PLC远程总线调研报告.docx
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PLC远程总线调研报告
PLC远程总线
调研报告
共_33_页
2007年12月18日
1.各种系统远程总线指标对比
厂家
Rockwell
Siemens
ABB
Omron
Modicon
和利时
型号
ControlLogix
S7-300
AC800F
SYSMACCS1
UnityQuantum
LK
推出时间
1998年
—
2000年
1999
1994
2006
远程总线
ControlNet
Profibus-DP
Profibus-DP
ControllerLink
S908
ModbusPlus
Profibus-DP
是否开放
开放
开放
开放
—
—
开放
开放
通讯模型
生产者/消费者
主从式
主从式
令牌环
(命令/数据)
主从式
令牌
主从式
远程模块是
否支持冗余
冗余
不冗余
通过控制器冗余
冗余
冗余
冗余
冗余
远程总线是
否支持冗余
冗余
不冗余
环网冗余
二选一冗余
环网冗余
冗余
冗余
冗余
通讯介质
同轴电缆
光纤
双绞线
光纤
—
特殊双绞线电缆或光缆
同轴电缆
光纤
双绞线
光纤
双绞线
光纤
最大通讯速率
5Mbps
12Mbps
12Mbps
2Mbps
1.544Mbps
1Mbps
1.5Mbps
通讯距离
6km(同轴电
缆)
30km(光纤)
9.6km(双绞线))
90km(光纤)
1200m
双绞线:
1km(500kbps时);
H-PCT电缆:
20km;
GI电缆:
30km
4572米(同轴电缆),14公里(光纤)
450米(双绞线不加中继器),1800(双绞线加中继器),12公里(光纤)
1200m(双绞线)
远程IO单元
最大节点数
远程IO模块数量小于250
124
126
32/62
31
189
(三个网络,单网63个)
32
是否支持
热插拔
支持
—
—
—
支持
支持
支持
每个远程单
元支持的IO
模块数量
64
8
24
80
27
(最大64字入/64字出)
27
(最大30字入/32字出)
8
远程IO单元
的通讯模块
是否冗余
冗余
不冗余
不冗余
不冗余
—
—
不冗余
支持的其它
现场总线
DeviceNet,
FF-H1,
DH+,
FieldBus
AS-i
Modbus,
Profibus-PA
FF-H1,
CAN,
Modbus
DeviceNet,
Profibus-DP,
Modbus,CompoBus/S
TCP/IPModbus,
AS-i,
FIPI/O,
Profibus-DP
Modbus,
DeviceNet,
Interbus-S,
LonWorks,
CANopen,
As-i
其它可扩展远程IO的通讯方式
见2.2节
也可用AS-i连接远程IO
—
也可用
DeviceNet连接远程IO
—
—
2.RockwellControlLogix
2.1.系统概述
ControlLogix系列可编程序控制器是罗克韦尔公司在1998年推出AB系列的模块化PLC,是目前有竞争力的控制系统之一,Controllogix将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、IO技术集成在一个平台上,可以为各种工业应用提供强有力的支持,适用于各种场合,最大的特点是可以使用网络将其相互连接,各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。
ControlLogix采用框架式结构,所有得模块都插在框架的背板上,背板支持模块的热插拔。
ControlLogix处理器可以控制本地和远程I/O,通过EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet和UniversalRemoteI/O监控I/O。
当在ControlLogixI/O机架内有多个处理器模块,甚至在ControlNet网内有多个处理器模块时,所有的处理器都可以从所有的输入模块读到输入值。
任何一个处理器都可以控制任何特定的输出模块。
通过系统组态指定每个输出模块由哪个处理器控制。
ControlLogix平台是机架式模块化安装。
ControlLogixI/O是背板安装的。
电源直接安装在ControlLogixI/O机架的左端。
ControlLogixI/O机架有4、7、10、13或17槽之分。
