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現場匯流排是指以工廠內的測量和控制機器間的數字通訊為主的網路,也稱現場網路。也就是將感測器、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路。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號,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)。

1 現場匯流排 -定義


是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業現場的智能化儀器儀錶、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現

場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題 。

主要用於:製造業、流程工業、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統中。

2 現場匯流排 -技術

2003年4月,IEC61158 Ed.3現場匯流排標準第3版正式成為國際標準,規定10種類型的現場匯流排。

Type 1 TS61158現場匯流排

Type 2 Controlnet和Ethernet/IP現場匯流排

Type 3 Profibus現場匯流排

Type 4 P-NET現場匯流排

Type 5 FF HSE現場匯流排

Type 6 SwiftNet現場匯流排

Type 7 World FIP現場匯流排

Type 8 interbus現場匯流排

Type 9 FF H1現場匯流排

Type 10 PROFInet現場匯流排

3 現場匯流排 -技術特徵

(1) 全數字化通信

(2) 開放型的互聯網路

(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) 對現場環境的適應性

4 現場匯流排 -特點


現場控制設備具有通信功能,便於構成工廠底層控制網路。

通信標準的公開、一致,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。

現場匯流排使自控設備與系統步入了信息網路的行列,為其應用開拓了更為廣闊的領域;

一對雙絞線上可掛接多個控制設備, 便於節省安裝費用;

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。

5 現場匯流排 -發展趨勢


從現場匯流排技術本身來分析,它有兩個明顯的發展趨勢:

一是尋求統一的現場匯流排國際標準

二是Industrial Ethernet走向工業控制網路

統一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發展最成功的網路技術 ,過去一直認為,Ethernet是為IT領域應用而開發的,它與工業網路在實時性、環境適應性、匯流排饋電等許多方面的要求存在差距,在工業自動化領域只能得到有限應用。事實上,這些問題正在迅速得到解決,國內對EPA技術(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的進展。

隨著FF HSE的成功開發以及PROFInet的推廣應用,可以預見Ethernet技術將會十分迅速地進入工業控制系統的各級網路。

6 現場匯流排 -工業乙太網的發展


國際上形成的工業乙太網技術的四大陣營:

主要用於離散製造控制系統的是:

Modbus-IDA工業乙太網

Ethernet/IP工業乙太網

PROFInet工業乙太網

主要用於過程式控制制系統的是:

Foundation Fieldbus HSE工業乙太網

隨著科學技術的快速發展,過程式控制制領域在過去的兩個世紀里發生了巨大的變革。150多年前出現的基於5-13psi的氣動信號標準(PCS,Pneumatic Control System氣動控制系統),標誌著控制理論初步形成,但此時尚未有控制室的概念;20世紀50年代,隨著基於0-10mA或4-20mA的電流模擬信號的模擬過程式控制制體系被提出並得到廣泛的應用,標誌了電氣自動控制時代的到來,三大控制論的確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至今;20世紀70年代,隨著數字計算機的介入,產生了「集中控制」的中央控制計算機系統,而信號傳輸系統大部分是依然沿用4-20mA的模擬信號,不久人們也發現了伴隨著「集中控制」,該系統存在著易失控、可靠性低的缺點,並很快將其發展為分散式控制系統(DCS,Distributed Control System分散式控制系統);微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高,使分散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錶以及智能部件實現的分散式控制是其最主要的特徵,而數字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用,數字通信網路延伸到工業過程現場成為可能,產生了以微處理器為核心,使用集成電路代替常規電子線路,實施信息採集、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,導致了現場匯流排的產生。

7 現場匯流排 -本質體現

不同的機構和不同的人可能對現場匯流排有著不同的定義,不過通常情況下,大家公認現場匯流排的本質體現在以下六個方面:

現場通信網路
用於過程自動化和製造自動化的現場設備或現場儀錶互連的現場通信網路。

現場設備互聯
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錶相互關聯。

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號的產品構成所需的控制迴路,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錶, 從而構成虛擬控制站,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錶直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用於本質安全環境的低功耗現場儀錶, 與其配套的還有安全柵。

