摘要：較全面地論述了現(xiàn)場總線及不同工業(yè)領(lǐng)域的低層串行數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的國際標準：包括8類總線的IEC 61158標準，以及用于公路車輛數(shù)字信息交換的ISO 11898標準，列車通信網(wǎng)標準IEC 61375，用于低壓配電與控制裝置的控制器與設(shè)備接口標準IEC 62026，用于工業(yè)機械(機床)運動控制的實時通信標準IEC 61491(SERCOS)。介紹了我國制訂現(xiàn)場總線標準的動向。論述了高速以太網(wǎng)用作現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 標準 工業(yè)以太網(wǎng)
一、 引 言
開發(fā)現(xiàn)場總線最初目的是用數(shù)字儀表內(nèi)部所具有的數(shù)字信號替代4～20mA等模擬信號實現(xiàn)控制室與現(xiàn)場之間的信息傳輸，最初應(yīng)用于過程控制及制造業(yè)。現(xiàn)場總線應(yīng)用以后，人們得到了更多的好處。例如控制功能徹底分散到現(xiàn)場，先進的現(xiàn)場設(shè)備管理功能得以實現(xiàn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高等等。現(xiàn)場總線有過不同的定義，其實質(zhì)是指應(yīng)用在測控現(xiàn)場，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備、系統(tǒng)管控設(shè)備之間信息交換的串行雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。從這一概念出發(fā)，本文所述的應(yīng)用在公路車輛、鐵路列車、低壓配電與控制以及機床運動控制等領(lǐng)域的ISO11898、IEC 61375、IEC 62026、IEC 61491等標準所定義的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)都可以認為是現(xiàn)場總線。這種現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從過程控制及制造業(yè)測控領(lǐng)域開始，以后很快發(fā)展到諸如電力監(jiān)控與繼電保護、樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控、交通工具、能源管理、農(nóng)業(yè)、自動測試系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、機器人等各種領(lǐng)域，現(xiàn)在現(xiàn)場總線已經(jīng)無處不在。
二、現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158
自80年代中期開始，世界上各大控制廠商及標準化組織推出了多種互不兼容的現(xiàn)場總線協(xié)議標準，據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今為止世界上已出現(xiàn)過的總線有近200種。不同標準的現(xiàn)場產(chǎn)品不能互換，將給用戶造成極大的不便。從1984年起，IEC(國際電工委員會)/TC65(工業(yè)過程測量及控制技術(shù)委員會)和ISA(美國儀表學會)就開始了制訂國際標準的工作。但由于受到大控制廠商相互競爭的影響，國際標準的制訂困難重重，商業(yè)集團為了自身的利益給國際標準的投票通過制造阻力，使得國際標準遲遲不能完成。最終不得已在1999年12月通過了一個包含了多種互不兼容的協(xié)議的標準，即IEC 61158國際標準。該標準包括了目前國際上用于過程工業(yè)及制造業(yè)的8類主要的現(xiàn)場總線協(xié)議。
Type1,IEC 61158技術(shù)規(guī)范。這是由IEC/ISA負責制訂的，曾試圖使之成為統(tǒng)一的國際標準的一個技術(shù)規(guī)范，基金會現(xiàn)場總線FF的H1(低速現(xiàn)場總線)是它的一個子集。
Type2，ControlNet現(xiàn)場總線。美國AB公司、Rockwell開發(fā)，ControlNet International(CI)組織支持。
Type3,Profibus現(xiàn)場總線。德國西門子公司開發(fā)，Profibus用戶組織(PNO)支持。歐洲現(xiàn)場總線標準三大總線之一。
Type4,PNet現(xiàn)場總線。丹麥Process Data公司開發(fā)，PNet用戶組織支持。歐洲現(xiàn)場總線標準三大總線之一。
Type5,FF HSE(High Speed Ethernet,高速以太網(wǎng))。現(xiàn)場總線基金會FF開發(fā)的H2(高速現(xiàn)場總線)。
