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(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，由全數字現場(chǎng)控制系統代替數字與模擬分散型控制系統已經(jīng)成為工業(yè)化控制系統結構發(fā)展的必然趨勢，以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的全數字控制系統已是當今世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。
　　
二、簡(jiǎn)介
　　
1、什么是現場(chǎng)總線(xiàn)
　　
　　根據國際電工委員會(huì )（IEC）和美國儀表協(xié)會(huì )（ISA）的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)絡(luò )，它的關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節點(diǎn)、總線(xiàn)式的全數字通訊，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統安全、造價(jià)低廉、維護成本低等特點(diǎn)。
　　
2、現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)
　　
　　國際電工委員會(huì )（IEC）對現場(chǎng)總線(xiàn)主要有以下三點(diǎn)要求：
　　
（1）統一數據鏈路上過(guò)程控制單元(CPU)、PLC等與數字I/O設備互連；
（2）現場(chǎng)總線(xiàn)控制器可對總線(xiàn)上的多個(gè)操作站、傳感器及執行機構等進(jìn)行數據存??；
（3）在保證系統可靠性的基礎上，有利于減小軟硬件開(kāi)銷(xiāo)，降低成本和通訊媒體安裝費用。

　　SP50委員會(huì )提出的兩種現場(chǎng)總線(xiàn)結構模型是：
　　
（1）星型總線(xiàn)—用短距離、廉價(jià)、低速率電纜取代模擬信號傳輸線(xiàn)；
（2）總線(xiàn)型總線(xiàn)—數據傳輸距離長(cháng)、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(lái)看，還沒(méi)有哪一種現場(chǎng)總線(xiàn)能夠滿(mǎn)足上述全部要求，各種現場(chǎng)總線(xiàn)都有自己的長(cháng)處和短處。雖然用戶(hù)和市場(chǎng)有標準化的需要，但在短期內，現場(chǎng)總線(xiàn)標準無(wú)法統一，多種現場(chǎng)總線(xiàn)并存的情況在今后較長(cháng)的時(shí)間將依然存在，IEC61158標準的產(chǎn)生就說(shuō)明了這一點(diǎn)。下面，將對各種現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)進(jìn)行分析對比。
　　
三、現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)
　　
1、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統
　　
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是集計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當代最先進(jìn)的計算機控制技術(shù)，是一種全分散、全數字、全開(kāi)放的控制系統。這種系統主要用于工業(yè)過(guò)程控制、制造業(yè)及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域，在未來(lái)將成為現代計算機控制系統的主流。
　　
2、現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現狀
　　
　　現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展迅速，現處于群雄并起、百家爭鳴的階段，目前已開(kāi)發(fā)出40多種現場(chǎng)總線(xiàn)。其中，符合IEC61158國際標準規定的有8種總線(xiàn)，包括：德國西門(mén)子公司支持的Profibus、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)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)域廣泛應用的總線(xiàn)，如德國B(niǎo)osch公司為汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)的CANBUS、美國Echelon公司開(kāi)發(fā)的Lon Works總線(xiàn)等。在這些總線(xiàn)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(jiàn)表1。
　　
3、幾種總線(xiàn)通信模型概述
　　
　　目前，各種現場(chǎng)總線(xiàn)既遵循開(kāi)放系統的原則，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(xiàn)實(shí)現了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)，是一種數據流總線(xiàn)。Profibus總線(xiàn)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屬于數據流總線(xiàn)，Profibus-DP則屬于字節總線(xiàn)。Lonworks使用了Lontalk協(xié)議，實(shí)現了OSI參考模型全部七層服務(wù)，
　　
表2 幾種現場(chǎng)總線(xiàn)現狀

　　一種折中、平衡的現場(chǎng)總線(xiàn)，但也因此會(huì )在有些應用場(chǎng)合增加網(wǎng)絡(luò )的負擔，影響了通信速度。CAN總線(xiàn)只規定了物理層和數據鏈路層，用戶(hù)在應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，但一般的應用都是位總線(xiàn)，不適合大流量通信。
