各类型现场总线的体系结构综述

　　经过长达15年的争论，IEC61158用于工业控制系统的现场总线国际标准于2000年初终于获得通过，现场总线之争逐渐随之退潮，IEC/SC65C/WG6现场总线标准委员会到此也完成了历史使命。为了进一步完善IEC61158标准，IEC/SC65C成立了MT9现场总线修订小组，继续这方面的工作。MT9工作组在原来8种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2001年8月制定出由10种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，它们是：Type1 TS61158 现场总线、Type2 ControlNet和 EtherNet/IP现场总线、Type3 Profibus现场总线、Type4 P-NET现场总线、Type5 FF HSE现场总线、Type6 Swift-Net 现场总线、Type7 WorldFIP现场总线、Type8 Interbus现场总线、Type9 FFH1现场总线以及Type10 Profinet现场总线，该标准于2003年4月成为正式国际标准。限于篇幅，本文对10种类型总线做概要论述，并简单综述上述总线近三年来的最新进展。

　　1 Type1 TS61158 现场总线

　　Type1 现场总线标准由以下部分构成：

　　PhL：IEC61158-2：1993标准的超集(Superset);

　　Foundation Fieldbus的超集;

　　WorldFIP的功能超集;

　　DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4;

　　Foundation Fieldbus的超集;

　　WorldFIP的功能超集;

　　AL：IEC TS61158-5，TS61158-6。

　　1998年之前，IEC/SC65C只推荐一种类型的现场总线，该总线主要采纳Foundation Fieldbus总线和WorldFIP总线基本技术，并严格按照IEC定义制定现场总线标准，由于各种原因，经过多轮投票未获通过，只能按规定成为技术报告TS61158，以此为基础形成了现在的Type1现场总线。国际电工委员会推荐的通用现场总线网络结构如图1所示，从图中可以看出现场总线系统可以支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信，可以与工厂自动化的PLC实现互连。在这里，H1现场总线主要用于现场级，其速率为31.25Kbps，负责两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供电设备的本质安全;H2现场总线主要面向过程控制级、监控管理级和高速工厂自动化的应用，其速率为1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。

　　2 Type2 ControlNet和EtherNet/IP现场总线

　　由ControlNet International(CI)组织负责制定的Type2现场总线标准由以下部分组成：

　　PhL和DLL：ControlNet;

　　AL：Control Net和EtherNet/IP。

　　Type2现场总线系统体系结构如图2所示。ControlNet采用一种新的通信模式，即生产者/客户(Producer/Consumer)模式，这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据，其主要特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。网络的媒体送取，通过限制时间存取算法来控制，即采用并行时间域多路存取(CTDMA)方法，在每个网络刷新间隔(NUI)内调节节点的传送信息机会。

图2 Type2 现场总线系统体系结构

　　EtherNet/IP以太网工业协议是一种开放的工业网络，它使用有源星形拓扑结构，可以将10Mbps和100Mbps产品混合使用。该协议在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息协议(CIP)，提供一个公共的应用层。CIP的控制部分用于实时I/O报文，其信息部分用于报文交换。ControlNet和EtherNet/IP都使用该协议通信，分享相同的对象库、对象和设备行规，使得多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用。对象的定义是严格的，在同一种网络上支持实时报文、组态和诊断。为了提高工业以太网的实时性能，ODVA(开放的DeviceNet供应商协会)于2003年8月公布了IEEE1588“用于EtherNet/IP实时控制应用的时钟同步”标准。

　　3 Type3 Profibus 现场总线

　　Type3 现场总线得到Profibus用户组织PNO的支持，德国西门子公司则是Profibus产品的主要供应商。Profibus系列由三个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三条总线构成。为了提高Profibus总线性能，近几年PNO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，同时逐步取消Profibus-FMS总线。扩展的Profibus-DP现场总线体系结构如图3所示，Profibus-DP特别适用于设备级自动控制系统与分散I/O之间高速通信。Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，使用两根线就可以完成供电和数据通信，并能实现本质安全性能。以此为基础，扩展的DP功能DPV1进一步完善了Profibus-PA功能;DPV2解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题。