Type6,SwiftNet現(xiàn)場總線。美國SHIP STAR協(xié)會主持制定，波音公司支持。
Type7,WorldFIP現(xiàn)場總線。法國WorldFIP協(xié)會制訂并支持。歐洲現(xiàn)場總線標準三大總線之一。
Type8,Interbus現(xiàn)場總線。德國Phoenix Contact公司開發(fā)，Interbus Club支持。
上述8種總線中，Type1是為過程控制開發(fā)的，支持總線供電和本質(zhì)安全。Type5(FF HSE)是與之配套的高速現(xiàn)場總線，用于對時間有苛刻要求或數(shù)據(jù)量較大的場合，如斷續(xù)生產(chǎn)的制造業(yè)，以及監(jiān)控級。Type2(ControlNet)為監(jiān)控級總線，它的底層(設(shè)備級)總線為DeviceNet，兩者有著共同的應(yīng)用層。Type3(Profibus)有3個部分Profibus FMS、Profibus DP和Profibus PA，采用不同的物理層，分別用于監(jiān)控級、斷續(xù)生產(chǎn)的制造業(yè)的現(xiàn)場級和過程控制的現(xiàn)場級。Type7(WorldFIP)也有不同的物理層，可用于過程控制和制造業(yè)的現(xiàn)場級。Type4(PNet)多用于食品、飼養(yǎng)業(yè)、農(nóng)業(yè)及工業(yè)一般自動化。Type6(SwiftNet)主要用于航空航天領(lǐng)域。Type8(Interbus)主要用于制造業(yè)的現(xiàn)場級(設(shè)備級)或一般自動化。
IEC61158 Ed.3.0分成總論、物理層規(guī)范和服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范、應(yīng)用層服務(wù)定義、應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范6個部分，它的用戶層功能塊是IEC 61804標準，再加上IEC 61784(連續(xù)與斷續(xù)制造用行規(guī)集，草案)構(gòu)成一個完整的現(xiàn)場總線標準。
三、現(xiàn)場總線的其它國際標準
除了IEC 61158外，IEC及ISO還制定了一些特殊行業(yè)的現(xiàn)場總線國際標準。
(1) 1993年ISO/TC22/SC3(公路車輛技術(shù)委員會電氣電子分委員會)發(fā)布的ISO 11898公路車輛—數(shù)字信息交換—用于高速通信的CAN以及低速標準ISO 11519。
該標準基于有名的CAN(控制器局域網(wǎng))總線，已有很多文獻介紹。與之相關(guān)的還有ISO 119921(公路車輛—主拖與被拖車輛之間的電氣連接—數(shù)字信息交換—卡車/拖車收發(fā)器標準)和ISO 11898 3(容錯收發(fā)器標準)兩個低速的物理接口標準ISO119921提高了發(fā)送電平，具有很高的抗電磁干擾能力，能抵御100V以上的共模射頻電壓和約6V的地電位差，可用于嚴酷的電磁環(huán)境。
ISO 11898 3的特點是具有總線管理功能和容錯性能。在總線CAN H和CAN L之一斷線、CAN H和CAN L之一對電源短路或?qū)Φ囟搪贰AN H和CAN L相互短路及線路與終端電阻斷開時均能給出指示。總線在正常狀態(tài)時為差分傳輸，故障時轉(zhuǎn)為單線傳輸，故障消除后又自動轉(zhuǎn)為差分傳輸。
由于CAN沒有規(guī)定應(yīng)用層和物理接口，一些組織給它制定了不同的應(yīng)用層和物理接口標準構(gòu)成了幾種完整的現(xiàn)場總線協(xié)議，其中比較有名的有下文提到的DeviceNet、SDS以及CANopen等。
(2) 1999年9月IEC TC9(鐵路電氣設(shè)備技術(shù)委員會)發(fā)布的國際標準IEC 61375列車通信網(wǎng)(TCN)[5]。
該標準定義了兩層總線：列車總線(WTB,Wire Train Bus)和多功能車輛總線(MVB,Multifunction Vehicle Bus)。
MVB用于車輛或機車內(nèi)部通信，速率1.5Mb/s，提供3種物理接口：RS 485(距離不大于20m)；屏蔽雙絞線變壓器隔離接口(200m)，允許使用IEC 61158 2標準的變壓器和收發(fā)器；點對點或星型的光纖連接(2000m)。MVB具有冗余媒體，媒體訪問采用具有冗余主站(總線管理站)的主從方式。在任何時刻總線上都只有一個能發(fā)起通信的主站，但有兩個或幾個能轉(zhuǎn)變?yōu)橹髡镜目偩€管理站。幾個總線管理站通過令牌傳遞來轉(zhuǎn)移主站行使權(quán)，每隔幾秒鐘轉(zhuǎn)移一次。
WTB用于車輛之間的連接，每一車輛一個節(jié)點，WTB可有32個節(jié)點(最大62個)，860m，媒體冗余，采用有護層的屏蔽雙絞線、變壓器隔離、曼徹斯特(Manchester)編碼，速率1.5Mb/s。
