1現(xiàn)場總線技術(shù)簡介 現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其都具有數(shù)字計算和數(shù)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(wǎng)絡節(jié)點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)；使用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機化測控設備之間、以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)【1】。 按照國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF的定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡。他是用于制造自動化或過程自動化中的，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設備（智能變送器、執(zhí)行器、控制器等）與高層設備（主機、網(wǎng)關、人機接口設備等）之間互聯(lián)的，全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)【2】。由于現(xiàn)場總線適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化和智能化的發(fā)展趨勢，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點，受到了全世界的普遍關注【3】。 現(xiàn)場總線有3種數(shù)據(jù)操作模式：（1）對等（ peer to peer ） ； （ 2）主從（client/server，簡稱C/S ） ； （ 3）網(wǎng)絡計算結(jié)構(gòu)（network computing architecture，簡稱NCA）。20世紀80年代C/S方式是其主要發(fā)展階段，20世紀90年代出現(xiàn)了NCA方式。 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有4種：環(huán)型、總線型、樹型、混合型。 2 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點 現(xiàn)場總線在技術(shù)上主要具有以下特點： （1） 系統(tǒng)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(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領域的開放互連系統(tǒng)。 （2） 具有互可操作性與互用性 互可操作性是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換。 （3） 使現(xiàn)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(xiàn)場設備中完成，僅靠監(jiān)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(tài)。 （4） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，這從根本上改變廠現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 （5） 對現(xiàn)場環(huán)境的強適應性 作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專門為現(xiàn)場環(huán)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(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 （6） 系統(tǒng)成本低、性能高 采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，由于現(xiàn)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(tǒng)的性能價格比大幅度提高。這不僅使系統(tǒng)的硬件、軟件成本和輔助成本大大降低，也使得系統(tǒng)的性能得到很大提高。 3 現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)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(xiàn)場總線產(chǎn)品，同時也制定了自己相應的標準。自20世紀90年代以后，現(xiàn)場總線技術(shù)迅猛發(fā)展，全世界發(fā)展起來的現(xiàn)場總線已達數(shù)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(xiàn)場總線全部技術(shù)標準，由于是妥協(xié)于各方面的既有利益，并沒有實現(xiàn)完全統(tǒng)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(xié)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，F(xiàn)R）； Type8：Interbus（Phoenix，DE）； 以上現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡通信協(xié)議各有千秋，但都面臨兼容性問題，任一個現(xiàn)場總線和其它現(xiàn)場總線都不易于互聯(lián)和互換。另外，現(xiàn)場總線大多具有各自的形成背景，使得在某些現(xiàn)場環(huán)境下需要使用不同類型的現(xiàn)場總線，多類型現(xiàn)場總線的使用又讓整個控制系統(tǒng)顯得相當混亂，而且現(xiàn)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(xiàn)遠程控制，將無法滿足特殊情況的實時性要求。 4 現(xiàn)場總線技術(shù)的新進展 現(xiàn)場總線協(xié)議長期爭論不休，使得FCS系統(tǒng)的發(fā)展相對緩慢。隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)以其成熟的技術(shù)、開放和統(tǒng)一的標準、廣泛的應用和高傳輸速率等優(yōu)勢，彌補了現(xiàn)場總線的某些缺陷。近年來，現(xiàn)場總線開始轉(zhuǎn)向在IT領域廣泛應用的Ethernet網(wǎng)絡技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種新興、統(tǒng)一、快速發(fā)展的標準，滿足了工業(yè)網(wǎng)絡在開放性、互聯(lián)性、帶寬方面提出的高要求，因此，從信息集成的角度出發(fā)，要達到“管控一體化”的最佳狀態(tài)，現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結(jié)合將會是最佳的方案，也是現(xiàn)場總線未來發(fā)展的方向。 與現(xiàn)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(yè)以太網(wǎng)在3年之內(nèi)就在現(xiàn)場總線技術(shù)領域真正確立下來。 