十種型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)綜述

1、    十種型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)綜述    十種類型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)綜述    類別：接口電路      按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。根據(jù)使用場合和用途不同，現(xiàn)場總線又分為H1低速現(xiàn)場總線和H2高速現(xiàn)場總線。IEC/SC65C最初定義H1總線為用于制造或過程區(qū)域的、通過兩根傳輸線向現(xiàn)場裝置供電的

2、低速串行總線，H2總線為無需解決兩線制供電，用于裝置間傳送信息的高速串行總線。H1和H2總線相輔相成構(gòu)成了完整的工業(yè)自動化系統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)。 經(jīng)過長達15年的爭論，IEC61158用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)于2000年初終于獲得通過，現(xiàn)場總線之爭逐漸隨之退潮，IEC/SC65C/WG6現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)委員會到此也完成了歷史使命。為了進一步完善IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，IEC/SC65C成立了MT9現(xiàn)場總線修訂小組，繼續(xù)這方面的工作。MT9工作組在原來8種類型現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上不斷完善擴充，于2001年8月制定出由10種類型現(xiàn)場總線組成的第三版現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它們是：Type1 TS61158 現(xiàn)場

3、總線、Type2 ControlNet和 EtherNet/IP現(xiàn)場總線、Type3 Profibus現(xiàn)場總線、Type4 P-NET現(xiàn)場總線、Type5 FF HSE現(xiàn)場總線、Type6 Swift-Net 現(xiàn)場總線、Type7 WorldFIP現(xiàn)場總線、Type8 Interbus現(xiàn)場總線、Type9 FFH1現(xiàn)場總線以及Type10 Profinet現(xiàn)場總線，該標(biāo)準(zhǔn)于2003年4月成為正式國際標(biāo)準(zhǔn)。限于篇幅，本文對10種類型總線做概要論述，并簡單綜述上述總線近三年來的最新進展。 1 Type1 TS61158 現(xiàn)場總線 Type1 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)由以下部分構(gòu)成： PhL：IEC61158-

4、2：1993標(biāo)準(zhǔn)的超集（Superset）； Foundation Fieldbus的超集； WorldFIP的功能超集； DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4； Foundation Fieldbus的超集； WorldFIP的功能超集； AL：IEC TS61158-5，TS61158-6。 1998年之前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現(xiàn)場總線，該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術(shù)，并嚴格按照IEC定義制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，由于各種原因，經(jīng)過多輪投票未獲通過，只能按規(guī)定成為技術(shù)報告TS61158，以此為基礎(chǔ)形成了現(xiàn)在的T

5、ype1現(xiàn)場總線。國際電工委員會推薦的通用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，用于過程控制傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級通信，可以與工廠自動化的PLC實現(xiàn)互連。在這里，H1現(xiàn)場總線主要用于現(xiàn)場級，其速率為31.25Kbps，負責(zé)兩線制向現(xiàn)場儀表供電，并能支持帶總線供電設(shè)備的本質(zhì)安全；H2現(xiàn)場總線主要面向過程控制級、監(jiān)控管理級和高速工廠自動化的應(yīng)用，其速率為1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。 圖1 通用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2 Type2 ControlNet和EtherNet/IP現(xiàn)場總線 由ControlNet I

6、nternational(CI)組織負責(zé)制定的Type2現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)由以下部分組成： PhL和DLL：ControlNet； AL：Control Net和EtherNet/IP。 Type2現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。ControlNet采用一種新的通信模式，即生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，同時從單個數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)，其主要特點是增強了系統(tǒng)的功能，提高了效率和實現(xiàn)精確的同步。網(wǎng)絡(luò)的媒體送取，通過限制時間存取算法來控制，即采用并行時間域多路存?。–TDMA）方法，在每個網(wǎng)絡(luò)刷新間隔（NUI）內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)點的傳送信息機會。 圖2 Typ

7、e2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) EtherNet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它使用有源星形拓撲結(jié)構(gòu)，可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)品混合使用。該協(xié)議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協(xié)議（CIP），提供一個公共的應(yīng)用層。CIP的控制部分用于實時I/O報文，其信息部分用于報文交換。ControlNet和EtherNet/IP都使用該協(xié)議通信，分享相同的對象庫、對象和設(shè)備行規(guī)，使得多個供應(yīng)商的設(shè)備能在上述整個網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)即插即用。對象的定義是嚴格的，在同一種網(wǎng)絡(luò)上支持實時報文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的實時性能，ODVA（開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會）于2003年8

8、月公布了IEEE1588“用于EtherNet/IP實時控制應(yīng)用的時鐘同步”標(biāo)準(zhǔn)。 3 Type3 Profibus 現(xiàn)場總線 Type3 現(xiàn)場總線得到Profibus用戶組織PNO的支持，德國西門子公司則是Profibus產(chǎn)品的主要供應(yīng)商。Profibus系列由三個兼容部分組成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三條總線構(gòu)成。為了提高Profibus總線性能，近幾年P(guān)NO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，同時逐步取消Profibus-FMS總線。擴展的Profibus-DP現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，Profib

