發布日期：2022-04-27 點擊率：64
摘要：較全面地論述了現場總線及不同工業領域的低層串行數字通信網絡的國際標準：包括8類總線的IEC 61158標準，以及用于公路車輛數字信息交換的ISO 11898標準，列車通信網標準IEC 61375，用于低壓配電與控制裝置的控制器與設備接口標準IEC 62026，用于工業機械(機床)運動控制的實時通信標準IEC 61491(SERCOS)。介紹了我國制訂現場總線標準的動向。論述了高速以太網用作現場總線的發展趨勢。
關鍵詞：現場總線 標準 工業以太網
一、 引 言
開發現場總線最初目的是用數字儀表內部所具有的數字信號替代4～20mA等模擬信號實現控制室與現場之間的信息傳輸，最初應用于過程控制及制造業。現場總線應用以后，人們得到了更多的好處。例如控制功能徹底分散到現場，先進的現場設備管理功能得以實現，系統的可靠性大大提高等等。現場總線有過不同的定義，其實質是指應用在測控現場，實現現場設備、系統管控設備之間信息交換的串行雙向數字通信網絡。從這一概念出發，本文所述的應用在公路車輛、鐵路列車、低壓配電與控制以及機床運動控制等領域的ISO11898、IEC 61375、IEC 62026、IEC 61491等標準所定義的工業網絡都可以認為是現場總線。這種現場網絡的發展從過程控制及制造業測控領域開始，以后很快發展到諸如電力監控與繼電保護、樓宇自動化、環境監控、交通工具、能源管理、農業、自動測試系統、醫療儀器、機器人等各種領域，現在現場總線已經無處不在。
二、現場總線國際標準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場總線協議標準，據不完全統計，迄今為止世界上已出現過的總線有近200種。不同標準的現場產品不能互換，將給用戶造成極大的不便。從1984年起，IEC(國際電工委員會)/TC65(工業過程測量及控制技術委員會)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及制造業的8類主要的現場總線協議。
Type1,IEC 61158技術規范。這是由IEC/ISA負責制訂的，曾試圖使之成為統一的國際標準的一個技術規范，基金會現場總線FF的H1(低速現場總線)是它的一個子集。
Type2，ControlNet現場總線。美國AB公司、Rockwell開發，ControlNet International(CI)組織支持。
Type3,Profibus現場總線。德國西門子公司開發，Profibus用戶組織(PNO)支持。歐洲現場總線標準三大總線之一。
Type4,PNet現場總線。丹麥Process Data公司開發，PNet用戶組織支持。歐洲現場總線標準三大總線之一。
Type5,FF HSE(High Speed Ethernet,高速以太網)。現場總線基金會FF開發的H2(高速現場總線)。
Type6,SwiftNet現場總線。美國SHIP STAR協會主持制定，波音公司支持。
Type7,WorldFIP現場總線。法國WorldFIP協會制訂并支持。歐洲現場總線標準三大總線之一。
Type8,Interbus現場總線。德國Phoenix Contact公司開發，Interbus Club支持。
上述8種總線中，Type1是為過程控制開發的，支持總線供電和本質安全。Type5(FF HSE)是與之配套的高速現場總線，用于對時間有苛刻要求或數據量較大的場合，如斷續生產的制造業，以及監控級。Type2(ControlNet)為監控級總線，它的底層(設備級)總線為DeviceNet，兩者有著共同的應用層。Type3(Profibus)有3個部分Profibus FMS、Profibus DP和Profibus PA，采用不同的物理層，分別用于監控級、斷續生產的制造業的現場級和過程控制的現場級。Type7(WorldFIP)也有不同的物理層，可用于過程控制和制造業的現場級。Type4(PNet)多用于食品、飼養業、農業及工業一般自動化。Type6(SwiftNet)主要用于航空航天領域。Type8(Interbus)主要用于制造業的現場級(設備級)或一般自動化。
IEC61158 Ed.3.0分成總論、物理層規范和服務定義、數據鏈路服務定義、數據鏈路協議規范、應用層服務定義、應用層協議規范6個部分，它的用戶層功能塊是IEC 61804標準，再加上IEC 61784(連續與斷續制造用行規集，草案)構成一個完整的現場總線標準。
三、現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的現場總線國際標準。
(1) 1993年ISO/TC22/SC3(公路車輛技術委員會電氣電子分委員會)發布的ISO 11898公路車輛—數字信息交換—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)總線，已有很多文獻介紹。與之相關的還有ISO 119921(公路車輛—主拖與被拖車輛之間的電氣連接—數字信息交換—卡車/拖車收發器標準)和ISO 11898 3(容錯收發器標準)兩個低速的物理接口標準ISO119921提高了發送電平，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之一對電源短路或對地短路、CAN 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。總線在正常狀態時為差分傳輸，故障時轉為單線傳輸，故障消除后又自動轉為差分傳輸。
