摘要：文章全面闡述了INTERBUS總線的系統(tǒng)結構、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傳輸創(chuàng)新技術，并在系統(tǒng)電源、接地與防雷保護、以及快速診斷等方面積累了豐富的實踐經(jīng)驗，因而取得750萬安裝節(jié)點應用績。同時，本文還深入論述了INTERBUS技術的標準現(xiàn)狀與的發(fā)展。

2005年5月，INTERBUS現(xiàn)場總線正式成為我國行業(yè)標準JB/TIO308.8《測量和控制數(shù)字數(shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型8：INTERBUS《規(guī)范》。INTERBUS是世界上開發(fā)最早的現(xiàn)場總線，早在1984年就由德國Phoenix Contact公司研發(fā)，并得到Interbus Club國際組織支持。由于該總線的快速發(fā)展和廣泛使用，INTERBUS 已先后成為DIN19258德國標準、EN50254歐洲標準和IEC61158現(xiàn)場總線國際標準。INTERBUS在全球有1000多家總線設備生產商，提供多達2500種產品。到目前為止，INTERBUS現(xiàn)場總線在世界各地的節(jié)點安裝突破750萬，在各種現(xiàn)場總線中名列第二。

1、INTERBUS系統(tǒng)結構與規(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)行器類現(xiàn)場設備之間的通信。INTERBUS總線使用中央主——從訪問方式和樹狀拓撲結構，用于所連接的主站系統(tǒng)應用與從站應用程序之間數(shù)據(jù)的交換，其系統(tǒng)結構圖示于圖1。INTERBUS協(xié)議給用戶提供了兩個數(shù)據(jù)傳輸通道：過程數(shù)據(jù)通道和參數(shù)通道。組合兩種通道形成混合的網(wǎng)絡通信結構。從主站開始的網(wǎng)段是第一網(wǎng)段（一組從站），同時該網(wǎng)段可通過總結耦合器擴展更多網(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)結構

對于INTERBUS系統(tǒng)來說，整個系統(tǒng)是由互相連接的總線段構成。INTERBUS總線可分為三種不同的總線段，即遠程總線段、本地總線段和Interbus環(huán)路段。每個遠程總線段開始于一個遠程總線終端模塊，一個遠程總線的最大長度為400米（銅纜），整個INTERBUS系統(tǒng)的總長可達12.8公里。如果遠程總線需要供電，則稱為安裝遠程總線，即傳輸數(shù)據(jù)，也傳輸電源；每個遠程總線終端模塊都引出一個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，并給變送器和執(zhí)行器提供附加電源；Interbus環(huán)路段是可以直接應用于IP65現(xiàn)場的本地總線段，它采用兩芯無屏蔽導線，總線供電。一個環(huán)路可帶63個模塊，總長為200米。根據(jù)用戶的不同要求，利用以上不同的Interbus總線段可以構成能夠滿足各種實際需要的現(xiàn)場總索線網(wǎng)絡結構。INTERBUS系統(tǒng)規(guī)范見表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。

2、INTERBUS協(xié)議

INTERBUS通信協(xié)議完全遵照ISO/0SI開放系統(tǒng)互連模型，并符合IEC61158現(xiàn)場總線三層參考模型。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）、由媒體訪問控制（MAC）、基本鏈路層（BLL）和外圍設備數(shù)據(jù)鏈路（PDL）等三個子層構成，該數(shù)據(jù)鏈路層產生了等時（Isochrones）、集總幀（Summation frame）傳輸協(xié)議，具體見圖2。

圖2 集總幀傳輸協(xié)議

INTERBUS總線系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)環(huán)結構。主站開始第一個網(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，從站從前面的設備接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳送給下一個設備，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)，旁路通過其它數(shù)據(jù)。對總線上每個從站來說，根據(jù)它在幀中的數(shù)據(jù)寬度確定一個固定的時間片。數(shù)據(jù)包順序按照連接從站的物理順序。周期數(shù)據(jù)（過程數(shù)據(jù)和非周期數(shù)據(jù)（參數(shù)數(shù)據(jù)）同時傳輸。從站的參數(shù)數(shù)據(jù)在集總幀中使用固定長度為2、4和個八位位組，較長的報文（PDU）由數(shù)據(jù)鏈路層分割，這就是INTERBUS總線專有的PCP （Peripherals Communication Protocol） 外圍設備通信協(xié)議，PCP最后再把所有的信息片段組合起來，形成一個完整的信息。

從圖2的幀格式可以看出，一個傳輸周期由主站啟動并以一定的數(shù)據(jù)序列開始，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)都正確地送入相應的設備中。過程數(shù)據(jù)后繼的32位長的幀校驗序列FCS用于校驗傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它由一個16位CRC多項式來實現(xiàn)。

