摘要：文章全面闡述了INTERBUS總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)規(guī)范、通信協(xié)議、以及通信行規(guī)。INTERBUS總線采用集總幀等時(shí)傳輸創(chuàng)新技術(shù)，并在系統(tǒng)電源、接地與防雷保護(hù)、以及快速診斷等方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因而取得750萬(wàn)安裝節(jié)點(diǎn)應(yīng)用績(jī)。同時(shí)，本文還深入論述了INTERBUS技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與的發(fā)展。

2005年5月，INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線正式成為我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/TIO308.8《測(cè)量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線類(lèi)型8：INTERBUS《規(guī)范》。INTERBUS是世界上開(kāi)發(fā)最早的現(xiàn)場(chǎng)總線，早在1984年就由德國(guó)Phoenix Contact公司研發(fā)，并得到Interbus Club國(guó)際組織支持。由于該總線的快速發(fā)展和廣泛使用，INTERBUS 已先后成為DIN19258德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、EN50254歐洲標(biāo)準(zhǔn)和IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。INTERBUS在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商，提供多達(dá)2500種產(chǎn)品。到目前為止，INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在世界各地的節(jié)點(diǎn)安裝突破750萬(wàn)，在各種現(xiàn)場(chǎng)總線中名列第二。

1、INTERBUS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與規(guī)范

INTERBUS是數(shù)字的串行通信系統(tǒng)，用于控制系統(tǒng)（如可編程序控制器）與工業(yè)傳感器和執(zhí)行器類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信。INTERBUS總線使用中央主——從訪問(wèn)方式和樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于所連接的主站系統(tǒng)應(yīng)用與從站應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的交換，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖1。INTERBUS協(xié)議給用戶提供了兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道：過(guò)程數(shù)據(jù)通道和參數(shù)通道。組合兩種通道形成混合的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)。從主站開(kāi)始的網(wǎng)段是第一網(wǎng)段（一組從站），同時(shí)該網(wǎng)段可通過(guò)總結(jié)耦合器擴(kuò)展更多網(wǎng)段。從站和總線耦合器不帶地址，它們的地址是由其在環(huán)中的位置決定。

圖1 INTERBUS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于INTERBUS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)是由互相連接的總線段構(gòu)成。INTERBUS總線可分為三種不同的總線段，即遠(yuǎn)程總線段、本地總線段和Interbus環(huán)路段。每個(gè)遠(yuǎn)程總線段開(kāi)始于一個(gè)遠(yuǎn)程總線終端模塊，一個(gè)遠(yuǎn)程總線的最大長(zhǎng)度為400米（銅纜），整個(gè)INTERBUS系統(tǒng)的總長(zhǎng)可達(dá)12.8公里。如果遠(yuǎn)程總線需要供電，則稱(chēng)為安裝遠(yuǎn)程總線，即傳輸數(shù)據(jù)，也傳輸電源；每個(gè)遠(yuǎn)程總線終端模塊都引出一個(gè)由本地總線模塊組成的本地總線段，本地總線主要用在控制柜內(nèi)，并給變送器和執(zhí)行器提供附加電源；Interbus環(huán)路段是可以直接應(yīng)用于IP65現(xiàn)場(chǎng)的本地總線段，它采用兩芯無(wú)屏蔽導(dǎo)線，總線供電。一個(gè)環(huán)路可帶63個(gè)模塊，總長(zhǎng)為200米。根據(jù)用戶的不同要求，利用以上不同的Interbus總線段可以構(gòu)成能夠滿足各種實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)總索線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。INTERBUS系統(tǒng)規(guī)范見(jiàn)表1。

表1 典型INTERBUS系統(tǒng)規(guī)范

從表中可以看出INTERBUS數(shù)據(jù)的安全性得到充分保護(hù)。

2、INTERBUS協(xié)議

INTERBUS通信協(xié)議完全遵照ISO/0SI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型，并符合IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線三層參考模型。INTERBUS參考模型包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其中，為了提高傳輸效率，數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、由媒體訪問(wèn)控制（MAC）、基本鏈路層（BLL）和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路（PDL）等三個(gè)子層構(gòu)成，該數(shù)據(jù)鏈路層產(chǎn)生了等時(shí)（Isochrones）、集總幀（Summation frame）傳輸協(xié)議，具體見(jiàn)圖2。