由于CAN沒有規定應用層和物理接口，一些組織給它制定了不同的應用層和物理接口標準構成了幾種完整的現場總線協議，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(鐵路電氣設備技術委員會)發布的國際標準IEC 61375列車通信網(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起通信的主站，但有兩個或幾個能轉變為主站的總線管理站。幾個總線管理站通過令牌傳遞來轉移主站行使權，每隔幾秒鐘轉移一次。
WTB用于車輛之間的連接，每一車輛一個節點，WTB可有32個節點(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，接收信號動態范圍大，解碼器采用SDSP(統計數字信號處理器)。媒體訪問采用主從方式，主站固定，但所有節點均有作為主站的能力，必要時(如主站失效、列車重組等)可改變主站節點。
MVB和WTB的鏈路層支持周期和非周期兩類數據，提供過程數據、報文數據和管理數據3種服務。高層協議(0SI的3～7層)稱為RTP(實時協議)，提供變量、報文和網絡管理3種基本服務。為了提高實時性，變量服務只有應用層。
(3) IEC SC17B(低壓配電與控制裝置分委員會)發布的國際標準IEC 62026低壓配電與控制裝置—控制器與設備接口(CDIs)[1]。
這個標準包括了已有的4種現場總線：2000年7月發布的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，即它們的低兩層協議采納了CAN，補充了物理層，增加了應用層和設備規范文件(device profile)，構成了完整的開放的現場總線。
ASI[6]和 Seriplex[7]是兩種面向位(bit)的價格低廉的總線，特別適合于以開關量為主的智能配線系統。AS ｉ是一種輪循方式的主／從系統，每次交換4位數據，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)最大響應時間5ms。Seriplex使用電源＋、數據、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，每個網絡可多至255節點，響應時間小于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，當記數等于自己的地址時，ASIC與數據線交換1位數據。
(4) IEC TC44(機械設備電氣安全技術委員會)1995年11月發布的IEC 61491工業機械電氣設備—控制單元與驅動裝置之間的實時通信串行數據鏈路[1][8][9]。
該標準定義了一種開放的、控制單元與驅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)主要用于機床驅動等運動控制系統中對位置、速度、扭矩等的控制，尤其用在多軸協調驅動等場合。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(正在改進的2．0版速率為2/4/8/16 Mbit/s)，每環可多至254個節點。節點的主控制器或驅動裝置中嵌入SERCOS專用芯片(SERCON410B等，新版為SERCON816)完成通信及驅動功能。
此外，還有一些總線雖然不是國際標準，但已獲得了廣泛應用。如美國Echelon公司推出的LonWorks總線，已在許多行業得到應用，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、我國制訂現場總線標準的動向[10]
在我國，現場總線技術的開發和應用還相當落后。在技術相對落后的領域中，國家標準的制訂常等同采用相應的國際標準。在現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(物理層規范)形成了GB/T 16657 2，并計劃等同采用IEC 61158技術報告的3、4、5、6部分。國家已大力投資支持開發FF現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、物理層規范和服務定義、數據鏈路服務定義、數據鏈路協議規范……等分標準發布的，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，性能有優劣，應用范圍有寬窄，開發難度有難易，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，支持中國的企業開發現場總線產品。
(2) 標準的文本采用歐洲現場總線標準的方式，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布的EN50170標準包括了Profibus、WorldFIP、Ｐ Net三種現場總線，后又采用了ControlNet和FF。
五、關于工業以太網和TCP/IP協議簇[11]
