devicenet現(xiàn)場總線協(xié)議講解

1、devicenet簡介:devicenet是由美國rockwell公司在can基礎(chǔ) 上推出的一種低成本的通信鏈接，是一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它將基 本工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而避免了昂貴和繁瑣的硬接線。 devicenet是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部 件間的可互換性的同量，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設(shè)備的成 本和時間。devicenet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信， 而且同時提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級診斷功能?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點1.現(xiàn)場總線的歷史和發(fā)展現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的。隨著 微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇下降，計算機與 計算機網(wǎng)

2、絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產(chǎn)過程底層的測控自動 化系統(tǒng)，采用一對一聯(lián)機，用電壓、電流的模擬信號進行測量控 制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與 外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實現(xiàn)整 個企業(yè)的信息集成，要實施綜合口動化，就必須設(shè)計出一種能在 工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通訊系統(tǒng)，形成工 廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備z間的多點數(shù)字通訊，實現(xiàn)底 層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線就是 在這種實際需求的驅(qū)動下應(yīng)運產(chǎn)生的。它作為過程口動化、制造 自動化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò), 溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備

3、之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò) 之間的聯(lián)系，為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。由于標(biāo)準(zhǔn)實質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對現(xiàn)場總線的定義也是各有 各的定義。下面給出的是現(xiàn)場總線的兩種有代表性的定義。（1） isa sp50屮對現(xiàn)場總線的定義?，F(xiàn)場總線是一種串行的 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通訊鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即 場地級設(shè)備）之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè) 備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系。這里的現(xiàn)場設(shè)備指最底層的控制監(jiān)測、執(zhí)行和計算設(shè)備，包 括傳感器、控制器、智能閥門、微處理器和內(nèi)存等各種類型的儀 表產(chǎn)品o根據(jù)國際電工委員會iec標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會ff的 定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)

4、場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙 向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)路?，F(xiàn)場總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以 下6個方面：a）現(xiàn)場通訊網(wǎng)路：用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通訊網(wǎng)路。b）現(xiàn)場設(shè)備互連：現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器 和執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙 絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選 擇不同類型的傳輸介質(zhì)。c）互操作性：現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家 制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備，所以，互相連接 不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品 而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價格比

5、 最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實現(xiàn)“即接即用；用戶希望對 不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些 就是現(xiàn)場總線設(shè)備互操作性的含義?，F(xiàn)場設(shè)備互連是基木的要 求，只有實現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成fcsod）分散功能塊：fcs廢棄了 dcs的輸入/輸出單元和控制 站，把dcs控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛 擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累 加輸入模塊，而冃有pid控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功 能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，也可以有p1d 控制和運算模塊，甚至有閥門特性口檢驗和自診斷功能。由于功 能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中

6、，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各 種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。e）通訊線供電：通訊線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通訊線 上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種 供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物 質(zhì)，所有現(xiàn)場設(shè)備都必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場總線設(shè)備 也不例外。f) 開放式互連網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與 同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫 的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟 件上花太多氣力。通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不 同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的fcs

7、。2.現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照國際標(biāo)準(zhǔn)化 組織(iso)制定的開放系統(tǒng)互連(osi： open system interconnection)參考模型建立的。osi參考模型共分七層，即 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會話層、表示層和應(yīng)用 層，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一層的功能以及對上一層所提供的服務(wù)。從 osi模式的角度來看，現(xiàn)場總線將上述七層簡化成三層，分別由 osi參考模式的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應(yīng)用 層組成。如圖12所示。版權(quán)所有cascio網(wǎng)絡(luò)管理posutiaster: cocrdination傳輸介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)管理8 v721tag tic1

