廣義現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)以太網(wǎng)
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時(shí)間：2013-03-07
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開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)最初目的是用數(shù)字儀表內(nèi)部所具有的數(shù)字信號(hào)替代4～20mA等模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間的信息傳輸，最初應(yīng)用于過(guò)程控制及制造業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用以后，人們得到了更多的好處。例如控制功能徹底分散到現(xiàn)場(chǎng)，先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理功能得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高等等?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)有過(guò)不同的定義，其實(shí)質(zhì)是指應(yīng)用在測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、系統(tǒng)管控設(shè)備之間信息交換的串行雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。從這一概念出發(fā)，本文所述的應(yīng)用在公路車(chē)輛、鐵路列車(chē)、低壓配電與控制以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域的ISO11898、IEC 61375、IEC 62026、IEC 61491等標(biāo)準(zhǔn)所定義的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)都可以認(rèn)為是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。這種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從過(guò)程控制及制造業(yè)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)始，以后很快發(fā)展到諸如電力監(jiān)控與繼電保護(hù)、樓宇自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)控、交通工具、能源管理、農(nóng)業(yè)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、機(jī)器人等各種領(lǐng)域，現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)無(wú)處不在。
二、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158
自80年代中期開(kāi)始，世界上各大控制廠(chǎng)商及標(biāo)準(zhǔn)化組織推出了多種互不兼容的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止世界上已出現(xiàn)過(guò)的總線(xiàn)有近200種。不同標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品不能互換，將給用戶(hù)造成極大的不便。從1984年起，IEC(國(guó)際電工委員會(huì))/TC65(工業(yè)過(guò)程測(cè)量及控制技術(shù)委員會(huì))和ISA(美國(guó)儀表學(xué)會(huì))就開(kāi)始了制訂國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工作。但由于受到大控制廠(chǎng)商相互競(jìng)爭(zhēng)的影響，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂困難重重，商業(yè)集團(tuán)為了自身的利益給國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的投票通過(guò)制造阻力，使得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)遲遲不能完成。最終不得已在1999年12月通過(guò)了一個(gè)包含了多種互不兼容的協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括了目前國(guó)際上用于過(guò)程工業(yè)及制造業(yè)的8類(lèi)主要的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。
Type1,IEC 61158技術(shù)規(guī)范。這是由IEC/ISA負(fù)責(zé)制訂的，曾試圖使之成為統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)技術(shù)規(guī)范，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)FF的H1(低速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn))是它的一個(gè)子集。
Type2，ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。美國(guó)AB公司、Rockwell開(kāi)發(fā)，ControlNet International(CI)組織支持。
Type3,Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)，Profibus用戶(hù)組織(PNO)支持。歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)三大總線(xiàn)之一。
Type4,PNet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。丹麥Process Data公司開(kāi)發(fā)，PNet用戶(hù)組織支持。歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)三大總線(xiàn)之一。
Type5,FF HSE(High Speed Ethernet,高速以太網(wǎng))?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)FF開(kāi)發(fā)的H2(高速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn))。
Type6,SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。美國(guó)SHIP STAR協(xié)會(huì)主持制定，波音公司支持。
Type7,WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。法國(guó)WorldFIP協(xié)會(huì)制訂并支持。歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)三大總線(xiàn)之一。
Type8,Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。德國(guó)Phoenix Contact公司開(kāi)發(fā)，Interbus Club支持。
上述8種總線(xiàn)中，Type1是為過(guò)程控制開(kāi)發(fā)的，支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全。Type5(FF HSE)是與之配套的高速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，用于對(duì)時(shí)間有苛刻要求或數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合，如斷續(xù)生產(chǎn)的制造業(yè)，以及監(jiān)控級(jí)。Type2(ControlNet)為監(jiān)控級(jí)總線(xiàn)，它的底層(設(shè)備級(jí))總線(xiàn)為DeviceNet，兩者有著共同的應(yīng)用層。Type3(Profibus)有3個(gè)部分Profibus FMS、Profibus DP和Profibus PA，采用不同的物理層，分別用于監(jiān)控級(jí)、斷續(xù)生產(chǎn)的制造業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。Type7(WorldFIP)也有不同的物理層，可用于過(guò)程控制和制造業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。Type4(PNet)多用于食品、飼養(yǎng)業(yè)、農(nóng)業(yè)及工業(yè)一般自動(dòng)化。Type6(SwiftNet)主要用于航空航天領(lǐng)域。Type8(Interbus)主要用于制造業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)(設(shè)備級(jí))或一般自動(dòng)化。
IEC61158 Ed.3.0分成總論、物理層規(guī)范和服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)定義、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范、應(yīng)用層服務(wù)定義、應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范6個(gè)部分，它的用戶(hù)層功能塊是IEC 61804標(biāo)準(zhǔn)，再加上IEC 61784(連續(xù)與斷續(xù)制造用行規(guī)集，草案)構(gòu)成一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。
三、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的其它國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
除了IEC 61158外，IEC及ISO還制定了一些特殊行業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
(1) 1993年ISO/TC22/SC3(公路車(chē)輛技術(shù)委員會(huì)電氣電子分委員會(huì))發(fā)布的ISO 11898公路車(chē)輛—數(shù)字信息交換—用于高速通信的CAN以及低速標(biāo)準(zhǔn)ISO 11519。
該標(biāo)準(zhǔn)基于有名的CAN(控制器局域網(wǎng))總線(xiàn)，已有很多文獻(xiàn)介紹。與之相關(guān)的還有ISO 119921(公路車(chē)輛—主拖與被拖車(chē)輛之間的電氣連接—數(shù)字信息交換—卡車(chē)/拖車(chē)收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn))和ISO 11898 3(容錯(cuò)收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn))兩個(gè)低速的物理接口標(biāo)準(zhǔn)ISO119921提高了發(fā)送電平，具有很高的抗電磁干擾能力，能抵御100V以上的共模射頻電壓和約6V的地電位差，可用于嚴(yán)酷的電磁環(huán)境。
ISO 11898 3的特點(diǎn)是具有總線(xiàn)管理功能和容錯(cuò)性能。在總線(xiàn)CAN H和CAN L之一斷線(xiàn)、CAN H和CAN L之一對(duì)電源短路或?qū)Φ囟搪?、CAN H和CAN L相互短路及線(xiàn)路與終端電阻斷開(kāi)時(shí)均能給出指示。總線(xiàn)在正常狀態(tài)時(shí)為差分傳輸，故障時(shí)轉(zhuǎn)為單線(xiàn)傳輸，故障消除后又自動(dòng)轉(zhuǎn)為差分傳輸。
由于CAN沒(méi)有規(guī)定應(yīng)用層和物理接口，一些組織給它制定了不同的應(yīng)用層和物理接口標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了幾種完整的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，其中比較有名的有下文提到的DeviceNet、SDS以及CANopen等。
(2) 1999年9月IEC TC9(鐵路電氣設(shè)備技術(shù)委員會(huì))發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375列車(chē)通信網(wǎng)(TCN)[5]。
該標(biāo)準(zhǔn)定義了兩層總線(xiàn)：列車(chē)總線(xiàn)(WTB,Wire Train Bus)和多功能車(chē)輛總線(xiàn)(MVB,Multifunction Vehicle Bus)。
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