设计用于自动化的工业现场总线网络

作者：Clark Kinnaird - 德州仪器(TI)

摘要

工厂自动化领域的一个重大发展趋势是传感器、控制器、传动器以及其它系统组件之间网络化互连的日益增加。自动化设计人员在开发成功的网络解决方案过程中需要面临众多挑战与权衡。本文旨在探讨为各种特定应用选择正确的网络技术时需进行的必要选择。另外，本文还对数种通用现场总线的技术限制做了对比，并对选择介质与协议的指导原则进行了论述。

受众读者是准备开发网络自动化但可能还不太熟悉数据传输设计细节的系统设计人员。读者应当对现有通用现场总线的概况有一个全面的了解，并清楚在选择架构、协议以及实施方案时需要考虑的各类问题。

前言

为应用选择总线网络时至少存在两种情况。一种情况是，工程师从一张白纸入手，可以设计出任何能够较好满足当前应用需求的网络。另一种情况是，工程师必须设计出与现有安装配置相兼容的网络。理想情况下，所有网络都相互兼容，才能实现从一个网络到另一个网络的轻松转换。但实际上不同网络间的互连可能极为困难，因此我们可以先将复杂而难以解决的问题放到一边。这使我们能够假定第二种情况下的网络选择是预先确定好的，因此可着重探讨第一种情况。

我们在寻找各种网络选择方案的比较方法时，发现了一长串的可能性。具体对比参数与设计考虑事项包括：

• 数据速率与数据时延
• 物理互连介质
• 噪声抗扰度
• 误码率与总线故障
• 允许的互连长度
• 允许挂接的网络节点数量
• 添加更多节点的简便性
• 功耗、成本、可靠性以及隔离要求

我们将在以下章节介绍其中一些问题，探讨为什么这些特性对自动化网络的选择至关重要，以及做出合理的现场总线选择需要进行哪些权衡。我们将探究为何不存在放之四海皆准的答案，以及在优化某个参数时要对其它参数有所权衡和取舍（参见图1）。

图1: 相互关联而又需要权衡的网络需求

工业自动化总线的选择

下列几方面的简短评述揭示了现有现场总线选择的多样性：

4-20mA - 这种模拟电流环路网络速度较慢，但较为简单。每个环路仅限一个发送器，但可设置多个接收机。模拟格式 (analog format) 会限制其提供更高级的功能，但是它仍然是广泛用于将简单的传感器测量数据传输至中央控制器的设计。

HART - 可寻址远程传感器高速通道网络利用调制后的信号来增强 4-20mA 环路。尽管数据速率相对较低，但其可以传输数字信息。

RS-232 - 这种标准接口流行已久，现仍应用于许多简单接口中，用于系统、诊断程序以及其他非时间关键型功能的初始设置。RS-232 作为单端网络，作为单端网络，RS-232 不具有与其他大部分采用差分信令的标准相同的噪声抗扰度。

RS-485 - RS-485电气规范源自 RS-232 与 RS-422，是多种工业网络标准的基础，这些标准包括 Profibus、Interbus、Modbus 等。RS-485 的优势众多，如具备卓越的噪声抗扰度及较低的接地偏移、双向多点驱动能力，以及合用单条总线 (party-line) 的简单性。

Interbus -Interbus 环形网络通过点对点连接的 RS-485 信令及全双工操作来构建可自适应的双向通信结构。Interbus 的其他变体采用光纤或红外介质来传输信令。

Modbus - Modbus 具有多种变体，较常用的一种是以 RS-485 信令技术为基础。其它实施采用以太网或 RS-232。除了工业自动化外，它还可应用于楼宇控制应用领域。

Profibus DP - 基于 RS-485 信令技术的 Profibus DP（过程现场总线，分散外设）是实现工厂自动化常用的现场总线网络，尤其是在欧洲。Profibus 标准规定了相关协议、电气层、终端、信令速率以及接地／绝缘方案。Profibus 的其他变体可用于光纤介质、本安应用以及马达控制应用。

DeviceNet - DeviceNet 标准基于 CAN 信令规范之上，其规定了电气层特征（电压、电流负载、终端、绝缘／接地）以及设备级网络的协议要求。

ControlNet - ControlNet 具有较高的信噪比，并采用同轴介质，是一种稳健的相对高速的工业网络。其优势在于确定性计时、稳定的电气特征和易于扩展。

工业以太网 - 目前存在多种工业以太网变体，其中包括 ProfiNet、EtherCAT、Ethernet／工业协议 (IP)等。每种变体均基于针对局域网制定的 IEEE 802.3 带有冲突检测的载波侦听多路存取 (CSMA/CD) 标准。每种变体各不相同且难以互连；这主要是由于处理已知数据时延要求（确定性计时）的方式不同。工业自动化应用领域通常采用 10 Mbps（兆比特每秒）和 100 Mbps 的版本。

允许的节点数量

自动化应用可能需要连接众多传感器、传动器，以及控制器和人机界面面板 (human-machine interface panel)。然而系统结构、物理层的电气/光学特征或者网络协议的固有寻址方式会限制较高可允许的节点数量。

网络架构可以是总线型、环型、星型或其他布局形式。总线网络（如 DeviceNet 或 Modbus）在连接的任何地方都可以添加节点，但是一般会限制节点间距。环网（如 Interbus）利用每两个相邻节点之间的点对点链接形成封闭链。星型网络（如以太网）允许采用层级结构 (hierarchical structure)，通过各种方式连接众多星型结构。环路连接（如 4-20mA）可以在一条环路中设置多个接收机，但是仅限一个发送器。

表 1 标准网络的较多节点数量 标准 节点数量的限制条件 较多可允许的节点数 RS-485 有源驱动器的总电流负载 32 个单位负载
（较多可挂接 256 个节点） Profibus DP 每段总阻抗 每段 32 个设备 Interbus 点对点传播延迟 每环路 63 个设备 ControlNet (Coax) 阻抗与信号反射 每段 48 个 DeviceNet 由相关标准规定 64 个 Ethernet 互连层级 星型布局（典型）取决于选择的协议。

数据速率

所有通信网络的基本功能都是在不同地点之间传输数据。数据速率是在一定时间内传输的数据量。但是，不同网络的数据速率可以采用不同方法测量。对于模拟通信（如 4-20mA）来说，速率受到电路元件带宽的限制。对于数字通信，速率取决于每秒传输的比特数（二进制数字）以及对于相关应用实际传输的有效比特比例。

与网络速度相关的另一个参数是数据时延，即：从一个节点发送数据到另一个节点收到数据的时间间隔。数据速率、收发器传播延迟、介质传播延迟和协议开销都会影响数据时延。

收发器传播延迟一般在 1 微秒以下；介质（光纤或铜线）的传播延迟只有光速的几分之几，因此每米线缆的延迟约为 3～5 纳秒。所以，只有在超长线缆（或超高速网络）中介质延迟才较为明显。协议延迟是指，除了消息的数据有效负载之外所需的协议开销（奇偶校验、寻址、错误检测、握手位）造成的延迟。该延迟随网络标准的不同而各异，但是对于格式复杂的较高级协议比较明显。

数据速率与数据时延差异说明如下：

高数据速率／

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