由于總線長，接收信號動態(tài)范圍大，解碼器采用SDSP(統(tǒng)計數(shù)字信號處理器)。媒體訪問采用主從方式，主站固定，但所有節(jié)點均有作為主站的能力，必要時(如主站失效、列車重組等)可改變主站節(jié)點。
MVB和WTB的鏈路層支持周期和非周期兩類數(shù)據(jù)，提供過程數(shù)據(jù)、報文數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)3種服務(wù)。高層協(xié)議(0SI的3～7層)稱為RTP(實時協(xié)議)，提供變量、報文和網(wǎng)絡(luò)管理3種基本服務(wù)。為了提高實時性，變量服務(wù)只有應(yīng)用層。
(3) IEC SC17B(低壓配電與控制裝置分委員會)發(fā)布的國際標準IEC 62026低壓配電與控制裝置—控制器與設(shè)備接口(CDIs)[1]。
這個標準包括了已有的4種現(xiàn)場總線：2000年7月發(fā)布的DeviceNet、SDS(Smart distributed system)和AS i(Actuator sensor interface),以及2001年11月審議通過的Seriplex總線(Serial multiplexed control Bus)。
DeviceNet和SDS都是基于CAN的，即它們的低兩層協(xié)議采納了CAN，補充了物理層，增加了應(yīng)用層和設(shè)備規(guī)范文件(device profile)，構(gòu)成了完整的開放的現(xiàn)場總線。
ASI[6]和 Seriplex[7]是兩種面向位(bit)的價格低廉的總線，特別適合于以開關(guān)量為主的智能配線系統(tǒng)。AS ｉ是一種輪循方式的主／從系統(tǒng)，每次交換4位數(shù)據(jù)，采用無屏蔽雙絞線，支持總線供電，距離100m(可加重復器擴展到300m)最大響應(yīng)時間5ms。Seriplex使用電源＋、數(shù)據(jù)、時鐘、公共線(地)4芯加屏蔽的專用電纜完成主／從或點對點通信，拓撲任意，距離達1500m。它可以直接與嵌有Seriplex ASIC(專用集成電路)的控制元件或I/O模塊連接，每個網(wǎng)絡(luò)可多至255節(jié)點，響應(yīng)時間小于1ms。Seriplex的傳輸方式幾乎不同于其它所有總線，它的ASIC不停地對時鐘線上的脈沖記數(shù)，當記數(shù)等于自己的地址時，ASIC與數(shù)據(jù)線交換1位數(shù)據(jù)。
(4) IEC TC44(機械設(shè)備電氣安全技術(shù)委員會)1995年11月發(fā)布的IEC 61491工業(yè)機械電氣設(shè)備—控制單元與驅(qū)動裝置之間的實時通信串行數(shù)據(jù)鏈路[1][8][9]。
該標準定義了一種開放的、控制單元與驅(qū)動裝置之間的實時光纖串行接口，又被稱作SERCOS(Seriel Real time Communication System,串行實時通信系統(tǒng))主要用于機床驅(qū)動等運動控制系統(tǒng)中對位置、速度、扭矩等的控制，尤其用在多軸協(xié)調(diào)驅(qū)動等場合。此外也可用于PLC接口或其它的I/O模塊。SERCOS是一個2/4 Mbit/s的光纖環(huán)(正在改進的2．0版速率為2/4/8/16 Mbit/s)，每環(huán)可多至254個節(jié)點。節(jié)點的主控制器或驅(qū)動裝置中嵌入SERCOS專用芯片(SERCON410B等，新版為SERCON816)完成通信及驅(qū)動功能。
此外，還有一些總線雖然不是國際標準，但已獲得了廣泛應(yīng)用。如美國Echelon公司推出的LonWorks總線，已在許多行業(yè)得到應(yīng)用，是建筑自動化中起主導作用的總線，美國的列車通信標準也采用LonWorks。
四、我國制訂現(xiàn)場總線標準的動向[10]
在我國，現(xiàn)場總線技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還相當落后。在技術(shù)相對落后的領(lǐng)域中，國家標準的制訂常等同采用相應(yīng)的國際標準。在現(xiàn)場總線國際標準的制訂過程中，我國對IEC/ISA的工作即對IEC 61158技術(shù)報告一直是投贊成票的，即希望有一種和國際標準一致的單一的國家標準。1993．10已等同采用IEC 61158 2(物理層規(guī)范)形成了GB/T 16657 2，并計劃等同采用IEC 61158技術(shù)報告的3、4、5、6部分。國家已大力投資支持開發(fā)FF現(xiàn)場總線并取得了成效，正準備通過互操作檢驗。
