十種類型現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu)綜述

　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)15年的爭(zhēng)論，IEC61158用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)于2000年初終于獲得通過(guò)，現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)逐漸隨之退潮，IEC/SC65C/WG6現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)到此也完成了歷史使命。為了進(jìn)一步完善IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，IEC/SC65C成立了MT9現(xiàn)場(chǎng)總線修訂小組，繼續(xù)這方面的工作。MT9工作組在原來(lái)8種類型現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上不斷完善擴(kuò)充，于2001年8月制定出由10種類型現(xiàn)場(chǎng)總線組成的第三版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它們是：Type1 TS61158 現(xiàn)場(chǎng)總線、Type2 ControlNet和 EtherNet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線、Type3 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、Type4 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線、Type5 FF HSE現(xiàn)場(chǎng)總線、Type6 Swift-Net 現(xiàn)場(chǎng)總線、Type7 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線、Type8 Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線、Type9 FFH1現(xiàn)場(chǎng)總線以及Type10 Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線，該標(biāo)準(zhǔn)于2003年4月成為正式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。限于篇幅，本文對(duì)10種類型總線做概要論述，并簡(jiǎn)單綜述上述總線近三年來(lái)的最新進(jìn)展。

　　1 Type1 TS61158 現(xiàn)場(chǎng)總線

　　Type1 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)由以下部分構(gòu)成：

　　PhL：IEC61158-2：1993標(biāo)準(zhǔn)的超集（Superset）；

　　Foundation Fieldbus的超集；

　　WorldFIP的功能超集；

　　DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4；

　　Foundation Fieldbus的超集；

　　WorldFIP的功能超集；

　　AL：IEC TS61158-5，TS61158-6。

　　1998年之前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線，該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術(shù)，并嚴(yán)格按照IEC定義制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，由于各種原因，經(jīng)過(guò)多輪投票未獲通過(guò)，只能按規(guī)定成為技術(shù)報(bào)告TS61158，以此為基礎(chǔ)形成了現(xiàn)在的Type1現(xiàn)場(chǎng)總線。國(guó)際電工委員會(huì)推薦的通用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可以支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，用于過(guò)程控制傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級(jí)通信，可以與工廠自動(dòng)化的PLC實(shí)現(xiàn)互連。在這里，H1現(xiàn)場(chǎng)總線主要用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，其速率為31.25Kbps，負(fù)責(zé)兩線制向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電，并能支持帶總線供電設(shè)備的本質(zhì)安全；H2現(xiàn)場(chǎng)總線主要面向過(guò)程控制級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)和高速工廠自動(dòng)化的應(yīng)用，其速率為1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。

圖1 通用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　2 Type2 ControlNet和EtherNet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線

　　由ControlNet International(CI)組織負(fù)責(zé)制定的Type2現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)由以下部分組成：

　　PhL和DLL：ControlNet；

　　AL：Control Net和EtherNet/IP。

　　Type2現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。ControlNet采用一種新的通信模式，即生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)，同時(shí)從單個(gè)數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)，其主要特點(diǎn)是增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，提高了效率和實(shí)現(xiàn)精確的同步。網(wǎng)絡(luò)的媒體送取，通過(guò)限制時(shí)間存取算法來(lái)控制，即采用并行時(shí)間域多路存?。–TDMA）方法，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新間隔（NUI）內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的傳送信息機(jī)會(huì)。

圖2 Type2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　EtherNet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議是一種開(kāi)放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它使用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)品混合使用。該協(xié)議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協(xié)議（CIP），提供一個(gè)公共的應(yīng)用層。CIP的控制部分用于實(shí)時(shí)I/O報(bào)文，其信息部分用于報(bào)文交換。ControlNet和EtherNet/IP都使用該協(xié)議通信，分享相同的對(duì)象庫(kù)、對(duì)象和設(shè)備行規(guī)，使得多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備能在上述整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)即插即用。對(duì)象的定義是嚴(yán)格的，在同一種網(wǎng)絡(luò)上支持實(shí)時(shí)報(bào)文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能，ODVA（開(kāi)放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)）于2003年8月公布了IEEE1588“用于EtherNet/IP實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的時(shí)鐘同步”標(biāo)準(zhǔn)。

