摘要

工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)重大發(fā)展趨勢是傳感器、控制器、傳動(dòng)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(dòng)化設(shè)計(jì)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(shí)需進(jìn)行的必要選擇。另外，本文還對(duì)數(shù)種通用現(xiàn)場總線的技術(shù)限制做了對(duì)比，并對(duì)選擇介質(zhì)與協(xié)議的指導(dǎo)原則進(jìn)行了論述。

受眾讀者是準(zhǔn)備開發(fā)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化但可能還不太熟悉數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。讀者應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)有通用現(xiàn)場總線的概況有一個(gè)全面的了解，并清楚在選擇架構(gòu)、協(xié)議以及實(shí)施方案時(shí)需要考慮的各類問題。

前言

為應(yīng)用選擇總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(jì)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(jì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)到另一個(gè)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。

我們?cè)趯ふ腋鞣N網(wǎng)絡(luò)選擇方案的比較方法時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一長串的可能性。具體對(duì)比參數(shù)與設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)包括：

 ● 數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時(shí)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(duì)自動(dòng)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。我們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(gè)參數(shù)時(shí)要對(duì)其它參數(shù)有所權(quán)衡和取舍（參見圖1）。

圖1: 相互關(guān)聯(lián)而又需要權(quán)衡的網(wǎng)絡(luò)需求

工業(yè)自動(dòng)化總線的選擇

下列幾方面的簡短評(píng)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(gè)環(huán)路僅限一個(gè)發(fā)送器，但可設(shè)置多個(gè)接收機(jī)。模擬格式 (analog format) 會(huì)限制其提供更高級(jí)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(jì)。

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(hào)來增強(qiáng) 4-20mA 環(huán)路。盡管數(shù)據(jù)速率相對(duì)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)用于許多簡單接口中，用于系統(tǒng)、診斷程序以及其他非時(shí)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(dòng)能力，以及合用單條總線 (party-line) 的簡單性。

Interbus -Interbus 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通過點(diǎn)對(duì)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，最常用的一種是以 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(dòng)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(dòng)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(jí)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(duì)高速的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)勢在于確定性計(jì)時(shí)、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、Ethernet／工業(yè)協(xié)議 (IP)等。每種變體均基于針對(duì)局域網(wǎng)制定的 IEEE 802.3 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(shí)延要求（確定性計(jì)時(shí)）的方式不同。工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域通常采用 10 Mbps（兆比特每秒）和 100 Mbps 的版本。

允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)量

自動(dòng)化應(yīng)用可能需要連接眾多傳感器、傳動(dòng)器，以及控制器和人機(jī)界面面板 (human-machine interface panel)。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(huì)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(huì)限制節(jié)點(diǎn)間距。環(huán)網(wǎng)（如 Interbus）利用每兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)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(jí)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(gè)接收機(jī)，但是僅限一個(gè)發(fā)送器。

表 1 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的最多節(jié)點(diǎn)數(shù)量

標(biāo)準(zhǔn)	節(jié)點(diǎn)數(shù)量的限制條件	最多可允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)
RS-485	有源驅(qū)動(dòng)器的總電流負(fù)載	32 個(gè)單位負(fù)載 （最多可掛接 256 個(gè)節(jié)點(diǎn)）
Profibus DP	每段總阻抗	每段 32 個(gè)設(shè)備
Interbus	點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳播延遲	每環(huán)路 63 個(gè)設(shè)備
ControlNet (Coax)	阻抗與信號(hào)反射	每段 48 個(gè)
DeviceNet	由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定	64 個(gè)
Ethernet	互連層級(jí)	星型布局（典型）取決于選擇的協(xié)議。

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(shí)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(duì)于模擬通信（如 4-20mA）來說，速率受到電路元件帶寬的限制。對(duì)于數(shù)字通信，速率取決于每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（二進(jìn)制數(shù)字）以及對(duì)于相關(guān)應(yīng)用實(shí)際傳輸?shù)挠行П忍乇壤?/span>

與網(wǎng)絡(luò)速度相關(guān)的另一個(gè)參數(shù)是數(shù)據(jù)時(shí)延，即：從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的時(shí)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(huì)影響數(shù)據(jù)時(shí)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(cuò)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(duì)于格式復(fù)雜的較高級(jí)協(xié)議比較明顯。 

數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時(shí)延差異說明如下：

高數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)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(shí)延

表2 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率與時(shí)延

標(biāo)準(zhǔn)	數(shù)據(jù)速率	最短消息	協(xié)議時(shí)延
4-20mA	受模擬組件限制，低于 30Hz（典型）	無	無
HART	1.2 kbps	11 比特	大于 9000 usec
RS-485	0～50 Mbps	1 比特	取決于具體協(xié)議
DeviceNet	125 kbps、250 kbps、500 kbps	41 比特	大于 81 usec
ControlNet	5 Mbps	56 比特	大于 11 usec
Profibus	高達(dá) 12 Mbps	140 比特	大于 12 usec
Ethernet 100BaseTX	100 Mbps	300 比特	大于 3 usec

