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现场总线
工业以太网的系统结构及其发展
一、引言
10年前,微电子技术、计算机网络技术与信息技术首先完成了办公环境的革命。
随后,由办公世界导出的信息技术,如以个人PC为基础的共存标准、OPC接口技术、互连网技术及其工具(诸如HTTP和XML等)、以及电子商务技术等都以快速和更新的势头迅猛发展,同时开始向各个领域急速渗透。
最近几年,随着关键技术的突破,信息技术将全面进入工业自动化领域,工业自动化系统的各个层面都会受到IT技术的冲击。
过去一直认为,作为信息技术基础的Ethernet是为IT领域应用而开发的,在工业自动化领域只能得到有限应用,这是由于:
(1)Ethernet采用CSMA/CD碰状检测方式,在网络负荷较重时,网络的确定性(determinism)不能满足工业控制的实时要求;
(2)Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的,不符合工业现场恶劣环境的要求;
(3)在工厂环境中,Ethernet抗干扰(EMI)性能较差。
若用于危险场合,以太网不具备本质安全性能;
(4)Ethernet网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
这里主要介绍工业以太网的发展改进状况,对Ethernet/IP这种新型工业以太网的协议模型及其采用的“生产者/消费者”通讯模式和面向“连接”的,CIP(CommonIndustrialProtocol,CIP)报文通信机制做了详细分析,同时指出了Ethernet/IP网络应用在工业控制领域的优势。
提出了Ethernet/IP工业以太网在高速公路隧道监控中具体的组网方案和通讯设置手段,利用Ethernet/IP网络成功地实现了对该高速公路隧道的良好监控。
按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。
根据使用场合和用途不同,现场总线又分为H1低速现场总线和H2高速现场总线。
IEC/SC65C最初定义H1总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线,H2总线为无需解决两线制供电,用于装置间传送信息的高速串行总线。
H1和H2总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统信息通信网络。
经过长达15年的争论,IEC61158用于工业控制系统的现场总线国际标准于2000年初终于获得通过,现场总线之争逐渐随之退潮,IEC/SC65C/WG6现场总线标准委员会到此也完成了历史使命。
为了进一步完善IEC61158标准,IEC/SC65C成立了MT9现场总线修订小组,继续这方面的工作。
MT9工作组在原来8种类型现场总线的基础上不断完善扩充,于2001年8月制定出由10种类型现场总线组成的第三版现场总线标准,它们是:
Type1TS61158现场总线、Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线、Type3Profibus现场总线、Type4P-NET现场总线、Type5FFHSE现场总线、Type6Swift-Net现场总线、Type7WorldFIP现场总线、Type8INTERBUS现场总线、Type9FFH1现场总线以及Type10PROFInet现场总线,该标准于2003年4月成为正式国际标准。
限于篇幅,本文对10种类型总线做概要论述,并简单综述上述总线近三年来的最新进展。
在一些大公司和组织的强力支持下,工业以太网协议最近几年发展非常迅速,基于以太网的方案已经越来越多地用于工业数据通信。
工业以太网技术的优点表现在既满足工业现场的需要又兼容传统以太网,可以为所有的编程语言所支持;软硬件资源丰富;易于与Internet连接,实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。
二、现场总线及以太网技术介绍
2.1.Profibus-DP
Profibus-DP是一种基于RS-485的高速现场总线,波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。
最先由西门子公司开发和使用,能够很方便的与西门子PLC连接。
在国内总线应用中占据主导作用。
Profibus总线主站之间采用令牌传送方式,主站与从站之间采用主从方式等。
Profibus-DP特点:
1、具有高速数据传送功能,最大提供12Mbit/s。
2、还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
3、允许构成单主站或多主站系统。
在同一总线上最多可连接126个站点。
2.2.DeviceNet
DeviceNet规范是基于CAN-bus总线的开放式应用层协议,最先由Rockwell使用,目前在北美、亚洲的工业控制市场现场总线应用中占据主导地位。
DeviceNet现场总线网络特别适用于工业自动控制。
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、变频驱动器、面板显示器和操作员接口等)通过DeviceNet可以很方便连接成网络。
