應用現(xiàn)場總線需注意的問題及以太網(wǎng)在現(xiàn)場總線中的應用
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（１０）要密切注意現(xiàn)場總線及其相關(guān)技術(shù)的進展
現(xiàn)場總線目前雖然已有１２種國際標準，但它在繼續(xù)發(fā)展或改進。世界上較大的企業(yè)都在致力于現(xiàn)場總線的研究，并不斷地對現(xiàn)有的現(xiàn)場總線進行改進。如將以太網(wǎng)應用于現(xiàn)場總線，由于以太網(wǎng)過去僅適用于辦公室自動化，如今要用于工業(yè)現(xiàn)場，還有不少難題尚待去解決，如要滿足工業(yè)控制要求的實時性，工業(yè)環(huán)境下的抗電磁干擾性、抗震性、耐高溫性、耐高濕性、防塵性和需向現(xiàn)場儀表供電的問題以及危險時所要求的防爆性等，問題雖然不少，但全世界大型企業(yè)都在進行研究。所以我們要時刻搜集最前沿的信息，跟上現(xiàn)場總線的發(fā)展進程，及時對我們的工作做出部署。
（１１）一專多能
現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、通信和計算機技術(shù)的綜合，牽涉到三個不同的學科另外熟悉工業(yè)控制過程和某些行業(yè)工藝過程的制造廠結(jié)合信息技術(shù)以后，推出了ＥＩＣ集成化系統(tǒng)、ＡＰＣ先進過程控制系統(tǒng)等產(chǎn)品，同時一些計算機制造公司與一些軟件公司則借其長于信息技術(shù)的優(yōu)勢千方百計地往下滲透，推出了基于ＰＣＰＣ ｂａｓｅｄ的控制系統(tǒng)、軟ＰＬＣｓｏｆｔ ＰＬＣ和虛擬儀表等。這一上一下的兩種趨勢必然會在企業(yè)自動化系統(tǒng)內(nèi)有一個交匯點，而這個交匯點處于動態(tài)變化之中，要掌握這個交匯點是重要的，但也是很不容易的，因為必須了解電控、儀控、計算機和通信技術(shù)，而在應用時還須熟悉生產(chǎn)對象的工藝過程和對象的動態(tài)特性和管理技術(shù)。所以我們必須盡可能的來了解更多的知識和應用，盡可能的達到一專多能。
５ 以太網(wǎng)及其通信特點
以太網(wǎng)Ｅｔｈｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)最初出現(xiàn)于１９７５年。目前主要有快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，還有千兆以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。以太網(wǎng)以前主要應用于辦公自動化，在現(xiàn)場總線中的應用還不多。以太網(wǎng)的主要通信特點是隨機接人、載波偵聽、碰撞檢測和沖突競爭。目前通用的以太網(wǎng)標準ＩＥＥＥ８０２．３使用了ＣＳＭＡ／ＣＤ帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多點接人傳輸協(xié)議。根據(jù)該傳輸協(xié)議，任何需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點首先要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)繁忙時監(jiān)聽，網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中繼續(xù)監(jiān)聽，檢測到?jīng)_突時立即停止發(fā)送并發(fā)出一個強化沖突的干擾信號，通知所有節(jié)點此時的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生沖突，此時沖突各方主動退避隨機等待一段時間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)沖突主要有兩個來源其一是網(wǎng)絡(luò)空閑多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)造成的沖突其二是節(jié)點傳輸延遲造成的沖突。因此，工業(yè)控制中采用標準以太網(wǎng)時將不可避免地造成沖突。這種沖突隨著通信負荷的上升而急劇增加，而在低負荷下則很少。更為嚴重的是，從純理論角度講標準以太網(wǎng)有可能出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，即某些節(jié)點在一段時間內(nèi)可能得不到傳輸數(shù)據(jù)的機會。
標準以太網(wǎng)還具有傳輸不確定性的特點，即任何變量都不能完全確保在合適時間內(nèi)發(fā)送成功。除此之外，為了分辨無效幀，以太網(wǎng)還有可能造成帶寬浪費不符合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求；不具備本質(zhì)安全性能；不能通過信號線向現(xiàn)場儀表供電等缺陷，因此以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域方面的應用很有限。
６ 交換式以太網(wǎng)及其發(fā)展
交換式以太網(wǎng)是根據(jù)提高以太網(wǎng)的傳輸效率，盡可能的減少總線競爭這個思想開發(fā)出來的新型以太網(wǎng)。它采用星形布線方式，所有節(jié)點都分別連接到一個交換式集線器的端口上，交換式集線器內(nèi)置一個復雜的交換陣列，任何兩個端口之間都可以建立起一個傳輸信道，以標稱傳輸速度、傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)點是不存在總線競爭，能顯著的提高系統(tǒng)的傳輸效率。缺點是不易控制最大傳輸時延。為了促進以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，并積極開展了工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。為解決以太網(wǎng)在無間斷過程工業(yè)領(lǐng)域的極端條件下穩(wěn)定工作，世界上一些大型企業(yè)專門開發(fā)和生產(chǎn)了導軌式收發(fā)器系列、集線器系列和交換機系列，它們安裝在標準ＤＩＮ導軌上，并有冗余電源供電接插件采用牢固的ＤＢ一９結(jié)構(gòu)。