圖2 集總幀傳輸協(xié)議

INTERBUS總線系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)環(huán)結(jié)構(gòu)。主站開(kāi)始第一個(gè)網(wǎng)段，從站被連接到網(wǎng)段。數(shù)據(jù)從主站傳送到所有從站，從站從前面的設(shè)備接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳送給下一個(gè)設(shè)備，從站將集總幀送給它的輸入數(shù)據(jù)取出，在該處插入其將要傳出的數(shù)據(jù)，旁路通過(guò)其它數(shù)據(jù)。對(duì)總線上每個(gè)從站來(lái)說(shuō)，根據(jù)它在幀中的數(shù)據(jù)寬度確定一個(gè)固定的時(shí)間片。數(shù)據(jù)包順序按照連接從站的物理順序。周期數(shù)據(jù)（過(guò)程數(shù)據(jù)和非周期數(shù)據(jù)（參數(shù)數(shù)據(jù)）同時(shí)傳輸。從站的參數(shù)數(shù)據(jù)在集總幀中使用固定長(zhǎng)度為2、4和個(gè)八位位組，較長(zhǎng)的報(bào)文（PDU）由數(shù)據(jù)鏈路層分割，這就是INTERBUS總線專(zhuān)有的PCP （Peripherals Communication Protocol） 外圍設(shè)備通信協(xié)議，PCP最后再把所有的信息片段組合起來(lái)，形成一個(gè)完整的信息。

從圖2的幀格式可以看出，一個(gè)傳輸周期由主站啟動(dòng)并以一定的數(shù)據(jù)序列開(kāi)始，這包括跟在輸出數(shù)據(jù)后的LBW回送字。集總幀輸出后所有輸出數(shù)據(jù)都正確地送入相應(yīng)的設(shè)備中。過(guò)程數(shù)據(jù)后繼的32位長(zhǎng)的幀校驗(yàn)序列FCS用于校驗(yàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它由一個(gè)16位CRC多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于采用集總幀傳輸數(shù)據(jù)，INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的通信效率大大高于其它現(xiàn)場(chǎng)總線。表2列出各種現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸效率的對(duì)比情況，這種對(duì)比是以32個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)為例，其中包括20個(gè)8位輸入設(shè)備和12個(gè)8位輸出設(shè)備。

表2 各種現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸效率的比較

從表中可以看出，INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的通信效率高過(guò)52%，Ethernet網(wǎng)絡(luò)的通信效率僅為0.77%。正因?yàn)槿绱?，目前正在迅速發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，較多的采用INTERBUS等時(shí)傳輸協(xié)議。

INTERBUS 應(yīng)用層（AL）提供的服務(wù)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的周期發(fā)送（過(guò)程數(shù)據(jù)通道）和數(shù)據(jù)非周期發(fā)送（參數(shù)通道）。過(guò)程數(shù)據(jù)通道允許非常有效和高速地傳輸與過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)，例如一個(gè)主站和從站之間設(shè)定值和實(shí)測(cè)值。通常，過(guò)程數(shù)據(jù)通道發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但處于高度動(dòng)態(tài)和更新這中，通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)，應(yīng)用程序直接訪問(wèn)DLL。對(duì)數(shù)據(jù)的周期發(fā)送，INTERBUS使用推廣式發(fā)布者/預(yù)定者模式高效地傳送數(shù)據(jù)，相應(yīng)的應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制 （ARPM） 為“網(wǎng)絡(luò)調(diào)度意向緩沖 （BNU）” 方式。過(guò)程數(shù)據(jù)通道并行的參數(shù)通道以非周期方式在兩個(gè)通信伙伴間傳送復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在參數(shù)通道是傳遞的數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)要求，且傳輸量很小。它通常用于參數(shù)的初始化。非周期傳輸采用客戶/服務(wù)器通信模式，主站和從站都可以做為客戶或服務(wù)器。為非周期傳輸提供的兩種用戶ARPM這“具有流量控制的用戶發(fā)起雙向隊(duì)列式” （QUB-FC） 和“透明模式用戶發(fā)起雙向隊(duì)列式”（QUB-TM）。

3、INTERBUS通信行規(guī)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是概念性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，理認(rèn)性強(qiáng)、概念抽象、涉及面廣。為了方便用戶設(shè)計(jì)的應(yīng)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，IEC/TC65/SC65C數(shù)據(jù)通信委員會(huì)最近制定了“IEC61784用于連續(xù)的離散制造工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信行規(guī)集”，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各類(lèi)通信設(shè)備通信協(xié)議棧的選擇規(guī)范。在標(biāo)準(zhǔn)中INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線被規(guī)定為第6類(lèi)通信行規(guī)族Communication Profile Families （CPF） 6。在JB/T 10308.8《INTERBUS規(guī)范》中，首次將通信行規(guī)入現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，以方便國(guó)內(nèi)廣大用戶。

