工業(yè)以太網在現場總線PROFIBUS控制系統(tǒng)中的應用

一、前言
　　現場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應智能現場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術，但隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領域內引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統(tǒng)的主流。
　　然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協調，其主要表現在迄今為止現場總線的通訊標準尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現場總線（FF）正在制定的國際標準［1］為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶層［2］，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業(yè)網絡中廣泛應用的以太網。
　　以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式［3］,在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表明［4］：商業(yè)以太網在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網的研究具有工程實用價值，從而產生了一種新型以太網—工業(yè)以太網。二、工業(yè)以太網的研究現狀
　　近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網的研究現狀，出現了兩個值得注意的發(fā)展方向［5］：以太網集線器和具有實時功能的以太網的協議。1、以太網集線器　　FF將以太網技術加入到H2協議中，并以它作為H2的底層協議，其網絡采用星型拓樸結構，如圖1所示。
　　圖中集線器（HUB）［6］置于網絡中心并通過以太網I/O接口掛接現場設備，其中實時現場儀表和普通現場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網I/O接口上。以太網I/O接口高速（約100 kHz）掃描所有實時現場儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。

　　通常普通控制算法在現場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經以太網集線器和以太網I/O接口傳輸到現場執(zhí)行儀表。由于實時現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，所以保證了實時數據不會產生傳輸延滯和線路阻塞。
　　集線器作為網絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸的數據包進行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數。此外智能化的集線器還可以動態(tài)檢測需要通訊的現場設備所在以太網I/O口，并為之提供數據緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現場設備的響應時間和減少數據的重發(fā)次數。集線器與其它集線器相連可實現不同網絡之間的數據共享［7］。