WorldFIP现场总线的特点

1  引言

       2000年1月4日，历时12年IEC(国际电工委员会)发布了最终获得通过的 IEC61158标准。新标准包括8种类型的现场总线标准，容纳了8种互不兼容的协议。WorldFIP工厂仪表总线是其中Type7现场总线(法国Alstom 公司支持)。WorldFIP是欧洲标准EN50170的3个组成部分之一(Volume3),WorldFIP是在法国标准FIC46601-C46607的基础上采纳了IEC物理层国际标准(1158-2)发展起来的。由3个通信层组成,如图1所示。

       WorldFIP的显著特点是为所有的工业和过程控制提供带有一个物理层的单一现场总线。底层控制系统制造系统和驱动系统都可直接连到控制一级的WorldFIP总线上,毋需采用将RS-485和其它低速总线相混和的方式来接连底层设备以实现同样的功能。

2  数据通道

       总线上传输的信息可[2]分为两种,一种用于控制,如采样信号、命令信号、控制器间的交换变量等，另一种为监视、维护、人机接口等非控制信息，如事件变量、自诊断信息、参数或算法调整等，前一种信息的交换是周期性实时的，后一种则是非周期随机的。

        在WorldFIP中，通信信道就象数据通道一样同时容纳了上述两种通信对象，使两种信息在同一条总线上互不影响地传递，即随机性的消息传递不会影响控制用实时通信，这是由于WorldFIP协议是靠硬件实现的，而且两种信息的比例可由用户自行决定。

3  区分方法

       在WorldFIP中，通信实体间变量通信时不进行物理寻址而是将信息项用16位整数的标识符进行全局逻辑寻址。对于一个给定的标识符只能有一个产生者变量，可有多个使用者变量，对于消息传输消息帧中包含24位源地址和目的地址，指明通信实体所在网段号和站点号。

      由于变量的这种不与物理地址和特定芯片序列号相关联的特性使WorldFIP的重新配置变得很容易。

4  访问控制

       WorldFIP的介质访问控制是带调度的，即总线仲裁器按照事先设计好的“变量扫描表”(总线仲裁表)期性地向总线上广播含变量标识符的“问题帧”，只有唯一的生产者识别出该问题帧是向自己发出的之后，才能以“响应帧”作为回应。WorldFIP的可预见性就在于总线仲裁器能够根据变量的扫描周期在合适的时间间隔内周而复始永不停息地扫描该变量。与令牌总线不同的是，它确定的是每个信息发布者占用总线的最短时间而不是可以占用的最长时间因而实时性更强。在WorldFIP网络中可以有多个总线仲裁器以构成冗余。

5  生产者(P)-消费者(C)模式

       WorldFIP在通信方式上采用生产者-消费者模式[1],如图2所示:

        产生信息的设备称为“生产者”(Producer)，使用信息的设备称为“消费者”(Consumer)。任何时间只能有一个节点产生信息但可为其它任何节点或所有节点使用。节点上可以是分布I/O、智能设备或控制器。这种通信不是主-从式,而是对等式通信,可以实现节点的一对一、一对多、一对全(广播)的通信。其好处在于:周期性数据总是可以得到及时的响应;借助防火墙可随时在总线上增加节点以监视当前信息但却不影响实时通信;可以很容易地复制节点或网络构成冗余，当某个节点或网络发生故障时，信息可以原封不动在“搬”到冗余的节点或网络上，确保系统的连续运行;每个节点还具有后台传递信息的能力，而不干扰临界时间数据的通信;通过网关和TCP/IP协议可将WorldFIP连接到更高层次的网络上去。 [page]

6  WorldFIP协议的特点与优势

       WorldFIP融合了控制技术和信息技术，是一种先进而开放的现场总线。在协议的设计上，一开始就把满足各种环境下对生产控制的要求和工业用户的实际需要放在首位，并且考虑了相关技术，尤其是信息技术发展所带来的影响。开发出的WorldFIP在一条总线上，在单一协议的框架内，在有调度的访问控制下，既传输实时数据、又传输随机信息，两者之间互不影响，从而既是实时的可预测性的，又是面向未来的可与Internet连接的现场总线。其主要特点可归纳为:

6.1  同步性

       它的生产者/使用者模式和总线仲裁器的调度方式保证了在一条总线上传递大量信息的同时，不会干扰时限变量。控制信息和非控制信息能在同一条总线上互不干扰地传递。

6.2  实用性

       WorldFIP采用IEC物理层标准，支持电缆冗余，大部分协议固化在硬件上。支持双冗余。

6.3  抗干扰能力和实时性

       抗干扰能力和实时性强，能适应恶劣环境，能完全满足IEC关于电磁兼容性的EMC标准，它的通信模式支持后台传输报文，周期和事件变量，保证诊断 .aspx" title="信息" style="text-decoration:underline;color:blue">信息传输不影响实时控制。

6.4  协议单一而完善

       WorldFIP现场总线不论低速还是高速，只有一套协议，协议单一而完善，能适应各种结构和规模的控制系统;所以不需要任何网桥或网关。低速与高速网络的衔接只用软件完成。

6.5  可靠性

       在网络安全性方面的考虑有其独到之处，在一个网络中有多个网络仲裁器，在任一给定时刻只有一个起作用其它处于热备份状态，监听网络状态，而每一个用户站的网络冗余则是通过一个控制器驱动两路驱动器接入两个独立的网线实现的。当一个网线被破坏，自动切换到另一个网线。物理层带有冗余机制，软硬件处理冗余，硬件采用专用芯片，安全可靠。

7  应用环境

       WorldFIP现场总线对传输介质的调度使用方式类似于令牌网，各通信站的数据可以在预先确定的时间内在网络上传输。由于这种方式不存在介质使用碰撞问题，因而非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，如各种分散式控制系统，分散式数据采集系统等。WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码[3]方式并利用磁性变压器隔离，具有良好的抗电磁干扰能力，根据测试，在级干扰条件下，能保证正常通信。因此，非常适用于电磁干扰比较强的场合。

8  结束语

       目前开发WorldFIP产品具有很多有利条件，如他的技术成熟、资料完整并易获得、现成产品种类齐全、基础期间容易得到等。此外还有各种实际应用可供参考。只需不多的投入，在较短的时间内即可完成产品的开发。