應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線需注意的問題及以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線中的應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
（１０）要密切注意現(xiàn)場(chǎng)總線及其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展
現(xiàn)場(chǎng)總線目前雖然已有１２種國際標(biāo)準(zhǔn)，但它在繼續(xù)發(fā)展或改進(jìn)。世界上較大的企業(yè)都在致力于現(xiàn)場(chǎng)總線的研究，并不斷地對(duì)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行改進(jìn)。如將以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線，由于以太網(wǎng)過去僅適用于辦公室自動(dòng)化，如今要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還有不少難題尚待去解決，如要滿足工業(yè)控制要求的實(shí)時(shí)性，工業(yè)環(huán)境下的抗電磁干擾性、抗震性、耐高溫性、耐高濕性、防塵性和需向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的問題以及危險(xiǎn)時(shí)所要求的防爆性等，問題雖然不少，但全世界大型企業(yè)都在進(jìn)行研究。所以我們要時(shí)刻搜集最前沿的信息，跟上現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展進(jìn)程，及時(shí)對(duì)我們的工作做出部署。
（１１）一專多能
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是控制、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合，牽涉到三個(gè)不同的學(xué)科另外熟悉工業(yè)控制過程和某些行業(yè)工藝過程的制造廠結(jié)合信息技術(shù)以后，推出了ＥＩＣ集成化系統(tǒng)、ＡＰＣ先進(jìn)過程控制系統(tǒng)等產(chǎn)品，同時(shí)一些計(jì)算機(jī)制造公司與一些軟件公司則借其長于信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)千方百計(jì)地往下滲透，推出了基于ＰＣＰＣ ｂａｓｅｄ的控制系統(tǒng)、軟ＰＬＣｓｏｆｔ ＰＬＣ和虛擬儀表等。這一上一下的兩種趨勢(shì)必然會(huì)在企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)有一個(gè)交匯點(diǎn)，而這個(gè)交匯點(diǎn)處于動(dòng)態(tài)變化之中，要掌握這個(gè)交匯點(diǎn)是重要的，但也是很不容易的，因?yàn)楸仨毩私怆娍?、儀控、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，而在應(yīng)用時(shí)還須熟悉生產(chǎn)對(duì)象的工藝過程和對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和管理技術(shù)。所以我們必須盡可能的來了解更多的知識(shí)和應(yīng)用，盡可能的達(dá)到一專多能。
５ 以太網(wǎng)及其通信特點(diǎn)
以太網(wǎng)Ｅｔｈｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)最初出現(xiàn)于１９７５年。目前主要有快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，還有千兆以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。以太網(wǎng)以前主要應(yīng)用于辦公自動(dòng)化，在現(xiàn)場(chǎng)總線中的應(yīng)用還不多。以太網(wǎng)的主要通信特點(diǎn)是隨機(jī)接人、載波偵聽、碰撞檢測(cè)和沖突競(jìng)爭(zhēng)。目前通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)ＩＥＥＥ８０２．３使用了ＣＳＭＡ／ＣＤ帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接人傳輸協(xié)議。根據(jù)該傳輸協(xié)議，任何需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)首先要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)監(jiān)聽，網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中繼續(xù)監(jiān)聽，檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)立即停止發(fā)送并發(fā)出一個(gè)強(qiáng)化沖突的干擾信號(hào)，通知所有節(jié)點(diǎn)此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生沖突，此時(shí)沖突各方主動(dòng)退避隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)沖突主要有兩個(gè)來源其一是網(wǎng)絡(luò)空閑多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)造成的沖突其二是節(jié)點(diǎn)傳輸延遲造成的沖突。