各類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)綜述

　　協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層采用面向過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸方法及集總幀協(xié)議，可以傳輸循環(huán)過(guò)程數(shù)據(jù)和非循環(huán)數(shù)據(jù)，幀信息包括一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)、回送信息、數(shù)據(jù)安全/結(jié)束信息。集總幀具有非常高的傳輸效率，其效率高達(dá)52%，盡管INTERBUS通信速率為500Kbps和2Mbps，通信速度和效率很高。應(yīng)用層服務(wù)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、VFD支持、變量訪問(wèn)、程序調(diào)用和12個(gè)相關(guān)的服務(wù)。

　　INTERBUS總線(xiàn)有很強(qiáng)的監(jiān)視診斷功能，總線(xiàn)監(jiān)控功能監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也提供總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)功能，能及時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，關(guān)斷和連接總線(xiàn)的某個(gè)子總線(xiàn)段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、診斷和維護(hù)的有力工具。具體功能是識(shí)別和確定安裝錯(cuò)誤和部件錯(cuò)誤，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時(shí)可設(shè)置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設(shè)備的參數(shù)。

　　為了提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性，以滿(mǎn)足制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化故障安全通信的要求，特別是在汽車(chē)制造業(yè)中具有安全總線(xiàn)的功能被放在首位。INTERBUS俱樂(lè)部從1999年開(kāi)始進(jìn)行INTERBUS安全總線(xiàn)研究，在2001年得到了德國(guó)BIA組織EN954-1 KAT.4標(biāo)準(zhǔn)的許可證明，并符合IEC61508安全通信標(biāo)準(zhǔn)。INTERBUS的安全總線(xiàn)由一個(gè)Safe Control控制模塊和現(xiàn)場(chǎng)分散式智能模塊組成，控制模塊的唯一功能就是控制安全數(shù)據(jù)。這種解決方案優(yōu)于其它方案，它將控制系統(tǒng)與安全總線(xiàn)的功能截然分開(kāi)，控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，不影響今后的擴(kuò)展和修改，成本明顯降低。這是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)發(fā)展方向。

　　9 Type9 FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

　　H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是由FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)負(fù)責(zé)制定的。FF基金會(huì)成員由世界著名的儀表制造商和用戶(hù)組成，其成員生產(chǎn)的變送器、DCS、執(zhí)行器、流量?jī)x表占世界市場(chǎng)的90%，它們對(duì)過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，在過(guò)程控制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，提出的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為全面，其通信體系結(jié)構(gòu)如圖9所示。Type9現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是Type1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的子集。

　　FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及考慮到現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制功能和具體應(yīng)用而增加的用戶(hù)層組成。H1總線(xiàn)支持多種傳輸媒體：雙絞線(xiàn)、電纜、光纜和無(wú)線(xiàn)媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1 900米。該總線(xiàn)支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全。

　　圖9 Type9 FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)鏈路活動(dòng)調(diào)度、數(shù)據(jù)的接收發(fā)送、活動(dòng)狀態(tài)的響應(yīng)、總線(xiàn)上各設(shè)備間的鏈路時(shí)間同步等。這里，總線(xiàn)訪問(wèn)控制采用鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS)方式，LAS擁有總線(xiàn)上所有設(shè)備的清單，由它負(fù)責(zé)總線(xiàn)段上各設(shè)備對(duì)總線(xiàn)的操作。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用層由現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)訪問(wèn)(FAS)子層和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)報(bào)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(hù)機(jī)/服務(wù)器和報(bào)告分發(fā)三種模式的報(bào)文服務(wù)。FMS子層提供對(duì)象字典(OD)服務(wù)、變量訪問(wèn)服務(wù)和事件服務(wù)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)用戶(hù)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(chǎng)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有信息，并且與主站無(wú)關(guān)，所以可使現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作。10 Type10 PROFI net現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

　　PNO組織于2001年8月發(fā)表了Profinet規(guī)范。Profinet將工廠自動(dòng)化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機(jī)地融為一體，同時(shí)又完全保留了Profibus現(xiàn)有的開(kāi)放性。

　　Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)如圖10所示，從圖中看出，該方案支持開(kāi)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(jī)制還可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)通信的要求?；趯?duì)象應(yīng)用的DCOM通信協(xié)議是通過(guò)該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立的。以對(duì)象的形式表示的Profinet組件根據(jù)對(duì)象協(xié)議交換其自動(dòng)化數(shù)據(jù)。自動(dòng)化對(duì)象即COM對(duì)象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線(xiàn)上。連接對(duì)象活動(dòng)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(fù)責(zé)故障后的恢復(fù)，包括質(zhì)量代碼和時(shí)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(cè)試和診斷。

　　圖10 Type10 Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)

　　Profibus可以通過(guò)代理服務(wù)器(Proxy)很容易地實(shí)現(xiàn)與其它現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的集成，在該方案中，通過(guò)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(guò)以太網(wǎng)TCP/IP訪問(wèn)Profibus設(shè)備是由Proxy使用遠(yuǎn)方程序調(diào)用和Microsoft DCOM進(jìn)行處理的。

　　Profinet提供工程設(shè)計(jì)工具和制造商專(zhuān)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(kāi)發(fā)的設(shè)備來(lái)創(chuàng)建基于COM的自動(dòng)化對(duì)象，這種工具也將用于組態(tài)基于Profinet的自動(dòng)化系統(tǒng)，使用這種獨(dú)立于制造商的對(duì)象和連接編輯器可減少15%的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　結(jié)語(yǔ)

　　10種類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議都不相同，但對(duì)Ethernet TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基本達(dá)成共識(shí)，EtherNet/IP、FF HSE和Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)事實(shí)上已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　據(jù)了解，IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)期為2007年12月31日，就是說(shuō)在此之前不會(huì)增加新的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，對(duì)目前標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)也不會(huì)做修改。由此可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和格局已經(jīng)基本確定，工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在系統(tǒng)中的定位已經(jīng)明確，它們兩者之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

　　表1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)關(guān)系

　　表中列出了當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的4個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者，F(xiàn)F HSE、EtherNet/IP和Profinet現(xiàn)場(chǎng)級(jí)都有自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，這種格局今后不會(huì)改變。Phoenix Contacts公司Type8 INTERBUS采用的IDA工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展很快，并將工業(yè)以太網(wǎng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)I/O級(jí)，同時(shí)Modbus TCP/IP協(xié)議已被提交國(guó)際因特網(wǎng)工程特別工作組(IETF)，希望這個(gè)協(xié)議能成為工業(yè)因特網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。為了使此項(xiàng)工作加速推進(jìn)，Modbus組織和IDA組織于2003年10月底宣布合并。國(guó)內(nèi)也正在開(kāi)展工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)工作，浙大中控技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的EPA工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)，并在化工廠獲得成功試用。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的長(zhǎng)期爭(zhēng)論使人們逐漸認(rèn)識(shí)到，數(shù)字技術(shù)的統(tǒng)一完全不同于模擬技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一之路應(yīng)該充分吸收Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的成功經(jīng)驗(yàn)，面向市場(chǎng)，不斷創(chuàng)新，建立一個(gè)具有互操作性的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，最終為工業(yè)自動(dòng)化創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的信息平臺(tái)。