1現場總線技術簡介 現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其都具有數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些檢測、控制和通信任務的網絡節點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節點連接成網絡系統；使用公開、規范的通信協議，在位于生產控制現場的多個微機化測控設備之間、以及現場儀表與用作監控、管理的遠程計算機之間，實現數據傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控制系統【1】。 按照國際電工委員會IEC標準和現場總線基金會FF的定義，現場總線（Fieldbus）是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。他是用于制造自動化或過程自動化中的，實現智能化現場設備（智能變送器、執行器、控制器等）與高層設備（主機、網關、人機接口設備等）之間互聯的，全數字、串行、雙向的通信系統【2】。由于現場總線適應了工業控制系統向分散化、網絡化和智能化的發展趨勢，它一經產生便成為全球工業自動化技術的熱點，受到了全世界的普遍關注【3】。 現場總線有3種數據操作模式：（1）對等（ peer to peer ） ； （ 2）主從（client/server，簡稱C/S ） ； （ 3）網絡計算結構（network computing architecture，簡稱NCA）。20世紀80年代C/S方式是其主要發展階段，20世紀90年代出現了NCA方式。 現場總線的網絡拓撲結構有4種：環型、總線型、樹型、混合型。 2 現場總線的技術特點 現場總線在技術上主要具有以下特點： （1） 系統開放性好 用戶可按照自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統，通過現場總線構筑自動化領域的開放互連系統。 （2） 具有互可操作性與互用性 互可操作性是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同生產廠家性能類似的設備可實現相互替換。 （3） 使現場設備具有智能化與功能自治性 所謂智能化與功能自治性就是將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠監控設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 （4） 系統結構的高度分散性 現場總線已構成一種新的全分散性控制系統的體系結構，這從根本上改變廠現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。 （5） 對現場環境的強適應性 作為工廠網絡底層的現場總線，是專門為現場環境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力。能采用兩線制實現供電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。 （6） 系統成本低、性能高 采用現場總線技術后，由于現場底層設備的智能化以及改變了過去點對點的連接方式，使自動化系統的性能價格比大幅度提高。這不僅使系統的硬件、軟件成本和輔助成本大大降低，也使得系統的性能得到很大提高。 3 現場總線技術的現狀 在20世紀80年代中期，德國、法國等歐洲國家的一些大公司相繼推出自己的現場總線產品，同時也制定了自己相應的標準。自20世紀90年代以后，現場總線技術迅猛發展，全世界發展起來的現場總線已達數十種。國際電工委員會（IEC）歷時12年，于2000年1月才正式公布了IEC61158現場總線全部技術標準，由于是妥協于各方面的既有利益，并沒有實現完全統一國際標準的初衷。