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從第一代的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS，到第二代的動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)，再到第三代的數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)，和第四代的集散式分布控制系統(tǒng)DCS，工業(yè)控制迎來(lái)了——

第五代控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)總線。操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用……數(shù)十年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)領(lǐng)域大放異彩，革新了工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

那么，究竟什么是現(xiàn)場(chǎng)總線呢？

01

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的“神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”

在人體內(nèi)，有一套起到主導(dǎo)作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠感知內(nèi)外部環(huán)境的各種信息，并將之傳遞到各級(jí)神經(jīng)中樞進(jìn)行整合，以維持機(jī)體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，我們稱(chēng)之為“神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”。

現(xiàn)場(chǎng)總線，就是復(fù)雜工業(yè)裝備內(nèi)部的“神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”。它應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（變送器、現(xiàn)場(chǎng)控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）之間的通信互連，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)。

追溯現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展歷史，大致可以分為模擬信號(hào)（1975年前）、數(shù)字通信（20世紀(jì)80年代）、低速現(xiàn)場(chǎng)總線（20世紀(jì)90年代）和高性能現(xiàn)場(chǎng)總線（21世紀(jì)）四個(gè)階段。

上世紀(jì)60年代，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，新型傳感器和執(zhí)行器——也就是我們今天所說(shuō)的智能儀表不斷涌現(xiàn)，為這些設(shè)備研制新型通信系統(tǒng)的需求呼之欲出。

因此，早在70年代初期，第一批現(xiàn)場(chǎng)總線就已經(jīng)安裝投用，但是一直到80年代中期，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作才算真正開(kāi)始，而且時(shí)至今日，現(xiàn)場(chǎng)總線也仍未形成一致的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的結(jié)果就是：混亂。

當(dāng)時(shí)，歐美的不同廠家采用不同的方法、不同的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以致于眾多的智能化工業(yè)控制儀表互不兼容。從用戶角度看，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的全球化發(fā)展。

鑒于這種混亂局面的不利影響，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）站了出來(lái)，從1985年起開(kāi)始主導(dǎo)制訂國(guó)際性的智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室自動(dòng)化設(shè)備之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)，并正式命名為Fieldbus，也就是現(xiàn)場(chǎng)總線。

然而，伴隨現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制訂而來(lái)的，卻是一場(chǎng)“現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)”。

02

曠日持久的“現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)”

起初，最有希望統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的是德國(guó)的Profibus與法國(guó)的FIP，它們?cè)诟髯缘膰?guó)家層面上完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作，并將成果提交給國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)進(jìn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化。

但是，這兩個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)方法卻是大相徑庭。

Profibus基于分布式控制思想，支持垂直通信，F(xiàn)IP則設(shè)計(jì)了中央式的控制方案，用于水平通信。兩大總線團(tuán)隊(duì)彼此對(duì)壘，誰(shuí)也不服誰(shuí)，統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也因此遲遲無(wú)法落地。

不過(guò)，盡管技術(shù)手段不同，Profibus和FIP在應(yīng)用領(lǐng)域上卻形成了互補(bǔ)。因此，有專(zhuān)家小組提議，在結(jié)合Profibus和FIP兩者優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，研制新型通用現(xiàn)場(chǎng)總線。

但由于戰(zhàn)略原因，新型總線的研制在還未達(dá)到成熟階段時(shí)即被放棄。

正當(dāng)歐洲人相持不下的時(shí)候，美國(guó)人也順勢(shì)加入了戰(zhàn)局。美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施工作組的ISA/SP50，在上世紀(jì)80年代后期主導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。

彼此不服氣的德法，自然也不愿意接受被美國(guó)主導(dǎo)的局面。于是，德法美多方僵持，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作陷入了徹底的膠著狀態(tài)。而更大的亂局，即將洶涌而至。

出于市場(chǎng)利益的考量，歐美各國(guó)的巨頭企業(yè)紛紛下場(chǎng)，開(kāi)發(fā)、推廣自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)相繼誕生。

◉ 1986年，德國(guó)推出Profibus過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

◉ 1990年，美國(guó)Echelon公司推出LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。

◉ 1992年，Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司聯(lián)合成立ISP（Interoperable System Project，可互操作系統(tǒng)規(guī)劃）協(xié)會(huì)，著手在Profibus基礎(chǔ)上制定標(biāo)準(zhǔn)。

