現場總線技術

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1、現場總線技術 現場總線的基本概念 一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間進行雙向、串行、多節(jié)點、數字式數據交換的通信技術。（國際電工委員會，International Electrotechnical Commission，IEC） 現場總線技術概述控制系統(tǒng)經歷的四個階段：模擬儀表控制系統(tǒng)直接數字控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 模擬儀表控制系統(tǒng)（ACS，ANALOG CONTROL SYSTEM）缺點：難于實現復雜的控制；模擬信號的傳遞需一對一的物理連接，信號變化緩慢，提高計算速度與精度的難度較大，信號傳輸的抗干擾能力也較差。 直接數字控制系統(tǒng)（DDC, DIRECT

2、 DIGITAL CONTROL）缺點：集中了危險，一旦計算機出現了故障，所有控制回路將癱瘓；只有一個計算機在工作，實時性差。 集散控制系統(tǒng)（DCS, DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）缺點：數字與模擬混合系統(tǒng)，可靠性差，安裝維護成本高；互換性差；價格貴。 現場總線控制系統(tǒng)（FCS，FIELDBUS CONTROL SYSTEM） 現場總線控制系統(tǒng)的基本結構 網絡拓撲結構可以選擇總線型、星型和環(huán)型等不同形式；通信介質不受限制，可用雙絞線、電力線、光纖、無線和紅外線等多種介質。 由FCS構成的Infranet控制網很容易與Intranet（企業(yè)內部局域網）和Internet（

3、全球信息網）互連，形成一個完整的企業(yè)網絡三級體系結構。 現場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構對比 1. 現場總線設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與執(zhí)行器直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現徹底的分散。 2.由于采用數字信號替代模擬信號，因而可實現一對電線上傳輸多個信號，同時又為多個現場總線設備提供電源；現場總線設備以外不再需要A/D、D/A轉換部件。這樣就簡化了系統(tǒng)結構、節(jié)約硬件設備、節(jié)約連接電纜與各種安裝維護費用。 現場總線的技術特點 1.系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠商的設備之間可實現信息交換。 2.互可操作性與互用性 互連設

4、備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；不同制造商性能類似的設備可進行更換，實現相互替換。 3.現場設備的智能化與功能自治性 將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場總線設備中完成。 4.系統(tǒng)結構的高度分散性 現場總線已構成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結構，提高了可靠性。 5.對現場環(huán)境的適應性 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質，具有較強的抗干擾能力。 現場總線的現狀與發(fā)展 現場總線國際標準IEC61158國際電工委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手于現場總線標準工作。2000年通過8種類型，2003年通過10種類型，至2007年IEC

5、61158第四版標準（IEC61158 Ed.4-2007）采納了經過市場考驗的20種主要類型的現場總線、工業(yè)以太網和實時以太網。 常見現場總線 Type1 TS61158 現場總線（國際電工委員會推薦的通用現場總線） Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現場總線（美國Rockwell公司支持） Type3 Profibus現場總線（德國Siemens公司支持） Type4 P-NET現場總線（丹麥Process Data公司支持） Type5 FF HSE高速以太網（Fieldbus Foundation于2000年頒布的高速以太網標準，美國Fisher-Rosem

6、ount公司和Honeywell公司支持） Type6 Swift-Net現場總線（ 美國Boeing公司支持，由于市場推廣很不理想，在第四版標準中被撤銷） Type7 WorldFIP現場總線（法國Alstom公司支持） Type8 INTERBUS現場總線（德國Phoenix Contact公司支持） Type9 FF H1現場總線（Fieldbus Foundation于1996年頒布的低速總線標準） Type10 PROFINET實時以太網（德國Siemens公司支持） 常見現場總線 Type11 TC net實時以太網（日本Toshiba公司開發(fā)） Type12 EtherCAT實時

