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九大流行常用現場總線

目前國際上有40多種現場總線,但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用面,按其傳輸數據的大小可分為3類:傳感器總線(sensorbus),屬于位 傳輸;設備總線(devicebus),屬于字節傳輸;現場總線,屬于數據流傳輸。下面讓我一起去認識這九種現再總線。

1FF現場總線

場總線基金會是由WORLDFIPNA(北美部分,不包括歐洲)和ISPFoundation19946月聯合成立的,它是一個國際性的組織,其目標是建立單一的、開放的、可互操作的現場總線國際標準。這個組織給予了IEC現場總線標準起草工作組以強大的支持。這個組織目前有l00多成員單 位,包括了全世界主要的過程控制產品及系統的生產公司。19974月這個組織在中國成立了中國儀協現場總線專業委員會(CFC)。致力于這項技術在中國的推廣應用。FF成立的時間比較晚,在推出自己的產品和把這項技術完整地應用到工程上相對于PROFIBUSWORLDFIP要晚。但是正由于FF19929月成立的,是以FisherRosemount公司為核心的ISP(可互操作系統協議)與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的,因此這個 組織具有相當實力:目前FFIEC現場總線標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。

現場總線基金會自成立以來,經過十年的發展,已經形 成了一個開放的、全數字化的工業通信系統,并在上世紀末開始進入中國市場,推動了中國的工業自動化技術進步,并開始了大型全區域系統集成的應用。一個開放式的總線協議,很重要的一點就是有多少設備支持這個協議。否則,這個協議的開放性就沒有意義了。

在無線和遠程I/O管理方面,現場總線基金會發布了基金會遠程運營管理初步規范。新的技術規范是基金會面向無線和遠程I/O進行遠程運營管理解決方案的 一部分,面向遠程運營管理設備定義了代表基金會HART設備的現場總線變送器模塊。該模塊可以顯示有線HART及無線HART設備。

此外,該規范還描述了通過基金會高速以太網(HSE)傳輸基本HART命令協議接觸HART設備進行配置和資產管理的理想方法。規范也對在連接基金會遠程運營管理設備的有線多觸點網絡和無線HART網絡中識別和維護HART設備狀態的結構進行了定義。

新的變送器模塊規范將會使那些需要將HART和無線HART設備連入基金會現場總線、提升其與控制系統或者基金會設備的最終用戶受益,”現場總線基金會技術開發總監DaveGlanzer說道:“他們可能會需要對資產管理采用一種網絡化的方法,連接大量的HART和無線HART設備,進行配置和 維護。”

在現場總線基金會架構內部,H1HSE可以提供分布式功能模塊的能力,與HSE一起形成容量更大的通道,加快數據傳輸和傳輸 量。基金會遠程運營管理的開發,為有線及無線HSE主干網絡建立了一個開放式、非專利性的規范,可以通過接口將不同的基金會遠程運營管理設備和無線現場設 備網絡進行集成。

使用高速HSE連接,可以高效的將模塊化的數字和模擬現場I/O設備大幅度集中到控制室當中。通過使用諸如智能遠程終端單元(RTU)這類HSE設備功能,這項技術可以將各種形式的傳統I/O輕而易舉的融入到自然的現場總線環境當中。這一解決方案在同一個以太網絡上可以 同時支持數字輸入、數字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現場總線。

2LonWorks現場總線

LonWorks現場總線是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網絡,最初主要用于樓宇自動化,但很快發展到工業現場網。LonWorks技術為設計和實現可互操作的控制網絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經元芯片(NeuronChip)。該芯片 內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網絡處理器完成OSI36層網絡協議;應用處理器完成用戶現場控制應用。它們之間通過公用存儲 器傳遞數據。在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經元芯片特設置11I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,RS232、并口、定時/計數、間隔處理、位I/O等。

LonWorks提供的不僅僅是一套高性能的神經元芯片,更重要的是,它提供了 一套完整的開發平臺。工業現場中的通信不僅要將數據實時發送、接收,更多的是數據的打包、拆包、流量處理、出錯處理。這使控制工程師不得不在數據通信上投 入大量精力。LonWorks在這方面提供了非常友好的服務,提供了一套完整的建網工具——LonBuild

首先,它提供了一套C語言的編譯器,從而大大減少了開發時間。在這個編譯器中,提供了對11I/O非常詳盡的庫函數。在通信方面,它也提出了一個全新的概念——網絡變量。通過網絡變量,網絡上的通信只需將相關節點上的網絡變量連接一下即可。網絡變量是應用程序定義的一個特殊靜態變量,可以是ANSIC 所定義的各種類型,也可以是自定義類型,還可以規定優先級、響應方式等。網絡變量被定義為輸入或輸出,當定義為輸出的網絡變量被賦予新值時,與該輸出變量 相連的輸入網絡變量就會被立刻賦予同樣的新值。

