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摘 要 具体介绍了国际上现场总线标准如PROFIBUS、WorldFIP和FF总线协议的构成以及国际电工委员会制定“工业控制系统用现场总线”标准IEC1158的工作情况。分析了现场总线国际标准化工作进展缓慢的原因及今后的动态。
关键词:现场总线 国际标准 发展概况
The General Status of the Standardization of Fieldbus in the World
Abstract Some of the Standards of Fieldbus in the world e.g.PROFIELD,WORLDFIP and the composition of FF Bus Protocol as well as the activity of the International Electric Committee for drawing up the“The Fieldbus Used in Process Control Systems” IEC 1158 are presented concretely.The reasons of why the standardization of fieldbus is moving slowly and the trend of the standardization in the future are analyzed.
Key words:Fieldbus International standard General developing status
现场总线技术是当今世界各国关注的热点课题,以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的主流。目前世界发达国家的自动化仪表公司都投入巨大的人力、财力,全方位地进行着技术研究和实际应用,期待着成为市场的主宰者。由于现场总线是以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0~10mA或4~20mA的现场仪表,以实现全数字化的控制系统,因此在开发及应用过程中的现场总线标准化是本课题的重点。世界各国的技术协会(学
会)、各大公司、各国的标准化组织,还有国际电工委员会(IEC)及国际标准化组织(ISO)对于本项技术的标准化工作都给予了极大的关注,也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂的局面。
1 世界各主要现场总线标准协议介绍
现场总线的开发和应用,起源于欧洲,如法国的WORLDFIP、德国的PROFIBUS、丹麦的P-NET等,后来由于美国Rosemount、 Honeywell、 Foxboro等著名大公司的参与,使得有强大经济和技术作后盾的美国,在现场总线技术上独领风骚,现场总线基金会的FF协议就是其代表。为了开发应用以及迅速占领相应市场的需要,各国在开发研究的过程中均同步制订了各自的国家标准(或协会标准),同时投入大量精力,迅速将自己的协议标准转化成各区域标准化组织的标准(如:欧洲标准CENELEC),并用各种标准化手段在强大资金和技术支持下,对IEC国际现场总线标准的制订进行强有力的技术渗透,以期将自己的协议标准引入IEC标准草案中,从而最终达到使自己的技术、产品占领整个世界市场的目的。
1.1 WORLDFIP概况
WORLDFIP协会成立于1987年3月,到现在已有11年的历史。WORLDFIP协会是以法国几个跨国公司(CEGELEC、GEC-ALSTHOM、施耐德电气公司等)为基础的跨国、跨行业的技术协会,其宗旨是研究、推广FIP(工厂仪表协议)现场总线系列产品和技术。到目前为止,WORLDFIP协会已拥有100多个成员,生产300多个WORLDFIP现场总线产品。WORLDFIP产品在法国的市场占有率大约
60%,在欧洲市场占有大约25%(根据WORLDFIP提供的资料)的份额。这些产品广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁等过程自动化领域。