8、01 reor tempe rat lt»pv= 242 degrees cf圖12現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線主要特點是使底層的控制部件、設(shè)備更加智能化,把在傳統(tǒng)dcs中的控制功能，下移到現(xiàn)場儀表。在此，現(xiàn)場總 線的網(wǎng)絡(luò)通訊起了重要作用。現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)統(tǒng)一為4層, 即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。省略了一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 的36 （表達(dá)層、會話層、傳遞層和網(wǎng)絡(luò)層）.現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控 制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備聯(lián)機，按控制回路分別進行連接。位于 現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器z間,控制器與位于現(xiàn) 場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達(dá)z間均為一對一的物理連接。現(xiàn)場

9、總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先dcs 系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備, 加上現(xiàn)場設(shè)備具有通訊能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等 執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的 計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 devicenet正是目前幾十種現(xiàn)場總線中得到廣泛應(yīng)用的一種。由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳 輸多個信號（包括多個運行參數(shù)值、多個設(shè)備狀態(tài)、故障信息）， 同時又為多個設(shè)備提供電源；現(xiàn)場設(shè)備以外不再需要模擬/數(shù) 字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬設(shè)備、 節(jié)約連接電纜與各種安裝、維

10、護費用創(chuàng)造了條件。版權(quán)所關(guān)月醐iif h3i£l54圖13 devicenet控制系統(tǒng)示意圖3 .devicenet技術(shù)背景和特點多年來，過程工業(yè)一直致力于開發(fā)一種單一的、開放的標(biāo)準(zhǔn) 對現(xiàn)場的各類設(shè)備進行編址。標(biāo)準(zhǔn)的最初目標(biāo)是用單的數(shù)字標(biāo) 準(zhǔn)取代牛20ma標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)范圍擴展到尋址復(fù)朵的、高難度的服務(wù) 時（如：控制器間的高速通訊、大量快速掃描設(shè)備間的時間同步） 單一標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)變得延遲了。同時，通訊技術(shù)的成本近幾年已經(jīng) 明顯的降低，將簡單設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)上（而不必考慮sp50 現(xiàn)場總線）的成本由此變得經(jīng)濟。簡單設(shè)備的這種標(biāo)準(zhǔn)要求同現(xiàn)存的120/220vac和24vdc離散、硬接線i/o標(biāo)

11、準(zhǔn)具有和同級 別的互換性。devicenet在允許多個復(fù)雜設(shè)備互連接的同時，允 許簡單設(shè)備的互換性。除了讀取離散設(shè)備的狀態(tài)外，devicenet 還可以報告馬達(dá)啟動器內(nèi)溫度、讀取負(fù)載電流、改變驅(qū)動器加減 速速率、或統(tǒng)計前一小時通過傳輸帶傳送的包裹計數(shù)。翩絡(luò)長度網(wǎng)絡(luò)模型 數(shù)據(jù)包 總線拓?fù)?結(jié)構(gòu)息線尋址devicenet的主要技術(shù)特點如下表所示最多64個節(jié)點可選的端對端網(wǎng)絡(luò)距離隨麗絡(luò)傳輸速度變化波特率距離125kbp500tn(b 640ft)250kbp250m(820ft)500kbp100m(328ft)生產(chǎn)者梢費者模型名字節(jié)線性（干線皮線h電源和信號在同一廁絡(luò)電纜中帶多點傳送（一對多）的點

12、對點；多主站和 主/從；輪詢或狀態(tài)改變（基于事件）表11 devicenet技術(shù)特點4devicenet的應(yīng)用最終用戶希望獲得器件級網(wǎng)絡(luò)提供的利益，例如減少接線和 增加診斷功能。到1997年底，devicenet已有16萬個以上經(jīng)過 驗證的節(jié)點，到2000年，devicenet節(jié)點有可能超過300萬， 全部odva組織的218會員均是工業(yè)領(lǐng)域，而且只有制造業(yè)才 能參加。在工業(yè)市場屮，已有1498個注冊的符合devicenet協(xié) 議標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。devicenet的應(yīng)用包括：汽車，半導(dǎo)體芯片制造, 電子產(chǎn)品制造，食品和飲料，批量生產(chǎn)化學(xué)處理，裝配，包裝和 物料轉(zhuǎn)移。devicenet進入中國時間不

