試論十種類(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn)的體系結構
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INTERBUS總線(xiàn)有很強的監視診斷功能，總線(xiàn)監控功能監視整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的運行狀態(tài)，同時(shí)也提供總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的變結構功能，能及時(shí)根據設計要求，關(guān)斷和連接總線(xiàn)的某個(gè)子總線(xiàn)段。監控功能是現場(chǎng)安裝、調試、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，現場(chǎng)總線(xiàn)模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調試時(shí)可設置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設備的參數。
為了提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的安全性，以滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)研究，在2001年得到了德國B(niǎo)IA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(xiàn)由一個(gè)Safe Control控制模塊和現場(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據。這種解決方案優(yōu)于其它方案，它將控制系統與安全總線(xiàn)的功能截然分開(kāi)，控制系統機構清晰簡(jiǎn)單，不影響今后的擴展和修改，成本明顯降低。這是現場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)發(fā)展方向。
9 Type9 FF H1現場(chǎng)總線(xiàn)
H1現場(chǎng)總線(xiàn)是由FF現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )負責制定的。FF基金會(huì )成員由世界著(zhù)名的儀表制造商和用戶(hù)組成，其成員生產(chǎn)的變送器、DCS、執行器、流量?jì)x表占世界市場(chǎng)的90%，它們對過(guò)程控制現場(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，提出的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構較為全面，其通信體系結構如圖9所示。Type9現場(chǎng)總線(xiàn)是Type1現場(chǎng)總線(xiàn)的子集。
FF H1現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議由物理層、數據鏈路層、應用層以及考慮到現場(chǎng)裝置的控制功能和具體應用而增加的用戶(hù)層組成。H1總線(xiàn)支持多種傳輸媒體：雙絞線(xiàn)、電纜、光纜和無(wú)線(xiàn)媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1 900米。該總線(xiàn)支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全。
圖9 Type 9 FF H1現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構數據鏈路層負責實(shí)現鏈路活動(dòng)調度、數據的接收發(fā)送、活動(dòng)狀態(tài)的響應、總線(xiàn)上各設備間的鏈路時(shí)間同步等。這里，總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制采用鏈路活動(dòng)調度器（LAS）方式，LAS擁有總線(xiàn)上所有設備的清單，由它負責總線(xiàn)段上各設備對總線(xiàn)的操作。
現場(chǎng)總線(xiàn)應用層由現場(chǎng)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)（FAS）子層和現場(chǎng)總線(xiàn)報文規范(FMS)子層構成。FAS子層提供發(fā)布者/預訂者、客戶(hù)機/服務(wù)器和報告分發(fā)三種模式的報文服務(wù)。FMS子層提供對象字典（OD）服務(wù)、變量訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)和事件服務(wù)等?，F場(chǎng)總線(xiàn)用戶(hù)層具有標準功能塊（FB）和裝置描述功能。標準規定32種功能塊，現場(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)，所以可使現場(chǎng)裝置實(shí)現真正的互操作。
10 Type10 PROFI net現場(chǎng)總線(xiàn)
PNO組織于2001年8月發(fā)表了PROFInet規范。PROFInet將工廠(chǎng)自動(dòng)化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機地融為一體，同時(shí)又完全保留了Profibus現有的開(kāi)放性。
PROFInet現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構如圖10所示，從圖中看出，該方案支持開(kāi)放的、面向對象的通信，這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(mǎn)足實(shí)時(shí)通信的要求?；趯ο髴玫腄COM通信協(xié)議是通過(guò)該協(xié)議標準建立的。以對象的形式表示的PROFInet組件根據對象協(xié)議交換其自動(dòng)化數據。自動(dòng)化對象即COM對象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現在通信總線(xiàn)上。連接對象活動(dòng)控制（ACCO）確保已組態(tài)的互相連接的設備間通信關(guān)系的建立和數據交換。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(shí)間標記的傳輸、連接的監視、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 現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構Profibus可以通過(guò)代理服務(wù)器(Proxy)很容易地實(shí)現與其它現場(chǎng)總線(xiàn)系統的集成，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(fǎng)問(wèn)Profibus設備是由Proxy使用遠方程序調用和Microsoft DCOM進(jìn)行處理的。
PROFInet提供工程設計工具和制造商專(zhuān)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)的設備來(lái)創(chuàng )建基于COM的自動(dòng)化對象，這種工具也將用于組態(tài)基于PROFInet的自動(dòng)化系統，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(kāi)發(fā)時(shí)間。
結語(yǔ)
10種類(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構和通信協(xié)議都不相同，但對Ethernet TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于H2高速現場(chǎng)總線(xiàn)基本達成共識，Ethernet/IP、FF HSE和PROFInet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)事實(shí)上已成為國際標準。
據了解，IEC61158標準的維護期為2007年12月31日，就是說(shuō)在此之前不會(huì )增加新的現場(chǎng)總線(xiàn)，對目前標準內的現場(chǎng)總線(xiàn)也不會(huì )做修改。由此可見(jiàn)，現場(chǎng)總線(xiàn)系統的體系結構和格局已經(jīng)基本確定，工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)在系統中的定位已經(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)與現場(chǎng)總線(xiàn)關(guān)系 
表中列出了當前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的4個(gè)主要競爭者，FF HSE、EtherNet/IP和PROFInet現場(chǎng)級都有自己的現場(chǎng)總線(xiàn)，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)延伸到現場(chǎng)I/O級，同時(shí)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(gè)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(jìn)，MODBUS組織和IDA組織于2003年10月底宣布合并。國內也正在開(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)延伸到現場(chǎng)一級，并在化工廠(chǎng)獲得成功試用。
現場(chǎng)總線(xiàn)的長(cháng)期爭論使人們逐漸認識到，數字技術(shù)的統一完全不同于模擬技術(shù)，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的統一之路應該充分吸收Internet技術(shù)實(shí)現統一的成功經(jīng)驗，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)統一的信息平臺。(end)
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