廣義現場總線標準與工業以太網
MVB用于車輛或機車內部通信,速率1.5Mb/s,提供3種物理接口:RS 485(距離不大于20m);屏蔽雙絞線變壓器隔離接口(200m),允許使用IEC 61158 2標準的變壓器和收發器;點對點或星型的光纖連接(2000m)。MVB具有冗余媒體,媒體訪問采用具有冗余主站(總線管理站)的主從方式。在任何時刻總線上都只有一個能發起通信的主站,但有兩個或幾個能轉變為主站的總線管理站。幾個總線管理站通過令牌傳遞來轉移主站行使權,每隔幾秒鐘轉移一次。
WTB用于車輛之間的連接,每一車輛一個節點,WTB可有32個節點(最大62個),860m,媒體冗余,采用有護層的屏蔽雙絞線、變壓器隔離、曼徹斯特(Manchester)編碼,速率1.5Mb/s。
由于總線長,接收信號動態范圍大,解碼器采用SDSP(統計數字信號處理器)。媒體訪問采用主從方式,主站固定,但所有節點均有作為主站的能力,必要時(如主站失效、列車重組等)可改變主站節點。
MVB和WTB的鏈路層支持周期和非周期兩類數據,提供過程數據、報文數據和管理數據3種服務。高層協議(0SI的3~7層)稱為RTP(實時協議),提供變量、報文和網絡管理3種基本服務。為了提高實時性,變量服務只有應用層。
(3) IEC SC17B(低壓配電與控制裝置分委員會)發布的國際標準IEC 62026低壓配電與控制裝置—控制器與設備接口(CDIs)[1]。
這個標準包括了已有的4種現場總線:2000年7月發布的DeviceNet、SDS(Smart distributed system)和AS i(Actuator sensor interface),以及2001年11月審議通過的Seriplex總線(Serial multiplexed control Bus)。
DeviceNet和SDS都是基于CAN的,即它們的低兩層協議采納了CAN,補充了物理層,增加了應用層和設備規范文件(device profile),構成了完整的開放的現場總線。
ASI[6]和 Seriplex[7]是兩種面向位(bit)的價格低廉的總線,特別適合于以開關量為主的智能配線系統。AS i是一種輪循方式的主/從系統,每次交換4位數據,采用無屏蔽雙絞線,支持總線供電,距離100m(可加重復器擴展到300m)最大響應時間5ms。Seriplex使用電源+、數據、時鐘、公共線(地)4芯加屏蔽的專用電纜完成主/從或點對點通信,拓撲任意,距離達1500m。它可以直接與嵌有Seriplex ASIC(專用集成電路)的控制元件或I/O模塊連接,每個網絡可多至255節點,響應時間小于1ms。Seriplex的傳輸方式幾乎不同于其它所有總線,它的ASIC不停地對時鐘線上的脈沖記數,當記數等于自己的地址時,ASIC與數據線交換1位數據。
(4) IEC TC44(機械設備電氣安全技術委員會)1995年11月發布的IEC 61491工業機械電氣設備—控制單元與驅動裝置之間的實時通信串行數據鏈路[1][8][9]。
該標準定義了一種開放的、控制單元與驅動裝置之間的實時光纖串行接口,又被稱作SERCOS(Seriel Real time Communication System,串行實時通信系統)主要用于機床驅動等運動控制系統中對位置、速度、扭矩等的控制,尤其用在多軸協調驅動等場合。此外也可用于PLC接口或其它的I/O模塊。SERCOS是一個2/4 Mbit/s的光纖環(正在改進的2.0版速率為2/4/8/16 Mbit/s),每環可多至254個節點。節點的主控制器或驅動裝置中嵌入SERCOS專用芯片(SERCON410B等,新版為SERCON816)完成通信及驅動功能。
此外,還有一些總線雖然不是國際標準,但已獲得了廣泛應用。如美國Echelon公司推出的LonWorks總線,已在許多行業得到應用,是建筑自動化中起主導作用的總線,美國的列車通信標準也采用LonWorks。
四、我國制訂現場總線標準的動向[10]
在我國,現場總線技術的開發和應用還相當落后。在技術相對落后的領域中,國家標準的制訂常等同采用相應的國際標準。在現場總線國際標準的制訂過程中,我國對IEC/ISA的工作即對IEC 61158技術報告一直是投贊成票的,即希望有一種和國際標準一致的單一的國家標準。1993.10已等同采用IEC 61158 2(物理層規范)形成了GB/T 16657 2,并計劃等同采用IEC 61158技術報告的3、4、5、6部分。國家已大力投資支持開發FF現場總線并取得了成效,正準備通過互操作檢驗。
1999年12月投票表決新的多總線共存的IEC 61158標準時,我國同樣投了贊成票,即承認了多總線共存的局面。但是,我國對于現場總線國家標準的制訂,已不打算等同采用IEC 61158標準。這是因為:第一,新的國際標準是按總論、物理層規范和服務定義、數據鏈路服務定義、數據鏈路協議規范……等分標準發布的,8種標準分散在各個部分中,用戶使用一種總線標準時,要從近4000頁文件中挑選,極不方便。第二,8種總線,性能有優劣,應用范圍有寬窄,開發難度有難易,開放程度也不同,一種總線一般都能用于多個領域,我國完全沒有必要全部采用。我國準備采用的做法是:
(1) 選擇我們認為影響大的優秀的有市場前途的一些總線為我國的標準。這些總線必須是真正開放的。總線所支持的國際組織必須支持、幫助中國的標準化工作,支持中國的企業開發現場總線產品。
(2) 標準的文本采用歐洲現場總線標準的方式,一個一個總線分開,便于用戶使用。1996年歐洲標準化委員會發布的EN50170標準包括了Profibus、WorldFIP、P Net三種現場總線,后又采用了ControlNet和FF。
五、關于工業以太網和TCP/IP協議簇[11]
幾年以前,Ethernet(以太網)還被認為不能用于工業控制領域,這主要是因為Ethernet的CDMA/CD媒體訪問方式不能保證網絡(傳輸時間)的確定性,負荷重時網絡的傳輸效率很低甚至崩潰。故在以往開放的DCS中不得不采用昂貴的令牌網如MAP網。但是Ethernet技術的快速發展和廣泛應用以及低廉的價格吸引著工業控制領域。100Mb/s的快速Ethernet誕生以后,一些機構開發出適合于工業環境的Ethernet器件,開始將Ethernet用于DCS的監控級。事實證明,由于其高速、低負荷率,完全能保證系統的實時性。現在多個現場總線行業性組織都在進行Ethernet用作工業網絡的研究并推出了他們的解決方案。除上述的FF HSE外,還有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。這些研究不僅僅是把Ethernet用作高層網絡,而且希望將它直接和現場設備連接,實現所謂“一網到底;”、“一網打凈”。支持推進這些研究活動的國際組織有工業以太網協會 (Industrial Ethernet Association)、工業自動化開放網絡協會(IAONA)等。我國的“十五”863第一批項目也將工業以太網現場總線列為重點攻關項目。
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