现场总线技术

现场总线技术 现场总线的基本概念 一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式数据交换的通信技术。（国际电工委员会，International Electrotechnical Commission，IEC） 现场总线技术概述控制系统经历的四个阶段：模拟仪表控制系统直接数字控制系统集散控制系统现场总线控制系统 模拟仪表控制系统（ACS，ANALOG CONTROL SYSTEM）缺点：难于实现复杂的控制；模拟信号的传递需一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的难度较大，信号传输的抗干扰能力也较差。 直接数字控制系统（DDC, DIRECT DIGITAL CONTROL）缺点：集中了危险，一旦计算机出现了故障，所有控制回路将瘫痪；只有一个计算机在工作，实时性差。 集散控制系统（DCS, DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）缺点：数字与模拟混合系统，可靠性差，安装维护成本高；互换性差；价格贵。 现场总线控制系统（FCS，FIELDBUS CONTROL SYSTEM） 现场总线控制系统的基本结构 网络拓扑结构可以选择总线型、星型和环型等不同形式；通信介质不受限制，可用双绞线、电力线、光纤、无线和红外线等多种介质。 由FCS构成的Infranet控制网很容易与Intranet（企业内部局域网）和Internet（全球信息网）互连，形成一个完整的企业网络三级体系结构。 现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比 1. 现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现彻底的分散。 2.由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就简化了系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装维护费用。 现场总线的技术特点 1.系统的开放性 通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。 2.互可操作性与互用性 互连设备间、系统间的信息传送与沟通；不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。 3.现场设备的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。 4.系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。 5.对现场环境的适应性 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力。 现场总线的现状与发展 现场总线国际标准IEC61158国际电工委员会/国际标准协会（IEC/ISA）自1984年起着手于现场总线标准工作。2000年通过8种类型，2003年通过10种类型，至2007年IEC61158第四版标准（IEC61158 Ed.4-2007）采纳了经过市场考验的20种主要类型的现场总线、工业以太网和实时以太网。 常见现场总线 Type1 TS61158 现场总线（国际电工委员会推荐的通用现场总线） Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线（美国Rockwell公司支持） Type3 Profibus现场总线（德国Siemens公司支持） Type4 P-NET现场总线（丹麦Process Data公司支持） Type5 FF HSE高速以太网（Fieldbus Foundation于2000年颁布的高速以太网标准，美国Fisher-Rosemount公司和Honeywell公司支持） Type6 Swift-Net现场总线（ 美国Boeing公司支持，由于市场推广很不理想，在第四版标准中被撤销） Type7 WorldFIP现场总线（法国Alstom公司支持） Type8 INTERBUS现场总线（德国Phoenix Contact公司支持） Type9 FF H1现场总线（Fieldbus Foundation于1996年颁布的低速总线标准） Type10 PROFINET实时以太网（德国Siemens公司支持） 常见现场总线 Type11 TC net实时以太网（日本Toshiba公司开发） Type12 EtherCAT实时以太网（德国Beckhoff公司开发） Type13 Ethernet PowerLink实时以太网（奥地利B&R公司开发） Type14 EPA实时以太网（中国Supercon公司支持） Type15 MODBUS-RTPS实时以太网（由美国Modicon公司（后被法国Schneider公司收购）开发） Type16 SERCOS I,II现场总线（德国机床协会和德国电力电子协会联合提出，Siemens公司、ABB公司和Bosch公司等支持） Type17 VNET/IP实时以太网（由日本Yokogawa公司开发和支持） Type18 CC-Link现场总线（由日本Mitsubishi公司开发和支持） Type19 SERCOS III实时以太网（SERCOS标准的第三代通讯协议） Type20 HART现场总线（由美国Rosemount公司开发，并得到80多家著名仪表公司的支持） 多个现场总线国际标准并存的原因 1.