13、長，但是在中國已有許多應(yīng)用。據(jù)rockwell automation市場部提供的數(shù)據(jù)，上海通用汽車有一 條devicetnet的生產(chǎn)線，另外，生產(chǎn)可口可樂的上海申美飲料 公司也部分采用 devicenet技術(shù)。相信隨著devicenet技術(shù)的 進一步完善和推廣，devicenet有札1當(dāng)可觀的應(yīng)用前景，這也正 是基于devicenet的智能設(shè)備和遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)獲得國家高技術(shù) 產(chǎn)業(yè)化工程示范項目的原因。producer/consumer網(wǎng)絡(luò)通訊模型1 顯性報文和 i/o 報文(explicit and i/o messaging)工廠自動化網(wǎng)絡(luò)要傳送一般的計算機通訊網(wǎng)絡(luò)屮需傳送的 報文，同時需要傳

14、送實時的輸入/輸出(i/o)控制信息及整個控制 系統(tǒng)中各控制器互鎖信息等。我們用顯性報文和i/o報文來分別 表示。顯性報文用來上載和下載程序，修改設(shè)備組態(tài)，記載數(shù)據(jù) h志，作趨勢分析和診斷等功能，例如我們可以用顯性報文對控 制器中的五個定時器重寫默認(rèn)值或執(zhí)行自測試操作。它們的結(jié)構(gòu) 十分靈活，數(shù)據(jù)域中帶有通訊網(wǎng)絡(luò)所采用的協(xié)議信息和要求操作 服務(wù)的指令。每個節(jié)點(設(shè)備)必須解釋每個顯性報文，操作所 請求的任務(wù)，并生成響應(yīng)。為按通訊協(xié)議解釋這種顯性報文，在 真止要用到的數(shù)據(jù)上必須有較大一塊的附加量(overhead)o這種 類型的報文在數(shù)據(jù)量的大小和使用頻率上都是非常不確定的。i/o報文 在本質(zhì)上是

15、隱性的(implicit),因而有時也稱為 隱性報文，它的數(shù)據(jù)域中常不包括協(xié)議信息，僅僅是實吋的i/o 控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的含義是預(yù)定義的。因而在節(jié)點中對處理這 些數(shù)據(jù)所需的時間大大減小，i/o報文的一個例子是控制器將輸 出數(shù)據(jù)發(fā)送給一個i/o塊設(shè)備(i/o block),然后i/o塊按照它 的輸入數(shù)據(jù)響應(yīng)給控制器。為解釋這種類型的報文而必須引入的 附加量(overhead)小，數(shù)據(jù)短，使用頻率一致，并且需要高的性 能：對i/o報文傳送的可靠性，送達(dá)時間的確定性及可重復(fù)性有 很高的要求。過去，用于i/o控制的網(wǎng)絡(luò)不能處理發(fā)送顯性報文時在發(fā) 送數(shù)據(jù)的時間及報文尺寸上的不定性因素?？刂圃O(shè)備提供商不

16、得 不使用不同的網(wǎng)絡(luò)來管理這兩種不同報文類型的不同要求。 rockwell automation/ab 公司的 data highway/remote i/o 網(wǎng)絡(luò) 和西門子的profibus fms/profibusdp網(wǎng)絡(luò)就是這種情況的表 現(xiàn)。吞葉量(throughput)是來自設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)傳送到需要它 的所有節(jié)點和節(jié)點產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)(根據(jù)用戶的邏輯程序產(chǎn)生) 傳送到需要它的所有節(jié)點的速率。節(jié)點可以是傳感器、人機界面 (human-machine interfaces-hmi)控制器、數(shù)據(jù)記錄儀、警報監(jiān) 視器、起動器、變頻驅(qū)動器等。吞吐量由波特率、協(xié)議效率和網(wǎng) 絡(luò)模型決定。下面我們簡要討

