現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，至今已有二十多年的發(fā)展，已漸漸進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。而近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展�，F(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)已成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。下面，我們就來了解一下現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用吧！
現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用
國內(nèi)外流行的現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)或?qū)崟r(shí)以太網(wǎng)有：
FF、CIP、PROFIBUS、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、INTERBUS、CAN、Lonworks、CC-Link、HART等現(xiàn)場總線和PROFINET、TCnet、EtherCAT、EthernetPowerlink、EPA、Modbus-RTPS、SERCOS、VNET/IP、SERCOSIII、HSE等工業(yè)以太網(wǎng)或?qū)崟r(shí)以太網(wǎng)。
每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。總線是為了滿足自動(dòng)化發(fā)展的需求而產(chǎn)生的，由于不同領(lǐng)域的自動(dòng)化需求各有其特點(diǎn)，因此在某個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對(duì)這一特定的領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性好一些。
現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)在冶金、石油、化工、醫(yī)藥等流程行業(yè)的過程控制，加工制造業(yè)，樓宇，交通運(yùn)輸，農(nóng)業(yè)，機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
如何深入學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)并應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中是每一位讀者面臨的難點(diǎn)。
現(xiàn)場總線屬于局域網(wǎng)的范疇，學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線，首先要學(xué)習(xí)掌握《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》方面的知識(shí)，了解ISO/OSI通信參考模型和數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)，現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型與ISO/OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)場總線的采用的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。不論是哪種現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)，均遵從OSI通信參考模型�，F(xiàn)場總線通信接口的實(shí)現(xiàn)，一般通過通信控制器（專用ASIC）完成，它通常集成了現(xiàn)場總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層等，應(yīng)用層由用戶通過軟件實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)場總線的通信控制器又分為獨(dú)立和內(nèi)嵌兩種方式。如CAN現(xiàn)場總線可采用SJA1000、MCP2515等獨(dú)立通信控制器，也可以采用內(nèi)嵌CAN協(xié)議的MCU、DSP或ARM等；PROFIBUS-DP可以采用ASPC2、SPC3等。
每種現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)一般都有專用的通信控制器，有的工業(yè)以太網(wǎng)可以采用NIC通用接口。
現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)，也可以通過德國赫優(yōu)訊公司的netX網(wǎng)絡(luò)控制器、瑞典HMS公司的Anybus等基于通用平臺(tái)的工業(yè)用通信解決方案。從嵌入式模塊、PC板卡、網(wǎng)關(guān)到芯片，對(duì)于任何需求，該技術(shù)都可提供最適合的解決方案，一站式提供硬件、軟件、開發(fā)環(huán)境和技術(shù)支持。netX芯片搭載了ARM9CPU，并內(nèi)置多種外設(shè)功能，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)硬件設(shè)備即可支持諸多協(xié)議，幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有的主流的現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)。
如何選用哪種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)通信接口？要根據(jù)用戶的應(yīng)用領(lǐng)域和項(xiàng)目產(chǎn)品來決定。不同的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如：
在過程控制中應(yīng)用的有：FF、PROFIBUS、PROFINET、EPA等；
在PLC、低壓電器中應(yīng)用的有：PROFIBUS、DeviceNet、CC-link等；
在交通運(yùn)輸、醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用的有：CAN等；
在樓宇自控中應(yīng)用的有：LonWorks等；
在運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人中應(yīng)用的有：EthernetPowerlink、EtherCAT等；
另外，還有在智能電網(wǎng)、煙草、航空、農(nóng)業(yè)等行業(yè)或領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。但同一種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)又可以應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。
