DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議講解

1、DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議講解Devicenet簡(jiǎn)介: DeviceNet是由美國(guó)Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種低成本的通信鏈接，是一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它將基本工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而避免了昂貴和繁瑣的硬接線。DeviceNet是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類(lèi)部件間的可互換性的同量，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn) 1. 現(xiàn)場(chǎng)總線的歷史和發(fā)展 現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格

2、的急劇下降，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產(chǎn)過(guò)程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，采用一對(duì)一聯(lián)機(jī)，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通訊系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通訊，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生的。它作為過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)

3、控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。 由于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義也是各有各的定義。下面給出的是現(xiàn)場(chǎng)總線的兩種有代表性的定義。 (l) ISA SP50中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通訊鏈路，它溝通了過(guò)程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備(即場(chǎng)地級(jí)設(shè)備)之間以及與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備(即車(chē)間級(jí)設(shè)備)之間的聯(lián)系。 這里的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備指最底層的控制監(jiān)測(cè)、執(zhí)行和計(jì)算設(shè)備，包括傳感器、控制器、智能閥門(mén)、微處理器和內(nèi)存等各種類(lèi)型的儀表產(chǎn)品。 (2)根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì) FF的定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是

4、連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)路?，F(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下6個(gè)方面： a)現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)路：用于過(guò)程以及制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的通訊網(wǎng)路。 b)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅?、變送器和?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類(lèi)型的傳輸介質(zhì)。 c)互操作性：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類(lèi)繁多，沒(méi)有任何一家制造商可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價(jià)格比

5、最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用；用戶希望對(duì)不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互操作性的含義。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連是基本的要求，只有實(shí)現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成 FCS。 d)分散功能塊： FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號(hào)變換、補(bǔ)償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運(yùn)算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補(bǔ)償模塊，也可以有PlD控制和運(yùn)算模塊，甚至有閥門(mén)特性自檢驗(yàn)和自診斷功能。由于功能塊分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供

6、用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。 e)通訊線供電：通訊線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通訊線上攝取能量，對(duì)于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備也不例外。 f)開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡(jiǎn)便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。 2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)

7、總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI：Open System Interconnection）參考模型建立的。OSI參考模型共分七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一層的功能以及對(duì)上一層所提供的服務(wù)。從OSI模式的角度來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線將上述七層簡(jiǎn)化成三層，分別由OSI參考模式的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應(yīng)用層組成。如圖1-2所示。 圖 1-2 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線主要特點(diǎn)是使底層的控制部件、設(shè)備更加智能化，把在傳統(tǒng)DCS中的控制功能，下移到現(xiàn)場(chǎng)儀表。在此，現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)通訊起了重要作

8、用?，F(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)統(tǒng)一為層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。省略了一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的36（表達(dá)層、會(huì)話層、傳遞層和網(wǎng)絡(luò)層）. 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備聯(lián)機(jī)，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通訊能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，

9、實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。Devicenet正是目前幾十種現(xiàn)場(chǎng)總線中得到廣泛應(yīng)用的一種。 由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)(包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息)，同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要模擬數(shù)字、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。 圖1-3 Devicenet控制系統(tǒng)示意圖 .Devicenet技術(shù)背景和特點(diǎn) 多年來(lái)，過(guò)程工業(yè)一直致力于開(kāi)發(fā)一種單一的、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行編址。標(biāo)準(zhǔn)的最初目標(biāo)是用單一的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)取代4-20mA標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)范圍擴(kuò)展到尋址復(fù)雜的、高難度的服務(wù)時(shí)