◉ 1993年，Honywell、Bailey等公司成立WorldFIP協(xié)會(huì)，共有120家公司參加，以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP（Factor Insrtumentation Protoco1）為基礎(chǔ)制定標(biāo)準(zhǔn)。

◉ 1994年，ISP與WorldFIP（北美部分）兩大集團(tuán)握手言和，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF（Fieldbus Foundation）。

◉ 1996年，F(xiàn)F公布了低速總線H1標(biāo)準(zhǔn)，并安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的設(shè)備互連構(gòu)成控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，使H1低速總線開(kāi)始步入實(shí)用階段。

時(shí)間來(lái)到了1999年的6月15日，一度失聲的IEC提出了一個(gè)新的解決方案：和解。在它的居中斡旋下，7月16日，幾家主流現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的代表聯(lián)合簽署了一份和解協(xié)議。

曠日持久的“現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)”，終于迎來(lái)了中場(chǎng)時(shí)刻。

2000年1月4日，IEC宣布現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以86%贊成、12%反對(duì)的票數(shù)比獲得通過(guò)，IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)正式面世，并將于當(dāng)年的12月31日起發(fā)布實(shí)施。

然而，即便是來(lái)之不易的IEC 61158，其實(shí)也并非是完全意義上的大一統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。它包含了8種不同類(lèi)型的總線協(xié)議，這些協(xié)議互不兼容，與IEC的初衷相差甚遠(yuǎn)。

一直到今天，現(xiàn)場(chǎng)總線市場(chǎng)仍舊是數(shù)十種總線并存的局面。

03

打破壟斷的EPA現(xiàn)場(chǎng)總線

聊到這兒，不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，主流的現(xiàn)場(chǎng)總線主要由歐美企業(yè)牽頭開(kāi)發(fā)，它們擁有相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)利，掌握了行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。在這一領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)長(zhǎng)期缺席，受制于人。

EPA總線的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)狀。

EPA的全稱(chēng)是Ethernet for Plant Automation，專(zhuān)為工業(yè)控制系統(tǒng)高速、確定、實(shí)時(shí)、安全可靠的通信需求而研制，解決了以太網(wǎng)應(yīng)用于控制領(lǐng)域的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。

2005年，EPA被正式接受為IEC PAS標(biāo)準(zhǔn)化文件發(fā)布。2007年，被納入IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)體系的EPA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)成為我國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具備完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，100%掌握核心技術(shù)，無(wú)需任何國(guó)外授權(quán)。

EPA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)涵蓋6項(xiàng)內(nèi)容，分別是EPA現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議、EPA功能安全通信協(xié)議、EPA線纜與安裝標(biāo)準(zhǔn)、EPA驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和EPA分布式冗余協(xié)議。

其中，EPA線纜與安裝標(biāo)準(zhǔn)被向來(lái)以嚴(yán)苛著稱(chēng)的德國(guó)引進(jìn)為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，成為我國(guó)在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域打破國(guó)際壟斷、爭(zhēng)取國(guó)際話語(yǔ)權(quán)的典型案例。

EPA現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也先后獲得“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”、“國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”、“中國(guó)專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)”等重大獎(jiǎng)項(xiàng)肯定。

標(biāo)準(zhǔn)先行，是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)法則。誰(shuí)制定的標(biāo)準(zhǔn)為世界所認(rèn)同，誰(shuí)就掌握了產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的話語(yǔ)權(quán)。那場(chǎng)延續(xù)了十多年的現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)，其實(shí)就是行業(yè)話語(yǔ)權(quán)之爭(zhēng)。

圍繞現(xiàn)場(chǎng)總線，在多方博弈、諸強(qiáng)混戰(zhàn)之后，姍姍來(lái)遲的IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)體系，也只是一個(gè)折衷妥協(xié)的結(jié)果。近年來(lái)，隨著工業(yè)以太網(wǎng)的崛起，現(xiàn)場(chǎng)總線的市場(chǎng)份額更是受到了正面沖擊，現(xiàn)場(chǎng)總線之戰(zhàn)逐步升級(jí)成了現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)之戰(zhàn)。

因此，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)仍舊會(huì)激烈存在。

而對(duì)于一度居于落后地位的中國(guó)企業(yè)而言，面對(duì)這場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的科技博弈，堅(jiān)持自主可控的標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)力量，才是我們能從新一輪產(chǎn)業(yè)革命中脫穎而出的不二通途。

山高路遠(yuǎn)，我們正在路上。

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

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

[3] 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展歷史與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì).(2005).賀天柱,孫瑜

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