工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
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)的鳖灰。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)校征离、控制組態(tài)潦春、診斷、報(bào)警引继、記錄）的發(fā)展材哺，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命」憷颍控制專家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流恨摩。
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)德检，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)一屋嘉，這使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外澎灸，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意院塞，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（物理層性昭、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）和極具特色的用戶層拦止，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps绿贞，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps匠题，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿足實(shí)時(shí)控制的要求塘憨。由于上述原因懊潜，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制躲窜。當(dāng)人們冷靜下來(lái)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行思考時(shí)切锈，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)跷叉。
以太網(wǎng)具有傳輸速度高嫌吠、低耗忌警、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)搁拙，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)中被廣泛采用法绵。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)合下箕速，重要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(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之間茵箩，這是影響以太網(wǎng)長(zhǎng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一解夜。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)脾询。
二李狼、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)斧枚，其傳輸速度為100Mbps榆模。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)議稽舱。
1积辞、 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)議趋大，其網(wǎng)絡(luò)采用星型拓樸結(jié)構(gòu)菠卖，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)備头趴，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接口上揍庄。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)儀表和通道組咆蒿，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器东抹。
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)行沃测，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)行儀表缭黔。由于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)蒂破，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馏谨。
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)間外附迷，還對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置惧互，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口喇伯，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)喊儡，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)共享稻据。
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)艾猜，這已足以滿足多數(shù)場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。
2霉枢、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能
一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet首冒、Profibus、Modbus和Java等）在開(kāi)發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時(shí)，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能烙损，此項(xiàng)技術(shù)被稱為“地道”亏铭，它其實(shí)僅僅是在設(shè)備中加入特殊的協(xié)議芯片，這里不做具體介紹诺订。
3刊濒、工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題
上述研究工作的進(jìn)展為以太網(wǎng)進(jìn)入FCS提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)辱郑，以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳輸種類（如語(yǔ)音埃的、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進(jìn)展糟糊。目前的研究工作應(yīng)集中解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：
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