现场总线 [工业以太网在现场总线的应用].docx

现场总线[工业以太网在现场总线的应用]工业以太网在现场总线控制系统中的应用陈平张安年（洛阳工学院）摘要：分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景，指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求，提出了在现场总线中应用工业以太网的研究课题，并给出了一个工业以太网应用实例。关键词：电力网络分析;总线式结构;控制系统一、前言现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。然而就在人们沸沸扬扬的对FCS进行概念炒作的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准［1］为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层［2］，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式［3］,在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明［4］：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型以太网—工业以太网。二、工业以太网的研究现状近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的发展方向［5］：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。1、以太网集线器FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采用星型拓朴结构，如图1所示。图中集线器（HUB）［6］置于网络中心并通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和普通现场仪表（通过通道组）分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速(约100kHz)扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层控制器。图1FF的集线器型工业以太网FCS系统结构通常普通控制算法在现场控制器中进行（可由上层控制器下载），而高级控制算法则在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，所以保证了实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网I/O口，并为之提供数据缓冲区，这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享［7］。经验证［8］这种采用以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时间控制在200纳秒的范围之内，这已足以满足多数场合的实时控制要求。2、在以太网的协议中加入实时功能一些FCS的生产商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在开发自己的工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”［9］，它其实仅仅是在设备中加入特殊的协议芯片，这里不做具体介绍。3、工业以太网的研究课题上述研究工作的进展为以太网进入FCS提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大的网络优势，以满足现代工业控制中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的需要，还有待于研究工作取得更大的突破性进展。目前的研究工作应集中解决以下两个方面的问题：（1）尽快推出FCS国际标准当今的FCS领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面［10,11］。其中有影响的为Intel公司的Bitbus、德国的HART和Profibus、丹麦的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和横河的ISP、FF的H1和H2