各類型現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)綜述

　　協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。數(shù)據(jù)鏈路層采用面向過程數(shù)據(jù)的傳輸方法及集總幀協(xié)議，可以傳輸循環(huán)過程數(shù)據(jù)和非循環(huán)數(shù)據(jù)，幀信息包括一個啟動信號、回送信息、數(shù)據(jù)安全/結(jié)束信息。集總幀具有非常高的傳輸效率，其效率高達52%，盡管INTERBUS通信速率為500Kbps和2Mbps，通信速度和效率很高。應用層服務用于實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換、VFD支持、變量訪問、程序調(diào)用和12個相關的服務。

　　INTERBUS總線有很強的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時也提供總線網(wǎng)絡的變結(jié)構(gòu)功能，能及時根據(jù)設計要求，關斷和連接總線的某個子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場安裝、調(diào)試、診斷和維護的有力工具。具體功能是識別和確定安裝錯誤和部件錯誤，現(xiàn)場總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時可設置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設備的參數(shù)。

　　為了提高工業(yè)網(wǎng)絡的安全性，以滿足制造業(yè)和過程工業(yè)自動化故障安全通信的要求，特別是在汽車制造業(yè)中具有安全總線的功能被放在首位。INTERBUS俱樂部從1999年開始進行INTERBUS安全總線研究，在2001年得到了德國BIA組織EN954-1 KAT.4標準的許可證明，并符合IEC61508安全通信標準。INTERBUS的安全總線由一個Safe Control控制模塊和現(xiàn)場分散式智能模塊組成，控制模塊的唯一功能就是控制安全數(shù)據(jù)。這種解決方案優(yōu)于其它方案，它將控制系統(tǒng)與安全總線的功能截然分開，控制系統(tǒng)機構(gòu)清晰簡單，不影響今后的擴展和修改，成本明顯降低。這是現(xiàn)場總線的一個發(fā)展方向。

　　9 Type9 FF H1現(xiàn)場總線

　　H1現(xiàn)場總線是由FF現(xiàn)場總線基金會負責制定的。FF基金會成員由世界著名的儀表制造商和用戶組成，其成員生產(chǎn)的變送器、DCS、執(zhí)行器、流量儀表占世界市場的90%，它們對過程控制現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡的功能需求了解透徹，在過程控制方面積累了豐富的經(jīng)驗，提出的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡架構(gòu)較為全面，其通信體系結(jié)構(gòu)如圖9所示。Type9現(xiàn)場總線是Type1現(xiàn)場總線的子集。

　　FF H1現(xiàn)場總線協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層以及考慮到現(xiàn)場裝置的控制功能和具體應用而增加的用戶層組成。H1總線支持多種傳輸媒體：雙絞線、電纜、光纜和無線媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1 900米。該總線支持總線供電和本質(zhì)安全。

　　圖9 Type9 FF H1現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)鏈路層負責實現(xiàn)鏈路活動調(diào)度、數(shù)據(jù)的接收發(fā)送、活動狀態(tài)的響應、總線上各設備間的鏈路時間同步等。這里，總線訪問控制采用鏈路活動調(diào)度器(LAS)方式，LAS擁有總線上所有設備的清單，由它負責總線段上各設備對總線的操作。

　　現(xiàn)場總線應用層由現(xiàn)場總線訪問(FAS)子層和現(xiàn)場總線報文規(guī)范(FMS)子層構(gòu)成。FAS子層提供發(fā)布者/預訂者、客戶機/服務器和報告分發(fā)三種模式的報文服務。FMS子層提供對象字典(OD)服務、變量訪問服務和事件服務等?，F(xiàn)場總線用戶層具有標準功能塊(FB)和裝置描述功能。標準規(guī)定32種功能塊，現(xiàn)場裝置使用這些功能塊完成控制策略。由于裝置描述功能包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關，所以可使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作。10 Type10 PROFI net現(xiàn)場總線

　　PNO組織于2001年8月發(fā)表了Profinet規(guī)范。Profinet將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術有機地融為一體，同時又完全保留了Profibus現(xiàn)有的開放性。