1999年12月投票表決新的多總線共存的IEC 61158標準時，我國同樣投了贊成票，即承認了多總線共存的局面。但是，我國對于現(xiàn)場總線國家標準的制訂，已不打算等同采用IEC 61158標準。這是因為：第一，新的國際標準是按總論、物理層規(guī)范和服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范……等分標準發(fā)布的，8種標準分散在各個部分中，用戶使用一種總線標準時，要從近4000頁文件中挑選，極不方便。第二，8種總線，性能有優(yōu)劣，應(yīng)用范圍有寬窄，開發(fā)難度有難易，開放程度也不同，一種總線一般都能用于多個領(lǐng)域，我國完全沒有必要全部采用。我國準備采用的做法是：
(1) 選擇我們認為影響大的優(yōu)秀的有市場前途的一些總線為我國的標準。這些總線必須是真正開放的。總線所支持的國際組織必須支持、幫助中國的標準化工作，支持中國的企業(yè)開發(fā)現(xiàn)場總線產(chǎn)品。
(2) 標準的文本采用歐洲現(xiàn)場總線標準的方式，一個一個總線分開，便于用戶使用。1996年歐洲標準化委員會發(fā)布的EN50170標準包括了Profibus、WorldFIP、Ｐ Net三種現(xiàn)場總線，后又采用了ControlNet和FF。
五、關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議簇[11]
幾年以前，Ethernet(以太網(wǎng))還被認為不能用于工業(yè)控制領(lǐng)域，這主要是因為Ethernet的CDMA/CD媒體訪問方式不能保證網(wǎng)絡(luò)(傳輸時間)的確定性，負荷重時網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率很低甚至崩潰。故在以往開放的DCS中不得不采用昂貴的令牌網(wǎng)如MAP網(wǎng)。但是Ethernet技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用以及低廉的價格吸引著工業(yè)控制領(lǐng)域。100Mb/s的快速Ethernet誕生以后，一些機構(gòu)開發(fā)出適合于工業(yè)環(huán)境的Ethernet器件，開始將Ethernet用于DCS的監(jiān)控級。事實證明，由于其高速、低負荷率，完全能保證系統(tǒng)的實時性。現(xiàn)在多個現(xiàn)場總線行業(yè)性組織都在進行Ethernet用作工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的研究并推出了他們的解決方案。除上述的FF HSE外，還有Ethernet/IP(The Open DeviceNet Vendor Association支持)、ProfiNet(The Profibus Trade Organization支持)、Interface for Distributed Automation(The IDA Group支持)，Modbus/TCP(The Modbus Users Group支持)等。這些研究不僅僅是把Ethernet用作高層網(wǎng)絡(luò)，而且希望將它直接和現(xiàn)場設(shè)備連接，實現(xiàn)所謂“一網(wǎng)到底；”、“一網(wǎng)打凈”。支持推進這些研究活動的國際組織有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會
(Industrial Ethernet Association)、工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(IAONA)等。我國的“十五”863第一批項目也將工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線列為重點攻關(guān)項目。
以上的解決方案基本上都是采用快速以太網(wǎng)(IEEE 802.3u)作為低兩層協(xié)議，第3、4層采用TCP/IP協(xié)議簇，再加上各自原來的現(xiàn)場總線應(yīng)用層和設(shè)備行規(guī)，將各自的應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP的格式進行傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)用作過程控制領(lǐng)域的現(xiàn)場總線還要解決總線供電和本質(zhì)安全問題，這也是目前正在研究的重要問題。