10、（如：控制器間的高速通訊、大量快速掃描設(shè)備間的時(shí)間同步）單一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)變得延遲了。同時(shí)，通訊技術(shù)的成本近幾年已經(jīng)明顯的降低，將簡(jiǎn)單設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)上（而不必考慮SP50現(xiàn)場(chǎng)總線）的成本由此變得經(jīng)濟(jì)。簡(jiǎn)單設(shè)備的這種標(biāo)準(zhǔn)要求同現(xiàn)存的120/220VAC和24VDC離散、硬接線I/O標(biāo)準(zhǔn)具有相同級(jí)別的互換性。Devicenet在允許多個(gè)復(fù)雜設(shè)備互連接的同時(shí)，允許簡(jiǎn)單設(shè)備的互換性。除了讀取離散設(shè)備的狀態(tài)外，DeviceNet還可以報(bào)告馬達(dá)啟動(dòng)器內(nèi)溫度、讀取負(fù)載電流、改變驅(qū)動(dòng)器加減速速率、或統(tǒng)計(jì)前一小時(shí)通過(guò)傳輸帶傳送的包裹計(jì)數(shù)。 Devicenet的主要技術(shù)特點(diǎn)如下表所示 表 1-1 Devicene

11、t技術(shù)特點(diǎn) . Devicenet的應(yīng)用 最終用戶希望獲得器件級(jí)網(wǎng)絡(luò)提供的利益，例如減少接線和增加診斷功能。到1997年底，Devicenet已有16萬(wàn)個(gè)以上經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)，到2000年，DeviceNet節(jié)點(diǎn)有可能超過(guò)300萬(wàn)，全部ODVA組織的218會(huì)員均是工業(yè)領(lǐng)域，而且只有制造業(yè)才能參加。在工業(yè)市場(chǎng)中，已有1498個(gè)注冊(cè)的符合DeviceNet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。DeviceNet的應(yīng)用包括：汽車(chē)，半導(dǎo)體芯片制造，電子產(chǎn)品制造，食品和飲料，批量生產(chǎn)化學(xué)處理，裝配，包裝和物料轉(zhuǎn)移。 Devicenet進(jìn)入中國(guó)時(shí)間不長(zhǎng)，但是在中國(guó)已有許多應(yīng)用。據(jù)Rockwell Automation市場(chǎng)部提供的

12、數(shù)據(jù)，上海通用汽車(chē)有一條DevicetNet的生產(chǎn)線，另外，生產(chǎn)可口可樂(lè)的上海申美飲料公司也部分采用了DeviceNet技術(shù)。相信隨著DeviceNet技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣，DeviceNet有相當(dāng)可觀的應(yīng)用前景，這也正是基于DeviceNet的智能設(shè)備和遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)獲得國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工程示范項(xiàng)目的原因。 Producer/Consumer網(wǎng)絡(luò)通訊模型 1.顯性報(bào)文和I/O報(bào)文（Explicit and I/O messaging） 工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)要傳送一般的計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)中需傳送的報(bào)文，同時(shí)需要傳送實(shí)時(shí)的輸入 /輸出(I/O)控制信息及整個(gè)控制系統(tǒng)中各控制器互鎖信息等。我們用顯性報(bào)文和I

13、/O報(bào)文來(lái)分別表示。 顯性報(bào)文 用來(lái)上載和下載程序，修改設(shè)備組態(tài)，記載數(shù)據(jù)日志，作趨勢(shì)分析和診斷等功能，例如我們可以用顯性報(bào)文對(duì)控制器中的五個(gè)定時(shí)器重寫(xiě)默認(rèn)值或執(zhí)行自測(cè)試操作。它們的結(jié)構(gòu)十分靈活，數(shù)據(jù)域中帶有通訊網(wǎng)絡(luò)所采用的協(xié)議信息和要求操作服務(wù)的指令。每個(gè)節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）必須解釋每個(gè)顯性報(bào)文，操作所請(qǐng)求的任務(wù)，并生成響應(yīng)。為按通訊協(xié)議解釋這種顯性報(bào)文，在真正要用到的數(shù)據(jù)上必須有較大一塊的附加量 (overhead)。這種類(lèi)型的報(bào)文在數(shù)據(jù)量的大小和使用頻率上都是非常不確定的。 I/O報(bào)文 在本質(zhì)上是隱性的（Implicit），因而有時(shí)也稱為隱性報(bào)文，它的數(shù)據(jù)域中常不包括協(xié)議信息，僅僅是實(shí)時(shí)的I/O