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)必須在確定的時間內(nèi)到達目的地，此即所謂網(wǎng)絡(luò)的時間確定性。如ＰＩＤ調(diào)節(jié)器通過網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場變送器收集數(shù)據(jù)進行ＰＩＤ運算，為了實時實現(xiàn)ＰＲ調(diào)節(jié)，各調(diào)節(jié)回路需要有非常一致的采樣時間，而且這些時間必須是確定的。對于這樣的實時控制，通常要求網(wǎng)絡(luò)的時間延遲小于２～４ｍｓ。長時間的通信將惡化對象特性，使控制系統(tǒng)品質(zhì)下降。由于以太網(wǎng)時間的不確定性，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線采用一種稱作連接裝置Ｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ的類似帶有開關(guān)的集線器結(jié)構(gòu)，很好地解決了以太網(wǎng)的時間確定性問題。
美國電氣工程師協(xié)會ＩＥＥＥ正著手制定現(xiàn)場裝置與以太網(wǎng)通信的新標準。該標準能夠使網(wǎng)絡(luò)直接“看到”對象ｏｂｊｅｃｔ。這為以太網(wǎng)進入工業(yè)控制現(xiàn)場打下了基礎(chǔ)。目前，現(xiàn)場總線系統(tǒng)如ＰｒｏｆｉｂｕｓＤｅｖｉｃｅＮｅｔ Ｃｏｎｔｍｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都打算使用以太網(wǎng)。一些大公司正在研究通過一種稱作管道ｔｕｎｎｅｌ的簡單傳遞機構(gòu)使用以太網(wǎng)絡(luò)傳送報文。這種方法簡單可行，現(xiàn)場裝置保持不變，僅需要一個專用的以太網(wǎng)絡(luò)接口取代原來的總線驅(qū)動器就可完成與以太網(wǎng)的連接。過去，一些生產(chǎn)ＰＬＣ為主的公司都使用以太網(wǎng)完成信息級通信，其中西門子公司的ＳＬＭＡＴＩＣ ＮＥＴ則將工業(yè)以太網(wǎng)應用到車間級，該公司有著將工業(yè)以太網(wǎng)向下層通信應用的趨勢。此外，生產(chǎn)ＤＣＳ公司的投入促進了將以太網(wǎng)廣泛應用于過程自動化的監(jiān)控級，如Ｆｏｘｂｏｒｏ公司將以太網(wǎng)用于Ｍｏｄｂｕｓ。由此可以預見，像當年代機進入工業(yè)自動化領(lǐng)域一樣，以太網(wǎng)／ＩＰ將會十分迅速地進人工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。
７ 以太網(wǎng)通信的發(fā)展ＩＰｖ６簡介
互聯(lián)網(wǎng)使用初期制定的ＩＰ地址方案ＩＰｖ４由四組數(shù)據(jù)組成。隨著以太網(wǎng)／ＩＰ的通信在工控和管理的應用，將引起ＩＰ地址的重復或不足。為解決ＩＰ地址“升位”的問題，ＩＥＥＥ在９０年代早期開始了一些嘗試，第一個成果是在１９９５年出版的ＲＦＣ１７５２ ＲＦＣ Ｒｅｑｕｅｓｔｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｅｎｔｓ，描述了稱為下一代ＦＰ ＬＰ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＩＰＮＧ的要求，并在一些輔助性文件中描述了新協(xié)議的報頭、路由、地址以及安全性方面的特征。以后出現(xiàn)了更多的ＲＦＣ，例如ＲＦＣ１８８３，并且該協(xié)議已被官方重新命名為“Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協(xié)議版本６″Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｖｅｒｓｉｏｎ ６ＩＰｖ６。
在ＩＰｖ６上增加的內(nèi)容中值得關(guān)注的幾點是
１它提供更大的地址空間ＩＰｖ６地址有１２８字節(jié)長；
２它通過路由器提供更快的ＩＰｖ６報頭處理，并且報頭也變長了ＩＰＡ是２０節(jié)，ＩＰｖ６是４０字節(jié)。大多數(shù)不用路由器處理的選項被移入單獨的擴展報頭中；
３它定義了ＬＰ數(shù)據(jù)包提供身份驗證、保密集成的機制。
它為應用程序提供了一種標記ＩＰ數(shù)據(jù)包的方法，該數(shù)據(jù)包需要特殊處理。使用此版本的典型應用程序包括多媒體應用程序和實時應用程序。ＩＰｖ６地址的長度為１２８一個節(jié)點能有多個接口因此就有多個ＩＰ地址。一個接口也能有多個ＩＰ地址。ＩＭ 提供的地址類型有三種單點傳送地址、多點傳送地址和任意點傳送地址。ＩＰｖ６為動態(tài)ＩＰ分配提供了兩種機制：一種與“動態(tài)主機配置協(xié)議”相似，在這種機制中，客戶向配置服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器從預配置池中取出一個值賦給它，也把這種方法稱為 “用狀態(tài)配置”。服務(wù)器保持狀態(tài)信息并在限定的時間內(nèi)把地址租給用戶，用戶能夠重新租用地址，如果有足夠的地址，客戶將分配到與上次相同的地址。第二種機制是一個“無狀態(tài)”機制。在這種機制下，客戶通過使用像“以太網(wǎng)”卡地址這樣的標識符來生成ＩＰ地址。一個ＩＭ主機可能沒有代碼來分辨地址類型。另一方面，一個ＩＰｖ６路由器可能完全理解不同的地址類型，并且根據(jù)不同的地址類型采取不同的行動。
總之通過認識現(xiàn)場總線應用應注意的問題，并理解以太網(wǎng)通信原理，相信我們可以很好地將現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)結(jié)合起來，更好的應用于工業(yè)現(xiàn)場控制中。
參考文獻：
１ 陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用． 北京：清華大學出版社，１９９９．
２美布雷耶． 交換式以太網(wǎng)和快速性以太網(wǎng)． 電子工業(yè)出版社，１９９６．
３美布雷耶． 新型交換式以太網(wǎng)和快速性以太網(wǎng)． 電子工業(yè)出版社，１９９２．
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