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日本现场总线的发展动向

日本现场总线的发展动向

2004/7/27 15:20:00

现场总线技术及其应用是2003年日本系统控制展览会(SCF)中一个抢眼的主题。由于这个展览会着重于工厂自动化的产品和技术,不涉及过程控制,所以观众能看到大量基于PLC及其远程I/O延伸的现场总线技术和相关产品,但却看不到基于过程控制仪表及其延伸的属于基金会现场总线的H1和HSE,以及Profibus-PA。   在展览会上,当我们近距离地审视日本的工厂自动化技术和产品时会明显地感觉到,自动化技术走向开放、全方位地采用国际标准的趋势强烈地影响着日本的这个行业。日本是一个出口大国,不但有大量自动化设备和产品出口,而且也出口相当数量的成套设备。显而易见,要在国际市场上占有一定份额,不遵循国际标准恐怕难以实现。因此,我们看到在现场总线的技术和产品的展览中,既有Profibus-DP、DeviceNet、Interbus、ControlNet、ASi等,也有源于日本本土,而今已在亚洲有显著影响、并已迈步走向世界的CC-Link;还有只在日本国内有一定影响、且由日本电机工业会等机构主推的开放PLC网络OPCN-1(设备层网络)和FL-net(控制器层网络,又称OPCN-2)。在工业以太网方面则有ProfiNet、EtherNet/IP等。另外,以推行PLC的国际标准IEC 61131为己任的PLCopen组织,以倡导数据交换的软件接口标准的组织OPC基金会都在日本设立了分支机构。 (一) 国际标准的现场总线在日本的发展近况与动向   按照日本工业控制行业对国际标准花组织(ISO)/国际电工委员会(IEC)关于CIMS和FA的系统模型的理解,把服务于这种体系结构的控制网络划分为:计算机级(又称为PLC上位)网络,控制器级(PLC之间)网络,设备级(PLC下位)网络,以及现场级网络(目标主要是节省电缆配线)。   控制网络的计算机级用于PLC上位的FA计算机与制造单元(cell)计算机之间的通信网络,主要是下达与生产相关的指示,上报有关生产实际状况的信息。这个网络的主流是采用10Mbps的以太网,今后会普遍采用100Mbps的以太网。PLC、CNC、机器人控制器等,可通过以太网接口直接挂在此网络上。在控制级网络层,过去以PLC的专用网络为主的状况,已让位于不同制造商提供的PLC、CNC、机器人、工业PC机、人机界面等的异型和异种机,都能无缝连接的趋势。国际标准IEC 61158以及IEC 62026中规定的各种现场总线,就是基本解决方案。设备级网络以及现场级网络是为工艺和机械设备所设置的各种不同类型的操作、检测、显示、驱动(交流变频器、伺服系统、步进电机驱动器等)装置的通信联网,以实现控制、检测信息的高速传送、节省外部配线,以及易于连接为其目的。该级网络的现状与上述控制级网络一样,有强烈的结束专用网络,采用开放性、国际标准的现场总线的倾向。与此相同,运动控制领域的网络标准开放化也受到重视,国际标准IEC 61491SERCOS和已有20余年历史的MACHATROLINK,就是明证。后者为专门致力于多轴伺服电机的同步控制、电子凸轮和电子步进器的控制,以及转矩控制、速度控制和位置控制的高速网络。   随着机械与工艺控制的安全化的需求日益增长,安全网络的标准也越来越收到重视。透过展览会我们发现,继获得TV认证ProfiSafe推出两年之后,DeviceNet也推出了它的安全网络DeviceSafe,Asi也有获得TV和BIA认证的ASi Safety at Work,CC-Link协会也在计划推出CC-LinkSafe(为此在展览会上对观众作了问卷调查)。   为了推广应用这些符合国际标准的现场总线及若干在国际上获得广泛应用的“事实上的标准”的通信协议和中间件接口规范,日本近些年来成立了不少相关的组织,有:ODVA日本支部、SERCOS Japan、CC-Link协会、日本OPC协议会、日本Profibus协会(JPO)、日本ASi协会,以及MECHATROLINK成员组织等等。由于日本除了少数几个大型的工业控制设备制造商外,还有为数众多的中、小型制造商。它们为在国际市场占有一席之地,适应现场总线等通信网络的国际标准的趋势,根据自身产品类型纷纷参加了以上组织,有些甚至还同时参加几个组织,因而能够提供多种挂不同现场总线的产品系列。   附带要指出的是,由于我国经济的持续高速发展,已经形成一个庞大的自动化市场。日本自动化业界都十分关心哪些现场总线受到我国工业界的认可。Profibus-DP、DeviceNet已成为我国的国家标准,CC-Link和MODBUS即将成为国家标准的技术指导性文件,这些动向都受到相当程度的关注。 Profibus和ProfiNet   日本Profibus协会(JPO)有60多个团体会员,除新日铁等少数是用户单位外,其余绝大多数都是制造厂商。这些制造厂商中,有:横河、安川、富士电机、山武、明电舍、东洋电机、OMROM等等。另外有Siemens这样的起Profibus主导作用的德国公司,专门提供Profibus的开发和分析软件的德国公司Softing,瑞典的HMS工业网络(以profibus从站开发包、AnyBus-S及其它现场总线通信产品闻名),德国的Hilsher(也是现场总线通信产品的供应商)等外国公司。   可以提供的Profibus产品包括用在PLC、DCS、PC机、的主站,以及专作主站的OEM模块约28个品种。