工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、前言

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命。控制專(zhuān)家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。

然而就在人們沸沸揚(yáng)揚(yáng)的對(duì)FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒(méi)有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）正在制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）和極具特色的用戶(hù)層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)

控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。當(dāng)人們冷靜下來(lái)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行思考時(shí)，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽(tīng)碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱(chēng)為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(zhǎng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對(duì)以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)—工業(yè)以太網(wǎng)。

二、工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，出現(xiàn)了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。

1、以太網(wǎng)集線器　　

FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)采用星型拓樸結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中集線器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過(guò)以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表和普通現(xiàn)場(chǎng)儀表（通過(guò)通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。


圖1 網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通常普通控制算法在現(xiàn)場(chǎng)控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級(jí)控制算法則在上層控制器中進(jìn)行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行儀表。由于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表掛接在專(zhuān)用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，所以保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。

集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級(jí)等實(shí)時(shí)參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)需要通訊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享。

經(jīng)驗(yàn)證這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿(mǎn)足多數(shù)場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。