應用現場總線需注意的問題及以太網在現場總線中的應用
加入技術交流群
（１０）要密切注意現場總線及其相關技術的進展
現場總線目前雖然已有１２種國際標準，但它在繼續發展或改進。世界上較大的企業都在致力于現場總線的研究，并不斷地對現有的現場總線進行改進。如將以太網應用于現場總線，由于以太網過去僅適用于辦公室自動化，如今要用于工業現場，還有不少難題尚待去解決，如要滿足工業控制要求的實時性，工業環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，但全世界大型企業都在進行研究。所以我們要時刻搜集最前沿的信息，跟上現場總線的發展進程，及時對我們的工作做出部署。
（１１）一專多能
現場總線技術是控制、通信和計算機技術的綜合，牽涉到三個不同的學科另外熟悉工業控制過程和某些行業工藝過程的制造廠結合信息技術以后，推出了ＥＩＣ集成化系統、ＡＰＣ先進過程控制系統等產品，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的優勢千方百計地往下滲透，推出了基于ＰＣＰＣ ｂａｓｅｄ的控制系統、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自動化系統內有一個交匯點，而這個交匯點處于動態變化之中，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，而在應用時還須熟悉生產對象的工藝過程和對象的動態特性和管理技術。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 以太網及其通信特點
以太網Ｅｔｈｅｒｎｅｔ網絡最初出現于１９７５年。目前主要有快速以太網和交換式以太網，還有千兆以太網和光纖以太網。以太網以前主要應用于辦公自動化，在現場總線中的應用還不多。以太網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。目前通用的以太網標準ＩＥＥＥ８０２．３使用了ＣＳＭＡ／ＣＤ帶沖突檢測的載波監聽多點接人傳輸協議。根據該傳輸協議，任何需要傳輸數據的節點首先要監聽網絡，網絡繁忙時監聽，網絡空閑時發送數據，在發送數據過程中繼續監聽，檢測到沖突時立即停止發送并發出一個強化沖突的干擾信號，通知所有節點此時的網絡已經發生沖突，此時沖突各方主動退避隨機等待一段時間后再重新監聽網絡。以太網沖突主要有兩個來源其一是網絡空閑多個節點同時發送數據造成的沖突其二是節點傳輸延遲造成的沖突。因此，工業控制中采用標準以太網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有可能出現“孤島”現象，即某些節點在一段時間內可能得不到傳輸數據的機會。
標準以太網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發送成功。除此之外，為了分辨無效幀，以太網還有可能造成帶寬浪費不符合工業現場環境要求；不具備本質安全性能；不能通過信號線向現場儀表供電等缺陷，因此以太網在工業控制領域方面的應用很有限。
６ 交換式以太網及其發展
交換式以太網是根據提高以太網的傳輸效率，盡可能的減少總線競爭這個思想開發出來的新型以太網。它采用星形布線方式，所有節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、傳輸數據。優點是不存在總線競爭，能顯著的提高系統的傳輸效率。缺點是不易控制最大傳輸時延。為了促進以太網在工業領域的應用，國際上成立了工業以太網協會Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，并積極開展了工業以太網關鍵技術的研究。為解決以太網在無間斷過程工業領域的極端條件下穩定工作，世界上一些大型企業專門開發和生產了導軌式收發器系列、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結構。
在工業控制系統中，通過網絡傳送的數據必須在確定的時間內到達目的地，此即所謂網絡的時間確定性。如ＰＩＤ調節器通過網絡從現場變送器收集數據進行ＰＩＤ運算，為了實時實現ＰＲ調節，各調節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，通常要求網絡的時間延遲小于２～４ｍｓ。長時間的通信將惡化對象特性，使控制系統品質下降。由于以太網時間的不確定性，現在的工業以太網現場總線采用一種稱作連接裝置Ｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ的類似帶有開關的集線器結構，很好地解決了以太網的時間確定性問題。
美國電氣工程師協會ＩＥＥＥ正著手制定現場裝置與以太網通信的新標準。該標準能夠使網絡直接“看到”對象ｏｂｊｅｃｔ。這為以太網進入工業控制現場打下了基礎。目前，現場總線系統如ＰｒｏｆｉｂｕｓＤｅｖｉｃｅＮｅｔ Ｃｏｎｔｍｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都打算使用以太網。一些大公司正在研究通過一種稱作管道ｔｕｎｎｅｌ的簡單傳遞機構使用以太網絡傳送報文。這種方法簡單可行，現場裝置保持不變，僅需要一個專用的以太網絡接口取代原來的總線驅動器就可完成與以太網的連接。過去，一些生產ＰＬＣ為主的公司都使用以太網完成信息級通信，其中西門子公司的ＳＬＭＡＴＩＣ ＮＥＴ則將工業以太網應用到車間級，該公司有著將工業以太網向下層通信應用的趨勢。此外，生產ＤＣＳ公司的投入促進了將以太網廣泛應用于過程自動化的監控級，如Ｆｏｘｂｏｒｏ公司將以太網用于Ｍｏｄｂｕｓ。由此可以預見，像當年代機進入工業自動化領域一樣，以太網／ＩＰ將會十分迅速地進人工業控制系統的各級網絡。
７ 以太網通信的發展ＩＰｖ６簡介
互聯網使用初期制定的ＩＰ地址方案ＩＰｖ４由四組數據組成。隨著以太網／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議的報頭、路由、地址以及安全性方面的特征。以后出現了更多的ＲＦＣ，例如ＲＦＣ１８８３，并且該協議已被官方重新命名為“Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協議版本６″Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｖｅｒｓｉｏｎ ６ＩＰｖ６。
在ＩＰｖ６上增加的內容中值得關注的幾點是
１它提供更大的地址空間ＩＰｖ６地址有１２８字節長；
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，ＩＰｖ６是４０字節。大多數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數據包提供身份驗證、保密集成的機制。
它為應用程序提供了一種標記ＩＰ數據包的方法，該數據包需要特殊處理。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ＩＰ分配提供了兩種機制：一種與“動態主機配置協議”相似，在這種機制中，客戶向配置服務器發出請求，服務器從預配置池中取出一個值賦給它，也把這種方法稱為 “用狀態配置”。服務器保持狀態信息并在限定的時間內把地址租給用戶，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”機制。在這種機制下，客戶通過使用像“以太網”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，并且根據不同的地址類型采取不同的行動。
總之通過認識現場總線應用應注意的問題，并理解以太網通信原理，相信我們可以很好地將現場總線和以太網結合起來，更好的應用于工業現場控制中。
參考文獻：
１ 陽憲惠．現場總線技術及其應用． 北京：清華大學出版社，１９９９．
２美布雷耶． 交換式以太網和快速性以太網． 電子工業出版社，１９９６．
３美布雷耶． 新型交換式以太網和快速性以太網． 電子工業出版社，１９９２．
評論