現場總線技術重慶大學羅克韋爾自動化實驗室

1、現場總線技術現場總線的由來 隨著控制、計算機、通信、網絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業(yè)信息系統。現場總線(fieldbus)就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術?，F場總線的由來計算機控制系統檢測輸入設備中央計算機控制輸出設備生產過程檢測變量操作變量現場總線的由來集中式控制系統檢測輸入設備中央計算機控制輸出設備生產過程檢測變量操作變量CRT操作臺現場總線的由來分布式控制系統（DCS）現場總線的由來分布式控制系統

2、（DCS）I/O4-20 mAAnalyzerPLC4-20 mA控制站操作站LAN現場總線的由來基于現場總線的分布式控制系統（FCS）現場總線的定義根據IEC的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向串行傳輸、多線通信的數據總線稱為現場總線?，F場總線的定義現場總線的含義 (1)現場通信網絡 用于過程自動化和制造自動化現場儀表或現場設備互連的通信網絡； (2)現場儀表互連 網絡互連設備是傳感器、變送器、執(zhí)行器、控制器等現場儀表； (3)功能塊分散 構成控制系統的多個功能塊分散在多臺現場儀表或現場設備中； (4)互操作性 不同廠家的現場儀表或現場設備可

3、以互相通信，并可以統一組態(tài)； (5)互連網絡系統 現場儀表和控制室設備之間構成互連網絡系統。現場總線的類型目前國際上是多種現場總線并存，IEC現場總線標準(IEC61158)是迄今為止制定時間最長、投票次數最多、意見分歧最大的國際標準之一。IEC于2000年1月4日公布投票結果。 IEC61158采用以下8種現場總線：類型1：IEC61158技術報告 (即FF H1)類型2：ControlNet (美國Rockwell)類型3：PROFIBUS (德國Siemens)類型4：P-NET (丹麥Process Data)類型5：FF (美國Fisher-Rosemount)類型6：Swift N

4、et (美國Boyin)類型7：World FIP (法國Alston)類型8：Interbus (德國Phoenix Contact)注：IEC現場總線標準的8種類型都是平等的，并要求類型28對類型1提供接口，但不要求類型28之間提供接口?，F場總線的類型除了上述八種類型外，還有其他一些現場總線：Lonworks：美國Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，采用全部7層協議。DeviceNet：由原AB即現在的羅可韋爾公司推出的。CAN：德國BOSCH公司推出的HART：美國Fisher-RosemountAS-I：執(zhí)行器-傳感器接口的，RS-485：不能稱為現場總線，卻是現場總

5、線的鼻祖?，F場總線回顧制定一個統一的現場總線一直沒能實現的原因：每種總線的產生都有其一定的應用背景，如Profibus在制造業(yè)，WorldFIP、FF在過程控制行業(yè)，P_Net在農業(yè)自動化領域。每種總線都有一個或多個大公司，且多是大型跨國公司為背景。如WordFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens公司為主要支持，ControlNet則以Rockwell公司為主要背景。每種總線都力圖開發(fā)其應用領域，以擴張其勢力范圍。每種總線大多將自己作為國家或者地區(qū)標準，以加強自己的競爭地位，如P-Net以成為丹麥標準，Profibus已成為德國標準，WorldFIP已成為法國標準。

6、NetLinx 工業(yè)控制網絡新紀元Rockwell AutomationEthernet,ControlNet,DeviceNet, NetLinx下的三層網絡Information Level(EtherNet/IP)Device Level(DeviceNet)Station MMI24vdc509 -BODModular I/OBlock I/OMicro DriveControl Level(ControlNet)Gateway or Linking DeviceProgrammable Device Support PCMotor StarterMicro PLCOperator I

7、nterfaceDriveServoGateway or Linking DeviceMaintenance PCDesktop PCController以太網絡信息層控制層網絡設備層網絡三層網絡的著眼點信息層： 高速報文傳送 高容量數據共享控制層 高速I/O信息和報文的傳送 有效的數據共享 確定性和可重復性設備層 有類似于控制層的要求，但更強調降低費用、系統調試時間設備網DeviceNet設備網連接工業(yè)現場設備DeviceNet總線含義DeviceNet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術的開放型、符合全球工業(yè)標準的低成本、高性能的通信網絡DeviceNet把可編程序控制器、傳感器、光

8、電開關、操作員終端、電動機保護器、變頻器和軟起動器等現場智能設備連接起來，是分布式控制系統減少現場I/O接口和布線數量，將控制功能下載到現場設備的理想解決方案DeviceNet總線現狀DeviceNet由開放式設備網供貨商協會ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）組織和管理，ODVA是一個負責DeviceNet協議的制定和增補工作的國際組織?，F有供貨商會員316個，已開發(fā)了350多種DeviceNet產品。DeviceNet產品增長勢頭迅猛，在美國和日本，它所占的市場份額已達50%以上，它每年正以高于150%的驚人速度不斷增長幾乎所有世界著名的電器和自

