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IEC61158标准中的8种现场总线协议
2014/12/6 15:00:00    

现场总线控制系统(FCS)是继DCS之后的又一种新型工业控制系统,目前已开发出40多种现场总线,如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等。现场总线使模拟与数字混合的DCS更新换代为全数字现场总线控制系统,真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。

据美国ARC公司的市场调查,世界市场对各种现场总线的需求为:过程自动化15%(FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP),医药领域18%(FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP),加工制造15%(PROFIBUS-DP、DeviceNet),交通运输15%(PROFIBUS-DP、DeviceNet),航空、国防34%(PROFIBUS-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet),以及农业(P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet),楼宇(LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet)等。


1、总线应用领域不断拓展


FCS全数字化通信使过程控制具有更高可靠性,从传感器、变送器到调节器,均为数字信号,这就使得复杂、精确的信号处理得以实现。凭借出色的互操作性、分散性、EIC(电气传动、仪表、计算机)一体化等优点,FCS系统中的仪表实际上已成为具有综合功能的智能仪表,而EIC一体化结构成为钢铁工业自动化用得较多而又急需的控制系统结构。目前,现场总线行业主要呈现以下特点:

首先,每种总线作为一支利益团体,都力图拓展其应用领域,以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线,往往会进一步根据需要向其它领域发展,如Profibus在DP的基础上又开发出PA以适用于流程工业。

对于大多数总线,都成立有相应的国际组织,力图在制造商和用户中创造影响,以取得更多方面的支持,同时也想显示出其技术是开放的,如WorldFIP国际用户组织、FF基金会、Profibus国际用户组织、P-Net国际用户组织及ControlNet国际用户组织等。同时,每种总线都以企业为支撑,各种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景,公司的利益与总线的发展息息相关,如Profibus以Siemens公司为主要支持,ControlNet以Rockwe11公司为主要背景,WorldFIP以ALSTOM公司为主要后台。

在企业层面,一个设备制造商往往参加多个总线组织,大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织,有些公司甚至参加2-4个总线组织,因为装置是要挂在系统上的。

技术层面,以太网是目前的新热点,以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长,几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口,如Siemens、Rockwell、GE-Fanuc等,他们除了销售各自PLC产品,同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。FF现场总线正在开发高速以太网,这无疑大大加强了以太网在工业领域的地位。

在竞存关系中,协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过,欧洲标准EN50170在制定时,将德、法、丹麦3个标准并列于一卷之中,形成了欧洲的多总线的标准体系,后又将ControlNet和FF加入欧洲标准的体系。各重要企业,除了力推自己的总线产品之外,也都力图开发接口技术,将自己的总线产品与其它总线相连接,如施耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际标准中,也出现了协调共存的局面。

标准化方面,各种总线相继成为自己国家或地区标准:每种总线大多将自己作为国家或地区标准,以加强自己的竞争地位。现在的情况是:P-Net已成为丹麦标准,Profibus已成为德国标准,WorldFIP已成为法国标准。上述3种总线于1994年成为并列的欧洲标准EN50170,其它总线也都成为各地区的技术规范。


2、几种主流现场总线介绍


现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型,以及其它一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域,不同领域的自动化需求各有其特点,因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一些,应用多一些,适用性好一些。

(1)基金会现场总线(FoundationFieldbus简称FF)

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,前者传输速率为31.25Kbit/秒,通信距离可达1900m,可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒,通信距离为750m和500m,支持双绞线、光缆和无线发射,协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

(2)CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域网)

最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功能,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达40M/1Mbp/s,网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

(3)Lonworks

由美国Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距离可达2700m(78Kbit/s),被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中,并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

(4)DeviceNet

DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术,传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是OpenDeviceNetVendorAssociation(开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA”)。

(5)PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型,服从IEC1158-2标准。PROFIBUS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。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m,可采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点。

(6)HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写,最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆的要求,并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

(7)CC-Link

CC-Link是ControlCommunicationLink(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。在其系统中,可以将控制和信息数据同是以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。

(8)WorldFIP

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网桥,用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”,并对FF的H1进行了技术拓展,如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面,WorldFIP做得最好,走在世界前列。

此外,较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-DataA/S提出的P-Net,该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域。


3、现场总线的发展趋势


虽然现场总线的标准统一还有种种问题,但现场总线控制系统的发展却已经是一个不争的事实。随着现场总线思想的日益深入人心,基于现场总线的产品和应用的不断增多,现场总线控制系统体系结构日益清晰,具体发展趋势表现在以下几个方面。

现场总线是一种正在发展的技术,在过程控制领域对其要求是:
(1)改善实时性,不允许有不确定性。
(2)克服本安防爆对总线中节点数和电缆长度的限制,加强现场总线本安概念理论研究。
(3)实现可互操作性和信息处理现场化。

目前,越来越多的企业采用最流行的TCP/IP协议加以太网,操作设备一般采用工业PC甚至普通PC,控制设备一般采用标准的PLC或者是工业控制计算机等,而控制网络就是各种现场总线的应用领域。实时性和可互操作性是以太网在工业现场应用所要解决的重要问题。(编辑:Lisa WU)

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