9.现场总线和工业以太网简介_机械/仪表_工程科技_专业资料。五、现场总线和工业以太网简介—计算机控制装置—1 现场总线“安装在生产过程区域的现场设备、仪表和控制室内的自动控制装臵、系 统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线
五、现场总线和工业以太网简介—计算机控制装置—1 现场总线“安装在生产过程区域的现场设备、仪表和控制室内的自动控制装臵、系 统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线定义）主要的总线类型：FF、ProfiBus、ControlNet、P－Net、FF HSE 、 SwiftNet、WorldFIP、InterBus、CAN……现状：各有各的规范，很难相互 (互不)兼容 现场总线既是通信网络，又是自控系统。 作为通信网络，全数字通信系统要求信号和信息能够准确、及时到位，同 时还具有节点分散、报文简短等特征。 作为自控系统，它所传输的信息直接关系到生产工艺、设备的正常性和安 全性，其显著特征是是一种由网络集成的自动化系统。 —计算机控制装置—2 现场总线设备－－专用微处理器臵入传统的测量控制仪表，使它们各自都 具有数字处理、计算、控制和通信能力，成为能承担某些控制、通信 任务的网络节点。 现场总线控制系统－－用公开、规范的通信协议标准，通过总线把各种测 量控制仪表、自动控制装臵等作为节点连接成具有全数字通信功能的分布 式控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共 同完成自控任务的网络系统与控制系统。—计算机控制装置—3 现场总线控制系统的技术特征：? ? ? ? ? ? ? ? 全数字化（数字通信延伸到工业控制系统的最底层） 全分布式（各现成设备有足够的自主性） 双向传输 性（现场总线应成为一种技术） 互操作性（不同厂家的产品可以互操作） 控制系统结构高度分散性 现场设备的高度智能化和自治性 ……—计算机控制装置—4 IEC61158 Ed.2IEC 61158Type1：IEC 61158技术报告★ Type2：ControlNet本意：排他的和联合的现场总线种类有数百种之多常见的有数十种 ※1999年制定的IEC 61158 Ed.2国际 标准只是一种模式， 8种类型都是 平等的 ※IEC标准的其中Type2～Type8需要 对Type1提供接口，而标准本身不 要求Type2～Type8之内提供接口， 用户在应用各类型时仍可使用各自 的行规，其目的就是为了各自 的利益。5Type3：Profibus ★Type4：P－Net Type5：FF HSE ★ Type6：SwiftNET Type7：WorldFIP Type8：Interbus以上8种总线采用完全不同的通信协议！ —计算机控制装置— IEC61158 Ed.3IEC 61158 Type1：TS 61158为了反映现场总线与工业以太网技Type2：ControlNet Ethernet/IPType3：Profibus Type4：P－Net Type5：FF HSE Type6：SwiftNET Type7：WorldFIP Type8：Interbus Type9：FF H1 Type10：ProfiNet术的最新发展，IEC/SC65C/MT9小组对IEC61158 第二版标准进行 了扩充和修订，新版标准了10 种类型现场总线 种类 型，还增加了Type9 FF H1 现场总 线 PROFINET 现场总线现场总线第三版正式成为国际标准。—计算机控制装置—6 IEC61158 Ed.4--2007长期以来，由于现场总线争论不休，互连、互通与互操作问题很难解 决，于是现场总线开始转向以太网。经过近几年的努力，以太网技术 已经被工业自动化系统广泛接受。为了满足高实时性能应用的需要， 各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决 方案，从而产生了实时以太网（Real Time Ethernet，简称RTE）从IEC61158 Ed.4标准的构成来看，该系列标准是经过长期技术争论 而逐步合作的产物，标准采纳了经过市场的20种主要类型的 现场总线、工业以太网。 亮点：EPA（标志着由浙江大学、浙江中控技术有限公司、中科院沈 阳自动化所、重庆邮电学院、大学、大连理工大学等单位联合制 定的、拥有自主知识产权的用于工厂自动化的实时以太网通信标准得 到国际电工委员会的正式承认） —计算机控制装置—7 IEC61158 Ed.4—计算机控制装置—8 几个具体问题的分析—计算机控制装置—9 (1) FCS与DCS的比较FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS了自动控制系统的发展潮流，这 已是业内人士的基本共识。 FCS在性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制系统 的发展方向与潮流。 DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而 占居着一个尚不可完全替代的地位。影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有三方面：① 技术原因② 商务原因③ 用户原因—计算机控制装置—10 ① 技术原因? 产品单一，优越性还难以得到全部发挥。 ? 暂时还无法提供DCS已有的控制，复杂功能还无法在总线仪表中实现 ……结论：二者各具优势，FCS将逐步取代DCS主导控制系统地位，但并不意味DCS② 商务原因 ? 价格昂贵(FCS本质优点是数字化，网络化从控制室扩展到“现场”)结论：现场总线不是低成本简易产品③ 用户原因 ? FCS成功的应用实例不多，习惯不愿冒风险。结论：充分利用已有的DCS设施，基于现有DCS的系统以及成熟的DCS控制管理方式 来实现FCS不失为当前的应选之途—计算机控制装置—11 (2)计算机通信技术与现场总线技术的比较现场总线的本质就是一种通信技术，计算机通信技术的发展会从各个方面影响现 场总线的发展。但二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上均有所不同。①基本功能 前者的基本功能是“可靠地传递信息”，而后者则包括了更多的内容：①高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，体现其经济性 ②解决现场装臵的总线供电问题，及总线的本质安全，体现其安全性；③解决适应性问题，如电磁干扰、温湿度、振动等，体现其可靠性；④现场仪表及现场控制装臵要尽可能地就地处理信息，不要将信息过多地在网络 上往返传递，以体现现场总线技术发展趋势——信息处理现场化。—计算机控制装置—12 ②信号传输要求二者在“快”的要求上是一致的 一般通信系统对实时性是一种“软”的要求，即只要大部分时间满足要求 现场总线对实时性是“硬”的要求，它往往涉及安全，不允许有不确定性 现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期二个方面： 响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，（检测仪表－－信息－→ 主控设备－－信息－→执行器）信息转递所需的时间，过程控制系统通常 并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的。 