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九大最流行现场总线“叱咤”工控领域

供稿:中国工控网 2016/6/7 9:13:55

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  • 关键词: 现场总线
  • 摘要:目前国际上有40多种现场总线,但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面,按其传输数据的大小可分为3类:传感器总线(sensorbus),属于位传输;设备总线(devicebus),属于字节传输;现场总线,属于数据流传输。本文详细介绍了九种现场总线。

                                       

  现场总线(Fieldbus)是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的,用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

  国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通讯网络,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点,现场总线系统从网络结构到通讯技术,都具有不同上层高速数据通信网的特色。

  一般把现场总线系统称为第五代控制系统,也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代,把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代,把数字计算机集中式控制系统称为第三代,而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统,一方面,突破了DCS系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

  现场总线技术展望与发展趋势

  现场总线技术的发展应体现为两个方面:一个是低速现场总线领域的继续发展和完善;另一个是高速现场总线技术的发展。

  目前现场总线产品主要是低速总线产品,应用于运行速率较低的领域,对网络的性能要求不是很高。从应用状况看,无论是FF和Profibus,还是其他一些现场总线,都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此,在速率要求较低的控制领域,谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性,实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一,是所有生产厂商和用户十分关心的问题。

                                                               

  高速现场总线主要应用于控制网内的互连,连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备,以及实现低速现场总线网桥间的连接,它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此,高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域,这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。

  发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题,国际上现场总线的研究、开发,使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢,走上开放发展的征程,这对中国现场总线控制系统的发展是个极好的机会,也是一次严峻的挑战。自动化系统的网络化是发展的大趋势,现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异,发展十分迅猛,一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中,这些具有发展前景的现场总线技术有;智能仪表与网络设备开发的软硬件技术;组态抗术,包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等;网络管理技术,包括网络管理软件、网络数据操作与传输;人机接口、软件技术;现场总线系统集成技术。

  由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA,发展到系统自动化。工厂自动化信息网络可分为以下三层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级,而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网,本文特指工业以太网,工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议,按习惯主要指IEEE802.3协议,如果进一步采用TCP/IP协议族,则采用“以太网+TCP/IP”来表示,其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统,并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中,工业以太网已有不少成功的案例,在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多,标准不一,很多人都希望以太网技术能介入设备低层,广泛取代现有现场总线技术,施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者,目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言,以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题,大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争,这样一个多种工业总线技术并存,以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。

  现场总线技术的兴起,开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展,为企业带来新的效益,因而会得到广泛的应用,并推动自动化相关行业的发展。

  市面上最等流行的九大现场总线

  目前国际上有40多种现场总线,但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面,按其传输数据的大小可分为3类:传感器总线(sensorbus),属于位传输;设备总线(devicebus),属于字节传输;现场总线,属于数据流传输。下面让我一起去认识这九种现场总线。

                                                              

  1、FF现场总线

  FF现场总线基金会是由WORLDFIPNA(北美部分,不包括欧洲)和ISPFoundation于1994年6月联合成立的,它是一个国际性的组织,其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。这个组织目前有l00多成员单位,包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。

  1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会(CFC)。致力于这项技术在中国的推广应用。FF成立的时间比较晚,在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立的,是以FisherRosemount公司为核心的ISP(可互操作系统协议)与WORLDFIPNA两大组织合并而成的,因此这个组织具有相当实力:目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。

  现场总线基金会自成立以来,经过十年的发展,已经形成了一个开放的、全数字化的工业通信系统,并在上世纪末开始进入中国市场,推动了中国的工业自动化技术进步,并开始了大型全区域系统集成的应用。一个开放式的总线协议,很重要的一点就是有多少设备支持这个协议。否则,这个协议的开放性就没有意义了。

  在无线和远程I/O管理方面,现场总线基金会发布了基金会远程运营管理初步规范。新的技术规范是基金会面向无线和远程I/O进行远程运营管理解决方案的一部分,面向远程运营管理设备定义了代表基金会HART设备的现场总线变送器模块。该模块可以显示有线HART及无线HART设备。

  此外,该规范还描述了通过基金会高速以太网(HSE)传输基本HART命令协议接触HART设备进行配置和资产管理的理想方法。规范也对在连接基金会远程运营管理设备的有线多触点网络和无线HART网络中识别和维护HART设备状态的结构进行了定义。

  新的变送器模块规范将会使那些需要将HART和无线HART设备连入基金会现场总线、提升其与控制系统或者基金会设备的最终用户受益,”现场总线基金会技术开发总监DaveGlanzer说道:“他们可能会需要对资产管理采用一种网络化的方法,连接大量的HART和无线HART设备,进行配置和维护。”

