設計用于自動化的工業(yè)現場總線網絡

前言

為應用選擇總線網絡時至少存在兩種情況。一種情況是，工程師從一張白紙入手，可以設計出任何能夠最好滿足當前應用需求的網絡。另一種情況是，工程師必須設計出與現有安裝配置相兼容的網絡。理想情況下，所有網絡都相互兼容，才能實現從一個網絡到另一個網絡的輕松轉換。但實際上不同網絡間的互連可能極為困難，因此我們可以先將復雜而難以解決的問題放到一邊。這使我們能夠假定第二種情況下的網絡選擇是預先確定好的，因此可著重探討第一種情況。

我們在尋找各種網絡選擇方案的比較方法時，發(fā)現了一長串的可能性。具體對比參數與設計考慮事項包括：

• 數據速率與數據時延
• 物理互連介質
• 噪聲抗擾度
• 誤碼率與總線故障
• 允許的互連長度
• 允許掛接的網絡節(jié)點數量
• 添加更多節(jié)點的簡便性
• 功耗、成本、可靠性以及隔離要求

我們將在以下章節(jié)介紹其中一些問題，探討為什么這些特性對自動化網絡的選擇至關重要，以及做出合理的現場總線選擇需要進行哪些權衡。我們將探究為何不存在放之四海皆準的答案，以及在優(yōu)化某個參數時要對其它參數有所權衡和取舍（參見圖1）。

圖1: 相互關聯(lián)而又需要權衡的網絡需求

工業(yè)自動化總線的選擇

下列幾方面的簡短評述揭示了現有現場總線選擇的多樣性：

4-20mA - 這種模擬電流環(huán)路網絡速度較慢，但較為簡單。每個環(huán)路僅限一個發(fā)送器，但可設置多個接收機。模擬格式 (analog format) 會限制其提供更高級的功能，但是它仍然是廣泛用于將簡單的傳感器測量數據傳輸至中央控制器的設計。

HART - 可尋址遠程傳感器高速通道網絡利用調制后的信號來增強 4-20mA 環(huán)路。盡管數據速率相對較低，但其可以傳輸數字信息。

RS-232 - 這種標準接口流行已久，現仍應用于許多簡單接口中，用于系統(tǒng)、診斷程序以及其他非時間關鍵型功能的初始設置。RS-232 作為單端網絡，作為單端網絡，RS-232 不具有與其他大部分采用差分信令的標準相同的噪聲抗擾度。

RS-485 - RS-485電氣規(guī)范源自 RS-232 與 RS-422，是多種工業(yè)網絡標準的基礎，這些標準包括 Profibus、Interbus、Modbus 等。RS-485 的優(yōu)勢眾多，如具備卓越的噪聲抗擾度及較低的接地偏移、雙向多點驅動能力，以及合用單條總線 (party-line) 的簡單性。

Interbus -Interbus 環(huán)形網絡通過點對點連接的 RS-485 信令及全雙工操作來構建可自適應的雙向通信結構。Interbus 的其他變體采用光纖或紅外介質來傳輸信令。

Modbus - Modbus 具有多種變體，最常用的一種是以 RS-485 信令技術為基礎。其它實施采用以太網或 RS-232。除了工業(yè)自動化外，它還可應用于樓宇控制應用領域。

Profibus DP - 基于 RS-485 信令技術的 Profibus DP（過程現場總線，分散外設）是實現工廠自動化常用的現場總線網絡，尤其是在歐洲。Profibus 標準規(guī)定了相關協(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、本安應用以及馬達控制應用。

DeviceNet - DeviceNet 標準基于 CAN 信令規(guī)范之上，其規(guī)定了電氣層特征（電壓、電流負載、終端、絕緣／接地）以及設備級網絡的協(xié)議要求。

ControlNet - ControlNet 具有較高的信噪比，并采用同軸介質，是一種穩(wěn)健的相對高速的工業(yè)網絡。其優(yōu)勢在于確定性計時、穩(wěn)定的電氣特征和易于擴展。

工業(yè)以太網 - 目前存在多種工業(yè)以太網變體，其中包括 ProfiNet、EtherCAT、Ethernet／工業(yè)協(xié)議 (IP)等。每種變體均基于針對局域網制定的 IEEE 802.3 帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取 (CSMA/CD) 標準。每種變體各不相同且難以互連；這主要是由于處理已知數據時延要求（確定性計時）的方式不同。工業(yè)自動化應用領域通常采用 10 Mbps（兆比特每秒）和 100 Mbps 的版本。

允許的節(jié)點數量

自動化應用可能需要連接眾多傳感器、傳動器，以及控制器和人機界面面板 (human-machine interface panel)。然而系統(tǒng)結構、物理層的電氣/光學特征或者網絡協(xié)議的固有尋址方式會限制最高可允許的節(jié)點數量。

網絡架構可以是總線型、環(huán)型、星型或其他布局形式?？偩€網絡（如 DeviceNet 或 Modbus）在連接的任何地方都可以添加節(jié)點，但是一般會限制節(jié)點間距。環(huán)網（如 Interbus）利用每兩個相鄰節(jié)點之間的點對點鏈接形成封閉鏈。星型網絡（如以太網）允許采用層級結構 (hierarchical structure)，通過各種方式連接眾多星型結構。環(huán)路連接（如 4-20mA）可以在一條環(huán)路中設置多個接收機，但是僅限一個發(fā)送器。