設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)

前言

為應(yīng)用選擇總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)至少存在兩種情況。一種情況是，工程師從一張白紙入手，可以設(shè)計(jì)出任何能夠最好滿足當(dāng)前應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)。另一種情況是，工程師必須設(shè)計(jì)出與現(xiàn)有安裝配置相兼容的網(wǎng)絡(luò)。理想情況下，所有網(wǎng)絡(luò)都相互兼容，才能實(shí)現(xiàn)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輕松轉(zhuǎn)換。但實(shí)際上不同網(wǎng)絡(luò)間的互連可能極為困難，因此我們可以先將復(fù)雜而難以解決的問(wèn)題放到一邊。這使我們能夠假定第二種情況下的網(wǎng)絡(luò)選擇是預(yù)先確定好的，因此可著重探討第一種情況。

我們?cè)趯ふ腋鞣N網(wǎng)絡(luò)選擇方案的比較方法時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一長(zhǎng)串的可能性。具體對(duì)比參數(shù)與設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)包括：

• 數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時(shí)延
• 物理互連介質(zhì)
• 噪聲抗擾度
• 誤碼率與總線故障
• 允許的互連長(zhǎng)度
• 允許掛接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量
• 添加更多節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)便性
• 功耗、成本、可靠性以及隔離要求

我們將在以下章節(jié)介紹其中一些問(wèn)題，探討為什么這些特性對(duì)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的選擇至關(guān)重要，以及做出合理的現(xiàn)場(chǎng)總線選擇需要進(jìn)行哪些權(quán)衡。我們將探究為何不存在放之四海皆準(zhǔn)的答案，以及在優(yōu)化某個(gè)參數(shù)時(shí)要對(duì)其它參數(shù)有所權(quán)衡和取舍（參見(jiàn)圖1）。

圖1: 相互關(guān)聯(lián)而又需要權(quán)衡的網(wǎng)絡(luò)需求

工業(yè)自動(dòng)化總線的選擇

下列幾方面的簡(jiǎn)短評(píng)述揭示了現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線選擇的多樣性：

4-20mA - 這種模擬電流環(huán)路網(wǎng)絡(luò)速度較慢，但較為簡(jiǎn)單。每個(gè)環(huán)路僅限一個(gè)發(fā)送器，但可設(shè)置多個(gè)接收機(jī)。模擬格式 (analog format) 會(huì)限制其提供更高級(jí)的功能，但是它仍然是廣泛用于將簡(jiǎn)單的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至中央控制器的設(shè)計(jì)。

HART - 可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道網(wǎng)絡(luò)利用調(diào)制后的信號(hào)來(lái)增強(qiáng) 4-20mA 環(huán)路。盡管數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低，但其可以傳輸數(shù)字信息。

RS-232 - 這種標(biāo)準(zhǔn)接口流行已久，現(xiàn)仍應(yīng)用于許多簡(jiǎn)單接口中，用于系統(tǒng)、診斷程序以及其他非時(shí)間關(guān)鍵型功能的初始設(shè)置。RS-232 作為單端網(wǎng)絡(luò)，作為單端網(wǎng)絡(luò)，RS-232 不具有與其他大部分采用差分信令的標(biāo)準(zhǔn)相同的噪聲抗擾度。

RS-485 - RS-485電氣規(guī)范源自 RS-232 與 RS-422，是多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括 Profibus、Interbus、Modbus 等。RS-485 的優(yōu)勢(shì)眾多，如具備卓越的噪聲抗擾度及較低的接地偏移、雙向多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力，以及合用單條總線 (party-line) 的簡(jiǎn)單性。

Interbus -Interbus 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的 RS-485 信令及全雙工操作來(lái)構(gòu)建可自適應(yīng)的雙向通信結(jié)構(gòu)。Interbus 的其他變體采用光纖或紅外介質(zhì)來(lái)傳輸信令。

Modbus - Modbus 具有多種變體，最常用的一種是以 RS-485 信令技術(shù)為基礎(chǔ)。其它實(shí)施采用以太網(wǎng)或 RS-232。除了工業(yè)自動(dòng)化外，它還可應(yīng)用于樓宇控制應(yīng)用領(lǐng)域。

Profibus DP - 基于 RS-485 信令技術(shù)的 Profibus DP（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，分散外設(shè)）是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化常用的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，尤其是在歐洲。Profibus 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相關(guān)協(xié)議、電氣層、終端、信令速率以及接地／絕緣方案。Profibus 的其他變體可用于光纖介質(zhì)、本安應(yīng)用以及馬達(dá)控制應(yīng)用。

DeviceNet - DeviceNet 標(biāo)準(zhǔn)基于 CAN 信令規(guī)范之上，其規(guī)定了電氣層特征（電壓、電流負(fù)載、終端、絕緣／接地）以及設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議要求。

ControlNet - ControlNet 具有較高的信噪比，并采用同軸介質(zhì)，是一種穩(wěn)健的相對(duì)高速的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)勢(shì)在于確定性計(jì)時(shí)、穩(wěn)定的電氣特征和易于擴(kuò)展。

工業(yè)以太網(wǎng) - 目前存在多種工業(yè)以太網(wǎng)變體，其中包括 ProfiNet、EtherCAT、Ethernet／工業(yè)協(xié)議 (IP)等。每種變體均基于針對(duì)局域網(wǎng)制定的 IEEE 802.3 帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路存取 (CSMA/CD) 標(biāo)準(zhǔn)。每種變體各不相同且難以互連；這主要是由于處理已知數(shù)據(jù)時(shí)延要求（確定性計(jì)時(shí)）的方式不同。工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域通常采用 10 Mbps（兆比特每秒）和 100 Mbps 的版本。

允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)量

自動(dòng)化應(yīng)用可能需要連接眾多傳感器、傳動(dòng)器，以及控制器和人機(jī)界面面板 (human-machine interface panel)。然而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物理層的電氣/光學(xué)特征或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的固有尋址方式會(huì)限制最高可允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以是總線型、環(huán)型、星型或其他布局形式?？偩€網(wǎng)絡(luò)（如 DeviceNet 或 Modbus）在連接的任何地方都可以添加節(jié)點(diǎn)，但是一般會(huì)限制節(jié)點(diǎn)間距。環(huán)網(wǎng)（如 Interbus）利用每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接形成封閉鏈。星型網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）允許采用層級(jí)結(jié)構(gòu) (hierarchical structure)，通過(guò)各種方式連接眾多星型結(jié)構(gòu)。環(huán)路連接（如 4-20mA）可以在一條環(huán)路中設(shè)置多個(gè)接收機(jī)，但是僅限一個(gè)發(fā)送器。