工控领域最流行的九大现场总线

精品文档 1欢迎下载 工控领域最流行的九大现场总线工控领域最流行的九大现场总线 2012 07 27 11 55 57 来源 OFweek 工控网 我要分享 评论投稿订阅 导读 导读 现场总线技术的兴起 开辟了工厂底层网络的新天地 它将促进企业网络的快速发 展 为企业带来新的效益 因而会得到广泛的应用 并推动自动化相关行业的发展 现场总线 Fieldbus 是 20 世纪 80 年代末 90 年代初国际上发展形成的 用于现场 总线技术过程自动化 制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络 它 作为工厂数字通信网络的基础 沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理 层次之间的联系 它不仅是一个基层网络 而且还是一种开放式 新型全分布控制系统 这项以智能传感 控制 计算机 数字通讯等技术为主要内容的综合技术 已经受到世界 范围的关注 成为自动化技术发展的热点 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革 国际上许多实力 有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发 现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层 作为工厂设备级基础通讯网络 要求具有 协议简单 容错能力强 安全性好 成本低的特点 具有一定的时间确定性和较高的实时 性要求 还具有网络负载稳定 多数为短帧传送 信息交换频繁等特点 由于上述特点 现场总线系统从网络结构到通讯技术 都具有不同上层高速数据通信网的特色 一般把现场总线系统称为第五代控制系统 也称作 FCS 现场总线控制系统 人们 一般把 50 年代前的气动信号控制系统 PCS 称作第一代 把 4 20mA 等电动模拟信号控制系 统称为第二代 把数字计算机集中式控制系统称为第三代 而把 70 年代中期以来的集散式 分布控制系统 DCS 称作第四代 现场总线控制系统 FCS 作为新一代控制系统 一方面 突 破了 DCS 系统采用通信专用网络的局限 采用了基于公开化 标准化的解决方案 克服了 封闭系统所造成的缺陷 另一方面把 DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构 变成了新 型全分布式结构 把控制功能彻底下放到现场 可以说 开放性 分散性与数字通讯是现 场总线系统最显著的特征 现场总线技术展望与发展趋势现场总线技术展望与发展趋势 现场总线技术的发展应体现为两个方面 一个是低速现场总线领域的继续发展和完善 另一个是高速现场总线技术的发展 精品文档 2欢迎下载 目前现场总线产品主要是低速总线产品 应用于运行速率较低的领域 对网络的性能 要求不是很高 从应用状况看 无论是 FF 和 Profibus 还是其他一些现场总线 都能较 好地实现速率要求较慢的过程控制 因此 在速率要求较低的控制领域 谁都很难统一整 个世界市场 而现场总线的关键技术之一是互操作性 实现现场总线技术的统一是所有用 户的愿望 今后现场总线技术如何发展 如何统一 是所有生产厂商和用户十分关心的问 题 高速现场总线主要应用于控制网内的互连 连接控制计算机 PLC 等智能程度较高 处理速度快的设备 以及实现低速现场总线网桥间的连接 它是充分实现系统的全分散控 制结构所必须的 目前这一领域还比较薄弱 因此 高速现场总线的设计 开发将是竞争 十分激烈的领域 这也将是现场总线技术实现统一的重要机会 而选择什么样的网络技术 作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题 国际上现场总线的研究 开发 使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢 走上开放发展的征程 这对中国现场总线 控制系统的发展是个极好的机会 也是一次严峻的挑战 自动化系统的网络化是发展的大 趋势 现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的 现在网络技术日新月异 发 展十分迅猛 一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中 这些 具有发展前景的现场总线技术有 智能仪表与网络设备开发的软硬件技术 组态抗术 包 括网络拓扑结构 网络设备 网段互连等 网络管理技术 包括网络管理软件 网络数据 操作与传输 人机接口 软件技术 现场总线系统集成技术 由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化 FA 发展到系统自动化 工厂自动化信 息网络可分为以下三层结构 工厂管理级 车间监控级 现场设备级 而现场总线是工厂 底层设备之间的通信网络 这里先介绍一下以太网 本文特指工业以太网 工业以太网是 