　　3 Type3 Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線

　　Type3 現(xiàn)場(chǎng)總線得到Profibus用戶組織PNO的支持，德國(guó)西門(mén)子公司則是Profibus產(chǎn)品的主要供應(yīng)商。Profibus系列由三個(gè)兼容部分組成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三條總線構(gòu)成。為了提高Profibus總線性能，近幾年P(guān)NO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，同時(shí)逐步取消Profibus-FMS總線。擴(kuò)展的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，Profibus-DP特別適用于設(shè)備級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，它能夠?qū)⒆兯推骱蛨?zhí)行器連接到一根公共總線，使用兩根線就可以完成供電和數(shù)據(jù)通信，并能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全性能。以此為基礎(chǔ)，擴(kuò)展的DP功能DPV1進(jìn)一步完善了Profibus-PA功能；DPV2解決了從站之間的通信與時(shí)間同步等重大問(wèn)題。

圖3 Type3 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)

　　Profibus-DPV1主要是增加了非循環(huán)服務(wù)，并擴(kuò)大了與2類主站的通信。眾所周知，Profibus-DP性能的特征是在循環(huán)連接（Mscy-C1）的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)據(jù)交換服務(wù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)主站和一系列從站之間集中的數(shù)據(jù)交換。1類主站指PLC、PC或控制器。2類主站指操作員站和編程器等。DPV1擴(kuò)展了上述功能，在已有的Mscy-C1連接基礎(chǔ)上，增加了非循環(huán)服務(wù)，利用新的服務(wù)可以對(duì)從站中任何數(shù)據(jù)組進(jìn)行讀寫(xiě)。過(guò)去，2類主站只能利用DP從站的無(wú)連接服務(wù)，現(xiàn)在則可通過(guò)面向連接的通信對(duì)數(shù)組進(jìn)行非循環(huán)讀寫(xiě)，同時(shí)為進(jìn)入因特網(wǎng)通信擴(kuò)充了功能。

　　Profibus-DPV2可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)通信、非循環(huán)通信以及從站之間的通信。由于從站之間可直接通信，通信時(shí)間縮短1個(gè)DP總線周期和主站周期，從而使反應(yīng)時(shí)間縮短60%至90%，同時(shí)建立了等時(shí)間間隔的總線循環(huán)周期，其時(shí)間偏差小于1μs，即適用于高精度定位控制，又可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。DPV2可根據(jù)不同的應(yīng)用需要開(kāi)發(fā)專用行規(guī)（profile），如用于運(yùn)動(dòng)控制的ProfiDrive和用于聯(lián)鎖保護(hù)的Profisafe等。

　　4 Type4 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線

　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線由丹麥Process-Data Sikebory Aps公司從1983年開(kāi)始開(kāi)發(fā)，主要應(yīng)用于啤酒、食品、農(nóng)業(yè)和飼養(yǎng)業(yè)，它得到P-NET用戶組織的支持，在現(xiàn)場(chǎng)大約有5000多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖4 Type4 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)

　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)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(gè)總線分段上可以連接多個(gè)主站，主站之間通過(guò)接口能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上互連，它允許在幾個(gè)總線區(qū)直接尋址，無(wú)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(jī)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(gè)請(qǐng)求，被尋址的從站在390μs內(nèi)立即返回一個(gè)響應(yīng)，只有存放到從站內(nèi)存中的數(shù)據(jù)才可被訪問(wèn)。每個(gè)站節(jié)點(diǎn)都含有一個(gè)通用的單芯片微處理機(jī)，配套的2KB EPROM不僅可用作通信，而且可用于測(cè)量、標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(chǎng)總線

　　1998年，美國(guó)Fieldbus Foundation（FF）基金會(huì)決定采用高速以太網(wǎng)（High Speed Ethernet，HSE）技術(shù)開(kāi)發(fā)H2現(xiàn)場(chǎng)總線，作為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)控制級(jí)以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，它與H1現(xiàn)場(chǎng)總線整合構(gòu)成信息集成開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范，并根據(jù)過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無(wú)縫地進(jìn)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?fù)涫遣捎媒粨Q機(jī)形成星形連接，這種交換機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3信號(hào)傳輸，標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備和交換機(jī)之間距離，使用雙絞線為100米，光纜可達(dá)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(chǎng)設(shè)備，以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)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。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　FF HSE的1~4層由現(xiàn)有的以太網(wǎng)、TCP/IP和IEEE標(biāo)準(zhǔn)所定義，HSE和H1使用同樣的用戶層，現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（FMS）在H1中定義了服務(wù)接口，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問(wèn)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(jìn)的過(guò)程控制使用。FF還規(guī)定了新的柔性功能模塊（FFB），用以進(jìn)行復(fù)雜的批處理和混合控制應(yīng)用，F(xiàn)FB支持?jǐn)?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(chǎng)總線

　　Type6 SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線由美國(guó)SHIP STAR協(xié)會(huì)主持制定，得到美國(guó)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(jiǎn)單、實(shí)時(shí)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(chǎng)總線采用分層總線式拓?fù)浣Y(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(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)