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

表2 各種現(xiàn)場總線傳輸效率的比較

從表中可以看出，INTERBUS現(xiàn)場總線的通信效率高過52%，Ethernet網(wǎng)絡的通信效率僅為0.77%。正因為如此，目前正在迅速發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)技術，較多的采用INTERBUS等時傳輸協(xié)議。

INTERBUS 應用層（AL）提供的服務負責完成數(shù)據(jù)的周期發(fā)送（過程數(shù)據(jù)通道）和數(shù)據(jù)非周期發(fā)送（參數(shù)通道）。過程數(shù)據(jù)通道允許非常有效和高速地傳輸與過程相關數(shù)據(jù)，例如一個主站和從站之間設定值和實測值。通常，過程數(shù)據(jù)通道發(fā)送的數(shù)據(jù)結構簡單，但處于高度動態(tài)和更新這中，通過過程數(shù)據(jù)通過，應用程序直接訪問DLL。對數(shù)據(jù)的周期發(fā)送，INTERBUS使用推廣式發(fā)布者/預定者模式高效地傳送數(shù)據(jù)，相應的應用關系協(xié)議機制 （ARPM） 為“網(wǎng)絡調度意向緩沖 （BNU）” 方式。過程數(shù)據(jù)通道并行的參數(shù)通道以非周期方式在兩個通信伙伴間傳送復雜結構數(shù)據(jù)。在參數(shù)通道是傳遞的數(shù)據(jù)對動態(tài)響應無要求，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/服務器通信模式，主站和從站都可以做為客戶或服務器。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)起雙向隊列式” （QUB-FC） 和“透明模式用戶發(fā)起雙向隊列式”（QUB-TM）。

3、INTERBUS通信行規(guī)

由于現(xiàn)場總線標準是概念性的技術標準，理認性強、概念抽象、涉及面廣。為了方便用戶設計的應用工業(yè)網(wǎng)絡中的現(xiàn)場總線設備，IEC/TC65/SC65C數(shù)據(jù)通信委員會最近制定了“IEC61784用于連續(xù)的離散制造工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線通信行規(guī)集”，該標準規(guī)定了各類通信設備通信協(xié)議棧的選擇規(guī)范。在標準中INTERBUS現(xiàn)場總線被規(guī)定為第6類通信行規(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)場總線標準，以方便國內廣大用戶。

根據(jù)INTERBUS規(guī)范，確定了三種預定義的通行行規(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設備能互操作。對一些獨特設備要進一步選擇服務服務、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定義了一般標準的INTERBUS行規(guī)，該行規(guī)包括AL、DLL和PHL服務選擇以及符合INTERBUS應用訪問的協(xié)議定義；

行規(guī)6/2：行規(guī)6/2擴充行規(guī)6/1的非周期數(shù)據(jù)交換能力。它規(guī)定通過AR-Send-Data-AcknowLedge透明訪問INERBUS設備，它適合帶有其它協(xié)議棧如TCP/IP的基于TCP/IP應用程序的設備。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使用一簡化的服務組，用于非周期數(shù)據(jù)交換，適合有限資源的INTERBUS設備。 符合通信行規(guī)的主站或從站設備，依據(jù)CP標識符合可以進一步細分，CP標識符見表3。關于CPF6通信行規(guī)的詳細規(guī)定請參見《JB/TI0308.8INTERBUS規(guī)范》。

表3 設備CP標識符分配

4、INTERBUS技術的新發(fā)展

隨著IT技術發(fā)展，INERBUS現(xiàn)場總線技術在擴大應用的實踐中不斷完善與發(fā)展。

4.1 INTERBUS總線將與PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)有機地結合

從2004年4初月開始，INERBUS Club決定與Profibus Intenational（PI）聯(lián)手合作開發(fā)PROFINET實時以太網(wǎng)標準，PROFINET 是基于以太網(wǎng)的自動化標準，它構成從I/O級直至管理級的基于組件分布自動化系統(tǒng)的體系結構方案，INTERBUS與PROFINET相結合的系統(tǒng)構成示于圖3。從圖中看出，INTERBUS通過代理服務器與PROFINET實時以以太網(wǎng)絡相連，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PROFINET是一種補充。因而，INTERUBS與PRKFINET的結合將為許多客戶提供一種理想方案。

圖3 INTERBUS與PROFINET構成的系統(tǒng)

