广义现场总线标准与工业以太网

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)。

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