設(shè)計用于自動化的工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

引言

為應(yīng)用選擇總線網(wǎng)絡(luò)時至少存在兩種情況。一種情況是，工程師從一張白紙入手，可以設(shè)計出任何能夠最好滿足當(dāng)前應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)。另一種情況是，工程師必須設(shè)計出與現(xiàn)有安裝配置相兼容的網(wǎng)絡(luò)。理想情況下，所有網(wǎng)絡(luò)都相互兼容，才能實(shí)現(xiàn)從一個網(wǎng)絡(luò)到另一個網(wǎng)絡(luò)的輕松轉(zhuǎn)換。但實(shí)際上不同網(wǎng)絡(luò)間的互連可能極為困難，因此我們可以先將復(fù)雜而難以解決的問題放到一邊。這使我們能夠假定第二種情況下的網(wǎng)絡(luò)選擇是預(yù)先確定好的，因此可著重探討第一種情況。

工廠自動化領(lǐng)域的一個重大發(fā)展趨勢是傳感器、控制器、傳動器以及其它系統(tǒng)組件之間網(wǎng)絡(luò)化互連的日益增加。自動化設(shè)計人員在開發(fā)成功的網(wǎng)絡(luò)解決方案過程中需要面臨眾多挑戰(zhàn)與權(quán)衡。本文旨在探討為各種特定應(yīng)用選擇正確的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時需進(jìn)行的必要選擇。另外，本文還對數(shù)種通用現(xiàn)場總線的技術(shù)限制做了對比，并對選擇介質(zhì)與協(xié)議的指導(dǎo)原則進(jìn)行了論述。

我們在尋找各種網(wǎng)絡(luò)選擇方案的比較方法時，發(fā)現(xiàn)了一長串的可能性。具體對比參數(shù)與設(shè)計考慮事項(xiàng)包括：

·數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時延

·物理互連介質(zhì)

·噪聲抗擾度

·誤碼率與總線故障

·允許的互連長度

·允許掛接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量

·添加更多節(jié)點(diǎn)的簡便性

·功耗、成本、可靠性以及隔離要求

我們將在以下章節(jié)介紹其中一些問題，探討為什么這些特性對自動化網(wǎng)絡(luò)的選擇至關(guān)重要，以及做出合理的現(xiàn)場總線選擇需要進(jìn)行哪些權(quán)衡。將探究為何不存在放之四海皆準(zhǔn)的答案，以及在優(yōu)化某個參數(shù)時要對其它參數(shù)有所權(quán)衡和取舍(參見圖1)。

工業(yè)自動化總線選擇

下列幾方面的簡短評述揭示了現(xiàn)有現(xiàn)場總線選擇的多樣性：

4—20mA——這種模擬電流環(huán)路網(wǎng)絡(luò)速度較慢，但較為簡單。每個環(huán)路僅限一個發(fā)送器，但可設(shè)置多個接收機(jī)。模擬格式(analog fonnat)會限制其提供更高級的功能，但是它仍然是廣泛用于將簡單的傳感器測量數(shù)據(jù)傳輸至中央控制器的設(shè)計。

HART——可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道網(wǎng)絡(luò)利用調(diào)制后的信號來增強(qiáng)4—20mA環(huán)路。盡管數(shù)據(jù)速率相對較低，但其可以傳輸數(shù)字信息。

RS-232——這種標(biāo)準(zhǔn)接口流行已久，現(xiàn)仍應(yīng)用干許多簡單接口中，用于系統(tǒng)、診斷程序以及其他非時間關(guān)鍵型功能的初始設(shè)置。RS-232作為單端網(wǎng)絡(luò)，作為單端網(wǎng)絡(luò)，RS-232不具有與其他大部分采用差分信令的標(biāo)準(zhǔn)相同的噪聲抗擾度。

RS-485——RS-485電氣規(guī)范源自RS-232與RS-422，是多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括Profibus、Interbus、Modbus等。RS-485的優(yōu)勢眾多，如具備卓越的噪聲抗擾度及較低的接地偏移、雙向多點(diǎn)驅(qū)動能力，以及合用單條總線(pany-line)的簡單性。Interbus——Interbus環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通過點(diǎn)對點(diǎn)連接的RS-485信令及全雙工操作來構(gòu)建可自適應(yīng)的雙向通信結(jié)構(gòu)。Interbus的其他變體采用光纖或紅外介質(zhì)來傳輸信令。

Modbus——Modbus具有多種變體，最常用的——種是以RS-485信令技術(shù)為基礎(chǔ)。其它實(shí)施采用以太網(wǎng)或RS—232。除了工業(yè)自動化外，它還可應(yīng)用于樓宇控制應(yīng)用領(lǐng)域。

