2023年4月17日发(作者：热痢)
现代工业控制总线的发展趋势
前言
随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展,大量智能控制芯片和
智能传感器的不断出现,以及在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就使
人们对系统综合性能尤其是安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统设备
的工作状况进行实时监测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护。对企业自
动化设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制，不仅可方便设备管理者随时
了解设备工作状态,设备出现异常时主动报警，便于及时维修，还可拓宽设备服
务范围,提高工作性能,延长使用寿命.这一目标的实现对控制网络在开放性、互
连性、分散性等方面提出了更高要求。
一 分散控制系统（DCS）
当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如
冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于
开放结构和集成技术的发展，进一步扩展了大型分散控制系统的应用。
1. 应用现状
DCS自1975年问世以来,大约有3次比较大的变革,70年代操作站的硬件、
操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发并没有动态流程图，通
信网络基本上是轮询方式;80年代通信网络较多使用令牌方式;90年代操作站出
现了通用系统，90年代末通信网络有的部分遵循TCP/IP协议，有的开始采用以
太网.20多年来，DCS已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统
的主流.
虽以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统DCS，但其发展仍面
临一些问题，如孩子生日祝福语
统一标准、仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需
DCS，因此FCS完全取代传统DCS尚有较长过程。现DCS的新产品的特点为：系
统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS的研发、生
产和推广应用。
2。 DCS存在的问题
(1）1对1结构。1台仪表，1对传输线，单向传输1个信号。这种结构造
成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。
(2)可靠性差。模拟信号传输不仅精确度低，且易受干扰。为此采用各种措
施提高抗干扰性和传输精确度，其结果是增加了成本。
（3)失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表的工作状况，也不能
对其进行参数调整，更不能预测事故,导致操作员对其处于失控状态。因操作员
不能及时发现现场仪表故障,而发生事故已屡见不鲜。
(4)互操作性差。尽管模拟仪表已统一4~20mA信号标准,可大部分技术参数
仍由制造商自定,致使不同品牌仪表无法互换。因此导致用户依赖制造厂,无法使
用性能价格比最优的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场的局面。
3. DCS在中国
因我国传统产业改造和新建工程项目对DCS的急吉利的成语
需，80年代从国外引进了
几百套DCS来装备石化、冶金、电力等行业.进入90年代，我国一些新型高科技
公司进入DCS领域。目前在国内生产的DCS不仅具有价格低廉、备品备件方便的
优势，而且在技术先进、组态学习容摇钱树苗
易、技术支持有力等方面都获得用户肯定。
国内DCS生产的最新产品具有系统开放、兼容现场总线、管控一体化和带有先进
控制软件，在技术上可初步与国外产品相抗衡.目前，我国现场控制系统一般仍
采用DCS。
4。 发展方向
DCS发展至今已相当成熟和实用，毫无疑问，它仍是当前工业自动化系统应
用及选型的主流，不会随着现场总线技术的出现而立即退出现场过程控制的舞
台。面对挑战，DCS将沿着以下趋势继续向前发展：
(1）向综合方向发展：标准化数据通信链路和通信网络的发展，将各种单(多）
回路调节器、PLC、工业PC、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求,
并适应开放式的大趋势。
（2）向智能化方向发展：数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库
系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断、自寻优等，人
工智能会在DCS各级实现。与FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备
如智能I/O、PID控制器、传感器、变送器、执行器、人机接口、PLC相继出现。
（3）DCS工业PC化：由IPC组成DCS已成为一大趋势，PC作为DCS的操作
站或节点机已很普遍,PC-PLC、PC—STD、PC-NC等就是PC—DCS先驱,IPC成为
DCS的硬件平台。
(4）DCS专业化:DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解相应专业
的工艺和应用要求，以逐步形成如核电十九英语
DCS,变电站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。
二 现场总线控制系统（FCS)
现场总线控制系统是继DCS之后的又一种新型工业控制系统，它的出现带来
了工业控制领域的一场深刻革命。现场总线代表一种突破意义的控制思想，改变
了原有控制体系结构，使模拟与数字混合的DCS更新换代为全数字现场总线控制
系统,真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。
1。 应用现状
现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出40
多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARC刷锅
ent、P-Net、
FIP、ISP等,其中最有影响力的有5种,分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks，
如表所示。
FCS全数字化通信使过程控制具有更高可靠性本周时政新闻
,从传感器、变送器到调节器，
均为数字信号，这就使得复杂、精确的信号处理得以实现。因采用数字总线式通
信线路代替DCS 1对1的I/O连线，对于大规模I/O系统，减少了由连线带来的
不可靠，同时也降低了布线成本。此外FCS还具有互操作性、分散性、EIC(电气
传动、仪表、计算机)一体化等优点。在由现场总线构成的FCS中，仪表实际上
已成为具有综合功能的智能仪表.EIC一体化结构恰恰是钢铁工业自动化用得较
多而又急需的控制系统结构。
2。 现场总线存在的不足
现场总线是一种正在发展中的技术，在许多方面还需改善。IEC 61158规定
了FF、Profibus、WorldFIP等8种现场总线标准,还有一些事实上的标准,如
LonWorks和CAN总线等。现有8种现场总线为国际标准，它们采用的通信协议
完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作十分困难。许多标准的并存，将
导致现场总线技术不易广泛应用.
