电子产品世界

（１０）要密切注意现场总线及其相关技术的进展

现场总线目前虽然已有１２种国际标准，但它在继续发展或改进。世界上较大的企业都在致力于现场总线的研究，并不断地对现有的现场总线进行改进。如将以太网应用于现场总线，由于以太网过去仅适用于办公室自动化，如今要用于工业现场，还有不少难题尚待去解决，如要满足工业控制要求的实时性，工业环境下的抗电磁干扰性、抗震性、耐高温性、耐高湿性、防尘性和需向现场仪表供电的问题以及危险时所要求的防爆性等，问题虽然不少，但全世界大型企业都在进行研究。所以我们要时刻搜集最前沿的信息，跟上现场总线的发展进程，及时对我们的工作做出部署。

（１１）一专多能

现场总线技术是控制、通信和计算机技术的综合，牵涉到三个不同的学科另外熟悉工业控制过程和某些行业工艺过程的制造厂结合信息技术以后，推出了ＥＩＣ集成化系统、ＡＰＣ先进过程控制系统等产品，同时一些计算机制造公司与一些软件公司则借其长于信息技术的优势千方百计地往下渗透，推出了基于ＰＣＰＣ ｂａｓｅｄ的控制系统、软ＰＬＣｓｏｆｔ ＰＬＣ和虚拟仪表等。这一上一下的两种趋势必然会在企业自动化系统内有一个交汇点，而这个交汇点处于动态变化之中，要掌握这个交汇点是重要的，但也是很不容易的，因为必须了解电控、仪控、计算机和通信技术，而在应用时还须熟悉生产对象的工艺过程和对象的动态特性和管理技术。所以我们必须尽可能的来了解更多的知识和应用，尽可能的达到一专多能。

５ 以太网及其通信特点

以太网Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络最初出现于１９７５年。目前主要有快速以太网和交换式以太网，还有千兆以太网和光纤以太网。以太网以前主要应用于办公自动化，在现场总线中的应用还不多。以太网的主要通信特点是随机接人、载波侦听、碰撞检测和冲突竞争。目前通用的以太网标准ＩＥＥＥ８０２．３使用了ＣＳＭＡ／ＣＤ带冲突检测的载波监听多点接人传输协议。根据该传输协议，任何需要传输数据的节点首先要监听网络，网络繁忙时监听，网络空闲时发送数据，在发送数据过程中继续监听，检测到冲突时立即停止发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点此时的网络已经发生冲突，此时冲突各方主动退避随机等待一段时间后再重新监听网络。以太网冲突主要有两个来源其一是网络空闲多个节点同时发送数据造成的冲突其二是节点传输延迟造成的冲突。因此，工业控制中采用标准以太网时将不可避免地造成冲突。这种冲突随着通信负荷的上升而急剧增加，而在低负荷下则很少。更为严重的是，从纯理论角度讲标准以太网有可能出现“孤岛”现象，即某些节点在一段时间内可能得不到传输数据的机会。

标准以太网还具有传输不确定性的特点，即任何变量都不能完全确保在合适时间内发送成功。除此之外，为了分辨无效帧，以太网还有可能造成带宽浪费不符合工业现场环境要求；不具备本质安全性能；不能通过信号线向现场仪表供电等缺陷，因此以太网在工业控制领域方面的应用很有限。

６ 交换式以太网及其发展

交换式以太网是根据提高以太网的传输效率，尽可能的减少总线竞争这个思想开发出来的新型以太网。它采用星形布线方式，所有节点都分别连接到一个交换式集线器的端口上，交换式集线器内置一个复杂的交换阵列，任何两个端口之间都可以建立起一个传输信道，以标称传输速度、传输数据。优点是不存在总线竞争，能显著的提高系统的传输效率。缺点是不易控制最大传输时延。为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，并积极开展了工业以太网关键技术的研究。为解决以太网在无间断过程工业领域的极端条件下稳定工作，世界上一些大型企业专门开发和生产了导轨式收发器系列、集线器系列和交换机系列，它们安装在标准ＤＩＮ导轨上，并有冗余电源供电接插件采用牢固的ＤＢ一９结构。

在工业控制系统中，通过网络传送的数据必须在确定的时间内到达目的地，此即所谓网络的时间确定性。如ＰＩＤ调节器通过网络从现场变送器收集数据进行ＰＩＤ运算，为了实时实现ＰＲ调节，各调节回路需要有非常一致的采样时间，而且这些时间必须是确定的。对于这样的实时控制，通常要求网络的时间延迟小于２～４ｍｓ。长时间的通信将恶化对象特性，使控制系统品质下降。由于以太网时间的不确定性，现在的工业以太网现场总线采用一种称作连接装置Ｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ的类似带有开关的集线器结构，很好地解决了以太网的时间确定性问题。