                                             

  在现场总线基金会架构内部,H1和HSE可以提供分布式功能模块的能力,与HSE一起形成容量更大的通道,加快数据传输和传输量。基金会远程运营管理的开发,为有线及无线HSE主干网络建立了一个开放式、非专利性的规范,可以通过接口将不同的基金会远程运营管理设备和无线现场设备网络进行集成。

  使用高速HSE连接,可以高效的将模块化的数字和模拟现场I/O设备大幅度集中到控制室当中。通过使用诸如智能远程终端单元(RTU)这类HSE设备功能,这项技术可以将各种形式的传统I/O轻而易举的融入到自然的现场总线环境当中。这一解决方案在同一个以太网络上可以同时支持数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出和H1现场总线。

  2、LonWorks现场总线

  LonWorks现场总线是美国Echelon公司1992年推出的局部操作网络,最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。LonWorks技术的核心是神经元芯片(NeuronChip)。该芯片内部装有3个微处理器:MAC处理器完成介质访问控制;网络处理器完成OSI的3~6层网络协议;应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O等。

  LonWorks提供的不仅仅是一套高性能的神经元芯片,更重要的是,它提供了一套完整的开发平台。工业现场中的通信不仅要将数据实时发送、接收,更多的是数据的打包、拆包、流量处理、出错处理。这使控制工程师不得不在数据通信上投入大量精力。LonWorks在这方面提供了非常友好的服务,提供了一套完整的建网工具——LonBuild。

  首先,它提供了一套C语言的编译器,从而大大减少了开发时间。在这个编译器中,提供了对11个I/O非常详尽的库函数。在通信方面,它也提出了一个全新的概念——网络变量。通过网络变量,网络上的通信只需将相关节点上的网络变量连接一下即可。网络变量是应用程序定义的一个特殊静态变量,可以是ANSIC所定义的各种类型,也可以是自定义类型,还可以规定优先级、响应方式等。网络变量被定义为输入或输出,当定义为输出的网络变量被赋予新值时,与该输出变量相连的输入网络变量就会被立刻赋予同样的新值。

                                                 

  另外,LonBuild还集成开发环境和编译于一体,具备C调试器,可在多个仿真器上调试应用程序,并具备网络协议分析和通信分析的功能。

  自80年代末以来,多种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们各有优势,显示出较强的生命力。例如基金会现场总线(FF)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。该系列有DP.FMS.PA三种型号,其中DP型适用于加工自动化领域;FMS型适用于纺织.楼宇自动化,可编程控制器.低压开关等;PA型则用于过程自动化。CAN最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。HART最早由ROSEmount公司开发并行到80多家著名仪表公司的支持,是在现有模拟信号传输线上实现数字信号的通信。由于它们在各自范围内各自为政,不可避免地限制了整个系统的发展,不利于整个系统的系统集成,而我公司开发出的Lonworks产品,分别在酿酒.电力.建筑.工业自动化和化工行业中应用并取得良好的效果。

  随着我国社会主义现代化建设进程的不断推进,我国在智能化领域的需求日益剧增。而国际上现有的其他类现场总线所存在的固有局限性,使得它们在应用时受到这样那样的约束。LON总线则综合了当今现场总线的多种功能,同时具备了局域网的一些特点,使得它被广泛地应用于航空/航天,农业控制、计算机/外围设备、诊断/监控、电子测量设备、测试设备、医疗卫生、军事/防卫、办公室设备系统、机器人、安全警卫、保密、运动/游艺、电话通信、运输设备等领域。其通用性表明,它不是针对某一个特殊领域的总线,而是具有可将不同领域的控制系统综合成一个以LONWORKS为基础的更复杂系统的网络技术。

  3、Profibu现场总线

  Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输,适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化,而PA型则是用于过程自动化的总线类型,它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层,由这两部分形成了其标准第一部分的子集,DP型隐去了3~7层,而增加了直接数据连接拟合作为用户接口,FMS型只隐去第3~6层,采用了应用层,作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中,其传输技术遵从IEC1158-2(1)标准,可实现总线供电与本质安全防爆。

                                           

  Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权,可主动发送信息。对多主站系统来说,主站之间采用令牌方式传递信息,得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权,共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范,令牌在主站之间按地址编号顺序,沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时,可以按主—从方式,向从站发送或索取信息,实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答)或有选择地向一组站点广播。Profibus的传输速率为96~12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m,15Mbps时为400m,可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆,最多可挂接127个站点。

  4、CAN现场总线

  CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准,得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持,已广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的,不过,其模型结构只有3层,只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线,通信速率最高可达1Mbps/40m,直接传输距离最远可达10km/kbps,可挂接设备最多可达110个。

  CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主方式工作,网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息,支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避免了总线冲突。已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片,如Intel公司的82527,Motorola公司的MC68HC05X4,Philips公司的82C250等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡,具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。

                                          

  5、Devicenet现场总线

  Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备(如:限位开关,光电传感器,阀组,马达启动器,过程传感器,条形码读取器,变频驱动器,面板显示器和操作员接口)连接到网络,从而消除了昂贵的

  硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯,并同时提供了相当重要的设备级诊断功能,这是通过硬接线I/O接口很难实现的。

  Devicenet是一种简单的网络解决方案,它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时,减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet不仅仅使设备之间以一根电缆互相连接和通讯,更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能。该功能在传统的I/O上是很难实现的。

  Devicenet是一个开放的网络标准。规范和协议都是开放的,供货商将设备连接到系统时,无需为硬件,软件或授权付费。任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会(ODVA)获得DeviceNet规范,并可以加入ODVA,参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。

  Devicenet的许多特性沿袭于CAN,CAN总线是一种设计良好的通信总线,它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是:短帧传输,每帧的最大数据为8个字节;无破坏性的逐位仲裁技术;网络最多可连接64个节点;数据传输波特率为125kb/s、250kb/s、500kb/s;点对点、多主或主/从通信方式;采用CAN的物理和数据链路层规约。

                                        

  6、HART现场总线

  HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持,于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议,其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较好的发展。

  HART通信模型由3层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(FrequencyShiftKeying)技术在4~20mA模拟信号上迭加一个频率信号,频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑0的信号频率为2200Hz,逻辑1的信号传输频率为1200Hz。数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位,8个数据位,1个奇偶校验位,1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现,即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有3类命令,第一类称为通用命令,这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令,它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命既可以在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。

  HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为2~3次/s,按广播方式工作时的数据更新速率为3~4次/s,它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达15个,每个现场设备可有256个变量,每个信息最大可包含4个变量。最大传输距离3000m,HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用DDL技术,来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制,导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本安防爆要求。


  7、CC-Link现场总线

  CC-Link是Control&CommunicationLink(控制与通信链路系统)的缩写,在1996年11月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额,目前在欧洲和北美发展迅速。在其系统中,可以将控制和信息数据同时以10Mbit/s高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

  CC-Link的技术在不断的进步和发展过程中,CLPA在2002年推出CC-Link家簇下端产品和协议CC-Link/LT,主要用于开关量数据的传输和通信,使CC-Link在整个结构上更加完善和丰满,并且其成本将更加降低。2003年初,CLPA宣布推出CC-LinkV2.0版本,是原来的系统通信量扩大了8倍。

  总之,CC-Link是一个技术先进、性能卓越、应用广泛、使用简单、成本较低的开放式现场总线,其在中国的技术发展和应用有着广阔的前景。

  8、WorldFIP现场总线

  WORLDFIP是法国FIP公司在1988年最先推出的现场总线技术。实际上,WORLDFIP最早提供了现场总线网络的基本结构,使现场总线系统初步具有了信息化的技术特征。

  WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后,WorldFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求,而且没有任何网关或网桥,用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”,并对FF的H1进行了技术拓展,如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面,WorldFIP做得最好,走在世界前列。

                                          

  WorldFIP融合了控制技术和信息技术,是一种先进而开放的现场总线。在协议的设计上,一开始就把满足各种环境下对生产控制的要求和工业用户的实际需要放在首位,并且考虑了相关技术,尤其是信息技术发展所带来的影响。开发出的WorldFIP在一条总线上,在单一协议的框架内,在有调度的访问控制下,既传输实时数据、又传输随机信息,两者之间互不影响,从而既是实时的可预测性的,又是面向未来的可与Internet连接的现场总线。

  WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码方式并利用磁性变压器隔离,具有良好的抗电磁干扰能力,根据测试,在级干扰条件下,能保证正常通信。因此,非常适用于电磁干扰比较强的场合。

  前开发WorldFIP产品具有很多有利条件,如他的技术成熟、资料完整并易获得、现成产品种类齐全、基础期间容易得到等。此外还有各种实际应用可供参考。只需不多的投入,在较短的时间内即可完成产品的开发。

  9、INTERBUS现场总线

  INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线,2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信,具有低速度、高效率的特点,并严格保证了数据传输的同步性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业,成为国际现场总线的领先者。

  此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-DataA/S提出的P-Net,该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域。

  结束语

  现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向,使用现场总线技术必将带来良好的经济效益和社会效益。


审核编辑(王静)
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