14、控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的含義是預(yù)定義的。因而在節(jié)點(diǎn)中對(duì)處理這些數(shù)據(jù)所需的時(shí)間大大減小，I/O報(bào)文的一個(gè)例子是控制器將輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給一個(gè)I/O塊設(shè)備（I/O Block），然后 I/O塊按照它的輸入數(shù)據(jù)響應(yīng)給控制器。為解釋這種類(lèi)型的報(bào)文而必須引入的附加量(overhead)小，數(shù)據(jù)短，使用頻率一致，并且需要高的性能：對(duì)I/O報(bào)文傳送的可靠性，送達(dá)時(shí)間的確定性及可重復(fù)性有很高的要求。 過(guò)去，用于 I/O控制的網(wǎng)絡(luò)不能處理發(fā)送顯性報(bào)文時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間及報(bào)文尺寸上的不定性因素?？刂圃O(shè)備提供商不得不使用不同的網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理這兩種不同報(bào)文類(lèi)型的不同要求。 Rockwell Automation/AB公司的Dat

15、a Highway/Remote I/O網(wǎng)絡(luò)和西門(mén)子的 Profibus FMS/ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)就是這種情況的表現(xiàn)。 吞吐量（ throughput）是來(lái)自設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)傳送到需要它的所有節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)（根據(jù)用戶的邏輯程序產(chǎn)生）傳送到需要它的所有節(jié)點(diǎn)的速率。節(jié)點(diǎn)可以是傳感器、人機(jī)界面(Human-Machine Interfaces-HMI)、控制器、數(shù)據(jù)記錄儀、警報(bào)監(jiān)視器、起動(dòng)器、變頻驅(qū)動(dòng)器等。吞吐量由波特率、協(xié)議效率和網(wǎng)絡(luò)模型決定。下面我們簡(jiǎn)要討論一下這些因素。 波特率（ Band Rate） 是把數(shù)字信號(hào)放到網(wǎng)上去的原始速率，通常用每秒比特位或字節(jié)表示，人們最常用波特

16、率來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的性能。實(shí)際上這是個(gè)誤解，對(duì)于現(xiàn)在新的網(wǎng)絡(luò)，它是影響吞吐量的三個(gè)因素中最不重要的一個(gè)。 協(xié)議效率（ protocol efficiency） 定義為數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)位與整個(gè)包長(zhǎng)度的比值。一般是用百分比表示，它是通訊協(xié)議中附加量的量度。雖然重要，但不如數(shù)據(jù)傳送和交換的方法（網(wǎng)絡(luò)模型）重要，如果某個(gè)特定的信息交換需要2個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包來(lái)完成，跟只需1個(gè)數(shù)據(jù)包相比，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)比另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議效率高25%就沒(méi)有任何意義了。 網(wǎng)絡(luò)模型（ Network Model） 現(xiàn)今的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中有兩種主要的網(wǎng)絡(luò)模型，即源/目的地模型(Source/Destination)和生產(chǎn)者/消費(fèi)者 (Pr

17、oducer/Customer)模型。典型的源/目的地模型的一個(gè)數(shù)據(jù)包如下所示： 源地址目的地址數(shù)據(jù)循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼在主 /從系統(tǒng)中經(jīng)常用這種模型，主/從是一個(gè)層次體系，系統(tǒng)中包含一個(gè)發(fā)起所有通訊的主機(jī)，從機(jī)只能跟主機(jī)通訊并且以“只答”的方式（speak only when spoken to）， 當(dāng)用于I/O信息時(shí)，這種網(wǎng)絡(luò)就只能限于這種功能。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)于主 /從結(jié)構(gòu)，提供更多的靈活性，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的系統(tǒng)中，設(shè)備既可以發(fā)起通訊，也可以響應(yīng)系統(tǒng)中其它設(shè)備的請(qǐng)求。由于所要求的靈活性，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)使用顯性報(bào)文進(jìn)行通訊。 為保證各節(jié)點(diǎn)設(shè)備都可有機(jī)會(huì)送信號(hào)到網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)使用某種類(lèi)型的令牌

