現(xiàn)場總線技術(shù)

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1、現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線的基本概念 一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間進行雙向、串行、多節(jié)點、數(shù)字式數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)。（國際電工委員會，International Electrotechnical Commission，IEC） 現(xiàn)場總線技術(shù)概述控制系統(tǒng)經(jīng)歷的四個階段：模擬儀表控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)現(xiàn)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(xiàn)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?shù)目垢蓴_能力也較差。 直接數(shù)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)IELDBUS CONTROL SYSTEM） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以選擇總線型、星型和環(huán)型等不同形式；通信介質(zhì)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(zhì)。 由FCS構(gòu)成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet（企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)）和Internet（

3、全球信息網(wǎng)）互連，形成一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級體系結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比 1. 現(xiàn)場總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)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(xiàn)場完成，實現(xiàn)徹底的分散。 2.由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，同時又為多個現(xiàn)場總線設(shè)備提供電源；現(xiàn)場總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝維護費用。 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點 1.系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。 2.互可操作性與互用性 互連設(shè)

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(shè)備可進行更換，實現(xiàn)相互替換。 3.現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場總線設(shè)備中完成。 4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 5.對現(xiàn)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(zhì)，具有較強的抗干擾能力。 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展 現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)過市場考驗的20種主要類型的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)。 常見現(xiàn)場總線 Type1 TS61158 現(xiàn)場總線（國際電工委員會推薦的通用現(xiàn)場總線） Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現(xiàn)場總線（美國Rockwell公司支持） Type3 Profibus現(xiàn)場總線（德國Siemens公司支持） Type4 P-NET現(xiàn)場總線（丹麥Process Data公司支持） Type5 FF HSE高速以太網(wǎng)（Fieldbus Foundation于2000年頒布的高速以太網(wǎng)標準，美國Fisher-Rosem

6、ount公司和Honeywell公司支持） Type6 Swift-Net現(xiàn)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(xiàn)場總線（法國Alstom公司支持） Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線（德國Phoenix Contact公司支持） Type9 FF H1現(xiàn)場總線（Fieldbus Foundation于1996年頒布的低速總線標準） Type10 PROFINET實時以太網(wǎng)（德國Siemens公司支持） 常見現(xiàn)場總線 Type11 TC net實時以太網(wǎng)（日本Toshiba公司開發(fā)） Type12 EtherCAT實時

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

8、發(fā)和支持） Type19 SERCOS III實時以太網(wǎng)（SERCOS標準的第三代通訊協(xié)議） Type20 HART現(xiàn)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(xiàn)場總線國際標準并存的原因 1.技術(shù)方面的原因： (1)現(xiàn)場總線是一項新技術(shù)，正處在“百花齊放”的時期。 (2)儀表和執(zhí)行器層的通信在數(shù)據(jù)的數(shù)量上大大增加、內(nèi)容上大大豐富了，任何規(guī)約都不能面面俱到。 (3)不同領(lǐng)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(shù)背景下，形成統(tǒng)一標準的過程將十分漫長。 多個現(xiàn)場總線國際標準并存的原因 2.市場方面的原因： (1)現(xiàn)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(shù)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(xiàn)壟斷的方法是保持高的技術(shù)門檻并推出自己獨特的產(chǎn)品。 (4)現(xiàn)場總線數(shù)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(xiàn)場總線具有高技術(shù)門檻的特征。 工業(yè)以太網(wǎng) 工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE 802.3標準）兼容。 以太網(wǎng)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(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)體系中，星型拓撲結(jié)構(gòu)是最常用的一種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。但在工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)中，通常將控制區(qū)域分為若干控制子域，根據(jù)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(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。 (1)星型結(jié)構(gòu) (2)總線型結(jié)構(gòu) (3)環(huán)型結(jié)構(gòu) (1)星型結(jié)構(gòu)每個站通過點到點的方式連接到工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)集線器（或交換機）進行。一個中心，多個分節(jié)點。它結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)總線拓撲結(jié)構(gòu)所有設(shè)備連接到一條連接介質(zhì)上?？偩€結(jié)構(gòu)所需要的電纜數(shù)量少，線纜長度短，易于布線

11、和維護。多個結(jié)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(jié)構(gòu)連接的工業(yè)以太網(wǎng)集線器（或交換機）通常有一對級聯(lián)接口，通過相互之間的級聯(lián)，將不同控制區(qū)域聯(lián)系在一起。 (3)環(huán)型結(jié)構(gòu)環(huán)形拓撲網(wǎng)絡(luò)是節(jié)點形成一個閉合環(huán)。工作站少，節(jié)約設(shè)備。當然，這樣就導致一個節(jié)點出問題，網(wǎng)絡(luò)就會出問題，而且不好診斷故障。 工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)工業(yè)以太網(wǎng)中使用的通信線纜包括同軸電纜、雙絞線和光纖。 根據(jù)工業(yè)環(huán)境的現(xiàn)狀，工業(yè)以太網(wǎng)對環(huán)境的適應性要比傳統(tǒng)的商業(yè)以太網(wǎng)更強，包括設(shè)備、通信線纜、連接件在內(nèi)的防爆性、抗腐蝕性、機械強度、 電磁兼容性等。但目前尚無關(guān)于以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境下的相關(guān)標準。 工業(yè)以太網(wǎng)