　　物理層傳送速率為5Mbps，此時(shí)每秒傳送105個(gè)不同的報(bào)文?？偩€使用TDMA（Slotted time division multiple access）槽路時(shí)間片多路送取方式，提供專用高速、低抖動(dòng)同步通道和按要求指定的通道。專用通道適用于自動(dòng)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(bào)文。TDMA方式是將總線上的時(shí)間分割為相等長(zhǎng)度間隔，稱作槽路，只有當(dāng)總線上的站分配到槽路時(shí)，它才能*和發(fā)送。每個(gè)站還能根據(jù)所占的比例，協(xié)調(diào)總線訪問(wèn)、數(shù)據(jù)傳輸和接收數(shù)據(jù)。

　　SwiftNet總線的節(jié)點(diǎn)（從站）通過(guò)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(kāi)始使用符合IEEE1451.1和IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，它在控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器之間定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，從而使網(wǎng)絡(luò)傳感器成為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(shí)現(xiàn)真正意義上的即插即用。

　　7 Type7 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線

　　1987年成立的WorldFIP協(xié)會(huì)制定并大力推廣Type7 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線。WorldFIP協(xié)議是EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)的第三部分，物理層采用IEC61158.2標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品在法國(guó)占有60%市場(chǎng)，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(dòng)化、鐵路運(yùn)輸、地鐵和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域。

　　WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)分為三級(jí)，即過(guò)程級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。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(guò)程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要。為了適應(yīng)低成本的要求，開(kāi)發(fā)了低成本的Device WorldFIP（DWF）總線，它是設(shè)備一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，能很好適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣環(huán)境，并具有本質(zhì)安全防爆性能，可以實(shí)現(xiàn)多主站與從主站的通信。

　圖7 Type7 WroldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(gè)給定瞬間，僅有一個(gè)站可以執(zhí)行總線裁決功能，它使用一個(gè)ID-DAT幀在總線上廣播一個(gè)標(biāo)識(shí)，連接到總線上所有站的鏈路層同時(shí)記錄ID-DAT幀，僅有一站被識(shí)別為標(biāo)識(shí)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(bào)文的子集。

　　8 Type8 Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線

　　Type8 Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線由德國(guó)Phoenix Contact 公司開(kāi)發(fā)，Interbus Club俱樂(lè)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(dòng)化領(lǐng)域已有50多萬(wàn)套應(yīng)用系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

　　Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開(kāi)放的串行總線，可以構(gòu)成各種拓?fù)湫问?，并允許有16級(jí)嵌套連接方式。該總線最多可掛512個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，設(shè)備之間的最大距離400米，無(wú)需中繼器網(wǎng)絡(luò)的最大距離為12.8公里。Interbus總線包括遠(yuǎn)程總線和本地總線，遠(yuǎn)程總線用于遠(yuǎn)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(dú)特的環(huán)路結(jié)構(gòu)，環(huán)路使用標(biāo)準(zhǔn)電纜同時(shí)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(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)

　　協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層采用面向過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)和非循環(huán)數(shù)據(jù)，幀信息包括一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)、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(dá)52%，盡管INTERBUS通信速率為500Kbps和2Mbps，通信速度和效率很高。應(yīng)用層服務(wù)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、VFD支持、變量訪問(wèn)、程序調(diào)用和12個(gè)相關(guān)的服務(wù)。

　　INTERBUS總線有很強(qiáng)的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也提供總線網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)功能，能及時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，關(guān)斷和連接總線的某個(gè)子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、診斷和維護(hù)的有力工具。具體功能是識(shí)別和確定安裝錯(cuò)誤和部件錯(cuò)誤，現(xiàn)場(chǎng)總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時(shí)可設(shè)置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設(shè)備的參數(shù)。

　　為了提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性，以滿足制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化故障安全通信的要求，特別是在汽車(chē)制造業(yè)中具有安全總線的功能被放在首位。INTERBUS俱樂(lè)部從1999年開(kāi)始進(jìn)行INTERBUS安全總線研究，在2001年得到了德國(guó)BIA組織EN954-1 KAT.4標(biāo)準(zhǔn)的許可證明，并符合IEC61508安全通信標(biāo)準(zhǔn)。INTERBUS的安全總線由一個(gè)Safe Control控制模塊和現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)，控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，不影響今后的擴(kuò)展和修改，成本明顯降低。這是現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)發(fā)展方向。

　　9 Type9 FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線

　　H1現(xiàn)場(chǎng)總線是由FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)負(fù)責(zé)制定的。FF基金會(huì)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?jī)x表占世界市場(chǎng)的90%，它們對(duì)過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，在過(guò)程控制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，提出的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)總線是Type1現(xiàn)場(chǎng)總線的子集。

