广义现场总线标准与工业以太网

作者：湘潭工学院 成继勋 沈洪远

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 摘要：较全面地论述了现场总线及不同工业领域的低层串行数字通信网络的国际标准：包括8类总线的IEC 61158标准，以及用于公路车辆数字信息交换的ISO 11898标准，列车通信网标准IEC 61375，用于低压配电与控制装置的控制器与设备接口标准IEC 62026，用于工业机械(机床)运动控制的实时通信标准IEC 61491(SERCOS)。介绍了我国制订现场总线标准的动向。论述了高速以太网用作现场总线的发展趋势。 关键词：现场总线 标准 工业以太网 一、 引 言 开发现场总线最初目的是用数字仪表内部所具有的数字信号替代4～20mA等模拟信号实现控制室与现场之间的信息传输，最初应用于过程控制及制造业。现场总线应用以后，人们得到了更多的好处。例如控制功能彻底分散到现场，先进的现场设备管理功能得以实现，系统的可靠性大大提高等等。现场总线有过不同的定义，其实质是指应用在测控现场，实现现场设备、系统管控设备之间信息交换的串行双向数字通信网络。从这一概念出发，本文所述的应用在公路车辆、铁路列车、低压配电与控制以及机床运动控制等领域的ISO11898、IEC 61375、IEC 62026、IEC 61491等标准所定义的工业网络都可以认为是现场总线。这种现场网络的发展从过程控制及制造业测控领域开始，以后很快发展到诸如电力监控与继电保护、楼宇自动化、环境监控、交通工具、能源管理、农业、自动测试系统、医疗仪器、机器人等各种领域，现在现场总线已经无处不在。 二、现场总线国际标准IEC 61158 自80年代中期开始，世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼容的现场总线协议标准，据不完全统计，迄今为止世界上已出现过的总线有近200种。不同标准的现场产品不能互换，将给用户造成极大的不便。从1984年起，IEC(国际电工委员会)/TC65(工业过程测量及控制技术委员会)和ISA(美国仪表学会)就开始了制订国际标准的工作。但由于受到大控制厂商相互竞争的影响，国际标准的制订困难重重，商业集团为了自身的利益给国际标准的投票通过制造阻力，使得国际标准迟迟不能完成。最终不得已在1999年12月通过了一个包含了多种互不兼容的协议的标准，即IEC 61158国际标准。该标准包括了目前国际上用于过程工业及制造业的8类主要的现场总线协议。 Type1,IEC 61158技术规范。这是由IEC/ISA负责制订的，曾试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范，基金会现场总线FF的H1(低速现场总线)是它的一个子集。 Type2，ControlNet现场总线。美国AB公司、Rockwell开发，ControlNet International(CI)组织支持。 Type3,Profibus现场总线。德国西门子公司开发，Profibus用户组织(PNO)支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。 Type4,PNet现场总线。丹麦Process Data公司开发，PNet用户组织支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。 Type5,FF HSE(High Speed Ethernet,高速以太网)。现场总线基金会FF开发的H2(高速现场总线)。 Type6,SwiftNet现场总线。美国SHIP STAR协会主持制定，波音公司支持。 Type7,WorldFIP现场总线。法国WorldFIP协会制订并支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。 Type8,Interbus现场总线。德国Phoenix Contact公司开发，Interbus Club支持。 上述8种总线中，Type1是为过程控制开发的，支持总线供电和本质安全。Type5(FF HSE)是与之配套的高速现场总线，用于对时间有苛刻要求或数据量较大的场合，如断续生产的制造业，以及监控级。Type2(ControlNet)为监控级总线，它的底层(设备级)总线为DeviceNet，两者有着共同的应用层。