DeviceNet特点:
1、降低线缆与安装的费用;快速的故障诊断;支持不同厂商设备的互换性。
2、不用中断网络即可移除、插入和替换设备;可在带电情况下操作。
3、DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信,而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。
2.3.CC-Link
CC-Link是一种可以同时高速处理控制和信息数据的现场网络系统,可以提供高效、一体化的工厂和过程自动化控制。
在10Mbps的通信速率下传输距离达到100m,并能够连接64个站。
其卓越的性能使之通过ISO认证成为国际标准。
在现代化的复杂生产线中,使用CC-Link可以显著减少了控制和配电所使用的电缆,它不仅仅可以节省电缆的成本,并且大大减少了布线和日后维护工作的工作量。
CC-Link特点:
1、拥有10Mbps的速率,CC-Link可以完成高速和实时的I/O相应,使设计者可以藉此完成实时稳定的控制。
2、备用主站、从站脱离、自动恢复和在线检测,提供给用户高稳定性的网络系统。
3、用户也可以在不更改程序的情况下非常方便的从一个厂商的兼容产品更换为另一厂家的兼容产品。
2.4.CANopen
基于CAN-bus总线的分布式工业自动化系统的应用标准以及CAN总线应用层通信标准。
其最核心部分是通过对象词典来描述设备功能并以EDS文件格式来记录,采用实时数据与服务数据分开传输,最大限度提高实时数据传输效率,灵活多变的数据传输方式以及强大的网络管理能力。
在车辆工业、工业机具、建筑物自动化、医疗设备、航海机具、餐厅设备、实验室器材及科研研究等行业中已得到广泛的应用。
CANopen特点:
1、网络结构简单,设备参数存取简单,网络设备可同步操作。
2、高传输速率(最高可达1Mbps),极强的抗干扰能力,实时数据交换。
3、网络容量高达127个节点,开放性结构,对不同厂家设备具有好的兼容性。
图表现场总线典型应用图
2.5.Modbus-TCP工业以太网
自1978年以来,工业自动化行业已安装了百万计串口Modbus设备和十万计ModbusTCP/IP设备,拥有超过300个Modbus兼容设备厂商,还有90%的第三厂家I/O支持ModbusTCP/IP,所以是使用广泛的事实标准。
Modbus的普及得益于使用门坎很低,无论用串口还是用以太网,硬件成本低廉,Modbus和Modbus-TCP都可以免费得到,不需交任何费用。
Modbus-TCP优势:
1、易于各种系统互连,可用于管理网,实时监控网及现场设备的通讯。
2、网络实施价格低廉,可全部使用通用的网络部件。
3、Modbus是制造业、基础设施环境下,真正的开放协议,故得到了工业界的广泛支持,是事实上的工业标准!
还由于它的协议简单、容易实施和高性价比。
2.6.Profinet工业以太网
Profinet最突出的特点是它的实时性,从过程自动化到工厂自动化再到运动控制。
其中RT可以在1ms内刷新64个IO设备。
IO控制器可以最多连接256个IO设备节点,安装简单,连接到交换机即可,这与办公室网络一样增加和减少设备十分方便。
可以无缝集成已有的现场总线系统。
Profinet最先由西门子使用。
Profinet优势:
1、Profinet成功地实现了工业以太网和实时以太网技术的统一,使得工业以太网技术向底层现场级控制的延伸成为可能。
2、通过使用PROFINET就可以在整个工厂内实现统一的网络架构,真正实现了一网到底,为企业的信息化提供了坚实的通讯平台,大大地提高了工厂的生产率。
3、PROFINET是一种优越的通信技术,并已成功地应用于分布式智能控制。
2.7.Ethernet/IP工业以太网
EtherNet/IP是标准TCP/IP以太网和通用工业协议(CIP)的结合,能满足从高精度时间同步(+-100ns)、分布式伺服控制、离散控制、过程控制到安全系统等所有工业应用要求,并支持现场和远程监视、诊断和组态;EtherNet/IP最大的特点在于在应用层实施了成熟、先进、统一的CIP协议。
应用领域涵盖了消费品、汽车、电力、冶金、有色金属、采矿、水和污水处理、城市交通、制药、石油天然气、石化、造纸、水泥、造船等各个行业,显示出极为旺盛的生命力。
Ethernet/IP最先由Rockwell使用并推广。
Ethernet/IP特点:
1、实现工厂里采用不同协议的其他工业现场总线或网络互连互通。
2、通用配置、跨越几个网络及收集和控制数据、TCP/IP连到全球互联网或公司内部网,在所有工作级上提供连续的信息流。
3、统一的通用工业协议(CIP)保证了EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet的无缝集成,这意味着用户无须进行额外的编程,即可直接从任意一点访问、组建并维护不同网络中的任意设备。
图表以太网典型应用图
长陆带DP接口的TR700仪表
三、工业以太网今后的发展
从以上的讨论不难得出,大的自动化系统公司都把工业以太网使用在控制级及其以上的各级,为了保护投资的利益,现场级仍然采用现有的现场总线,ModbusTCP/IP使用Modbus总线,Ethernet/IP使用Devicenet和ControlNet现场总线,FFHSE现场级使用FFH1现场总线,PROFInet则完全保留已有的Profibus现场总线。
