現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展歷程及基本概念
主流現(xiàn)場(chǎng)總線簡介
下面就幾種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線做一簡單介紹。
1基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FoundationFieldbus 簡稱FF)
這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,具有良好的發(fā)展前景。
基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(1,2,7層),即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)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(dá)1900m,可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為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(fā)射,協(xié)議符號(hào)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼。
CAN(ControllerAreaNetwork 控制器局域網(wǎng))
最早由德國BOSCH公司推出,它廣泛用于離散控制領(lǐng)域,其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn),得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層:物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,具有自動(dòng)關(guān)閉功能,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù),通過設(shè)置優(yōu)先級(jí)來避免沖突,通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s,通訊速率最高可達(dá)40M /1Mbp/s,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。
Lonworks ; 它由美國Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議,采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法,通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì),通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距離可達(dá)2700m(78Kbit/s),被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron(神經(jīng)元)的芯片中,并得以實(shí)現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品,被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。
DeviceNet
DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案,有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù),傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個(gè),其通信模式為:生產(chǎn)者/客戶(Producer/Consumer),采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開,不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備,而且其設(shè)備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是Open DeviceNet Vendor Association(開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì),簡稱“ODVA”)。
5PROFIBUS
PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸,適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型,服從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)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(zhì)為雙絞線或者光纜,最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。
6HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫,最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層,支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。由于它采用模擬數(shù)字信號(hào)混和,難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電,可滿足本質(zhì)安全防爆的要求,并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。
7CC-Link
CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的縮寫,在1996年11月,由三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出,其增長勢(shì)頭迅猛,在亞洲占有較大份額。在其系統(tǒng)中,可以將控制和信息數(shù)據(jù)同是以10Mbit/s高速傳送至現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò),具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)配線復(fù)雜的問題,同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)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被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。
8WorldFIP
WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后,WorldFIP的歐洲部分仍保持獨(dú)立,總部設(shè)在法國。其在歐洲市場(chǎng)占有重要地位,特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求,而且沒有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋,用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實(shí)現(xiàn)“透明聯(lián)接”,并對(duì)FF的H1進(jìn)行了技術(shù)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。
INTERBUS
INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場(chǎng)總線,2000年2月成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。INTERBUS采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(1,2,7層),即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層,具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)性。其采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通信,具有低速度、高效率的特點(diǎn),并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛?;該總線的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲(chǔ)、造紙、包裝、食品等工業(yè),成為國際現(xiàn)場(chǎng)總線的領(lǐng)先者。
此外較有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net,該總線主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、食品等行業(yè);SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線主要使用在航空航天等領(lǐng)域,還有一些其他的現(xiàn)場(chǎng)總線這里就不再贅述了。
現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展和以太網(wǎng)
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成,幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域,如過程自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化、樓半自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀尽⑻岣呖煽啃?、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求?,F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個(gè)方面:一個(gè)是低速現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善;另一個(gè)是高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品,應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況看,大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線,都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過程控制。因此,在速率要求較低的控制領(lǐng)域,誰都很難統(tǒng)一整個(gè)市場(chǎng)。就目前而言,由于FF基金會(huì)幾乎集中了世界上主要自動(dòng)化儀表制造商,其全球影響力日益增加,但其在中國市場(chǎng)營銷力度似乎不足,市場(chǎng)份額不是很高,LonWorks形成了全面的分工合作體系,在國內(nèi)有一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面,LonWorks則具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在離散制造加工領(lǐng)域,由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因,Profibus和CAN經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì),具有較強(qiáng)的競(jìng)爭力。國內(nèi)廠商的規(guī)模相對(duì)較小,研發(fā)能力較差,更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持,比較容易受現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)供應(yīng)商 (芯片制造商等)對(duì)國內(nèi)的支持和市場(chǎng)推廣力度的影響。而且,還有一個(gè)不可忽視的一點(diǎn)就是在構(gòu)建自動(dòng)化管理系統(tǒng)時(shí),選擇的上位機(jī),比如組態(tài)軟件對(duì)總線設(shè)備的支持程度,有些監(jiān)控組態(tài)軟件,比如紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件或者InTouch等對(duì)一些主流的總線設(shè)備比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有著良好的支持,通過DDE、OPC或者直接連接等方式進(jìn)行通訊,采集數(shù)據(jù)。這樣可以方便用戶的選擇,而一些組態(tài)軟件則支持的種類較少,是用戶選擇的范圍也隨之減少。
由于目前自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動(dòng)化FA,發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化。工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu):工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí),而現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。這里先介紹一下以太網(wǎng),本文特指工業(yè)以太網(wǎng),工業(yè)以太網(wǎng)是作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,按習(xí)慣主要指IEEE 802.3協(xié)議,如果進(jìn)一步采用TCP/IP協(xié)議族,則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示,其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng),并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)信息集成領(lǐng)域中,工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例,在設(shè)備層對(duì)實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場(chǎng)合也有許多應(yīng)用。由于現(xiàn)場(chǎng)總線目前種類繁多,標(biāo)準(zhǔn)不一,很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層,廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),施耐德公司就是該想法的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者,目前已有一批工業(yè)級(jí)產(chǎn)品問世和實(shí)際應(yīng)用??墒蔷湍壳岸?,以太網(wǎng)還不能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問題,大部分現(xiàn)場(chǎng)層仍然會(huì)首選現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限和各個(gè)廠家的利益之爭,這樣一個(gè)多種工業(yè)總線技術(shù)并存,以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會(huì)維持一段時(shí)間。用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和實(shí)際情況來選擇所需的解決方案。
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DCS工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總
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