现场总线的发展动态

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现场总线与工业以太网,张勇高级工程师,第一节：现场总线,什么是,现场总线：,现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向多节点数字通信的开放型控制网络系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。,现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的工业数据通信系统。主要用于：制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。,早期把现场总线又称为工业电话线，通过连线在测控设备之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制任务。,总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据,总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等,工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求,数字地球、数字矿山、数字,传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼宇等系统中设备的数字化信息,车辆控制等,总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络,现场总线系统是企业的底层网络,企业网络的功能层次,现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之为工厂的底层网络（Infranet）,总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。,它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络,特点：,适应工业应用环境，,要求实时性强，可靠性高，安全性好。,多为短帧传送，,通信的传输速率相对较低。,二.现场总线技术标准,现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项,技术的开发之热是近年之举,主流现场总线技术,FF H1,ControlNET,Profibus,Interbus-S,World FIP,HSE,P-Net；,Swift NET,现场总线的发展中存在的问题：,根据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种,多种总线共存，每种总线都在力图扩充其应用领域,每种总线都以一个或多个利益集团支持，标准的斗争就是利益的斗争,很多设备制造商参加不止一个总线组织，以便与各种系统协调,努力开发与其他总线、系统的接口，把自己的总线与其它总线连接起来，扩大应用范围，保存领地,以太网进入工业控制领域，成为新的热点,现场总线组织,现场总线基金会（Fieldbus Foundation）,LonMark协会,Profibus协会，,工业以太网协会IEA（Industrial Ethernet Association），,工业自动化开放网络联盟IAONA（Industrial Automation Open Network Alliance）,Society of Automotive Engineers（SAE）,制定现场总线标准的国际标准化组织,IEC,ISO,、LonWorks总线,集成芯片中有3个8位的CPU，第一个CPU实现7层协议的第一层和第二层，即媒体访问控制器，第二个CPU完成3-6层的功能，称为网络控制器，第三个CPU是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还有存储信息的缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，作为网络缓冲区和应用缓冲区。LonWorksS总线是完全应用7层协议的现场总线，这是唯一的。通信速率可达1.25Mbps,此时有效距离为130米。每帧有效字节数0-288个字节,第三代LonWorks技术应用系统,（智能楼宇、连锁店）,LonWorks/Ethernet,、CAN总线,CAN（Controller Area Net,简称CAN）总线是德国Bocsh公司首先宣布开发成功的。起初是为汽车工业设计的，目前已被国际标准化组织批准为国际标准。CAN协议也遵守7层协议中的物理层、链路层与应用层。,系统结点由单片机、CAN控制器和CAN收发器组成。,CAN总线采用短帧结构传输，每帧为8个有效字节，都配有CRC校验和其它校验措施，保证出错率比较低,传输介质可以是双绞线，同轴电缆和光纤。传输距离与通信速率有关。最远距离可达10公里，速率为1Mbps时，传输距离为40米。,汽车内部CAN总线,（SAE-J1939）,多网段的车辆内部网络系统,监视屏,（驾驶室）,终端器,发动机,变速器,网桥,终端器,终端器,终端器,终端器,终端器,刹车系统,减速器,路由器,网桥,刹车,照明,车轴/,悬梁,终端器,终端器,至下一拖车,250Kbps,拖车子网,250Kbps,专用子网,牵引车子网,250Kbps,250Kbps,牵引车,拖车,、PROFIBUS总线,PROFIBUS是,一种国际化开放式不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化流程工业自动化和楼宇交通电力等其他领域自动化。,PROFIBUS是,一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。,Profibus与PLC网络（电力、冶金、机械加工行业等）,、PROFIBUS总线,PROFIBUS,由三个兼容部分组成，即,PROFIBUS,DP（Decentralized Periphery）,PROFIBUS,PA（Process Automation）,PROFIBUS,-,FMS,(Fieldbus Message Specification)。（）,PROFIBUS,DP:,是,一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式IO的通信。使用,PROFIBUS,DP可取代办24VDC或420mA信号传输。（）PORFIBUSPA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。（）,PROFIBUS,FMS,：用于车间级监控网络，,是,一个令牌结构实时多主网络。,、PROFIBUS总线,PROFIBUS,提供了三种数据传输类型：1、用于DP和,FMS,的RS485传输。