水工業FCS網絡通信協議的比較與展望

一、引言
　　
　　隨著計算機網絡技術的迅速發展，由全數字現場控制系統代替數字與模擬分散型控制系統已經成為工業化控制系統結構發展的必然趨勢，以現場總線為基礎的全數字控制系統已是當今世界各國關注的熱點問題。
　　
二、簡介
　　
1、什么是現場總線
　　
　　根據國際電工委員會（IEC）和美國儀表協會（ISA）的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通訊，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統安全、造價低廉、維護成本低等特點。
　　
2、現場總線的特點
　　
　　國際電工委員會（IEC）對現場總線主要有以下三點要求：
　　
（1）統一數據鏈路上過程控制單元(CPU)、PLC等與數字I/O設備互連；
（2）現場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執行機構等進行數據存取；
（3）在保證系統可靠性的基礎上，有利于減小軟硬件開銷，降低成本和通訊媒體安裝費用。

　　SP50委員會提出的兩種現場總線結構模型是：
　　
（1）星型總線—用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線；
（2）總線型總線—數據傳輸距離長、速率高，采用點對點、點對多點和廣播式通信方式。
　　
　　從目前來看，還沒有哪一種現場總線能夠滿足上述全部要求，各種現場總線都有自己的長處和短處。雖然用戶和市場有標準化的需要，但在短期內，現場總線標準無法統一，多種現場總線并存的情況在今后較長的時間將依然存在，IEC61158標準的產生就說明了這一點。下面，將對各種現場總線的特點進行分析對比。
　　
三、現場總線控制技術
　　
1、現場總線控制系統
　　
　　現場總線控制系統（FCS）是集計算機技術、網絡技術和控制技術為一體的當代最先進的計算機控制技術，是一種全分散、全數字、全開放的控制系統。這種系統主要用于工業過程控制、制造業及樓宇自動化等領域，在未來將成為現代計算機控制系統的主流。
　　
2、現場總線的發展現狀
　　
　　現場總線發展迅速，現處于群雄并起、百家爭鳴的階段，目前已開發出40多種現場總線。其中，符合IEC61158國際標準規定的有8種總線，包括：德國西門子公司支持的Profibus、基金會現場總線FF、德國Phoenix Contact公司支持的Interbus、美國Rockwell公司支持的Controlnet、法國Alstom公司支持的Worldfip、主要由Fisheer-Rosemount公司支持的FF HSE、，美國波音公司支持的Swift Net以及丹麥的Peocess。此外，還有幾種在工業控制領域廣泛應用的總線，如德國Bosch公司為汽車應用而開發的CANBUS、美國Echelon公司開發的Lon Works總線等。在這些總線中，最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks，其性能對照見表1。
　　
3、幾種總線通信模型概述
　　
　　目前，各種現場總線既遵循開放系統的原則，也兼顧了自己的特點和特殊要求（如表2所示）。參考OSI協議模型，Worldfip總線實現了OSI參考模型的1、2、7層服務，能提供變量服務、消息服務和網絡管理服務，是一種數據流總線。Profibus總線也包括了OSI模型1、2、7層服務，其中Profibus-FMS把第3層到第6層服務放在底層由接口完成，Profibus-FMS/PA屬于數據流總線，Profibus-DP則屬于字節總線。Lonworks使用了Lontalk協議，實現了OSI參考模型全部七層服務，