7、以太網（德國Beckhoff公司開發(fā)） Type13 Ethernet PowerLink實時以太網（奧地利B&R公司開發(fā)） Type14 EPA實時以太網（中國Supercon公司支持） Type15 MODBUS-RTPS實時以太網（由美國Modicon公司（后被法國Schneider公司收購）開發(fā)） Type16 SERCOS I,II現場總線（德國機床協(xié)會和德國電力電子協(xié)會聯合提出，Siemens公司、ABB公司和Bosch公司等支持） Type17 VNET/IP實時以太網（由日本Yokogawa公司開發(fā)和支持） Type18 CC-Link現場總線（由日本Mitsubishi公司開

8、發(fā)和支持） Type19 SERCOS III實時以太網（SERCOS標準的第三代通訊協(xié)議） Type20 HART現場總線（由美國Rosemount公司開發(fā)，并得到80多家著名儀表公司的支持） 多個現場總線國際標準并存的原因 1.技術方面的原因： (1)現場總線是一項新技術，正處在“百花齊放”的時期。 (2)儀表和執(zhí)行器層的通信在數據的數量上大大增加、內容上大大豐富了，任何規(guī)約都不能面面俱到。 (3)不同領域的應用需求不同，一種規(guī)約難以滿足各種不同應用的需求。在這樣的技術背景下，形成統(tǒng)一標準的過程將十分漫長。 多個現場總線國際標準并存的原因 2.市場方面的原因： (1)現場總線意味著儀器儀表

9、行業(yè)的全面升級換代，這是一個巨大的未來市場。 (2)技術上的復雜性和難度使得實力強大的大公司看到了壟斷市場的機會。 (3)實現壟斷的方法是保持高的技術門檻并推出自己獨特的產品。 (4)現場總線數字化、信息化和系統(tǒng)性的特點，底層和上層緊密耦合的特點使現場總線具有高技術門檻的特征。 工業(yè)以太網 工業(yè)以太網（Industrial Ethernet）是應用于工業(yè)控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（IEEE 802.3標準）兼容。 以太網具有的優(yōu)點 (1)應用廣泛。 (2)成本低廉。 (3)通信速率高。 (4)軟硬件資源豐富。 (5)持續(xù)發(fā)展、潛力大。 (6)易與Internet連接。 工業(yè)以太

10、網的拓撲結構在傳統(tǒng)的以太網體系中，星型拓撲結構是最常用的一種網絡拓撲結構。但在工業(yè)以太網絡中，通常將控制區(qū)域分為若干控制子域，根據不同系統(tǒng)規(guī)模和具體情況，靈活采用星型、環(huán)型（包括冗余雙環(huán)）和線型（或類總線型）結構等網絡拓撲結構。 (1)星型結構 (2)總線型結構 (3)環(huán)型結構 (1)星型結構每個站通過點到點的方式連接到工業(yè)以太網集線器（或交換機）上，任何節(jié)點之間的通信都通過工業(yè)以太網集線器（或交換機）進行。一個中心，多個分節(jié)點。它結構簡單，連接方便，管理和維護都相對容易，而且擴展性強。 (2)總線型結構總線拓撲結構所有設備連接到一條連接介質上?？偩€結構所需要的電纜數量少，線纜長度短，易于布線

11、和維護。多個結點共用一條傳輸信道，信道利用率高。但不易查找診斷故障。采用線型拓撲結構連接的工業(yè)以太網集線器（或交換機）通常有一對級聯接口，通過相互之間的級聯，將不同控制區(qū)域聯系在一起。 (3)環(huán)型結構環(huán)形拓撲網絡是節(jié)點形成一個閉合環(huán)。工作站少，節(jié)約設備。當然，這樣就導致一個節(jié)點出問題，網絡就會出問題，而且不好診斷故障。 工業(yè)以太網的傳輸介質工業(yè)以太網中使用的通信線纜包括同軸電纜、雙絞線和光纖。 根據工業(yè)環(huán)境的現狀，工業(yè)以太網對環(huán)境的適應性要比傳統(tǒng)的商業(yè)以太網更強，包括設備、通信線纜、連接件在內的防爆性、抗腐蝕性、機械強度、 電磁兼容性等。但目前尚無關于以太網在工業(yè)環(huán)境下的相關標準。 工業(yè)以太網