2、用于PA的IEC11582传输。3、光纤,、PROFIBUS总线,1,用于DP,FMS,的RS485传输技术,由于DP与,FMS,系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输,是PROFIBUS,最常用的的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆,是,屏蔽双绞铜线。RS-485传输技术基本特征：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。（2）传输速率：9.6K bit/s12M bit/s（3）介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。（4）站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。（5）插头连接：最好使用9针D型插头。,、PROFIBUS总线,2,RS485传输设备安装要点（1）全部设备均与决线连接。（2）每个分段上最多可接32个站（主站或站）。（3）每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。（4）当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。（注：中继器没有站地址，但被计算机在每段的最多站数中）（5）电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下：,波特率：（K bit/s）9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 1200 距离段（M）1200 1200 1200 1000 400 200 100,、PROFIBUS总线,（6）A型电缆参数：阻抗：135165 电容：30 pf/m 回路电阻：110（7）RS485的传输技术的,PROFIBUS,网络最好使用9针D型插头。（8）当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屏蔽的电缆,屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。（9）如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。（10）超过500K bit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。,、PROFIBUS总线,3用于PA的IEC11582传输技术（1）数据IEC11582的传输技术用于,PROFIBUS,PA，能满足煤炭、化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。（2）IEC11582,是,一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。（3）IEC11582技术用于,PROFIBUS,PA，其传输以下列原理为依据：每段只有一个电源作为供电装置。当站收发信息时，不向总线供电。每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。主总线两端起无源终端线作用。允许使用线性树型和星型网络。,、PROFIBUS总线,IEC11582传输技术特性：数据传输：数字式位同步曼彻斯特编码。传输速率：31.25K bit/s，电压式。数据可靠性：前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差。电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。远程电源供电：可选附件，通过数据线。防爆型：能进行本征及非本征安全操作。拓扑：线型或树型，或两者相结合。站数：每段最多32个，总数最多为126个。中继器：最多可扩展至4台。,、PROFIBUS总线,IEC1158传输设备安装要点（1）分段藕合器将IEC11582传输技术总线段与RS485传输技术总线段连接。藕合器使RS485信号与IEC11582信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC11582总线的电流和电压。（2）,PROFIBUS,PA的网络拓扑有树型和线型结构，或,是,两种拓扑的混合。（3）现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。（）主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R100，C1F。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。（）连接到一个段上的站数目最多,是,32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。,现场总线的前景,出路一，各种现场总线统一到12种。IEC61158的产生本身就说明这种可能性很小。,出路二，开发所有现场总线通用的接口，成本较高且难度较大。,出路三，各国不理睬IEC61158，采用自主知识产权的协议。这不符合经济全球化发展趋势。,出路四，采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议，并使其在工业现场成熟应用，易于被广大国家用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎。,现场总线技术的发展趋势,1.注重系统的开放性,封闭、自成一体的系统定会消亡,2.注重应用系统设备间的互操作性,早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层的相关规范，如设备描述、标准功能块等。,应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而,应用与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关,。,设备间的互操作依靠应用层协议,CAN是封装在芯片中的通信协议；,485只是物理层的电气接口规范，,由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范,数据信号的传输、数据理解,发展趋势（续）,3.注重控制网络与公用数据网络的结合,HSE；Profinet；连接 modbus的透明工厂；第3代的Lonworks、FIP等，,各种控制网络都在向数据网络挂靠,4.注重使测控设备具备网络浏览功能,具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能的远程数据终端,借助通用