作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议 按习惯主要指 IEEE802 3 协议 如果进一步 采用 TCP IP 协议族 则采用 以太网 TCP IP 来表示 其技术特点主要适合信息管理 信 息处理系统 并在 IT 业得到了巨大的成功 在工厂管理级 车间监控级信息集成领域中 精品文档 3欢迎下载 工业以太网已有不少成功的案例 在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用 由 于现场总线目前种类繁多 标准不一 很多人都希望以太网技术能介入设备低层 广泛取 代现有现场总线技术 施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者 目前已有一批工业 级产品问世和实际应用 可是就目前而言 以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题 大部分现场层仍然会首选现场总线技术 由于技术的局限和各个厂家的利益之争 这样一 个多种工业总线技术并存 以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间 用户可以根据 技术要求和实际情况来选择所需的解决方案 现场总线技术的兴起 开辟了工厂底层网络的新天地 它将促进企业网络的快速发展 为企业带来新的效益 因而会得到广泛的应用 并推动自动化相关行业的发展 市面上最等流行的九大现场总线市面上最等流行的九大现场总线 目前国际上有 40 多种现场总线 但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面 按其 传输数据的大小可分为 3 类 传感器总线 sensorbus 属于位传输 设备总线 devicebus 属于字节传输 现场总线 属于数据流传输 下面让我一起去认识这九种 现再总线 1 1 FFFF 现场总线现场总线 FF 现场总线基金会是由 WORLDFIPNA 北美部分 不包括欧洲 和 ISPFoundation 于 1994 年 6 月联合成立的 它是一个国际性的组织 其目标是建立单一的 开放的 可互操 作的现场总线国际标准 这个组织给予了 IEC 现场总线标准起草工作组以强大的支持 这 个组织目前有 l00 多成员单位 包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司 1997 年 4 月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会 CFC 致力于这项技 术在中国的推广应用 FF 成立的时间比较晚 在推出自己的产品和把这项技术完整地应用 到工程上相对于 PROFIBUS 和 WORLDFIP 要晚 但是正由于 FF 是 1992 年 9 月成立的 是以 FisherRosemount 公司为核心的 ISP 可互操作系统协议 与 WORLDFIPNA 两大组织合并而 成的 因此这个组织具有相当实力 目前 FF 在 IEC 现场总线标准的制订过程中起着举足轻 重的作用 现场总线基金会自成立以来 经过十年的发展 已经形成了一个开放的 全数字化的 工业通信系统 并在上世纪末开始进入中国市场 推动了中国的工业自动化技术进步 并 开始了大型全区域系统集成的应用 一个开放式的总线协议 很重要的一点就是有多少设 备支持这个协议 否则 这个协议的开放性就没有意义了 精品文档 4欢迎下载 在无线和远程 I O 管理方面 现场总线基金会发布了基金会远程运营管理初步规范 新的技术规范是基金会面向无线和远程 I O 进行远程运营管理解决方案的一部分 面向远 程运营管理设备定义了代表基金会 HART 设备的现场总线变送器模块 该模块可以显示有线 HART 及无线 HART 设备 此外 该规范还描述了通过基金会高速以太网 HSE 传输基本 HART 命令协议接触 HART 设备进行配置和资产管理的理想方法 规范也对在连接基金会远程运营管理设备的有 线多触点网络和无线 HART 网络中识别和维护 HART 设备状态的结构进行了定义 新的变送器模块规范将会使那些需要将 HART 和无线 HART 设备连入基金会现场总线 提升其与控制系统或者基金会设备的最终用户受益 现场总线基金会技术开发总监 DaveGlanzer 说道 他们可能会需要对资产管理采用一种网络化的方法 连接大量的 HART 和无线 HART 设备 进行配置和维护 在现场总线基金会架构内部 H1 和 HSE 可以提供分布式功能模块的能力 与 HSE 一起 形成容量更大的通道 加快数据传输和传输量 基金会远程运营管理的开发 为有线及无 线 HSE 主干网络建立了一个开放式 非专利性的规范 可以通过接口将不同的基金会远程 运营管理设备和无线现场设备网络进行集成 使用高速 HSE 连接 可以高效的将模块化的数字和模拟现场 I O 设备大幅度集中到控 制室当中 通过使用诸如智能远程终端单元 RTU 这类 HSE 设备功能 这项技术可以将各 种形式的传统 I O 轻而易举的融入到自然的现场总线环境当中 