18、傳遞算法，并且經(jīng)過(guò)多年的改善，算法使得節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的訪問(wèn)更加公平，但正是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的靈活性使得控制器之間的互鎖問(wèn)題更加復(fù)雜化，響應(yīng)的時(shí)間隨著網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載、需傳送信息的節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前令牌持有者之間的“距離”有很大的不定性。 不論是主 /從結(jié)構(gòu)，還是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊結(jié)構(gòu)?；谠?目的地的網(wǎng)絡(luò)在把同樣數(shù)據(jù)發(fā)往不同節(jié)點(diǎn)時(shí)都消耗了過(guò)多帶寬，另外要實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，象以同步的方式將一個(gè)設(shè)定值同時(shí)送達(dá)不同的驅(qū)動(dòng)器將更加困難，因?yàn)閿?shù)據(jù)到達(dá)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器(目的地)的時(shí)間是不同的。ControlNet中采用了一個(gè)全新的生產(chǎn)者/消費(fèi)者網(wǎng)絡(luò)模型。一個(gè)典型的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下： 標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼在生產(chǎn)者 /消費(fèi)者模型

19、中，信息按內(nèi)容來(lái)標(biāo)識(shí)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)要接收一個(gè)數(shù)據(jù)，僅僅需識(shí)別與此信息相連的特定的標(biāo)識(shí)符，每個(gè)數(shù)據(jù)包不再需要源地址位和目標(biāo)地址位。 因?yàn)閿?shù)據(jù)是按內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)識(shí)的，數(shù)據(jù)源只需將數(shù)據(jù)發(fā)送一次。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)在網(wǎng)上同時(shí)識(shí)別這個(gè)標(biāo)識(shí)符，可同時(shí)地從同一生產(chǎn)者取用此消費(fèi)同一數(shù)據(jù)。消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)之間可實(shí)現(xiàn)精確的同步，而且提高了帶寬的有效使用率，其它的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后并不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因?yàn)樗鼈兺瑯涌梢韵M(fèi)這些相同的信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)組時(shí)，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)組使用不同的標(biāo)識(shí)符。圖 1. 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型 報(bào)文 #1 來(lái)自傳感器I/O的參考位置信息可多點(diǎn)傳送給控制器1，控制器2和人機(jī)界面設(shè)備。 報(bào)文 #2

20、速度指令可多點(diǎn)傳送給所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器和人機(jī)界面設(shè)備。 源 /目的地模型實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的同時(shí)傳送是很困難的，在使用該模型時(shí)實(shí)現(xiàn)同樣操作（假設(shè)單向報(bào)文傳送）需要7個(gè)報(bào)文。 2. I/O觸發(fā)機(jī)制 除了傳統(tǒng)的輪詢方法（ polling）外，生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型還允許用兩種新的功能強(qiáng)大的I/O觸發(fā)方法:狀態(tài)改變發(fā)送（Change-Of-State）和周期I/O發(fā)送（Cyclic）。輪詢是從源/目的地模型產(chǎn)生的，它本質(zhì)上是一種兩個(gè)報(bào)文的雙向處理（發(fā)送方輸出數(shù)據(jù)命令，接收節(jié)點(diǎn)收到后作出響應(yīng)并把反應(yīng)送回），往往用在主機(jī)到它的從機(jī)之間，許多輪詢周期充滿了相同的輸入和輸出數(shù)據(jù)，這些冗余的數(shù)據(jù)浪費(fèi)了大量網(wǎng)絡(luò)帶寬。 在采用狀態(tài)

21、改變（基于事件）觸發(fā)機(jī)制的系統(tǒng)中，僅當(dāng)數(shù)據(jù)改變時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并同時(shí)地發(fā)送給所有需要該數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有輪詢周期帶來(lái)的延遲。同時(shí)一個(gè)作為背景的心跳（ heart beat）信息可以周期地發(fā)送，消費(fèi)者可用它來(lái)辨別設(shè)備是狀態(tài)沒(méi)有改變還是設(shè)備不在線（離線），采用狀態(tài)改變觸發(fā)機(jī)制可以顯著的降低網(wǎng)絡(luò)阻塞和負(fù)載，特別當(dāng)設(shè)備需要重復(fù)的接收、處理和生成同一種數(shù)據(jù)時(shí)。另外，一般情況下發(fā)送4個(gè)心跳信息后再發(fā)送1個(gè)真正數(shù)據(jù)。 周期性發(fā)送（基于時(shí)間）時(shí)，數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶選擇的速度來(lái)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的更新速度與節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用相匹配。例如在優(yōu)化的 PID控制中，傳感器的信息可以以精確的間隔進(jìn)行采樣，或者控制器可以收集大塊數(shù)據(jù)后以每秒若干

