現場總線

現場總線

數字通訊為主的網絡
現場總線是指以工廠内的測量和控制機器間的數字通訊為主的網絡,也稱現場網絡。也就是将傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網絡。[1]原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信号和模拟信号,通過通訊的數字化,使時間分割、多重化、多點化成為可能,從而實現高性能化、高可靠化、保養簡便化、節省配線(配線的共享)。
  • 中文名:現場總線
  • 外文名:fieldbus
  • 别名:現場網絡
  • 類 别:數字通訊
  • 功 能:主要解決工業現場的信息傳遞問題
  • 優 點:簡單、可靠、經濟實用

常用現場總線種類介紹

 1、PROFIBUS     

Profibus 作為一種快速總線,被廣泛應用于分布式外圍組件(PROFIBUS-DP)。除了 PROFIBUS-DP 和 FMS 以外,Beckhoff 還支持驅動器通訊标準 PROFIBUS MC。過程現場總線。    

2、EtherCAT     

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology,用于控制和自動化技術的以太網)是一種用于工業自動化的實時以太網解決方案,性能優越,使用簡便。     

3、Lightbus     

這種經過驗證的 Beckhoff 光纖總線系統具有極為優秀的抗 EMI 性能,易于安裝,數據流快速、循環且具有确定性。     

4、Interbus     

Interbus 易于配置,通訊快速而可靠。主/從系統的移位寄存器協議可提供高效循環通訊。      

5、CANopen     

通過有效利用總線帶寬,CANopen 可在即使相對較低的數據傳輸速率時也能實現較短的系統響應時間。秉承了 CAN 的傳統優點,例如數據安全性高且具備多主站能力。      

6、ControlNet     

ControlNet 是一種開放式标準現場總線系統。該總線協議允許循環數據和非循環數據通過總線同時進行交換,而兩者之間互不影響。      

7、SERCOS interface     

SERCOS 最初作為用于驅動器的快速光纖總線系統研發。采用 Beckhoff SERCOS 總線耦合器,I/O 設備可以實現高速率數據傳輸和較短的循環時間。      

8、Ethernet   

以太網是辦公環境中的主流标準。在Beckhoff 以太網産品中,也秉承并發揚了以太網的優點,例如數據傳輸速率高,與現有網絡的簡便集成以及廣泛的服務和接口等。     

9、PROFINET     

PROFINET 是一種由 PNO(PROFIBUS 用戶組織)針對開放式工業以太網制定的标準:國際上訂立的一種針對通訊的 IT 标準(如 TCP/IP 協議)。      

10、USB     

USB 已成為 PC 技術的标準接口,具有傳輸速率高,拓撲結構靈活(通過集成集線器)等特點,加上 Beckhoff USB 總線耦合器,在距離較短時,該系統可替代現場總線。     

11、Modbus     

Modbus 是一種基于主/從結構的開放式串行通訊協議。可非常輕松地在所有類型的串行接口上實現,已被廣泛接受。      

12、RS232/RS485     

RS232 和 RS485 是經典的串行接口,一直被廣泛使用。Beckhoff RS485/RS232 I/O模塊采用的是易于實現的簡單串行通訊協議。      

13、CC-Link     

CC-Link(Control & Communication Link,控制與通信鍊路)是一種開放式總線系統,用于控制級和現場總線級之間的通訊。應用方面主要以亞洲地區為主。      

14、AS-Interface     

AS interface 通過簡單、經濟的布線方法,連接傳感器、執行器與上位控制層。AS interface 已通過 EN 50295 和IEC 62026-2 标準,在國際上實現了标準化。     

15、LON     

LON(Local Operating Network,局部操作網絡)是一種能夠進行多網絡連接的通訊系統,用于分布式應用。      

16、EIB     

EIB(European Installation Bus,歐洲安裝總線)是一種用于樓宇布線的總線系統,主要在歐洲得到廣泛應用。 

17、SNMP    

簡單網絡管理協議。 

18、QOS     

服務質量,解決延時和阻塞的一種技術。 

19、CAN     

控制器局域網絡   。

20、MECHATROLINK

MECHATROLINK是一個用在工業自動化的開放式通訊協定   。

Mechatrolink協定分為以下的二種:

MECHATROLINK-II—定義傳送界面為RS-485時的通訊協定架構,最快速度為10Mbit/s,最多允許30個從站   。

MECHATROLINK-III—定義傳送界面為以太網時的通訊協定架構,最快速度為100Mbit/s,最多允許62個從站   。

應用行業

現場總線的産生對工業的發展起着非常重要的作用,對國民經濟的增長有着非常重要的影響。現場總線主要應用于石油、化工、電力、醫藥、冶金、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域。

典型技術

2003年4月,IEC61158 Ed.3現場總線标準第3版正式成為國際标準,規定10種類型的現場總線。

Type 1 TS61158現場總線

Type 2 ControlNet和Ethernet/IP現場總線

Type 3 Profibus現場總線

Type 4 P-NET現場總線

Type 5 FF HSE現場總線

Type 6 SwiftNet現場總線

Type 7 World FIP現場總線

Type 8 Interbus現場總線

Type 9 FF H1現場總線

Type 10 PROFInet現場總線

國内工業總線EPA,G-link,Symotion與NCUC-BUS

Symotion是一種用于運動控制的實時工業總線,基于10/100M以太網物理層,應用層使用canopen及精簡協議。可應用于運動控制器,電機驅動器,PLC,編碼器光栅尺與其它工業現場執行器互連。symotion總線提供安全、開放、低成本及高性能應用。

特征

(1) 全數字化通信

(2) 開放型的互聯網絡

(3) 互可操作性與互用性

(4) 現場設備的智能化

(5) 系統結構的高度分散性

(6) 對現場環境的适應性

總線特點

現場控制設備具有通信功能,便于構成工廠底層控制網絡。

通信标準的公開、一緻,使系統具備開放性,設備間具有互可操作性。

功能塊與結構的規範化使相同功能的設備間具有互換性。

控制功能下放到現場,使控制系統結構具備高度的分散性。

總線優點

現場總線使自控設備與系統步入了信息網絡的行列,為其應用開拓了更為廣闊的領域;

一對雙絞線上可挂接多個控制設備, 便于節省安裝費用;

節省維護開銷;

提高了系統的可靠性;

為用戶提供了更為靈活的系統集成主動權。

總線缺點

網絡通信中數據包的傳輸延遲,通信系統的瞬時錯誤和數據包丢失,發送與到達次序的不一緻等都會破壞傳統控制系統原本具有的确定性,使得控制系統的分析與綜合變得更複雜,使控制系統的性能受到負面影響。

總線本質

不同的機構和不同的人可能對現場總線有着不同的定義,不過通常情況下,大家公認在以下六個方面:

通信網絡

用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡。

設備互聯

依據實際需要使用不同的傳輸介質把不同的現場設備或者現場儀表相互關聯。

互操作性

用戶可以根據自身的需求選擇不同廠家或不同型号的産品構成所需的控制回路,從而可以自由地集成FCS。

分散功能塊

FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現場儀表, 從而構成虛拟控制站,徹底地實現了分散控制。

通信線供電

通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質安全環境的低功耗現場儀表, 與其配套的還有安全栅。

開放式互聯網

現場總線為開放式互聯網絡,既可以與同層網絡互聯,也可與不同層網絡互聯,還可以實現網絡數據庫的共享。

從以上内容我們可以看到,現場總線體現了分布、開放、互聯、高可靠性的特點,而這些正是DCS系統的缺點。DCS通常是一對一單獨傳送信号,其所采用的模拟信号精度低,易受幹擾,位于操作室的操作員對模拟儀表往往難以調整參數和預測故障,處于“失控”狀态,很多的儀表廠商自定标準,互換性差,儀表的功能也較單一,難以滿足現代的要求,而且幾乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS則采取一對多雙向傳輸信号,采用的數字信号精度高、可靠性強,設備也始終處于操作員的遠程監控和可控狀态,用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設備互聯,智能儀表具有通信、控制和運算等豐富的功能,而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進步。

也正是由于FCS的以上特點使得其在設計、安裝、投運到正常生産都具有很大的優越性:首先由于分散在前端的智能設備能執行較為複雜的任務,不再需要單獨的控制器、計算單元等,節省了硬件投資和使用面積;FCS的接線較為簡單,而且一條傳輸線可以挂接多個設備,大大節約了安裝費用;由于現場控制設備往往具有自診斷功能,并能将故障信息發送至控制室,減輕了維護工作;同時,由于用戶擁有高度的系統集成自主權,可以通過比較靈活選擇合适的廠家産品;整體系統的可靠性和準确性也大為提高。這一切都幫助用戶實現了減低安裝、使用、維護的成本,最終達到增加利潤的目的   。