这一解决方案在同一个以 太网络上可以同时支持数字输入 数字输出 模拟输入 模拟输出和 H1 现场总线 2 2 LonWorksLonWorks 现场总线现场总线 LonWorks 现场总线是美国 Echelon 公司 1992 年推出的局部操作网络 最初主要用于楼 宇自动化 但很快发展到工业现场网 LonWorks 技术为设计和实现可互操作的控制网络提 供了一套完整 开放 成品化的解决途径 LonWorks 技术的核心是神经元芯片 NeuronChip 该芯片内部装有 3 个微处理器 MAC 处理器完成介质访问控制 网络处理器 完成 OSI 的 3 6 层网络协议 应用处理器完成用户现场控制应用 它们之间通过公用存储 器传递数据 在控制单元中需要采集和控制功能 为此 神经元芯片特设置 11 个 I O 口 这 精品文档 5欢迎下载 些 I O 口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口 如 RS232 并口 定时 计数 间 隔处理 位 I O 等 LonWorks 提供的不仅仅是一套高性能的神经元芯片 更重要的是 它提供了一套完整的 开发平台 工业现场中的通信不仅要将数据实时发送 接收 更多的是数据的打包 拆包 流量处理 出错处理 这使控制工程师不得不在数据通信上投入大量精力 LonWorks 在这 方面提供了非常友好的服务 提供了一套完整的建网工具 LonBuild 首先 它提供了一套 C 语言的编译器 从而大大减少了开发时间 在这个编译器中 提供 了对 11 个 I O 非常详尽的库函数 在通信方面 它也提出了一个全新的概念 网络变量 通过网络变量 网络上的通信只需将相关节点上的网络变量连接一下即可 网络变量是应用 程序定义的一个特殊静态变量 可以是 ANSIC 所定义的各种类型 也可以是自定义类型 还可 以规定优先级 响应方式等 网络变量被定义为输入或输出 当定义为输出的网络变量被赋 予新值时 与该输出变量相连的输入网络变量就会被立刻赋予同样的新值 另外 LonBuild 还集成开发环境和编译于一体 具备 C 调试器 可在多个仿真器上调试 应用程序 并具备网络协议分析和通信分析的功能 自 80 年代末以来 多种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示 了自己的优势 它们各有优势 显示出较强的生命力 例如基金会现场总线 FF 是在过 程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术 PROFIBUS 是德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线标准 该系列有 DP FMS PA 三种型号 其中 DP 型适用于加工自动化领域 FMS 型适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压开关等 PA 型则用于过程自动化 CAN 最早由德国 BOSCH 公司推出 用于汽车内部测量与执行部件 之间的数据通信 HART 最早由 ROSEmount 公司开发并行到 80 多家著名仪表公司的支持 精品文档 6欢迎下载 是在现有模拟信号传输线上实现数字信号的通信 由于它们在各自范围内各自为政 不可 避免地限制了整个系统的发展 不利于整个系统的系统集成 而我公司开发出的 Lonworks 产品 分别在酿酒 电力 建筑 工业自动化和化工行业中应用并取得良好的效果 随着我国社会主义现代化建设进程的不断推进 我国在智能化领域的需求日益剧增 而国际上现有的其他类现场总线所存在的固有局限性 使得它们在应用时受到这样那样的 约束 LON 总线则综合了当今现场总线的多种功能 同时具备了局域网的一些特点 使得 它被广泛地应用于航空 航天 农业控制 计算机 外围设备 诊断 监控 电子测量设备 测试设备 医疗卫生 军事 防卫 办公室设备系统 机器人 安全警卫 保密 运动 游 艺 电话通信 运输设备等领域 其通用性表明 它不是针对某一个特殊领域的总线 而 是具有可将不同领域的控制系统综合成一个以 LONWORKS 为基础的更复杂系统的网络技术 3 3 ProfibuProfibu 现场总线现场总线 Profibus 是作为德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 prEN50170 的现场总线 ISO OSI 模型也是它的参考模型 由 Profibus Dp Profibus FMS Profibus PA 组成了 Profibus 系列 DP 型用于分散外设间的高速传输 适合于加工自动化领域的应用 FMS 意为现场信 息规范 适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压开关等一般自动化 而 PA 型则是 用于过程自动化的总线类型 它遵从 IEC1158 2 标准 该项技术是由西门子公司为主的十 几家德国公司 研究所共同推出的 它采用了 OSI 模型的物理层 数据链路层 由这两部 