22、次且大于操作員接口的反應(yīng)速度進(jìn)行發(fā)送。這樣，可為快速變化的I/O信息的節(jié)點(diǎn)保留了帶寬。 市場(chǎng)上兩個(gè)模型的現(xiàn)場(chǎng)總線例子如下： 源目的地模型 -Ethernet -Interbus S -Modbus Plus -AS-I -Remote I/O -Date Highway Plus -Profibus(FMS, DP, PA等) 生產(chǎn)者 /消費(fèi)者模型 -ControlNet -Devicenet -Foundation Fieldbus 3. 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)： 系統(tǒng)的開(kāi)放性 開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，是指它

23、可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。通訊協(xié)議一致公開(kāi)，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要和考慮，把來(lái)自不同供貨商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互連系統(tǒng)。 互可操作性與互用性 互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類(lèi)似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散

24、性 現(xiàn)場(chǎng)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)。從根本上改變了現(xiàn)有 DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專(zhuān)為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通訊，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 一對(duì)結(jié)構(gòu) 一對(duì)傳輸線，臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)。這種一對(duì)結(jié)構(gòu)使得接線簡(jiǎn)單、工程周期短、安裝費(fèi)用低、維護(hù)方便。如果增加現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，只需并行掛到電纜上，無(wú)需架設(shè)新的電纜。 可控狀態(tài) 操作員在控制室即可以了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀

25、表的工作狀況，也能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測(cè)和尋找事故，始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護(hù)性。 互換性 用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，并將不同品牌的儀表進(jìn)行互換。即使某臺(tái)儀表發(fā)生故障，換上其它品牌的同類(lèi)儀表，系統(tǒng)仍能照常工作，實(shí)現(xiàn)即接即用。 綜合功能 現(xiàn)場(chǎng)儀表既有檢測(cè)、變換和補(bǔ)償功能，也有控制和運(yùn)算功能。實(shí)現(xiàn)了一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。 統(tǒng)一組態(tài)由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表都引入了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使組態(tài)非常簡(jiǎn)單，用戶不需要因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表的不同而采用不同的

26、組態(tài)方法。 4. 現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互聯(lián)系統(tǒng)，它一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了工業(yè)界的廣泛使用，各個(gè)自動(dòng)化廠商也推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線。目前在全球范圍內(nèi)有著幾十種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其中得到廣泛應(yīng)用的幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線有：德國(guó)西門(mén)子公司的Profibus,美國(guó)Rockwell自動(dòng)化公司的Devicenet，ControlNet，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的FF,德國(guó)Bosch公司的CAN以及美國(guó)Echelon公司的LONWorks等。由于不同行業(yè)，不同的應(yīng)用場(chǎng)所需求各異，加上要考慮已有各種現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，在現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用領(lǐng)域仍然會(huì)保持現(xiàn)在這

27、種多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開(kāi)放互聯(lián)系統(tǒng)，是現(xiàn)在總線技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。自1988年開(kāi)始，國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SC65C/WG6與美國(guó)儀表學(xué)會(huì)SP50委員會(huì)本著協(xié)商一致的原則聯(lián)合制定工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定初期，由于世界各國(guó)工業(yè)自動(dòng)化儀表公司的系列芯片、軟件技術(shù)和開(kāi)發(fā)工具等各不相同，在關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容上存在很大分歧，所以標(biāo)準(zhǔn)制定的進(jìn)程非常緩慢。 目前市場(chǎng)上正在應(yīng)用的各種現(xiàn)場(chǎng)總線有數(shù)十種，主要?dú)w類(lèi)在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)族。一個(gè)為IEC/SC65C的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)為IEC17B的有關(guān)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備