WORLDFIP是一个开放的系统,不同领域都可以使用,不同厂家生产的装置可以实现互连,当然这必须以WORLDFIP协议标准作为基础。WORLDFIP协议是一个完整的标准,1996年6月WORLDFIP被采纳为欧洲标准EN 50170—3。WORLDFIP产品已有多年应用经验,技术相当成熟。WORLDFIP打算于今年底与我国组织技术交流,并准备在中国建立WORLDFIP技术维护中心。
EN 50170—3/WORLDFIP是由原法国标准FIP C46601~C46607经过修订而产生的,WORLDFIP协议由物理层、数据链路层和应用层三个通信层组成,具体内容如下:
EN 50170-Vol. 3-Part 1-3:现场通信系统总论
EN 50170-Vol. 3-Part 2-3:物理层规范和服务定义
sub-Part 2-3-1:IEC双绞线
sub-Part 2-3-2:IEC双绞线附录
sub-Part 2-3-3:IEC光纤
EN 50170-Vol. 3-Part 3-3:数据链路层服务定义
sub-Part 3-3-1:数据链路层定义
sub-Part 3-3-2:FCS定义
sub-Part 3-3-3:桥路定义
EN 50170-Vol. 3-Part 5-3:应用层服务定义
sub-Part 5-3-1:MPS定义
sub-Part 5-3-2:SubMMS定义
EN 50170-Vol. 3-Part 6-3:应用层协议规范
EN 50170-Vol. 3-Part 7-3:网络管理
WORLDFIP目前正在进行“FICOMP技术”项目研究工作。该项目的目的是一旦IEC标准通过,WORLDFIP现场总线即可向IEC国际标准现场总线过渡。
1.2 PROFIBUS概况
1984年,德国慕尼黑大学的一位教授提出了PROFIBUS的技术构想,从这以后,联邦德国科技部组织十几家生产自动化控制系统的公司和研究院所,根据ISO 7489标准以开放系统互联网络(open system interconnection, OSI)作为参考模型,开始制订现场总线的德国国家标准,并同时研制PROFIBUS现场总线产品。1991年PROFIBUS德国国家标准DIN 19245(1-4)发布。
经过10多年的开发、生产和应用,PROFIBUS现场总线已形成系列产品,并在各个自动化控制领域得到广泛应用。到目前为止,PROFIBUS用户协会PNO已拥有605个成员,他们遍布于欧洲、美洲、亚洲、非洲和澳大利亚。这些成员中的150多家生产厂生产800多个PROFIBUS产品。PROFIBUS在欧洲市场的占有率大约40%(根据PROFIBUS提供的资料)。
PROFIBUS是一个开放的现场总线标准,是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准,它可广泛应用于制造加工和建筑等自动化领域。采用PROFIBUS标准系统,不同厂商所生产的设备不须对其接口进行特别调整就可通信,PROFIBUS可用于高速并对时间苛求的数据传输,也可用于大范围的复杂通信场合。
PROFIBUS系列包括下列三个兼容版本(见图1):
①PROFIBUS-DP
②PROFIBUS-PA
(根据IEC61158-2,可用双电缆总线供电技术进行数据通信)
③PROFIBUS-FMS
图1 PROFIBUS家族 基于PROFIBUS以上的一些特点,再加上10多年的应用经验,PROFIBUS在欧洲得到广泛推广,目前正在向欧洲以外的地区扩展。1997年7月,Profibus International在中国建立了PROFIBUS中国用户协会CPO。 2.1 IEC现场总线标准的历史情况 现场总线技术的国际标准化工作,其技术和业务分工由IEC/TC 65来组织实施。 国际电工委员会第65技术委员会(IEC/TC 65):“工业过程测量和控制”成立于1969年。它的工作任务是制订有关连续和批量过程的工业过程测量和系统的元件的标准,协调影响测量和控制系统匹配的相关元件特性的标准化工作,在国际领域内对采用电动、气动、液动、机械的方式工作的装置和系统或其它测量和(或)控制系统开展上述标准化工作。 经29年的技术发展和调整,目前IEC/TC 65除已下设SC 65A分委员会(系统)、SC 65B分委员会(装置)、SC 65C分委员会(测量和控制系统的数字数据通信)、SC 65D分委员会(分析装置)四个分委员会外,还建有一个顾问组和三个直属工作组[它们是:WG1(术语和定义)、WG6(功能模块标准化)以及WG8(安装实施方法的调查)]。每个工作组都在从事其工作范围内国际标准的制定和修订工作(见图2)。 |