12、的主要標準工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)、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(wǎng)的主要區(qū)別。 CIP（Control and Information Protocol）包含了所有經(jīng)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(wǎng)協(xié)議是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準，使用目前流行的商用以太網(wǎng)芯片和物理媒體。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)使用有源星形拓撲結(jié)構(gòu)，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(chǎn)品，可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)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(wǎng)的自動化標準。在2001年8月發(fā)布的PROFINETV1.0，加強了以太網(wǎng)、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(wǎng)基礎(chǔ)上的工業(yè)以太網(wǎng)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(jié)構(gòu)加以結(jié)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(wǎng)(HSE)技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，控制級以下仍使用解決了兩線制供電的H1現(xiàn)場總線，從而構(gòu)成了信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)。 幾種工業(yè)以太網(wǎng)標準對比 工業(yè)以太網(wǎng)通信的實時性以太網(wǎng)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(zhì)層的競爭，其通信的“不確定性”長期以來成為它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應用的致命弱點和主要障礙。 研究表明，在網(wǎng)絡(luò)負荷較小的情況下，沖突發(fā)生的概率很?。浑S著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸趨于確定性；基于良好設(shè)計的以太網(wǎng)是確定性的實時通信系統(tǒng)，如經(jīng)過精心設(shè)計，工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合 1)物理介質(zhì)采用標準的以太網(wǎng)通信線纜（如雙絞線、光纖等）； 2)使用標準以太網(wǎng)連接設(shè)備（如交換機等）； 3)采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組； 4)應用層（甚至是用戶層）采用現(xiàn)場總線的應用層、用戶層協(xié)議； 5)兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等。 工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展前景 美國權(quán)威調(diào)查機構(gòu)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(wǎng)絡(luò)通信市場，也必將領(lǐng)導未來現(xiàn)場總線

17、的發(fā)展， Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。 由于以太網(wǎng)有著“一網(wǎng)到底”的美景，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)將成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò) 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要由處理企業(yè)管理與決策信息的信息網(wǎng)絡(luò)和處理企業(yè)現(xiàn)場實時測控信息的控制網(wǎng)絡(luò)組成。 1.信息網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的上層，處理大量的、變化多樣的信息，是企業(yè)數(shù)據(jù)共享和傳輸?shù)妮d體 。它需要滿足如下要求： (1)是高速通信網(wǎng)絡(luò)； (2)能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體的傳輸； (3)與Internet互聯(lián)； (4)是一個開放的系統(tǒng)； (

18、5)滿足數(shù)據(jù)安全性要求； (6)易于技術(shù)擴展和升級更新。 2.控制網(wǎng)絡(luò) 控制網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的下層，處理實時的、現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備的現(xiàn)場信息。它的實現(xiàn)既可采用現(xiàn)場總線技術(shù)，也可采用工業(yè)以太網(wǎng)，或者兩者的結(jié)合。其技術(shù)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(jié)構(gòu)的分散性。 (5)現(xiàn)場控制設(shè)備的智能化和功能自治性。 (6)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 (1)控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r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(wǎng)絡(luò)的大部分使用中實時

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

20、網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成 (1)互連技術(shù)。在底層網(wǎng)段與中間監(jiān)控層之間加入中繼器、網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)等專門的硬件設(shè)備，使控制網(wǎng)絡(luò)作為信息網(wǎng)絡(luò)的擴展與之緊密集成。 (2)遠程通信技術(shù)。當控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)地理上相距較遠時，遠程通信技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成的有效方法之一。遠程通信技術(shù)有：利用調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信，基于TCP/IP的遠程通信。 (3)動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，DDE）技術(shù)。實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)中實時數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)動態(tài)交換。 (4)數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。 (5)OPC（OLE for Process Control）技術(shù)。 2. 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)之間的集成 (1)系統(tǒng)

21、級集成（基于OPC的集成方法），OPC服務(wù)器的實質(zhì)相當于一個網(wǎng)關(guān)。它從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，把來自不同硬件供應商的不同類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，以O(shè)PC接口的方式傳送給客戶應用程序，從而實現(xiàn)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(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)之間的集成 (2)設(shè)備級集成 通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)現(xiàn)場總線的設(shè)備級集成是應付多種現(xiàn)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(xiàn)不同現(xiàn)場總線之間的協(xié)議網(wǎng)關(guān)，將兩種不同總線連接起來。 1)優(yōu)點：實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備間的無縫連接，實時性好，有現(xiàn)成可用的產(chǎn)品，可以縮短研發(fā)周期。 2)缺點：實現(xiàn)協(xié)議信息轉(zhuǎn)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(shù) 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(shù)。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(shù)據(jù)交換接口的工業(yè)標準。