根據(jù)INTERBUS規(guī)范，確定了三種預(yù)定義的通行行規(guī)，每一種通信行規(guī)都提供一組完善的規(guī)定和附加條件限制，以保證INTERBUS設(shè)備能互操作。對(duì)一些獨(dú)特設(shè)備要進(jìn)一步選擇服務(wù)服務(wù)、參數(shù)和參數(shù)年值。三種被定義通信行規(guī)為：

行規(guī)6/1：行規(guī)6/1定義了一般標(biāo)準(zhǔn)的INTERBUS行規(guī)，該行規(guī)包括AL、DLL和PHL服務(wù)選擇以及符合INTERBUS應(yīng)用訪問(wèn)的協(xié)議定義；

行規(guī)6/2：行規(guī)6/2擴(kuò)充行規(guī)6/1的非周期數(shù)據(jù)交換能力。它規(guī)定通過(guò)AR-Send-Data-AcknowLedge透明訪問(wèn)INERBUS設(shè)備，它適合帶有其它協(xié)議棧如TCP/IP的基于TCP/IP應(yīng)用程序的設(shè)備。該協(xié)議棧使用AR-Send-Data-Acknowledge而不影響行規(guī)定義；

行規(guī)6/3：行規(guī)6/3使用一簡(jiǎn)化的服務(wù)組，用于非周期數(shù)據(jù)交換，適合有限資源的INTERBUS設(shè)備。 符合通信行規(guī)的主站或從站設(shè)備，依據(jù)CP標(biāo)識(shí)符合可以進(jìn)一步細(xì)分，CP標(biāo)識(shí)符見(jiàn)表3。關(guān)于CPF6通信行規(guī)的詳細(xì)規(guī)定請(qǐng)參見(jiàn)《JB/TI0308.8INTERBUS規(guī)范》。

表3 設(shè)備CP標(biāo)識(shí)符分配

4、INTERBUS技術(shù)的新發(fā)展

隨著IT技術(shù)發(fā)展，INERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在擴(kuò)大應(yīng)用的實(shí)踐中不斷完善與發(fā)展。

4.1 INTERBUS總線將與PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)有機(jī)地結(jié)合

從2004年4初月開(kāi)始，INERBUS Club決定與Profibus Intenational（PI）聯(lián)手合作開(kāi)發(fā)PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，PROFINET 是基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，它構(gòu)成從I/O級(jí)直至管理級(jí)的基于組件分布自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方案，INTERBUS與PROFINET相結(jié)合的系統(tǒng)構(gòu)成示于圖3。從圖中看出，INTERBUS通過(guò)代理服務(wù)器與PROFINET實(shí)時(shí)以以太網(wǎng)絡(luò)相連，用戶在采用PROFINET方案后，仍使用原有的INERBUS的高效通信協(xié)議對(duì)PROFINET是一種補(bǔ)充。因而，INTERUBS與PRKFINET的結(jié)合將為許多客戶提供一種理想方案。

圖3 INTERBUS與PROFINET構(gòu)成的系統(tǒng)

4.2 INTERBUS與Safety技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)安全總線

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，如何將安全信號(hào)也引入到現(xiàn)場(chǎng)中來(lái)，構(gòu)成一體化安全儀表系統(tǒng)，已成為當(dāng)務(wù)之急，為適應(yīng)這種需要菲尼克期公司得出一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠的解決方法INTERBUS-Safety，該安全總線采用增加一個(gè)Safe Control控制模塊的方法，使常規(guī)的控制器能成為一個(gè)控制和處理安全數(shù)據(jù)的兼容系統(tǒng)，詳見(jiàn)圖4。Safety Control控制模塊工作在INTERBUS總線中利用總線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)總線中安全數(shù)據(jù)和安全模塊之間的信息傳輸。

INTERBUS俱樂(lè)部從1999年開(kāi)始進(jìn)行INTERBUS安全總線的研究，2001年得到德國(guó)BIA組織EN954-ILKAT4標(biāo)準(zhǔn)的許可證明，并符合IEC61508《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》標(biāo)準(zhǔn)的SIL3級(jí)別。這種解決方案優(yōu)于其它方案，它將控制系統(tǒng)與安全總線的功能分開(kāi)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，不影響今后的擴(kuò)展和修改，成本明顯降低，它代表現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)發(fā)展方向。