發展趨勢

從現場總線技術本身來分析,它有兩個明顯的發展趨勢:

一是尋求統一的現場總線國際标準

二是Industrial Ethernet走向工業控制網絡

統一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發展最成功的網絡技術 ,過去一直認為,Ethernet是為IT領域應用而開發的,它與工業網絡在實時性、環境适應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距,在工業自動化領域隻能得到有限應用。事實上,這些問題正在迅速得到解決,國内對EPA技術(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的進展。随着FF HSE的成功開發以及PROFInet的推廣應用,可以預見Ethernet技術将會十分迅速地進入工業控制系統的各級網絡。

國際上形成的工業以太網技術的四大陣營:

主要用于離散制造控制系統的是:

Modbus-IDA工業以太網

Ethernet/IP工業以太網

PROFInet工業以太網

主要用于過程控制系統的是:

Foundation Fieldbus HSE工業以太網

随着科學技術的快速發展,過程控制領域在過去的兩個世紀裡發生了巨大的變革。150多年前出現的基于5-13psi的氣動信号标準(PCS,Pneumatic Control System氣動控制系統),标志着控制理論初步形成,但此時尚未有控制室的概念;20世紀50年代,随着基于0-5V或4-20mA的電流模拟信号的模拟過程控制體系被提出并得到廣泛的應用,标志了電氣自動控制時代的到來,三大控制論的确立奠定了現代控制的基礎,設立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用;20世紀70年代,随着數字計算機的介入,産生了“集中控制”的中央控制計算機系統,而信号傳輸系統大部分是依然沿用4-20mA的模拟信号,不久人們也發現了伴随着“集中控制”,該系統存在着易失控、可靠性低的缺點,并很快将其發展為分布式控制系統(DCS,Distributed Control System分布式控制系統);微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高,使分布式控制系統得到了廣泛的應用,由多台計算機和一些智能儀表以及智能部件實現的分布式控制是其最主要的特征,而數字傳輸信号也在逐步取代模拟傳輸信号。随着微處理器的快速發展和廣泛的應用,數字通信網絡延伸到工業過程現場成為可能,産生了以微處理器為核心,使用集成電路代替常規電子線路,實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制,在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此,導緻了現場總線的産生。

控制組成

現場總線控制系統由測量系統、控制系統、管理系統三個部分組成,而通信部分的硬、軟件是它最有特色的部分。

1、現場總線控制系統:

它的軟件是系統的重要組成部分,控制系統的軟件有組态軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開發組态軟件、控制操作人機接口軟件。通過組态軟件,完成功能塊之間的連接,選定功能塊參數,進行網絡組态。在網絡運行過程中對系統實時采集數據、進行數據處理、計算。優化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

2、現場總線的測量系統:

其特點為多變量高性能的測量,使測量儀表具有計算能力等更多功能,由于采用數字信号,具有高分辨率,準确性高、抗幹擾、抗畸變能力強,同時還具有儀表設備的狀态信息,可以對處理過程進行調整。

3、設備管理系統:

可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀态信息(包括智能儀表)、廠商提供的設備制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司,推出AMS管理系統,它安裝在主計算機内,由它完成管理功能,可以構成一個現場設備的綜合管理系統信息庫,在此基礎上實現設備的可靠性分析以及預測性維護。将被動的管理模式改變為可預測性的管理維護模式AMS軟件是以現場服務器為平台的T型結構,在現場服務器上支撐模塊化,功能豐富的應用軟件為用戶提供一個圖形化界面。

4、總線系統計算機服務模式:

以客戶機/服務器模式是較為流行的網絡計算機服務模式。服務器表示數據源(提供者),應用客戶機則表示數據使用者,它從數據源獲取數據,并進一步進行處理。客房機運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上,它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。

5、數據庫:

它能有組織的、動态的存儲大量有關數據與應用程序,實現數據的充分共享、交叉訪問,具有高度獨立性。工業設備在運行過程中參數連續變化,數據量大,操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的數據庫系統,市面上成熟的供選用的如關系數據庫中的Oracle,sybas,Informix,SQL Server;實時數據庫中的Infoplus,PI,ONSPEC等。

6、網絡系統的硬件與軟件:

網絡系統硬件有:系統管理主機、服務器、網關、協議變換器、集線器,用戶計算機等及底層智能化儀表。網絡系統軟件有網絡操作軟件如:NetWarc,LAN Mangger,Vines,服務器操作軟件如Lunix,os/2,Window NT。應用軟件數據庫、通信協議、網絡管理協議等。

總線現狀

由于各個國家各個公司的利益之争,雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際标準協會(IEC/ISA)就着手開始制定現場總線的标準,統一的标準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術,但彼此的開放性和互操作性還難以統一 ,支持HART通訊功能。但從國内情況來看,還沒有真正用到這部分功能來進行設備聯網監控,最多隻是利用手操器對其進行參數設定。從長遠來看,由于HART通信速率低、組網困難等原因,HART儀表的應用将呈下滑趨勢。

FieldBus現場總線網絡:現場總線是當今自動化領域的熱點技術之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現标志着自動化控制技術又一個新時代的開始。現場總線是連接控制現場的儀表與控制室内的控制裝置的數字化、串行、多站通信的網絡。其關鍵标志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字化通信。現場總線技術成為國際上自動化和儀器儀表發展的熱點,它的出現使傳統的控制系統結構産生了革命性的變化,使自控系統朝着“智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化”的方向進一步邁進,形成新型的網絡通信的全分布式控制系統——現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。然而,現場總線還沒有形成真正統一的标準,ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種标準并行存在,并且都有自己的生存空間。何時統一,遙遙無期。支持現場總線的儀表種類還比較少,可供選擇的餘地小,價格又偏高,用量也較小。

注意事項

現場總線逐漸在工業現場推廣,不少設備不但具有傳統儀表的功能,而且還具備現場總線的功能、在DCS中,現場總線被廣泛應用。現場總線在使用中需要注意以下幾個問題:

1)通信距離。現場總線的通信距離一般有一定的要求,例如,PROFIBUS/DP在12Mbps速率時,采用标準電纜,可以達到200m,如果采用187.5kbps速率,可以達到1 000m。通信距離有兩層含義,第一個,是兩個節點之間不通過中繼器能夠實現的距離,一般來說,距離和通信速率成反比;另一個,是整個網絡最遠的兩個節點之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不夠清楚,在實際使用中,必須考慮整個網絡的範圍,電磁波信号在電纜中傳遞是需要時間的,特别在—些高速的現場總線中,如果增大距離,就必須對一些通信參數進行修改;

2)線纜選擇。現場的環境決定現場總線的通信速度和通信介質。一般而言,現場總線采用電信号傳遞數據,在傳輸的過程中不可避免地收到周圍電磁環境的影響。大多數現場總線采用屏蔽雙絞線。必須注意的是,不同種類現場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。現場總線的開發者一般規定一種特制的線纜,在正确使用這種線纜的條件下才能實現規定的速率和傳輸距離。在電磁條件極度惡劣的條件下,光纜是合理的選擇,否則局部的幹擾,可能影響整個現場總線網絡的工作;

3)隔離。一般來說,現場總線的電信号與設備内部是電氣隔離的。現場總線電纜分布在車間的各個角落,一旦發生高電壓串入,會造成整個網段所有設備的總線收發器損壞。如果不加以隔離,高電壓信号會繼續将設備内部其他電路損壞,導緻嚴重的後果;

4)屏蔽。現場總線采用的屏蔽電纜的外層必須在一點良好接地,如果高頻幹擾嚴重,可以采用多點電容接地,不允許多點直接接地,避免産生地回路電流;

5)連接器。現場總線一般沒有對連接器做嚴格的規定,但是如果處理不當,會影響整個系統通信。例如,現場總線一般采用總線型菊花鍊連接方式,在連接每一個設備時,必須注意如何不影響在現有通信的條件下,實現設備插入和摘除,這對連接器就有一定的要求;

6)終端匹配。現場總線信号和所有電磁波信号一樣具有反射現象,在總線每一個網段的兩個終端,都應該采用電阻匹配,第一個作用可以吸收放射,第二個作用是在總線的兩端實現正确的電平,保證通信。因此,現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成,它的出現和快速發展體現了控制領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高數據采集的智能化的要求。

應用領域

每種總線大都有其應用的領域,比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控制領域;LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于樓宇、交通運輸、農業等領域;DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造業,而這些劃分也不是絕對的,每種現場總線都力圖将其應用領域擴大,彼此滲透。

背景

大多數的現場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應的國際組織,力圖擴大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持,并成立了PROFIBUS國際用戶組織。WorldFIP以Alstom公司為主要後台,成立了WorldFIP國際用戶組織。