　　
四、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）協(xié)議對比
　　
　　現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議中，數據鏈路層的MAC子層協(xié)議最重要，它直接控制各個(gè)通信節點(diǎn)對通信介質(zhì)的使用權，對現場(chǎng)總線(xiàn)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(lèi)：一類(lèi)采用事件觸發(fā)方式，設備可自主的隨機訪(fǎng)問(wèn)設備，Lonworks總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)屬于這種方式；另一類(lèi)采用時(shí)間觸發(fā)方式，設備只能在受控的確定時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)，Worldfip總線(xiàn)和Profibus總線(xiàn)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(xiàn)協(xié)議）。
　　
　　Profibus總線(xiàn)采用分布式令牌方式，所有節點(diǎn)組成一個(gè)虛擬環(huán)，令牌在Profibus總線(xiàn)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(xiàn)控制權，以輪詢(xún)方式與從站通信。所謂輪詢(xún)，是指主節點(diǎn)定期循環(huán)詢(xún)問(wèn)各個(gè)從節點(diǎn)，
以便分配從節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)共享介質(zhì)的權利，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(xiàn)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，它的參數不容易設定，在網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)和增加刪除節點(diǎn)時(shí)需要進(jìn)行邏輯環(huán)重構。
　　
　　Worldfip總線(xiàn)采用集中式令牌方式，由總線(xiàn)仲裁器（BUS ARBITRATOR）來(lái)負責輪詢(xún)工作。能?chē)栏駞^分周期信息和非周期信息。Worldfip的總線(xiàn)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，例如故障報警等；同步窗口由于由總線(xiàn)仲裁器發(fā)送填充標識來(lái)填充基本周期空閑部分以保持總線(xiàn)同步。Worldfip總線(xiàn)對周期信息采用集中控制，相對于Profibus總線(xiàn)，它的信息響應時(shí)間更精確、控制精度更高。同時(shí)，因為非周期信息到達時(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時(shí)間，又有效的利用了帶寬，并且采用優(yōu)先級機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，主設備失效將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )癱瘓，對高可靠性的應用需要設置多個(gè)主節點(diǎn)來(lái)提高系統的可靠性，輪詢(xún)過(guò)程會(huì )消耗一些總線(xiàn)帶寬，降低了總線(xiàn)利用率等等。
　　
2、事件觸發(fā)方式
　　
　　事件觸發(fā)方式可以分為隨機載波監聽(tīng)/沖突檢測（CSMA/CD）和載波監聽(tīng)多路獲取/沖突避免（CSMA/CA）兩類(lèi)。
　　
　　Lonworks總線(xiàn)采用一種改進(jìn)的CSMA/CD方式，稱(chēng)為預測的P-CSMA。每個(gè)節點(diǎn)需要發(fā)送數據時(shí)，先檢測介質(zhì)是否空閑，如果介質(zhì)空閑就準備發(fā)送數據，并在發(fā)送數據前隨機插入隨機時(shí)間片，時(shí)間片數量越少表明堅持發(fā)送的概率越大。Lonworks協(xié)議可根據網(wǎng)絡(luò )負載狀況動(dòng)態(tài)調整堅持發(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時(shí)間，Lonworks提供了一個(gè)可選的優(yōu)先級機制，加入優(yōu)先級的節點(diǎn)總比非優(yōu)先級的節點(diǎn)有更快的響應時(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、節點(diǎn)可靈活加減、在負載較輕時(shí)使介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)延遲最小、在負載較重時(shí)使沖突的可能性最小等。但總的說(shuō)來(lái)，它不能保證數據在任何網(wǎng)絡(luò )負載情況下都能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，在用于時(shí)間關(guān)鍵的環(huán)境中需要仔細的驗證。
　　
　　CAN總線(xiàn)屬于總線(xiàn)型串行通信網(wǎng)絡(luò )，采用多主方式，當網(wǎng)絡(luò )上多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級高的節點(diǎn)不受影響的繼續傳送，大大節省了總線(xiàn)的仲裁時(shí)間。此外，CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下，有自動(dòng)關(guān)閉總線(xiàn)的功能。這種協(xié)議具有突出的可靠性，靈活性。CAN總線(xiàn)可以有效的避免總線(xiàn)碰撞，但要求網(wǎng)絡(luò )一定要同步，并且介質(zhì)要支持線(xiàn)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(xiàn)也不能保證數據在任何網(wǎng)絡(luò )負載情況下都能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，在用于時(shí)間關(guān)鍵的環(huán)境中也需要仔細的驗證。
