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(yīng)用選擇正確的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時需進(jìn)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(dǎo)原則進(jìn)行了論述。

受眾讀者是準(zhǔn)備開發(fā)網(wǎng)絡(luò)自動化但可能還不太熟悉數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計細(xì)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計人員。讀者應(yīng)當(dāng)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(yīng)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(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(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(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(jī)。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(yuǎn)程傳感器高速通道網(wǎng)絡(luò)利用調(diào)制后的信號來增強(qiáng) 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(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(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)。其它實施采用以太網(wǎng)或 RS-232。除了工業(yè)自動化外，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(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(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)時延要求（確定性計時）的方式不同。工業(yè)自動化應(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)點數(shù)量

自動化應(yīng)用可能需要連接眾多傳感器、傳動器，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(jī)，但是僅限一個發(fā)送器。

表 1 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的最多節(jié)點數(shù)量 標(biāo)準(zhǔn) 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(fù)載 32 個單位負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)制數(shù)字）以及對于相關(guān)應(yīng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)的不同而各異，但是對于格式復(fù)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率與時延 標(biāo)準(zhǔn) 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(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(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。接收機(jī)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(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。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(jī)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(jī)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(jī)輸出與無滯后作用時相比出現(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)通常需要較消費類、計算機(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(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(biāo)準(zhǔn) 驅(qū)動器輸出 接收機(jī)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(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)實施對支持應(yīng)用性能來說至關(guān)重要。高精度運動控制應(yīng)用與多傳感器過程控制應(yīng)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(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(yuǎn)遠(yuǎn)大于運動控制應(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(yīng)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(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)損耗計算的預(yù)測值要長。

上述范例中的每種應(yīng)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(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(yīng)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(jìn)行設(shè)計權(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)。

參考文獻(xiàn)

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