現場匯流排已然必不可少,對於現場匯流排的接納度和使用範圍正諸多增大。因此對於現場匯流排,大家應當有所瞭解。
一、何為現場匯流排
現場匯流排是應用在生產現場、連線智慧現場裝置和自動化測量控制系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網路。
位於生產控制現場和網路結構的底層
v現場匯流排是低頻寬的控制網路v
它與上層的Internet、企業內部網Intranet相連
v構成企業綜合自動化的通訊網路平臺
二、現場匯流排控制組成
1.現場匯流排控制系統
它的軟體是系統的重要組成部分,控制系統的軟體有組態軟體、維護軟體、模擬軟體、裝置軟體和監控軟體等。首先選擇開發組態軟體、控制操作人機介面軟體MMI。透過組態軟體,完成功能塊之間的連線,選定功能塊引數,進行網路組態。在網路執行過程中系統實時採集資料、進行資料處理、計算。最佳化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。
2.現場匯流排的測量系統
其特點為多變數高效能的測量,使測量儀表具有計算能力等更多功能,由於採用數字訊號,具有高解析度,準確性高、抗干擾、抗畸變能力強,同時還具有儀表裝置的狀態資訊,可以對處理過程進行調整。
3.裝置管理系統
可以提供裝置自身及過程的診斷資訊、管理資訊、裝置執行狀態資訊(包括智慧儀表)、廠商提供的裝置製造資訊。
4.匯流排系統計算機服務模組
以客戶機/伺服器模式是目前較為流行的網路計算機服務模式。伺服器表示資料來源(提供者),應用客戶機則表示資料使用者,它從資料來源獲取資料,並進一步進行處理。客房機執行在PC機或工作站上。伺服器執行在小型機或大型機上,它使用雙方的智慧、資源、資料來完成任務。
5.資料庫
它能有組織的、動態的儲存大量有關資料與應用程式,實現資料的充分共享、交叉訪問,具有高度獨立性。工業裝置在執行過程中引數連續變化,資料量大,操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分佈關係及實時性的資料了系統。
6.網路系統的硬體與軟體
網路系統硬體:系統管理主機、伺服器、閘道器、協議變換器、集線器、使用者計算機等底層智慧化儀表
網路系統軟體:NetWarc、LAN Mangger、Vines
伺服器操作軟體:Lenix、os/2、windowNT、資料庫、通訊協議、網路管理協議等。
三、匯流排分類
目前世界上存在著大約四十餘種現場匯流排,這些現場匯流排大都用於過程自動化、醫藥領域、加工製造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域,目前的工業匯流排網路可歸為三類:485網路、HART網路、FieldBUS現場匯流排網路。
485網路:RS485/MODBUS是現在流行的一種工業組網方式,其特點是實施簡單方便,而且現在支援RS485的儀表又特別多。現在的儀表商也紛紛轉而支援RS485/MODBUS,原因很簡單, RS485的轉換介面不僅便宜得而且種類繁多。至少在低端市場上,RS485/MODBUS仍將是最主要的工業組網方式。
HART網路:HART是由艾默生提出的一個過度性匯流排標準,主要特徵是在4-20毫安電流訊號上面疊加數字訊號,但該協議並未真正開放,要加入他的基金會才能拿到協議,而加入基金會要一定的費用。HART技術主要被國外幾家大公司壟斷,近些年國內也有公司在做,但還沒有達到國外公司的水平。現在有很多智慧儀表帶有[HART圓卡],支援HART通訊功能。但從國內情況來看,還沒有真正用到這部分功能來進行裝置聯網監控,最多隻是利用手操器對其進行引數設定。從長遠來看,由於HART通訊速率低、組網困難等原因,HART儀表的應用將呈下滑趨勢。