分形成了其标准第一部分的子集 DP 型隐去了 3 7 层 而增加了直接数据连接拟合作为 用户接口 FMS 型只隐去第 3 6 层 采用了应用层 作为标准的第二部分 PA 型的标准目 前还处于制定过程之中 其传输技术遵从 IEC1158 2 1 标准 可实现总线供电与本质安 全防爆 精品文档 7欢迎下载 Porfibus 支持主 从系统 纯主站系统 多主多从混合系统等几种传输方式 主站具 有对总线的控制权 可主动发送信息 对多主站系统来说 主站之间采用令牌方式传递信 息 得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权 共事先规定好令牌在各 主站中循环一周的最长时间 按 Profibus 的通信规范 令牌在主站之间按地址编号顺序 沿上行方向进行传递 主站在得到控制权时 可以按主 从方式 向从站发送或索取信息 实现点对点通信 主站可采取对所有站点广播 不要求应答 或有选择地向一组站点广播 Profibus 的传输速率为 96 12kbps 最大传输距离在 12kbps 时为 1000m 15Mbps 时为 400m 可用中继器延长至 10km 其传输介质可以是双绞线 也可以是光缆 最多可挂接 127 个站点 4 4 CANCAN 现场总线现场总线 CAN 是控制网络 ControlAreaNetwork 的简称 最早由德国 BOSCH 公司推出 用于汽车 内部测量与执行部件之间的数据通信 其总线规范现已被 ISO 国际标准组织制订为国际标 准 得到了 Motorola Intel Philips Siemens NEC 等公司的支持 已广泛应用在离散 控制领域 CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的 不过 其模 型结构只有 3 层 只取 OSI 底层的物理层 数据链路层和顶上层的应用层 其信号传输介 质为双绞线 通信速率最高可达 1Mbps 40m 直接传输距离最远可达 10km kbps 可挂接设 备最多可达 110 个 CAN 的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为 8 个 因而传输时间短 受干 扰的概率低 当节点严重错误时 具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系 使总 线上的其它节点及其通信不受影响 具有较强的抗干扰能力 CAN 支持多主方式工作 网 络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息 支持点对点 一点对多点和全局广 播方式接收 发送数据 它采用总线仲裁技术 当出现几个节点同时在网络上传输信息时 精品文档 8欢迎下载 优先级高的节点可继续传输数据 而优先级低的节点则主动停止发送 从而避免了总线冲 突 已有多家公司开发生产了符合 CAN 协议的通信芯片 如 Intel 公司的 82527 Motorola 公司的 MC68HC05X4 Philips 公司的 82C250 等 还有插在 PC 机上的 CAN 总线接口卡 具有接口简单 编程方便 开发系统价格便宜等优点 5 5 DevicenetDevicenet 现场总线现场总线 Devicenet 是一种低成本的通讯总线 它将工业设备 如 限位开关 光电传感器 阀组 马达启动器 过程传感器 条形码读取器 变频驱动器 面板显示器和操作员接口 连接到网络 从而消除了昂贵的硬接线成本 直接互连性改善了设备间的通讯 并同时提 供了相当重要的设备级诊断功能 这是通过硬接线 I O 接口很难实现的 Devicenet 是一种简单的网络解决方案 它在提供多供货商同类部件间的可互换性的 同时 减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间 DeviceNet 不仅仅使设备之间以 一根电缆互相连接和通讯 更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能 该功能在传 统的 I O 上是很难实现的 Devicenet 是一个开放的网络标准 规范和协议都是开放的 供货商将设备连接到系 统时 无需为硬件 软件或授权付费 任何对 DeviceNet 技术感兴趣的组织或个人都可以 从开放式 DeciceNet 供货商协会 ODVA 获得 DeviceNet 规范 并可以加入 ODVA 参加对 DeviceNet 规范进行增补的技术工作组 Devicenet 的许多特性沿袭于 CAN CAN 总线是一种设计良好的通信总线 它主要用于 实时传输控制数据 DeviceNet 的主要特点是 短帧传输 每帧的最大数据为 8 个字节 无破坏性的逐位仲裁技术 网络最多可连接 64 个节点 数据传输波特率为 125kb s 250kb s 500kb s 点对点 多主或主 从通信方式 采用 CAN 的物理和数据链 路层规约 精品文档 9欢迎下载 6 6 HARTHART 现场总线现场总线 HART 是 HighwayAddressableRemoteTransduer 