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(duì)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(hào)電平會(huì)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(hào)。接收機(jī)閾值的滯后作用可以降低信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中噪聲造成錯(cuò)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。

圖2: 接收機(jī)閾值滯后作用

不過，上述每種噪聲抗擾度的改善都需要付出一定代價(jià)。高信號(hào)電平需要更高的功率，因而有可能對(duì)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(hào)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(huì)產(chǎn)生傳播延遲和脈寬失真。請(qǐng)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(shí)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(gè)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(jì)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(huì)影響信噪比）以及介質(zhì)的傳播延遲（影響時(shí)延）。

無論介質(zhì)是銅線、光纖還是無線電都會(huì)出現(xiàn)損耗。光纖損耗極低（λ=1310 nm 時(shí)為 0.3 dB/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 1 MHz 時(shí)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(duì)比，請(qǐng)參見圖 4 。

TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn) (RS-485) 規(guī)定的單位負(fù)載將假設(shè)的電流－電壓負(fù)載單位定義為對(duì)比收發(fā)器的依據(jù)。RS-485 收發(fā)器提供額定 1/8 單位負(fù)載，在不超過標(biāo)準(zhǔn)情況下在同一總線上允許掛接多達(dá) 8?32 或 256 個(gè)收發(fā)器。

圖4 ：雙絞線線纜每單位長度衰減與頻率的關(guān)系圖

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(hào)幅度來彌補(bǔ)介質(zhì)損耗。例如，RS-485 信令要求至少 1.5 V 的驅(qū)動(dòng)器輸出以及 200 mV 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 顯示了典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算范例。請(qǐng)注意：確定最長允許網(wǎng)絡(luò)長度時(shí)介質(zhì)損耗并非唯一需要考慮的因素。

表3: 網(wǎng)絡(luò)長度的限制范例

標(biāo)準(zhǔn)	驅(qū)動(dòng)器輸出	接收機(jī)靈敏度	信號(hào)余量	典型線纜衰減	介質(zhì)損耗下的線纜長度限制（典型值）	協(xié)議  網(wǎng)絡(luò)長度限制
RS-485	1.5 V	200 mV	17.5 dB	0.5 MHz 時(shí)為 2.5 dB/100 m	小于 0.5 Mbps 時(shí)為 700 m	無
				10 MHz 時(shí)為 10 dB/100 m	10 Mbps 時(shí) 為 175 m
Interbus	1.5 V	與 RS-485 相同				500 kbps 時(shí)每個(gè)環(huán)路為 200 m
Profibus DP	2.1 V	200 mV	20.4 dB	12MHz 時(shí)為 6 dB/100 m	12 Mbps 時(shí)為 340 m	12 Mbps 時(shí)為 100 m；  小于 94 kbps 時(shí)為1200 m。
ControlNet (Coax)	8.2 Vpp	510 mVpp	24 dB	10MHz 時(shí)為 2 dB/100 m	5 Mbps 時(shí)為1200 m	小于 1000 m
DeviceNet	1.5 V	400 mV	11.5 dB	1MHz 時(shí)為1.2 dB/100 m	小于 0.5 Mbps 時(shí)為 950 m	125 kbps 時(shí)為 500 m；  250 kbps時(shí)為 250 m；  500 kbps時(shí)為 100 m。
Ethernet  10Base-T	2.2 V	585 mV	11.5 dB	10MHz 時(shí)為 10 dB/100 m	10 Mbps 時(shí)為 115 m	一般為100 m
Ethernet 100Base-TX	1.0 V	1 Vpp	6 dB	10MHz 時(shí)為 15 dB/100 m	100 Mbps 時(shí)為40 m	一般為 100 m 參見腳注內(nèi)容

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(duì)支持應(yīng)用性能來說至關(guān)重要。高精度運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用與多傳感器過程控制應(yīng)用的要求對(duì)比說明了系統(tǒng)要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選擇的影響（參見圖 4）

在運(yùn)動(dòng)控制范例中，刀具速度 (tool speed) 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(huì)受到限制。數(shù)據(jù)時(shí)延對(duì)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。

圖6: 從應(yīng)用要求到網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的流程

在過程控制范例中，整體信令速率不太重要，因?yàn)檫^程時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)。局部大電流浪涌可能會(huì)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。

DeviceNet 所基于的 CAN (ISO11898) 物理層根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的線纜傳播延遲所需要的時(shí)間限制網(wǎng)絡(luò)長度。因此，允許的線纜長度比介質(zhì)損耗計(jì)算的預(yù)測值。

100Base-TX 以太網(wǎng)接收機(jī)一般采用自適應(yīng)均衡技術(shù)來補(bǔ)償線纜損耗。因此，允許的線纜長度比通過簡單介質(zhì)損耗計(jì)算的預(yù)測值要長。

上述范例中的每種應(yīng)用都會(huì)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。

總結(jié)

本文僅簡略論述了各種自動(dòng)化現(xiàn)場總線之間幾個(gè)方面的對(duì)比及做出選擇時(shí)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(shí)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(jì)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。設(shè)計(jì)人員如欲了解有關(guān)這些網(wǎng)絡(luò)的更多論述，可以參閱下列參考文獻(xiàn)。