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1、2023年现场总线工业以太网在现场总线的应用 工业以太网在现场总线限制系统中的应用 陈平 张安年（洛阳工学院） 摘 要：分析了工业以太网在现场总线限制系统中的应用前景， 指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满意实时控 制的要求，提出了在现场总线中应用工业以太网的探讨 课题，并给出了一个工业以太网应用实例。 关键词：电力网络分析; 总线式结构; 限制系统 一、前言 现场总线限制系统（FCS ）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替420mA 模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、限制组态、诊断、报警、记录）的发展，在限制领域内引起了一场前所未有的革命
2、。限制专家们纷纷预言：FCS 将成为21世纪限制系统的主流。 然而就在人们沸沸扬扬的对FCS 进行概念炒作的时候，却没有留意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS 中兼容。此外，FCS 的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF ）正在制定的国际标准1为例，它采纳了ISO 的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层2，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps ，高速总线H2的传输速度为1Mbps 或 2.5Mbps ，这在有些场合下仍无法满意实时限制的要求。由于上述缘由，使FCS 在工
3、业限制中的推广应用受到了肯定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思索时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎全部流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采纳。但是传统以太网采纳总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式3, 在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。探讨表明4：商业以太网在工业应用中的传输延滞在230ms 之间，这是影响以太网长期无法进入过程限制领域的重要缘由之一。因此对以太网的探讨具有工程好用价值，从而产生了一种新型以太网工业以
4、太网。 二、工业以太网的探讨现状 近年来限制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的探讨工作，其中有代表性的是FF 制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps 。综观工业以太网的探讨现状，出现了两个值得留意的发展方向5：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。 1、以太网集线器 FF 将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采纳星型拓朴结构，如图1所示。 图中集线器（HUB ）6置于网络中心并通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和一般现场仪表（通过通道组）分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速(约100 kHz)扫描全部实时现场仪表和通
5、道组，然后传送数据包到上层限制器。 图1 FF 的集线器型工业以太网FCS 系统结构 通常一般限制算法在现场限制器中进行（可由上层限制器下载），而高级限制算法则在上层限制器中进行，其限制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分别的线路传输数据， 所以保证了实 时数据不会产生传输延滞和线路堵塞。 集线器作为网络的仲裁器，除了限制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测须要通讯的现场设备所在以太网I/O口，并为之供应数据缓冲区，这样可大大缩短现场
6、设备的响应时间和削减数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享7。 阅历证8这种采纳以太网集线器技术的FCS 可使实时数据的延迟时间限制在200纳秒的范围之内，这已足以满意多数场合的实时限制要求。 2、在以太网的协议中加入实时功能 一些FCS 的生产商（如ControlNet 、Profibus 、Modbus 和Java 等）在开发自己的工业以太网FCS 时，在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”9，它其实仅仅是在设备中加入特别的协议芯片，这里不做详细介绍。 3、工业以太网的探讨课题 上述探讨工作的进展为以太网进入FCS 供应了可行性，但要使以太网能在
7、FCS 中发挥其强大的网络优势，以满意现代工业限制中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的须要， 还有待于探讨工作取得更大的突破性进展。目前的探讨工作应集中解决以下两个方面的问题： （1）尽快推出 FCS国际标准 当今的FCS 领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面10,11。其中有影响的为Intel 公司的Bitbus 、德国的HART 和Profibus 、丹麦的P-NET 、Honeyvell 及AB 的WorldFIP 、Foxboro,ABB 和横河的ISP 、FF 的H1和H2和Echelon 的Lonworks 等。这种混乱局面是由于各大厂商为了抢占市场急于
8、推出自己的产品，而FCS 的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使各厂家推出的FCS 成为一个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都很差。FCS 的用户剧烈呼吁尽快出台FCS 的国际标准，以期望实现FCS 的“世界大同”。 1994年6月WorldFIP 和ISP 联合成立了FF ，它包括了世界上几乎全部的闻名限制仪表厂商在内的100多个成员单位，致力于IEC 的FCS 国际标准化工作。但由于部分成员为了自身利益，力图阻挡FCS 的国际标准出台，形成了FF 的FCS 国际标准难以“一统天下”的令人担忧的局面。解决这一问题的途径是：一是要求FF 在其国际标准中推出完善的用户层和严
9、格的互操作性的产品认证；二是提高用户抵制非国际标准的FCS 的自觉性。 （2）工业以太网向FCS 现场级的延长 必需指出，图1所示的工业以太网FCS 中，其现场级总线的传输速度并不志向，这是因为工业以太网还只是在上层限制网络中应用，而很多厂商出于平安考虑，在很多技术问题没有解决之前，现场级尚未运用工业以太网，所以FCS 总体的传输速度没有什么质的飞跃。为了实现以太网向现场级的延长，除了改进以太网的通讯协议之外，还须要解决网络的本安、现场设备的冗余和通过以太网向现场仪表供电等技术问题。 作者认为，在保留FCS 特色的基础上解决上述问题才能使工业以太网具有生命力。 三、工业以太网的应用实例 Bay
10、er AG公司最近在其生产高度腐蚀性产品的化工厂中胜利的在原现场总线（Profibus ）的基础上应用工业以太网的限制网络12，并且把全部的现场设备、限制器件和个人计算机工作站集成为一个高度牢靠、低耗和实时的限制系统, 系统最大限度运用了数字化通讯和分布式计算技术13，其结构如图2所示。 图2 工业以太网FCS 的应用实例 图中主要的现场设备通过GE Field I/O连到限制系统，每个Field I/O可干脆连接超过20个Foxboro Micro-I/A现场级限制子系统。Field I/O和Micro-I/A安装在靠近现场的全封闭式平安柜中。Micro-I/A可进行逻辑限制、批量限制和连续
11、限制。现场仪表通过Field I/O设备连到工业PC 上（全部设备由西门子公司供应）。它除了进行逻辑限制和平安互锁外，还能实现过程点所要求的一般限制算法。工业PC 通过工业以太网和装有Microsoft Windows NT 操作系统的工作站进行通讯，在工作站保存高级限制算法，其限制输出通过以太网下载到须要高级限制运算的现场仪表。Foxboros I/A系列工业软件在工作站可为用户供应报警、数据趋势、历史记录、分析、报告和为操作者特地设计的可视化界面。 四、结束语 工业以太网的介入为FCS 的发展注入了新的活力，随着FCS 国际标准的推出以及有关技术问题的突破性进展，一个代表21世纪潮流的工业以太网的现场总线限制系统时代就会到来。