因此，工業(yè)控制中采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)時(shí)將不可避免地造成沖突。這種沖突隨著通信負(fù)荷的上升而急劇增加，而在低負(fù)荷下則很少。更為嚴(yán)重的是，從純理論角度講標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)有可能出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，即某些節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)可能得不到傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)還具有傳輸不確定性的特點(diǎn)，即任何變量都不能完全確保在合適時(shí)間內(nèi)發(fā)送成功。除此之外，為了分辨無效幀，以太網(wǎng)還有可能造成帶寬浪費(fèi)不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求；不具備本質(zhì)安全性能；不能通過信號(hào)線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電等缺陷，因此以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域方面的應(yīng)用很有限。
６ 交換式以太網(wǎng)及其發(fā)展
交換式以太網(wǎng)是根據(jù)提高以太網(wǎng)的傳輸效率，盡可能的減少總線競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)思想開發(fā)出來的新型以太網(wǎng)。它采用星形布線方式，所有節(jié)點(diǎn)都分別連接到一個(gè)交換式集線器的端口上，交換式集線器內(nèi)置一個(gè)復(fù)雜的交換陣列，任何兩個(gè)端口之間都可以建立起一個(gè)傳輸信道，以標(biāo)稱傳輸速度、傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是不存在總線競(jìng)爭(zhēng)，能顯著的提高系統(tǒng)的傳輸效率。缺點(diǎn)是不易控制最大傳輸時(shí)延。為了促進(jìn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，并積極開展了工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。為解決以太網(wǎng)在無間斷過程工業(yè)領(lǐng)域的極端條件下穩(wěn)定工作，世界上一些大型企業(yè)專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器系列、集線器系列和交換機(jī)系列，它們安裝在標(biāo)準(zhǔn)ＤＩＮ導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電接插件采用牢固的ＤＢ一９結(jié)構(gòu)。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)必須在確定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地，此即所謂網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間確定性。如ＰＩＤ調(diào)節(jié)器通過網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場(chǎng)變送器收集數(shù)據(jù)進(jìn)行ＰＩＤ運(yùn)算，為了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)ＰＲ調(diào)節(jié)，各調(diào)節(jié)回路需要有非常一致的采樣時(shí)間，而且這些時(shí)間必須是確定的。對(duì)于這樣的實(shí)時(shí)控制，通常要求網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲小于２～４ｍｓ。長時(shí)間的通信將惡化對(duì)象特性，使控制系統(tǒng)品質(zhì)下降。由于以太網(wǎng)時(shí)間的不確定性，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線采用一種稱作連接裝置Ｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ的類似帶有開關(guān)的集線器結(jié)構(gòu)，很好地解決了以太網(wǎng)的時(shí)間確定性問題。
