水工業(yè)FCS網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的比較與展望

一、引言
　　
　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，由全數(shù)字現(xiàn)場控制系統(tǒng)代替數(shù)字與模擬分散型控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢，以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)已是當(dāng)今世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
　　
二、簡介
　　
1、什么是現(xiàn)場總線
　　
　　根據(jù)國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會（ISA）的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快、系統(tǒng)安全、造價(jià)低廉、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。
　　
2、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)
　　
　　國際電工委員會（IEC）對現(xiàn)場總線主要有以下三點(diǎn)要求：
　　
（1）統(tǒng)一數(shù)據(jù)鏈路上過程控制單元(CPU)、PLC等與數(shù)字I/O設(shè)備互連；
（2）現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個(gè)操作站、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行數(shù)據(jù)存??；
（3）在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，有利于減小軟硬件開銷，降低成本和通訊媒體安裝費(fèi)用。

　　SP50委員會提出的兩種現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型是：
　　
（1）星型總線—用短距離、廉價(jià)、低速率電纜取代模擬信號傳輸線；
（2）總線型總線—數(shù)據(jù)傳輸距離長、速率高，采用點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和廣播式通信方式。
　　
　　從目前來看，還沒有哪一種現(xiàn)場總線能夠滿足上述全部要求，各種現(xiàn)場總線都有自己的長處和短處。雖然用戶和市場有標(biāo)準(zhǔn)化的需要，但在短期內(nèi)，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一，多種現(xiàn)場總線并存的情況在今后較長的時(shí)間將依然存在，IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生就說明了這一點(diǎn)。下面，將對各種現(xiàn)場總線的特點(diǎn)進(jìn)行分析對比。
　　
三、現(xiàn)場總線控制技術(shù)
　　
1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當(dāng)代最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，是一種全分散、全數(shù)字、全開放的控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要用于工業(yè)過程控制、制造業(yè)及樓宇自動化等領(lǐng)域，在未來將成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主流。
　　
2、現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段，目前已開發(fā)出40多種現(xiàn)場總線。其中，符合IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有8種總線，包括：德國西門子公司支持的Profibus、基金會現(xiàn)場總線FF、德國Phoenix Contact公司支持的Interbus、美國Rockwell公司支持的Controlnet、法國Alstom公司支持的Worldfip、主要由Fisheer-Rosemount公司支持的FF HSE、，美國波音公司支持的Swift Net以及丹麥的Peocess。此外，還有幾種在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的總線，如德國Bosch公司為汽車應(yīng)用而開發(fā)的CANBUS、美國Echelon公司開發(fā)的Lon Works總線等。在這些總線中，最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks，其性能對照見表1。
　　
3、幾種總線通信模型概述
　　
　　目前，各種現(xiàn)場總線既遵循開放系統(tǒng)的原則，也兼顧了自己的特點(diǎn)和特殊要求（如表2所示）。參考OSI協(xié)議模型，Worldfip總線實(shí)現(xiàn)了OSI參考模型的1、2、7層服務(wù)，能提供變量服務(wù)、消息服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，是一種數(shù)據(jù)流總線。Profibus總線也包括了OSI模型1、2、7層服務(wù)，其中Profibus-FMS把第3層到第6層服務(wù)放在底層由接口完成，Profibus-FMS/PA屬于數(shù)據(jù)流總線，Profibus-DP則屬于字節(jié)總線。Lonworks使用了Lontalk協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了OSI參考模型全部七層服務(wù)，
　　
表2 幾種現(xiàn)場總線現(xiàn)狀

　　一種折中、平衡的現(xiàn)場總線，但也因此會在有些應(yīng)用場合增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，影響了通信速度。CAN總線只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶在應(yīng)用中自己定義通信協(xié)議，有突出的靈活性，有成本優(yōu)勢和速度優(yōu)勢，但一般的應(yīng)用都是位總線，不適合大流量通信。
　　
四、介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議對比
　　