9、動化元件生產上都在大力開發(fā)DeviceNet產品，如ABB、Rockwell、Phoenix、Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等用戶對設備網的要求 布線方便 小尺寸物理設備 低節(jié)點成本增加到相關設備 快速呼應時間 設備組態(tài)和診斷的帶寬 支持控制器/系統 支持多銷售商設備網絡化設備的市場要求減少硬接線減少勞動力開支在許多情況下，減少硬件成本減少起動時間接線錯誤最少診斷功能有助于解決焦急的問題資源快速分配給下一個任務減少停機時間診斷功能提供預兆故障報警診斷功能有助于排除故障減少故障點傳統網絡和DeviceNet網絡的比較Control Networke.g.

10、 DH+,ControlNetRemoteI/ORackA1-5 vDC4-20 ma120 vAC24 vDCTADDI/O 網絡e.g. RIOA1-5 vDC4-20 ma120 vAC24 vDC24vdc509 -BODTADDDevice Network24vdc509 -BODTDeviceNet傳統DeviceNet電纜結構+24VDC ( V+ )+0VDC ( V- )CAN-HCAN-L屏蔽電纜空藍白紅黑它總共有五根線:電力線有+24VDC, 0VDC 通訊線有CAN-H, CAN-L 屏蔽電纜 DeviceNet拓撲結構最長支線是 6m (20ft)終端電阻是 121

11、歐姆TapZero DropShort DropsDaisy Chain max20 feetNodeNodeNodeNodeNodeNodeNode終端電阻主線 TrunkBranching DropNodeNodeNodeNode終端電阻支線節(jié)點DeviceNet連接方式多端口連接器T型分接器干線段 -注塑小型連接器支線 - 注塑連接器 - 0 到 20 英尺. - 小型和微型設備現場安裝干線連接器 -螺紋型 -彎曲型典型的密封型連接方式還有開放式連接菊花鏈路連接方式粗主線 Thick Trunk通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最長主線距離 500m (

12、1640 ft) 250m (820ft) 100m (328 ft)最長支線距離 20 ft 20 ft 20 ft最多節(jié)點 64 64 64細主線 Thin Trunk通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最長主線距離 100m (328 ft) 100m (328ft) 100m (328 ft)最長支線距離 20 ft 20 ft 20 ft最多節(jié)點 64 64 64扁平主線 Flat Trunk通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最長主線距離 420m (1378 ft) 200m (656 ft) 75m (246 ft

13、)最長支線距離 20 ft 20 ft 20 ft最多節(jié)點 64 64 64DeviceNet的性能特點采用基于CAN的廣播方式工作，網絡上任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。(2) 網上可容納64個節(jié)點地址，每個節(jié)點支持的I/O數量沒有限制。(3) 采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低，具有極好的檢錯效果，具有CRC校驗和其它檢錯措施，保證了數據出錯率低。(4) 通信介質為獨立雙絞總線，信號和電源承載于同一電纜。(5) 支持設備的熱插拔，無需網絡斷電。(6) 采用非破壞性逐位仲裁機制，保證了通信的實時性。DeviceNet的網絡介質ThickThinFlat

14、DeviceNet的網絡介質Flat MediaRound MediaDevicePortDeviceLinkDeviceBoxT-PortKwikLinkTrunk CableDrop CableAccessoriesFlat CableDeviceNet上的設備-掃描器設備網的管理者DeviceNet Scaner 網絡掃描器DeviceNet上的設備-傳感器各種傳感器DeviceNet上的設備-操作界面DeviceNet上的設備-電力設備小型電機控制器中型變頻調速器電機保護器變頻器通訊適配器電機啟動器DeviceNet上的設備-I/O設備深入到現場的輸入/輸出設備DeviceNet具體實

15、例控制網ControlNet控制網概貌ControlNet 的歷史與發(fā)展ControlNet最早于1995年10月面世。1997，7月由Rockwell等22家企業(yè)聯合發(fā)起成立了ControlNet International 組織，Rockwell 公司把技術轉讓給了該組織。該組織是非盈利性的，主要負責推廣、發(fā)展ControlNet技術，提供測試和組織培訓等。ControlNet Internatinal 組織也取得了很大的發(fā)展、，到目前成員公司已擴大到50多個。ABB Roboties、Honeywell Inc.、Omron Electronics Inc.等。ControlNet In

