現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介_(kāi)第1頁(yè)
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五、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介現(xiàn)場(chǎng)總線主要的總線類(lèi)型:FF、ProfiBus、ControlNet、P-Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、InterBus、CAN……現(xiàn)狀:各有各的規(guī)范,很難相互(互不)兼容現(xiàn)場(chǎng)總線既是通信網(wǎng)絡(luò),又是自控系統(tǒng)。作為通信網(wǎng)絡(luò),全數(shù)字通信系統(tǒng)要求信號(hào)和信息能夠準(zhǔn)確、及時(shí)到位,同時(shí)還具有節(jié)點(diǎn)分散、報(bào)文簡(jiǎn)短等特征。作為自控系統(tǒng),它所傳輸?shù)男畔⒅苯雨P(guān)系到生產(chǎn)工藝、設(shè)備的正常性和安全性,其顯著特征是是一種由網(wǎng)絡(luò)集成的自動(dòng)化系統(tǒng)。

“安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表和控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”(IEC61158定義)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備--專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表,使它們各自都具有數(shù)字處理、計(jì)算、控制和通信能力,成為能獨(dú)立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)?,F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)--用公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)總線把各種測(cè)量控制儀表、自動(dòng)控制裝置等作為節(jié)點(diǎn)連接成具有全數(shù)字通信功能的分布式控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之,它把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?,F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特征:全數(shù)字化(數(shù)字通信延伸到工業(yè)控制系統(tǒng)的最底層)全分布式(各現(xiàn)成設(shè)備有足夠的自主性)雙向傳輸開(kāi)放性(現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)成為一種開(kāi)放技術(shù))互操作性(保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化和自治性……本意:排他的和聯(lián)合的

現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)有數(shù)百種之多常見(jiàn)的有數(shù)十種※1999年制定的IEC61158Ed.2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)只是一種模式,8種類(lèi)型都是平等的※IEC標(biāo)準(zhǔn)的其中Type2~Type8需要對(duì)Type1提供接口,而標(biāo)準(zhǔn)本身不要求Type2~Type8之內(nèi)提供接口,用戶在應(yīng)用各類(lèi)型時(shí)仍可使用各自的行規(guī),其目的就是為了保護(hù)各自的利益。IEC61158Type1:IEC61158技術(shù)報(bào)告★Type2:ControlNetType3:Profibus★Type4:P-NetType5:FFHSE★Type6:SwiftNETType7:WorldFIPType8:Interbus以上8種總線采用完全不同的通信協(xié)議!IEC61158Ed.2IEC61158Ed.3為了反映現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的最新發(fā)展,IEC/SC65C/MT9小組對(duì)IEC61158第二版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)充和修訂,新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了10種類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線,除原有的8種類(lèi)型,還增加了Type9FFH1

現(xiàn)場(chǎng)總線和Type10PROFINET

現(xiàn)場(chǎng)總線。2003年4月,IEC61158Ed.3現(xiàn)場(chǎng)總線第三版正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61158Type1:TS61158Type2:ControlNetEthernet/IPType3:ProfibusType4:P-NetType5:FFHSEType6:SwiftNETType7:WorldFIPType8:InterbusType9:FFH1Type10:ProfiNetIEC61158Ed.4--2007長(zhǎng)期以來(lái),由于現(xiàn)場(chǎng)總線爭(zhēng)論不休,互連、互通與互操作問(wèn)題很難解決,于是現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)始轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)。經(jīng)過(guò)近幾年的努力,以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛接受。為了滿足高實(shí)時(shí)性能應(yīng)用的需要,各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案,從而產(chǎn)生了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(RealTimeEthernet,簡(jiǎn)稱RTE)從IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成來(lái)看,該系列標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期技術(shù)爭(zhēng)論而逐步走向合作的產(chǎn)物,標(biāo)準(zhǔn)采納了經(jīng)過(guò)市場(chǎng)考驗(yàn)的20種主要類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)。亮點(diǎn):EPA(標(biāo)志著由浙江大學(xué)、浙江中控技術(shù)有限公司、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位聯(lián)合制定的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用于工廠自動(dòng)化的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)得到國(guó)際電工委員會(huì)的正式承認(rèn))IEC61158Ed.4幾個(gè)具體問(wèn)題的分析(1)FCS與DCS的比較FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,F(xiàn)CS順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流,這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識(shí)。FCS在開(kāi)放性、控制分散等諸多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)DCS,代表著自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向與潮流。DCS則代表傳統(tǒng)與成熟,DCS以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占居著一個(gè)尚不可完全替代的地位。影響FCS發(fā)展、制約FCS應(yīng)用的原因主要有三方面:①技術(shù)原因②商務(wù)原因③用戶原因①技術(shù)原因產(chǎn)品單一,優(yōu)越性還難以得到全部發(fā)揮。暫時(shí)還無(wú)法提供DCS已有的控制,復(fù)雜功能還無(wú)法在總線儀表中實(shí)現(xiàn)……結(jié)論:二者各具優(yōu)勢(shì),F(xiàn)CS將逐步取代DCS主導(dǎo)控制系統(tǒng)地位,但并不意味DCS消亡②商務(wù)原因價(jià)格昂貴(FCS本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字化,網(wǎng)絡(luò)化從控制室擴(kuò)展到“現(xiàn)場(chǎng)”)結(jié)論:現(xiàn)場(chǎng)總線不是低成本簡(jiǎn)易產(chǎn)品③用戶原因

