試論十種類型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)
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INTERBUS總線有很強的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時也提供總線網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)功能，能及時根據(jù)設(shè)計要求，關(guān)斷和連接總線的某個子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場安裝、調(diào)試、診斷和維護的有力工具。具體功能是識別和確定安裝錯誤和部件錯誤，現(xiàn)場總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時可設(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，以滿足制造業(yè)和過程工業(yè)自動化故障安全通信的要求，特別是在汽車制造業(yè)中具有安全總線的功能被放在首位。INTERBUS俱樂部從1999年開始進行INTERBUS安全總線研究，在2001年得到了德國BIA組織EN954-1 KAT.4標準的許可證明，并符合IEC61508安全通信標準。INTERBUS的安全總線由一個Safe Control控制模塊和現(xiàn)場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)與安全總線的功能截然分開，控制系統(tǒng)機構(gòu)清晰簡單，不影響今后的擴展和修改，成本明顯降低。這是現(xiàn)場總線的一個發(fā)展方向。
9 Type9 FF H1現(xiàn)場總線
H1現(xiàn)場總線是由FF現(xiàn)場總線基金會負責制定的。FF基金會成員由世界著名的儀表制造商和用戶組成，其成員生產(chǎn)的變送器、DCS、執(zhí)行器、流量儀表占世界市場的90%，它們對過程控制現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，在過程控制方面積累了豐富的經(jīng)驗，提出的現(xiàn)場總線網(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)場總線是Type1現(xiàn)場總線的子集。
FF H1現(xiàn)場總線協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及考慮到現(xiàn)場裝置的控制功能和具體應(yīng)用而增加的用戶層組成。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。該總線支持總線供電和本質(zhì)安全。
圖9 Type 9 FF H1現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層負責實現(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準功能塊（FB）和裝置描述功能。標準規(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牛@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)議標準建立的。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也負責故障后的恢復，包括質(zhì)量代碼和時間標記的傳輸、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Microsoft 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Ethernet TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于H2高速現(xiàn)場總線基本達成共識，Ethernet/IP、FF HSE和PROFInet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)事實上已成為國際標準。
據(jù)了解，IEC61158標準的維護期為2007年12月31日，就是說在此之前不會增加新的現(xiàn)場總線，對目前標準內(nèi)的現(xiàn)場總線也不會做修改。由此可見，現(xiàn)場總線系統(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)場總線在系統(tǒng)中的定位已經(jīng)明確，它們兩者之間的關(guān)系見表1。
表1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線關(guān)系 
表中列出了當前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的4個主要競爭者，F(xiàn)F HSE、EtherNet/IP和PROFInet現(xiàn)場級都有自己的現(xiàn)場總線，這種格局今后不會改變。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I/O級，同時Modbus TCP/IP協(xié)議已被提交國際因特網(wǎng)工程特別工作組（IETF），希望這個協(xié)議能成為工業(yè)因特網(wǎng)協(xié)議標準。為了使此項工作加速推進，MODBUS組織和IDA組織于2003年10月底宣布合并。國內(nèi)也正在開展工業(yè)以太網(wǎng)的開發(fā)工作，浙大中控技術(shù)有限公司開發(fā)的EPA工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場一級，并在化工廠獲得成功試用。
現(xiàn)場總線的長期爭論使人們逐漸認識到，數(shù)字技術(shù)的統(tǒng)一完全不同于模擬技術(shù)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的統(tǒng)一之路應(yīng)該充分吸收Internet技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的成功經(jīng)驗，面向市場，不斷創(chuàng)新，建立一個具有互操作性的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，最終為工業(yè)自動化創(chuàng)建一個統(tǒng)一的信息平臺。(end)
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