现场总线还存在着瓶颈问题，表现在:（1)总线切断后,系统有可能产生不可
预知的后果；（2)在本安防爆应用中,现有防爆规定限制总线长度和总线上所挂
设备数量，同时也限制了现场总线节省线缆优点的发挥；（3)系统组态参数过于
复杂，不易掌握，而其设定的好坏对系统性能影响很大。
3. 现场总线在中国
以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比,其优点不仅在控
制方面，更多的是在自诊断、自校正等自动管理方面。但国内使用的系统规模一
般不大，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥FCS降低运
行维护费用的优势，所以与传统产业相比，现场总线的优点没有完全体现出来，
现在国内还有很多企业对现场总线技术和产品是否成熟可靠持怀疑态度。现场总
线在中国需进一步促进其快速发展，最主要的则是推动企业对现场总线的应用。
我国是发展中国家,还不拥有自主版权的现场总线。我们应谨慎对待出现在
现场总线问题上的争论,它已阻碍了工业自动化领域网络技术的发展和产品的更
新换代，我们应抓住网络发展的新机遇,努力发展我国自己的现场总线网络产业。
4。 发展方向
现场总线是一种正在发展的技术，在过程控制领域对其要求是：(1）改善实
时性，不允许有不确定性；（2)克服本安防爆对总线中节点数和电缆长度的限制，
加强现场总线本安概念理论研究；(3)实现可互操作性和信息处理现场化.今后,
对上述3方面还要进行积极研究、不断探索。实时性和可互操作性是以太网在工
业现场应用所要解决的重要问题。
由于Ethernet技术的快速发展，其介入控制已成为事实。Ethernet的主要
特点是：数字式互连网络、可操作性、开放性和高网络功能。网络功能包括实时
性、可靠性等.而开放性最为重要.Ethernet是世界上应用最为广泛的计算机通
信技术之一，受到广泛技术开发支持，而且已使用多年，具有大量软、硬件资源
和开发设计经验。在以太网上层应用的TCP/IP协议也已开发较成熟；绝大多数
PC机均提供以太网接口，操作系统也已配备TCP/IP协议;以太网适配器及其相
关产品价格低廉，一块以太网网卡的价格只是Profibus、FF等现场总线网卡的
一小部分；而且许多现场总线标准已向上支持以太网，其中主流现场总线FF于
2000年3月宣布用以太网增强H2的方案。
因此，一般认为整合Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流
体系和应用热点。
三 以太网（Ethernet)
开放的以太网是20多年来发展最为成功的网络技术，并导致了一场信息技
术的革命。
1. 应用现状
工业自动化控制系统网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂,内
部连接越来越高速化、紧密化，更多的是系统细分成为独立控制孤岛，对驱动器
和用户接口需求越来越多。而无论如何传统PLC技术无法满足该要求,现场总线
技术也不能提供相关性能。只有通过网络技术来解决,而在所有网络技术中，以
太网技术是最理想的选择。
目前以太网还只适合于工业控制网络系统的信息层应用.以太网是Byte级
网络，只能部分代替现场总线作用，而将以太网用于现场I/O级，这是目前工控
领域研究的热点之一.
2。 Ethernet的优势
与以往控制网络相比,以太网应用于工业控制具有以下的优势：
(1）更高的通信带宽.以太网是一种成熟、快速的网络协议，数据传输速率
为10～100Mb/s。新一代以太网传输速率更快，可达1Gb/s,能满足不断增长的数
据通信需要，成为企业范围的主干网络。
(2)实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。以太网早已成为企业管理网
络的首选，将其应用于现场设备控制网络,将实现企业信息网络和控制网络的融
合，促进整个企业信息化的集成。
(3)控制系统成本降低.主要体现在两方面：支持以太网通信的网络设备较低;
熟悉以太网网络操作的用户较多，整个系统培训、维护都较容易。
(4)更高稳定性。光纤网络已成为Internet的主干网络，光纤所具有的良好
抗噪声干扰性能使得以太网更适合在实时监控的高噪声设备现场环境。
3. Ethernet在中国的应用
目前国内对工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络，部分学
者对建立工业以太网控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入实质性
研究阶段，实际应用还不多。
就目前我国网络控制实际情况和发展要求，工业控制系统将普遍以现场总线
和DCS相结合作为控制系统的底层和中层,用于工业现场;而将以太网用于控
4。 发展方向
基于以太网的控制网络所具有的上述优点是目前现场总线技术所无法比拟
的。另外，随着宽带以太网与交换式以太网技术的发展，以太网作为控制网络在
控制实时性方面的问题正在逐步得以解决.虽然以太网采用的是带碰撞检测的载
波侦听多路访问协议（CSMA/CD），一般认为该协议不能满足控制系统实时性要
求,但100Mb/s以太网已开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现；而且以太网
交换技术的出现,通过全双工交换技术，可完全避免CSMA/CD中的碰撞；还可方
便实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好实现性能.