　　現(xiàn)場總線的協(xié)議中，數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層協(xié)議最重要，它直接控制各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)對通信介質(zhì)的使用權(quán)，對現(xiàn)場總線的實(shí)時(shí)能力有關(guān)鍵影響。MAC層協(xié)議主要分為兩大類：一類采用事件觸發(fā)方式，設(shè)備可自主的隨機(jī)訪問設(shè)備，Lonworks總線和CAN總線屬于這種方式；另一類采用時(shí)間觸發(fā)方式，設(shè)備只能在受控的確定時(shí)間訪問介質(zhì)，Worldfip總線和Profibus總線屬于這種方式。
　　
1、時(shí)間觸發(fā)方式協(xié)議
　　
　　時(shí)間觸發(fā)方式協(xié)議采用令牌方式，進(jìn)一步可分為分布式令牌協(xié)議（如Profibus協(xié)議）和集中式令牌協(xié)議（如Worldfip總線協(xié)議）。
　　
　　Profibus總線采用分布式令牌方式，所有節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)虛擬環(huán)，令牌在Profibus總線主站間按地址傳遞，擁有令牌的主站在確定的時(shí)間窗口擁有總線控制權(quán)，以輪詢方式與從站通信。所謂輪詢，是指主節(jié)點(diǎn)定期循環(huán)詢問各個(gè)從節(jié)點(diǎn)，
以便分配從節(jié)點(diǎn)訪問共享介質(zhì)的權(quán)利，避免了沖突。由于傳播時(shí)間確定，因此該方式可以保證通信的實(shí)時(shí)性。但Profibus總線也有自身的缺點(diǎn)，由于傳送令牌時(shí)需占用一定的帶寬，因此帶寬的利用率較低；而且，它的參數(shù)不容易設(shè)定，在網(wǎng)絡(luò)啟動和增加刪除節(jié)點(diǎn)時(shí)需要進(jìn)行邏輯環(huán)重構(gòu)。
　　
　　Worldfip總線采用集中式令牌方式，由總線仲裁器（BUS ARBITRATOR）來負(fù)責(zé)輪詢工作。能嚴(yán)格區(qū)分周期信息和非周期信息。Worldfip的總線帶寬采用周期性分配，以20ms為一個(gè)基本循環(huán)，每個(gè)循環(huán)分為四個(gè)窗口：周期性窗口用于周期性變量實(shí)時(shí)刷新；非周期變量窗口用于非周期變量刷新；消息窗口用于處理突發(fā)性的消息，例如故障報(bào)警等；同步窗口由于由總線仲裁器發(fā)送填充標(biāo)識來填充基本周期空閑部分以保持總線同步。Worldfip總線對周期信息采用集中控制，相對于Profibus總線，它的信息響應(yīng)時(shí)間更精確、控制精度更高。同時(shí)，因?yàn)榉侵芷谛畔⒌竭_(dá)時(shí)間不確定，從而對非周期信息通信采用分布令牌管理，這樣既保證了非周期事件變量的確定性響應(yīng)時(shí)間，又有效的利用了帶寬，并且采用優(yōu)先級機(jī)制能保證重要的非周期信息的及時(shí)發(fā)送。但它也有一些缺點(diǎn)，比如，主設(shè)備失效將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，對高可靠性的應(yīng)用需要設(shè)置多個(gè)主節(jié)點(diǎn)來提高系統(tǒng)的可靠性，輪詢過程會消耗一些總線帶寬，降低了總線利用率等等。
　　
2、事件觸發(fā)方式
　　
　　事件觸發(fā)方式可以分為隨機(jī)載波監(jiān)聽/沖突檢測（CSMA/CD）和載波監(jiān)聽多路獲取/沖突避免（CSMA/CA）兩類。
　　
　　Lonworks總線采用一種改進(jìn)的CSMA/CD方式，稱為預(yù)測的P-CSMA。每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先檢測介質(zhì)是否空閑，如果介質(zhì)空閑就準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，并在發(fā)送數(shù)據(jù)前隨機(jī)插入隨機(jī)時(shí)間片，時(shí)間片數(shù)量越少表明堅(jiān)持發(fā)送的概率越大。Lonworks協(xié)議可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況動態(tài)調(diào)整堅(jiān)持發(fā)送概率P，使發(fā)生沖突的概率降到最低。同時(shí)，為提高緊急事件的響應(yīng)時(shí)間，Lonworks提供了一個(gè)可選的優(yōu)先級機(jī)制，加入優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)總比非優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)有更快的響應(yīng)時(shí)間。Lonworks協(xié)議有許多優(yōu)點(diǎn)，如帶寬利用率高、單點(diǎn)故障不影響網(wǎng)絡(luò)通信、節(jié)點(diǎn)可靈活加減、在負(fù)載較輕時(shí)使介質(zhì)訪問延遲最小、在負(fù)載較重時(shí)使沖突的可能性最小等。但總的說來，它不能保證數(shù)據(jù)在任何網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下都能滿足實(shí)時(shí)性要求，在用于時(shí)間關(guān)鍵的環(huán)境中需要仔細(xì)的驗(yàn)證。
　　
　　CAN總線屬于總線型串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用多主方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)會主動退出發(fā)送，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)不受影響的繼續(xù)傳送，大大節(jié)省了總線的仲裁時(shí)間。此外，CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，有自動關(guān)閉總線的功能。這種協(xié)議具有突出的可靠性，靈活性。CAN總線可以有效的避免總線碰撞，但要求網(wǎng)絡(luò)一定要同步，并且介質(zhì)要支持線與邏輯，另外，對不太需要優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)，也不得不定義一個(gè)優(yōu)先級。CAN總線也不能保證數(shù)據(jù)在任何網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下都能滿足實(shí)時(shí)性要求，在用于時(shí)間關(guān)鍵的環(huán)境中也需要仔細(xì)的驗(yàn)證。