的缩写 最早由 Rosemout 公司开发并 得到 80 多家著名仪表公司的支持 于 1993 年成立了 HART 通信基金会 这种被称为可寻址 远程传感高速通道的开放通信协议 其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信 属于 模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品 因而在当前的过渡时期具有 较强的市场竞争能力 得到了较好的发展 HART 通信模型由 3 层组成 物理层 数据链路层和应用层 物理层采用 FSK FrequencyShiftKeying 技术在 4 20mA 模拟信号上迭加一个频率信号 频率信号采 用 Bell202 国际标准 数据传输速率为 1200bps 逻辑 0 的信号频率为 2200Hz 逻辑 1 的 信号传输频率为 1200Hz 数据链路层用于按 HART 通信协议规则建立 HART 信息格式 其信 息构成包括开头码 显示终端与现场设备地址 字节数 现场设备状态与通信状态 数据 奇偶校验等 其数据字节结构为 1 个起始位 8 个数据位 1 个奇偶校验位 1 个终止位 应用层的作用在于使 HART 指令付诸实现 即把通信状态转换成相应的信息 它规定了一系 列命令 按命令方式工作 它有 3 类命令 第一类称为通用命令 这是所有设备理解 执 行的命令 第二类称为一般行为命令 它所提供的功能可以在许多现场设备 尽管不是全 部 中实现 这类命令包括最常用的现场设备的功能库 第三类称为特殊设备命令 以便 在某些设备中实现特殊功能 这类命既可以在基金会中开放使用 又可以为开发此命令的 公司所独有 在一个现场设备中通常可发现同时存在这 3 类命令 HART 支持点对点主从应答方式和多点广播方式 按应答应方式工作时的数据更新速率 为 2 3 次 s 按广播方式工作时的数据更新速率为 3 4 次 s 它还可支持两个通信主设 备 总线上可挂设备数多达 15 个 每个现场设备可有 256 个变量 每个信息最大可包含 4 个变量 最大传输距离 3000m HART 采用统一的设备描述语言 DDL 现场设备开发商采用 这种标准语言来描述设备特性 由 HART 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设 备描述字典 主设备运用 DDL 技术 来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专 精品文档 10欢迎下载 用接口 但由于这种模拟数字混信号制 导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接 口芯片 HART 能利用总线供电 可满足本安防爆要求 7 7 CC LinkCC Link 现场总线现场总线 CC Link 是 Control CommunicationLink 控制与通信链路系统 的缩写 在 1996 年 11 月 由三菱电机为主导的多家公司推出 其增长势头迅猛 在亚洲占有较大份额 目前 在欧洲和北美发展迅速 在其系统中 可以将控制和信息数据同时以 10Mbit s 高速传送至 现场网络 具有性能卓越 使用简单 应用广泛 节省成本等优点 其不仅解决了工业现 场配线复杂的问题 同时具有优异的抗噪性能和兼容性 CC Link 是一个以设备层为主的 网络 同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层 2005 年 7 月 CC Link 被中国 国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件 CC Link 的技术在不断的进步和发展过程中 CLPA 在 2002 年推出 CC Link 家簇下端产 品和协议 CC Link LT 主要用于开关量数据的传输和通信 使 CC Link 在整个结构上更加 完善和丰满 并且其成本将更加降低 2003 年初 CLPA 宣布推出 CC LinkV2 0 版本 是原 来的系统通信量扩大了 8 倍 总之 CC Link 是一个技术先进 性能卓越 应用广泛 使用简单 成本较低的开放 式现场总线 其在中国的技术发展和应用有着广阔的前景 8 8 WorldFIPWorldFIP 现场总线现场总线 WORLDFIP 是法国 FIP 公司在 1988 年最先推出的现场总线技术 实际上 WORLDFIP 最 早提供了现场总线网络的基本结构 使现场总线系统初步具有了信息化的技术特征 WorkdFIP 的北美部分与 ISP 合并为 FF 以后 WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立 总部 设在法国 其在欧洲市场占有重要地位 特别是在法国占有率大约为 60 WorldFIP 的特 精品文档 11欢迎下载 点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求 而且没有任何网关或