为自动化选择工业现场总线

来源：controlglobal ABSTRACT An important trend in factory automation is the continual increase in networked interconnection between sensors, controls, actuators and other system components. Automation designers face many challenges and tradeoffs in the development of a successful network solution. This paper discusses the necessary choices in selecting a network technology appropriate for various specific applications. Technical constraints of several common field buses will be compared, and guidelines for selecting media and protocol will be discussed. 摘要 工厂自动化的一个重要趋势是持续增加在传感器、控制器、执行机构和其他的系统组件之间的网络互连。自动化设计人员在成功的网络解决方案开发中面临很多挑战和折衷。本文讨论了为各种特定应用选择恰当的网络技术的必要选择,比较了几种常见现场总线的技术限制，也讨论了选择媒介和协议。 有意的观众是开发联网自动化的系统设计人员，但是他们不熟悉数据传输设计的细节。当选择一种架构、协议并实施时，留给观众的应是常用现场总线总的看法和考虑各种问题的知识。 I.引言 当为应用选择一种总线网络时，至少出现两种情况。情况一，工程师从一张白纸开始，确定任何最满足应用需要的网络。情况二，工程师不得不确定兼容现有安装的网络。在理想的世界，所有的网络都是兼容的，很容易从一种网络转换到另一种网络。但是实际上互连不同的网络非常困难，因此我们仅留下尚未解决的难题。这导致我们假设情况二网络的选择是预先确定的，因此我们集中在第一种情况。 我们寻找比较不同网络的方法，发现很多选择的可能性。特定的比较参数和设计考虑包括： ① 通信速率和数据延迟 ② 物理互连媒介 ③ 抗扰度 ④ 比特误差率和总线故障 ⑤ 允许的互连长度 ⑥ 允许的网络节点数量 ⑦ 容易增加额外的节点 ⑧ 功耗、成本、可靠性和隔离要求 在以下各段中，我们将看到以上列举的几种，讨论为什么每个特点都是自动化网络的关心， 在选择恰当现场总线的过程中需要做出什么折衷。我们发现没有通用的答案，但是在优化一个参数的过程中，不得不对其他的参数做出折衷和妥协，如图1所示。 图1 网络要求是相关的，要求折衷 II.工业自动化总线选择 一些简短的评论说可用现场总线选择具有交叉性： 4-20 mA——这种模拟量电流回路网络是慢的但是简单的。它的限制是每个回路只有一个变送器，但是可以有几个接收器。模拟量格式限制了高级功能，但是由于很容易把传感器测量值传送到中心控制器，这仍有广泛的实施。 HART——高速可编址远程变送器网络用调制过的信号增大4-20 mA回路。虽然数据速率是相当慢，但是它允许数字信息的传输。 RS-232——这种标准接口已经出现很长时间了，仍用于很多简单的接口，从而实现系统初始设置、诊断以及其他对时间要求不高的功能。单端网络，RS-232并没有大部分利用差动信号的其他标准相似的抗扰度。 RS-485——RS-232和RS-422的衍生物，RS-485电气规范是几种工业网络标准的基础，包括Profibus、Interbus、Modbus等。RS-485的优点是抗扰度、接地抵消、双向、多驱动能力和同线能力。 Interbus——基于环的网络，Interbus使用具有点对点连接，全双工通信的RS-485信号去调整双向结构。Interbus的其他差异是使用光纤或红外媒介发信号。 Modbus—— Modbus有几个差异，最常见的差异是基于RS-485信号。其他的实施包括使用以太网或RS-232。除了工业自动化，它也用于构建控制系统。 Profibus DP——基于RS-485信号技术，Profibus DP（过程现场总线，分布终端），常用于工厂自动化现场总线网络，特别是在欧洲。Profibus 标准确定了协议、电气层、终端、信号速率和接地/隔离方案。Profibus有其他的差异，光纤、本安应用和电机控制应用。 DeviceNet——基于CAN信号规范，DeviceNet标准确定了设备级网络的电气层（电压、电流负荷、终端、隔离/接地）和协议要求。 ControlNet——具有高的信噪比，使用同轴电缆，ControlNet是鲁棒的，相对高速的工业网络。