　　Profinet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)如圖10所示，從圖中看出，該方案支持開放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ牛@種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎上，優(yōu)化的通信機制還可以滿足實時通信的要求?；趯ο髴玫腄COM通信協(xié)議是通過該協(xié)議標準建立的。以對象的形式表示的Profinet組件根據(jù)對象協(xié)議交換其自動化數(shù)據(jù)。自動化對象即COM對象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線上。連接對象活動控制(ACCO)確保已組態(tài)的互相連接的設備間通信關系的建立和數(shù)據(jù)交換。傳輸本身是由事件控制的，ACCO也負責故障后的恢復，包括質(zhì)量代碼和時間標記的傳輸、連接的監(jiān)視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測試和診斷。

　　圖10 Type10 Profinet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)

　　Profibus可以通過代理服務器(Proxy)很容易地實現(xiàn)與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成，在該方案中，通過代理服務器將通用的Profibus網(wǎng)絡連接到工業(yè)以太網(wǎng);通過以太網(wǎng)TCP/IP訪問Profibus設備是由Proxy使用遠方程序調(diào)用和Microsoft DCOM進行處理的。

　　Profinet提供工程設計工具和制造商專用的編程和組態(tài)軟件，使用這種工具可以從控制器編程軟件開發(fā)的設備來創(chuàng)建基于COM的自動化對象，這種工具也將用于組態(tài)基于Profinet的自動化系統(tǒng)，使用這種獨立于制造商的對象和連接編輯器可減少15%的開發(fā)時間。

　　結(jié)語

　　10種類型現(xiàn)場總線采用完全不同的通信協(xié)議。Type1采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式;Type2 ControlNet使用CTDMA方法和Producer/Consumer模式，EtherNet/IP使用Ethernet TCP/IP協(xié)議;Type3是令牌環(huán)和主站/從站方式;Type4通信采用虛擬令牌傳遞方式;Type5采用CSMA/CD方式和Ethernet TCP/IP協(xié)議;Type6使用TDMA多路存取方式;Type7使用總線裁決方式;Type8采用整體幀協(xié)議;Type9采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式;Type10使用Ethernet TCP/IP協(xié)議。

　　從以上論述可以看出，十種類型現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議都不相同，但對Ethernet TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)技術用于H2高速現(xiàn)場總線基本達成共識，EtherNet/IP、FF HSE和Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術事實上已成為國際標準。

　　據(jù)了解，IEC61158標準的維護期為2007年12月31日，就是說在此之前不會增加新的現(xiàn)場總線，對目前標準內(nèi)的現(xiàn)場總線也不會做修改。由此可見，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和格局已經(jīng)基本確定，工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線在系統(tǒng)中的定位已經(jīng)明確，它們兩者之間的關系見表1。

　　表1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線關系

　　表中列出了當前工業(yè)以太網(wǎng)技術的4個主要競爭者，F(xiàn)F HSE、EtherNet/IP和Profinet現(xiàn)場級都有自己的現(xiàn)場總線，這種格局今后不會改變。Phoenix Contacts公司Type8 INTERBUS采用的IDA工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展很快，并將工業(yè)以太網(wǎng)延伸到現(xiàn)場I/O級，同時Modbus TCP/IP協(xié)議已被提交國際因特網(wǎng)工程特別工作組(IETF)，希望這個協(xié)議能成為工業(yè)因特網(wǎng)協(xié)議標準。為了使此項工作加速推進，Modbus組織和IDA組織于2003年10月底宣布合并。國內(nèi)也正在開展工業(yè)以太網(wǎng)的開發(fā)工作，浙大中控技術有限公司開發(fā)的EPA工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場一級，并在化工廠獲得成功試用。

　　現(xiàn)場總線的長期爭論使人們逐漸認識到，數(shù)字技術的統(tǒng)一完全不同于模擬技術，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的統(tǒng)一之路應該充分吸收Internet技術實現(xiàn)統(tǒng)一的成功經(jīng)驗，面向市場，不斷創(chuàng)新，建立一個具有互操作性的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡，最終為工業(yè)自動化創(chuàng)建一個統(tǒng)一的信息平臺。