實際上，各種工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議基本上無異于目前在信息和管理領域大量使用的常規(guī)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)擺脫了主從式或令牌總線式的傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡通信模式，采用端到端的高速數(shù)據(jù)交換，統(tǒng)一解決了工業(yè)網(wǎng)絡的縱向分層和橫向遠程的系統(tǒng)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(wǎng)技術(shù)成熟、性能優(yōu)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(gòu)，使用Ethernet網(wǎng)絡傳送它們的報 文。這種方法簡單可行，現(xiàn)場裝置保持不變，僅需要一個專用的Ethernet網(wǎng)絡接口就可完成與以太網(wǎng)的連接。與此同時，美國電氣工程師協(xié)會（IEEE）正著手制定現(xiàn)場裝置與 Ethernet通信的新標準，該標準能夠使網(wǎng)絡直接“看到”對象（Object）。這些工作均為Ethernet進入工業(yè)自動化的現(xiàn)場級打下了基礎。 現(xiàn)在市場上已經(jīng)有大量的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品，包括：連接板卡、網(wǎng)關、遠程IPO、軟PLC、通信軟件和驅(qū)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(yè)現(xiàn)場總線標準也相繼發(fā)布，但它們主要應用于控制系統(tǒng)的中上層設備間的通信，底層設備間仍由相應的現(xiàn)場總線連接。這些技術(shù)均利用了經(jīng)濟的Ethernet芯片、支持電路、集線器、中繼器、交換機和電纜。 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布的主要工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線標準有： [B]（1） HSE（Foundation，2000）[/ ] 根據(jù)近年來網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展形勢，基金會現(xiàn)場總線 （FF）及時終止了H2的標準制訂，轉(zhuǎn)而引入開放的100Mbps高速以太網(wǎng)HSE作為現(xiàn)場總線標準，列入了IEEE61158的開放協(xié)議。由于FF在現(xiàn)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(shù)特點： HSE在物理層和數(shù)據(jù)鏈路采用符合IEEE802的100Mbps高速以太網(wǎng)標準，這是已經(jīng)商品化和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)成網(wǎng)絡硬件技術(shù)，有價格低廉的網(wǎng)絡芯片和大量的市場化網(wǎng)絡產(chǎn)品可供選擇，無須專門開發(fā)； 在網(wǎng)絡層和傳輸層采用標準的TCP/IP通信協(xié)議，有成熟的軟件開發(fā)工具可供使用，使通信軟件開發(fā)和節(jié)點部署的成本大大降低； HSE在應用層具有FF特別的應用協(xié)議，包括數(shù)據(jù)鏈接、現(xiàn)場設備訪問代理、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡管理、冗余管理和系統(tǒng)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(xié)調(diào)控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、順序控制、先進控制等。 但是，HSE目前還只是應用在H1網(wǎng)絡的上層（將FF現(xiàn)場總線接入管理網(wǎng)）。將HSE嵌入FF儀表設備是其發(fā)展的方向。 （2） Profinet （Profibus，2001） Profibus組織為了應對FF HSE引發(fā)的高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)競爭，及時推出了工業(yè)網(wǎng)絡方案：Profinet。Profinet同樣是基于高速以太網(wǎng)技術(shù)，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(tài)、配置和通信軟件在內(nèi)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(fā)布（IP是指工業(yè)協(xié)議）。它是唯一受到CI， IEA， ODVA同時支持的協(xié)議。它與Device Net使用相同的開放的應用層協(xié)議CIP，二者可以共享設備界面和對象庫。 該協(xié)議是基于以太網(wǎng)的CIP （ Control and Information Protocol），是專為工業(yè)控制設計的基于對象的一種方法，包括體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、服務等。它是獨立于特定網(wǎng)絡的應用層協(xié)議，提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設備操作的服務集。它為以太網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡的實時I/0通信、組態(tài)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(wǎng)絡直接看到對象，為以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化的現(xiàn)場級打下了基礎。 采用UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）/IP（網(wǎng)際協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議）/1P（網(wǎng)際協(xié)議）作為以太網(wǎng)的控制和信息協(xié)議，允許發(fā)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(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)傳送（CIP控制部分）。由于連接建立時，數(shù)據(jù)位的意義已經(jīng)預先定義，故運行時節(jié)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(wǎng)解決方案，實現(xiàn)了以太網(wǎng)上的工業(yè)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(wǎng)絡上與其他設備通信。被支持的網(wǎng)絡包括Modicon的Modbus（標記為MB），Modbus Plus（MB+）工業(yè)以太網(wǎng)如MAP和Ethernet?？刂破髦械膬?nèi)嵌端口和Modicon公司銷售的網(wǎng)絡適配器，選模塊和網(wǎng)關可從網(wǎng)絡存取數(shù)據(jù)。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(wǎng)絡緊密集成在專有的產(chǎn)品設計中。