Profibus DP——基于RS-485信令技術(shù)的Profibus DP(過程現(xiàn)場總線，分散外設(shè))是實(shí)現(xiàn)工廠自動化常用的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，尤其是在歐洲。Profibus標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相關(guān)協(xié)議、電氣層、終端、信令速率以及接地／絕緣方案。Profibus的其他變體可用于光纖介質(zhì)、本安應(yīng)用以及馬達(dá)控制應(yīng)用。

DeviceNet——DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)基于CAN信令規(guī)范之上，其規(guī)定了電氣層特征(電壓、電流負(fù)載、終端、絕緣／接地)以及設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議要求。

ControlNet——ControlNet具有較高的信噪比，并采用同軸介質(zhì)，是一種穩(wěn)健的相對高速的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)勢在于確定性計時、穩(wěn)定的電氣特征和易于擴(kuò)展。

工業(yè)以太網(wǎng)——目前存在多種工業(yè)以太網(wǎng)變體，其中包括ProfiNet、EtherCAT、Ethemet／工業(yè)協(xié)議(IP)等。每種變體均基于針對局域網(wǎng)制定的IEEE802．3帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取(CSMA／CD)標(biāo)準(zhǔn)。每種變體各不相同且難以互連；這主要是由于處理已知數(shù)據(jù)時延要求(確定性計時)的方式不同。工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域通常采用10 Mbps(兆比特每秒)和100Mbps的版本。

允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)量

自動化應(yīng)用可能需要連接眾多傳感器、傳動器，以及控制器和人機(jī)界面面板(human-machineinterfacepanel)。然而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物理層的電氣／光學(xué)特征或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的固有尋址方式會限制最高可允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以是總線型、環(huán)型、星型或其他布局形式?？偩€網(wǎng)絡(luò)(如DeviceNet或Modbus)在連接的任何地方都可以添加節(jié)點(diǎn)，但是一般會限制節(jié)點(diǎn)間距。環(huán)網(wǎng)(如Interbus)利用每兩個相鄰節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn)鏈接形成封閉鏈。星型網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))允許采用層級結(jié)構(gòu)(hierarchical structure)，通過各種方式連接眾多星型結(jié)構(gòu)。環(huán)路連接(如4-20mA)可以在一條環(huán)路中設(shè)置多個接收機(jī)，但是僅限一個發(fā)送器。

數(shù)據(jù)速率

所有通信網(wǎng)絡(luò)的基本功能都是在不同地點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)速率是在一定時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。但是，不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率可以采用不同方法測量。對于模擬通信(如4-20mA)來說，速率受到電路元件帶寬的限制。對于數(shù)字通信，速率取決于每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)(二進(jìn)制數(shù)字)以及對于相關(guān)應(yīng)用實(shí)際傳輸?shù)挠行П忍乇壤?/p>

與網(wǎng)絡(luò)速度相關(guān)的另一個參數(shù)是數(shù)據(jù)時延，即：從一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的時間間隔。數(shù)據(jù)速率、收發(fā)器傳播延遲、介質(zhì)傳播延遲和協(xié)議開銷都會影響數(shù)據(jù)時延。

收發(fā)器傳播延遲一般在1微秒以下；介質(zhì)(光纖或銅線)的傳播延遲只有光速的幾分之幾，因此每米線纜的延遲約為3～5納秒。所以，只有在超長線纜(或超高速網(wǎng)絡(luò))中介質(zhì)延遲才較為明顯。協(xié)議延遲是指，除了消息的數(shù)據(jù)有效負(fù)載之外所需的協(xié)議開銷(奇偶校驗(yàn)、尋址、錯誤檢測、握手位)造成的延遲。該延遲隨網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的不同而各異，但是對于格式復(fù)雜的較高級協(xié)議比較明顯。

數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時延差異說明如下：

高數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時延大——收聽西班牙語體育節(jié)目的錄音帶

低數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時延小——通過電話收聽James Earl Jones實(shí)況節(jié)目

表2介紹了幾種現(xiàn)場總線的原始數(shù)據(jù)速率及消息協(xié)議時延

噪聲抗擾度

工業(yè)環(huán)境面臨大電流組件產(chǎn)生的挑戰(zhàn)，如：馬達(dá)、電泵、開關(guān)電源、焊接設(shè)備以及機(jī)器人技術(shù)等。為了確?？煽康木W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，必須具備對上述噪聲源的抗擾能力。物理層需要合理接地、絕緣以及收發(fā)器功能。網(wǎng)絡(luò)中的高信號電平會提高信噪比。盡可能高的接收機(jī)閾值電平(常稱為“噪聲抑制”)可以從噪聲中分辨出有效信號。接收機(jī)閾值的滯后作用可以降低信號轉(zhuǎn)換過程中噪聲造成錯誤開關(guān)的可能性。