所以，未来工业控制系统的发展方向必然是通过工业Ethernet网络实现互
连，最后连接到Internet。
四 基于嵌入式Internet的工业控制
1。 新型传感器的出现带给工业控制网络的变革
随着人类探知领域的不断拓展和需获得电子信息种类的日益增加,传感器技
术已成为现代信息技术的三大核心之一,并被视为现代高科技发展的关键技术.
传感器技术的进步不仅表现在灵活、可配置功能结构上,在信号传输和远程通信
能力方面也有惊人突破，新一代传感器可借助Internet相互传递信息。传感器
技术的发展极大带动了测试、控制等相关领域技术的发展，尤其在工业控制方面，
各种不同功能的传感器作为嵌入式设备分布在测控设备现场，获取用于控制的现
场设备信息。
新一代IP传感器，基于嵌入式Internet技术构造,在智能传感器基础上实
现了嵌入式Web服务器技术,支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信协议，并采用以太网
标准接口，实现了现场设备和Internet的直接通信。IP传感器的功能模块图如
图1。它解决了设备直接上网的问题，使得对于现场设备的控制不再受到空间和
地域限制，通过分配正确IP地址，授权用户就可在什么枕头最好
任一Internet终端实现对被
控设备的访问和控制.这种局面的出现，必将影响现有控制网络结构，并使之向
新控制网络体系发展——基于嵌入式Internet的控制网络。
2. 基于嵌入式网关的以太网和现场总线的混合控制
采用以太网和现场总线混合控制网络，可解决不同协议标准现场总线的集成
问题,构建出真正全开放、全分散控制网络，如图2所示。
该控制网络的特点是，系统通信建立在以太网、TCP/IP和现场总线的混合
通信协议之上，通过网关实现高速计算机网络以太网和相对低速现场总线的互
连，以实现计算机系统和现场仪表、设备的互连和互操作。当计算机向现场仪表、
设备发送信息时，它首先基于以太网和TCP/IP协议将信息发送给相应网关，然
后由网关根据现场总线协议发送给相应现场仪表、设备；反过来，当现场仪表、
设备的信息发送给计算机时,需由网关作为代理，通过以太网和TCP/IP协议发送
给相应计算机。同时，因以太网和互联网能方便实现互连，系统还支持通过互联
网络进行远程访问.
3. 基于嵌入式Internet控制网络
基于嵌入式网关的混合控制网络在一定程度上解决了现场总线在控制系统
的分散性和开放性问题，较适合于改造现有现场总线网络;在不摒弃已有现场总
线网络的情况下,又实现了与Internet的集成.然而，在具体应用实施时，尚存
在以下问题：
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1)系统开放性仍具有较大局限性。由于整个系统仍采用现场总线网络,不可
避免存在现场总线协议标准不统一的局限性。
（2)互联模型难以实现。以太网和现场总线网络间通过网关实现异质互连,
由于存在众多现场总线标准，网关的具体实现极其复杂和困难.
以太网和TCP/IP协议的广泛应用促使了Internet飞速发展，几乎所有网络
底层技术都可用于传输TCP/IP的通信,应用TCP/IP技术的以太网可满足控制系
统各层次的要求。并且，随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成
本越来越低,功能却越来越强大,这不仅解决了嵌入式微控制器与Internet连接
的技术问题,同时使得连接费用降低到工业控制可接受的程度.这种技术的发展
促使了基于嵌入式Internet的控制网络的出现.在这种网络体系结构中,基于
TCP/IP的以太网贯穿于控制系统各个层次，将孤立的现场设备和设备工程师以
及企业管理人员均作为一个网络节点通过以太网有机连接在一起,形成一个有机
整体，实现现场设备到管理层的直接通信,使设备的控制与维护由过去封闭、各
行其是的管理模式逐步向开放、共享、合作的新型管理模式转变，并最终实现企
业控制、管理信息的无缝集成.
嵌入式Internet技术在工业控制中的一个重要应用是实现对远程现场设备
的状态监控。借助与Internet的低成本接入技术,构建具有更高性价比的监控自
动化系统,较方便地在各类嵌入式应用中,实现远距离操作、监控、控制和维护。
五 结束语
21世纪是信息化、网络化和智能化的时代，随着Internet技术的迅速发展，
以太网和TCP/IP协议已成为世界范围内的事实标准，基于TCP/IP协议的以太网
可满足控制系统各个层次的需求，工业以太网网络开始被应用到工业控制领域。
与此同时，随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低,
功能却越来越强大，使嵌入式微控制器与Internet连接的费用降低到了完全可
接受的程度，因此，基于嵌入式Internet的控制网络在不久的未来必将具有十
分广阔的应用前景，标志着新一代控制网络发展的必然趋势。