这样一来,要使这些系统相互兼容看来需要走相当长的路。
互联网技术的成功之处在于使用了TCP/IP网络协议,该协议的特点是:
开放的协议标准,并且独立于特定的计算机硬件与操作系统;独立于特定的网络硬件;统一的网络地址分配方案;以及标准化的高层协议,可以提供多种可靠的用户服务。
由于工业网络需要解决工业控制具体问题,因而需要增加用户层,所以说工业TCP/IP参考模型是8层结构。
在TCP/IP参考模型中,主机-网络层是最低层,它负责通过网络发送和接收IP数据包,TCP/IP参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议,充分体现了TCP/IP协议的兼容性与适应性。
利用这种技术,各种协议的现场总线都可以接入TCP/IP网络。
IP互连层相当于OSI模型的网络层的无连接网络服务,用来确定信息传输路线,为每个数据包提供独立的寻址能力;TCP传输层则负责无差错地传送数据包,一旦出错能够实现重发和指示出错。
在TCP/IP参考模型中,应用层是最高层协议,它包括超级文本传输协议HTTP、文件传输协议FTP、简单网络管理协议SNMP等建立于IT技术的协议。
对于工业以太网,在传输非实时数据时上述协议仍然适用。
但是,工业以太网要用于工业控制,还必须在应用层解决实时通信、用于系统组态的对象和工程模型的应用协议。
目前要建立一个统一的应用层和用户层标准协议还只是一个长远的目标。
自动化技术的发展,正伴随着个人计算机相关技术的演进而不断推陈出新,原本壁垒分明的可编程控制器(PLC)和基于PC(PC-Based)控制器现已逐渐融合,可编程自动化计算机挟两大类控制器的优点应运而生。
现场总线向工业以太网的整合及无线通信产品的普及是工业通信产品的发展方向,在制造行业中也不会例外。
在目前的应用方式中,一个系统或设备中,往往出现多个现场总线共存的局面,这些总线之间的相互通信,会给用户带来很大的困扰,将其整合以获得更高效的生产才是未来的发展趋势。
另外,无线通信,尤其是短距离无线通信可以有效解决狭小空间或运动部件之间的通信问题,这在制造行业中也有着极好的前景。
近来,随着网络通信技术的进一步发展,用户的需求也日益迫切,国际上许多标准组织正在积极地工作以建立一个工业以太网的应用协议。
工业自动化开放网络联盟(IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance,IAONA)协同ODVA和分散自动化集团(InterfaceforDistributedAutomation,IDA)共同开展工作,并对推进基于EthernetTCP/IP工业以太网的通信技术达成共识。
由IAONA负责定义工业以太网公共的功能和互操作性,具体内容包括对于IP地址即插即用互操作的通用策略、装置描述和恢复机制;网络诊断的方案;指导使使用Web技术;一致性测试;以及定义一种应用接口,以消除各种协议间的差异。
我们相信,经过各方面的共同努力,不久的将来就会出现一个具有互操作性的工业以太网。
工业以太网专题">工业以太网技术是当前工业控制领域中的研究热点,多家自动化公司已推出了自己的工业以太网解决方案。
通过上述对典型的工业以太网的分析,不难发现,每一种工业以太网都有其互补的现场总线,如EtherNet/IP与Devicenet和ControlNet互补;FFHSE与FFH1互手补;Modbus-IDA与MODBUS互补;PROFINET与Profibus互补等,而现场总线经过十几年的发展,在技术上日渐成熟,工业以太网的发展是与现场总线相结合的。
目前,在控制网络中,一般是在设备层采用现场总线,在制造执行层与设备层之间采用工业以太网,这样既减少了用户的投资风险,又保护了用户的已有设备和技术投资。
另外值得一提的是,工业以太网正逐渐向现场I/O扩展,逐渐替代现场总线,如西门子推出的PROFINETI/O产品。
我国也在进行工业以太网专题">工业以太网标准的研究和制定,EPA(EthernetforPlantAutomation)就是在国家“863”课题的支持下,由浙江大学、浙大中控和中科院沈阳自动化所等多家单位联合攻关,在解决多项关键技术的基础上起草的我国第一个拥有自主知识产权的工业以太网国家标准,它是从我国国情研发的国家标准,相信在今后的工业控制领域占有一席之地。
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LIAi-guo.ApplicationofSCTPinindustrialethernetcomm-
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160-162.
目录
一、引言-1-
二、现场总线及以太网技术介绍-1-
2.1Profibus-DP.-2-
2.2.DeviceNet-2-
2.3.CC-Link-2-
2.4.CANopen-2-
2.5.Modbus-TCP工业以太网-3-
2.6.Profinet工业以太网-3-
2.7.Modbus-TCP工业以太网-3-
三、工业以太网今后的发展-4-
参考文献-6-
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