INTERBUS 现场总线技术及其发展

2005年5月，INTERBUS现场总线正式成为我国行业标准JB/TIO308.8《测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型8：INTERBUS《规范》。INTERBUS是世界上开发最早的现场总线，早在1984年就由德国Phoenix Contact公司研发，并得到Interbus Club国际组织支持。由于该总线的快速发展和广泛使用，INTERBUS 已先后成为DIN19258德国标准、EN50254欧洲标准和IEC61158现场总线国际标准。INTERBUS在全球有1000多家总线设备生产商，提供多达2500种产品。到目前为止，INTERBUS现场总线在世界各地的节点安装突破750万，在各种现场总线中名列第二。
1. INTERBUS系统结构与规范：
INTERBUS是数字的串行通信系统，用于控制系统（如何编程序控制器）与工业传感器和执行器类现场设备之间的通信。INTERBUS总线使用中央主――从访问方式和树状拓扑结构，用于所连接的主站系统应用与从站应用程序之间数据的交换，其系统结构图示于图1。INTERBUS协议给用户提供了两个数据传输通道：过程数据通道和参数通道。组合两种通道形成混合的网络通信结构。从主站开始的网段是第一网段（一组从站），同时该网段可通过总结耦合器扩展更多网段。从站和总线耦合器不带地址，它们的地址是由其在环中的位置决定。

图1 INTERBUS系统结构
对于INTERBUS系统来说，整个系统是由互相连接的总线段构成。INTERBUS总线可分为三种不同的总线段，即远程总线段、本地总线段和Interbus环路段。每个远程总线段开始于一个远程总线终端模块，一个远程总线的最大长度为400米（铜缆），整个INTERBUS系统的总长可达12.8公里。如果远程总线需要供电，则称为安装远程总线，即传输数据，也传输电源；每个远程总线终端模块都引出一个由本地总线模块组成的本地总线段，本地总线主要用在控制柜内，并给变送器和执行器提供附加电源；Interbus环路段是可以直接应用于IP65现场的本地总线段，它采用两芯无屏蔽导线，总线供电。一个环路可带63个模块，总长为200米。根据用户的不同要求，利用以上不同的Interbus总线段可以构成能够满足各种实际需要的现场总索线网络结构。INTERBUS系统规范见表1。

表1 典型INTERBUS系统规范
从表中可以看出INTERBUS数据的安全性得到充分保护。
2、INTERBUS协议：
INTERBUS通信协议完全遵照ISO/0SI开放系统互连模型，并符合IEC61158现场总线三层参考模型。INTERBUS参考模型包括物理层、数据链路层和应用层，其中，为了提高传输效率，数据链路层（DLL）、由媒体访问控制（MAC）、基本链路层（BLL）和外围设备数据链路（PDL）等三个子层构成，该数据链路层产生了等时(Isochrones)、集总帧(Summation frame)传输协议，具体见图2。

图2 集总帧传输协议
INTERBUS总线系统是一个数据环结构。主站开始第一个网段，从站被连接到网段。数据从主站传送到所有从站，从站从前面的设备接收数据并把数据传送给下一个设备，从站将集总帧送给它的输入数据取出，在该处插入其将要传出的数据，旁路通过其它数据。对总线上每个从站来说，根据它在帧中的数据宽度确定一个固定的时间片。数据包顺序按照连接从站的物理顺序。周期数据（过程数据和非周期数据（参数数据）同时传输。从站的参数数据在集总帧中使用固定长度为2、4和个八位位组，较长的报文（PDU）由数据链路层分割，这就是INTERBUS总线专有的PCP (Peripherals Communication Protocol) 外围设备通信协议，PCP最后再把所有的信息片段组合起来，形成一个完整的信息。
从图2的帧格式可以看出，一个传输周期由主站启动并以一定的数据序列开始，这包括跟在输出数据后的LBW回送字。集总帧输出后所有输出数据都正确地送入相应的设备中。过程数据后继的32位长的帧校验序列FCS用于校验传输的数据，它由一个16位CRC多项式来实现。
由于采用集总帧传输数据，INTERBUS现场总线的通信效率大大高于其它现场总线。表2列出各种现场总线传输效率的对比情况，这种对比是以32个设备的系统为例，其中包括20个8位输入设备和12个8位输出设备。