17、論一下這些因素。波特率(band rate)是把數(shù)字信號放到網(wǎng)上去的原始速 率，通常用每秒比特位或字節(jié)表示，人們最常用波特率來衡量網(wǎng) 絡(luò)的性能。實際上這是個誤解，對丁現(xiàn)在新的網(wǎng)絡(luò)，它是影響吞 吐量的三個因素中最不重要的一個。協(xié)議效率(protocol efficiency)定義為數(shù)據(jù)包屮有效數(shù)據(jù) 位與整個包長度的比值。一般是用百分比表示，它是通訊協(xié)議中 附加量的量度。雖然重要，但不如數(shù)據(jù)傳送和交換的方法(網(wǎng)絡(luò) 模型)重耍，如果某個特定的信息交換需耍2個或多個數(shù)據(jù)包來 完成，跟只需1個數(shù)據(jù)包相比，如果一個網(wǎng)絡(luò)比另一個網(wǎng)絡(luò)的協(xié) 議效率高25%就沒有任何意義了。網(wǎng)絡(luò)模型(network model)

18、現(xiàn)今的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)中有 兩種主要的網(wǎng)絡(luò)模型，即源/目的地模型(source/destination)和牛: 產(chǎn)者/消費者(producer/customer)模型。典型的源/耳的地模型的 一個數(shù)據(jù)包如下所示：源地址目的地址數(shù)據(jù)循環(huán)冗余檢驗碼在主/從系統(tǒng)中經(jīng)常用這種模型，主/從是一個層次體系，系統(tǒng)中包含一個發(fā)起所有通訊的主機，從機只能跟主機通訊并且 以"只答"的方式(speak only when spoken to),當(dāng)用于i/o信 息時，這種網(wǎng)絡(luò)就只能限于這種功能。點對點結(jié)構(gòu)優(yōu)于主/從結(jié)構(gòu)，提供更多的靈活性，在點對點 的系統(tǒng)屮，設(shè)備既可以發(fā)起通訊，也可以響應(yīng)系統(tǒng)中其它設(shè)

19、備的 請求。由于所要求的靈活性，支持點對點的網(wǎng)絡(luò)使用顯性報文進 行通訊。為保證各節(jié)點設(shè)備都可有機會送信號到網(wǎng)絡(luò),大多數(shù)點對點 的網(wǎng)絡(luò)使用某種類型的令牌傳遞算法，并且經(jīng)過多年的改善，算 法使得節(jié)點對總線的訪問更加公平，但正是點對點網(wǎng)絡(luò)的靈活性 使得控制器之間的互鎖問題更加復(fù)雜化，響應(yīng)的時間隨著網(wǎng)絡(luò)的 負(fù)載、需傳送信息的節(jié)點與當(dāng)前令牌持有者之間的“距離”有很大 的不定性。不論是主/從結(jié)構(gòu)，還是點對點通訊結(jié)構(gòu)。基于源/目的地 的網(wǎng)絡(luò)在把同樣數(shù)據(jù)發(fā)往不同節(jié)點時都消耗了過多帶寬，另外要 實現(xiàn)協(xié)同控制，象以同步的方式將一個設(shè)定值同時送達(dá)不同的驅(qū) 動器將更加困難，因為數(shù)據(jù)到達(dá)每個馭動器(目的地)的時間是不