在此標準中容納了8種互不兼容的通信協議，它們是： Type1：FFH1（Foundation，USA）； Type2：ControlNet（Rockwell，USA）； Type3：Profibus（Siemens，DE）； Type4：P2Net（ProcessData，DM）； Type5：FFHSE（Foundation，USA）； Type6：SwiftNet（Boeing，USA）； Type7：WorldFIP（Alsthom，FR）； Type8：Interbus（Phoenix，DE）； 以上現場總線的網絡通信協議各有千秋，但都面臨兼容性問題，任一個現場總線和其它現場總線都不易于互聯和互換。另外，現場總線大多具有各自的形成背景，使得在某些現場環境下需要使用不同類型的現場總線，多類型現場總線的使用又讓整個控制系統顯得相當混亂，而且現場總線類型的選擇本身也是一個棘手的問題。 在傳輸速率方面，總線的傳輸速率也不盡人意。有些低速總線的傳輸速率為9600bps，H1的傳輸速率為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速率也只有1Mbps或者2.5Mbps，如果要做到“管理控制一體化”，實現遠程控制，將無法滿足特殊情況的實時性要求。 4 現場總線技術的新進展 現場總線協議長期爭論不休，使得FCS系統的發展相對緩慢。隨著控制、計算機、通信、網絡技術的發展，以太網以其成熟的技術、開放和統一的標準、廣泛的應用和高傳輸速率等優勢，彌補了現場總線的某些缺陷。近年來，現場總線開始轉向在IT領域廣泛應用的Ethernet網絡技術。工業以太網作為一種新興、統一、快速發展的標準，滿足了工業網絡在開放性、互聯性、帶寬方面提出的高要求，因此，從信息集成的角度出發，要達到“管控一體化”的最佳狀態，現場總線與以太網相結合將會是最佳的方案，也是現場總線未來發展的方向。 與現場總線國際標準歷時漫長的12年制定過程形成極大反差的是， 工業以太網在3年之內就在現場總線技術領域真正確立下來。 實際上，各種工業以太網的協議基本上無異于目前在信息和管理領域大量使用的常規以太網。工業以太網擺脫了主從式或令牌總線式的傳統工業網絡通信模式，采用端到端的高速數據交換，統一解決了工業網絡的縱向分層和橫向遠程的系統問題，使信息可以從設備傳感器到管理層辦公桌面完全集成【4】。由于以太網技術成熟、性能優越、成本低廉，所以受到用戶廣泛的歡迎，從而能夠在自動控制領域異軍突起。 目前，Profibus、DeviceNet、ControlNet和LonWorks等都打算使用 Ethernet。這些公司都在研究通過一種稱作管道（Tunnel）的簡單傳遞機構，使用Ethernet網絡傳送它們的報 文。這種方法簡單可行，現場裝置保持不變，僅需要一個專用的Ethernet網絡接口就可完成與以太網的連接。與此同時，美國電氣工程師協會（IEEE）正著手制定現場裝置與 Ethernet通信的新標準，該標準能夠使網絡直接“看到”對象（Object）。這些工作均為Ethernet進入工業自動化的現場級打下了基礎。 現在市場上已經有大量的工業以太網產品，包括：連接板卡、網關、遠程IPO、軟PLC、通信軟件和驅動軟件等。 從20世紀90年代的中后期開始各種基于Ethernet的工業現場總線標準也相繼發布，但它們主要應用于控制系統的中上層設備間的通信，底層設備間仍由相應的現場總線連接。這些技術均利用了經濟的Ethernet芯片、支持電路、集線器、中繼器、交換機和電纜。 現在已經發布的主要工業以太網現場總線標準有： [B]（1） HSE（Foundation，2000）[/ ] 根據近年來網絡技術的快速發展形勢，基金會現場總線 （FF）及時終止了H2的標準制訂，轉而引入開放的100Mbps高速以太網HSE作為現場總線標準，列入了IEEE61158的開放協議。由于FF在現場總線方面的主流地位，HSE自提出以來就一直倍受關注。HSE具有以下技術特點： HSE在物理層和數據鏈路采用符合IEEE802的100Mbps高速以太網標準，這是已經商品化和產業化的現成網絡硬件技術，有價格低廉的網絡芯片和大量的市場化網絡產品可供選擇，無須專門開發； 在網絡層和傳輸層采用標準的TCP/IP通信協議，有成熟的軟件開發工具可供使用，使通信軟件開發和節點部署的成本大大降低； HSE在應用層具有FF特別的應用協議，包括數據鏈接、現場設備訪問代理、系統管理、網絡管理、冗余管理和系統診斷等； HSE在用戶層具有FF新增加的柔性功能模塊，包括多變量輸入輸出、協調控制、數據采集和監控、順序控制、先進控制等。 