十種類型現場總線的體系結構簡析

按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在製造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。根據使用場合和用途不同，現場總線又分為H1低速現場總線和H2高速現場總線。IEC/SC65C最初定義H1總線為用於製造或過程區域的、通過兩根傳輸線向現場裝置供電的低速串行總線，H2總線為無需解決兩線制供電，用於裝置間傳送信息的高速串行總線。H1和H2總線相輔相成構成了完整的工業自動化系統信息通信網絡。

經過長達15年的爭論，IEC61158用於工業控制系統的現場總線國際標準於2000年初終於獲得通過，現場總線之爭逐漸隨之退潮，IEC/SC65C/WG6現場總線標準委員會到此也完成了歷史使命。為了進一步完善IEC61158標準，IEC/SC65C成立了MT9現場總線修訂小組，繼續這方面的工作。MT9工作組在原來8種類型現場總線的基礎上不斷完善擴充，於2001年8月制定出由10種類型現場總線組成的第三版現場總線標準，它們是：Type1 TS61158 現場總線、Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現場總線、Type3 Profibus現場總線、Type4 P-NET現場總線、Type5 FF HSE現場總線、Type6 Swift-Net 現場總線、Type7 WorldFIP現場總線、Type8 INTERBUS現場總線、Type9 FF H1現場總線以及Type10 PROFInet現場總線，該標準於2003年4月成為正式國際標準。限於篇幅，本文對10種類型總線做概要論述，並簡單綜述上述總線近三年來的最新進展。
1 Type1 TS61158 現場總線
Type1 現場總線標準由以下部分構成：
PhL：IEC61158-2：1993標準的超集（Superset）；
Foundation Fieldbus的超集；
WorldFIP的功能超集；
DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4；
Foundation Fieldbus的超集；
WorldFIP的功能超集；
AL：IEC TS61158-5，TS61158-6。
1998年之前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現場總線，該總線主要採納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術，並嚴格按照IEC定義制定現場總線標準，由於各種原因，經過多輪投票未獲通過，只能按規定成為技術報告TS61158，以此為基礎形成了現在的Type1現場總線。國際電工委員會推薦的通用現場總線網絡結構如圖1所示，從圖中可以看出現場總線系統可以支持各種工業領域的信息處理、監視和控制系統，用於過程控制傳感器、執行器和本地控制器之間的低級通信，可以與工廠自動化的PLC實現互連。在這裡，H1現場總線主要用於現場級，其速率為31.25Kbps，負責兩線制向現場儀表供電，並能支持帶總線供電設備的本質安全；H2現場總線主要面向過程控制級、監控管理級和高速工廠自動化的應用，其速率為1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/331154.htm

圖1 通用現場總線網絡結構

2 Type2 ControlNet和Ethe

rnet/IP現場總線
由ControlNet International(CI)組織負責制定的Type2現場總線標準由以下部分組成：
PhL和DLL：ControlNet；
AL：Control Net和Ethernet/IP。
Type2現場總線系統體系結構如圖2所示。ControlNet採用一種新的通信模式，即生產者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網絡上的所有節點，同時從單個數據源存取相同的數據，其主要特點是增強了系統的功能，提高了效率和實現精確的同步。網絡的媒體送取，通過限制時間存取算法來控制，即採用並行時間域多路存取（CTDMA）方法，在每個網絡刷新間隔（NUI）內調節節點的傳送信息機會。

圖2 Type2 現場總線系統體系結構

Ethernet/IP乙太網工業協議是一種開放的工業網絡，它使用有源星形拓撲結構，可以將10Mbps和100Mbps產品混合使用。該協議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協議（CIP），提供一個公共的應用層。CIP的控制部分用於實時I/O報文，其信息部分用於報文交換。ControlNet和Ethernet/IP都使用該協議通信，分享相同的對象庫、對象和設備行規，使得多個供應商的設備能在上述整個網絡中實現即插即用。對象的定義是嚴格的，在同一種網絡上支持實時報文、組態和診斷。為了提高工業乙太網的實時性能，ODVA（開放的DeviceNet供應商協會）於2003年8月公布了IEEE1588「用於Ethernet/IP實時控制應用的時鐘同步」標準。
3 Type3 Profibus 現場總線
Type3 現場總線得到Profibus用戶組織PNO的支持，德國西門子公司則是Profibus產品的主要供應商。Profibus系列由三個兼容部分組成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三條總線構成。為了提高Profibus總線性能，近幾年PNO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，同時逐步取消Profibus-FMS總線。擴展的Profibus-DP現場總線體系結構如圖3所示，Profibus-DP特別適用於設備級自動控制系統與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過程自動化設計，它能夠將變送器和執行器連接到一根公共總線，使用兩根線就可以完成供電和數據通信，並能實現本質安全性能。以此為基礎，擴展的DP功能DPV1進一步完善了Profibus-PA功能；DPV2解決了從站之間的通信與時間同步等重大問題。

圖3 Type3 Profibus現場總線體系結構

Profibus-DPV1主要是增加了非循環服務，並擴大了與2類主站的通信。眾所周知，Profibus-DP性能的特徵是在循環連接（Mscy-C1）的基礎上應用數據交換服務，實現一個主站和一系列從站之間集中的數據交換。1類主站指PLC、PC或控制器。2類主站指操作員站和編程器等。DPV1擴展了上述功能，在已有的Mscy-C1連接基礎上，增加了非循環服務，利用新的服務可以對從站中任何數據組進行讀寫。過去，2類主站只能利用DP從站的無連接服務，現在則可通過面向連接的通信對數組進行非循環讀寫，同時為進入網際網路通信擴充了功能。
Profibus-DPV2可以實現循環通信、非循環通信以及從站之間的通信。由於從站之間可直接通信，通信時間縮短1個DP總線周期和主站周期，從而使反應時間縮短60%至90%，同時建立了等時間間隔的總線循環周期，其時間偏差小於1μs，即適用於高精度定位控制，又可實現閉環控制。DPV2可根據不同的應用需要開發專用行規（profile），如用於運動控制的ProfiDrive和用於聯鎖保護的ProfiSafe等。

4 Type4 P-NET現場總線
P-NET現場總線由丹麥Process-Data Sikebory Aps公司從1983年開始開發，主要應用於啤酒、食品、農業和飼養業，它得到P-NET用戶組織的支持，在現場大約有5000多個應用系統。

圖4 Type4 P-NET現場總線體系結構

P-NET現場總線是一種多主站、多網絡系統，圖4給出了P-NET系統的體系結構。總線採用分段結構，每個總線分段上可以連接多個主站，主站之間通過接口能夠實現網上互連，它允許在幾個總線區直接尋址，無需遞階網絡結構。該總線通信協議包括1、2、3、4和7層，並利用信道機構定義用戶層。通信採用虛擬令牌（virtual token）傳遞方式，主站發送一個請求，被尋址的從站在390μs內立即返回一個響應，只有存放到從站內存中的數據才可被訪問。每個站節點都含有一個通用的單晶片微處理機，配套的2KB EPROM不僅可用作通信，而且可用於測量、標定、轉換和應用功能。P-NET接口晶片執行數據鏈路層的所有功能，第3層和第4層的功能由宿主處理器中的軟體解決。該總線物理層基於RS-485標準，使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，應用NRZ編碼異步傳輸。