模块的安装完全和槽号无关;任何模块都可以安装在ControlLogixI/O机架的任意槽。
ControlLogixI/O模块的最大通道数是32通道。
图1ControlLogix系统结构
2.2.连接远程IO
ControlLogix处理器可以可通过ControlNet,DeviceNet和普通的RemoteI/O链路控制远程I/O。
其中5550型处理器单台可控制的远程I/O(通道)的最大数量为250个。
其中ControlLogix系列IO模块(即1756系列IO)只能使用ControlNet网络进行扩展。
图2ControlLogixI/O扩展图
ControlLogixI/O扩展对应表:
2.3.ControlNet
作为IEC61158国际标准的高速工业现场总线,ControlNet是一种面向实时控制进行优化设计的网络,特别适合于有严格实时控制要求的场合。
开放、高速、确定和可重复性是它的主要特点。
5Mbps的数据传输率不会随网络距离延伸而衰减,通过同轴电缆可达6KM(通过光纤延伸可达30KM)。
并且,ControlNet提供冗余网络和本安型网络供用户根据需要进行选择。
ControlNet使用的Producer/Consumer通讯模式大大提供了网络效率,点对确定性多点的(Multicast)数据传输功能使得网络上的多点数据同步以及控制器之间的实时联锁变得简单。
在ControlNet上,实时I/O数据和非实时性信息按不同的优先级区别对待,用户可以根据不同控制任务需要预先设定不同的I/O信息的通讯响应时间,甚至“逢变则报”(COS)的输入响应方式,从而实现最佳的实时I/O控制;同时,用户还可以方便地进行网络化组态和程序维护,实现多个网络设备(包括控制器及上位机等)之间的大量数据传递。
∙最佳的开放性
作为国际标准IEC61158的ControlNet工业现场总线由ROCKWELLAUTOMATION公司最早开发并公开,是工业自动化领域的标准网络。
该总线现由独立的ControlInternational组织协会负责管理。
∙快速响应及确定性
5Mbps的ControlNet数据传输率不会因网络距离的延伸而下降,通过同轴电缆可达6KM(通过光纤延伸可达30KM)。
在ControlNet上,实时I/O数据和非实时性信息按不同的优先级区别对待,用户可以根据不同控制任务需要预先规划不同I/O的通讯响应时间,甚至“逢变则报”(COS)的输入响应方式,实现最佳的实时I/O控制;同时,用户还可以方便地进行网络化组态和程序维护,实现多个网络设备(包括控制器及上位机等)之间的大量数据传递。
考虑到工业控制实时性要求的特点,借助生产者/消费者(Producer/Consumer)技术。
每一智能化输入模板/设备作为现场信息的生产者Producer,在现场信号变化时,主动向相关处理器传送刷新;每一智能化输出模板/设备可按用户指定的任何刷新时间内得到处理器当前输出指定。
这彻底避免了传统的以处理器/主站周期扫描或者广播通知各I/O模块/从站的方式带来的弊病。
∙完全符合工业现场要求
支持星型、树型、总线型和环形等多种拓扑方式。
支持同轴电缆和光纤,通过中继器,传输距离可达30公里。
提供符合各类工业现场需要的同轴电缆及光纤,如铠装、地埋以及高柔性屏蔽电缆等。
提供网络冗余,网络上每个站点可配置两个网络通道,冗余网络之间无需任何编程,能够根据网络信号质量自动选择通讯正常、良好的链路。
提供本安型网络延伸,可直接将符合本安要求的远程I/O延伸到可能的防爆区域。
∙高效率、先进的网络模式
ControlNet使用的生产者/消费者(Producer/Consumer)技术,与传统的源/目的传送模式有本质不同。
后者每发送一个信息就需要一个确定的源/目的地址数据包。
而采用生产者/消费者模式,网络不需要单独的源/目的地址,代之以数据标识,不同的消费者(信息接收者)可以根据数据标识同时接收来自生产者(信息产生者)的信息,如果某些信息是它所不需要的,它可以忽略而只处理那些它所需要的信息。
并且,在同一个ControlNet上,既能实现最苛刻的I/O控制以及控制器间的实时联锁,也能实现大数据包的信息交换,包括程序上载/下载和网络化参数组态等。
其特点是:
●多个节点能够从单个生产者(数据源)接收相同的数据;
●节点能够同步化(多信道);
●优化的带宽潜力能用于增强系统功能;
●使用同一网络进行编程和I/O信息传送。