但是，HSE目前還只是應用在H1網絡的上層（將FF現場總線接入管理網）。將HSE嵌入FF儀表設備是其發展的方向。 （2） Profinet （Profibus，2001） Profibus組織為了應對FF HSE引發的高速以太網現場總線技術競爭，及時推出了工業網絡方案：Profinet。Profinet同樣是基于高速以太網技術，提供Profibus代理耦合器Proxy，建立從Profibus到Ethernet的連接。Profinet不僅有硬件，還包括組態、配置和通信軟件在內的一休化解決方案。 Profinet可將Profibus DP與Profibus PA的信息送上Ethernet。Profinet采用TCP/IP和COM/DCOM的第三方控制軟件，預示著Profibus FMS可能會逐漸淡化。 （3） EtherNet/IP （ODVA，1999） EtherNet/IP由ODVA組織發布（IP是指工業協議）。它是唯一受到CI， IEA， ODVA同時支持的協議。它與Device Net使用相同的開放的應用層協議CIP，二者可以共享設備界面和對象庫。 該協議是基于以太網的CIP （ Control and Information Protocol），是專為工業控制設計的基于對象的一種方法，包括體系結構、數據類型、服務等。它是獨立于特定網絡的應用層協議，提供了訪問數據和控制設備操作的服務集。它為以太網用戶提供了一個健壯、不斷增加的廠商共通性和對象庫，對象和設備描述實現了不同廠商混雜設備件的即插即用。對象的定義是嚴格的，它支持同一網絡的實時I/0通信、組態和診斷。用戶不需要專用軟件就可以連接復雜的設備，例如變頻器、機器人控制、條形碼閱讀器和磅稱等，使網絡直接看到對象，為以太網進入工業自動化的現場級打下了基礎。 采用UDP（用戶數據報協議）/IP（網際協議）和TCP（傳輸控制協議）/1P（網際協議）作為以太網的控制和信息協議，允許發送顯式信息和隱式控制報文。隱式報文是對時間有苛刻要求的I/O信息，通過UDP/IP來完成隱式報文中包含實時I/0數據的數據區傳送（CIP控制部分）。由于連接建立時，數據位的意義已經預先定義，故運行時節點的處理時間可以大大縮短。這樣報文短，占用資源少，可以滿足實時性強的控制。應用層使用CIP后，為面向制造自動化領域提供了以太網解決方案，實現了以太網上的工業自動化設備和控制設備的互操作性和互換性。 （4） ModbusTCP/IP （Schneider，1998） Modicon可編程控制器可以相互通信，且在許多網絡上與其他設備通信。被支持的網絡包括Modicon的Modbus（標記為MB），Modbus Plus（MB+）工業以太網如MAP和Ethernet。控制器中的內嵌端口和Modicon公司銷售的網絡適配器，選模塊和網關可從網絡存取數據。旱期的設備制造商Modicon ModConnect公司的相關程序可用來將MB+這類網絡緊密集成在專有的產品設計中。Modicon控制器使用的公共語言是Modbus協議。這個協議定義了控制器能識別和使用的報文結構，而不管在其上通信的網絡類型。它定義了控制器如何要存取數據到另一個設備而使用的進程，控制器如何響應其他設備的需求，以及錯誤如何檢測和發布。 在其他網絡中，含有MB協議的報文被內嵌到用于網絡的幀結構或包結構之中。例如，用于MB+或MAP網絡的Modicon網絡控制器，和相關的應用軟件庫及驅動程序一起，提供了在內嵌MB報文協議和網絡節點設備通信所使用的具體組幀協議之間的轉換。這種轉換也傾向于解決節點地址，路由選擇和專用于每種網絡的檢錯方法。例如，Modbus協議中的Modbus設備地址在報文傳輸之前，會轉變成節點地址。檢錯字節也將應用到信息包，以便與每一種網絡協議相一致。然而，傳輸終端用Modbus協議所寫的內嵌報文規定了執行的動作。 