各類型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)綜述
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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(diǎn)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)。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/150686.htm經(jīng)過長達(dá)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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：IEC61158-2：1993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(yán)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(bào)告TS61158，以此為基礎(chǔ)形成了現(xiàn)在的Type1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(shí)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(fù)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。
2 Type2 ControlNet和EtherNet/IP現(xiàn)場總線由ControlNet International(CI)組織負(fù)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(diǎn)，同時(shí)從單個(gè)數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)，其主要特點(diǎn)是增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，提高了效率和實(shí)現(xiàn)精確的同步。網(wǎng)絡(luò)的媒體送取，通過限制時(shí)間存取算法來控制，即采用并行時(shí)間域多路存取(CTDMA)方法，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新間隔(NUI)內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的傳送信息機(jī)會。
圖2 Type2 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?fù)浣Y(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(gè)公共的應(yīng)用層。CIP的控制部分用于實(shí)時(shí)I/O報(bào)文，其信息部分用于報(bào)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(gè)供應(yīng)商的設(shè)備能在上述整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)即插即用。對象的定義是嚴(yán)格的，在同一種網(wǎng)絡(luò)上支持實(shí)時(shí)報(bào)文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能，ODVA(開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會)于2003年8月公布了IEEE1588“用于EtherNet/IP實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的時(shí)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(gè)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(shí)逐步取消Profibus-FMS總線。擴(kuò)展的Profibus-DP現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，Profibus-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(jì)，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(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全性能。以此為基礎(chǔ)，擴(kuò)展的DP功能DPV1進(jìn)一步完善了Profibus-PA功能;DPV2解決了從站之間的通信與時(shí)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(kuò)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(shí)現(xiàn)一個(gè)主站和一系列從站之間集中的數(shù)據(jù)交換。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(kuò)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(jìn)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(jìn)行非循環(huán)讀寫，同時(shí)為進(jìn)入因特網(wǎng)通信擴(kuò)充了功能。
Profibus-DPV2可以實(shí)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(shí)間縮短1個(gè)DP總線周期和主站周期，從而使反應(yīng)時(shí)間縮短60%至90%，同時(shí)建立了等時(shí)間間隔的總線循環(huán)周期，其時(shí)間偏差小于1μs，即適用于高精度定位控制，又可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。DPV2可根據(jù)不同的應(yīng)用需要開發(fā)專用行規(guī)(profile)，如用于運(yùn)動控制的ProfiDrive和用于聯(lián)鎖保護(hù)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(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。
圖4 Type4 P-NET現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)
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