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    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最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,最常用的一种是以 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最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 标准网络的最多节点数量

    标准 节点数量的限制条件 最多可允许的节点数
    RS-485 有源驱动器的总电流负载 32 个单位负载
    (最多可挂接 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/数据时延大 - 收听西班牙语体育节目的录音带

    低数据速率/数据时延小 - 通过电话收听 James Earl Jones 实况节目

    表 2 介绍了几种现场总线的原始数据速率及消息协议时延

    表2 标准网络的数据速率与时延

    标准 数据速率 最短消息 协议时延
    4-20mA 受模拟组件限制,低于 30Hz(典型)。
    HART 1.2 kbps 11 比特 大于 9000 usec
    RS-485 0~50 Mbps 1 比特 取决于具体协议
    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 高达 12 Mbps 140 比特 大于 12 usec
    Ethernet
    100BaseTX
    100 Mbps 300 比特 大于 3 usec

    噪声抗扰度

    工业环境面临大电流组件产生的挑战,如:马达、电泵、开关电源、焊接设备以及机器人技术等。为了确保可靠的网络运行,必须具备对上述噪声源的抗扰能力。物理层需要合理接地、绝缘以及收发器功能。网络中的高信号电平会提高信噪比。尽可能高的接收机阈值电平(常称为“噪声抑制”)可以从噪声中分辨出有效信号。接收机阈值的滞后作用可以降低信号转换过程中噪声造成错误开关的可能性。 图2说明滞后作用是如何提高噪声抑制的。


    图2: 接收机阈值滞后作用

    不过,上述每种噪声抗扰度的改善都需要付出一定代价。高信号电平需要更高的功率,因而有可能对其他组件产生噪声。高接收机阈值意味着系统更易出现介质信号损失,从而缩短允许的网络长度。接收机滞后作用在不合理均衡的情况下会产生传播延迟和脉宽失真。请注意在图 2 中,滞后作用下的接收机输出与无滞后作用时相比出现微小的响应延迟。

    网络长度

    网络的另一个指标是数据能够传输的距离。工业网络通常需要较消费类、计算机或车载应用更长的连接距离。限制可允许的网络长度的因素包括:介质损耗与电噪声感应 (Noise pickup) (二者都会影响信噪比)以及介质的传播延迟(影响时延)。

    无论介质是铜线、光纤还是无线电都会出现损耗。光纤损耗极低(λ=1310 nm 时为 0.3 dB/1000m),因此采用光网络可以实现超长距离的连接。典型的双绞线铜线具有较高的损耗,频率为 1 MHz 时每 100 米的损耗约为 1.5dB~5dB。如欲了解有关各种网络的典型线缆衰减对比,请参见图 4 。

    TIA/EIA-485-A 标准 (RS-485) 规定的单位负载将假设的电流-电压负载单位定义为对比收发器的依据。RS-485 收发器提供额定 1/8 单位负载,在不超过标准情况下在同一总线上允许挂接多达 8?32 或 256 个收发器。


    图4 :双绞线线缆每单位长度衰减与频率的关系图

    网络标准通过要求比接收电平高得多的发送信号幅度来弥补介质损耗。例如,RS-485 信令要求至少 1.5 V 的驱动器输出以及 200 mV 的接收机阈值。这样可以产生 7.5 的系数,或者 17.5dB 余量,这使低信令速率下的线缆长度可允许达到 1,200 米左右。表 3 显示了典型工业网络的计算范例。请注意:确定最长允许网络长度时介质损耗并非唯一需要考虑的因素。

    表3: 网络长度的限制范例

    标准 驱动器输出 接收机灵敏度 信号余量 典型线缆衰减 介质损耗下的线缆长度限制(典型值) 协议
    网络长度限制
    RS-485 1.5 V 200 mV 17.5 dB 0.5 MHz 时为 2.5 dB/100 m 小于 0.5 Mbps 时为 700 m
    10 MHz 时为 10 dB/100 m 10 Mbps 时 为 175 m
    Interbus 1.5 V 与 RS-485 相同 500 kbps 时每个环路为 200 m
    Profibus DP 2.1 V 200 mV 20.4 dB 12MHz 时为 6 dB/100 m 12 Mbps 时为 340 m 12 Mbps 时为 100 m;
    小于 94 kbps 时为1200 m。
    ControlNet
    (Coax)
    8.2 Vpp 510 mVpp 24 dB 10MHz 时为 2 dB/100 m 5 Mbps 时为1200 m 小于 1000 m
    DeviceNet 1.5 V 400 mV 11.5 dB 1MHz 时为1.2 dB/100 m 小于 0.5 Mbps 时为 950 m 125 kbps 时为 500 m;
    250 kbps时为 250 m;
    500 kbps时为 100 m。
    Ethernet
    10Base-T
    2.2 V 585 mV 11.5 dB 10MHz 时为 10 dB/100 m 10 Mbps 时为 115 m 一般为100 m
    Ethernet
    100Base-TX
    1.0 V 1 Vpp

    6 dB

    10MHz 时为 15 dB/100 m 100 Mbps 时为40 m 一般为 100 m
    参见脚注内容

    应用示例

    采用基于 RS-485 物理层 (PHY) 的网络解决方案范例说明了为什么网络实施对支持应用性能来说至关重要。高精度运动控制应用与多传感器过程控制应用的要求对比说明了系统要求对网络设计选择的影响(参见图 4)

    在运动控制范例中,刀具速度 (tool speed) 与编码器精度共同决定高数据速率。与网络距离一样,节点数量也会受到限制。数据时延对于位置与速度信息同样至关重要(用于关闭伺服环路)。在本应用中,由于数据速率方面的要求,因此不适于速度较慢的网络,如:DeviceNet 或 HART。本应用还可采用其他网络,如:100Base-TX 以太网、Profibus 或 ControlNet。


    图6: 从应用要求到网络实施的流程

    在过程控制范例中,整体信令速率不太重要,因为过程时间常数远远大于运动控制应用。该网络可能跨越很长的距离, 而且连接数十个节点。局部大电流浪涌可能会造成节点之间的接地偏移。由于节点数较多,因此 Profibus 不太合适,而速度较低的网络(如:DeviceNet 和 Interbus)更适合这种应用。

    DeviceNet 所基于的 CAN (ISO11898) 物理层根据节点之间的线缆传播延迟所需要的时间限制网络长度。因此,允许的线缆长度比介质损耗计算的预测值。

    100Base-TX 以太网接收机一般采用自适应均衡技术来补偿线缆损耗。因此,允许的线缆长度比通过简单介质损耗计算的预测值要长。

    上述范例中的每种应用都会限制解决方案的总成本、与其它系统或现有硬件的互操作性以及与其它现场支持应用共同使用下的标准化进程。

    总结

    本文仅简略论述了各种自动化现场总线之间几个方面的对比及做出选择时要权衡的因素。各种选择方案之间的深层分析需要很长的篇幅。确定最佳解决方案的关键在于终端的应用性能,同时始终需要在速度、功率、节点数量、噪声抗扰度以及网络长度等参数之间进行设计权衡。广泛的现场总线应用表明工程师已经找到了优化特定应用的各种解决方案。设计人员如欲了解有关这些网络的更多论述,可以参阅下列参考文献。