工业以太网在现场总线控制系统中的应用

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  •      一、前言

          
    现场总线控制系统(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4-20mA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、控制组态、诊断、报警、记录)的发展,在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言:FCS将成为21世纪控制系统的主流。

           然而就在人们沸沸扬扬的对FCS进行概念炒作的时候,却没有注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为例,它采用了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,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足实时

     

    控制的要求。由于上述原因,使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时,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,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用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,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”。研究表明:商业以太网在工业应用中的传输延滞在2~30ms之间,这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值,从而产生了一种新型以太网—工业以太网。

           二、工业以太网的研究现状

          
    近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作,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。综观工业以太网的研究现状,出现了两个值得注意的发展方向: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,其网络采用星型拓朴结构,如图1所示。图中集线器(HUB)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普通现场仪表(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)扫描所有实时现场仪表和通道组,然后传送数据包到上层控制器。

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