幾年以前，Ethernet(以太網)還被認為不能用于工業控制領域，這主要是因為Ethernet的CDMA/CD媒體訪問方式不能保證網絡(傳輸時間)的確定性，負荷重時網絡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如MAP網。但是Ethernet技術的快速發展和廣泛應用以及低廉的價格吸引著工業控制領域。100Mb/s的快速Ethernet誕生以后，一些機構開發出適合于工業環境的Ethernet器件，開始將Ethernet用于DCS的監控級。事實證明，由于其高速、低負荷率，完全能保證系統的實時性。現在多個現場總線行業性組織都在進行Ethernet用作工業網絡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用作高層網絡，而且希望將它直接和現場設備連接，實現所謂“一網到底；”、“一網打凈”。支持推進這些研究活動的國際組織有工業以太網協會
(Industrial Ethernet Association)、工業自動化開放網絡協會(IAONA)等。我國的“十五”863第一批項目也將工業以太網現場總線列為重點攻關項目。
以上的解決方案基本上都是采用快速以太網(IEEE 802.3u)作為低兩層協議，第3、4層采用TCP/IP協議簇，再加上各自原來的現場總線應用層和設備行規，將各自的應用層數據封裝成TCP/IP的格式進行傳輸。工業以太網用作過程控制領域的現場總線還要解決總線供電和本質安全問題，這也是目前正在研究的重要問題。
由ODVA支持的Ethernet/IP(以太網工業協議)是一種性能優良的協議[12]，其應用層稱為CIP(控制與信息協議)，和ControlNet、DeviceNet總線的應用層完全相同并使用相同的設備行規，從而實現和ControlNet/DeviceNet總線系統的無縫連接并共同使用。CIP采用了一種叫做生產者/消費者的通信模式，允許網絡上所有節點同時從一個數據源存取同一數據，提高了通信效率。EtherNet/IP的結構如圖1的左邊所示，應用層的實時數據(I/O控制數據)由傳輸層的UDP(用戶數據報)協議傳送，非實時的顯式報文(Explicit Messaging)則由傳輸層的TCP(傳輸控制協議)傳送。UDP為無連接協議，軟件開銷小，傳輸速度快。TCP為面向連接的協議，適合于傳輸較長的報文。Ethernet/IP有免費的協議文本供使用(免費下載)，有開發工具并已有產品，故Ethernet/IP的性能和開發的成本及難度在幾種方案中均處于優勢。
以太網的工業應用成了當前的研究熱點，有人預言工業以太網將會取代所有的現場總線標準而一統天下，實現人們夢寐以求的統一的現場總線。用以太網替代設備級現場總線也容易實現，只要在現場儀表中裝上以太網收發器及協議芯片，就能將儀表掛到以太網上。但筆者認為，這種統一是不現實的，也是不必要的。因為：
(1) 不同的應用場合有不同的特點，一種現場總線(以太網)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絡等等。
(2) 采用導線的以太網單個網段長度有限，光纖網成本高且不能實現總線供電。
(3) 采用導線的高速網絡的抗干擾能力比低速網絡差。
(4) 在簡單的現場設備尤其是開關量現場設備的應用中，采用DeviceNet、SDS、AS I、Seriplex等在成本、性能上將優于以太網。
(5) 即使大家都使用工業以太網和TCP/IP協議，但商業競爭的結果會導致使用不同的應用層協議。
六、結束語
多種現場總線標準將會在較長的時期內共存，但總線的種類有可能會逐步減少到幾種。工業以太網的應用范圍會迅速擴大，但不會出現以太網一統天下的局面。多種協議標準的復雜的工業網絡將會簡化成為一種或兩種協議標準的網絡。一種協議標準就是工業以太網，兩種協議標準就是工業以太網加上一級設備網。現場總線技術已經由過程工業、制造業、電力、環境等的系統監控滲透到了變配電設備、車輛、機床、機器人等的內部，正在徹底改變測控系統乃至變配電設備、機床、車輛本身的設計思想。我國的這些行業應抓住機遇，應用現場總線技術，提高生產的自動化水平或產品的技術含量，加快產品的更新換代。
參考文獻
[1]http：//www.iec.ch
[2]成繼勛．現場總線標準的現狀及展望．計算技術及自動化(中南六省自動化學術年會論文集)，1999．11：261～264
[3]繆學勤．現場總線技術的最新進展．自動化儀表，2000，21(6)：1～4
[4]成繼勛．CAN總線的物理層協議．世界儀表與自動化(IIAC′2001論文集)，2001．9：202～206
[5]http://www.labs.it/rosin/tcncorso/tutindex.htm
[6]http://www.as interface.com/default.asp
[7]http://www.auburnarmature.com/techsupp/networks/seriplex.html
[8]http://www.sercos.com
[9]http://www.sercos.de
[10]馮曉升．中國現場總線標準體系的形成與實施．世界儀表與自動化(IIAC′2001論文集)，2001．9：138～142
[11]http://www.industrialethernet.com/
[12]ODVA & CI,Ethernet/IP Specification,Release 1.0,June 5,2001
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