各類型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)綜述

　　P-NET現(xiàn)場總線是一種多主站、多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖4給出了P-NET系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。總線采用分段結(jié)構(gòu)，每個總線分段上可以連接多個主站，主站之間通過接口能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上互連，它允許在幾個總線區(qū)直接尋址，無需遞階網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該總線通信協(xié)議包括1、2、3、4和7層，并利用信道機構(gòu)定義用戶層。通信采用虛擬令牌(virtual token)傳遞方式，主站發(fā)送一個請求，被尋址的從站在390μs內(nèi)立即返回一個響應(yīng)，只有存放到從站內(nèi)存中的數(shù)據(jù)才可被訪問。每個站節(jié)點都含有一個通用的單芯片微處理機，配套的2KB EPROM不僅可用作通信，而且可用于測量、標定、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用功能。P-NET接口芯片執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，第3層和第4層的功能由宿主處理器中的軟件解決。該總線物理層基于RS-485標準，使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，應(yīng)用NRZ編碼異步傳輸。

　　5 Tpye5 FF HSE現(xiàn)場總線

　　1998年，美國Fieldbus Foundation(FF)基金會決定采用高速以太網(wǎng)(High Speed Ethernet，HSE)技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，它與H1現(xiàn)場總線整合構(gòu)成信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)，圖5給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標準的以太網(wǎng)規(guī)范，并根據(jù)過程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標準的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無縫地進行操作，因而FF HSE總線可以使用當(dāng)前流行的商用(COTS)以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓撲是采用交換機形成星形連接，這種交換機具有防火墻功能，以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標準的IEEE802.3信號傳輸，標準的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備和交換機之間距離，使用雙絞線為100米，光纜可達2千米。HSE使用連接裝置(LD)連接H1子系統(tǒng)，LD執(zhí)行網(wǎng)橋功能，它允許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場設(shè)備，以完成點對點對等通信。HSE支持冗余通信，網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備都能作冗余配置。

　　FF HSE的1~4層由現(xiàn)有的以太網(wǎng)、TCP/IP和IEEE標準所定義，HSE和H1使用同樣的用戶層，現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)在H1中定義了服務(wù)接口，現(xiàn)場設(shè)備訪問代理(FDA)為HSE提供接口。用戶層規(guī)定功能模塊、設(shè)備描述(DD)、功能文件(CF)以及系統(tǒng)管理(SM)。FF規(guī)范21種功能模塊供基本的和先進的過程控制使用。FF還規(guī)定了新的柔性功能模塊(FFB)，用以進行復(fù)雜的批處理和混合控制應(yīng)用，F(xiàn)FB支持數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控，子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數(shù)據(jù)采集、PLC和其他協(xié)議通信的網(wǎng)間連接器。

　　 6 Type6 SwiftNet現(xiàn)場總線

　　Type6 SwiftNet現(xiàn)場總線由美國SHIP STAR協(xié)會主持制定，得到美國波音公司的支持，主要用于航空和航天等領(lǐng)域。該總線是一種結(jié)構(gòu)簡單、實時性高的總線，協(xié)議僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。SwiftNet現(xiàn)場總線采用分層總線式拓撲結(jié)構(gòu)，其通信體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　圖6 Type 6 SwiftNet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)

　　物理層傳送速率為5Mbps，此時每秒傳送105個不同的報文。總線使用TDMA(Slotted time division multiple access)槽路時間片多路送取方式，提供專用高速、低抖動同步通道和按要求指定的通道。專用通道適用于自動狀態(tài)數(shù)據(jù)的分配或交換;按要求指定的通道則適用于非調(diào)度報文。TDMA方式是將總線上的時間分割為相等長度間隔，稱作槽路，只有當(dāng)總線上的站分配到槽路時，它才能監(jiān)聽和發(fā)送。每個站還能根據(jù)所占的比例，協(xié)調(diào)總線訪問、數(shù)據(jù)傳輸和接收數(shù)據(jù)。

　　SwiftNet總線的節(jié)點(從站)通過I/O通道連接智能傳感器，由于航空航天領(lǐng)域?qū)鞲衅骱蛨?zhí)行器要求高，該總線開始使用符合IEEE1451.1和IEEE1451.2標準的網(wǎng)絡(luò)傳感器。IEEE1451.2《用于傳感器和執(zhí)行器的智能轉(zhuǎn)換器接口》標準是一個開放的標準，它在控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器之間定義一個標準接口，從而使網(wǎng)絡(luò)傳感器成為現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)場級的數(shù)字化傳感器，并使用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家生產(chǎn)的智能傳感器，實現(xiàn)真正意義上的即插即用。

　　7 Type7 WorldFIP現(xiàn)場總線

　　1987年成立的WorldFIP協(xié)會制定并大力推廣Type7 WorldFIP現(xiàn)場總線。WorldFIP協(xié)議是EN50170歐洲標準的第三部分，物理層采用IEC61158.2標準，其產(chǎn)品在法國占有60%市場，在歐洲占有大約25%份額，它廣泛應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸、地鐵和過程自動化領(lǐng)域。

　　WorldFIP現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)分為三級，即過程級、控制級和監(jiān)控級。它能滿足用戶各種需要，適合于各種類型的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，集中型、分散型和主站/從站型。用單一的WorldFIP總線滿足過程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動系統(tǒng)的需要。為了適應(yīng)低成本的要求，開發(fā)了低成本的Device WorldFIP(DWF)總線，它是設(shè)備一級網(wǎng)絡(luò)，能很好適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種惡劣環(huán)境，并具有本質(zhì)安全防爆性能，可以實現(xiàn)多主站與從主站的通信。

　　圖7 Type7 WroldFIP現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)

　　WorldFIP協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層組成。數(shù)據(jù)鏈路層采用總線裁決方式，在任何一個給定瞬間，僅有一個站可以執(zhí)行總線裁決功能，它使用一個ID-DAT幀在總線上廣播一個標識，連接到總線上所有站的鏈路層同時記錄ID-DAT幀，僅有一站被識別為標識的生產(chǎn)者，其它站僅作為使用者。應(yīng)用層提供MPS和SubMMS服務(wù)，MPS是工廠周期/非周期服務(wù)，SubMMS則是工業(yè)報文的子集。

　　8 Type8 Interbus現(xiàn)場總線

　　Type8 Interbus現(xiàn)場總線由德國Phoenix Contact 公司開發(fā)，Interbus Club俱樂部支持。Interbus在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商，提供2500多種產(chǎn)品，到目前為止，Interbus在全球自動化領(lǐng)域已有50多萬套應(yīng)用系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

　　Interbus現(xiàn)場總線是一種開放的串行總線，可以構(gòu)成各種拓撲形式，并允許有16級嵌套連接方式。該總線最多可掛512個現(xiàn)場設(shè)備，設(shè)備之間的最大距離400米，無需中繼器網(wǎng)絡(luò)的最大距離為12.8公里。Interbus總線包括遠程總線和本地總線，遠程總線用于遠距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡(luò)本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。Interbus有自己獨特的環(huán)路結(jié)構(gòu)，環(huán)路使用標準電纜同時傳送數(shù)據(jù)和電源。環(huán)路可以連接模擬、數(shù)字設(shè)備甚至復(fù)雜的傳感器/執(zhí)行器，也允許直接接入智能終端儀表。

　　圖8 Type8 Interbus現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)