因此,这种基于生产者/客户(Producer/Consumer)模式的网络比起传统的点对点(Source/Destination)通信方式具有如下优点:
●提高效率:
数据源一旦发送数据,多个节点就能同时接收数据,报文是通过目录来识别的;
●精确的同步化:
更多的设备能够加到网络上,但不需要增加网络的通信量,并且所有节点的数据同时到达。
2.4.网络通讯模块
2.5.冗余的实现
Ø主/从CNB网桥具有相同的地址设定:
主CNB网桥将使用该地址,从CNB网桥将自动地使用下一个高位地址。
Ø在切换时,两个CNB网桥将自动地互换地址:
任一外部的ControlNet设备将继续和新的主控制器进行通讯。
图3ControlLogix系统的冗余
2.6.AB各种应用提供的解决方案
3.ABBAC800F
3.1.系统概述
ABB集团在2000年推出的AC800F系统基于工业IT(IndustrialIT)的控制平台,该控制系统平台基于现场总线,工厂自动化水平较高,采用开放的一体化控制器、最新技术和标准,具有综合信息,高工程效率,高级可升级的解决方案,开放的通讯,即插即用等特点。
AC800F系统融传统的DCS和PLC优点于一体,并支持多种国际现场总线标准。
它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件,又同时具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。
系统既可连接常规I/O,又可连接Profibus、FF、CAN、Modbus、等各种现场总线设备。
系统具备高度的灵活性和极好的扩展性,无论是小型生产装置的控制,还是超大规模的全厂一体化控制,甚至对于跨厂的管理控制应用,都能应付自如。
该系统升级到V6.2后,系统容量可以达到无穷多点(超过100万个I/O),今后如果系统需要扩展,可直接在这个基础上增加I/O或现场总线仪表,利于今后的发展。
系统包括操作级与过程级,操作级包括传统控制功能,如操作与监视,归档与信息记录,趋势与报警,回路与逻辑控制功能在相应的过程站中执行。
做为过程级是由一个或几个过程站组成,每个过程站由AC800F和扩展I/OS800单元组成。
过程站CPU可以配置为冗余或不冗余系统,系统具有各种I/O模块与现场各种类型过程信号相连接。
系统提供了两种工业标准总线。
过程站总线(Profibus-DP):
用于现场I/O数据通信,具有较高的安全性与较强数据可靠性。
DigiNetS系统总线(Ethernet):
用于过程级与操作级,通信传输介质可以选择同轴电缆或光缆。
图4AC800F网络结构
3.2.连接远程IO
3.2.1.控制站AC800F
AC800F控制器(如右图所示)是集成现场总线控制的过程站,包括1个电源模块槽位、2个以太网模块槽位、4个总线模块槽位。
其中第一个槽位的以太网模块用于上位机通讯,第二个槽位的以太网模块用于控制器之间冗余通讯。
总线模块包括Profibus、FF-H1、CAN、Modbus四种,可以在四个槽位任意安装。
控制器的内部结构如下图所示。
通过4种总线模块,AC800F可以扩展各种IO模块或现场设备。
其中通过Profibus模块,可以扩展远程IO单元S800和S900。
图5AC800F控制器内部结构
3.2.2.
ProfiBus模块
ProfiBus模件(FI830F)的特性如下:
●符合ProfiBus-DP/V1标准(DIN19245);
●传输速率12Mbps;
●支持126Slaves;
●物理接口:
RS485;
●电气隔离;
●板上内置共享内存(256KB);
●模件可以在控制器运行中进行更换;
●支持冗余操作;
3.2.3.ProfiBus网络冗余
在AC800F系统中,ProfiBus网络支持二选一冗余和环网冗余两种冗余方式。
其中构建二选一冗余网络时,需要用到ProfiBus冗余Link模件RLM01。
该Link模块的工作原理如下图所示,其主要功能是将一路Profibus信号转换到2条冗余Profibus线路。
当ProfiBus模件(FI830F)发送数据时,Link模块在A、B网络均转发数据;当在A、B网络上接收到相同的数据时,选择其中一路转发给ProfiBus模块。
图6Link模块工作原理示意图
使用Link模块后,即可实现ProfiBus网络冗余,如下图所示。
但如果连接的是S800,则其本身并不支持冗余的ProfiBus网络,需要再使用1个Link模块将ProfiBus通讯转换为1路。