　　
表2 幾種現場總線現狀

　　一種折中、平衡的現場總線，但也因此會在有些應用場合增加網絡的負擔，影響了通信速度。CAN總線只規定了物理層和數據鏈路層，用戶在應用中自己定義通信協議，有突出的靈活性，有成本優勢和速度優勢，但一般的應用都是位總線，不適合大流量通信。
　　
四、介質訪問控制（MAC）協議對比
　　
　　現場總線的協議中，數據鏈路層的MAC子層協議最重要，它直接控制各個通信節點對通信介質的使用權，對現場總線的實時能力有關鍵影響。MAC層協議主要分為兩大類：一類采用事件觸發方式，設備可自主的隨機訪問設備，Lonworks總線和CAN總線屬于這種方式；另一類采用時間觸發方式，設備只能在受控的確定時間訪問介質，Worldfip總線和Profibus總線屬于這種方式。
　　
1、時間觸發方式協議
　　
　　時間觸發方式協議采用令牌方式，進一步可分為分布式令牌協議（如Profibus協議）和集中式令牌協議（如Worldfip總線協議）。
　　
　　Profibus總線采用分布式令牌方式，所有節點組成一個虛擬環，令牌在Profibus總線主站間按地址傳遞，擁有令牌的主站在確定的時間窗口擁有總線控制權，以輪詢方式與從站通信。所謂輪詢，是指主節點定期循環詢問各個從節點，
以便分配從節點訪問共享介質的權利，避免了沖突。由于傳播時間確定，因此該方式可以保證通信的實時性。但Profibus總線也有自身的缺點，由于傳送令牌時需占用一定的帶寬，因此帶寬的利用率較低；而且，它的參數不容易設定，在網絡啟動和增加刪除節點時需要進行邏輯環重構。
　　
　　Worldfip總線采用集中式令牌方式，由總線仲裁器（BUS ARBITRATOR）來負責輪詢工作。能嚴格區分周期信息和非周期信息。Worldfip的總線帶寬采用周期性分配，以20ms為一個基本循環，每個循環分為四個窗口：周期性窗口用于周期性變量實時刷新；非周期變量窗口用于非周期變量刷新；消息窗口用于處理突發性的消息，例如故障報警等；同步窗口由于由總線仲裁器發送填充標識來填充基本周期空閑部分以保持總線同步。Worldfip總線對周期信息采用集中控制，相對于Profibus總線，它的信息響應時間更精確、控制精度更高。同時，因為非周期信息到達時間不確定，從而對非周期信息通信采用分布令牌管理，這樣既保證了非周期事件變量的確定性響應時間，又有效的利用了帶寬，并且采用優先級機制能保證重要的非周期信息的及時發送。但它也有一些缺點，比如，主設備失效將使整個網絡癱瘓，對高可靠性的應用需要設置多個主節點來提高系統的可靠性，輪詢過程會消耗一些總線帶寬，降低了總線利用率等等。
　　
2、事件觸發方式
　　
　　事件觸發方式可以分為隨機載波監聽/沖突檢測（CSMA/CD）和載波監聽多路獲取/沖突避免（CSMA/CA）兩類。
　　
　　Lonworks總線采用一種改進的CSMA/CD方式，稱為預測的P-CSMA。每個節點需要發送數據時，先檢測介質是否空閑，如果介質空閑就準備發送數據，并在發送數據前隨機插入隨機時間片，時間片數量越少表明堅持發送的概率越大。Lonworks協議可根據網絡負載狀況動態調整堅持發送概率P，使發生沖突的概率降到最低。同時，為提高緊急事件的響應時間，Lonworks提供了一個可選的優先級機制，加入優先級的節點總比非優先級的節點有更快的響應時間。Lonworks協議有許多優點，如帶寬利用率高、單點故障不影響網絡通信、節點可靈活加減、在負載較輕時使介質訪問延遲最小、在負載較重時使沖突的可能性最小等。但總的說來，它不能保證數據在任何網絡負載情況下都能滿足實時性要求，在用于時間關鍵的環境中需要仔細的驗證。
　　