28、、控制器與電氣設(shè)備接口的IEC62026標(biāo)準(zhǔn)。而IEC61158是制訂時(shí)間最長(zhǎng)、投票次數(shù)最多、意見(jiàn)分歧最大的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一。它的制訂時(shí)間超過(guò)12年，先后經(jīng)過(guò)9次投票表決，兩次提交IEC執(zhí)委會(huì)審議，直到2000年1月4日IEC中央辦公室公布1999年底最新一輪投票結(jié)果才表明該標(biāo)準(zhǔn)已獲通過(guò)。但從標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容看，該標(biāo)準(zhǔn)已與人們最初的期望大相徑庭。人們制訂IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的初衷是將雜亂紛呈的各種總線歸納成一種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，既方便了制造商的產(chǎn)品生產(chǎn)，又便于用戶選用。但最終通過(guò)的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)多方爭(zhēng)執(zhí)和妥協(xié)，最后容納了八種互不兼容的協(xié)議。這八種協(xié)議在IEC61158中分別為八種類(lèi)型： 類(lèi)型1 IE

29、C技術(shù)報(bào)告（即FF H1）類(lèi)型2 ControlNet（美國(guó)Rockwell公司支持） 類(lèi)型3 Profibus（德國(guó)西門(mén)子公司支持）類(lèi)型4 P-Net（丹麥Process Data公司支持） 類(lèi)型5 FF HSE（即原FF H2，美國(guó)Fisher Rosemount公司支持） 類(lèi)型6 Swiff Net（美國(guó)波音公司支持）類(lèi)型7 WorldFIP（法國(guó)Alsthom公司支持） 類(lèi)型8 Interbus（德國(guó)Phoenix Contact公司支持） 與SC65C的針?shù)h相對(duì)、討價(jià)還價(jià)相比，IEC17B的標(biāo)準(zhǔn)制訂者們要“文明”多了。從1996年成立工作組開(kāi)始，IEC17B制訂的總線標(biāo)準(zhǔn)主要涉及設(shè)備

30、層的現(xiàn)場(chǎng)總線，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：IEC62026低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備：控制器與電器設(shè)備接口。 IEC62026-1 第一部分 總則第二部分 操作器-傳感器接口（AS-i） 第三部分 Devicenet第五部分 輕巧的分布式系統(tǒng)（SDS） 第六部分 Seriplex（串行多任務(wù)控制總線） 其中，除第六部分尚處于CD文件階段外，其余部分已成為FDIS文件，已于2000年6月進(jìn)行投票表決，各成員國(guó)只能表示同意或不同意，不能對(duì)文件的某一部分提出修改要求。 IEC62026標(biāo)準(zhǔn)草案曾有過(guò)第四部分（Lontalk）和第七部分（WorldFIP）,因這兩個(gè)協(xié)議不適宜作為設(shè)備層的通用協(xié)議目前暫被挪走。 IEC1

31、7B還有一個(gè)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)草案，那就是IEC61915“低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備棗網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)設(shè)備的描述（Profiles for networked industrial devices）”。此文件還處于CD文件階段。 5. 工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 現(xiàn)代分布式系統(tǒng)是大量的設(shè)備按照某種操作要求連接起來(lái)的，其涉及的領(lǐng)域非常廣泛，例如工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，辦公和家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，智能車(chē)用系統(tǒng)，高級(jí) 系統(tǒng)等。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上交換信息的類(lèi)型，這些網(wǎng)絡(luò)可分為兩種：控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包大，發(fā)送頻率相對(duì)比較低，經(jīng)常是瞬間傳送大量數(shù)據(jù)，要求以高數(shù)據(jù)傳送速度來(lái)傳輸

32、比較大的文件，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有苛刻的限制。相對(duì)地，控制網(wǎng)絡(luò)往往在許多節(jié)點(diǎn)之間高頻率的發(fā)送大量比較小的數(shù)據(jù)包來(lái)滿足實(shí)時(shí)性的要求。因而，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素是看網(wǎng)絡(luò)是否具有支持實(shí)時(shí)應(yīng)用的能力。 另外，控制網(wǎng)絡(luò)要求確定性和可重復(fù)性。確定性是指有限制的延遲和有保證的傳送，也就是說(shuō)一個(gè)報(bào)文能在可預(yù)測(cè)的時(shí)間成功的發(fā)送出去。從傳感器到啟動(dòng)器的報(bào)文的不成功的傳送或者不可接受的延遲都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能?？芍貜?fù)性是指網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力不受網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)改變（增加節(jié)點(diǎn)或者刪除節(jié)點(diǎn)）和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的改變而影響。例如控制網(wǎng)是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，采用令牌總線協(xié)議，用于對(duì)時(shí)間有苛刻要的應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸。它提供以下

