十種類型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)簡析

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(huì)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 FF H1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(duì)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(huì)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(jí)通信，可以與工廠自動(dòng)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(jí)，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(jí)、監(jiān)控管理級(jí)和高速工廠自動(dòng)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Ethe

rnet/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(huì)。

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(duì)象庫、對(duì)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(duì)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(huì)）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(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過程自動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)控制的ProfiDrive和用于聯(lián)鎖保護(hù)的ProfiSafe等。

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(gè)總線分段上可以連接多個(gè)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(gè)總線區(qū)直接尋址，無需遞階網(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(jī)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(gè)請求，被尋址的從站在390μs內(nèi)立即返回一個(gè)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(gè)站節(jié)點(diǎn)都含有一個(gè)通用的單芯片微處理機(jī)，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。