表2 各种现场总线传输效率的比较[page]
从表中可以看出，INTERBUS现场总线的通信效率高过52%，Ethernet网络的通信效率仅为0.77%。正因为如此，目前正在迅速发展的工业以太网技术，较多的采用INTERBUS等时传输协议。
INTERBUS 应用层（AL）提供的服务负责完成数据的周期发送（过程数据通道）和数据非周期发送（参数通道）。过程数据通道允许非常有效和高速地传输与过程相关数据，例如一个主站和从站之间设定值和实测值。通常，过程数据通道发送的数据结构简单，但处于高度动态和更新这中，通过过程数据通过，应用程序直接访问DLL。对数据的周期发送，INTERBUS使用推广式发布者/预定者模式高效地传送数据，相应的应用关系协议机制 （ARPM） 为“网络调度意向缓冲 （BNU）” 方式。过程数据通道并行的参数通道以非周期方式在两个通信伙伴间传送复杂结构数据。在参数通道是传递的数据对动态响应无要求，且传输量很小。它通常用于参数的初始化。非周期传输采用客户/服务器通信模式，主站和从站都可以做为客户或服务器。为非周期传输提供的两种用户ARPM这“具有流量控制的用户发起双向队列式” （QUB-FC） 和“透明模式用户发起双向队列式”（QUB-TM）。
3．INTERBUS通信行规：
由于现场总线标准是概念性的技术标准，理认性强、概念抽象、涉及面广。为了方便用户设计的应用工业网络中的现场总线设备，IEC/TC65/SC65C数据通信委员会最近制定了“IEC61784用于连续的离散制造工业控制系统现场总线通信行规集”，该标准规定了各类通信设备通信协议栈的选择规范。在标准中INTERBUS现场总线被规定为第6类通信行规族Communication Profile Families (CPF) 6。在JB/T 10308.8《INTERBUS规范》中，首次将通信行规入现场总线标准，以方便国内广大用户。
根据INTERBUS规范，确定了三种预定义的通行行规，每一种通信行规都提供一组完善的规定和附加条件限制，以保证INTERBUS设备能互操作。对一些独特设备要进一步选择服务服务、参数和参数年值。三种被定义通信行规为：
行规6/1：行规6/1定义了一般标准的INTERBUS行规，该行规包括AL、DLL和PHL服务选择以及符合INTERBUS应用访问的协议定义；
行规6/2：行规6/2扩充行规6/1的非周期数据交换能力。它规定通过AR-Send-Data-AcknowLedge透明访问INERBUS设备，它适合带有其它协议栈如TCP/IP的基于TCP/IP应用程序的设备。该协议栈使用AR-Send-Data-Acknowledge而不影响行规定义；
行规6/3：行规6/3使用一简化的服务组，用于非周期数据交换，适合有限资源的INTERBUS设备。
符合通信行规的主站或从站设备，依据CP标识符合可以进一步细分，CP标识符见表3。关于CPF6通信行规的详细规定请参见《JB/TI0308.8INTERBUS规范》。

表3 设备CP标识符分配
4．INTERBUS技术的新发展：
随着IT技术发展，INERBUS现场总线技术在扩大应用的实践中不断完善与发展。
4.1 INTERBUS总线将与PROFINET工业以太网有机地结合
从2004年4初月开始，INERBUS Club决定与Profibus Intenational(PI)联手合作开发PROFINET实时以太网标准，PROFINET 是基于以太网的自动化标准，它构成从I/O级直至管理级的基于组件分布自动化系统的体系结构方案，INTERBUS与PROFINET相结合的系统构成示于图3。从图中看出，INTERBUS通过代理服务器与PROFINET实时以以太网络相连，用户在采用PROFINET方案后，仍使用原有的INERBUS的高效通信协议对PROFINET是一种补充。因而，INTERUBS与PRKFINET的结合将为许多客户提供一种理想方案。

图3 INTERBUS与PROFINET构成的系统
4.2 INTERBUS与Safety技术相结合的现场安全总线：
随着现场总线技术的发展，如何将安全信号也引入到现场中来，构成一体化安全仪表系统，已成为当务之急，为适应这种需要菲尼克期公司得出一个经济、可靠的解决方法INTERBUS-Safety，该安全总线采用增加一个Safe Control控制模块的方法，使常规的控制器能成为一个控制和处理安全数据的兼容系统，详见图4。Safety Control控制模块工作在INTERBUS总线中利用总线网络来控制现场总线中安全数据和安全模块之间的信息传输。