9、us-DP特別適用于設(shè)備級自動控制系統(tǒng)與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過程自動化設(shè)計，它能夠?qū)⒆兯推骱蛨?zhí)行器連接到一根公共總線，使用兩根線就可以完成供電和數(shù)據(jù)通信，并能實現(xiàn)本質(zhì)安全性能。以此為基礎(chǔ)，擴展的DP功能DPV1進一步完善了Profibus-PA功能；DPV2解決了從站之間的通信與時間同步等重大問題。 圖3 Type3 Profibus現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu) Profibus-DPV1主要是增加了非循環(huán)服務(wù)，并擴大了與2類主站的通信。眾所周知，Profibus-DP性能的特征是在循環(huán)連接（Mscy-C1）的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)據(jù)交換服務(wù)，實現(xiàn)一個主站和一系列從站之間集中的數(shù)據(jù)交換

10、。1類主站指PLC、PC或控制器。2類主站指操作員站和編程器等。DPV1擴展了上述功能，在已有的Mscy-C1連接基礎(chǔ)上，增加了非循環(huán)服務(wù)，利用新的服務(wù)可以對從站中任何數(shù)據(jù)組進行讀寫。過去，2類主站只能利用DP從站的無連接服務(wù)，現(xiàn)在則可通過面向連接的通信對數(shù)組進行非循環(huán)讀寫，同時為進入因特網(wǎng)通信擴充了功能。 Profibus-DPV2可以實現(xiàn)循環(huán)通信、非循環(huán)通信以及從站之間的通信。由于從站之間可直接通信，通信時間縮短1個DP總線周期和主站周期，從而使反應(yīng)時間縮短60%至90%，同時建立了等時間間隔的總線循環(huán)周期，其時間偏差小于1s，即適用于高精度定位控制，又可實現(xiàn)閉環(huán)控制。DPV2可根據(jù)不同的

11、應(yīng)用需要開發(fā)專用行規(guī)（profile），如用于運動控制的ProfiDrive和用于聯(lián)鎖保護的Profisafe等。 4 Type4 P-NET現(xiàn)場總線 P-NET現(xiàn)場總線由丹麥Process-Data Sikebory Aps公司從1983年開始開發(fā)，主要應(yīng)用于啤酒、食品、農(nóng)業(yè)和飼養(yǎng)業(yè)，它得到P-NET用戶組織的支持，在現(xiàn)場大約有5000多個應(yīng)用系統(tǒng)。 圖4 Type4 P-NET現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu) P-NET現(xiàn)場總線是一種多主站、多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖4給出了P-NET系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。總線采用分段結(jié)構(gòu)，每個總線分段上可以連接多個主站，主站之間通過接口能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上互連，它允許在幾個總線區(qū)直接尋址，無需遞

12、階網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該總線通信協(xié)議包括1、2、3、4和7層，并利用信道機構(gòu)定義用戶層。通信采用虛擬令牌（virtual token）傳遞方式，主站發(fā)送一個請求，被尋址的從站在390s內(nèi)立即返回一個響應(yīng)，只有存放到從站內(nèi)存中的數(shù)據(jù)才可被訪問。每個站節(jié)點都含有一個通用的單芯片微處理機，配套的2KB EPROM不僅可用作通信，而且可用于測量、標(biāo)定、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用功能。P-NET接口芯片執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，第3層和第4層的功能由宿主處理器中的軟件解決。該總線物理層基于RS-485標(biāo)準(zhǔn)，使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，應(yīng)用NRZ編碼異步傳輸。 5 Tpye5 FF HSE現(xiàn)場總線 1998年，美國Fi

13、eldbus Foundation（FF）基金會決定采用高速以太網(wǎng)（High Speed Ethernet，HSE）技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，它與H1現(xiàn)場總線整合構(gòu)成信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)，圖5給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范，并根據(jù)過程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無縫地進行操作，因而FF HSE總線可以使用當(dāng)前流行的商用（COTS）以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓撲是采用交換機形成星形連接，這種交換機具有防火墻功能，以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.

