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现场总线发展简史(一):总线之争的年代

2021-06-04宋华振

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   看历史其实是件蛮有意思的事情,对于科技与产业历史相对来说有比较少的资料与书籍,不过,从过去的各种文章里,还是能看到一些,一直和朋友们讲写个“现场总线简史”,总得开始。

   早期的仪表网络

   最早被认为的总线在上世纪60年代即出现了,当时有个称为CAMAC网络的,它主要是针对核电领域的,被认为是第一个仪表网络,现场总线这个词,当时还没有出现,因为“Fieldbus”这个词要到1985年左右的IEC会议才会正式出现,但是,对于信号连接的需求是早就有了-毕竟,不能等有了现场总线这个名字,设备才需要互联嘛!

   在那个时候也已经有了Modicon的Bus,也就是现在大家用的Modbus,还有个叫西屋的(Westinghouse)的WDPF,1977年就产生的ARCNET,即, AllianceReasearch Centre Network,而对于军方则有1553标准,到了70年代末有了AB的Date Highway和TI的TI Industrument Way,即TiWay。

   MAP/TOP项目动议

   到了有了CIM,计算机集成制造这个概念,然后来自美国两家公司主导的MAP和TOP项目,是拟为工厂构建网络的,波音最早发布了TOP项目,当然这个主要是Technical Office Protocol,针对办公室的,而另一个由GM则成为MAP-Manufacturing Automation Protocol。到了80年代,欧洲在TOP/MAP项目后也启动了几个项目:

   FIP-在1982年由FrenchMinistry for Reasearch & Industry主持,当然这个实际上的带头企业应该是Alstom;Profibus-在1984年由德国主持开发,而在1983年丹麦也有P-Net网络的开发,而CAN总线则由Bosch在1985年左右主持开发;

   然后IEC/ISA都参与到了全球级的标准制定过程中来,IEC由IEC/TC65C/WG6主持,而ISA则由SP50工作组主导,双方达成一致决定共同合作开发国际标准,并拟在这个标准制定中考虑两种情况:

   H1:针对传感器级的网络

   H2:针对工厂级

   同时,标委会也出了各自的建议书(Proposal),也分为两个类型:

   第一个类型现存协议

   1.ERA,由英国ERA基于MilStd 1553发展而来

   2.IEEE P1118

   3.Foxboro:H1采用HDLC,H2采用RS485

   4.罗斯蒙特:H1-HSK,H2采用IEEE802.4

   第二个类型:开发新的

   1.FIP-发过在1984年发布,并1986年成立组织推广

   2.Profibus-FMS,采用RS485-令牌传递方法来区分主从;

   由于当时标准具有一定的法律约束力,也会在商业招投标中采用,同时这也是一种竞争地位的表征,因此,各国均为此投入了重兵,主要是德法两国分别提出了不同的标准,由德国提出的Profibus采用了MAP/MMS的规范,采用了Client/Server架构这种垂直架构,C/S架构主要设计思想是基于“分布式控制”而设计,但是另一方面的FIP设计则采用集中式架构,提供了高实时能力的机制,即现在经常说的Pub/Sub机制,尽管这两者是不同的,但却可以互补应用,而且Profibus和WorldFIP都将其在自己本国形成标准,并申请IEC的国际标准,但是,作为,通用标准最好能够将两者的有点融合,有专家提出了新的建议,在FIP的扩展中即WorldFIP,Client/Srever模型也被添加,另一方面ISP-互操作系统项目尝试将Profibus与发布者/订阅者模式进行扩展,ISP于1994年被废弃,因为所谓的战略原因放弃了。

   有人的地方就有江湖

   本来这个事情倒也没什么,大家商量来做个通用的国际标准,而且主要是在法国人的FIP和德国人的Profibus之间的竞争,但是,在80年代中期这个阶段,关于国际标准这个话题好像欧洲人没有当回事。结果,这事被美国那边的ISA抢了风头,主要是ISA/SP50效率更高。IEC的欧洲风格做事一向严谨谨慎,论证严密,也没什么进展,花了8年时间也才就把底层的标准给定义了,就是IEC61158-2,但是,在数据链路层又采用了好几个来自不同地方的建议,搞了三个数据链路层方案,令牌分为Scheduler Token确定哪个站控制总线上的timing,Delegated令牌可以让一个站越过另一个站获得总线控制访问权,CirculatedToken是一个逐个通过一个个站来访问总线的,你说对于用户来说,实现三个吧,很贵呀!但是,你只做一个吧,又不能兼容或互操作呀!