設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信接口，一般按以下幾步：
1.根據(jù)項(xiàng)目需要，選擇一種現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)；
2.根據(jù)所選擇的現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)，選擇一種通信控制器。可以選擇獨(dú)立控制器、內(nèi)嵌控制器、netX控制器、Anybus硬件平臺(tái)等；
3.設(shè)計(jì)硬件原理圖并繪制PCB；
4.編寫軟件。軟件一般由3部分組成：初始化程序、發(fā)送程序、接收程序。對(duì)于CAN總線，由于每次只能發(fā)送接收8個(gè)字節(jié)，有時(shí)需要編寫拆包打包程序。
為了提高工作效率，通信軟件的編寫盡可能參考一些例程。比如PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，需要初始化幾十個(gè)寄存器，沒有開發(fā)例程，新手很難實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)對(duì)通信控制器初始化后，發(fā)送程序和接收程序就是對(duì)數(shù)組進(jìn)行寫操作和讀操作，工作變得很簡單。
5.有一部分現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)還需要編寫電子文件。如PROFIBUS-DP需要編寫GSD文件、EPA需要編寫XDDL設(shè)備描述語言等；
6.在設(shè)計(jì)的硬件上，搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行通信測試；
7.如果設(shè)計(jì)的是在市場上銷售的產(chǎn)品，有些現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)還要做一致性測試。
例如：設(shè)計(jì)一個(gè)基于現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS系統(tǒng)，要做以下工作：
確定新型DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
DCS現(xiàn)場控制層是整個(gè)新型DCS控制系統(tǒng)的核心部分，控制卡處于監(jiān)控管理層與現(xiàn)場控制層內(nèi)測控板卡之間的位置，是整個(gè)DCS的通信樞紐和控制核心�？刂瓶ǖ墓δ苤饕性谕ㄐ藕涂刂苾蓚�(gè)方面，通信方面需要確定系統(tǒng)的通信方式，構(gòu)建系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足通信方面的速率、可靠性和實(shí)時(shí)性等要求；控制方面需要確定系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制規(guī)模、系統(tǒng)的容量和控制速度等。
確定控制卡與監(jiān)控管理層間的通信接口
控制卡與監(jiān)控管理層之間通信的下行數(shù)據(jù)包括測控板卡及通道的配置信息、直接控制輸出信息、控制算法的新建及修改信息等等，上行數(shù)據(jù)包括測控板卡的采樣信息、控制算法的執(zhí)行信息以及控制卡和測控板卡的故障信息等等。由于控制卡與監(jiān)控管理層之間的通信信息量較大，且對(duì)通信速率有一定的要求，所以選擇以太網(wǎng)作為與監(jiān)控層的通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，為提高通信的可靠性，對(duì)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)做冗余處理，采用兩條并行的以太網(wǎng)通信網(wǎng)路構(gòu)建與監(jiān)控管理層的通信網(wǎng)絡(luò)。
確定控制卡與測控板卡之間的通信接口
控制卡與測控板卡之間的通信信息包括測控板卡及通道的組態(tài)信息、通道的采樣信息、來自上位機(jī)和控制卡控制算法的輸出控制信息，以及測控板卡的狀態(tài)和故障信息等等。由于DCS控制站內(nèi)的測控板卡是已經(jīng)開發(fā)好的模塊，且固定采用現(xiàn)場總線CAN進(jìn)行通信，所以與控制站內(nèi)的測控板卡間的通信采用現(xiàn)場總線CAN進(jìn)行。
測控板卡的設(shè)計(jì)
為滿足系統(tǒng)的通用性要求，系統(tǒng)必須允許接入多種類型的信號(hào)，測控板卡類型共有7種，分別是8通道模擬量輸入板卡、4通道模擬量輸出板卡、8通道熱電阻輸入板卡、8通道熱電偶輸入板卡、16通道開關(guān)量輸入板卡、16通道開關(guān)量輸出板卡、8通道脈沖量輸入板卡。
控制卡的設(shè)計(jì)
控制卡以ST公司生產(chǎn)的ARMCortex-M4微控制器STM32F407ZG為核心，搭載相應(yīng)外圍電路構(gòu)成�？刂瓶ǖ臉�(gòu)成大致可以劃分為6個(gè)模塊，分別為：供電模塊、雙機(jī)余模塊、CAN通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、控制算法模塊和人機(jī)接口模塊。
在CAN通信接口的設(shè)計(jì)中，控制卡使用的CAN收發(fā)器均為TJA1051T/3，STM32F407ZG上有兩個(gè)CAN模塊，CAN1和CAN2，支持組建雙CAN環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)。
在以太網(wǎng)通信接口的設(shè)計(jì)中，STM32F407ZG上有一個(gè)MAC（媒體訪問控制）接口，通過此MAC接口可以外接一個(gè)PHY（物理層接口）芯片，這樣便可以構(gòu)建一路以太網(wǎng)通信接口。另一路以太網(wǎng)通信接口通過擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，選擇支持總線接口的三合一（MAC、PHY、TCP/IP協(xié)議棧）網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100，通過STM32F407ZG的存儲(chǔ)器控制接口實(shí)現(xiàn)與其連接。
網(wǎng)絡(luò)無處不在，已成為理所當(dāng)然的日常服務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的萬維網(wǎng)、Web搜索、在線游戲、電子郵件、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)等。而現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用也會(huì)隨著社會(huì)需求而不斷進(jìn)化、改變。
