廣義現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)以太網(wǎng)
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開發(fā)現(xiàn)場總線最初目的是用數(shù)字儀表內(nèi)部所具有的數(shù)字信號替代4～20mA等模擬信號實現(xiàn)控制室與現(xiàn)場之間的信息傳輸，最初應(yīng)用于過程控制及制造業(yè)?，F(xiàn)場總線應(yīng)用以后，人們得到了更多的好處。例如控制功能徹底分散到現(xiàn)場，先進的現(xiàn)場設(shè)備管理功能得以實現(xiàn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高等等。現(xiàn)場總線有過不同的定義，其實質(zhì)是指應(yīng)用在測控現(xiàn)場，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備、系統(tǒng)管控設(shè)備之間信息交換的串行雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。從這一概念出發(fā)，本文所述的應(yīng)用在公路車輛、鐵路列車、低壓配電與控制以及機床運動控制等領(lǐng)域的ISO11898、IEC 61375、IEC 62026、IEC 61491等標(biāo)準(zhǔn)所定義的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)都可以認(rèn)為是現(xiàn)場總線。這種現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從過程控制及制造業(yè)測控領(lǐng)域開始，以后很快發(fā)展到諸如電力監(jiān)控與繼電保護、樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控、交通工具、能源管理、農(nóng)業(yè)、自動測試系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、機器人等各種領(lǐng)域，現(xiàn)在現(xiàn)場總線已經(jīng)無處不在。
二、現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158
自80年代中期開始，世界上各大控制廠商及標(biāo)準(zhǔn)化組織推出了多種互不兼容的現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今為止世界上已出現(xiàn)過的總線有近200種。不同標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場產(chǎn)品不能互換，將給用戶造成極大的不便。從1984年起，IEC(國際電工委員會)/TC65(工業(yè)過程測量及控制技術(shù)委員會)和ISA(美國儀表學(xué)會)就開始了制訂國際標(biāo)準(zhǔn)的工作。但由于受到大控制廠商相互競爭的影響，國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂困難重重，商業(yè)集團為了自身的利益給國際標(biāo)準(zhǔn)的投票通過制造阻力，使得國際標(biāo)準(zhǔn)遲遲不能完成。最終不得已在1999年12月通過了一個包含了多種互不兼容的協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 61158國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括了目前國際上用于過程工業(yè)及制造業(yè)的8類主要的現(xiàn)場總線協(xié)議。
Type1,IEC 61158技術(shù)規(guī)范。這是由IEC/ISA負(fù)責(zé)制訂的，曾試圖使之成為統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)的一個技術(shù)規(guī)范，基金會現(xiàn)場總線FF的H1(低速現(xiàn)場總線)是它的一個子集。
Type2，ControlNet現(xiàn)場總線。美國AB公司、Rockwell開發(fā)，ControlNet International(CI)組織支持。
Type3,Profibus現(xiàn)場總線。德國西門子公司開發(fā)，Profibus用戶組織(PNO)支持。歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。
Type4,PNet現(xiàn)場總線。丹麥Process Data公司開發(fā)，PNet用戶組織支持。歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。
Type5,FF HSE(High Speed Ethernet,高速以太網(wǎng))?，F(xiàn)場總線基金會FF開發(fā)的H2(高速現(xiàn)場總線)。
Type6,SwiftNet現(xiàn)場總線。美國SHIP STAR協(xié)會主持制定，波音公司支持。
Type7,WorldFIP現(xiàn)場總線。法國WorldFIP協(xié)會制訂并支持。歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。
Type8,Interbus現(xiàn)場總線。德國Phoenix Contact公司開發(fā)，Interbus Club支持。
上述8種總線中，Type1是為過程控制開發(fā)的，支持總線供電和本質(zhì)安全。Type5(FF HSE)是與之配套的高速現(xiàn)場總線，用于對時間有苛刻要求或數(shù)據(jù)量較大的場合，如斷續(xù)生產(chǎn)的制造業(yè)，以及監(jiān)控級。Type2(ControlNet)為監(jiān)控級總線，它的底層(設(shè)備級)總線為DeviceNet，兩者有著共同的應(yīng)用層。Type3(Profibus)有3個部分Profibus FMS、Profibus DP和Profibus PA，采用不同的物理層，分別用于監(jiān)控級、斷續(xù)生產(chǎn)的制造業(yè)的現(xiàn)場級和過程控制的現(xiàn)場級。Type7(WorldFIP)也有不同的物理層，可用于過程控制和制造業(yè)的現(xiàn)場級。Type4(PNet)多用于食品、飼養(yǎng)業(yè)、農(nóng)業(yè)及工業(yè)一般自動化。Type6(SwiftNet)主要用于航空航天領(lǐng)域。Type8(Interbus)主要用于制造業(yè)的現(xiàn)場級(設(shè)備級)或一般自動化。
IEC61158 Ed.3.0分成總論、物理層規(guī)范和服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范、應(yīng)用層服務(wù)定義、應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范6個部分，它的用戶層功能塊是IEC 61804標(biāo)準(zhǔn)，再加上IEC 61784(連續(xù)與斷續(xù)制造用行規(guī)集，草案)構(gòu)成一個完整的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。
三、現(xiàn)場總線的其它國際標(biāo)準(zhǔn)
除了IEC 61158外，IEC及ISO還制定了一些特殊行業(yè)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。
(1) 1993年ISO/TC22/SC3(公路車輛技術(shù)委員會電氣電子分委員會)發(fā)布的ISO 11898公路車輛—數(shù)字信息交換—用于高速通信的CAN以及低速標(biāo)準(zhǔn)ISO 11519。
該標(biāo)準(zhǔn)基于有名的CAN(控制器局域網(wǎng))總線，已有很多文獻(xiàn)介紹。與之相關(guān)的還有ISO 119921(公路車輛—主拖與被拖車輛之間的電氣連接—數(shù)字信息交換—卡車/拖車收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn))和ISO 11898 3(容錯收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn))兩個低速的物理接口標(biāo)準(zhǔn)ISO119921提高了發(fā)送電平，具有很高的抗電磁干擾能力，能抵御100V以上的共模射頻電壓和約6V的地電位差，可用于嚴(yán)酷的電磁環(huán)境。
ISO 11898 3的特點是具有總線管理功能和容錯性能。在總線CAN H和CAN L之一斷線、CAN H和CAN L之一對電源短路或?qū)Φ囟搪?、CAN H和CAN L相互短路及線路與終端電阻斷開時均能給出指示?？偩€在正常狀態(tài)時為差分傳輸，故障時轉(zhuǎn)為單線傳輸，故障消除后又自動轉(zhuǎn)為差分傳輸。
由于CAN沒有規(guī)定應(yīng)用層和物理接口，一些組織給它制定了不同的應(yīng)用層和物理接口標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了幾種完整的現(xiàn)場總線協(xié)議，其中比較有名的有下文提到的DeviceNet、SDS以及CANopen等。
(2) 1999年9月IEC TC9(鐵路電氣設(shè)備技術(shù)委員會)發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375列車通信網(wǎng)(TCN)[5]。
該標(biāo)準(zhǔn)定義了兩層總線：列車總線(WTB,Wire Train Bus)和多功能車輛總線(MVB,Multifunction Vehicle Bus)。
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