20、同的。controlnet中采用了一個全新的生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡(luò)模型。 一個典型的生產(chǎn)者/消費者模型的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下：標(biāo)識符數(shù)據(jù)循環(huán)冗余檢驗碼在生產(chǎn)者/消費者模型中，信息按內(nèi)容來標(biāo)識，如果一個節(jié)點要接收一個數(shù)據(jù)，僅僅需識別與此信息相連的特定的標(biāo)識符,每個數(shù)據(jù)包不再需要源地址位和目標(biāo)地址位。因為數(shù)據(jù)是按內(nèi)容進行標(biāo)識的，數(shù)據(jù)源只需將數(shù)據(jù)發(fā)送一 次。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點通過在網(wǎng)上同時識別這個標(biāo)識符，可 同時地從同一生產(chǎn)者取用此消費同一數(shù)據(jù)。消費者節(jié)點z間可實 現(xiàn)精確的同步，而且提高了帶寬的有效使用率，其它的設(shè)備加入 網(wǎng)絡(luò)后并不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因為它們同樣可以消費這些相同的信 息，當(dāng)節(jié)點時，對發(fā)送多個數(shù)據(jù)

21、組時，對每個數(shù)據(jù)組使用不同的標(biāo)識符。版權(quán)所有ca800controller 1sensor#1driveldrive2controller圖1.生產(chǎn)者/消費者模型報文#1來自傳感器i/o的參考位置信息可多點傳送給控 制器1,控制器2和人機界面設(shè)備。報文#2速度指令可多點傳送給所有三個驅(qū)動器和人機界 面設(shè)備。源/口的地模型實現(xiàn)多點的同時傳送是很困難的，在使用該模型吋實現(xiàn)同樣操作（假設(shè)單向報文傳送）需要7個報文。2. i/o觸發(fā)機制除了傳統(tǒng)的輪詢方法（polling）夕卜，生產(chǎn)者/消費者模型還 允許用兩種新的功能強大的i/o觸發(fā)方法:狀態(tài)改變發(fā)送（change-of-state）和周期i/o發(fā)送（

22、cyclic）。輪詢是從源/目 的地模型產(chǎn)生的，它本質(zhì)上是一種兩個報文的雙向處理（發(fā)送方 輸出數(shù)據(jù)命令，接收節(jié)點收到后作岀響應(yīng)并把反應(yīng)送凹），往往 用在主機到它的從機之間，許多輪詢周期充滿了相同的輸入和輸 出數(shù)據(jù)，這些冗余的數(shù)據(jù)浪費了大量網(wǎng)絡(luò)帶寬。在采用狀態(tài)改變（基于事件）觸發(fā)機制的系統(tǒng)中，僅當(dāng)數(shù)據(jù) 改變時節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，并同時地發(fā)送給所有需要該數(shù)據(jù)的節(jié)點沒 有輪詢周期帶來的延遲。同吋一個作為背景的心跳（heartbeat） 信息可以周期地發(fā)送，消費者可用它來辨別設(shè)備是狀態(tài)沒有改變 還是設(shè)備不在線（離線），采用狀態(tài)改變觸發(fā)機制可以顯著的降 低網(wǎng)絡(luò)阻塞和負(fù)載，特別當(dāng)設(shè)備需要重復(fù)的接收、處理和生成同

23、 一種數(shù)據(jù)時。另外，一般情況下發(fā)送4個心跳信息后再發(fā)送1 個真正數(shù)據(jù)。周期性發(fā)送（基于時間）時，數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶選擇的速度來 產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的更新速度與節(jié)點和應(yīng)用相匹配。例如在優(yōu)化的pid 控制屮，傳感器的信息可以以精確的間隔進行采樣，或者控制器 可以收集大塊數(shù)據(jù)后以每秒若干次且大于操作員接口的反應(yīng)速 度進行發(fā)送。這樣，可為快速變化的i/o信息的節(jié)點保留了帶寬。市場上兩個模型的現(xiàn)場總線例子如下：源/口的地模型ethernet -interbus smodbus plus -as-iremote i/o date highway plus-profibus(fms, dp, pa 等)生產(chǎn)者/消費者模

