各種自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線的性能對(duì)比及選擇時(shí)需要考慮的因素分析

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(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(wèn)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(chǎng)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(jiàn)圖1）。

工業(yè)自動(dòng)化總線的選擇

下列幾方面的簡(jiǎn)短評(píng)述揭示了現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)單的傳感器測(cè)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(lái)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(jiǎn)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(shì)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(jiǎn)單性。

Interbus -Interbus 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的 RS-485 信令及全雙工操作來(lái)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(lái)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(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，分散外設(shè)）是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化常用的現(xiàn)場(chǎng)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(shì)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(cè)的載波偵聽(tīng)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?jī)蓚€(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(guò)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。

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(cè)量。對(duì)于模擬通信（如 4-20mA）來(lái)說(shuō)，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?/p>

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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)銷（奇偶校驗(yàn)、尋址、錯(cuò)誤檢測(cè)、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(shuō)明如下：

高數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時(shí)延大 - 收聽(tīng)西班牙語(yǔ)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(guò)電話收聽(tīng) James Earl Jones 實(shí)況節(jié)目

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(kāi)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(guò)程中噪聲造成錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)的可能性。 圖2說(shuō)明滯后作用是如何提高噪聲抑制的。

不過(guò)，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(zhǎng)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(wú)滯后作用時(shí)相比出現(xiàn)微小的響應(yīng)延遲。

網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)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(zhǎng)的連接距離。限制可允許的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)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(wú)論介質(zhì)是銅線、光纖還是無(wú)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(zhǎng)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(jiàn)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(guò)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。

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)要求比接收電平高得多的發(fā)送信號(hào)幅度來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)允許網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)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(zhǎng)度的限制范例

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(shuō)明了為什么網(wǎng)絡(luò)實(shí)施對(duì)支持應(yīng)用性能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。高精度運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用與多傳感器過(guò)程控制應(yīng)用的要求對(duì)比說(shuō)明了系統(tǒng)要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選擇的影響（參見(jiàn)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(guò)程控制范例中，整體信令速率不太重要，因?yàn)檫^(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度。因此，允許的線纜長(zhǎng)度比介質(zhì)損耗計(jì)算的預(yù)測(cè)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(lái)補(bǔ)償線纜損耗。因此，允許的線纜長(zhǎng)度比通過(guò)簡(jiǎn)單介質(zhì)損耗計(jì)算的預(yù)測(cè)值要長(zhǎng)。

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(chǎng)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(jiǎn)略論述了各種自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度等參數(shù)之間進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡。廣泛的現(xiàn)場(chǎng)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。

責(zé)任編輯：gt