FieldBus現場匯流排網路:現場匯流排是當今自動化領域的熱點技術之一,被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現標誌著自動化控制技術又一個新時代的開始。現場匯流排是連線控制現場的儀表與控制室內的控制裝置的數字化、序列、多站通訊的網路。其關鍵標誌是能支援雙向、多節點、匯流排式的全數字化通訊。現場匯流排技術近年來成為國際上自動化和儀器儀表發展的熱點,它的出現使傳統的控制系統結構產生了革命性的變化,使自控系統朝著“智慧化、數字化、資訊化、網路化、分散化”的方向進一步邁進,形成新型的網路通訊的全分散式控制系統——現場匯流排控制系統FCS(Fieldbus ControlSystem)。然而,到目前為止,現場匯流排還沒有形成真正統一的標準,ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準並行存在,並且都有自己的生存空間。何時統一,遙遙無期。目前,支援現場匯流排的儀表種類還比較少,可供選擇的餘地小,價格又偏高,用量也較小。
四、優缺點
1.特點
現場控制裝置具有通訊功能,便於構成工廠底層控制網路。
通訊標準的公開、一致,使系統具備開放性,裝置間具有互可操作性。
功能塊與結構的規範化使相同功能的裝置間具有互換性。
控制功能下放到現場,使控制系統結構具備高度的分散性。
2.優點
現場匯流排使自控裝置與系統步入資訊網路的行業,為其應用開拓了更為廣闊的領域;
一堆雙絞線上可接掛多了控制裝置,便於節省安裝費用;
節省維護開銷;
提高了系統的可靠性;
為使用者提供了更為靈活的系統整合主動權。
3.缺點
網路通訊中資料包的傳輸延遲,通訊系統的瞬時錯誤和資料包丟失,傳送與到達次序的不一致等都會破壞傳統控制系統原本具有的確定性,使得控制系統的分析與綜合變得更為複雜,使控制系統的效能受到負面影響。
五、何為工業乙太網
工業乙太網是指技術上與商用乙太網相容,但在產品設計上,在實時性、可靠性、環境適應性等方面滿足工業現場的需要,是繼現場匯流排之後發展起來,最被認同也最具發展前景的一種工業通訊網路。
工業乙太網的本質就是乙太網技術辦公自動化走向工業自動化。
六、操作要求
1.工業生產環境的高溫、潮溼、空氣汙濁以及腐蝕性氣體的存在,要求工業級的產品具有氣候環境適應性,並要求耐腐蝕、防塵和防水。
2.工業生產現場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在,需要採取防爆措施保證安全生產。
3.工業生產現場的振動、電磁干擾大,工業控制網路必須具有機械環境適應性(如耐振動、耐衝擊)、電磁環境適應性或電磁相容性(EMC)等。
4.工業網路器件的供電,通常是採用櫃內低壓直流電源標準,大多的工業環境中控制櫃內所需電源為低壓24V直流。
5.採用標準導軌安裝,安裝方便,適用於工業環境安裝的要求,工業網路器件要能方便地安裝在工業現場控制櫃內,並容易更換。
七、主要標準
工業乙太網是按照工業控制的要求,發展適當的應用層和使用者層協議,使乙太網和TCP/IP技術真正應用到控制層,延伸到現場層,而在資訊層又儘可能採用IT行業一切有效而又最新的成果,因此,工業乙太網與乙太網在工業中的應用全然不是同一個概念。
1.IDA的通訊結構和通訊協議
DA是一種完全建立在乙太網基礎上的工業乙太網規範,將一種實時的基於WEB的分佈自動化環境與集中的安全體系結構加以結合,目標是創立一個基於TCP/IP的分散自動化的解決方案。
2.Ethernet/IP的通訊結構和通訊協議
ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet,還控制另一個匯流排EtherNet/IP,它把處於應用層和使用者層的DeviceNet和ControlNet的目標庫CIP(包含了所有經典的PLC運算),與乙太網物理介質捆綁在一起。
3.PROFlnet的通訊結構和通訊協議
如圖,它的資料鏈路層採用了旨在減小處理通訊棧所需時間的一種傳輸協議,從而極大地縮短了網路的重新整理時間,確保重新整理時間在5~10MS。實時通道除了可進行迴圈傳輸外,還可完成非迴圈(事件觸發、過程資料修改、操作指令下達等)傳輸。同時還要加入網路管理、WEB功能,以及直接整合I/O裝置等。
4.HSE的通訊結構和通訊協議
美國的FF(現場匯流排基金會)採用高速乙太網開發的FCS系統控制級以上通訊網路的主幹網,控制級以下仍使用H1現場匯流排,構成資訊整合開放的體系結構,HSE遵循標準的乙太網規範。FF在去規範中規定了21中功能塊,供基本過程控制和先進過程控制使用。這些標準功能塊駐留與HSE相連的現場裝置中,只要透過組態就予以連結。為進行復雜的批處理和混合控制等應用,FF還規定了柔性功能塊,支援資料採集的監控、子系統介面、事件順序、多路資料採集,並可用作與PLC和其他協議通訊的網間聯結器,所以我們可得出這樣一個結論:HSE工業乙太網為連續的過程控制工業和斷續的製造業所需的連續實時控制提供了各種的解決方案,它為連續過程控制系統、斷續製造的控制系統、批次控制系統以及MES、ERP等企業資訊管理系統的整合,提供了一種相當成熟的工業乙太網的標準協議。
八、應用於工業控制需要解決的問題
工業乙太網,一般來講技術上與商業乙太網相容,但在產品設計時,在實時性、可靠性、環境的適應性等方面能滿足工業現場的需要,是一種典型的工業通訊網路。與商用乙太網相比,工業乙太網在以下方面具有特殊要求:
1.要求有高實時性與良好的時間確定性
2.傳送資訊多為短幀資訊,且資訊交換頻繁
3.容錯能力強,可靠性、安全性好
4.控制網路結構具有高度分散性
5.控制網路協議簡單實用,工作效率高
6.控制裝置的智慧化與控制功能的自治性
7.與資訊網路之間有高效率的通訊,易於實現與資訊網路的整合
8.裝置的可靠性與環境適應性
9.遠距離傳輸
10.匯流排供電
11.網路安全性
12.互操作性
九、優勢
1.應用廣泛
乙太網是目前應用最為廣泛的計算機網路技術,收到廣泛的技術支援,最典型的的乙太網應用形式如:Ethernet+TCP/IP+web。幾乎所有的程式語言都支援Ethernet的應用開發。
2.成本低廉
由於乙太網的應用最為廣泛,因此收到硬體開發商與生產廠商的高度重視與廣泛支援,有很多硬體產品供使用者選擇,而且由於應用廣泛,硬體價格也相對低廉。
3.通訊速率高
目前乙太網的通訊速率為10M、100M的快速乙太網也開始廣泛應用,1000M乙太網技術也逐漸成熟,10G乙太網也正在研究,其通訊速率比目前的現場匯流排快得多。
4.軟硬體資源豐富
乙太網已應用多年,人們對乙太網的設計、應用等多方面有很多的經驗,對其技術也十分熟悉。大量的軟體資源和設計經驗可以顯著降低系統開發和培訓費用,從而可以顯著降低系統的整體成本,並大大加快系統開發和推廣速度。
5.可持續發展能力強
由於乙太網的廣泛應用,它的反戰一直得到廣泛的重視和大量的技術投入,形成全球性的技術支援,並且在當前資訊瞬息萬變的時代,企業的生存與發展將很大程度上依賴於一個快速而有效的通訊網路管理,資訊科技與通訊技術的發展將更加迅速,也更加成熟,由此保證了乙太網技術不斷地持續向前發展。
6.易於實現管控一體化
易於實現控制網路與資訊網路的無縫整合,建立統一的企業網路,可實現嵌入式控制器,智慧現場測控儀表和感測器等方便地接入乙太網絡,直至與Internet相連。