　　
五、尋址方式對比
　　
　　Profibus總線設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的通信是通過信道分為邏輯信道和物理信道進(jìn)行的。與應(yīng)用過程之間的通信是通過邏輯信道進(jìn)行的，它是設(shè)計(jì)階段中在通信關(guān)系表（CRL）內(nèi)被定義的。其所有參數(shù)列于通信關(guān)系表中。每個(gè)信道在CRL中有一個(gè)入口行，一個(gè)信道的所有CRL入口是通過通信關(guān)系（CR）唯一尋址的。一個(gè)站最多可以產(chǎn)生應(yīng)用于不同情況的63個(gè)通信關(guān)系，可以多點(diǎn)廣播或廣播式發(fā)送或接收。
　　
　　Worldfip 的尋址方式主要有：變量地址采用16位的全局邏輯標(biāo)識，廣播發(fā)送。消息數(shù)據(jù)地址采用24位的網(wǎng)絡(luò)地址包含網(wǎng)段地址和網(wǎng)段內(nèi)的站地址，支持同一網(wǎng)段內(nèi)的多播尋址。
　　
　　Lonworks網(wǎng)絡(luò)地址可以有三層結(jié)構(gòu)：域、子網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)。每個(gè)域最多有255個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)最多有127個(gè)節(jié)點(diǎn)。域的結(jié)構(gòu)可以保證在不同的域中通信是彼此獨(dú)立的。任一節(jié)點(diǎn)可以分屬一個(gè)或兩個(gè)域，能將采集來的數(shù)據(jù)分別發(fā)向兩個(gè)不同的域。節(jié)點(diǎn)可以被分組，一個(gè)分組在一個(gè)域中跨越幾個(gè)子網(wǎng)，或幾個(gè)通道。分組結(jié)構(gòu)可以使一個(gè)報(bào)文同時(shí)為多個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收。每個(gè)Lonworks設(shè)備有一個(gè)唯一的48位ID地址，類似以太網(wǎng)的物理地址。
　　
　　CAN系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址，總線工作時(shí)，給定的邏輯地址上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的含義是固定的。在CAN總線的規(guī)范中只定義了幀的結(jié)構(gòu)，沒有定義有關(guān)發(fā)送和接收的信息。因此，消息標(biāo)識的值要依靠應(yīng)用確定。設(shè)計(jì)者可以自己定義標(biāo)識符的含義，將所需要的信息包含其中，消息的內(nèi)容被標(biāo)上唯一的標(biāo)識后，只有與此相關(guān)的節(jié)點(diǎn)才能識別并接收消息。
　　
七、結(jié)束語
　　
　　以上現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議各有千秋，但都面臨兼容性問題，任一個(gè)現(xiàn)場總線和其它現(xiàn)場總線都不易于互聯(lián)和互換。可用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切，工業(yè)以太網(wǎng)便應(yīng)運(yùn)而生。工業(yè)以太網(wǎng)符合網(wǎng)絡(luò)控制特點(diǎn)—數(shù)字式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 、互操作性、開放性和高性能，具有大量的軟、硬件資源和開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；在以太網(wǎng)上層應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議也較成熟，許多現(xiàn)場總線已經(jīng)向上支持工業(yè)以太網(wǎng)。
　　
　　傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD通信協(xié)議，屬于有沖突網(wǎng)。沖突主要有兩個(gè)來源：其一是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)都監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的；其二是節(jié)點(diǎn)之間存在傳輸延遲，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)但還沒有傳輸?shù)叫枰l(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，一節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑后發(fā)送數(shù)據(jù)因而造成沖突。如果采用交換式以太網(wǎng)，則不存在總線競爭，從而能提高系統(tǒng)的傳輸效率，但是同樣不易控制最大傳輸延遲，因此影響了工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制還面臨一系列問題，例如在工業(yè)以太網(wǎng)中，TCP/IP還沒有解決互操作問題，進(jìn)而影響了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成控制任務(wù)的協(xié)調(diào)性，這涉及體現(xiàn)企業(yè)重大利益的現(xiàn)場生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐暾院捅Ｃ苄?，以及對工業(yè)以太網(wǎng)的管理所面臨的問題。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，可以看到工業(yè)以太網(wǎng)的大框架已成形，上述問題正在得到解決。
　　
　　各種現(xiàn)場總線在功能、性能和價(jià)格上有較大差別，各自有自己的最佳適用范圍。隨著現(xiàn)場總線的應(yīng)用不斷增多，在應(yīng)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該對此有一個(gè)明確的認(rèn)識，有所側(cè)重以適應(yīng)實(shí)際的要求，但是，發(fā)展共同遵守的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放式互連系統(tǒng)，是大勢所趨。
　　
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