開放式互聯網路
現場匯流排為開放式互聯網路,既可以與同層網路互聯,也可與不同層網路互聯,還可以實現網路資料庫的共享。

從以上內容我們可以看到,現場匯流排體現了分佈、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號,其所採用的模擬信號精度低,易受干擾,位於操作室的操作員對模擬儀錶往往難以調整參數和預測故障,處於「失控」狀態,很多的儀錶廠商自定標準,互換性差,儀錶的功能也較單一,難以滿足現代的要求,而且幾乎所有的控制功能都位於控制站中。FCS則採取一對多雙向傳輸信號,採用的數字信號精度高、可靠性強,設備也始終處於操作員的遠程監控和可控狀態,用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設備互聯,智能儀錶具有通信、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錶中去。由此我們可以看到FCS相對於DCS的巨大進步。

也正是由於FCS的以上特點使得其在設計、安裝、投運到正常生產都具有很大的優越性:首先由於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,節省了硬體投資和使用面積;FCS的接線較為簡單,而且一條傳輸線可以掛接多了設備,大大節約了安裝費用;由於現場控制設備往往具有自診斷功能,並能將故障信息發送至控制室,減輕了維護工作;同時,由於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適的廠家產品;整體系統的可靠性和準確性也大為提高。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。

8 現場匯流排 -現狀


由於各個國家各個公司的利益之爭,雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會(IEC/ISA)就著手開始制定現場匯流排的標準,至今統一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場匯流排技術,但彼此的開放性和互操作性還難以統一。目前現場匯流排市場有著以下的特點:

9 現場匯流排 -多種現場匯流排並存


目前世界上存在著大約四十餘種現場匯流排,如法國的FIP,英國的ERA,德國西門子公司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,丹麥ProcessData公司的P-net,PeterHans公司的F-Mux,以及ASI(ActraturSensorInterface),MODBus,SDS,Arcnet,國際標準組織-基金會現場匯流排FF:FieldBusFoundation,WorldFIP,BITBUS,美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現場匯流排大都用於過程自動化、醫藥領域、加工製造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域,大概不到十種的匯流排佔有80%左右的市場。

10 現場匯流排 -各種匯流排都有其應用的領域


每種匯流排大都有其應用的領域,比如FF、PROFIBUS-PA適用於石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程式控制制領域;LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用於樓宇、交通運輸、農業等領域;DeviceNet、PROFIBUS-DP適用於加工製造業,而這些劃分也不是絕對的,每種現場匯流排都力圖將其應用領域擴大,彼此滲透。

11 現場匯流排 -主流現場匯流排簡介

下面就幾種主流的現場匯流排做一簡單介紹。

1基金會現場匯流排(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協議於1994年9月合併的。該匯流排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。

基金會現場匯流排採用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型(1,2,7層),即物理層、數據鏈路層、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,可支持匯流排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,協議符號IEC1158-2標準。FF的物理媒介的傳輸信號採用曼切斯特編碼。

CAN(ControllerAreaNetwork 控制器區域網)
最早由德國BOSCH公司推出,它廣泛用於離散控制領域,其匯流排規範已被ISO國際標準組織制定為國際標準,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層:物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸採用短幀結構,傳輸時間短,具有自動關閉功能,具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式,並採用了非破壞性匯流排仲裁技術,通過設置優先順序來避免衝突,通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s,通訊速率最高可達40M /1Mbp/s,網路節點數實際可達110個。目前已有多家公司開發了符合CAN協議的通信晶元。
Lonworks 它由美國Echelon公司推出,並由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它採用ISO/OSI模型的全部7層通訊協議,採用面向對象的設計方法,通過網路變數把網路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),被譽為通用控制網路。Lonworks技術採用的LonTalk協議被封裝到Neuron(神經元)的晶元中,並得以實現。採用Lonworks技術和神經元晶元的產品,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、工業過程式控制制等行業。

DeviceNet
DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網路解決方案,有著開放的網路標準。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。DebiceNet基於CAN技術,傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網路的最大節點為64個,其通信模式為:生產者/客戶(Producer/Consumer),採用多通道廣播信息發送方式。位於DeviceNet網路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匯流排的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association(開放式設備網路供應商協會,簡稱「ODVA」)。