24、型controlnet -devicenetfoundation fieldbus3. 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點：系統(tǒng)的開放性開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強 調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任 何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。通訊協(xié)議一致公 開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。現(xiàn)場總線開發(fā)者就 是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可按自己 的需耍和考慮，把來自不同供貨商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)?；タ刹僮餍耘c互用性互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、 系統(tǒng)間的信息傳送與溝通

25、，而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能 類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換?，F(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場 設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可 隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性 控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有dcs集中與分散相 結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò) 底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同 軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能 力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通訊，并可

26、滿足本質(zhì)安全防爆要求一對n結(jié)構(gòu)一對傳輸線，n臺儀表，雙向傳輸多個信號。 這種一對n結(jié)構(gòu)使得接線簡單、工程周期短、安裝費用低、維護 方便。如果增加現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備，只需并行掛到電纜上，無 需架設(shè)新的電纜?？煽貭顟B(tài)操作員在控制室即可以了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表 的工作狀況，也能對其進行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測和尋找事故, 始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性、可 控性和可維護性。互換性用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比 最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，并將不同品牌的儀表進行互換。即 使某臺儀表發(fā)生故障，換上其它品牌的同類儀表，系統(tǒng)仍能照常 工作，實現(xiàn)即接即用。綜合功能現(xiàn)場儀表既有檢測

27、、變換和補償功能，也有控制 和運算功能。實現(xiàn)了一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。統(tǒng)一組態(tài)由于現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表都引入了功能塊的概念, 所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)-組態(tài)方法。這樣就使組 態(tài)非常簡單，用戶不需要因為現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的不同而采用 不同的組態(tài)方法。4. 現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)由于現(xiàn)場總線是工廠自動化領(lǐng)域的開放互聯(lián)系統(tǒng)，它一經(jīng)出 現(xiàn)，就得到了工業(yè)界的廣泛使用，各個自動化廠商也推出了自己 的現(xiàn)場總線。目前在全球范圍內(nèi)有著幾十種不同的現(xiàn)場總線標(biāo) 準(zhǔn)，其中得到廣泛應(yīng)用的幾種典型的現(xiàn)場總線有：德國西門子公 司的profibus,美國rockwell自動化公司的de vicenet,

28、controlnet,現(xiàn)場總線基金會的ff,德國bosch公司的can以及 美國echelon公司的lonworks等。由于不同行業(yè)，不同的應(yīng)用 場所需求各異，加上?？紤]已有各種現(xiàn)場總線產(chǎn)品的投資效益和 各公司的商業(yè)利益，在今后的一段時間內(nèi)，在現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域 仍然會保持現(xiàn)在這種多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾 種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 范，真正形成開放互聯(lián)系統(tǒng)，是現(xiàn)在總線技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。 自1988年開始，國際電工委員會iec/sc65c/wg6與美國儀表 學(xué)會sp50委員會本著協(xié)商一致的原則聯(lián)合制定工業(yè)控制系統(tǒng)用 現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定初期，由于

29、世界各國工業(yè)口動化儀 表公司的系列芯片、軟件技術(shù)和開發(fā)工具等各不相同，在關(guān)鍵技 術(shù)內(nèi)容上存在很大分歧，所以標(biāo)準(zhǔn)制定的進程非常緩慢。目前市場上正在應(yīng)用的各種現(xiàn)場總線有數(shù)十種,主要歸類在 兩個標(biāo)準(zhǔn)族。一個為iec/sc65c的iec61158標(biāo)準(zhǔn)，另一個為 iec17b的有關(guān)低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備、控制器與電氣設(shè)備接 口的iec62026標(biāo)準(zhǔn)。而iec61158是制訂時間最長、投票次數(shù) 最多、意見分歧最人的國際標(biāo)準(zhǔn)之一。它的制訂時間超過12年, 先后經(jīng)過9次投票表決，兩次提交iec執(zhí)委會審議，直到2000 年1月4日iec中央辦公室公布1999年底最新一輪投票結(jié)果才 表明該標(biāo)準(zhǔn)已獲通過。但從標(biāo)準(zhǔn)的