Type3(Profibus)有3个部分Profibus FMS、Profibus DP和Profibus PA，采用不同的物理层，分别用于监控级、断续生产的制造业的现场级和过程控制的现场级。Type7(WorldFIP)也有不同的物理层，可用于过程控制和制造业的现场级。Type4(PNet)多用于食品、饲养业、农业及工业一般自动化。Type6(SwiftNet)主要用于航空航天领域。Type8(Interbus)主要用于制造业的现场级(设备级)或一般自动化。 IEC61158 Ed.3.0分成总论、物理层规范和服务定义、数据链路服务定义、数据链路协议规范、应用层服务定义、应用层协议规范6个部分，它的用户层功能块是IEC 61804标准，再加上IEC 61784(连续与断续制造用行规集，草案)构成一个完整的现场总线标准。 三、现场总线的其它国际标准 除了IEC 61158外，IEC及ISO还制定了一些特殊行业的现场总线国际标准。 (1) 1993年ISO/TC22/SC3(公路车辆技术委员会电气电子分委员会)发布的ISO 11898公路车辆—数字信息交换—用于高速通信的CAN以及低速标准ISO 11519。 该标准基于有名的CAN(控制器局域网)总线，已有很多文献介绍。与之相关的还有ISO 119921(公路车辆—主拖与被拖车辆之间的电气连接—数字信息交换—卡车/拖车收发器标准)和ISO 11898 3(容错收发器标准)两个低速的物理接口标准ISO119921提高了发送电平，具有很高的抗电磁干扰能力，能抵御100V以上的共模射频电压和约6V的地电位差，可用于严酷的电磁环境。 ISO 11898 3的特点是具有总线管理功能和容错性能。在总线CAN H和CAN L之一断线、CAN H和CAN L之一对电源短路或对地短路、CAN H和CAN L相互短路及线路与终端电阻断开时均能给出指示。总线在正常状态时为差分传输，故障时转为单线传输，故障消除后又自动转为差分传输。 由于CAN没有规定应用层和物理接口，一些组织给它制定了不同的应用层和物理接口标准构成了几种完整的现场总线协议，其中比较有名的有下文提到的DeviceNet、SDS以及CANopen等。 (2) 1999年9月IEC TC9(铁路电气设备技术委员会)发布的国际标准IEC 61375列车通信网(TCN)[5]。 该标准定义了两层总线：列车总线(WTB,Wire Train Bus)和多功能车辆总线(MVB,Multifunction Vehicle Bus)。 MVB用于车辆或机车内部通信，速率1.5Mb/s，提供3种物理接口：RS 485(距离不大于20m)；屏蔽双绞线变压器隔离接口(200m)，允许使用IEC 61158 2标准的变压器和收发器；点对点或星型的光纤连接(2000m)。MVB具有冗余媒体，媒体访问采用具有冗余主站(总线管理站)的主从方式。在任何时刻总线上都只有一个能发起通信的主站，但有两个或几个能转变为主站的总线管理站。几个总线管理站通过令牌传递来转移主站行使权，每隔几秒钟转移一次。 WTB用于车辆之间的连接，每一车辆一个节点，WTB可有32个节点(最大62个)，860m，媒体冗余，采用有护层的屏蔽双绞线、变压器隔离、曼彻斯特(Manchester)编码，速率1.5Mb/s。 由于总线长，接收信号动态范围大，解码器采用SDSP(统计数字信号处理器)。媒体访问采用主从方式，主站固定，但所有节点均有作为主站的能力，必要时(如主站失效、列车重组等)可改变主站节点。 MVB和WTB的链路层支持周期和非周期两类数据，提供过程数据、报文数据和管理数据3种服务。高层协议(0SI的3～7层)称为RTP(实时协议)，提供变量、报文和网络管理3种基本服务。为了提高实时性，变量服务只有应用层。 (3) IEC SC17B(低压配电与控制装置分委员会)发布的国际标准IEC 62026低压配电与控制装置—控制器与设备接口(CDIs)[1]。 这个标准包括了已有的4种现场总线：2000年7月发布的DeviceNet、SDS(Smart distributed system)和AS i(Actuator sensor interface),以及2001年11月审议通过的Seriplex总线(Serial multiplexed control Bus)。 DeviceNet和SDS都是基于CAN的，即它们的低两层协议采纳了CAN，补充了物理层，增加了应用层和设备规范文件(device profile)，构成了完整的开放的现场总线。 ASI[6]和 Seriplex[7]是两种面向位(bit)的价格低廉的总线，特别适合于以开关量为主的智能配线系统。