它的优点是决定性的定时、鲁棒的电气特点和容易扩展。 工业以太网——现在可用几种不同的工业以太网，包括ProfiNet、 EtherCAT、Ethernet/IP（工业协议）等。每种都能用于局域网，都是基于IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)标准。每种都有不同的差异，不容易与其他协议互连，主要由于怎样处理已知数据的延迟时间（确定性的定时）的要求。10 Mbps和100 Mbps版本的以太网常用于工业自动化应用。 III.允许的节点数量 自动化应用也许需要连接很多传感器、执行机构、控制器和人机界面。最大允许的节点数量受到系统架构、物理层的电气或光的特点和网络协议中固有的编址方案限制。 网络架构可以是总线型、环型、星型或其他拓扑结构。总线网络（例如，DeviceNet或Modbus）是沿着其长度方向布置节点，但是在节点之间通常有间距的限制。环型网络（例如，Interbus）用每两个相临节点之间的点对点连接形成一个封闭的链。星型网络（例如，以太网）允许以各种方式连接许多星型的架构。回路连接（例如，4-20 mA）在每个回路上可有几个接收器，但是只能有一个变送器。 表1 标准网络的最大节点数 注： （1）在TIA/EIA-485-A标准（RS485）中定义的单位负荷指定了作为收发器比较基础的电流-电压负荷单位。RS-485收发器在1/8额定单位负荷下可以使用，在不超过标准的情况下，在一条总线允许多达8X32或256个收发器。 IV.数据速率 任何通信网络的基本功能是把数据从一个地点移动到另一个地点。数据速率是在一定时间内能移动多少数据的度量。但是不同网络的数据速率能以不同的方式测量。对模拟通信（例如，4-20 mA）来说，电路元件的带宽限制了速率。对数字通信来说，数据速率由每秒能传输多少比特（二进制数字）和实际应用需要多大的传输比特决定。 另一个与网络速率相关的参数是数据延迟，即数据从一个节点发送到另一个节点接收的时间间隔。由于收发器传播延迟、媒介传播延迟和协议损耗，数据速率影响数据延迟。 收发器传播延迟通常在毫秒级或更小；通过媒介（光纤或铜缆）的传播延迟限制在光速的几分之一，即每米电缆的延迟在3到5纳秒，因此仅仅非常长的电缆（或非常快的网络）的媒介传播延迟才需要考虑。协议延迟是除了任何报文的数据有效载荷，必要的协议损耗（奇偶校验、编址、误差校验、握手位）增加的时间。这根据网络标准而变化，但是具有复杂格式的更高级协议，协议延迟是很大的。 下表说明了数据速率和数据延迟的差异： 快速数据速率/长的数据延迟时间——在磁带上听预录制的用西班牙语解说的运动新闻显示慢的数据速率/短的数据延迟——在电话上听James Earl Jones音乐（实况）。表2 全面考虑了几种现场总线的原始数据速率和报文协议延迟。 表2 标准网络的数据速率和延迟时间 V.抗扰度 由于高电流的组件，例如，电机、泵、开关电源、焊接设备和机器人，工业环境涉及很多挑战。为确保网络的可靠运行，有必要对这些噪声源进行隔离。在物理层，这要求对接地、屏蔽和收发器进行恰当的考虑。网络上的高信号电压将会增加信噪比。尽可能高的接收器门槛电压（通常称为“静噪”）将削弱伴随正确信号的噪声。接收器门槛的滞后降低在信号传输期间由于噪声造成错误转换的可能。图2显示滞后怎样改进抗扰度。 图2 接收器门槛滞后的效果 然而，这些在抗扰度上的每个改进都伴随着一定的成本。高信号电压要求更大的功率，也对其他组件产生噪声。接收器高的门槛意味着系统容忍媒介的信号损失的降低，也降低了允许的网络长度。如果不十分和谐的话，接收器滞后能导致传播延迟和脉宽失真。要注意的是，图2 中的接收器有滞后输出相应比无滞后输出具有小的延迟。 VI.网络长度 网络的另一个量度是数据能传输多远。工业网络通常比消费品、计算机、汽车应用要求更长的互连。限制允许的网络长度的因素是媒介中的损失和电气获得的噪声（两者都影响信噪比）以及通过影响延迟的媒介的传播延迟。 不管媒介是铜缆、光纤，还是无线，都存在媒介损失。光纤损失非常小(在λ=1310nm时，每千米降低0.3dB)，使用光纤网络允许非常长的连接。典型的双绞线铜缆有更大的损失，在1 MHz时，每百米降低大约1.5 dB 到5 dB。图3是各种网络典型的电缆衰减的比较。 图3 频率与每单位长度双绞线电缆衰减比较 网络标准通过要求比接收级更高的传输信号幅度考虑媒介损失。例如，RS-485信号要求至少1.5V驱动器输出，接收器门槛是200 mV。这产生一个7.5的因数或等价于17.5 dB的富余，在低信号速率下允许电缆长达1200米。表3 描述典型的工业网络的计算例子。要注意的是，在媒介中的损失不是确定允许的网络长度的唯一考虑。

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