設計用于自動(dòng)化的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

前言

為應用選擇總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)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(mǎn)足當前應用需求的網(wǎng)絡(luò )。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(wǎng)絡(luò )。理想情況下，所有網(wǎng)絡(luò )都相互兼容，才能實(shí)現從一個(gè)網(wǎng)絡(luò )到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的輕松轉換。但實(shí)際上不同網(wǎng)絡(luò )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(wèn)題放到一邊。這使我們能夠假定第二種情況下的網(wǎng)絡(luò )選擇是預先確定好的，因此可著(zhù)重探討第一種情況。

我們在尋找各種網(wǎng)絡(luò )選擇方案的比較方法時(shí)，發(fā)現了一長(cháng)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(shí)延
• 物理互連介質(zhì)
• 噪聲抗擾度
• 誤碼率與總線(xiàn)故障
• 允許的互連長(cháng)度
• 允許掛接的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量
• 添加更多節點(diǎn)的簡(jiǎn)便性
• 功耗、成本、可靠性以及隔離要求

我們將在以下章節介紹其中一些問(wèn)題，探討為什么這些特性對自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的選擇至關(guān)重要，以及做出合理的現場(chǎng)總線(xiàn)選擇需要進(jìn)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(gè)參數時(shí)要對其它參數有所權衡和取舍（參見(jiàn)圖1）。

圖1: 相互關(guān)聯(lián)而又需要權衡的網(wǎng)絡(luò )需求

工業(yè)自動(dòng)化總線(xiàn)的選擇

下列幾方面的簡(jiǎn)短評述揭示了現有現場(chǎng)總線(xiàn)選擇的多樣性：

4-20mA - 這種模擬電流環(huán)路網(wǎng)絡(luò )速度較慢，但較為簡(jiǎn)單。每個(gè)環(huán)路僅限一個(gè)發(fā)送器，但可設置多個(gè)接收機。模擬格式 (analog format) 會(huì )限制其提供更高級的功能，但是它仍然是廣泛用于將簡(jiǎn)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(wǎng)絡(luò )利用調制后的信號來(lái)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(jiǎn)單接口中，用于系統、診斷程序以及其他非時(shí)間關(guān)鍵型功能的初始設置。RS-232 作為單端網(wǎng)絡(luò )，作為單端網(wǎng)絡(luò )，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電氣規范源自 RS-232 與 RS-422，是多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)驅動(dòng)能力，以及合用單條總線(xiàn) (party-line) 的簡(jiǎn)單性。

Interbus -Interbus 環(huán)形網(wǎng)絡(luò )通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)連接的 RS-485 信令及全雙工操作來(lái)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(zhì)來(lái)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(shù)為基礎。其它實(shí)施采用以太網(wǎng)或 RS-232。除了工業(yè)自動(dòng)化外，它還可應用于樓宇控制應用領(lǐng)域。

Profibus DP - 基于 RS-485 信令技術(shù)的 Profibus DP（過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)，分散外設）是實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化常用的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，尤其是在歐洲。Profibus 標準規定了相關(guān)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(zhì)、本安應用以及馬達控制應用。

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

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

工業(yè)以太網(wǎng) - 目前存在多種工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)制定的 IEEE 802.3 帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)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(shí)延要求（確定性計時(shí)）的方式不同。工業(yè)自動(dòng)化應用領(lǐng)域通常采用 10 Mbps（兆比特每秒）和 100 Mbps 的版本。

允許的節點(diǎn)數量

自動(dòng)化應用可能需要連接眾多傳感器、傳動(dòng)器，以及控制器和人機界面面板 (human-machine interface panel)。然而系統結構、物理層的電氣/光學(xué)特征或者網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的固有尋址方式會(huì )限制最高可允許的節點(diǎn)數量。

網(wǎng)絡(luò )架構可以是總線(xiàn)型、環(huán)型、星型或其他布局形式?？偩€(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如 DeviceNet 或 Modbus）在連接的任何地方都可以添加節點(diǎn)，但是一般會(huì )限制節點(diǎn)間距。環(huán)網(wǎng)（如 Interbus）利用每?jì)蓚€(gè)相鄰節點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn)鏈接形成封閉鏈。星型網(wǎng)絡(luò )（如以太網(wǎng)）允許采用層級結構 (hierarchical structure)，通過(guò)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(gè)接收機，但是僅限一個(gè)發(fā)送器。