作者：Clark Kinnaird - 德州儀器(TI)

摘要

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用選擇正確的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時需進行的必要選擇。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)議的指導原則進行了論述。

受眾讀者是準備開發(fā)網(wǎng)絡(luò)自動化但可能還不太熟悉數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計細節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計人員。讀者應當對現(xiàn)有通用現(xiàn)場總線的概況有一個全面的了解，并清楚在選擇架構(gòu)、協(xié)議以及實施方案時需要考慮的各類問題。

前言

為應用選擇總線網(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前應用需求的網(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)選擇是預先確定好的，因此可著重探討第一種情況。

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)點數(shù)量
• 添加更多節(jié)點的簡便性
• 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)場總線選擇需要進行哪些權(quán)衡。我們將探究為何不存在放之四海皆準的答案，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）。

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)自動化總線的選擇

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。模擬格式 (analog format) 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 - 可尋址遠程傳感器高速通道網(wǎng)絡(luò)利用調(diào)制后的信號來增強 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 - 這種標準接口流行已久，現(xiàn)仍應用于許多簡單接口中，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準相同的噪聲抗擾度。

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)標準的基礎(chǔ)，這些標準包括 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、雙向多點驅(qū)動能力，以及合用單條總線 (party-line) 的簡單性。

Interbus -Interbus 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通過點對點連接的 RS-485 信令及全雙工操作來構(gòu)建可自適應的雙向通信結(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)。其它實施采用以太網(wǎng)或 RS-232。除了工業(yè)自動化外，它還可應用于樓宇控制應用領(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 標準規(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)、本安應用以及馬達控制應用。

DeviceNet - DeviceNet 標準基于 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) 標準。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)點數(shù)量

自動化應用可能需要連接眾多傳感器、傳動器，以及控制器和人機界面面板 (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。總線網(wǎng)絡(luò)（如 DeviceNet 或 Modbus）在連接的任何地方都可以添加節(jié)點，但是一般會限制節(jié)點間距。環(huán)網(wǎng)（如 Interbus）利用每兩個相鄰節(jié)點之間的點對點鏈接形成封閉鏈。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，但是僅限一個發(fā)送器。

表 1 標準網(wǎng)絡(luò)的最多節(jié)點數(shù)量 標準 節(jié)點數(shù)量的限制條件 最多可允許的節(jié)點數(shù) RS-485 有源驅(qū)動器的總電流負載 32 個單位負載
（最多可掛接 256 個節(jié)點） Profibus DP 每段總阻抗 每段 32 個設(shè)備 Interbus 點對點傳播延遲 每環(huán)路 63 個設(shè)備 ControlNet (Coax) 阻抗與信號反射 每段 48 個 DeviceNet 由相關(guān)標準規(guī)定 64 個 Ethernet 互連層級 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)（二進制數(shù)字）以及對于相關(guān)應用實際傳輸?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)點發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個節(jié)點收到數(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)有效負載之外所需的協(xié)議開銷（奇偶校驗、尋址、錯誤檢測、握手位）造成的延遲。該延遲隨網(wǎng)絡(luò)標準的不同而各異，但是對于格式復雜的較高級協(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

表2 標準網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率與時延 標準 數(shù)據(jù)速率 最短消息 協(xié)議時延 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 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、電泵、開關(guān)電源、焊接設(shè)備以及機器人技術(shù)等。為了確保可靠的網(wǎng)絡(luò)運行，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。

圖2: 接收機閾值滯后作用

不過，上述每種噪聲抗擾度的改善都需要付出一定代價。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輸出與無滯后作用時相比出現(xiàn)微小的響應延遲。

網(wǎng)絡(luò)長度

網(wǎng)絡(luò)的另一個指標是數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)木嚯x。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常需要較消費類、計算機或車載應用更長的連接距離。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 (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（λ=1310 nm 時為 0.3 dB/1000m），因此采用光網(wǎng)絡(luò)可以實現(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 。

TIA/EIA-485-A 標準 (RS-485) 規(guī)定的單位負載將假設(shè)的電流－電壓負載單位定義為對比收發(fā)器的依據(jù)。RS-485 收發(fā)器提供額定 1/8 單位負載，在不超過標準情況下在同一總線上允許掛接多達 8′32 或 256 個收發(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)標準通過要求比接收電平高得多的發(fā)送信號幅度來彌補介質(zhì)損耗。例如，RS-485 信令要求至少 1.5 V 的驅(qū)動器輸出以及 200 mV 的接收機閾值。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到 1,200 米左右。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。

表3: 網(wǎng)絡(luò)長度的限制范例 標準 驅(qū)動器輸出 接收機靈敏度 信號余量 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 時為 2.5 dB/100 m 小于 0.5 Mbps 時為 700 m 無 10 MHz 時為 10 dB/100 m 10 Mbps 時 為 175 m Interbus 1.5 V 與 RS-485 相同 500 kbps 時每個環(huán)路為 200 m Profibus DP 2.1 V 200 mV 20.4 dB 12MHz 時為 6 dB/100 m 12 Mbps 時為 340 m 12 Mbps 時為 100 m；
小于 94 kbps 時為1200 m。 ControlNet
(Coax) 8.2 Vpp 510 mVpp 24 dB 10MHz 時為 2 dB/100 m 5 Mbps 時為1200 m 小于 1000 m DeviceNet 1.5 V 400 mV 11.5 dB 1MHz 時為1.2 dB/100 m 小于 0.5 Mbps 時為 950 m 125 kbps 時為 500 m；
250 kbps時為 250 m；
500 kbps時為 100 m。 Ethernet
10Base-T 2.2 V 585 mV 11.5 dB 10MHz 時為 10 dB/100 m 10 Mbps 時為 115 m 一般為100 m Ethernet
100Base-TX 1.0 V 1 Vpp

6 dB 10MHz 時為 15 dB/100 m 100 Mbps 時為40 m 一般為 100 m
參見腳注內(nèi)容

應用示例

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)實施對支持應用性能來說至關(guān)重要。高精度運動控制應用與多傳感器過程控制應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）

在運動控制范例中，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: 從應用要求到網(wǎng)絡(luò)實施的流程

在過程控制范例中，整體信令速率不太重要，因為過程時間常數(shù)遠遠大于運動控制應用。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。局部大電流浪涌可能會造成節(jié)點之間的接地偏移。由于節(jié)點數(shù)較多，因此 Profibus 不太合適，而速度較低的網(wǎng)絡(luò)（如：DeviceNet 和 Interbus）更適合這種應用。

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

100Base-TX 以太網(wǎng)接收機一般采用自適應均衡技術(shù)來補償線纜損耗。因此，允許的線纜長度比通過簡單介質(zhì)損耗計算的預測值要長。

上述范例中的每種應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)場支持應用共同使用下的標準化進程。

總結(jié)

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)鍵在于終端的應用性能，同時始終需要在速度、功率、節(jié)點數(shù)量、噪聲抗擾度以及網(wǎng)絡(luò)長度等參數(shù)之間進行設(shè)計權(quán)衡。廣泛的現(xiàn)場總線應用表明工程師已經(jīng)找到了優(yōu)化特定應用的各種解決方案。設(shè)計人員如欲了解有關(guān)這些網(wǎng)絡(luò)的更多論述，可以參閱下列參考文獻。

參考文獻

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