33、功能：對(duì)在同一鏈路上的、實(shí)時(shí)互鎖、對(duì)等通訊報(bào)文傳送和編程操作均有相同的帶寬；對(duì)于離散和連續(xù)過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)合均有確定性和可重復(fù)性的功能。 有許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都被提出來(lái)去滿足控制網(wǎng)絡(luò)的要求。這些協(xié)議有：以太網(wǎng)（Ethernet，IEEE 802.3 CSMA/CD），令牌總線（Token Bus, IEEE 802.4）,令牌環(huán)（Token Ring, IEEE 802.5）,控制器局部網(wǎng)（CAN,CSMA/AMP）?？刂凭W(wǎng)絡(luò)一般基于CAN協(xié)議（例如智能分布式系統(tǒng),Smart Distributed System；設(shè)備網(wǎng),Devicenet；CAN Kingdom）和令牌協(xié)議（例如過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，Pro

34、fibus；制造自動(dòng)化協(xié)議，Manufacturing Automation Protocol；控制網(wǎng)，Controlnet；分布式光纖數(shù)據(jù)接口，F(xiàn)iber Distributed Data Interface）。 三種 主要MAC工作方式簡(jiǎn)述如下： CSMA/CD(IEEE802.3)為沖突檢測(cè)載體監(jiān)聽(tīng)多重訪問(wèn)，采用總線網(wǎng)絡(luò)， 其控制策略是競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送、廣播式傳輸、載體監(jiān)聽(tīng)、沖突檢測(cè)、沖突后退和再試發(fā)送； Token Bus(IEEE02.4)為令牌總線控制技術(shù)，總線上所有站形成一個(gè) 邏輯環(huán)，令牌在總線網(wǎng)絡(luò)上傳送，收到令牌的站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站； Token Ring(

35、IEEE802.5)為令牌環(huán)控制技術(shù)，令牌在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上傳送，收到 令牌的站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站。 自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)三層體系結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)的通訊中往往要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。 產(chǎn)品怎樣互聯(lián)在一起？ 系統(tǒng)中不同產(chǎn)品間要有可靠的互操作性及不同供貨商的同類(lèi)產(chǎn)品要有可互換性。 產(chǎn)品將要交換什么樣類(lèi)型的數(shù)據(jù)？ 是控制數(shù)據(jù) (如 I/O 等)還是信息數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)需要什么樣的吞吐量？ 產(chǎn)品怎樣被組態(tài)？ 系統(tǒng)能否在將來(lái)可以進(jìn)一步擴(kuò)充？ 我們應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用需求來(lái)選擇不同的網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng)用需求對(duì)數(shù)據(jù)的要求是不同的。 （1）對(duì)數(shù)據(jù)量要求的不同。網(wǎng)絡(luò)上要求傳送的數(shù)據(jù)量可能以兆字節(jié)或字節(jié)或位來(lái)計(jì)算。負(fù)載量的變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬有不同要求。 （2）對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型要求不同。要求可能是I/O信息，狀態(tài)改變的信息或顯式報(bào)文（Explicit Messaging），程序的上載/下載，診斷信息等。 （3）對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求不同?？赡芤缶W(wǎng)絡(luò)主要處理高速離散量或者模擬量，對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)特別要求確定性和可重復(fù)性。 現(xiàn)在自動(dòng)化領(lǐng)域上一般采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即設(shè)備層、控制層和信息層的體系。在這個(gè)體系中，數(shù)據(jù)可以雙向流通、層與層之間可以交換數(shù)據(jù)，對(duì)某一具體應(yīng)用可以選擇其中某層或某幾層，而且每層之間可能存在層疊。我們的目的就是，采用一個(gè)開(kāi)放的、扁平的、滿足高性