图2 IEC/TC 65结构 现场总线技术标准化的具体工作是由SC 65C于1988年下设的WG6来具体实施。此工作组的成员由挪威、美国、德国、日本、英国、加拿大、意大利、丹麦、瑞士、韩国、芬兰、法国、瑞典、中国(上海工业自动化仪表研究所,缪学勤教授)、比利时、巴西、澳大利亚共17个国家的43名代表组成,其中美国的Mr. RICHARD H. Caro是这个工作组的召集人,现场总线标准各部分的主要起草人: 表 1 |
标准草案名称 | 阶段 | 阶段完成 时间 |
IEC 61158-1 第1部分:导则 | CCDV | — |
IEC 61158-2-A3 第2部分:物理层规范和服务定义,第3次修正 | ADIS | 1998.01 |
IEC 61158-2 第2部分:物理层规范和服务定义:NP:单极 | ANW | 1997.11 |
IEC 61158-3 第3部分:数据链路层服务定义 | CCDV | 1998.02 |
IEC 61158-4 第4部分:数据链路层协议规范 | CCDV | 1998.02 |
IEC 61158-5 第5部分:应用层服务定义 | CCDV | 1998.01 |
IEC 61158-6 第6部分:应用层协议规范 | CCDV | 1998.01 |
IEC 61158-7-1 第7部分:系统管理,第1~2节 | ACDV | 1997.08 |
IEC 61158-7-2 第7部分:系统管理,第3~8节 | ACDV | 1997.08 |
IEC 61158-8 第8部分:一致性试验 | PWI | 1998.02 |
IEC 61784 连续和继续靠模装置 | ANW | 1998.02 |
IEC 61804-1 过程控制用功能模块 第1部分:一般要求 | ANW | 1997.06 |
IEC 61804-2 过程控制用功能模块 第2部分:规范 | ANW | 1998.08 |
除IEC 61158-2物理层规范正在完善和补充外,其它标准都在讨论制定中。目前处于投票阶段的,也是争论最为激烈的是“数据链路层”标准(即IEC 61158-3、IEC 61158-4)和“应用层”标准(IEC 61158-5、IEC 61158-6)。 2.2.1 关于“数据链路层”标准(IEC 61158-3,IEC 61158-4) 已处于CDV阶段。1996年12月20日,各国家委员会对“数据链路层”标准草案进行了第一次表决,投票结果为: P成员赞成:15票 P成员反对:5票 其它成员赞成:1票 其它成员反对:1票 赞成率:15/20 75%通过 反对率:6/22 27%废止 (注:赞成票计P成员,反对票P,O成员同时计票) 由于投票反对率大于规定的25%,所以首次投票未能达成一致意见。为此,对此标准持支持态度的IEC法国国家委员会和IEC美国国家委员会根据ISO/IEC导则的有关规定,向IEC中央秘书处提出复议请求。他们的理由是:反对票中奥地利的投票中未涉及任何技术理由,应做为弃权票处理。该项提议一经推出,立即得到了意大利、日本、瑞典、英国等13个P成员国家的支持。 1997年4月30日,IEC中央秘书处在日内瓦召开了IEC/TC 65、SC 65C主席和秘书长联席会议,专门对“现场总线”系列标准的复议问题进行了讨论,最终决定对“数据链路层”标准进行重新表决,投票截止日期为1997年10月31日。1998年1月,TC 65秘书处向IEC中央秘书处送交了“数据链路层”标准CDV文件的投票结果。由于巴西投票在规定日期内(1997年10月31日)只送达了SC 65C秘书处而没有上报到IEC中央秘书处,TC 65主席(德国人)坚持将巴西的支持票作为弃权票处理,所以投票结果为支持率:76%,反对率26%,这将导致该项标准第二次被否决。为此,巴西国家委员会立即向IEC中央秘书处和TC 65秘书处发出了强烈抗议,并要求IEC执委会对TC 65上报的投票结果(巴西的投票是否有效)作出仲裁。 鉴于巴西、美国、日本、法国、英国等执委会成员国的极力支持,IEC执委会最终受理了巴西提案,并将相应文件下发给IEC执委会的15个成员国。1998年2月20日,IEC执委会在瑞士对是否接受巴西投票进行了表决。据IEC美国国家委员会和日本原Yamatate-Honeywell公司提供的最新信息表明仅有德国坚决反对,瑞士弃权,其它国家都投了赞成票,支持将巴西投票计入投票结果。这样“数据链路层”标准将进入FDIS阶段,距离正式国际标准仅有一步之遥了。 