Modicon控制器使用的公共語言是Modbus協(xié)議。這個協(xié)議定義了控制器能識別和使用的報文結(jié)構(gòu)，而不管在其上通信的網(wǎng)絡類型。它定義了控制器如何要存取數(shù)據(jù)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(fā)布。 在其他網(wǎng)絡中，含有MB協(xié)議的報文被內(nèi)嵌到用于網(wǎng)絡的幀結(jié)構(gòu)或包結(jié)構(gòu)之中。例如，用于MB+或MAP網(wǎng)絡的Modicon網(wǎng)絡控制器，和相關的應用軟件庫及驅(qū)動程序一起，提供了在內(nèi)嵌MB報文協(xié)議和網(wǎng)絡節(jié)點設備通信所使用的具體組幀協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換也傾向于解決節(jié)點地址，路由選擇和專用于每種網(wǎng)絡的檢錯方法。例如，Modbus協(xié)議中的Modbus設備地址在報文傳輸之前，會轉(zhuǎn)變成節(jié)點地址。檢錯字節(jié)也將應用到信息包，以便與每一種網(wǎng)絡協(xié)議相一致。然而，傳輸終端用Modbus協(xié)議所寫的內(nèi)嵌報文規(guī)定了執(zhí)行的動作。 當然，為IT領域應用而開發(fā)的Ethernet，過去在工業(yè)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(wǎng)絡負荷較重（大約40％）時，網(wǎng)絡的確定性（determinism）不能滿足工業(yè)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(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求； （3） 在工廠環(huán)境中，Ethernet抗干擾性能較差； （4） Ethernet網(wǎng)還不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。 （5） 由于Ethernet收發(fā)器本身功耗較大，對辦公環(huán)境很安全，但對一些化工危險場合容易引起火花產(chǎn)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(xié)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(fā)的不同Ethernet設備之間也有可能不能透明訪問。 同時，由于工業(yè)Ethernet已經(jīng)把傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡體系合為一體，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的同時，也存在網(wǎng)絡安全性，網(wǎng)絡生存性及傳輸速度的問題等。 隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。以太網(wǎng)被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡的最佳解決方案。 以太網(wǎng)在工廠自動化管理層和車間監(jiān)控層已得到廣泛應用和用戶認可，特別是采用TCP/IP協(xié)議可與互聯(lián)網(wǎng)Internet連接，是未來eManufatory的技術(shù)基礎。在設備層對實時性沒有嚴格要求場合，以太網(wǎng)也有許多應用。如果以太網(wǎng)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(wǎng)絡技術(shù)，那么，以太網(wǎng)必須作出技術(shù)改進。從硬件和軟件上，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)有以下一些改進： （1） 改進物理層 傳輸介質(zhì)應能提供多種工業(yè)級護套和鎧裝電纜、光纖等；各種防護等級工業(yè)級的接插件；應該具有總線供電及本質(zhì)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(xiàn)透明的轉(zhuǎn)發(fā)，避免信道共享引起的競爭問題，可以方便地實現(xiàn)優(yōu)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(jù)ARC公司分析，126個節(jié)點的100M交換式以太網(wǎng)的響應時間為2-3ms，足以滿足大部分控制系統(tǒng)的要求[8]。 （4） 在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能 現(xiàn)在，一些FCS生產(chǎn)商（Profibus、Modbus等）開發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實時功能技術(shù)，它其實是在設備中加入特殊的協(xié)議芯片。有一種完全基于軟件的協(xié)議RETHER（Real-Time Ethernet），可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)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(wǎng)絡中非實時數(shù)據(jù)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(jié)點故障而引起的令牌丟失。此方法主要著眼于在以太網(wǎng)中提供帶寬保證。因為盡管以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)范中有優(yōu)先權(quán)訪問仲裁，但這種機制本身不能為一對被仲裁的節(jié)點提供帶寬保證。 遵守RETHER協(xié)議的網(wǎng)絡以兩種模式運行，即CSMA 模式和RETHER模式。在實時對話期間，網(wǎng)絡將透明的轉(zhuǎn)換到RETHER模式，在實時對話結(jié)束后又重新回到CSMA模式。 5 結(jié)束語 總體說來，各現(xiàn)場總線標準將會向著統(tǒng)一的新標準進發(fā)，自動化系統(tǒng)與設備也將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進。將以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線相結(jié)合是未來控制技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。隨著技術(shù)的改進，標準的建立和對信息集成要求的不斷提高，以太網(wǎng)技術(shù)應用于現(xiàn)場總線的優(yōu)勢將越來越明顯。 參考文獻 1. 凌志浩、吳勤勤 現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)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(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)代電子技術(shù) 2003年第13期 3. 彭道剛、楊平、楊艷華 現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀與展望 機電一體化 2004年第2期 4. 冷杉 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