30、內(nèi)容看，該標(biāo)準(zhǔn)已與人們最初 的期望大相徑庭。人們制訂iec61158標(biāo)準(zhǔn)的初衷是將雜亂紛呈 的各種總線歸納成一種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，既方便了制造商的產(chǎn)品生 產(chǎn)，乂便于用戶選用。但最終通過的iec61158標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)多方爭 執(zhí)和妥協(xié)，最后容納了八種互不兼容的協(xié)議。這八種協(xié)議在 iec61158中分別為八種類型：類型1 iec技術(shù)報告（即ffh1）類型2 controlnet （美國 rockwell公司支持）類型3 profibus （德國西門子公司支持）類型4 pnet （丹麥process data公司支持）類型5 ff hse （即原ff h2,美國fisher rosemount公司支 持）類型6

31、 swiff net （美國波音公司支持）類型7 worldfip （法 國alsthom公司支持）類型 8 interbus （徳國 phoenix contact 公司支持）與sc65c的針鋒相對、討價還價相比,iec17b的標(biāo)準(zhǔn)制訂 者們要“文明"多了。從1996年成立工作組開始，iec17b制訂的 總線標(biāo)準(zhǔn)主要涉及設(shè)備層的現(xiàn)場總線，和關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：iec62026 低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備：控制器與電器設(shè)備接口。iec62026-1第一部分總則第二部分操作器傳感器接口 （as-i）第三部分devicenet第五部分 輕巧的分布式系統(tǒng)（sds）第六部分seriplex （串行多任務(wù)

32、控制總線）其中，除第六部分尚處于cd文件階段外，其余部分已成為 fdis文件，已于2000年6月進行投票表決，各成員國只能表示 同意或不同意，不能對文件的某一部分提出修改耍求。iec62026標(biāo)準(zhǔn)草案曾有過第四部分（lontalk）和第七部分 （worldfip），因這兩個協(xié)議不適宜作為設(shè)備層的通用協(xié)議目前 暫被挪走。iec17b還有一個有關(guān)現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)草案，那就是iec61915"低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備棗網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)設(shè)備的描述(profiles for networked industrial devices) ,9o 此文件還處于 cd 文件階段。5. 工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)與辦公自動化

33、網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別現(xiàn)代分布式系統(tǒng)是大量的設(shè)備按照某種操作要求連接起來 的，其涉及的領(lǐng)域非常廣泛，例如工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)，樓宇自動化 網(wǎng)絡(luò)，辦公和家庭自動化網(wǎng)絡(luò)，智能車用系統(tǒng)，高級系統(tǒng)等。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上交換信息的類型，這些網(wǎng)絡(luò)可分為兩種：控制網(wǎng)絡(luò)和 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。一般來說，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點是數(shù)據(jù)包大，發(fā)送頻率相 對比較低，經(jīng)常是瞬間傳送大量數(shù)據(jù)，要求以高數(shù)據(jù)傳送速度來 傳輸比較大的文件,數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對實吋性沒有苛刻的限制。相對地, 控制網(wǎng)絡(luò)往往在許多節(jié)點之間高頻率的發(fā)送大量比較小的數(shù)據(jù) 包來滿足實時性的要求。因而，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵 因素是看網(wǎng)絡(luò)是否具有支持實時應(yīng)用的能力。另外，控制網(wǎng)絡(luò)要求確定性和可重復(fù)性。