圖9 通信體系結(jié)構(gòu)

　　FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及考慮到現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制功能和具體應(yīng)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(wú)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。

　　數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)鏈路活動(dòng)調(diào)度、數(shù)據(jù)的接收發(fā)送、活動(dòng)狀態(tài)的響應(yīng)、總線上各設(shè)備間的鏈路時(shí)間同步等。這里，總線訪問(wèn)控制采用鏈路活動(dòng)調(diào)度器（LAS）方式，LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它負(fù)責(zé)總線段上各設(shè)備對(duì)總線的操作。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層由現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)（FAS）子層和現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范(FMS)子層構(gòu)成。FAS子層提供發(fā)布者/預(yù)訂者、客戶機(jī)/服務(wù)器和報(bào)告分發(fā)三種模式的報(bào)文服務(wù)。FMS子層提供對(duì)象字典（OD）服務(wù)、變量訪問(wèn)服務(wù)和事件服務(wù)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線用戶層具有標(biāo)準(zhǔn)功能塊（FB）和裝置描述功能。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定32種功能塊，現(xiàn)場(chǎng)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(wú)關(guān)，所以可使現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作。

　　10 Type10 PROFI net現(xiàn)場(chǎng)總線

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

　　Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)如圖10所示，從圖中看出，該方案支持開(kāi)放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?，這種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎(chǔ)上，優(yōu)化的通信機(jī)制還可以滿足實(shí)時(shí)通信的要求。基于對(duì)象應(yīng)用的DCOM通信協(xié)議是通過(guò)該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立的。以對(duì)象的形式表示的Profinet組件根據(jù)對(duì)象協(xié)議交換其自動(dòng)化數(shù)據(jù)。自動(dòng)化對(duì)象即COM對(duì)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(duì)象活動(dòng)控制（ACCO）確保已組態(tài)的互相連接的設(shè)備間通信關(guān)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(fù)責(zé)故障后的恢復(fù)，包括質(zhì)量代碼和時(shí)間標(biāo)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(cè)試和診斷。

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

　　Profibus可以通過(guò)代理服務(wù)器(Proxy)很容易地實(shí)現(xiàn)與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的集成，在該方案中，通過(guò)代理服務(wù)器將通用的Profibus網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)以太網(wǎng)；通過(guò)以太網(wǎng)TCP/IP訪問(wèn)Profibus設(shè)備是由Proxy使用遠(yuǎn)方程序調(diào)用和Microsoft DCOM進(jìn)行處理的。

　　Profinet提供工程設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)的設(shè)備來(lái)創(chuàng)建基于COM的自動(dòng)化對(duì)象，這種工具也將用于組態(tài)基于Profinet的自動(dòng)化系統(tǒng)，使用這種獨(dú)立于制造商的對(duì)象和連接編輯器可減少15%的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　結(jié)語(yǔ)

　　10種類型現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議都不相同，但對(duì)Ethernet TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線基本達(dá)成共識(shí)，EtherNet/IP、FF HSE和Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)事實(shí)上已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　據(jù)了解，IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)期為2007年12月31日，就是說(shuō)在此之前不會(huì)增加新的現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)目前標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線也不會(huì)做修改。由此可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線在系統(tǒng)中的定位已經(jīng)明確，它們兩者之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線關(guān)系

　　表中列出了當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的4個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者，F(xiàn)F HSE、EtherNet/IP和Profinet現(xiàn)場(chǎng)級(jí)都有自己的現(xiàn)場(chǎng)總線，這種格局今后不會(huì)改變。Phoenix Contacts公司Type8 INTERBUS采用的IDA工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展很快，并將工業(yè)以太網(wǎng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)I/O級(jí)，同時(shí)Modbus TCP/IP協(xié)議已被提交國(guó)際因特網(wǎng)工程特別工作組（IETF），希望這個(gè)協(xié)議能成為工業(yè)因特網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。為了使此項(xiàng)工作加速推進(jìn)，Modbus組織和IDA組織于2003年10月底宣布合并。國(guó)內(nèi)也正在開(kāi)展工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)工作，浙大中控技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的EPA工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)，并在化工廠獲得成功試用。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線的長(zhǎng)期爭(zhēng)論使人們逐漸認(rèn)識(shí)到，數(shù)字技術(shù)的統(tǒng)一完全不同于模擬技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的統(tǒng)一之路應(yīng)該充分吸收Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的成功經(jīng)驗(yàn)，面向市場(chǎng)，不斷創(chuàng)新，建立一個(gè)具有互操作性的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，最終為工業(yè)自動(dòng)化創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的信息平臺(tái)。