技术方面的原因： (1)现场总线是一项新技术，正处在“百花齐放”的时期。 (2)仪表和执行器层的通信在数据的数量上大大增加、内容上大大丰富了，任何规约都不能面面俱到。 (3)不同领域的应用需求不同，一种规约难以满足各种不同应用的需求。在这样的技术背景下，形成统一标准的过程将十分漫长。 多个现场总线国际标准并存的原因 2.市场方面的原因： (1)现场总线意味着仪器仪表行业的全面升级换代，这是一个巨大的未来市场。 (2)技术上的复杂性和难度使得实力强大的大公司看到了垄断市场的机会。 (3)实现垄断的方法是保持高的技术门槛并推出自己独特的产品。 (4)现场总线数字化、信息化和系统性的特点，底层和上层紧密耦合的特点使现场总线具有高技术门槛的特征。 工业以太网 工业以太网（Industrial Ethernet）是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（IEEE 802.3标准）兼容。 以太网具有的优点 (1)应用广泛。 (2)成本低廉。 (3)通信速率高。 (4)软硬件资源丰富。 (5)持续发展、潜力大。 (6)易与Internet连接。 工业以太网的拓扑结构在传统的以太网体系中，星型拓扑结构是最常用的一种网络拓扑结构。但在工业以太网络中，通常将控制区域分为若干控制子域，根据不同系统规模和具体情况，灵活采用星型、环型（包括冗余双环）和线型（或类总线型）结构等网络拓扑结构。 (1)星型结构 (2)总线型结构 (3)环型结构 (1)星型结构每个站通过点到点的方式连接到工业以太网集线器（或交换机）上，任何节点之间的通信都通过工业以太网集线器（或交换机）进行。一个中心，多个分节点。它结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强。 (2)总线型结构总线拓扑结构所有设备连接到一条连接介质上。总线结构所需要的电缆数量少，线缆长度短，易于布线和维护。多个结点共用一条传输信道，信道利用率高。但不易查找诊断故障。采用线型拓扑结构连接的工业以太网集线器（或交换机）通常有一对级联接口，通过相互之间的级联，将不同控制区域联系在一起。 (3)环型结构环形拓扑网络是节点形成一个闭合环。工作站少，节约设备。当然，这样就导致一个节点出问题，网络就会出问题，而且不好诊断故障。 工业以太网的传输介质工业以太网中使用的通信线缆包括同轴电缆、双绞线和光纤。 根据工业环境的现状，工业以太网对环境的适应性要比传统的商业以太网更强，包括设备、通信线缆、连接件在内的防爆性、抗腐蚀性、机械强度、 电磁兼容性等。但目前尚无关于以太网在工业环境下的相关标准。 工业以太网的主要标准工业以太网协议有多种，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通信模型是以太网、TCP/IP和CIP的集成，其中应用层使用CIP 是Ethernet/IP和其他工业以太网的主要区别。 CIP（Control and Information Protocol）包含了所有经典的PLC运算，它与DeviceNet和ControlNet是共享的，保证了它们之间的可互操作性。 ETHERNET/IP Ethernet/IP以太网协议是一种开放的工业网络标准，使用目前流行的商用以太网芯片和物理媒体。Ethernet/IP网络使用有源星形拓扑结构，一组装置点对点地连接到交换机。星形拓扑的优点是支持10Mbps和100Mbps的产品，可以将10Mbps和100Mbps产品混合使用。星形拓扑接线简便，很容易查找故障，维护也简单等。 .PROFINET （PROFIBUS ON ETHERNET） PROFINET是PROFIBUS国际组织提出的基于工业以太网的自动化标准。在2001年8月发布的PROFINETV1.0，加强了以太网、TCP/UDP/IP以及微软的DCOM、OPC和XML作用，而在2003年推出的PROFINETV2.0，将通过实时通道（旁路掉TCP/IP协议栈）加进实时的功能。 MODBUS-IDA（MODBUS-TCP） IDA（Interface for Distributed Automation）是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，它将一种实时的基于Web的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散解决方案。 FF HSE （FOUNDATION FIELDBUS HIGH SPEED ETHERNET） 1998年，美国Fieldbus Foundation(FF)决定采用高速以太网(HSE)技术开发H2现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用解决了两线制供电的H1现场总线，从而构成了信息集成开放的体系结构。 几种工业以太网标准对比 工业以太网通信的实时性以太网采用CSMA/CD （载波监听多路访问及冲突检测）机制解决通信介质层的竞争，其通信的“不确定性”长期以来成为它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍。 