2.2.2 关于“应用层”标准(IEC 61158-5,IEC 61158-6) 已处于CDV阶段,原定投票截止日期为1997年10月15日,由于“数据链路层”标准未能按期通过,所以“应用层”标准的投票截止日期一并顺延到1997年10月31日。1998年2月,IEC秘书处正式公布了“应用层”标准CDV文件的表决结果,支持率为78%,反对率为25%,这样应用层标准CDV文件已获通过,FDIS文件将于1998年3月15日下发各国。 2.2.3 “系统管理”标准(IEC 61158-7) 已处于CD阶段,定于1998年初形成草案,进行表决。目前本标准中应用于管理信息基础(MIB)结构和编码规则的互联网工程任务组(IETF)标准正在设计中,仍存在着关键技术问题。就IP地址而言,将建立128位长地址,这种方法将提供比32位地址系统多得多的地址空间,从而可以适应Internet未来的发展,然而这一计划要求开发新的TCP/IP软件,从而需要较多的投资和耗费较长的时间。 2.2.4 “一致性试验”标准(IEC 61158-8) 处于NP阶段,还未形成草案。 2.2.5 导则标准(IEC 61158-1) 该项标准的CDV文件投票结果为:支持率73%,反对率27%,实际上已被废止。SC 65C拟将其作为Ⅰ类技术报告(比国际标准略低一级)的形式出版,出版时间为1998年4月30日。 3 现场总线国际标准化工作困难的原因及今后工作的动态 在当今激烈竞争的市场经济中,许多重大新技术的发展、推广、应用都会人为地造成标准化工作滞后技术发展和用户需求的现象(如:高清晰度电视技术的发展),这是因为标准化工作已经紧密地和各国的经济政策相联系,标准化工作已经成为经济工作的一个重要手段。现场总线技术目前的标准化状况实际上反应的就是不同国家大集团之间的经济利益之争,这就导致了这项技术必然会出现标准化工作的困难,其具体原因如下: ①FF、PROFIBUS、WORLDFIP等等这些组织的支撑集团都是在世界市场中处于垄断地位的大公司,而他们所开发的都是打破垄断、全国开放的现场总线,这本身就是一个很大的矛盾。各大公司在解决这一矛盾时,使用的首要方法必定是以最大的垄断来实现市场技术的单一性,为此各大公司在这场竞争中都已经投入了巨大的人力和财力。竞争的任何一方一旦在这场竞争中有所闪失,那么他们的损失将是巨大的,这就导致了他们在国际标准化的工作中拼死相争,互不相让。 ②由于各大集团在这场竞争中实力相当,在这些集团竞争的潜意识中,他们也感到在目前状况下IEC标准晚一天到来,对他们是有好处的。第一,他们可以有较长时间去推销他们经过大量投资而得来的技术和产品,以期收回投资;第二,目前各个总线技术都有其技术优势,如果一方想要在竞争中迅速击败另一方,必须要有大量的巨额投资做支撑,这是各大公司目前还不想做的。因此,推迟国际标准对这项技术的统一,他们将赢得更多的商业运作的时间。 ③IEC组织内部本身也存在着“官僚主义”的现象。当然出现这种情况是必然的,因为它本身就是一个“多极化”组织。 ④一些发展中国家在这场竞争中由于缺乏资金和技术的支持,很大程度上受制于世界各大公司。为了寻求资金和技术的支持,他们经常会在IEC组织中,对这项技术问题的态度上表现出多面性(如波兰)。这也使得这项现场总线国际标准的制订工作经常出现反复。 鉴于上述情况,我们认为:虽然据最新消息,现场总线国际标准的主要部分很快就将成为FDIS稿,离正式的国际标准只有一步之遥,但是,这场斗争还会持续一段时间。在这个过程中,以FF为首的一些成员单位将努力去争取更多的国家对将要形成的FDIS稿投赞成票,保住已有成果,同时PROFIBUS也不会示弱,也将使出浑身解术,阻止这个标准的最后通过。4 中国在现场总线国际标准化工作中的态度 我国是IEC/TC 65的P成员国家,同时上海工业自动化仪表研究所缪学勤先生又是SC 65C/WG6现场总线工作组专家。在现场总线系列国际标准的历次投票中,中国的一票起着至关重要的作用。 从我国的自身利益来讲,一方面我国“九五”攻关项目选择的是FF技术与产品;另一方面,作为我们这样的一个国民经济迅速增长的国家,应一步实现现场总线产品与国际间接轨,以避免出现重复投资局面,所以我国一贯支持IEC早日完成IEC 61158现场总线国际标准的制定工作。因而,我国在现场总线系列标准的历次投票中都投了赞成票。 |
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