另外,LonBuild還集成開發環境和編譯于一體,具備C調試器,可在多個仿真器上調試應用程序,并具備網絡協議分析和通信分析的功能。

80年代末以來,多種現場總線技術已逐漸形成其影響并在一些特定的應用領域顯示了自己的優勢。它們各有優勢,顯示出較強的生命力。例如基金會現場總線(FF)是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線 標準。該系列有DPFMSPA三種型號,其中DP型適用于加工自動化領域;FMS型適用于紡織.樓宇自動化,可編程控制器.低壓開關等;PA型則用于 過程自動化。CAN最早由德國BOSCH公司推出,用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。HART最早由ROSEmount公司開發并行到80多家 著名儀表公司的支持,是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號的通信。由于它們在各自范圍內各自為政,不可避免地限制了整個系統的發展,不利于整個系統的系統集成,而我公司開發出的Lonworks產品,分別在釀酒.電力.建筑.工業自動化和化工行業中應用并取得良好的效果。

隨著我國社會 主義現代化建設進程的不斷推進,我國在智能化領域的需求日益劇增。而國際上現有的其他類現場總線所存在的固有局限性,使得它們在應用時受到這樣那樣的約束。LON總線則綜合了當今現場總線的多種功能,同時具備了局域網的一些特點,使得它被廣泛地應用于航空/航天,農業控制、計算機/外圍設備、診斷/監控、電子測量設備、測試設備、醫療衛生、軍事/防衛、辦公室設備系統、機器人、安全警衛、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設備等領域。其通用性表明,它 不是針對某一個特殊領域的總線,而是具有可將不同領域的控制系統綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統的網絡技術。

3Profibu現場總線

Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-DpProfibus-FMSProfibus-PA 組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸,適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規范,適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化,而PA型則是用于過程自動化的總線類型,它遵從IEC1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層,由這兩部分形成了其標準第一部分的子集,DP型隱去了37層,而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口,FMS型只隱去第36層,采用了應用層,作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中,其傳輸技術遵從IEC1158-21)標 準,可實現總線供電與本質安全防爆。


Porfibus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。主站具有對總線的控制權,可主動發送信息。對多主站系統來說,主站之間采用令牌方式傳遞信息,得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有總線控制權,共事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。按Profibus的通信規范,令牌在主站之間按地址編號順序,沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時,可以按主—從方式,向從站發送或索取信息,實現點對點通信。主站可采取 對所有站點廣播(不要求應答)或有選擇地向一組站點廣播。Profibus的傳輸速率為9612kbps最大傳輸距離在12kbps時為 1000m15Mbps時為400m,可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線,也可以是光纜,最多可掛接127個站點。

4CAN現場總線

CAN是控制網絡ControlAreaNetwork的簡稱,最早由德國BOSCH公司推出,用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范 現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準,得到了MotorolaIntelPhilipsSiemensNEC等公司的支持,已廣泛應用在離散 控制領域。CAN協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的,不過,其模型結構只有3層,只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂上層的應用 層。其信號傳輸介質為雙絞線,通信速率最高可達1Mbps/40m,直接傳輸距離最遠可達10km/kbps,可掛接設備最多可達110個。

CAN的信號傳輸采用短幀結構,每一幀的有效字節數為8個,因而傳輸時間短,受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時,具有自動關閉的功能以切斷該節點與總線的聯系,使總線上的其它節點及其通信不受影響,具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作,網絡上任何節點均在任意時刻主動向其它節點發送信息,支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發送數據。它采用總線仲裁技術,當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時,優先級高的節點可繼續傳輸數據,而優先級低的節點則主動停止發送,從而避免了總線沖突。已有多家公司開發生產了符合CAN協議的通信芯片,如Intel公司的82527Motorola公司的 MC68HC05X4Philips公司的82C250等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡,具有接口簡單、編程方便、開發系統價格便宜等優點。

5Devicenet現場總線

Devicenet是一種低成本的通訊總線。它將工業設備(如:限位開關,光電傳感器,閥組,馬達啟動器,過程傳感器,條形碼讀取器,變頻驅動器,面板顯示器和操作員接口)連接到網絡,從而消除了昂貴的

硬接線成本。直接互連性改善了設備間的通訊,并同時提供了相當重要的設備級診斷功能,這是通過硬接線I/O接口很難實現的。

Devicenet是一種簡單的網絡解決方案,它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時,減少了配線和安裝工業自動化設備的成本和時間。 DeviceNet不僅僅使設備之間以一根電纜互相連接和通訊,更重要的是它給系統所帶來的設備級的診斷功能。該功能在傳統的I/O上是很難實現的。