从站方面的产品有远程I/O(含本质安全远程I/O)、变频器、伺服放大器及伺服马达、旋转编码器、HMI、网间连接器、PC机用联网插件、PLC、数控设备、过程检测仪表(变送器、执行器等)、称重仪表、组合式模块等约85个品种。开发软件包和组态软件包以及评价工具共19个品种,全部来自欧洲共同体的大小公司。此外还有专用电缆、接插件、中继器、防雷击器件等等。可谓品种相当丰富。   在ProfiNet方面,JPO自2003年下半年积极宣传ProfiNet是如何适应当前自动化技术的发展趋势,如何在考虑开放性、适用于工厂整体自动化及管理、降低和缩短工程的设计、制作和现场调试的成本及时间所给予的关注。为此分别在东京、大阪举办过相关的研讨会。这次展览会期间又展出了通过多种方式挂ProfiNet V1.0的日本PLC,其中富士电机的MICREX-SX系列PLC、横河电机的FA-M3系列PLC都是直接经由其以太网模块挂ProfiNet的,三菱电机的小Q系列PLC则是通过其RS 232C的模块和外挂的RS 232C/以太网协议转换器(JNVE1型)挂ProfiNet。至于考虑实时特性的ProfiNet V.2 (实现5—10ms的软实时),因其开发规范及软件才在2003年8月对JPO会员公开,而ProfiNet V.3(所谓的ProfiNet的运动控制用版本,目标是实现1ms的控制周期)尚待正式推出。因此在此次SCF展览会上均无任何反映。 ODVA   开放DeviceNet供应商协会(ODVA)旗下拥有DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP以及安全网络DeviceNetSafety。Ethernet/IP建立在处于应用层和用户层的DeviceNet 和ControlNet的目标库CIP(Control and Information Protocol)的基础上,并精确定义了通过网络支持实时I/O信息、组态和诊断等功能,包含了所有经典的PLC运算。所有这些功能均与以太网物理介质捆绑在一起。由于DeviceNet、ControlNet和Ethernet/IP共享同一个目标库CIP,所以凡是能挂这三个网络的设备,不管是哪个供应商设计制造的,其目标和设备行规均可实现即插即用的可互操作。ODVA宣布,为了实时控制的需要,在CIP中已经加入时间同步服务,称之为CIPsync。CIPsync是基于最近批准的IEEE 1158网络化测量和控制系统的精确标准。现已用于DeviceNet 和Ethernet/IP,实现事件记录、运动控制和其它要求精确协调的场合。DeviceNetSafety的核心技术CIP Safety与CIP Sync一样,都是基于CIP(Common Industrial Protocol,共用工业协议)技术的。   ODVA目前有会员871个,是会员最多的现场总线组织。其日本支部的会员有240多个。已认证的产品有600多种,已投用的节点突破了500万个。它获得了很多国际标准化组织的认可和一些国家的标准化组织的批准,成为国际标准(见表1)。   在这次展览会会上,ODVA展台的一个亮点就是DeviceNetSafety的展出。鉴于金属切断机、熔炼炉等高危险的场所对劳动保护的需要,安全保护控制系统是必不可少的,ODVA正推进以CIP为基础的CIP Safety、DeviceNetSafety。其特长是:j、DeviceNetSafety满足安全度水平SIL3的各项要求;k一反过去安全控制网络要与其它网络分开使用的原则,DeviceNet的用户可以在已有的DeviceNeT网络上增加DeviceNetSafety设备,来实现安全保护控制系统;l采用DeviceNetSafety构成安全控制系统可实现投资省、防止劳动灾害、提高生产性能。   EtherNet/IP以以太网为基础,并在应用层采用与DeviceNet同样的协议。日本不少人认为它适用于产业网络的IT化和情报化,即EtherNet/IP很容易通过因特网或/和企业网(intranet)将DeviceNet所获得的现场信息上达,反过来又很容易把管理部门和设计、开发部门的生产命令、工艺数据经由EtherNet/IP下达给DeviceNet,还可作远程维护。 ASi   ASi最早在欧洲开发、应用,现在又成为《低压开关装置和控制装置用控制器、设备间的接口》国际标准IEC 62026-2。2001年在日本建立了日本ASi协会,目前有会员23家,占ASi国际协会170多家会员的13.5%。其中不乏一些德国公司在日本设立的企业,如西门子、Sick、FESTO、Mller等。   ASi现场总线是在1990年为节省电缆配线而开发的。其特征是用两线制(即用两根无屏蔽的电线既作为供电的介质,又作为数据传输的介质)的简单接线,解决传感器、执行器的通信接口。其拓扑结构可以是树型、总线型,也可以是星型。正因为它简单有效,Profibus-DP常用它作为其下位总线。自ASi V2.1版推出后,它从原先一个主站最多可挂31个节点扩展到62个节点,通信循环时间为5ms。ASi Safety at Work是ASi用于安全系统的版本,在一个网段上ASi和ASi Safety at Work可以混用。 SERCOS   SERCOS也发源于欧洲,是目前世界唯一的在控制器与数字式驱动器之间的开放型现场总线的国际标准IEC 61491。过去几年来,SERCOS以其高速传送、良好的动态特性、高精度、灵活性,以及较低价位的优<< p="">

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