12、的主要標準工業(yè)以太網協(xié)議有多種，如FF HSE（Fieldbus Foundation支持）、IDA（Schineider公司支持）、PROFINET（Siemens公司支持）、Ethernet/IP （Rockwell Automation和Omrom公司支持） . ETHERNET/IP Ethernet/IP通信模型是以太網、TCP/IP和CIP的集成，其中應用層使用CIP 是Ethernet/IP和其他工業(yè)以太網的主要區(qū)別。 CIP（Control and Information Protocol）包含了所有經典的PLC運算，它與DeviceNet和ControlNet是共享的，保證了

13、它們之間的可互操作性。 ETHERNET/IP Ethernet/IP以太網協(xié)議是一種開放的工業(yè)網絡標準，使用目前流行的商用以太網芯片和物理媒體。Ethernet/IP網絡使用有源星形拓撲結構，一組裝置點對點地連接到交換機。星形拓撲的優(yōu)點是支持10Mbps和100Mbps的產品，可以將10Mbps和100Mbps產品混合使用。星形拓撲接線簡便，很容易查找故障，維護也簡單等。 .PROFINET （PROFIBUS ON ETHERNET） PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的基于工業(yè)以太網的自動化標準。在2001年8月發(fā)布的PROFINETV1.0，加強了以太網、TCP/UDP/I

14、P以及微軟的DCOM、OPC和XML作用，而在2003年推出的PROFINETV2.0，將通過實時通道（旁路掉TCP/IP協(xié)議棧）加進實時的功能。 MODBUS-IDA（MODBUS-TCP） IDA（Interface for Distributed Automation）是一種完全建立在以太網基礎上的工業(yè)以太網規(guī)范，它將一種實時的基于Web的分布自動化環(huán)境與集中的安全體系結構加以結合，目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散解決方案。 FF HSE （FOUNDATION FIELDBUS HIGH SPEED ETHERNET） 1998年，美國Fieldbus Foundation(FF)

15、決定采用高速以太網(HSE)技術開發(fā)H2現場總線，作為現場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網絡的主干網，控制級以下仍使用解決了兩線制供電的H1現場總線，從而構成了信息集成開放的體系結構。 幾種工業(yè)以太網標準對比 工業(yè)以太網通信的實時性以太網采用CSMA/CD （載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）機制解決通信介質層的競爭，其通信的“不確定性”長期以來成為它在工業(yè)現場設備中應用的致命弱點和主要障礙。 研究表明，在網絡負荷較小的情況下，沖突發(fā)生的概率很??；隨著以太網帶寬的迅速增加，數據傳輸的實時性不斷提高，也使以太網逐漸趨于確定性；基于良好設計的以太網是確定性的實時通信系統(tǒng)，如經過精心設計，工業(yè)以太網的響應時間

16、小于4ms，可滿足幾乎所有工業(yè)過程的要求。 工業(yè)以太網技術發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)以太網與現場總線相結合 1)物理介質采用標準的以太網通信線纜（如雙絞線、光纖等）； 2)使用標準以太網連接設備（如交換機等）； 3)采用IEEE802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組； 4)應用層（甚至是用戶層）采用現場總線的應用層、用戶層協(xié)議； 5)兼容現有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等。 工業(yè)以太網發(fā)展前景 美國權威調查機構ARC（Automation Research Company）報告指出，今后Ethernet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機和工業(yè)控制系統(tǒng)上層網絡通信市場，也必將領導未來現場總線

17、的發(fā)展， Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協(xié)議。 由于以太網有著“一網到底”的美景，即它可以一直延伸到企業(yè)現場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網將成為現場總線中的主流技術。 工業(yè)控制網絡的集成控制網絡與信息網絡 企業(yè)網絡主要由處理企業(yè)管理與決策信息的信息網絡和處理企業(yè)現場實時測控信息的控制網絡組成。 1.信息網絡信息網絡處于企業(yè)網絡的上層，處理大量的、變化多樣的信息，是企業(yè)數據共享和傳輸的載體 。它需要滿足如下要求： (1)是高速通信網絡； (2)能夠實現多媒體的傳輸； (3)與Internet互聯； (4)是一個開放的系統(tǒng)； (