　　CAN總線屬于總線型串行通信網絡，采用多主方式，當網絡上多個節點同時發送信息時，優先級低的節點會主動退出發送，優先級高的節點不受影響的繼續傳送，大大節省了總線的仲裁時間。此外，CAN節點在錯誤嚴重的情況下，有自動關閉總線的功能。這種協議具有突出的可靠性，靈活性。CAN總線可以有效的避免總線碰撞，但要求網絡一定要同步，并且介質要支持線與邏輯，另外，對不太需要優先級的網絡，也不得不定義一個優先級。CAN總線也不能保證數據在任何網絡負載情況下都能滿足實時性要求，在用于時間關鍵的環境中也需要仔細的驗證。
　　
五、尋址方式對比
　　
　　Profibus總線設備之間交換數據的通信是通過信道分為邏輯信道和物理信道進行的。與應用過程之間的通信是通過邏輯信道進行的，它是設計階段中在通信關系表（CRL）內被定義的。其所有參數列于通信關系表中。每個信道在CRL中有一個入口行，一個信道的所有CRL入口是通過通信關系（CR）唯一尋址的。一個站最多可以產生應用于不同情況的63個通信關系，可以多點廣播或廣播式發送或接收。
　　
　　Worldfip 的尋址方式主要有：變量地址采用16位的全局邏輯標識，廣播發送。消息數據地址采用24位的網絡地址包含網段地址和網段內的站地址，支持同一網段內的多播尋址。
　　
　　Lonworks網絡地址可以有三層結構：域、子網、節點。每個域最多有255個子網，每個子網最多有127個節點。域的結構可以保證在不同的域中通信是彼此獨立的。任一節點可以分屬一個或兩個域，能將采集來的數據分別發向兩個不同的域。節點可以被分組，一個分組在一個域中跨越幾個子網，或幾個通道。分組結構可以使一個報文同時為多個節點所接收。每個Lonworks設備有一個唯一的48位ID地址，類似以太網的物理地址。
　　
　　CAN系統中，每個節點都有一個唯一的地址，總線工作時，給定的邏輯地址上傳輸的數據的含義是固定的。在CAN總線的規范中只定義了幀的結構，沒有定義有關發送和接收的信息。因此，消息標識的值要依靠應用確定。設計者可以自己定義標識符的含義，將所需要的信息包含其中，消息的內容被標上唯一的標識后，只有與此相關的節點才能識別并接收消息。
　　
七、結束語
　　
　　以上現場總線的網絡通信協議各有千秋，但都面臨兼容性問題，任一個現場總線和其它現場總線都不易于互聯和互換。可用戶對統一的通信協議和網絡的要求日益迫切，工業以太網便應運而生。工業以太網符合網絡控制特點—數字式互聯網絡 、互操作性、開放性和高性能，具有大量的軟、硬件資源和開發設計經驗；在以太網上層應用的TCP/IP協議也較成熟，許多現場總線已經向上支持工業以太網。
　　
　　傳統以太網采用的是CSMA/CD通信協議，屬于有沖突網。沖突主要有兩個來源：其一是由多個節點都監聽到網絡空閑并同時發送數據產生的；其二是節點之間存在傳輸延遲，當網絡上其它節點在發送數據但還沒有傳輸到需要發送數據的節點時，一節點監聽到網絡空閑后發送數據因而造成沖突。如果采用交換式以太網，則不存在總線競爭，從而能提高系統的傳輸效率，但是同樣不易控制最大傳輸延遲，因此影響了工業以太網的實時通信服務質量。應用于工業現場控制還面臨一系列問題，例如在工業以太網中，TCP/IP還沒有解決互操作問題，進而影響了多個網絡節點完成控制任務的協調性，這涉及體現企業重大利益的現場生產工藝數據在網絡傳輸的完整性和保密性，以及對工業以太網的管理所面臨的問題。但是隨著技術的發展，可以看到工業以太網的大框架已成形，上述問題正在得到解決。
　　
　　各種現場總線在功能、性能和價格上有較大差別，各自有自己的最佳適用范圍。隨著現場總線的應用不斷增多，在應用現場總線系統時應該對此有一個明確的認識，有所側重以適應實際的要求，但是，發展共同遵守的統一的標準規范，真正形成開放式互連系統，是大勢所趨。
　　
參考文獻
　　
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