當然，為IT領域應用而開發的Ethernet，過去在工業自動化領域只能得到有限應用，其關鍵原因在于： （1） Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，在網絡負荷較重（大約40％）時，網絡的確定性（determinism）不能滿足工業控制的實時要求； （2） Ethernet所用的接插件（connector）、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境的要求； （3） 在工廠環境中，Ethernet抗干擾性能較差； （4） Ethernet網還不具備通過信號線向現場儀表供電的性能。 （5） 由于Ethernet收發器本身功耗較大，對辦公環境很安全，但對一些化工危險場合容易引起火花產生爆炸。 （6） 互操作性問題。嚴格意義上講，Ethernet并非一個完整的協議。這種不開放性造成不同廠家Ethernet設備之間不能相互操作，而且即使是同一廠家開發的不同Ethernet設備之間也有可能不能透明訪問。 同時，由于工業Ethernet已經把傳統的3層網絡體系合為一體，在實現數據共享的同時，也存在網絡安全性，網絡生存性及傳輸速度的問題等。 隨著網絡技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。以太網被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案。 以太網在工廠自動化管理層和車間監控層已得到廣泛應用和用戶認可，特別是采用TCP/IP協議可與互聯網Internet連接，是未來eManufatory的技術基礎。在設備層對實時性沒有嚴格要求場合，以太網也有許多應用。如果以太網希望走得更遠，能夠全面進入工廠底層成為設備連接的主要網絡技術，那么，以太網必須作出技術改進。從硬件和軟件上，工業以太網技術有以下一些改進： （1） 改進物理層 傳輸介質應能提供多種工業級護套和鎧裝電纜、光纖等；各種防護等級工業級的接插件；應該具有總線供電及本質安全的解決方案，用于流程控制及要求防爆功能的場合。 （2） 采用交換設備 采用交換設備，使有實時要求的站點的通信通過交換機實現透明的轉發，避免信道共享引起的競爭問題，可以方便地實現優先級排隊機制，使緊急信息的傳送達到最快。 （3） 采用高速背板交換或微處理器交換 采用高速背板交換，響應時間是確定的。根據ARC公司分析，126個節點的100M交換式以太網的響應時間為2-3ms，足以滿足大部分控制系統的要求[8]。 （4） 在以太網的協議中加入實時功能 現在，一些FCS生產商（Profibus、Modbus等）開發自己的工業以太網FCS時，在工業以太網協議中加入實時功能技術，它其實是在設備中加入特殊的協議芯片。有一種完全基于軟件的協議RETHER（Real-Time Ethernet），可以在不改變以太網現有硬件的情況下確保實時性，它采用一種混合操作模式，能減少網絡中非實時數據傳輸性能的影響；非競爭容許控制機制和有效的令牌傳遞方案能有效防止由于節點故障而引起的令牌丟失。此方法主要著眼于在以太網中提供帶寬保證。因為盡管以太網協議規范中有優先權訪問仲裁，但這種機制本身不能為一對被仲裁的節點提供帶寬保證。 遵守RETHER協議的網絡以兩種模式運行，即CSMA 模式和RETHER模式。在實時對話期間，網絡將透明的轉換到RETHER模式，在實時對話結束后又重新回到CSMA模式。 5 結束語 總體說來，各現場總線標準將會向著統一的新標準進發，自動化系統與設備也將朝著現場總線體系結構的方向前進。將以太網和現場總線相結合是未來控制技術發展的一種趨勢。隨著技術的改進，標準的建立和對信息集成要求的不斷提高，以太網技術應用于現場總線的優勢將越來越明顯。 參考文獻 1. 凌志浩、吳勤勤 現場總線技術的現狀與展望（一） 電氣時代 2004年第7期 2. 劉橋、蔣梁中、謝存禧、國蓉 集散控制系統與現場總線控制系統 現代電子技術 2003年第13期 3. 彭道剛、楊平、楊艷華 現場總線技術的現狀與展望 機電一體化 2004年第2期 4. 冷杉 ISA2001的系統和網絡技術 自動化儀表 2002年5月第5期 5. 夏繼強、邢春香、耿春明、滿慶豐 工業現場總線技術的新進展 北京航空航天大學學報 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