图7ProfiBus二选一冗余
如不使用Link模块,则还可以使用光缆来实现Profibus线路环网冗余。
如下图所示:
图8ProfiBus环网冗余
3.3.远程IO单元S800
远程IO单元包括由2部分组成,通讯接口模块FCI(FieldbusCommunicationInterface)和最多12个本地IO模块。
FCIIO模块
图9远程IO单元S800
通过FCI模块的ModuleBus,S800远程IO单元还可最多扩展7个IO簇,每簇最多12个IO模块,但每个S800远程IO单元的IO模块数量应少于24个。
ModuleBus支持单环连接和双环连接两种方式,使用塑料光纤时最长可连接15m,使用HCS玻璃光纤时最大可连接200m。
图10ModuleBus
4.OmronSYSMACCS1
4.1.系统概述
日本欧姆龙公司是世界著名PLC生产厂商之一,在小、中、大型PLC均有特长。
其中Omron在1999年推出的SYSMACCS1系统是其产品线中可配置规模最大的系统,现在又推出了其改进型号CS1D。
CS1的基本I/O点数达5120点,其系统结构如下图所示。
OMRON的PLC网络结构体系大体分为三个层次:
信息层、控制层和器件层。
信息层是最高层,负责系统的管理与决策,除了Ethernet网外,还有HOSTLink网。
控制层是中间层,负责生产过程的监控、协调和优化,该层的网络有SYSMACNET、SYSMACLink、ControllerLink和PLCLink网。
器件层是最低层,为现场总线网,直接面对现场器件和设备,负责现场信号的采集及执行元件的驱动,有Profibus、CompoBus/D、CompoBus/S和RemoteI/O网。
图11CS1系统结构
目前,在信息层、控制层和器件层这三个网络层次上,OMRON主推Ethernet、ControllerLink和CompoBus/D三种网,而HOSTLINK、PCLINK多以老型机为主。
1)Ethernet网(以太网)属于大型网,处理能力很强,是OMRON的信息管理高层网络,支持FINS协议,使用FINS命令可以进行HNS、TCP/IP和UDP/IP的Socket(接驳)服务、FTP服务。
2)ControllerLink网(控制器网)是SYAMACLINK网的简化,规模较小,使用FINS指令进是行信息通信。
3)CmpoBus/D是一种开放多主控的器件网。
采用的是美国AB公司制定的DeviceNet通信规约,主要有远程开关量和模拟量的I/O控制及信息通信。
4.2.通讯网络
层次
网络
功能
通讯
单元/板
信息网络
Ethernet
上位机到PLC
FINS信息
Ethernet单元
PLC~PLC
上位机到PLC单元储存卡
FTP信息
UNIX计算机或其它到PLCSocket服务
Socket服务
ControllerLink和
SYSMACLINK
直接连接到网络和PLC的计算机
FINS信息
ControllerLink
支持板和单元
SYSMACLINK
支持板和单元
数据连接(偏移量和自动设定)
控制网络
ControllerLink和
SYSMACLINK
PLC~PLC
FINS信息
ControllerLink单元
SYSMACLINK单元
数据连接(偏移量和自动设定)
PC连接
简单数据连接
PC链接单元
DeviceNet
开放网络上的FINS信息
DeviceNet主站单元
和配置器
DeviceNet
PLC到器件(从站)
开放网络上的高容量远程I/O(固定或用户分配)
DeviceNet主站单元
和配置器
CompoBus/S
开放网络上的高容量远程I/O(固定分配)
CompoBus/S主站单元
4.3.通信规格
网络
Ethernet
ControllerLink
SYSMACLINK
DeviceNet
CompoBus/S
信息
是
是
是
是
—
数据链接
—
是
是
—
—
远程I/O
—
—
—
是
是
最大速度
100Mbps
2Mbps
通信周期:
约34ms
(配线:
32个节
点,2K位+2K字
数据链接)
2Mbps
通信周期:
约34ms
(配线:
32个节点,2K位+2K字数据链接)
500Kbps
通信周期:
约5ms
(128点输入和128
点输出)
750Kbps(见注1)
通信周期:
约1ms
(128点输入和
128点输出)
总距离
2.5km
双绞线:
500kbps时1km
H-PCT电缆:
20km
GI电缆:
30km
同轴:
1km
光缆:
10km
125Kbps时500km
干线:
500m(见注2)
通信周期:
最大6ms
最大节点数
254
32/62
62
63
32
通信介质
同轴电缆(10Base
-5),双绞线(100
Base-TX)或双绞线(10Base-T)
特殊双绞线电缆或光缆
特殊双绞线电缆或光缆
DeviceNet电缆
2芯或4芯VCTF电缆,特殊扁平电
网络数据
链接容量
—
32,000字
2,966字
—
—
远程I/O容量
—
—
—
4,800点(带配置器)
1,600点(无配置器)
256点
注:
1.用于高速通信模式。
干线长度为100m(4芯VCTF或特殊扁平电缆最长30m)。
2.用于长距离通信模式(4芯VCTF或特殊扁平电缆最长200m)。
3.不同类型的电缆不能混合。
4.对于CVM1,CV,或C200HX/HG/HE:
最大速度:
10Mbps,最大节点数:
100,通信介质:
同轴或双绞线电缆(10Base-T)。
4.4.ControllerLink
Controllerlink通信系统也称为控制器网,它是OMRON将SYSMACLink网简化改进后一种FA(工业自动化)网络,可以在合适的PLC和各种微型计算机之间方便地、灵活地发送和接收大容量数据包,支持能共享数据的数据链接和在需要时发送和接收数据的信息服务。
具有如下特点:
1)通信介质采用双绞线和光缆采用光缆型的ControllerLink网,能够获得大容量的数据链接和长距离的通信,通信距离可达20km(使用H-PCT电缆)。
2)最大传输距离随波特率而变,在采用双绞线、两层中继器的情况下,波特率在500kbps时,传输距离可达3km。
3)最大支持62个节点。
4)高速度的数据通信控制器网的通信波特率可达2Mbps。
5)大容量的数据链接。
6)信息通讯是在用户程序中执行通信指令SEND,RECV,CMND来实现的。
7)灵活的网络互连。
ControllerLink现场总线使用的是令牌(Token)机制保证实时性和确定性。
ControllerLink总线有令牌总线方式和令牌环网两种组网方式。
令牌环网方式不仅具有自愈冗余功能,在介质访问控制(MAC)上也具有以太网不具备的实时性和控制性要求。
这种总线型拓扑结构具有最大的灵活性,易于扩充和维护,满足系统可扩展性的需求。
由于采用了分布式控制技术,可确保ControllerLink网络不会因某个站点故障而崩溃,提高了系统的稳定性。
令牌环网和IEEE802.5网支持两种最基本的帧的类型,分别是令牌帧和数据/命令帧。
令牌帧的长度为3个字节,由帧首定界符,访问控制字节和帧尾定界符三部分组成。
数据/命令帧的长度不固定,视信息域的具体长度而定。
其中,数据帧包含提供给上层协议使用的信息,命令帧包含控制指令信息。
两种类型帧的结构示意图如下:
图12ControllerLink帧结构
4.5.连接扩展IO
图13CS1扩展机架的连接
图14CS1扩展机架
5.SchneiderUnityQuantum
5.1.系统概述
Modicon公司(后被Schneider收购)在1969年推出了第一台PLC——Modicon084控制器。
其PLC产品在北美市场的占有率为第二。
1994年,推出了第一台通用控制平台Quantum,是具有强大处理能力的大型控制系统,可以满足大部分离散和过程控制的经济和灵活的硬件控制平台。
Quantum系统可支持65000点I/O,背板总线速率高达80Mbps。
系统网络如下图所示,分为信息层、控制层、现场层。
在信息层使用基于工业以太网的ModbusTCP/IP协议,在控制层使用ModbusPlus、Modbus、Fipway等协议,在现场层支持FIPIO、Profibus等。
图15UnityQuantum系统结构
5.2.连接IO
具有三种IO连接方式:
扩展IO,远程IO,分布式IO。
图16UnityQuantum系统IO连接模式
5.2.1.本地IO
ØCPU与IO模板处于同一背板或扩展背板
Ø最多27个模块
5.2.2.远程IO
Ø采用RIO通讯适配器(CRP、CRA)模块进行连接
Ø通讯协议:
S908
Ø通讯速率:
1.544Mbps
Ø通讯介质:
同轴电缆、光纤
Ø通讯距离:
最远4572米(同轴电缆),14公里(光纤)
Ø最大子
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