过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交流，循环周期是指 系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间。这个时间往往具有 一定的随机性，过程控制系统同样希望其最大值是可预知的。—计算机控制装置—13 现场总线通常采用以下二种技术来其实时性：一是简化技术。 简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线形； 简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3层； 简化节点信息，通常简化到只有几字节。 经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。 二是采用网络管理技术来实现实时性并其可预知性。 例如:采用主-从访问方式，只要网络的规模，就可 以将响应时间控制在指定的时间内。 总而言之：实时性要求（降低不确定性）是现场总线区别一般计算 机通信的主要因素 —计算机控制装置—14 ③网络结构如果线状结构的现场总线上某支断开 了以后，这条支就可能完全瘫痪，而 一般的网络系统则没有这种问题，信息 还可以通过选择其它由进行传递。计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信径是不固定的大部分现场总线的结构是线 状的，节点间的通信径是比较固定的FB采用线状结构的原因在于： ① 容易实现对现场仪表的总线供电。 总之：现场总线并不仅仅是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能 一条线状结构现场总线支上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的化技术及自动控制技术的结合产物。变化也是可以预料的。 目前并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过 ② 容易实现本安防爆规范。 程控制的现场总线所追求的目标。 目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电 磁产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限 制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题。15—计算机控制装置— (3) 现场总线技术的发展趋势从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准 二是Industrial Ethernet工业控制网络—计算机控制装置—16 工业以太网工业以太网是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计上，在实时性、可 靠性、适应性等方面满足工业现场的需要，是继现场总线之后发展起来， 最被认同也最具发展前景的一种工业通信网络。 工业以太网的本质就是以太网技术办公自动化工业自动化以太网技术具有最最广泛的应用背景（指商用以太网），是促使工业以太网 得到广泛认同和重视的最直接因素之一。? Ethernet产生于上个世纪七十年代 ? 采用星型或总线型结构 ? 传输速率当时仅为几 M（目前已达千兆以上） 为什么以前不用 Ethernet？? 传输介质：屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆? CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection ） —计算机控制装置—17 以太网存在所谓的“不确定性”！！? EtherNet的介质访问控制协议：CSMA/CD ? “先听后说”、“边听边说” ? 负荷大时，网络会发生碰撞 –响应时间无法预知，实时性得不到 –自1984年现场总线年现场总线国际标准发布，国 际上均没有采用以太网作现场总线 因此以太网通信存在不确定性，在90年代中期之前，几乎所有的控 制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环（其实问题并没 有那么严重） —计算机控制装置—18 通 信 机 理 示 意设备D1 设备D2 设备D3①发送数据前先侦听网络是否空闲 ②网络空闲，发送数据；边发送，边检测碰撞②① ④时间③③检测到碰撞，即同一时刻有多于两个节点发送数据 ④停止发送 ⑤继续等待一段时间19—计算机控制装置— 工业以太网的发展得益于以下几方面因素(确定性问题）： 1. 2. 通信速率的提高，意味着网络负荷减轻、传输延时减少、碰撞概率下降； 以太网交换技术的发展，极大地减轻了碰撞问题负荷越小，碰撞越少； ? ? E网负荷在10%以下时，基本 无碰撞 负荷在25%以下时，E网通信 响应时间明显短于令牌网—计算机控制装置—20 工业控制网络通信特点? 传输的信息量少，信息长度都比较小 – – 周期性信息较多【测量、控制信息】 非周期性信息较少 ? ? – – – 用户操作指令、组态信息等等 报警等突发性事件信息 ? E网通信速率的提高 ? 以太网交换技术的应用 ? 报文优先级的处理网络负荷较为平稳 信息流向具有明显的方向性 节点数少“不确定性”不再是E网的主要障碍—计算机控制装置—21 当然，工业以太网还有很多问题需要（或正在）解决：统一国际标准的问题、网络安全的问题、安全防爆的问题等等? 总线供电技术 ? 本质安全技术 ? 网络安全技术 ? 通信实时性服务质量（QoS）? 互可操作技术? 网络性技术 ? ……—计算机控制装置—22 “e网到底”Web服务器Internet以太网远程节点管理层网络Ethernet不仅仅用作高层网络，而且希望操作站 冗余 工程师站 将它直接和现场设备连接，实现自下而 控制层网络 以太网上的Ethernet集成，即所谓“e网到底”EPA—计算机控制装置—现场设备层 网络23 “e网到底”能带来什么好处? 享受现场总线技术的一切好处– 包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集 成权等。? 具有很强的可持续发展力? 无需专门培训，可利用以太网的大量现有技术? 无需大量专用软件，可利用IE等通用浏览器远程 控制现场 ? 对用户的技术要求降低—计算机控制装置—24 FF HSEEthernet/IP PROFINet 现场总线标准争了十多年，没有统一，工业以太网标准或许也会这样。 MODBUS TCP 如许多著名的现场总线标准都在向工业以太网方向发展： P-NET on Ethernet Interbus on Ethernet—计算机控制装置—25
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