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现场总线

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定义:
是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。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 。
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。
2003年4月,IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准,规定10种类型的现场总线。
Type 1 TS61158现场总线
Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线
Type 3 Profibus现场总线
Type 4 P-NET现场总线
Type 5 FF HSE现场总线
Type 6 SwiftNet现场总线
Type 7 World FIP现场总线
Type 8 Interbus现场总线
Type 9 FF H1现场总线
Type 10 PROFInet现场总线
现场总线的技术特征
(1) 全数字化通信
(2) 开放型的互联网络
(3) 互可操作性与互用性
(4) 现场设备的智能化
(5) 系统结构的高度分散性
(6) 对现场环境的适应性
现场总线的特点
现场控制设备具有通信功能,便于构成工厂底层控制网络。
通信标准的公开、一致,使系统具备开放性,设备间具有互可操作性。
功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。
控制功能下放到现场,使控制系统结构具备高度的分散性。
现场总线的优点
现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列,为其应用开拓了更为广阔的领域;
一对双绞线上可挂接多个控制设备, 便于节省安装费用;
节省维护开销;
提高了系统的可靠性;
为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。
现场总线技术的发展趋势
从现场总线技术本身来分析,它有两个明显的发展趋势:
一是寻求统一的现场总线国际标准
二是Industrial Ethernet走向工业控制网络
统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ,过去一直认为,Ethernet是为IT领域应用而开发的,它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距,在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上,这些问题正在迅速得到解决,国内对EPA技术(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的进展。
随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用,可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。
工业以太网的发展
国际上形成的工业以太网技术的四大阵营:
主要用于离散制造控制系统的是:
Modbus-IDA工业以太网
Ethernet/IP工业以太网
PROFInet工业以太网
主要用于过程控制系统的是:
Foundation Fieldbus HSE工业以太网
随着科学技术的快速发展,过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5-13psi的气动信号标准(PCS,Pneumatic Control System气动控制系统),标志着控制理论初步形成,但此时尚未有控制室的概念;20世纪50年代,随着基于0-10mA或4-20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用,标志了电气自动控制时代的到来,三大控制论的确立奠定了现代控制的基础,设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今;20世纪70年代,随着数字计算机的介入,产生了“集中控制”的中央控制计算机系统,而信号传输系统大部分是依然沿用4-20mA的模拟信号,不久人们也发现了伴随着“集中控制”,该系统存在着易失控、可靠性低的缺点,并很快将其发展为分布式控制系统(DCS,Distributed Control System分布式控制系统);微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高,使分布式控制系统得到了广泛的应用,由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征,而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用,数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能,产生了以微处理器为核心,使用集成电路代替常规电子线路,实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制,在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此,导致了现场总线的产生。
现场总线的实质和优点
1984年,现场总线的概念得到正式提出。IEC(International Electrotechnical Commission,国际电工委员会)对现场总线(Fieldbus)的定义为:现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。
不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义,不过通常情况下,大家公认现场总线的本质体现在以下六个方面:
现场通信网络
用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。
现场设备互联
依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。
互操作性
用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路,从而可以自由地集成FCS。
分散功能块
FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站,彻底地实现了分散控制。
通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。
开放式互联网络
现场总线为开放式互联网络,既可以与同层网络互联,也可与不同层网络互联,还可以实现网络数据库的共享。
从以上内容我们可以看到,现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点,而这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号,其所采用的模拟信号精度低,易受干扰,位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障,处于“失控”状态,很多的仪表厂商自定标准,互换性差,仪表的功能也较单一,难以满足现代的要求,而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号,采用的数字信号精度高、可靠性强,设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态,用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联,智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能,而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。
也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越性:首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务,不再需要单独的控制器、计算单元等,节省了硬件投资和使用面积;FCS的接线较为简单,而且一条传输线可以挂接多了设备,大大节约了安装费用;由于现场控制设备往往具有自诊断功能,并能将故障信息发送至控制室,减轻了维护工作;同时,由于用户拥有高度的系统集成自主权,可以通过比较灵活选择合适的厂家产品;整体系统的可靠性和准确性也大为提高。这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本,最终达到增加利润的目的。