美國電氣工程師協(xié)會(huì)ＩＥＥＥ正著手制定現(xiàn)場(chǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)能夠使網(wǎng)絡(luò)直接“看到”對(duì)象ｏｂｊｅｃｔ。這為以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)打下了基礎(chǔ)。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)如ＰｒｏｆｉｂｕｓＤｅｖｉｃｅＮｅｔ Ｃｏｎｔｍｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都打算使用以太網(wǎng)。一些大公司正在研究通過一種稱作管道ｔｕｎｎｅｌ的簡(jiǎn)單傳遞機(jī)構(gòu)使用以太網(wǎng)絡(luò)傳送報(bào)文。這種方法簡(jiǎn)單可行，現(xiàn)場(chǎng)裝置保持不變，僅需要一個(gè)專用的以太網(wǎng)絡(luò)接口取代原來的總線驅(qū)動(dòng)器就可完成與以太網(wǎng)的連接。過去，一些生產(chǎn)ＰＬＣ為主的公司都使用以太網(wǎng)完成信息級(jí)通信，其中西門子公司的ＳＬＭＡＴＩＣ ＮＥＴ則將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到車間級(jí)，該公司有著將工業(yè)以太網(wǎng)向下層通信應(yīng)用的趨勢(shì)。此外，生產(chǎn)ＤＣＳ公司的投入促進(jìn)了將以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于過程自動(dòng)化的監(jiān)控級(jí)，如Ｆｏｘｂｏｒｏ公司將以太網(wǎng)用于Ｍｏｄｂｕｓ。由此可以預(yù)見，像當(dāng)年代機(jī)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域一樣，以太網(wǎng)／ＩＰ將會(huì)十分迅速地進(jìn)人工業(yè)控制系統(tǒng)的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)。
７ 以太網(wǎng)通信的發(fā)展ＩＰｖ６簡(jiǎn)介
互聯(lián)網(wǎng)使用初期制定的ＩＰ地址方案ＩＰｖ４由四組數(shù)據(jù)組成。隨著以太網(wǎng)／ＩＰ的通信在工控和管理的應(yīng)用，將引起ＩＰ地址的重復(fù)或不足。為解決ＩＰ地址“升位”的問題，ＩＥＥＥ在９０年代早期開始了一些嘗試，第一個(gè)成果是在１９９５年出版的ＲＦＣ１７５２ ＲＦＣ Ｒｅｑｕｅｓｔｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｅｎｔｓ，描述了稱為下一代ＦＰ ＬＰ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＩＰＮＧ的要求，并在一些輔助性文件中描述了新協(xié)議的報(bào)頭、路由、地址以及安全性方面的特征。以后出現(xiàn)了更多的ＲＦＣ，例如ＲＦＣ１８８３，并且該協(xié)議已被官方重新命名為“Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協(xié)議版本６″Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｖｅｒｓｉｏｎ ６ＩＰｖ６。
在ＩＰｖ６上增加的內(nèi)容中值得關(guān)注的幾點(diǎn)是
１它提供更大的地址空間ＩＰｖ６地址有１２８字節(jié)長；
２它通過路由器提供更快的ＩＰｖ６報(bào)頭處理，并且報(bào)頭也變長了ＩＰＡ是２０節(jié)，ＩＰｖ６是４０字節(jié)。大多數(shù)不用路由器處理的選項(xiàng)被移入單獨(dú)的擴(kuò)展報(bào)頭中；
３它定義了ＬＰ數(shù)據(jù)包提供身份驗(yàn)證、保密集成的機(jī)制。
它為應(yīng)用程序提供了一種標(biāo)記ＩＰ數(shù)據(jù)包的方法，該數(shù)據(jù)包需要特殊處理。使用此版本的典型應(yīng)用程序包括多媒體應(yīng)用程序和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。ＩＰｖ６地址的長度為１２８一個(gè)節(jié)點(diǎn)能有多個(gè)接口因此就有多個(gè)ＩＰ地址。一個(gè)接口也能有多個(gè)ＩＰ地址。ＩＭ 提供的地址類型有三種單點(diǎn)傳送地址、多點(diǎn)傳送地址和任意點(diǎn)傳送地址。ＩＰｖ６為動(dòng)態(tài)ＩＰ分配提供了兩種機(jī)制：一種與“動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議”相似，在這種機(jī)制中，客戶向配置服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器從預(yù)配置池中取出一個(gè)值賦給它，也把這種方法稱為 “用狀態(tài)配置”。服務(wù)器保持狀態(tài)信息并在限定的時(shí)間內(nèi)把地址租給用戶，用戶能夠重新租用地址，如果有足夠的地址，客戶將分配到與上次相同的地址。第二種機(jī)制是一個(gè)“無狀態(tài)”機(jī)制。在這種機(jī)制下，客戶通過使用像“以太網(wǎng)”卡地址這樣的標(biāo)識(shí)符來生成ＩＰ地址。一個(gè)ＩＭ主機(jī)可能沒有代碼來分辨地址類型。另一方面，一個(gè)ＩＰｖ６路由器可能完全理解不同的地址類型，并且根據(jù)不同的地址類型采取不同的行動(dòng)。
總之通過認(rèn)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用應(yīng)注意的問題，并理解以太網(wǎng)通信原理，相信我們可以很好地將現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)結(jié)合起來，更好的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中。
參考文獻(xiàn)：
１ 陽憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用． 北京：清華大學(xué)出版社，１９９９．
２美布雷耶． 交換式以太網(wǎng)和快速性以太網(wǎng)． 電子工業(yè)出版社，１９９６．
３美布雷耶． 新型交換式以太網(wǎng)和快速性以太網(wǎng)． 電子工業(yè)出版社，１９９２．
評(píng)論