4.3 IEC61918標(biāo)準(zhǔn)采納INTERBUS安裝與維護(hù)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

INTERBUS 總線安裝與維護(hù)十分簡(jiǎn)便，在系統(tǒng)配置策劃、電源選擇、接地與防雷保護(hù)、光纜技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)快速連接、以及在線診斷和快速排除故障等方面具有極其豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了推廣和指導(dǎo)廣大用戶這方面的工程實(shí)踐，國(guó)際電工委員會(huì)SC65C/WG10 工作組正在制定IEC61918《用于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的安裝實(shí)踐規(guī)范》，進(jìn)入這個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線僅有INTERBUS 、PROFIBUS和Control NET三種類(lèi)型。INTERBUS技術(shù)實(shí)踐的主要內(nèi)容有：

（1）選擇高可靠的供電電源

在整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)首先需要解決電源的問(wèn)題，所選用的電源應(yīng)該品種齊全、可靠性高，可滿足瞬態(tài)掉電使用和長(zhǎng)期缺相使用，輸入端電壓范圍非常寬，足以保證大幅度的電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)同樣可以提供安全可靠的輸出；電源工作時(shí)的環(huán)境溫度可高達(dá)70℃；電源輸出留有很大的功率密度，以保證在大沖擊電流負(fù)載時(shí)可靠啟動(dòng)；同時(shí)具有LED顯示、干接點(diǎn)輸出等三重輸出電壓狀態(tài)報(bào)警功能等。菲尼克斯公司QUINT系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源性能安全符合上述要求，Phoenix電源具有抗震、抗沖擊和抗腐蝕的特點(diǎn)，它可以不采用隔離二級(jí)管進(jìn)行并聯(lián)，簡(jiǎn)單方便，且保證很高的可靠性。

（2）高水平的接地與防雷保護(hù)技術(shù)

當(dāng)前，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接地與防雷保護(hù)技術(shù)已達(dá)到一個(gè)新的水平，在深入研究雷擊電磁脈沖和電涌沖擊產(chǎn)生原因及作用基本原理的基礎(chǔ)上，實(shí)施接地的原則有了較大的改變，防雷及電涌保護(hù)有了新的解決方案，同時(shí)研發(fā)了防雷及電涌保護(hù)器新的系列產(chǎn)品。在這個(gè)領(lǐng)域，德國(guó)菲尼克斯電氣公司的防雷技術(shù)及其TRABTECH系列產(chǎn)品當(dāng)屬世界領(lǐng)先水平。Phoenix公司TRABTECH防雷及電涌保護(hù)器可用于電源系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)接口產(chǎn)品、無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)及電信通信系統(tǒng)。對(duì)于系統(tǒng)接地，菲尼克斯電氣公司提出，均壓等電位連接及其接地系統(tǒng)的連接是電涌保護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。均壓等電位連接應(yīng)盡量接近均壓等電位網(wǎng)絡(luò)。為此建議在已直接連接主均壓等電位連接系統(tǒng)的系統(tǒng)部件之間安裝十字形導(dǎo)電接頭。對(duì)于所有接地電纜和均壓等電位連接電纜，等電位匯流條應(yīng)作為中心連接點(diǎn)安裝。應(yīng)在規(guī)劃階段事先考慮均壓等電位連接，這樣可從技術(shù)上使系統(tǒng)最有效且最經(jīng)濟(jì)。

（3）INTERBUS具有極強(qiáng)的診斷功能

INTERBUS總線有很強(qiáng)的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也提供總線網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)功能，能即時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，關(guān)斷和連接總線的某個(gè)子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、診斷和維護(hù)的有力工具。具體功能是識(shí)別和確定安裝錯(cuò)誤和部件錯(cuò)誤，診斷功能不僅能找出故障，而且不需要專(zhuān)用工具，就能將故障排除。INTERBUS模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時(shí)可設(shè)置輸出狀態(tài)，并可以保存某些智能設(shè)備的參數(shù)。INTERBUS為用戶的現(xiàn)場(chǎng)診斷提供硬件和軟件手段，其DSC控制器硬件具有中央診斷顯示，能精確顯示故障的定位，故障類(lèi)型，使操作人員能快速判斷，即時(shí)排除，大大提高工作效率。INTERBUS提供的CMD和Diag+軟件是加速現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和快速診斷的有力工具。

由于INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線具有上述各種創(chuàng)新的技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到管理級(jí)的縱向集成，并能實(shí)現(xiàn)各級(jí)的橫向集成，從而構(gòu)成分布式全集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。正因?yàn)槿绱?，INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已廣泛用于汽車(chē)制造、機(jī)械、造紙、冶金、輕工、食品、煙草、以及物流等領(lǐng)域，并成為眾多廠家首選的自動(dòng)化系統(tǒng)之一。