摘要：較全面地論述了現(xiàn)場總線及不同工業(yè)領域的低層串行數(shù)字通信網(wǎng)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(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，最初應用于過程控制及制造業(yè)。現(xiàn)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(xiàn)場，先進的現(xiàn)場設備管理功能得以實現(xiàn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高等等?，F(xiàn)場總線有過不同的定義，其實質是指應用在測控現(xiàn)場，實現(xiàn)現(xiàn)場設備、系統(tǒng)管控設備之間信息交換的串行雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡。從這一概念出發(fā)，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(yè)網(wǎng)絡都可以認為是現(xiàn)場總線。這種現(xiàn)場網(wǎng)絡的發(fā)展從過程控制及制造業(yè)測控領域開始，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、農業(yè)、自動測試系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、機器人等各種領域，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))?，F(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(jiān)控級、斷續(xù)生產的制造業(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)、農業(yè)及工業(yè)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(yè)的現(xiàn)場級(設備級)或一般自動化。
IEC61158 Ed.3.0分成總論、物理層規(guī)范和服務定義、數(shù)據(jù)鏈路服務定義、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范、應用層服務定義、應用層協(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(tài)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(guī)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(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(鐵路電氣設備技術委員會)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(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。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(fā)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(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，增加了應用層和設備規(guī)范文件(device profile)，構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)絡可多至255節(jié)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(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(機械設備電氣安全技術委員會)1995年11月發(fā)布的IEC 61491工業(yè)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(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(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(yè)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(xiàn)場總線標準的動向[10]
在我國，現(xiàn)場總線技術的開發(fā)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(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)范和服務定義、數(shù)據(jù)鏈路服務定義、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?？偩€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)控制領域，這主要是因為Ethernet的CDMA/CD媒體訪問方式不能保證網(wǎng)絡(傳輸時間)的確定性，負荷重時網(wǎng)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(wǎng)如MAP網(wǎng)。但是Ethernet技術的快速發(fā)展和廣泛應用以及低廉的價格吸引著工業(yè)控制領域。100Mb/s的快速Ethernet誕生以后，一些機構開發(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?，F(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，而且希望將它直接和現(xiàn)場設備連接，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)場總線應用層和設備行規(guī)，將各自的應用層數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP的格式進行傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)用作過程控制領域的現(xiàn)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(wǎng)工業(yè)協(xié)議)是一種性能優(yōu)良的協(xié)議[12]，其應用層稱為CIP(控制與信息協(xié)議)，和ControlNet、DeviceNet總線的應用層完全相同并使用相同的設備行規(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者/消費者的通信模式，允許網(wǎng)絡上所有節(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的結構如圖1的左邊所示，應用層的實時數(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)絡的抗干擾能力比低速網(wǎng)絡差。
(4) 在簡單的現(xiàn)場設備尤其是開關量現(xiàn)場設備的應用中，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)競爭的結果會導致使用不同的應用層協(xié)議。
六、結束語
多種現(xiàn)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(yè)以太網(wǎng)的應用范圍會迅速擴大，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)絡將會簡化成為一種或兩種協(xié)議標準的網(wǎng)絡。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)加上一級設備網(wǎng)。現(xiàn)場總線技術已經(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備、車輛、機床、機器人等的內部，正在徹底改變測控系統(tǒng)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(yè)應抓住機遇，應用現(xiàn)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?lián)Q代。
參考文獻
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[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(xiàn)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
