工業(yè)以太網(wǎng)在現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS控制系統中的應用

一、前言
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是順應智能現場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內引起了一場(chǎng)前所未有的革命?？刂茖?zhuān)家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統的主流。
　　然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒(méi)有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調，其主要表現在迄今為止現場(chǎng)總線(xiàn)的通訊標準尚未統一，這使得各廠(chǎng)商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）正在制定的國際標準［1］為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶(hù)層［2］，其低速總線(xiàn)H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線(xiàn)H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來(lái)對這些問(wèn)題進(jìn)行思考時(shí)，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò )中廣泛應用的以太網(wǎng)。
　　以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，所以在商業(yè)系統中被廣泛采用。但是傳統以太網(wǎng)采用總線(xiàn)式拓樸結構和多路存取載波偵聽(tīng)碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式［3］,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數據的傳輸過(guò)程會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱(chēng)為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明［4］：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(cháng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)—工業(yè)以太網(wǎng)。二、工業(yè)以太網(wǎng)的研究現狀
　　近年來(lái)控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀(guān)工業(yè)以太網(wǎng)的研究現狀，出現了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向［5］：以太網(wǎng)集線(xiàn)器和具有實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。1、以太網(wǎng)集線(xiàn)器　　FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò )采用星型拓樸結構，如圖1所示。
　　圖中集線(xiàn)器（HUB）［6］置于網(wǎng)絡(luò )中心并通過(guò)以太網(wǎng)I/O接口掛接現場(chǎng)設備，其中實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表和普通現場(chǎng)儀表（通過(guò)通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速（約100 kHz）掃描所有實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。

　　通常普通控制算法在現場(chǎng)控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進(jìn)行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線(xiàn)器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸到現場(chǎng)執行儀表。由于實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表掛接在專(zhuān)用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線(xiàn)路傳輸數據，所以保證了實(shí)時(shí)數據不會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯和線(xiàn)路阻塞。
　　集線(xiàn)器作為網(wǎng)絡(luò )的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對傳輸的數據包進(jìn)行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實(shí)時(shí)參數。此外智能化的集線(xiàn)器還可以動(dòng)態(tài)檢測需要通訊的現場(chǎng)設備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數據緩沖區，這樣可大大縮短現場(chǎng)設備的響應時(shí)間和減少數據的重發(fā)次數。集線(xiàn)器與其它集線(xiàn)器相連可實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )之間的數據共享［7］。