美国电气工程师协会ＩＥＥＥ正着手制定现场装置与以太网通信的新标准。该标准能够使网络直接“看到”对象ｏｂｊｅｃｔ。这为以太网进入工业控制现场打下了基础。目前，现场总线系统如ＰｒｏｆｉｂｕｓＤｅｖｉｃｅＮｅｔ Ｃｏｎｔｍｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都打算使用以太网。一些大公司正在研究通过一种称作管道ｔｕｎｎｅｌ的简单传递机构使用以太网络传送报文。这种方法简单可行，现场装置保持不变，仅需要一个专用的以太网络接口取代原来的总线驱动器就可完成与以太网的连接。过去，一些生产ＰＬＣ为主的公司都使用以太网完成信息级通信，其中西门子公司的ＳＬＭＡＴＩＣ ＮＥＴ则将工业以太网应用到车间级，该公司有着将工业以太网向下层通信应用的趋势。此外，生产ＤＣＳ公司的投入促进了将以太网广泛应用于过程自动化的监控级，如Ｆｏｘｂｏｒｏ公司将以太网用于Ｍｏｄｂｕｓ。由此可以预见，像当年代机进入工业自动化领域一样，以太网／ＩＰ将会十分迅速地进人工业控制系统的各级网络。

７ 以太网通信的发展ＩＰｖ６简介

互联网使用初期制定的ＩＰ地址方案ＩＰｖ４由四组数据组成。随着以太网／ＩＰ的通信在工控和管理的应用，将引起ＩＰ地址的重复或不足。为解决ＩＰ地址“升位”的问题，ＩＥＥＥ在９０年代早期开始了一些尝试，第一个成果是在１９９５年出版的ＲＦＣ１７５２ ＲＦＣ Ｒｅｑｕｅｓｔｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｅｎｔｓ，描述了称为下一代ＦＰ ＬＰ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＩＰＮＧ的要求，并在一些辅助性文件中描述了新协议的报头、路由、地址以及安全性方面的特征。以后出现了更多的ＲＦＣ，例如ＲＦＣ１８８３，并且该协议已被官方重新命名为“Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议版本６″Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｖｅｒｓｉｏｎ ６ＩＰｖ６。

在ＩＰｖ６上增加的内容中值得关注的几点是

１它提供更大的地址空间ＩＰｖ６地址有１２８字节长；

２它通过路由器提供更快的ＩＰｖ６报头处理，并且报头也变长了ＩＰＡ是２０节，ＩＰｖ６是４０字节。大多数不用路由器处理的选项被移入单独的扩展报头中；

３它定义了ＬＰ数据包提供身份验证、保密集成的机制。

它为应用程序提供了一种标记ＩＰ数据包的方法，该数据包需要特殊处理。使用此版本的典型应用程序包括多媒体应用程序和实时应用程序。ＩＰｖ６地址的长度为１２８一个节点能有多个接口因此就有多个ＩＰ地址。一个接口也能有多个ＩＰ地址。ＩＭ 提供的地址类型有三种单点传送地址、多点传送地址和任意点传送地址。ＩＰｖ６为动态ＩＰ分配提供了两种机制：一种与“动态主机配置协议”相似，在这种机制中，客户向配置服务器发出请求，服务器从预配置池中取出一个值赋给它，也把这种方法称为 “用状态配置”。服务器保持状态信息并在限定的时间内把地址租给用户，用户能够重新租用地址，如果有足够的地址，客户将分配到与上次相同的地址。第二种机制是一个“无状态”机制。在这种机制下，客户通过使用像“以太网”卡地址这样的标识符来生成ＩＰ地址。一个ＩＭ主机可能没有代码来分辨地址类型。另一方面，一个ＩＰｖ６路由器可能完全理解不同的地址类型，并且根据不同的地址类型采取不同的行动。

总之通过认识现场总线应用应注意的问题，并理解以太网通信原理，相信我们可以很好地将现场总线和以太网结合起来，更好的应用于工业现场控制中。

参考文献：

１ 阳宪惠．现场总线技术及其应用． 北京：清华大学出版社，１９９９．

２美布雷耶． 交换式以太网和快速性以太网． 电子工业出版社，１９９６．

３美布雷耶． 新型交换式以太网和快速性以太网． 电子工业出版社，１９９２．

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关键词： 现场总线 以太网 国际标准