Devicenet是一個開放的網絡標準。規范和協議都是開放的,供貨商將設備連接到系統時,無需為硬件,軟件或授權付費。任何對DeviceNet技 術感興趣的組織或個人都可以從開放式DeciceNet供貨商協會(ODVA)獲得DeviceNet規范,并可以加入ODVA,參加對 DeviceNet規范進行增補的技術工作組。

Devicenet的許多特性沿襲于CANCAN總線是一種設計良好的通信總線,它主 要用于實時傳輸控制數據。DeviceNet的主要特點是:短幀傳輸,每幀的最大數據為8個字節;無破壞性的逐位仲裁技術;網絡最多可連接64個節點;數 據傳輸波特率為125kb/s250kb/s500kb/s;點對點、多主或主/從通信方式;采用CAN的物理和數據鏈路層規約。

6HART現場總線

HARTHighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發并得到80多家著名儀表公司的 支持,于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協議,其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信,屬于模擬系統向數字系統轉變過程中工業過程控制的過渡性產品,因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力,得到了較好的發展。

HART通信模型 由3層組成:物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術在420mA模擬信號上迭加一個頻率信 號,頻率信號采用Bell202國際標準;數據傳輸速率為1200bps,邏輯0的信號頻率為2200Hz,邏輯1的信號傳輸頻率為1200Hz。數據鏈 路層用于按HART通信協議規則建立HART信息格式。其信息構成包括開頭碼、顯示終端與現場設備地址、字節數、現場設備狀態與通信狀態、數據、奇偶校驗等。其數據字節結構為1個起始位,8個數據位,1個奇偶校驗位,1個終止位。應用層的作用在于使HART指令付諸實現,即把通信狀態轉換成相應的信息。它 規定了一系列命令;按命令方式工作。它有3類命令,第一類稱為通用命令,這是所有設備理解、執行的命令;第二類稱為一般行為命令,它所提供的功能可以在許 多現場設備(盡管不是全部)中實現,這類命令包括最常用的現場設備的功能庫;第三類稱為特殊設備命令,以便在某些設備中實現特殊功能,這類命既可以在基金會中開放使用,又可以為開發此命令的公司所獨有。在一個現場設備中通常可發現同時存3類命令。


HART支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。按應答應方式工作時的數據更新速率為23/s,按廣播方式工作時的數據更新速率為34/s,它 還可支持兩個通信主設備。總線上可掛設備數多達15個,每個現場設備可有256個變量,每個信息最大可包含4個變量。最大傳輸距離3000mHART采用統一的設備描述語言DDL。現場設備開發商采用這種標準語言來描述設備特性,由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典,主設備運用DDL技術,來理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開發專用接口。但由于這種模擬數字混信號制,導致難以開發出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電,可滿足本安防爆要求。

7CC-Link現場總線

CC-Link Control&CommunicationLink(控制與通信鏈路系統)的縮寫,在199611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,目前在歐洲和北美發展迅速。在其系統中,可以將控制和信息數據同時以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復雜的問題,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。20057CC-Link被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術文件。



8、WorldFIP現場總線

WORLDFIP是法國FIP公司在1988年最先推出的現場總線技術。實際上,WORLDFIP最早提供了現場總線網絡的基本結構,使現場總線系統初步具有了信息化的技術特征。

WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后,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,特別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。

WorldFIP融合了控制技術和信息技術,是一種先進而開放的現場總線。在協議的設計上,一開始就把滿足各種環境下對生產控制的要求和工業用戶的實際需要放在首位,并且考慮了相關技術,尤其是信息技術發展所帶來的影響。開發出的WorldFIP在一條總線上,在單一協議的框架內,在有調度的訪問控制下,既傳輸實時數據、又傳輸隨機信息,兩者之間互不影響,從而既是實時的可預測性的,又是面向未來的可與Internet連接的現場總線。

WorldFIP現場總線采用曼徹斯特編碼方式并利用磁性變壓器隔離,具有良好的抗電磁干擾能力,根據測試,在級干擾條件下,能保證正常通信。因此,非常適用于電磁干擾比較強的場合。

前開發WorldFIP產品具有很多有利條件,如他的技術成熟、資料完整并易獲得、現成產品種類齊全、基礎期間容易得到等。此外還有各種實際應用可供參考。只需不多的投入,在較短的時間內即可完成產品的開發。

9INTERBUS現場總線

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場總線,20002月成為國際標準IEC61158INTERBUS采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型(127),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、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、

此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process-DataA/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。

結束語

現場總線適應了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向,使用現場總線技術必將帶來良好的經濟效益和社會效益。




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