14、3信號傳輸，標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備和交換機之間距離，使用雙絞線為100米，光纜可達2千米。HSE使用連接裝置（LD）連接H1子系統(tǒng)，LD執(zhí)行網(wǎng)橋功能，它允許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場設(shè)備，以完成點對點對等通信。HSE支持冗余通信，網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備都能作冗余配置。 圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) FF HSE的14層由現(xiàn)有的以太網(wǎng)、TCP/IP和IEEE標(biāo)準(zhǔn)所定義，HSE和H1使用同樣的用戶層，現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FMS）在H1中定義了服務(wù)接口，現(xiàn)場設(shè)備訪問代理（FDA）為HSE提供接口。用戶層規(guī)定功能模塊、設(shè)備描述（DD）、功能文件（CF）以及系統(tǒng)管理（SM）。FF規(guī)范21種功能模塊供基本的

15、和先進的過程控制使用。FF還規(guī)定了新的柔性功能模塊（FFB），用以進行復(fù)雜的批處理和混合控制應(yīng)用，F(xiàn)FB支持數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控，子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數(shù)據(jù)采集、PLC和其他協(xié)議通信的網(wǎng)間連接器。 6 Type6 SwiftNet現(xiàn)場總線 Type6 SwiftNet現(xiàn)場總線由美國SHIP STAR協(xié)會主持制定，得到美國波音公司的支持，主要用于航空和航天等領(lǐng)域。該總線是一種結(jié)構(gòu)簡單、實時性高的總線，協(xié)議僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。SwiftNet現(xiàn)場總線采用分層總線式拓H1總線支持多種傳輸媒體：雙絞線、電纜、光纜和無線媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1 900米。該總線支持總線供

16、電和本質(zhì)安全。 數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)實現(xiàn)鏈路活動調(diào)度、數(shù)據(jù)的接收發(fā)送、活動狀態(tài)的響應(yīng)、總線上各設(shè)備間的鏈路時間同步等。這里，總線訪問控制采用鏈路活動調(diào)度器（LAS）方式，LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它負責(zé)總線段上各設(shè)備對總線的操作。 現(xiàn)場總線應(yīng)用層由現(xiàn)場總線訪問（FAS）子層和現(xiàn)場總線報文規(guī)范(FMS)子層構(gòu)成。FAS子層提供發(fā)布者/預(yù)訂者、客戶機/服務(wù)器和報告分發(fā)三種模式的報文服務(wù)。FMS子層提供對象字典（OD）服務(wù)、變量訪問服務(wù)和事件服務(wù)等?，F(xiàn)場總線用戶層具有標(biāo)準(zhǔn)功能塊（FB）和裝置描述功能。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定32種功能塊，現(xiàn)場裝置使用這些功能塊完成控制策略。由于裝置描述功能包括描述裝置通信所需的所

17、有信息，并且與主站無關(guān)，所以可使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作。 10 Type10 PROFI net現(xiàn)場總線 PNO組織于2001年8月發(fā)表了Profinet規(guī)范。Profinet將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機地融為一體，同時又完全保留了Profibus現(xiàn)有的開放性。 Profinet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)如圖10所示，從圖中看出，該方案支持開放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?，這種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎(chǔ)上，優(yōu)化的通信機制還可以滿足實時通信的要求。基于對象應(yīng)用的DCOM通信協(xié)議是通過該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立的。以對象的形式表示的Profinet組件根據(jù)對象協(xié)議交換其自動化數(shù)據(jù)。自動化

18、對象即COM對象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線上。連接對象活動控制（ACCO）確保已組態(tài)的互相連接的設(shè)備間通信關(guān)系的建立和數(shù)據(jù)交換。傳輸本身是由事件控制的，ACCO也負責(zé)故障后的恢復(fù)，包括質(zhì)量代碼和時間標(biāo)記的傳輸、連接的監(jiān)視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測試和診斷。 圖10 Type10 Profinet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu) Profibus可以通過代理服務(wù)器(Proxy)很容易地實現(xiàn)與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成，在該方案中，通過代理服務(wù)器將通用的Profibus網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)以太網(wǎng)；通過以太網(wǎng)TCP/IP訪問Profibus設(shè)備是由Proxy使用遠方程序調(diào)用和Microsof

19、t DCOM進行處理的。 Profinet提供工程設(shè)計工具和制造商專用的編程和組態(tài)軟件，使用這種工具可以從控制器編程軟件開發(fā)的設(shè)備來創(chuàng)建基于COM的自動化對象，這種工具也將用于組態(tài)基于Profinet的自動化系統(tǒng)，使用這種獨立于制造商的對象和連接編輯器可減少15%的開發(fā)時間。 結(jié)語 10種類型現(xiàn)場總線采用完全不同的通信協(xié)議。Type1采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式；Type2 ControlNet使用CTDMA方法和Producer/Consumer模式，EtherNet/IP使用Ethernet TCP/IP協(xié)議；Type3是令牌環(huán)和主站/從站方式；Type4通信采用虛擬令牌傳遞方式；Type5采用CSMA/CD方式和Ethernet TCP/IP協(xié)議；Type6使用TDMA多路存取方式；Type7使用總線裁決方式；Type8采用整體幀協(xié)議；Type9采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式；Type10使用Ethernet TCP/IP協(xié)議。 從以上論述可以看出，十種類型現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議都不相同，但對Et