　　
五、尋址方式對比
　　
　　Profibus總線(xiàn)設備之間交換數據的通信是通過(guò)信道分為邏輯信道和物理信道進(jìn)行的。與應用過(guò)程之間的通信是通過(guò)邏輯信道進(jìn)行的，它是設計階段中在通信關(guān)系表（CRL）內被定義的。其所有參數列于通信關(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(guò)通信關(guān)系（CR）唯一尋址的。一個(gè)站最多可以產(chǎn)生應用于不同情況的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位的全局邏輯標識，廣播發(fā)送。消息數據地址采用24位的網(wǎng)絡(luò )地址包含網(wǎng)段地址和網(wǎng)段內的站地址，支持同一網(wǎng)段內的多播尋址。
　　
　　Lonworks網(wǎng)絡(luò )地址可以有三層結構：域、子網(wǎng)、節點(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)節點(diǎn)。域的結構可以保證在不同的域中通信是彼此獨立的。任一節點(diǎn)可以分屬一個(gè)或兩個(gè)域，能將采集來(lái)的數據分別發(fā)向兩個(gè)不同的域。節點(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。分組結構可以使一個(gè)報文同時(shí)為多個(gè)節點(diǎn)所接收。每個(gè)Lonworks設備有一個(gè)唯一的48位ID地址，類(lèi)似以太網(wǎng)的物理地址。
　　
　　CAN系統中，每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址，總線(xiàn)工作時(shí)，給定的邏輯地址上傳輸的數據的含義是固定的。在CAN總線(xiàn)的規范中只定義了幀的結構，沒(méi)有定義有關(guān)發(fā)送和接收的信息。因此，消息標識的值要依靠應用確定。設計者可以自己定義標識符的含義，將所需要的信息包含其中，消息的內容被標上唯一的標識后，只有與此相關(guān)的節點(diǎn)才能識別并接收消息。
　　
七、結束語(yǔ)
　　
　　以上現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議各有千秋，但都面臨兼容性問(wèn)題，任一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)和其它現場(chǎng)總線(xiàn)都不易于互聯(lián)和互換?？捎脩?hù)對統一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )的要求日益迫切，工業(yè)以太網(wǎng)便應運而生。工業(yè)以太網(wǎng)符合網(wǎng)絡(luò )控制特點(diǎn)—數字式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò ) 、互操作性、開(kāi)放性和高性能，具有大量的軟、硬件資源和開(kāi)發(fā)設計經(jīng)驗；在以太網(wǎng)上層應用的TCP/IP協(xié)議也較成熟，許多現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)向上支持工業(yè)以太網(wǎng)。
　　
　　傳統以太網(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(lái)源：其一是由多個(gè)節點(diǎn)都監聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò )空閑并同時(shí)發(fā)送數據產(chǎn)生的；其二是節點(diǎn)之間存在傳輸延遲，當網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)在發(fā)送數據但還沒(méi)有傳輸到需要發(fā)送數據的節點(diǎn)時(shí)，一節點(diǎn)監聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò )空閑后發(fā)送數據因而造成沖突。如果采用交換式以太網(wǎng)，則不存在總線(xiàn)競爭，從而能提高系統的傳輸效率，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。應用于工業(yè)現場(chǎng)控制還面臨一系列問(wèn)題，例如在工業(yè)以太網(wǎng)中，TCP/IP還沒(méi)有解決互操作問(wèn)題，進(jìn)而影響了多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)完成控制任務(wù)的協(xié)調性，這涉及體現企業(yè)重大利益的現場(chǎng)生產(chǎn)工藝數據在網(wǎng)絡(luò )傳輸的完整性和保密性，以及對工業(yè)以太網(wǎng)的管理所面臨的問(wèn)題。但是隨著(zhù)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(wèn)題正在得到解決。
　　
　　各種現場(chǎng)總線(xiàn)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(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)的應用不斷增多，在應用現場(chǎng)總線(xiàn)系統時(shí)應該對此有一個(gè)明確的認識，有所側重以適應實(shí)際的要求，但是，發(fā)展共同遵守的統一的標準規范，真正形成開(kāi)放式互連系統，是大勢所趨。
　　
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