图4 INTERBUS-Safety一体化安全仪表系统
INTERBUS俱乐部从1999年开始进行INTERBUS安全总线的研究，2001年得到德国BIA组织EN954-ILKAT4标准的许可证明，并符合IEC61508《电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》标准的SIL3级别。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分开，控制系统结构清晰简单，不影响今后的扩展和修改，成本明显降低，它代表现场总线的一个发展方向。
4.3 IEC61918标准采纳INTERBUS安装与维护丰富的实践经验：
INTERBUS 总线安装与维护十分简便，在系统配置策划、电源选择、接地与防雷保护、光缆技术、现场快速连接、以及在线诊断和快速排除故障等方面具有极其丰富的实践经验。为了推广和指导广大用户这方面的工程实践，国际电工委员会SC65C/WG10 工作组正在制定IEC61918《用于现场总线系统的安装实践规范》，进入这个国际标准的现场总线仅有INTERBUS 、PROFIBUS和Control NET三种类型。INTERBUS技术实践的主要内容有：
（1）选择高可靠的供电电源：
在整个控制系统的设计时首先需要解决电源的问题，所选用的电源应该品种齐全、可靠性高，可满足瞬态掉电使用和长期缺相使用，输入端电压范围非常宽，足以保证大幅度的电网波动时同样可以提供安全可靠的输出；电源工作时的环境温度可高达70℃；电源输出留有很大的功率密度，以保证在大冲击电流负载时可靠启动；同时具有LED显示、干接点输出等三重输出电压状态报警功能等。菲尼克斯公司QUINT系统开关电源性能安全符合上述要求，Phoenix电源具有抗震、抗冲击和抗腐蚀的特点，它可以不采用隔离二级管进行并联，简单方便，且保证很高的可靠性。
（2）高水平的接地与防雷保护技术：
当前，现场总线系统的接地与防雷保护技术已达到一个新的水平，在深入研究雷击电磁脉冲和电涌冲击产生原因及作用基本原理的基础上，实施接地的原则有了较大的改变，防雷及电涌保护有了新的解决方案，同时研发了防雷及电涌保护器新的系列产品。在这个领域，德国菲尼克斯电气公司的防雷技术及其TRABTECH系列产品当属世界领先水平。Phoenix公司TRABTECH防雷及电涌保护器可用于电源系统、过程控制系统、数据网络和标准接口产品、无线收发系统及电信通信系统。对于系统接地，菲尼克斯电气公司提出，均压等电位连接及其接地系统的连接是电涌保护系统的一个重要组成部分。均压等电位连接应尽量接近均压等电位网络。为此建议在已直接连接主均压等电位连接系统的系统部件之间安装十字形导电接头。对于所有接地电缆和均压等电位连接电缆，等电位汇流条应作为中心连接点安装。应在规划阶段事先考虑均压等电位连接，这样可从技术上使系统最有效且最经济。
（3）INTERBUS具有极强的诊断功能：
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，能即时根据设计要求，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，诊断功能不仅能找出故障，而且不需要专用工具，就能将故障排除。INTERBUS模块具有输入/输出的状态显示，在调试时可设置输出状态，并可以保存某些智能设备的参数。INTERBUS为用户的现场诊断提供硬件和软件手段，其DSC控制器硬件具有中央诊断显示，能精确显示故障的定位，故障类型，使操作人员能快速判断，即时排除，大大提高工作效率。INTERBUS提供的CMD和Diag+软件是加速现场调试和快速诊断的有力工具。
由于INTERBUS现场总线具有上述各种创新的技术，它可以实现从现场级到管理级的纵向集成，并能实现各级的横向集成，从而构成分布式全集成自动化控制系统。正因为如此，INTERBUS现场总线系统在国内已广泛用于汽车制造、机械、造纸、冶金、轻工、食品、烟草、以及物流等领域，并成为众多厂家首选的自动化系统之一。

参考文献：
1. JB/T10308.8-2005《工业控制系统用现场总线类型8：INTERBUS规范》
2. Alexander Busing and Holger Meyer: INTERBUS Practical Manual, Phoenix Contact GmbH@Co.KG.2004
3. INTERBUS Club, Whitepaper INTERBUS Basis, Version 1.01,2004
4. INTERBUS Club, Ethernet and INTERBUS Communication Without Limits
5. Phoenix Contact Gmb H Co.KG.INTERBUS& AUTOMATION,2004