AS ｉ是一种轮循方式的主／从系统，每次交换4位数据，采用无屏蔽双绞线，支持总线供电，距离100m(可加重复器扩展到300m)最大响应时间5ms。Seriplex使用电源＋、数据、时钟、公共线(地)4芯加屏蔽的专用电缆完成主／从或点对点通信，拓扑任意，距离达1500m。它可以直接与嵌有Seriplex ASIC(专用集成电路)的控制元件或I/O模块连接，每个网络可多至255节点，响应时间小于1ms。Seriplex的传输方式几乎不同于其它所有总线，它的ASIC不停地对时钟线上的脉冲记数，当记数等于自己的地址时，ASIC与数据线交换1位数据。 (4) IEC TC44(机械设备电气安全技术委员会)1995年11月发布的IEC 61491工业机械电气设备—控制单元与驱动装置之间的实时通信串行数据链路[1][8][9]。 该标准定义了一种开放的、控制单元与驱动装置之间的实时光纤串行接口，又被称作SERCOS(Seriel Real time Communication System,串行实时通信系统)主要用于机床驱动等运动控制系统中对位置、速度、扭矩等的控制，尤其用在多轴协调驱动等场合。此外也可用于PLC接口或其它的I/O模块。SERCOS是一个2/4 Mbit/s的光纤环(正在改进的2．0版速率为2/4/8/16 Mbit/s)，每环可多至254个节点。节点的主控制器或驱动装置中嵌入SERCOS专用芯片(SERCON410B等，新版为SERCON816)完成通信及驱动功能。 此外，还有一些总线虽然不是国际标准，但已获得了广泛应用。如美国Echelon公司推出的LonWorks总线，已在许多行业得到应用，是建筑自动化中起主导作用的总线，美国的列车通信标准也采用LonWorks。 四、我国制订现场总线标准的动向[10] 在我国，现场总线技术的开发和应用还相当落后。在技术相对落后的领域中，国家标准的制订常等同采用相应的国际标准。在现场总线国际标准的制订过程中，我国对IEC/ISA的工作即对IEC 61158技术报告一直是投赞成票的，即希望有一种和国际标准一致的单一的国家标准。1993．10已等同采用IEC 61158 2(物理层规范)形成了GB/T 16657 2，并计划等同采用IEC 61158技术报告的3、4、5、6部分。国家已大力投资支持开发FF现场总线并取得了成效，正准备通过互操作检验。 1999年12月投票表决新的多总线共存的IEC 61158标准时，我国同样投了赞成票，即承认了多总线共存的局面。但是，我国对于现场总线国家标准的制订，已不打算等同采用IEC 61158标准。这是因为：第一，新的国际标准是按总论、物理层规范和服务定义、数据链路服务定义、数据链路协议规范……等分标准发布的，8种标准分散在各个部分中，用户使用一种总线标准时，要从近4000页文件中挑选，极不方便。第二，8种总线，性能有优劣，应用范围有宽窄，开发难度有难易，开放程度也不同，一种总线一般都能用于多个领域，我国完全没有必要全部采用。我国准备采用的做法是： (1) 选择我们认为影响大的优秀的有市场前途的一些总线为我国的标准。这些总线必须是真正开放的。总线所支持的国际组织必须支持、帮助中国的标准化工作，支持中国的企业开发现场总线产品。 (2) 标准的文本采用欧洲现场总线标准的方式，一个一个总线分开，便于用户使用。1996年欧洲标准化委员会发布的EN50170标准包括了Profibus、WorldFIP、Ｐ Net三种现场总线，后又采用了ControlNet和FF。 五、关于工业以太网和TCP/IP协议簇[11] 几年以前，Ethernet(以太网)还被认为不能用于工业控制领域，这主要是因为Ethernet的CDMA/CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)的确定性，负荷重时网络的传输效率很低甚至崩溃。故在以往开放的DCS中不得不采用昂贵的令牌网如MAP网。但是Ethernet技术的快速发展和广泛应用以及低廉的价格吸引着工业控制领域。100Mb/s的快速Ethernet诞生以后，一些机构开发出适合于工业环境的Ethernet器件，开始将Ethernet用于DCS的监控级。事实证明，由于其高速、低负荷率，完全能保证系统的实时性。现在多个现场总线行业性组织都在进行Ethernet用作工业网络的研究并推出了他们的解决方案。除上述的FF HSE外，还有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。