圖2說明滯后作用是如何提高噪聲抑制的。

不過，上述每種噪聲抗擾度的改善都需要付出一定代價。高信號電平需要更高的功率，因而有可能對其他組件產(chǎn)生噪聲。高接收機(jī)閾值意味著系統(tǒng)更易出現(xiàn)介質(zhì)信號損失，從而縮短允許的網(wǎng)絡(luò)長度。接收機(jī)滯后作用在不合理均衡的情況下會產(chǎn)生傳播延遲和脈寬失真。請注意在圖2中，滯后作用下的接收機(jī)輸出與無滯后作用時相比出現(xiàn)微小的響應(yīng)延遲。

網(wǎng)絡(luò)長度

網(wǎng)絡(luò)的另一個指標(biāo)是數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)木嚯x。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常需要較消費(fèi)類、計算機(jī)或車載應(yīng)用更長的連接距離。限制可允許的網(wǎng)絡(luò)長度的因素包括：介質(zhì)損耗與電噪聲感應(yīng)(Noise pickup)(二者都會影響信噪比)以及介質(zhì)的傳播延遲(影響時延)。

無論介質(zhì)是銅線、光纖還是無線電都會出現(xiàn)損耗。光纖損耗極低(＝1310nm時為0．3dB／1000m)，因此采用光網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)超長距離的連接。典型的雙絞線銅線具有較高的損耗，頻率為1MHz時每100米的損耗約為1．5dB—5dB。如欲了解有關(guān)各種網(wǎng)絡(luò)的典型線纜衰減對比，請參見圖4圖4。

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)通過要求比接收電平高得多的發(fā)送信號幅度來彌補(bǔ)介質(zhì)損耗。例如，RS-485信令要求至少1．5V的驅(qū)動器輸出以及200mV的接收機(jī)閾值。這樣可以產(chǎn)生7．5的系數(shù)，或者17．5dB余量，這使低信令速率下的線纜長度可允許達(dá)到1，200米左右。表3表3顯示了典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的計算范例。請注意：確定最長允許網(wǎng)絡(luò)長度時介質(zhì)損耗并非唯一需要考慮的因素。

應(yīng)用示例

采用基于RS-485物理層(PHY)的網(wǎng)絡(luò)解決方案范例說明了為什么網(wǎng)絡(luò)實(shí)施對支持應(yīng)用性能來說至關(guān)重要。高精度運(yùn)動控制應(yīng)用與多傳感器過程控制應(yīng)用的要求對比說明了系統(tǒng)要求對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計選擇的影響(參見圖4)

在運(yùn)動控制范例中，刀具速度(t001speed)與編碼器精度共同決定高數(shù)據(jù)速率。與網(wǎng)絡(luò)距離一樣，節(jié)點(diǎn)數(shù)量也會受到限制。數(shù)據(jù)時延對于位置與速度信息同樣至關(guān)重要(用于關(guān)閉伺服環(huán)路)。在本應(yīng)用中，由于數(shù)據(jù)速率方面的要求，因此不適于速度較慢的網(wǎng)絡(luò)，如：DeviceNet或HART。本應(yīng)用還可采用其他網(wǎng)絡(luò)，如：100Base-TX以太網(wǎng)、Profibus或ControlNet。

在過程控制范例中，整體信令速率不太重要，因?yàn)檫^程時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)動控制應(yīng)用。該網(wǎng)絡(luò)可能跨越很長的距離，而且連接數(shù)十個節(jié)點(diǎn)。局部大電流浪涌可能會造成節(jié)點(diǎn)之間的接地偏移。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，因此Profibus不太合適，而速度較低的網(wǎng)絡(luò)(如：DeviceNet和Interbus)更適合這種應(yīng)用。

上述范例中的每種應(yīng)用都會限制解決方案的總成本、與其它系統(tǒng)或現(xiàn)有硬件的互操作性以及與其它現(xiàn)場支持應(yīng)用共同使用下的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

結(jié)語

本文僅簡略論述了各種自動化現(xiàn)場總線之間幾個方面的對比及做出選擇時要權(quán)衡的因素。各種選擇方案之間的深層分析需要很長的篇幅。確定最佳解決方案的關(guān)鍵在于終端的應(yīng)用性能，同時始終需要在速度、功率、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、噪聲抗擾度以及網(wǎng)絡(luò)長度等參數(shù)之間進(jìn)行設(shè)計權(quán)衡，廣泛的現(xiàn)場總線應(yīng)用表明工程師已經(jīng)找到了優(yōu)化特定應(yīng)用的各種解決方案。