4.2 INTERBUS與Safety技術相結合的現(xiàn)場安全總線

隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，如何將安全信號也引入到現(xiàn)場中來，構成一體化安全儀表系統(tǒng)，已成為當務之急，為適應這種需要菲尼克期公司得出一個經(jīng)濟、可靠的解決方法INTERBUS-Safety，該安全總線采用增加一個Safe Control控制模塊的方法，使常規(guī)的控制器能成為一個控制和處理安全數(shù)據(jù)的兼容系統(tǒng)，詳見圖4。Safety Control控制模塊工作在INTERBUS總線中利用總線網(wǎng)絡來控制現(xiàn)場總線中安全數(shù)據(jù)和安全模塊之間的信息傳輸。

INTERBUS俱樂部從1999年開始進行INTERBUS安全總線的研究，2001年得到德國BIA組織EN954-ILKAT4標準的許可證明，并符合IEC61508《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》標準的SIL3級別。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，控制系統(tǒng)結構清晰簡單，不影響今后的擴展和修改，成本明顯降低，它代表現(xiàn)場總線的一個發(fā)展方向。

4.3 IEC61918標準采納INTERBUS安裝與維護豐富的實踐經(jīng)驗

INTERBUS 總線安裝與維護十分簡便，在系統(tǒng)配置策劃、電源選擇、接地與防雷保護、光纜技術、現(xiàn)場快速連接、以及在線診斷和快速排除故障等方面具有極其豐富的實踐經(jīng)驗。為了推廣和指導廣大用戶這方面的工程實踐，國際電工委員會SC65C/WG10 工作組正在制定IEC61918《用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的安裝實踐規(guī)范》，進入這個國際標準的現(xiàn)場總線僅有INTERBUS 、PROFIBUS和Control NET三種類型。INTERBUS技術實踐的主要內容有：

（1）選擇高可靠的供電電源

在整個控制系統(tǒng)的設計時首先需要解決電源的問題，所選用的電源應該品種齊全、可靠性高，可滿足瞬態(tài)掉電使用和長期缺相使用，輸入端電壓范圍非常寬，足以保證大幅度的電網(wǎng)波動時同樣可以提供安全可靠的輸出；電源工作時的環(huán)境溫度可高達70℃；電源輸出留有很大的功率密度，以保證在大沖擊電流負載時可靠啟動；同時具有LED顯示、干接點輸出等三重輸出電壓狀態(tài)報警功能等。菲尼克斯公司QUINT系統(tǒng)開關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，它可以不采用隔離二級管進行并聯(lián)，簡單方便，且保證很高的可靠性。

（2）高水平的接地與防雷保護技術

當前，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接地與防雷保護技術已達到一個新的水平，在深入研究雷擊電磁脈沖和電涌沖擊產生原因及作用基本原理的基礎上，實施接地的原則有了較大的改變，防雷及電涌保護有了新的解決方案，同時研發(fā)了防雷及電涌保護器新的系列產品。在這個領域，德國菲尼克斯電氣公司的防雷技術及其TRABTECH系列產品當屬世界領先水平。Phoenix公司TRABTECH防雷及電涌保護器可用于電源系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和標準接口產品、無線收發(fā)系統(tǒng)及電信通信系統(tǒng)。對于系統(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)的連接是電涌保護系統(tǒng)的一個重要組成部分。均壓等電位連接應盡量接近均壓等電位網(wǎng)絡。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電接頭。對于所有接地電纜和均壓等電位連接電纜，等電位匯流條應作為中心連接點安裝。應在規(guī)劃階段事先考慮均壓等電位連接，這樣可從技術上使系統(tǒng)最有效且最經(jīng)濟。

（3）INTERBUS具有極強的診斷功能

INTERBUS總線有很強的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時也提供總線網(wǎng)絡的變結構功能，能即時根據(jù)設計要求，關斷和連接總線的某個子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場安裝、調試、診斷和維護的有力工具。具體功能是識別和確定安裝錯誤和部件錯誤，診斷功能不僅能找出故障，而且不需要專用工具，就能將故障排除。INTERBUS模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調試時可設置輸出狀態(tài)，并可以保存某些智能設備的參數(shù)。INTERBUS為用戶的現(xiàn)場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，故障類型，使操作人員能快速判斷，即時排除，大大提高工作效率。INTERBUS提供的CMD和Diag+軟件是加速現(xiàn)場調試和快速診斷的有力工具。

由于INTERBUS現(xiàn)場總線具有上述各種創(chuàng)新的技術，它可以實現(xiàn)從現(xiàn)場級到管理級的縱向集成，并能實現(xiàn)各級的橫向集成，從而構成分布式全集成自動化控制系統(tǒng)。正因為如此，INTERBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)在國內已廣泛用于汽車制造、機械、造紙、冶金、輕工、食品、煙草、以及物流等領域，并成為眾多廠家首選的自動化系統(tǒng)之一。