各类型现场总线的体系结构综述

　　协议包括物理层、数据链路层和应用层。数据链路层采用面向过程数据的传输方法及集总帧协议，可以传输循环过程数据和非循环数据，帧信息包括一个启动信号、回送信息、数据安全/结束信息。集总帧具有非常高的传输效率，其效率高达52%，尽管INTERBUS通信速率为500Kbps和2Mbps，通信速度和效率很高。应用层服务用于实现实时数据交换、VFD支持、变量访问、程序调用和12个相关的服务。

　　INTERBUS总线有很强的监视诊断功能，总线监控功能监视整个网络系统的运行状态，同时也提供总线网络的变结构功能，能及时根据设计要求，关断和连接总线的某个子总线段。监控功能是现场安装、调试、诊断和维护的有力工具。具体功能是识别和确定安装错误和部件错误，现场总线模块具有输入/输出的状态显示，在调试时可设置输出状态，以及可以保存某些智能设备的参数。

　　为了提高工业网络的安全性，以满足制造业和过程工业自动化故障安全通信的要求，特别是在汽车制造业中具有安全总线的功能被放在首位。INTERBUS俱乐部从1999年开始进行INTERBUS安全总线研究，在2001年得到了德国BIA组织EN954-1 KAT.4标准的许可证明，并符合IEC61508安全通信标准。INTERBUS的安全总线由一个Safe Control控制模块和现场分散式智能模块组成，控制模块的唯一功能就是控制安全数据。这种解决方案优于其它方案，它将控制系统与安全总线的功能截然分开，控制系统机构清晰简单，不影响今后的扩展和修改，成本明显降低。这是现场总线的一个发展方向。

　　9 Type9 FF H1现场总线

　　H1现场总线是由FF现场总线基金会负责制定的。FF基金会成员由世界著名的仪表制造商和用户组成，其成员生产的变送器、DCS、执行器、流量仪表占世界市场的90%，它们对过程控制现场工业网络的功能需求了解透彻，在过程控制方面积累了丰富的经验，提出的现场总线网络架构较为全面，其通信体系结构如图9所示。Type9现场总线是Type1现场总线的子集。

　　FF H1现场总线协议由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。H1总线支持多种传输媒体：双绞线、电缆、光缆和无线媒体。传输速率为31.25Kbps，通信距离最大为1 900米。该总线支持总线供电和本质安全。

　　图9 Type9 FF H1现场总线体系结构

　　数据链路层负责实现链路活动调度、数据的接收发送、活动状态的响应、总线上各设备间的链路时间同步等。这里，总线访问控制采用链路活动调度器(LAS)方式，LAS拥有总线上所有设备的清单，由它负责总线段上各设备对总线的操作。

　　现场总线应用层由现场总线访问(FAS)子层和现场总线报文规范(FMS)子层构成。FAS子层提供发布者/预订者、客户机/服务器和报告分发三种模式的报文服务。FMS子层提供对象字典(OD)服务、变量访问服务和事件服务等。现场总线用户层具有标准功能块(FB)和装置描述功能。标准规定32种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。由于装置描述功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可使现场装置实现真正的互操作。10 Type10 PROFI net现场总线

　　PNO组织于2001年8月发表了Profinet规范。Profinet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。

　　Profinet现场总线体系结构如图10所示，从图中看出，该方案支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。基于对象应用的DCOM通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的形式表示的Profinet组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制(ACCO)确保已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件控制的，ACCO也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。

　　图10 Type10 Profinet现场总线体系结构

　　Profibus可以通过代理服务器(Proxy)很容易地实现与其它现场总线系统的集成，在该方案中，通过代理服务器将通用的Profibus网络连接到工业以太网;通过以太网TCP/IP访问Profibus设备是由Proxy使用远方程序调用和Microsoft DCOM进行处理的。

　　Profinet提供工程设计工具和制造商专用的编程和组态软件，使用这种工具可以从控制器编程软件开发的设备来创建基于COM的自动化对象，这种工具也将用于组态基于Profinet的自动化系统，使用这种独立于制造商的对象和连接编辑器可减少15%的开发时间。

　　结语

　　10种类型现场总线采用完全不同的通信协议。Type1采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式;Type2 ControlNet使用CTDMA方法和Producer/Consumer模式，EtherNet/IP使用Ethernet TCP/IP协议;Type3是令牌环和主站/从站方式;Type4通信采用虚拟令牌传递方式;Type5采用CSMA/CD方式和Ethernet TCP/IP协议;Type6使用TDMA多路存取方式;Type7使用总线裁决方式;Type8采用整体帧协议;Type9采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式;Type10使用Ethernet TCP/IP协议。

　　从以上论述可以看出，十种类型现场总线体系结构和通信协议都不相同，但对Ethernet TCP/IP工业以太网技术用于H2高速现场总线基本达成共识，EtherNet/IP、FF HSE和Profinet工业以太网技术事实上已成为国际标准。

　　据了解，IEC61158标准的维护期为2007年12月31日，就是说在此之前不会增加新的现场总线，对目前标准内的现场总线也不会做修改。由此可见，现场总线系统的体系结构和格局已经基本确定，工业以太网和现场总线在系统中的定位已经明确，它们两者之间的关系见表1。

　　表1 工业以太网与现场总线关系

　　表中列出了当前工业以太网技术的4个主要竞争者，FF HSE、EtherNet/IP和Profinet现场级都有自己的现场总线，这种格局今后不会改变。Phoenix Contacts公司Type8 INTERBUS采用的IDA工业以太网技术发展很快，并将工业以太网延伸到现场I/O级，同时Modbus TCP/IP协议已被提交国际因特网工程特别工作组(IETF)，希望这个协议能成为工业因特网协议标准。为了使此项工作加速推进，Modbus组织和IDA组织于2003年10月底宣布合并。国内也正在开展工业以太网的开发工作，浙大中控技术有限公司开发的EPA工业以太网已经延伸到现场一级，并在化工厂获得成功试用。

　　现场总线的长期争论使人们逐渐认识到，数字技术的统一完全不同于模拟技术，现场总线控制系统的统一之路应该充分吸收Internet技术实现统一的成功经验，面向市场，不断创新，建立一个具有互操作性的工业以太网网络，最终为工业自动化创建一个统一的信息平台。