由ODVA支持的Ethernet/IP(以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議)是一種性能優(yōu)良的協(xié)議[12]，其應(yīng)用層稱為CIP(控制與信息協(xié)議)，和ControlNet、DeviceNet總線的應(yīng)用層完全相同并使用相同的設(shè)備行規(guī)，從而實現(xiàn)和ControlNet/DeviceNet總線系統(tǒng)的無縫連接并共同使用。CIP采用了一種叫做生產(chǎn)者/消費者的通信模式，允許網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點同時從一個數(shù)據(jù)源存取同一數(shù)據(jù)，提高了通信效率。EtherNet/IP的結(jié)構(gòu)如圖1的左邊所示，應(yīng)用層的實時數(shù)據(jù)(I/O控制數(shù)據(jù))由傳輸層的UDP(用戶數(shù)據(jù)報)協(xié)議傳送，非實時的顯式報文(Explicit Messaging)則由傳輸層的TCP(傳輸控制協(xié)議)傳送。UDP為無連接協(xié)議，軟件開銷小，傳輸速度快。TCP為面向連接的協(xié)議，適合于傳輸較長的報文。Ethernet/IP有免費的協(xié)議文本供使用(免費下載)，有開發(fā)工具并已有產(chǎn)品，故Ethernet/IP的性能和開發(fā)的成本及難度在幾種方案中均處于優(yōu)勢。
以太網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用成了當前的研究熱點，有人預言工業(yè)以太網(wǎng)將會取代所有的現(xiàn)場總線標準而一統(tǒng)天下，實現(xiàn)人們夢寐以求的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線。用以太網(wǎng)替代設(shè)備級現(xiàn)場總線也容易實現(xiàn)，只要在現(xiàn)場儀表中裝上以太網(wǎng)收發(fā)器及協(xié)議芯片，就能將儀表掛到以太網(wǎng)上。但筆者認為，這種統(tǒng)一是不現(xiàn)實的，也是不必要的。因為：
(1) 不同的應(yīng)用場合有不同的特點，一種現(xiàn)場總線(以太網(wǎng))難以滿足要求。如有的場合需要高抗干擾，有的場合需要遠距離傳輸，但并不需要大的帶寬，有的場合不適宜采用星形網(wǎng)絡(luò)等等。
(2) 采用導線的以太網(wǎng)單個網(wǎng)段長度有限，光纖網(wǎng)成本高且不能實現(xiàn)總線供電。
(3) 采用導線的高速網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力比低速網(wǎng)絡(luò)差。
(4) 在簡單的現(xiàn)場設(shè)備尤其是開關(guān)量現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)用中，采用DeviceNet、SDS、AS I、Seriplex等在成本、性能上將優(yōu)于以太網(wǎng)。
(5) 即使大家都使用工業(yè)以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，但商業(yè)競爭的結(jié)果會導致使用不同的應(yīng)用層協(xié)議。
六、結(jié)束語
多種現(xiàn)場總線標準將會在較長的時期內(nèi)共存，但總線的種類有可能會逐步減少到幾種。工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍會迅速擴大，但不會出現(xiàn)以太網(wǎng)一統(tǒng)天下的局面。多種協(xié)議標準的復雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將會簡化成為一種或兩種協(xié)議標準的網(wǎng)絡(luò)。一種協(xié)議標準就是工業(yè)以太網(wǎng)，兩種協(xié)議標準就是工業(yè)以太網(wǎng)加上一級設(shè)備網(wǎng)。現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)由過程工業(yè)、制造業(yè)、電力、環(huán)境等的系統(tǒng)監(jiān)控滲透到了變配電設(shè)備、車輛、機床、機器人等的內(nèi)部，正在徹底改變測控系統(tǒng)乃至變配電設(shè)備、機床、車輛本身的設(shè)計思想。我國的這些行業(yè)應(yīng)抓住機遇，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，提高生產(chǎn)的自動化水平或產(chǎn)品的技術(shù)含量，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
參考文獻
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[8]http://www.sercos.com
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[11]http://www.industrialethernet.com/
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