研究表明，在网络负荷较小的情况下，冲突发生的概率很小；随着以太网带宽的迅速增加，数据传输的实时性不断提高，也使以太网逐渐趋于确定性；基于良好设计的以太网是确定性的实时通信系统，如经过精心设计，工业以太网的响应时间小于4ms，可满足几乎所有工业过程的要求。 工业以太网技术发展趋势 (1)工业以太网与现场总线相结合 1)物理介质采用标准的以太网通信线缆（如双绞线、光纤等）； 2)使用标准以太网连接设备（如交换机等）； 3)采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组； 4)应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议； 5)兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等。 工业以太网发展前景 美国权威调查机构ARC（Automation Research Company）报告指出，今后Ethernet不仅继续垄断商业计算机和工业控制系统上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展， Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。 由于以太网有着“一网到底”的美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网将成为现场总线中的主流技术。 工业控制网络的集成控制网络与信息网络 企业网络主要由处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络组成。 1.信息网络信息网络处于企业网络的上层，处理大量的、变化多样的信息，是企业数据共享和传输的载体 。它需要满足如下要求： (1)是高速通信网络； (2)能够实现多媒体的传输； (3)与Internet互联； (4)是一个开放的系统； (5)满足数据安全性要求； (6)易于技术扩展和升级更新。 2.控制网络 控制网络处于企业网络的下层，处理实时的、现场传感器和执行器等设备的现场信息。它的实现既可采用现场总线技术，也可采用工业以太网，或者两者的结合。其技术特点如下： (1)要求节点有高度的实时性。 (2)容错性强，具有高可靠性和安全性。 (3)协议实用、简单、可靠。 (4)结构的分散性。 (5)现场控制设备的智能化和功能自治性。 (6)网络数据传输量小和节点处理能力需要减少。 (7)性能价格比高。 3.控制网络与信息网络的区别 (1)控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统的最基本要求。在信息网络的大部分使用中实时性是忽略的。 (2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 (3)在控制网络中，通信方式多使用广播或组播方式。在信息网络中，一般使用一对一的通信方式。 (4)控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的互操作问题。 工业控制网络集成技术 现场总线作为底层控制网络，得到了大量的应用。由于国际上现场总线存在着多种标准，如何实现不同现场总线之间的通信联系，以及现场总线（控制网络）与信息网络的信息交换等，这将涉及所谓的网络集成技术问题。 从使用角度来讲，工业控制网络的集成主要需要解决以下两个问题： (1)控制网络如何实现与信息网络的无缝连接； (2)不同现场总线之间的集成。 1. 控制网络与信息网络的集成 (1)互连技术。在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器和网关等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。 (2)远程通信技术。当控制网络与信息网络地理上相距较远时，远程通信技术是实现网络集成的有效方法之一。远程通信技术有：利用调制解调器的数据通信，基于TCP/IP的远程通信。 (3)动态数据交换（Dynamic Data Exchange，DDE）技术。实现控制网络中实时数据与信息网络中数据库数据动态交换。 (4)数据库访问技术。 (5)OPC（OLE for Process Control）技术。 2. 现场总线控制网络之间的集成 (1)系统级集成（基于OPC的集成方法），OPC服务器的实质相当于一个网关。它从现场设备读取数据，把来自不同硬件供应商的不同类型数据转换为统一的OPC数据格式，以OPC接口的方式传送给客户应用程序，从而实现系统信息的集成。 1)优点：简单易行、工程开发量小。 2)缺点：总线系统中节点间通信比较慢 2. 现场总线控制网络之间的集成 (2)设备级集成 通过协议转换实现现场总线的设备级集成是应付多种现场总线并存带来系统集成问题的有效途径。具体方法实现不同现场总线之间的协议网关，将两种不同总线连接起来。 1)优点：实现了现场设备间的无缝连接，实时性好，有现成可用的产品，可以缩短研发周期。 2)缺点：实现协议信息转换，需要对协议有完全深入的了解，开发难度大。 3.OPC技术 OPC（OLE for Process Control），意为用于过程控制的对象链接嵌入（Object Linking and Embedding，OLE）技术。它是世界上多个自动化公司、软硬件供应商与微软合作开发的一套数据交换接口的工业标准。