这些研究不仅仅是把Ethernet用作高层网络，而且希望将它直接和现场设备连接，实现所谓“一网到底；”、“一网打净”。支持推进这些研究活动的国际组织有工业以太网协会 (Industrial Ethernet Association)、工业自动化开放网络协会(IAONA)等。我国的“十五”863第一批项目也将工业以太网现场总线列为重点攻关项目。 以上的解决方案基本上都是采用快速以太网(IEEE 802.3u)作为低两层协议，第3、4层采用TCP/IP协议簇，再加上各自原来的现场总线应用层和设备行规，将各自的应用层数据封装成TCP/IP的格式进行传输。工业以太网用作过程控制领域的现场总线还要解决总线供电和本质安全问题，这也是目前正在研究的重要问题。 由ODVA支持的Ethernet/IP(以太网工业协议)是一种性能优良的协议[12]，其应用层称为CIP(控制与信息协议)，和ControlNet、DeviceNet总线的应用层完全相同并使用相同的设备行规，从而实现和ControlNet/DeviceNet总线系统的无缝连接并共同使用。CIP采用了一种叫做生产者/消费者的通信模式，允许网络上所有节点同时从一个数据源存取同一数据，提高了通信效率。EtherNet/IP的结构如图1的左边所示，应用层的实时数据(I/O控制数据)由传输层的UDP(用户数据报)协议传送，非实时的显式报文(Explicit Messaging)则由传输层的TCP(传输控制协议)传送。UDP为无连接协议，软件开销小，传输速度快。TCP为面向连接的协议，适合于传输较长的报文。Ethernet/IP有免费的协议文本供使用(免费下载)，有开发工具并已有产品，故Ethernet/IP的性能和开发的成本及难度在几种方案中均处于优势。 以太网的工业应用成了当前的研究热点，有人预言工业以太网将会取代所有的现场总线标准而一统天下，实现人们梦寐以求的统一的现场总线。用以太网替代设备级现场总线也容易实现，只要在现场仪表中装上以太网收发器及协议芯片，就能将仪表挂到以太网上。但笔者认为，这种统一是不现实的，也是不必要的。因为： (1) 不同的应用场合有不同的特点，一种现场总线(以太网)难以满足要求。如有的场合需要高抗干扰，有的场合需要远距离传输，但并不需要大的带宽，有的场合不适宜采用星形网络等等。 (2) 采用导线的以太网单个网段长度有限，光纤网成本高且不能实现总线供电。 (3) 采用导线的高速网络的抗干扰能力比低速网络差。 (4) 在简单的现场设备尤其是开关量现场设备的应用中，采用DeviceNet、SDS、AS I、Seriplex等在成本、性能上将优于以太网。 (5) 即使大家都使用工业以太网和TCP/IP协议，但商业竞争的结果会导致使用不同的应用层协议。 六、结束语 多种现场总线标准将会在较长的时期内共存，但总线的种类有可能会逐步减少到几种。工业以太网的应用范围会迅速扩大，但不会出现以太网一统天下的局面。多种协议标准的复杂的工业网络将会简化成为一种或两种协议标准的网络。一种协议标准就是工业以太网，两种协议标准就是工业以太网加上一级设备网。现场总线技术已经由过程工业、制造业、电力、环境等的系统监控渗透到了变配电设备、车辆、机床、机器人等的内部，正在彻底改变测控系统乃至变配电设备、机床、车辆本身的设计思想。我国的这些行业应抓住机遇，应用现场总线技术，提高生产的自动化水平或产品的技术含量，加快产品的更新换代。 参考文献 [1]http：//www.iec.ch [2]成继勋．现场总线标准的现状及展望．计算技术及自动化(中南六省自动化学术年会论文集)，1999．11：261～264 [3]缪学勤．现场总线技术的最新进展．自动化仪表，2000，21(6)：1～4 [4]成继勋．CAN总线的物理层协议．世界仪表与自动化(IIAC′2001论文集)，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]冯晓升．中国现场总线标准体系的形成与实施．世界仪表与自动化(IIAC′2001论文集)，2001．9：138～142 [11]http://www.industrialethernet.com/ [12]ODVA & CI,Ethernet/IP Specification,Release 1.0,June 5,2001 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/23/2006)