TSN 和現(xiàn)場總線：選型要點
現(xiàn)場總線控制器選型經(jīng)常困擾工程師，圍繞TSN 和現(xiàn)場總線的應(yīng)用，多種接口協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸速率，應(yīng)用工程師歸納出8各選型要點。現(xiàn)場總線一般應(yīng)用大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)，常用的硬件接口為POWERBUS,RS485，CAN等，常用的軟件為MODBUS或者自擬的簡單應(yīng)答輪訓(xùn)式。聯(lián)網(wǎng)成本低。工業(yè)以太網(wǎng)一般用TCP/IP協(xié)議，常見的硬件接口為網(wǎng)口，聯(lián)網(wǎng)成本高。
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01
現(xiàn)場總線的技術(shù)特點
現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的按控制回路，現(xiàn)場儀表一對一地分別進行連線的結(jié)構(gòu)形式，把集散控制系統(tǒng)(DCS)中處干控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊放入現(xiàn)場智能儀表，加上現(xiàn)場智能儀表具有通信能力，因而控制系統(tǒng)的基本功能不依賴控制室中的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，它把作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能儀表連接成自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎(chǔ)控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化的綜合功能，是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有以下特點:
(1)一對n結(jié)構(gòu) 一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號，這使得接線簡單，工程周期短，安裝費用低。若增加現(xiàn)場控制設(shè)備或現(xiàn)場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設(shè)新的電纜。
(2)可靠性高 數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強，精度高，無需采用抗干擾和提高精度的措施。
(3)可控狀態(tài) 操作員在控制室既可了解現(xiàn)場控制設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其參數(shù)進行調(diào)整，還可預(yù)測或?qū)ふ夜收希宫F(xiàn)場控制設(shè)備或控制儀表始終處干操作員的遠程監(jiān)控和可控狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護性。
(4)互換性 用戶可自由選擇不同制造商提供的現(xiàn)場控制設(shè)備或現(xiàn)場儀表，并將不同品牌的儀表通過總線互連，即使某臺儀表出現(xiàn)故障，換一其他品牌的同類儀表也可昭常工作，實現(xiàn)“即接即用”。
(5)互操作性 用戶可把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，不至因集成不同品牌的產(chǎn)品而在硬件或軟件上增加額外投資。
(6)綜合功能 現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，一表多用，節(jié)省成本。
(7)分散控制 控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表就可以構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的分散性、自治性和靈活性。
(8)統(tǒng)一組態(tài) 由于現(xiàn)場控制設(shè)備或現(xiàn)場儀表都引入了功能塊的概念，所有廠商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法，使得組態(tài)非常簡單，用戶不必因現(xiàn)場控制設(shè)備或儀表的種類不同而帶來組態(tài)方法不同，進行不同組態(tài)方法及編程語言的學(xué)習(xí)。
(9)開放式系統(tǒng) 現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標準都是公開的，所有制造商都必須遵循，用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，又可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連。此外，用戶可極其方便地共享數(shù)據(jù)庫。
02
TSN 和現(xiàn)場總線
TSN 和現(xiàn)場總線并非只能二選一。它們是兼容的，經(jīng)常一起使用，都采用與時間同步有關(guān)的概念。然而，PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等現(xiàn)場總線以不同的方式實現(xiàn)同步。PROFINET 使用精確時間控制協(xié)議 (PTCP)。EtherCAT 使用分布式時鐘，采用專用和相關(guān)的寄存器進行同步。
PROFINET 和 EtherNet/IP 包括 IEEE 以太網(wǎng)學(xué)習(xí)橋作為基礎(chǔ)交換技術(shù)。因此，這些協(xié)議現(xiàn)在可以調(diào)整 TAS 和幀搶占的擴展，以使用標準的 TSN 硬件。EtherNet/IP 使用 UDP 數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)交換，與 TSN 交換層兼容。對于由可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) TSN 解決方案支持的數(shù)據(jù)，PROFINET 支持直接第二層緩沖模型。
TSN 設(shè)計支持至少與 EtherCAT 和 PROFINET 及其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議一樣短的周期時間。當升級到千兆位以太網(wǎng)時，TSN 預(yù)計會超過其他協(xié)議的性能。EtherCAT 中對確定性流量的支持僅限于特殊類型的數(shù)據(jù)包。EtherCAT 和 TSN 相結(jié)合可以提高靈活性。例如，圍繞同步，TSN 增加了多主控能力。這三種協(xié)議以不同的方式提供冗余。TSN 使用平行冗余協(xié)議 (PRP) 和 IEC 62439-3 中定義的高可用性無縫冗余 (HSR) 協(xié)議等技術(shù)實現(xiàn)零損耗冗余。
TSN 不包括應(yīng)用層，也不在應(yīng)用層面上挑戰(zhàn)現(xiàn)場總線。例如，在機器層面仍使用 EtherCAT 的情況下，用交換機將機器互連，可以創(chuàng)建一個具有 TSN 功能的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。TSN-EtherCAT 集成網(wǎng)絡(luò)不是將技術(shù)混合，而是定義了無縫集成：使用兩種技術(shù)并實現(xiàn)每種技術(shù)的最佳性能。
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