2024年6月19-21日 | 深圳国际会展中心(宝安新馆)

华南工博会

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资讯 | 现场总线,一场硝烟未息的战争

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从第一代的气动信号控制系统PCS,到第二代的动模拟信号控制系统,再到第三代的数字计算机集中式控制系统,和第四代的集散式分布控制系统DCS,工业控制迎来了——第五代控制系统现场总线控制系统FCS。

现场总线控制系统的技术基础是现场总线。操作简单、运行可靠、经济实用……数十年来,现场总线在工业领域大放异彩,革新了工业底层网络的架构设计。那么,究竟什么是现场总线呢?


01

工业现场的“神经系统网络”

在人体内,有一套起到主导作用的调节系统,能够感知内外部环境的各种信息,并将之传递到各级神经中枢进行整合,以维持机体的正常运转,我们称之为“神经系统网络”。

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现场总线,就是复杂工业装备内部的“神经系统网络”。它应用于工业现场设备(变送器、现场控制器、执行机构等)之间的通信互连,是自动化领域中底层数据的通信网络。

追溯现场总线的发展历史,大致可以分为模拟信号(1975年前)、数字通信(20世纪80年代)、低速现场总线(20世纪90年代)和高性能现场总线(21世纪)四个阶段。

上世纪60年代,随着微电子技术的快速发展,新型传感器和执行器——也就是我们今天所说的智能仪表不断涌现,为这些设备研制新型通信系统的需求呼之欲出。

因此,早在70年代初期,第一批现场总线就已经安装投用,但是一直到80年代中期,现场总线的标准化工作才算真正开始,而且时至今日,现场总线也仍未形成一致的国际标准。

标准不统一的结果就是:混乱。

当时,欧美的不同厂家采用不同的方法、不同的信号标准进行产品开发,以致于众多的智能化工业控制仪表互不兼容。从用户角度看,严重影响了生产的全球化发展。

鉴于这种混乱局面的不利影响,国际电工技术委员会(IEC)站了出来,从1985年起开始主导制订国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通讯标准,并正式命名为Fieldbus,也就是现场总线。

然而,伴随现场总线标准制订而来的,却是一场“现场总线标准大战”。


02

旷日持久的“现场总线大战

起初,最有希望统一现场总线标准的是德国的Profibus与法国的FIP,它们在各自的国家层面上完成了标准化工作,并将成果提交给国际电工技术委员会进行国际标准化。

但是,这两个系统的技术方法却是大相径庭。

Profibus基于分布式控制思想,支持垂直通信,FIP则设计了中央式的控制方案,用于水平通信。两大总线团队彼此对垒,谁也不服谁,统一协议标准也因此迟迟无法落地。

不过,尽管技术手段不同,Profibus和FIP在应用领域上却形成了互补。因此,有专家小组提议,在结合Profibus和FIP两者优点的基础之上,研制新型通用现场总线。

但由于战略原因,新型总线的研制在还未达到成熟阶段时即被放弃。

正当欧洲人相持不下的时候,美国人也顺势加入了战局。美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作组的ISA/SP50,在上世纪80年代后期主导了现场总线标准的编制工作。

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彼此不服气的德法,自然也不愿意接受被美国主导的局面。于是,德法美多方僵持,现场总线的标准化工作陷入了彻底的胶着状态。而更大的乱局,即将汹涌而至。

出于市场利益的考量,欧美各国的巨头企业纷纷下场,开发、推广自己的现场总线产品,各类现场标准相继诞生。

  • 1986年,德国推出Profibus过程现场总线标准。

  • 1990年,美国Echelon公司推出LonWorks现场总线产品。

  • 1992年,Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司联合成立ISP(Interoperable System Project,可互操作系统规划)协会,着手在Profibus基础上制定标准。

  • 1993年,Honywell、Bailey等公司成立WorldFIP协会,共有120家公司参加,以法国标准FIP(Factor Insrtumentation Protoco1)为基础制定标准。

  • 1994年,ISP与WorldFIP(北美部分)两大集团握手言和,成立了现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)。

  • 1996年,FF公布了低速总线H1标准,并安装了示范系统,将不同厂商的符合FF规范的设备互连构成控制系统和通讯网络,使H1低速总线开始步入实用阶段。

时间来到了1999年的6月15日,一度失声的IEC提出了一个新的解决方案:和解。在它的居中斡旋下,7月16日,几家主流现场总线标准的代表联合签署了一份和解协议。

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旷日持久的“现场总线标准大战”,终于迎来了中场时刻。

2000年1月4日,IEC宣布现场总线国际标准以86%赞成、12%反对的票数比获得通过,IEC 61158标准正式面世,并将于当年的12月31日起发布实施。

然而,即便是来之不易的IEC 61158,其实也并非是完全意义上的大一统标准。它包含了8种不同类型的总线协议,这些协议互不兼容,与IEC的初衷相差甚远。

一直到今天,现场总线市场仍旧是数十种总线并存的局面。


03

打破垄断的EPA现场总线

聊到这儿,不难发现一个问题,主流的现场总线主要由欧美企业牵头开发,它们拥有相关技术的标准和专利,掌握了行业话语权。在这一领域,中国企业长期缺席,受制于人。

EPA总线的出现,改变了这一现状。

EPA的全称是Ethernet for Plant Automation,专为工业控制系统高速、确定、实时、安全可靠的通信需求而研制,解决了以太网应用于控制领域的多项关键技术难题。

2005年,EPA被正式接受为IEC PAS标准化文件发布。2007年,被纳入IEC 61158标准体系的EPA国际标准发布,该标准成为我国在工业自动化领域的第一个国际标准,具备完整自主知识产权,100%掌握核心技术,无需任何国外授权。

EPA国际标准涵盖6项内容,分别是EPA现场总线协议、EPA实时以太网技术协议、EPA功能安全通信协议、EPA线缆与安装标准、EPA驱动标准和EPA分布式冗余协议。

其中,EPA线缆与安装标准被向来以严苛著称的德国引进为德国国家标准,成为我国在工业标准领域打破国际垄断、争取国际话语权的典型案例。

EPA现场总线技术也先后获得“中国标准创新贡献奖”、“国家技术发明奖二等奖”、“中国专利优秀奖”等重大奖项肯定。

标准先行,是知识经济时代的市场竞争法则。谁制定的标准为世界所认同,谁就掌握了产业游戏规则的话语权。那场延续了十多年的现场总线之争,其实就是行业话语权之争。

围绕现场总线,在多方博弈、诸强混战之后,姗姗来迟的IEC 61158标准体系,也只是一个折衷妥协的结果。近年来,随着工业以太网的崛起,现场总线的市场份额更是受到了正面冲击,现场总线之战逐步升级成了现场总线与工业以太网之战。

因此,在可预见的未来,工业通信网络领域内的竞争仍旧会激烈存在。

而对于一度居于落后地位的中国企业而言,面对这场激烈竞争的科技博弈,坚持自主可控的标准体系和技术力量,才是我们能从新一轮产业革命中脱颖而出的不二通途。

山高路远,我们正在路上。


来源:国利信安

[1] The Fieldbus Standards:History and Structures.(2002).Max Felser

[2] The fieldbus war:history or short break.(2002).Max Felser, Thilo Sauter

[3] 现场总线的发展历史与未来发展趋势.(2005).贺天柱,孙瑜

[4] The Fieldbuses.(1997).Jean Pierre Thomesse