FCS成功的應(yīng)用實(shí)例不多,習(xí)慣勢(shì)力不愿冒風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)論:充分利用已有的DCS設(shè)施,基于現(xiàn)有DCS的系統(tǒng)以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS不失為當(dāng)前的應(yīng)選之途

(2)計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的比較現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)就是一種通信技術(shù),計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)從各個(gè)方面影響現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。但二者在基本功能、信號(hào)傳輸要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上均有所不同。①基本功能前者的基本功能是“可靠地傳遞信息”,而后者則包括了更多的內(nèi)容:①高效、低成本地實(shí)現(xiàn)儀表及自控設(shè)備間的全數(shù)字化通信,體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性②解決現(xiàn)場(chǎng)裝置的總線供電問(wèn)題,及總線的本質(zhì)安全,體現(xiàn)其安全性;③解決環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題,如電磁干擾、環(huán)境溫濕度、振動(dòng)等,體現(xiàn)其可靠性;④現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)控制裝置要盡可能地就地處理信息,不要將信息過(guò)多地在網(wǎng)絡(luò)上往返傳遞,以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)——信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。

②信號(hào)傳輸要求

二者在“快”的要求上是一致的一般通信系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性是一種“軟”的要求,即只要大部分時(shí)間滿足要求現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)實(shí)時(shí)性是“硬”的要求,它往往涉及安全,不允許有不確定性現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間和循環(huán)周期二個(gè)方面:響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)生特殊請(qǐng)求或發(fā)生突發(fā)事件時(shí),(檢測(cè)儀表--信息-→主控設(shè)備--信息-→執(zhí)行器)信息轉(zhuǎn)遞所需的時(shí)間,過(guò)程控制系統(tǒng)通常并不要求這個(gè)時(shí)間達(dá)到最短,但它要求最大值是預(yù)先可知的。過(guò)程控制系統(tǒng)通常需要周期性地與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行信息交流,循環(huán)周期是指系統(tǒng)與所有現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備都至少完成一次通信所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間往往具有一定的隨機(jī)性,過(guò)程控制系統(tǒng)同樣希望其最大值是可預(yù)知的?,F(xiàn)場(chǎng)總線通常采用以下二種技術(shù)來(lái)保證其實(shí)時(shí)性:一是簡(jiǎn)化技術(shù)。 簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)總線一般將網(wǎng)絡(luò)形式簡(jiǎn)化成線形; 簡(jiǎn)化通信模型,一般只利用了OSI/RM中的2~3層; 簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)信息,通常簡(jiǎn)化到只有幾字節(jié)。

經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化,可以極大地提高通信傳遞速度。二是采用網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性并保證其可預(yù)知性。 例如:采用主-從訪問(wèn)方式,只要限制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模,就可以將響應(yīng)時(shí)間控制在指定的時(shí)間內(nèi)。總而言之:實(shí)時(shí)性要求(降低不確定性)是現(xiàn)場(chǎng)總線區(qū)別一般計(jì)算機(jī)通信的主要因素③網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的,節(jié)點(diǎn)間的通信路徑是不固定的大部分現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)是線狀的,節(jié)點(diǎn)間的通信路徑是比較固定的如果線狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線上某支路斷開(kāi)了以后,這條支路就可能完全癱瘓,而一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則沒(méi)有這種問(wèn)題,信息還可以通過(guò)選擇其它路由進(jìn)行傳遞??傊含F(xiàn)場(chǎng)總線并不僅僅是一項(xiàng)通信技術(shù),它是通信技術(shù)、儀表智能化技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。目前并不是所有的現(xiàn)場(chǎng)總線都滿足了上述要求,但這些要求是用于過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線所追求的目標(biāo)。FB采用線狀結(jié)構(gòu)的原因在于:

①容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的總線供電。一條線狀結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線支路上的電源負(fù)載是確定的,沿總線電源電壓的變化也是可以預(yù)料的。

②容易實(shí)現(xiàn)本安防爆規(guī)范。目前的本安防爆主導(dǎo)理論還是認(rèn)為,電纜的分布電感、電容以及由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的火花能量,都是隨著電纜的長(zhǎng)度而增加。現(xiàn)場(chǎng)總線由于限制電纜的長(zhǎng)度和總線上負(fù)載的數(shù)量,可以較好的解決本安防爆問(wèn)題。

(3)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本身來(lái)分析,它有兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì): 一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 二是IndustrialEthernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上,在實(shí)時(shí)性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要,是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后發(fā)展起來(lái),最被認(rèn)同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)就是以太網(wǎng)技術(shù)辦公自動(dòng)化走向工業(yè)自動(dòng)化以太網(wǎng)技術(shù)具有最最廣泛的應(yīng)用背景(指商用以太網(wǎng)),是促使工業(yè)以太網(wǎng)得到廣泛認(rèn)同和重視的最直接因素之一。Ethernet產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)七十年代采用星型或總線型結(jié)構(gòu)傳輸速率當(dāng)時(shí)僅為幾M(目前已達(dá)千兆以上)傳輸介質(zhì):屏蔽(非屏蔽)雙絞線、光纖、同軸電纜CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)為什么以前不用Ethernet?以太網(wǎng)存在所謂的“不確定性”??!EtherNet的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議:CSMA/CD“先聽(tīng)后說(shuō)”、“邊聽(tīng)邊說(shuō)”負(fù)荷大時(shí),網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生碰撞響應(yīng)時(shí)間無(wú)法預(yù)知,實(shí)時(shí)性得不到保證自1984年現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生~2000年現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,國(guó)際上均沒(méi)有采用以太網(wǎng)作現(xiàn)場(chǎng)總線因此以太網(wǎng)通信存在不確定性,在90年代中期之前,幾乎所有的控制系統(tǒng)均不選用以太網(wǎng),而選用令牌總線或令牌環(huán)(其實(shí)問(wèn)題并沒(méi)有那么嚴(yán)重)設(shè)備D1時(shí)間①發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)是否空閑②網(wǎng)絡(luò)空閑,發(fā)送數(shù)據(jù);邊發(fā)送,邊檢測(cè)碰撞③檢測(cè)到碰撞,即同一時(shí)刻有多于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備D2設(shè)備D3③①②④停止發(fā)送④⑤繼續(xù)等待一段時(shí)間通信機(jī)理示意工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展得益于以下幾方面因素(確定性問(wèn)題):通信速率的提高,意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕、傳輸延時(shí)減少、碰撞概率下降;以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展,極大地減輕了碰撞問(wèn)題負(fù)荷越小,碰撞越少;E網(wǎng)負(fù)荷在10%以下時(shí),基本無(wú)碰撞負(fù)荷在25%以下時(shí),E網(wǎng)通信響應(yīng)時(shí)間明顯短于令牌網(wǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)傳輸?shù)男畔⒘可?,信息長(zhǎng)度都比較小周期性信息較多【測(cè)量、控制信息】非周期性信息較少用戶操作指令、組態(tài)信息等等報(bào)警等突發(fā)性事件信息網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn)信息流向具有明顯的方向性節(jié)點(diǎn)數(shù)少“不確定性”不再是E網(wǎng)的主要障礙E網(wǎng)通信速率的提高以太網(wǎng)交換技術(shù)的應(yīng)用報(bào)文優(yōu)先級(jí)的處理當(dāng)然,工業(yè)以太網(wǎng)還有很多問(wèn)題需要(或正在)解決:

統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)安全的問(wèn)題、安全防爆的問(wèn)題等等總線供電技術(shù)本質(zhì)安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)通信實(shí)時(shí)性服務(wù)質(zhì)量(QoS)互可操作技術(shù)網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)……“e網(wǎng)到底”

控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)Web服務(wù)器

操作站

工程師站

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)冗余以太網(wǎng)EPAEthernet不僅僅用作高層網(wǎng)絡(luò),而且希望將它直接和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接,實(shí)現(xiàn)自下而上的Ethernet集成,即所謂“e網(wǎng)到底”“e網(wǎng)

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