   这三个“令牌”并不在IEC而是在ISA完成的,在这个阶段,可以认为IEC睡着了。

   到了1995年,关于总线的国际标准在IEC无休止的争论搞得美国人很无聊,觉得别跟你们玩了。WorldFIP和ISP在美国的这帮人就决定搞个美国的FF-现场总线基金会。要搞的比这个Profibus和这个WorldFIP更好,欧洲人发现在这样下去自己将在总线这将事情上失去战争,咋办?已经花了不少钱投入到研发了,还装了很多设备,总不能弄个新的吧?最终,在CENELEC内部想了个“合乎逻辑”的妥协,所有国家标准都被考虑成为欧洲标准,大家各自按照应用领域绑在一起不也挺好的吗?

   EN50170-现场总线通用目的

   EN50524-用于小型系统的高效通信子系统

   EN50325-不同基于CAN的融合方案

   这么干下去大家也挺高兴的,但是,美国人穿一条裤子的英国在这个事情后期又干了鼓吹它的兄弟的事情,提交了FF,DeviceNet和ControlNet,FF呢!想了个好办法,咱用FIP的机制,同时在上面的应用层借鉴Profibus FMS的机制,这不挺好的吗?这也对IEC造成了比较大的影响。

    大事发生了

   1996年IEC准备表决,大事发生了,Profibus当时还是个草稿,它的支持者们担心会失去战线,决定利用IEC规则,因为反对票必须有充分理由,那么,Profibus肯定觉得人多势众,你不就是75%的支持率吗?而FF这帮人决定发起一个取消函投投票的动议-大概是这个意思吧,在没有足够技术依据的情况下,这会使得结果反转,但这与IEC的规则不符—美国人这种总是“制定规则”的思想让欧洲人非常的愤怒。

   到了投票阶段,事情更糟糕了,对于以前没有投票过的国家,不管你赞成还是反对,如果你不能在投票传真之前表决的话,就不会给计票,因为他们收到票太晚了。

   然后就有谣言说国际主席改变了专家委员会的决议,在国家委员会各个企业施加压力,最后这个本来是专家表决的事情成为了一场商业利益和政治的斗争。

   这件事情使得“标准化”的荣誉严重受损—你们是搞么事撒?是专业的事,还把政治牵扯进去了,你们还是不是专业的?

   1999年6月15日,IEC行动委员会决定解决这个问题,他们想了个新的方法,然后7月16日,主要代表(FF,CAN,Profibus等)签署了一个“谅解备忘录”,大家都融入到一个大型的“模块化”的标准体系中,并称为“类型”,IEC61158-1-XX的方式,这个办法似乎算是个典型的和稀泥的办法,在2000年12月31日,这个IEC标准终于发布了,后来在应用层,又构建了IEC61784-1总线-2基于以太网的通信行规(Profile)。

图1

   到了后来,大家都不争吵了,IEC也是来者不拒的感觉,现在IEC就有了28个现场总线了,说起来也是有意思,江湖上吵吵更健康—大家各自有各自的想法,这也很正常,现在咱们就回头看看热闹—觉得这个还蛮有意思的,写来玩的,不代表任何观点。有不准确的请提出指正,谢谢各位看官。

   下一篇介绍一下,为什么工业网络设计思想与商用网络有什么不同。

   参考文献

   [1]Max Felser,Thilo Sauter,The Fieldbus War: History or Short Break Between Battles?

   [2]Jean-Pierre Thomesse,Fieldbus Technology in Industrial Automation,Proceedings of the IEEE · July 2005

责任编辑:杨培
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