地區标準

為了加強自己的競争能力,很多總線都争取成為國家或者地區的标準,比如PROFIBUS已成為德國标準,WorldFIP已成為法國标準等。

制造商

為了擴大自己産品的使用範圍,很多設備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。

協調

由于競争激烈,而且還沒有哪一種或幾種總線能一統市場,很多重要企業都力圖開發接口技術,使自己的總線能和其他總線相連,在國際标準中也出現了協調共存的局面。

工業自動化技術應用于各行各業,要求也千變萬化,使用一種現場總線技術也很難滿足所有行業的技術要求;現場總線不同于計算機網絡,人們将會面對一個多種總線技術标準共存的現實世界。技術發展很大程度上受到市場規律、商業利益的制約;技術标準不僅是一個技術規範,也是一個商業利益的妥協産物。而現場總線的關鍵技術之一是彼此的互操作性,實現現場總線技術的統一是所有用戶的願望。

主流總線

1、基金會現場總線(FoundationFieldbus 簡稱FF)

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150餘家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領域得到了廣泛的應用,具有良好的發展前景。

基金會現場總線采用國際标準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型(1,2,7層),即物理層、數據鍊路層、應用層,另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率,前者傳輸速率為31.25Kbit/秒,通信距離可達1900m,可支持總線供電和本質安全防爆環境。後者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒,通信距離為750m和500m,支持雙絞線、光纜和無線發射,協議符号IEC1158-2标準。FF的物理媒介的傳輸信号采用曼切斯特編碼。

2、CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域網)

最早由德國BOSCH公司推出,它廣泛用于離散控制領域,其總線規範已被ISO國際标準組織制定為國際标準,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層:物理層和數據鍊路層。CAN的信号傳輸采用短幀結構,傳輸時間短,具有自動關閉功能,具有較強的抗幹擾能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破壞性總線仲裁技術,通過設置優先級來避免沖突,通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s,通訊速率最高可達40M /1Mbp/s,網絡節點數實際可達110個。已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。

3、Lonworks

它由美國Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協議,采用面向對象的設計方法,通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質,通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距離可達2700m(78Kbit/s),被譽為通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議被封裝到Neuron(神經元)的芯片中,并得以實現。采用Lonworks技術和神經元芯片的産品,被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。

4、DeviceNet

DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案,有着開放的網絡标準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DeviceNet基于CAN技術,傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網絡的最大節點為64個,其通信模式為:生産者/客戶(Producer/Consumer),采用多信道廣播信息發送方式。位于DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開,不影響網上的其他設備,而且其設備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association(開放式設備網絡供應商協會,簡稱“ODVA”)。

5、PROFIBUS

PROFIBUS是德國标準(DIN19245)和歐洲标準(EN50170)的現場總線标準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸,适用于加工自動化領域。FMS适用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA用于過程自動化的總線類型,服從IEC1158-2标準。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m,在12Mbit/s小為200m,可采用中繼器延長至10km,傳輸介質為雙絞線或者光纜,最多可挂接127個站點。

6、HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫,最早由Rosemount公司開發。其特點是在現有模拟信号傳輸線上實現數字信号通信,屬于模拟系統向數字系統轉變的過渡産品。其通信模型采用物理層、數據鍊路層和應用層三層,支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。由于它采用模拟數字信号混和,難以開發通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電,可滿足本質安全防爆的要求,并可用于由手持編程器與管理系統主機作為主設備的雙主設備系統。

7、CC-Link

CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鍊路系統)的縮寫,在1996年11月,由三菱電機為主導的多家公司推出,其增長勢頭迅猛,在亞洲占有較大份額。在其系統中,可以将控制和信息數據同是以10Mbit/s高速傳送至現場網絡,具有性能卓越、使用簡單、應用廣泛、節省成本等優點。其不僅解決了工業現場配線複雜的問題,同時具有優異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設備層為主的網絡,同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家标準委員會批準為中國國家标準指導性技術文件。

8、WorldFIP

WorldFIP的北美部分與ISP合并為FF以後,WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立,總部設在法國。其在歐洲市場占有重要地位,特别是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點是具有單一的總線結構來适用不同的應用領域的需求,而且沒有任何網關或網橋,用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實現“透明聯接”,并對FF的H1進行了技術拓展,如速率等。在與IEC61158第一類型的連接方面,WorldFIP做得最好,走在世界前列。