18、5)滿足數據安全性要求； (6)易于技術擴展和升級更新。 2.控制網絡 控制網絡處于企業(yè)網絡的下層，處理實時的、現場傳感器和執(zhí)行器等設備的現場信息。它的實現既可采用現場總線技術，也可采用工業(yè)以太網，或者兩者的結合。其技術特點如下： (1)要求節(jié)點有高度的實時性。 (2)容錯性強，具有高可靠性和安全性。 (3)協(xié)議實用、簡單、可靠。 (4)結構的分散性。 (5)現場控制設備的智能化和功能自治性。 (6)網絡數據傳輸量小和節(jié)點處理能力需要減少。 (7)性能價格比高。 3.控制網絡與信息網絡的區(qū)別 (1)控制網絡中數據傳輸的及時性和系統(tǒng)響應的實時性是控制系統(tǒng)的最基本要求。在信息網絡的大部分使用中實時

19、性是忽略的。 (2)控制網絡強調在惡劣環(huán)境下數據傳輸的完整性、可靠性。 (3)在控制網絡中，通信方式多使用廣播或組播方式。在信息網絡中，一般使用一對一的通信方式。 (4)控制網絡必須解決多家公司產品和系統(tǒng)在同一網絡中的互操作問題。 工業(yè)控制網絡集成技術 現場總線作為底層控制網絡，得到了大量的應用。由于國際上現場總線存在著多種標準，如何實現不同現場總線之間的通信聯系，以及現場總線（控制網絡）與信息網絡的信息交換等，這將涉及所謂的網絡集成技術問題。 從使用角度來講，工業(yè)控制網絡的集成主要需要解決以下兩個問題： (1)控制網絡如何實現與信息網絡的無縫連接； (2)不同現場總線之間的集成。 1. 控制

20、網絡與信息網絡的集成 (1)互連技術。在底層網段與中間監(jiān)控層之間加入中繼器、網橋、路由器和網關等專門的硬件設備，使控制網絡作為信息網絡的擴展與之緊密集成。 (2)遠程通信技術。當控制網絡與信息網絡地理上相距較遠時，遠程通信技術是實現網絡集成的有效方法之一。遠程通信技術有：利用調制解調器的數據通信，基于TCP/IP的遠程通信。 (3)動態(tài)數據交換（Dynamic Data Exchange，DDE）技術。實現控制網絡中實時數據與信息網絡中數據庫數據動態(tài)交換。 (4)數據庫訪問技術。 (5)OPC（OLE for Process Control）技術。 2. 現場總線控制網絡之間的集成 (1)系統(tǒng)

21、級集成（基于OPC的集成方法），OPC服務器的實質相當于一個網關。它從現場設備讀取數據，把來自不同硬件供應商的不同類型數據轉換為統(tǒng)一的OPC數據格式，以OPC接口的方式傳送給客戶應用程序，從而實現系統(tǒng)信息的集成。 1)優(yōu)點：簡單易行、工程開發(fā)量小。 2)缺點：總線系統(tǒng)中節(jié)點間通信比較慢 2. 現場總線控制網絡之間的集成 (2)設備級集成 通過協(xié)議轉換實現現場總線的設備級集成是應付多種現場總線并存帶來系統(tǒng)集成問題的有效途徑。具體方法實現不同現場總線之間的協(xié)議網關，將兩種不同總線連接起來。 1)優(yōu)點：實現了現場設備間的無縫連接，實時性好，有現成可用的產品，可以縮短研發(fā)周期。 2)缺點：實現協(xié)議信息轉換，需要對協(xié)議有完全深入的了解，開發(fā)難度大。 3.OPC技術 OPC（OLE for Process Control），意為用于過程控制的對象鏈接嵌入（Object Linking and Embedding，OLE）技術。它是世界上多個自動化公司、軟硬件供應商與微軟合作開發(fā)的一套數據交換接口的工業(yè)標準。