5PROFIBUS PROFIBUS是德國標準(DIN19245)和歐洲標準(EN50170)的現場匯流排標準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用於分散外設間高速數據傳輸,適用於加工自動化領域。FMS適用於紡織、樓宇自動化、可編程式控制制器、低壓開關等。PA用於過程自動化的匯流排類型,服從IEC1158-2標準。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,可採用中繼器延長至10km,傳輸介質為雙絞線或者光纜,最多可掛接127個站點。

6HART HART是Highway Addressable Remote transducer的縮寫,最早由Rosemount公司開發。其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信,屬於模擬系統向數字系統轉變的過渡產品。其通信模型採用物理層、數據鏈路層和應用層三層,支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。由於它採用模擬數字信號混和,難以開發通用的通信介面晶元。HART能利用匯流排供電,可滿足本質安全防爆的要求,並可用於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。

7CC-Link CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統)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,在亞洲佔有較大份額。在其系統中,可以將控制和信息數據同是以10Mbit/s高速傳送至現場網路,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路,同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的感測層。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會批准為中國國家標準指導性技術文件。

8WorldFIP
WorkdFIP的北美部分與ISP合併為FF以後,WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立,總部設在法國。其在歐洲市場佔有重要地位,特別是在法國佔有率大約為60%。WorldFIP的特點是具有單一的匯流排結構來適用不同的應用領域的需求,而且沒有任何網關或網橋,用軟體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」,並對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。

INTERBUS INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場匯流排,2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS採用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型(1,2,7層),即物理層、數據鏈路層、應用層,具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其採用集總幀型的數據環通信,具有低速度、高效率的特點,並嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性;該匯流排的實時性、抗干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,成為國際現場匯流排的領先者。

此外較有影響的現場匯流排還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net,該匯流排主要應用於農業、林業、水利、食品等行業;SwiftNet現場匯流排主要使用在航空航天等領域,還有一些其他的現場匯流排這裡就不再贅述了。

12 現場匯流排 -現場匯流排的發展和乙太網

現場匯流排技術是控制、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、製造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。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採集的智能化的要求。現場匯流排技術的發展體現為兩個方面:一個是低速現場匯流排領域的不斷發展和完善;另一個是高速現場匯流排技術的發展。而目前現場匯流排產品主要是低速匯流排產品,應用於運行速率較低的領域,對網路的性能要求不是很高。從實際應用狀況看,大多數現場匯流排,都能較好地實現速率要求較低的過程式控制制。因此,在速率要求較低的控制領域,誰都很難統一整個市場。就目前而言,由於FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀錶製造商,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,在國內有一些實質性的進展,在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品等方面,LonWorks則具有獨特的優勢。在離散製造加工領域,由於行業應用的特點和歷史原因,Profibus和CAN經在這一領域形成了自己的優勢,具有較強的競爭力。國內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,比較容易受現場匯流排技術供應商 (晶元製造商等)對國內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,比如組態軟體對匯流排設備的支持程度,有些監控組態軟體,比如紫金橋監控組態軟體或者InTouch等對一些主流的匯流排設備比如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行通訊,採集數據。這樣可以方便用戶的選擇,而一些組態軟體則支持的種類較少,是用戶選擇的範圍也隨之減少。

由於目前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。工廠自動化信息網路可分為以下三層結構:工廠管理級、車間監控級、現場設備級,而現場匯流排是工廠底層設備之間的通信網路。這裡先介紹一下乙太網,本文特指工業乙太網,工業乙太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業網路協議,按習慣主要指IEEE 802.3協議,如果進一步採用TCP/IP協議族,則採用「乙太網+TCP/IP」來表示,其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統,並在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,工業乙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。由於現場匯流排目前種類繁多,標準不一,很多人都希望乙太網技術能介入設備低層,廣泛取代現有現場匯流排技術,施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者,目前已有一批工業級產品問世和實際應用。可是就目前而言,乙太網還不能夠真正解決實時性和確定性問題,大部分現場層仍然會首選現場匯流排技術。由於技術的局限和各個廠家的利益之爭,這樣一個多種工業匯流排技術並存,乙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。
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