16、ternational 組織的網址是http:/工業(yè)界對控制層網絡的要求實時功能確定性和可重復性控制器之間的互鎖對等報文發(fā)送診斷功能使停機時間最小人機界面 (MMI) 支持編程24vdc509 -BODInformationDiscrete DeviceAutomation and ControlProcess DeviceFTPControlNet的使命在單根實際電纜上支持兩種類型的信息傳輸：對時間有苛求的控制和I/O數據：I/O刷新和對等互鎖指定最高的優(yōu)先權確定性和可重復性無時間苛求信息：報文發(fā)送和程序上載/下載指定較低的優(yōu)先權不允許犧牲控制和I/O數據功能為了建立羅克韋爾自動化和其它自動

17、化系統供應商控制體系結構，必須提供可靠的高速應用信息傳輸。ControlNet的主要技術特點網絡功能：同一鏈路支持控制信息、I/O數據、編程數據網絡的拓撲：線形、星形、樹型、以及以上的任何拓撲的混合網絡速度：5Mbit/s（最大）單網絡長度：（同軸電纜）1000m帶2個節(jié)點，250m帶48個節(jié)點。（光纖） 3000m網絡節(jié)點數：99個最大可編址節(jié)點，不帶中繼器的網段最多48個節(jié)點I/O數據觸發(fā)方式：論詢（Poll），周期性發(fā)送（Cyclic）/狀態(tài)改變發(fā)送（Change of State)網絡刷新時間：可組態(tài)2100ms數據分組大小：可變長0 510字節(jié)網絡和系統特性：可帶電插拔，確定性和可重

18、復性。ControlNet的拓撲結構R段 # 3段#4RRRR“樹型”段 # 1段 # 2RR段 # 1RR段 # 4R段 # 2“星型”段 # 3段 # 6R= 中繼器ControlNet用戶獲得的利益靈活的控制系統體系結構I/O控制和編程在同一網絡上完成從每個節(jié)點，甚至適配器上進行網絡存取使用戶編程過程簡單化和增加功能用戶可選擇控制和I/O刷新速率刷新速率恒定，可增加或減少節(jié)點對遠程邏輯機架消除塊傳輸編程在線反饋帶寬利用率開放網絡對其它自動化供應商可用技術參數和網絡技術規(guī)范羅克韋爾自動化產品PLC-5Cs, 1771 and Flex I/O適配器, PanelView MMI, PC卡,

19、交流變頻器, 電動機保護器, 編程和組態(tài)ControlNet用戶獲得的利益高速 (5 Mb/s) 控制和I/O網絡改進I/O性能改進對等通信靈活的安裝方式可以在干線的任何地方安裝設備可選冗余介質在同一物理鏈路上支持多達99個節(jié)點先進網絡能力確定性 - 知道數據傳輸的時刻可重復性 - 傳輸時間恒定，甚至當設備接入網絡或折除時生產者/客戶模式：多主結構，多信道廣播輸入和對等通信ControlNet上的設備-變頻器變頻調速器控制網適配器模塊（同軸電纜方式）ControlNet上的設備-變頻器非冗余光纜轉換器TX RX冗余介質TX RX變頻器控制網適配器模塊（光纜方式）ControlNet上的設備I/

20、O輸入輸出設備操作員面板計算機接口卡“Old Way” = 源/目標方式通常被主/從方式所采用“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“New Way” = 生產者/消費者方式also referred to as “Publisher/Subscriber”contains all Source/Destination capabilities, plus additional capabilities for improved efficiencyNe

21、tLinx的基本技術設置控制數據采集生產者/消費者服務方式NetLinx網絡的三大功能Controller控制器 Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O 傳輸效率非常低 - RIO, Profibus, Interbus S傳統控制方式-源/目標方式Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O Change-of-State 狀態(tài)改變 - Sensor produces data only when object is present. C

22、yclic 周期性循環(huán)- Analog I/O can send one value (pressure) every 50 ms, and another value (temperature) every 500 msMulticast 多點傳送- simultaneous data consumption. 傳輸效率非常高使用NetLinx技術的控制方式如果支持通過網絡進行設置，常常需要在主站中編程否則就需要點對點的進行設置Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Programmable Device SupportHMIAnalog I/O ( EN )

23、( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words傳統的設備配置方式Very Efficient, devices communicate directly - not through bottlenecks編程器直接通過網絡進行編程通過網絡直接對設備進行組態(tài)Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Programmable Device SupportHMIA

24、nalog I/O ( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words使用NetLinx技術的設備配置方式Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O 主站通過輪詢的方式采集數據主站通過邏輯梯形圖程序獲取數據數據需要被存儲后進行轉發(fā)( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Si

25、ze: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words傳輸效率低下DH+ & RIO, Profibus FMS & DP 等網絡傳統的數據采集方式設備數據通過廣播方式進行傳輸任何設備都可以消費/享用數據減少信息量，無需編程高效率地利用了網絡帶寬和處理器能力Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O ( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words使用NetLinx技術的數據采集方式信息層網絡以太網絡HostComputerRSLinx &INTERCHANGESoftwareRSViewSoftwarePLC-5EsRSLinxDDE ServerProgrammi