现场总线的现状
由于各个国家各个公司的利益之争,虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就着手开始制定现场总线的标准,至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术,但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点:
多种现场总线并存
目前世界上存在着大约四十余种现场总线,如法国的FIP,英国的ERA,德国西门子公司Siemens的ProfiBus,挪威的FINT,Echelon公司的LONWorks,PhenixContact公司的InterBus,RoberBosch公司的CAN,Rosemounr公司的HART,CarloGarazzi公司的Dupline,丹麦ProcessData公司的P-net,PeterHans公司的F-Mux,以及ASI(ActraturSensorInterface),MODBus,SDS,Arcnet,国际标准组织-基金会现场总线FF:FieldBusFoundation,WorldFIP,BitBus,美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域,大概不到十种的总线占有80%左右的市场。
各种总线都有其应用的领域
每种总线大都有其应用的领域,比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域;LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域;DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业,而这些划分也不是绝对的,每种现场总线都力图将其应用领域扩大,彼此渗透。
每种现场总线都有其国际组织和支持背景
大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织,力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持,并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台,成立了WorldFIP国际用户组织。
多种总线成为国家和地区标准
为了加强自己的竞争能力,很多总线都争取成为国家或者地区的标准,比如PROFIBUS已成为德国标准,WorldFIP已成为法国标准等。
设备制造商参与多个总线组织
为了扩大自己产品的使用范围,很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。
各个总线彼此协调共存
由于竞争激烈,而且还没有哪一种或几种总线能一统市场,很多重要企业都力图开发接口技术,使自己的总线能和其他总线相连,在国际标准中也出现了协调共存的局面。
工业自动化技术应用于各行各业,要求也千变万化,使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求;现场总线不同于计算机网络,人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约;技术标准不仅是一个技术规范,也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性,实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

主流现场总线简介
下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
1基金会现场总线(FoundationFieldbus 简称FF)
这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。
基金会现场总线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,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,前者传输速率为31.25Kbit/秒,通信距离可达1900m,可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒,通信距离为750m和500m,支持双绞线、光缆和无线发射,协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
CAN(ControllerAreaNetwork 控制器局域网)
最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功能,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达40M /1Mbp/s,网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。
Lonworks
它由美国Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距离可达2700m(78Kbit/s),被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中,并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。
DeviceNet
DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术,传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association(开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA”)。
5PROFIBUS
PROFIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型,服从IEC1158-2标准。PROFIBUS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。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m,可采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点。
6HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写,最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆的要求,并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
7CC-Link
CC-Link是Control&Communication Link(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。在其系统中,可以将控制和信息数据同是以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。
8WorldFIP
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。
INTERBUS
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-Data A/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,还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

现场总线的发展和以太网
现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成,几乎涵盖了所有连续、离散工业领域,如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面:一个是低速现场总线领域的不断发展和完善;另一个是高速现场总线技术的发展。而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。从实际应用状况看,大多数现场总线,都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此,在速率要求较低的控制领域,谁都很难统一整个市场。就目前而言,由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商,其全球影响力日益增加,但其在中国市场营销力度似乎不足,市场份额不是很高,LonWorks形成了全面的分工合作体系,在国内有一些实质性的进展,在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面,LonWorks则具有独特的优势。在离散制造加工领域,由于行业应用的特点和历史原因,Profibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势,具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小,研发能力较差,更多的是依赖技术供应商的支持,比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且,还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时,选择的上位机,比如组态软件对总线设备的支持程度,有些监控组态软件,比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持,通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯,采集数据。这样可以方便用户的选择,而一些组态软件则支持的种类较少,是用户选择的范围也随之减少。
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IEEE 802.3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。



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