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现场总线技术的发展与工业以太网综述

一、现场总线标准化进程 
8种现场总线经过14年的纷争,最后IEC的现场总线标准化组织经投票,通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准,即:FF H1,Control Net,PROFIBUS INTERBUS,P-Net,World FIP,Swift Net,FF之高速Ethernet即HSE。其中,P-Net和Swift Net是专用总线;Control Net,PROFIBUS World FIP和INTERBUS是PLC发展而来的;而FF和HSE是从传统DCS发展而来的。这8种现场总线采用的通信协议完全不同,因此,要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。 

由于各生产厂商要尽可能地控制市场份额,保护各自过去的投资利益,经过14年的长期急诊而意见难以统一,于是各自退回原地,开展了一场保卫各自“领地”的战斗。目前,这8种现场总线都在各自修改其应用层协议,支持IEC61784规范,争取通过高层协议以达到相互兼容之目的。如2002年完成工作,将使IEC61158成为一个基本统一的、由多部分组成的标准。 

众所周知,最早的气动单元组合仪表采用0.2~1.0N/cm2统一标准化气动信号,电动单组合仪表采用4~20mA标准化信号互联,任何厂家的产品均可以实现互联,这两代仪表系统都得到健康发展。面现场总线由于来自不同产品和生产厂家,经14年争论也无法达成统一,多标准等于无标准。市场迫切需要统一标准的现场总线控制系统。只有通过制定新标准才能实现,为了加快新一代系统的,人们开始寻求新的出路。 

几种可能的出路是: 

出路一:各种现场总线统一到1~2种。IEC61158的产生本身就说明这种可能性很小。 

出路二:开发所有现场总线通用的接口,成本较高且难度较大。 

出路三:各国不理睬IEC61158,采用自主知识产权的协议。不符合经济全球化发展趋势。 

出路四:采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议,并使其在工业体育场成熟应用,易于被广大国家用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎。 

二、Ethernet在工业自动化中应用的若干问题 

Ethernet进军工业自动化的主要动力是成本低和速度的提高。Ethernet是世界上应用最多的网络,超过93%的网络节点为Ethernet。 

Ethernet用于工业自动化有以下四个问题需要解决。 

(一)实时性问题 

实时性就是信号传输足够快加上确定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式,网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。

Ethernet发展的现实是:交换式100M Ethernet已广泛应用,能提供足够的带宽和减少冲突:全双工网络和具优先权的传送机制得保证确定性:典型的工业应用,峰值负载为10M Ethernet的5%,在100M Ethernet网络负载为0.5%,而Ethernet只有当负载达40%以上时才会有明显的延迟现象。在100M Ethernet网中,发送一个包延时超过2ms的状况,5年也不会发生一次。

(二)Ethernet如何满足现场环境问题 

Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的,不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中,Ethernet抗干扰性能较差。若用于危险场合,它不具备本安特性,也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。