十種類型現場總線的體系結構綜述-工業(yè)控制
經過長達15年的爭論,IEC61158用于工業(yè)控制系統的現場總線國際標準于2000年初終于獲得通過,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(xù)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,于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 FFH1現場總線以及Type10 Profinet現場總線,該標準于2003年4月成為正式國際標準。限于篇幅,本文對10種類型總線做概要論述,并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,該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術,并嚴格按照IEC定義制定現場總線標準,由于各種原因,經過多輪投票未獲通過,只能按規(guī)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(yè)領域的信息處理、監(jiān)視和控制系統,用于過程控制傳感器、執(zhí)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。在這里,H1現場總線主要用于現場級,其速率為31.25Kbps,負責兩線制向現場儀表供電,并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(jiān)控管理級和高速工廠自動化的應用,其速率為1Mbps,2.5Mbps和100Mbps。
圖1 通用現場總線網絡結構
2 Type2 ControlNet和EtherNet/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采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(jié)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,即采用并行時間域多路存取(CTDMA)方法,在每個網絡刷新間隔(NUI)內調節(jié)節(jié)點的傳送信息機會。
圖2 Type2 現場總線系統體系結構
EtherNet/IP以太網工業(yè)協議是一種開放的工業(yè)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的控制部分用于實時I/O報文,其信息部分用于報文交換。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(guī),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(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網的實時性能,ODVA(開放的DeviceNet供應商協會)于2003年8月公布了IEEE1588“用于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特別適用于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,
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