的集成提供了一個開放的平臺，使得基于現場總線的分布式控制系統（FCS）成為繼分布式控制系統（DCS）之后的新一代控制解決方案。

現場總線標準的制定

▲常見的現場總線類型數字技術在自動化領域的發展與模擬技術截然不同，其特點是標準的制定往往先于產品開發，為新興產業的健康發展提供指導，盡管國際電工委員會/國際標準協會（IEC/ISA）自1984年起就開始致力于現場總線標準的制定，但一個完全統一的標準至今仍在完善中，現場總線技術已經成為連接現場智能化裝置與控制室自動化系統的重要數字通信鏈路，實現了設備間的相互操作和數據共享，主要用于控制、報警和事件報告等功能。

IEC61158 Ed.4標準是現場總線技術的國際標準，它反映了現場總線和實時以太網技術的最新發展。該標準采納了經過市場考驗的20種主要類型的現場總線，包括各種工業以太網和實時以太網技術。這些現場總線類型涵蓋了當前工業自動化領域中廣泛使用的多種通信協議，它們通過標準化的方式實現了設備間的互聯互通和數據交換。IEC61158 Ed.4標準的制定，為工程技術人員提供了一個全面的技術規范，引導他們了解和學習最新版的現場總線技術，同時也為不同現場總線技術的互操作性提供了基礎 。

▲IEC61158 Ed.4標準所定義的現場總線類型現場總線技術是應自動化領域多樣化需求而誕生的。由于不同行業對自動化的具體要求各有側重，那些為特定行業量身定制的總線技術往往能更好地滿足該行業的需求，因此在其目標應用領域內得到了更廣泛的應用和更佳的適配性。簡而言之，每種總線技術都有其特定的應用背景和適用場景，它們是為了解決特定自動化挑戰而設計的。

工業領域引入以太網技術

現場總線技術通過采用數字通信取代了傳統的模擬信號，實現了在單一對雙絞線上連接多個設備的能力，從而顛覆了傳統的控制系統架構。然而，這種技術在傳輸速度等方面存在一些限制，例如在需要極高數據刷新率的運動控制應用中，現場總線可能無法滿足這些苛刻的要求。與此同時，以太網因其廣泛的應用性、較高的通信速度和較低的成本，在工業控制領域引起了廣泛關注，并逐漸成為新的發展趨勢。工業以太網的普及率正在工業自動化和過程控制市場中迅速攀升，眾多遠程I/O接口技術的提供商，包括西門子、羅克韋爾、通用電氣、發那科等，都在提供支持TCP/IP協議的以太網接口。這些公司在銷售各自的可編程邏輯控制器（PLC）產品的同時，也提供了能夠與遠程I/O以及基于PC的控制系統相連接的接口選項。這表明了工業以太網在實現設備間高效通信方面的潛力，以及其在現代自動化系統中日益增長的重要性。工業以太網通常被泛指為應用于工業控制系統的以太網技術它在技術上與商用以太網（即IEEE 802.3標準）兼容，但在產品設計時，更加注重材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面，以滿足工業現場的需求。以下是工業以太網技術的一些優勢和特點：

01通信速率高

工業以太網的通信速率遠高于傳統的現場總線，10、100 Mb/s的快速以太網已開始廣泛應用，1Gb/s以太網技術也逐漸成熟；

02資源共享能力強

隨著Internet的發展，以太網已滲透到各個角落，實現了“控管一體化”，這是其他任何一種現場總線都無法比擬的；

03可持續發展潛力大

以太網的引入為控制系統的后續發展提供了可能性，用戶在技術升級方面無需獨自的研究投入；

04實時性

工業以太網需要滿足實時通信要求，能夠在嚴格的時間限制下傳輸數據。為了實現實時性，工業以太網采用了各種機制，如時間同步、優先級調度等；

05可靠性

工業以太網要求高可靠性，能夠在惡劣的工業環境下穩定運行。為此，工業以太網采用了冗余機制、錯誤檢測與糾正、網絡管理等技術手段；

06網絡拓撲

工業以太網支持多種網絡拓撲結構，包括星型、環形、總線等，可以根據實際應用的需求選擇適合的網絡結構；

07靈活性

工業以太網具有較強的靈活性，可以適應不同規模和復雜度的工業自動化系統。它支持多種通信協議和設備接口，能夠與其他工業網絡進行互聯。

工業以太網的采用不僅帶來了實時以太網的諸多優勢，還因其遵循相同的通信協議，實現了辦公自動化網絡與工業控制網絡間的無縫集成。這種無縫連接為工業自動化帶來了更高的靈活性和效率，同時也推動了工業4.0和智能制造的發展。通過這種方式，工業以太網正在成為連接工業自動化與信息技術的橋梁，為現代工業系統的集成和優化提供了強大的支持。實時以太網技術工業以太網技術是為了滿足自動化控制系統中對通信實時性要求而發展起來的。但對于需要響應時間小于5ms的應用，普通的工業以太網可能就不夠用了。為了解決這一問題，各個公司和標準組織開發了多種技術方案來提升工業以太網的實時性。

這些方案都是在IEEE802.3標準的基礎上，通過實時擴展來提高網絡的實時性能，同時確保與標準以太網的兼容性。這樣的技術被稱為實時以太網（RealtimeEtherNet，RTE），它能夠實現與標準以太網的無縫連接，提供毫秒級的實時響應時間，滿足高實時性應用的需求。實時以太網技術的關鍵特點包括低延遲、高數據傳輸速率、可預測的性能，以及對實時數據傳輸的優化。這些技術在工業自動化、機器控制、機器人技術等領域中發揮著重要作用，幫助實現高度自動化和精確控制的應用。常見的實時以太網協議包括EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、POWERLINK等，它們各自具有不同的特點和優勢，以適應不同的工業應用場景。根據IEC61784-2-2010標準，實時以太網是在ISO/IEC8802-3協議的基礎上，針對工業數據通信的特定需求，通過引入一些關鍵的實時性增強措施來實現的。這些措施確保了網絡在保持與標準以太網兼容性的同時，能夠滿足工業自動化對實時通信的嚴格要求。

1

通信時間的確定性，即行為可預測；

2

迅速適應外部環境的變動，這包括處理任務的變更、網絡節點的增加或減少，以及對網絡故障的檢測和診斷；

3

減小通信轉發延遲，使得設備交互在極短的通信延遲時間內完成。

▲工業以太網和商用以太網的比較