9、INTERBUS

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場總線,2000年2月成為國際标準IEC61158。INTERBUS采用國際标準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型(1,2,7層),即物理層、數據鍊路層、應用層,具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其采用集總幀型的數據環通信,具有低速度、高效率的特點,并嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性;該總線的實時性、抗幹擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業,成為國際現場總線的領先者。

此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net,該總線主要應用于農業、林業、水利、食品等行業;SwiftNet現場總線主要使用在航空航天等領域,還有一些其他的現場總線這裡就不再贅述了。

以太網

現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成,幾乎涵蓋了所有連續、離散工業領域,如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化、家庭自動化等等。現場總線技術的發展體現為兩個方面:一個是低速現場總線領域的不斷發展和完善;另一個是高速現場總線技術的發展。而現場總線産品主要是低速總線産品,應用于運行速率較低的領域,對網絡的性能要求不是很高。從實際應用狀況看,大多數現場總線,都能較好地實現速率要求較低的過程控制。因此,在速率要求較低的控制領域,誰都很難統一整個市場。由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商,其全球影響力日益增加,但其在中國市場營銷力度似乎不足,市場份額不是很高,LonWorks形成了全面的分工合作體系,在國内有一些實質性的進展,在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信産品等方面,LonWorks則具有獨特的優勢。在離散制造加工領域,由于行業應用的特點和曆史原因,Profibus和CAN經在這一領域形成了自己的優勢,具有較強的競争力。國内廠商的規模相對較小,研發能力較差,更多的是依賴技術供應商的支持,比較容易受現場總線技術供應商 (芯片制造商等)對國内的支持和市場推廣力度的影響。而且,還有一個不可忽視的一點就是在構建自動化管理系統時,選擇的上位機,比如組态軟件對總線設備的支持程度,有些監控組态軟件,比如紫金橋監控組态軟件或者InTouch等對一些主流的總線設備比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持,通過DDE、OPC或者直接連接等方式進行通訊,采集數據。這樣可以方便用戶的選擇,而一些組态軟件則支持的種類較少,是用戶選擇的範圍也随之減少。

由于自動化技術從單機控制發展到工廠自動化FA,發展到系統自動化。工廠自動化信息網絡可分為以下三層結構:工廠管理級、車間監控級、現場設備級,而現場總線是工廠底層設備之間的通信網絡。這裡先介紹一下以太網,特指工業以太網,工業以太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業網絡協議,按習慣主要指IEEE 802.3協議,如果進一步采用TCP/IP協議族,則采用“以太網+TCP/IP”來表示,其技術特點主要适合信息管理、信息處理系統,并在IT業得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間監控級信息集成領域中,工業以太網已有不少成功的案例,在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用。由于現場總線種類繁多,标準不一,很多人都希望以太網技術能介入設備低層,廣泛取代現有現場總線技術,施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者,已有一批工業級産品問世和實際應用,以太網還不能夠真正解決實時性和确定性問題,大部分現場層仍然會首選現場總線技術。由于技術的局限和各個廠家的利益之争,這樣一個多種工業總線技術并存,以太網技術不斷滲透的現狀還會維持一段時間。用戶可以根據技術要求和實際情況來選擇所需的解決方案。

發展曆程

1984年美國Inter公司提出一種計算機分布式控制系統-位總線(BITBUS),它主要是将低速的面向過程的輸入輸出通道與高速的計算機總線多(MULTIBUS)分離,形成了現場總線的最初概念。80年代中期,美國Rosemount 公司開發了一種可尋址的遠程傳感器(HART)通信協議。采用在4~20mA模拟量疊加了一種頻率信号,用雙絞線實現數字信号傳輸。HART協議已是現場總線的雛形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司發起,成立了World FIP制定了FIP協議。1987年,以Siemens,Rosemount,橫河等幾家著名公司為首也成立了一個專門委員會互操作系統協議(ISP)并制定了PROFIBUS協議。後來美國儀器儀表學會也制定了現場總線标準IEC/ISA SP50。随着時間的推移,世界逐漸形成了兩個針鋒相對的互相競争的現場總線集團:一個是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團;另一個是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團。1994年,兩大集團宣布合并,融合成現場總線基金會(Fieldbus Foundation)簡稱FF。對于現場總線的技術發展和制定标準,基金委員會取得以下共識:共同制定遵循IEC/ISA SP50協議标準;商定現場總線技術發展階段。

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