34、確定性是指有限制 的延遲和有保證的傳送，也就是說一個報文能在可預(yù)測的吋間成 功的發(fā)送出去。從傳感器到啟動器的報文的不成功的傳送或者不 可接受的延遲都會影響網(wǎng)絡(luò)的性能?？芍貜?fù)性是指網(wǎng)絡(luò)的傳輸能 力不受網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的動態(tài)改變(增加節(jié)點或者刪除節(jié)點)和網(wǎng)絡(luò) 負(fù)載的改變而影響。例如控制網(wǎng)是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，采用令 牌總線協(xié)議，用于對吋間有苛刻要的應(yīng)用場合的信息傳輸。它提 供以下功能：對在同一鏈路上的i/o、實時互鎖、對等通訊報 文傳送和編程操作均有相同的帶寬;對于離散和連續(xù)過程控制應(yīng) 用場合均有確定性和可重復(fù)性的功能。有許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都被提出來去滿足控制網(wǎng)絡(luò)的要求。這些協(xié) 議有：以太網(wǎng)(ethernet

35、, ieee 802.3 csma/cd),令牌總線(token bus, ieee 802.4)，令牌環(huán)(token ring, ieee 802.5)，控制器局 部網(wǎng)(can,csma/amp)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)一般基于can協(xié)議(例 如智能分布式系統(tǒng),smart distributed system；設(shè)備網(wǎng),devicenet； can kingdom)和令牌協(xié)議(例如過程現(xiàn)場總線，profibus；制 造自動化協(xié)議，manufacturing automation protocol ；控制網(wǎng)， controlnet；分布式光纖數(shù)據(jù)接口，fiber distributed data interf

36、ace)。三種 主要mac工作方式簡述如下：csma/cd(ieee802.3)為沖突檢測載體監(jiān)聽多重訪問，采用 總線網(wǎng)絡(luò)，其控制策略是競爭發(fā)送、廣播式傳輸、載體監(jiān)聽、 沖突檢測、沖突后退和再試發(fā)送；token bus(ieee024)為令牌總線控制技術(shù)，總線上所有站形 成一個邏輯環(huán)，令牌在總線網(wǎng)絡(luò)上傳送，收到令牌的站，決定 是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站；token ring(ieee802.5)為令牌環(huán)控制技術(shù)，令牌在環(huán)形網(wǎng)絡(luò) 上傳送，收到令牌的站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌 傳給下一站。自動化網(wǎng)絡(luò)三層體系結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的通訊中往往要考慮以下幾個問題。產(chǎn)品怎樣互聯(lián)在一起？系統(tǒng)中

37、不同產(chǎn)品間要有可靠的互操作性及不同供貨商的同 類產(chǎn)品要有可互換性。產(chǎn)品將要交換什么樣類型的數(shù)據(jù)？是控制數(shù)據(jù)(如i/o 等)述是信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)需要什么樣的吞吐量？產(chǎn)品怎樣被組態(tài)？系統(tǒng)能否在將來可以進一步擴充？我們應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用需求來選擇不同的網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng) 用需求對數(shù)據(jù)的耍求是不同的。(1) 對數(shù)據(jù)量要求的不同。網(wǎng)絡(luò)上要求傳送的數(shù)據(jù)量可能 以兆字節(jié)或字節(jié)或位來計算。負(fù)載量的變化對網(wǎng)絡(luò)的帶寬有不同 要求。(2) 對數(shù)據(jù)類型要求不同。要求可能是i/o信息，狀態(tài)改 變的信息或顯式報文(explicit messaging),程序的上載/下載, 診斷信息等。(3) 對網(wǎng)絡(luò)性能要求不同?？赡芤缶W(wǎng)絡(luò)主要處理高速離 散量或者模擬量，對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)特別要求確定性和可重復(fù)性?，F(xiàn)在自動化領(lǐng)域上一般采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即設(shè)備層、控制層和信息層的體系。在這個體系屮，數(shù)據(jù)可以雙向流通、層與層 之間可以交換數(shù)據(jù)，對某一具體應(yīng)用可以選擇其中某層或某幾 層，而且每層之間可能存在層疊。我們的冃的就是，采用一個開 放的、扁平的、滿足高性能系統(tǒng)需求的、降低整體系統(tǒng)費用的（包