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现场总线

作者:未知   发布时间:2017-12-25 10:48:06   浏览次数:91

现场总线具有接线简单,工程周期短,安装费用低,维护容易,可靠性高,稳定性好,抗干扰能力强,通信速率快,系统安全,符合环境保护要求等优点,其重要性正被越来越多的企业所重视。

但由于市面上现场总线种类繁多,标准不一,很多人对现场总线认识较为模糊,为此, e-works特别策划了本期报道,将从现场总线的概念、发展历程、市场分析、分类、应用与发展趋势等多个维度阐述,进而让读者对现场总线有一个全面而准确的认识。

一、什么是现场总线?

提到现场总线,对于初学者,总是会不由自主与工业物联网的概念混为一谈。其实,现场总线与工业物联网的概念确实有交集。但是,工业物联网涉及到传感器、射频设别、多媒体等感知控制技术;也涉及到现场总线、工业以太网、无线通信等网络通信技术;也涉及到数据清洗、数据分析、数据建模、数据存储等信息处理技术;还涉及到加密认证、防火墙、入侵检测等安全管理技术。由此可见,现场总线只是工业物联网技术体系中的一环。那么,何为现场总线?

传统车间级自动化监控及信息集成系统

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传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的4-20mA/24VDC信号,信息量有限,难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换,使自控系统成为工厂中的"信息孤岛",严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。

基于现场总线的车间级自动化监控及信息集成系统

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基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术,使自控系统与设备加入工厂信息网络,构成企业信息网络底层,使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。例如,利用现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备(智能化、带有通信接口)连接,用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号,完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。

国际电工委员会IEC标准和现场总线基全会FF将现场总线定义为:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。换句通俗地话,现场总线就是将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点,连接成能相互沟通信息,共同完成自控任务的控制网络。

二 、现场总线的发展历程

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随着信息与科学技术的迅猛发展,信息交换方式日新月异,并朝着全球化与数字化的方向发展,自动控制系统作为信息与科学技术发展的融合产物,自19世纪以来的近两百年里也发生了巨大变革。总的来说,一般可将其划分为5代:

第一代:气动信号控制系统(PCS)

第二代:电动模拟仪表过程控制系统(ACS)

第三代:集中式数字控制系统(CCS)

第四代:分散式控制系统(DCS)

第五代:现场总线控制系统(FCS)

三、全球工业网络市场分析

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(数据来源:HMS公司)

瑞典网络专家HMS公司的最新调查显示:在2016年间,现场总线的安全节点数量占全球工业网络市场的48%。现场总线仍然是目前工业环境应用最为广泛的对象,现场总线的简单性、可靠性高的优点受到许多用户的喜爱。

四、中国现场总线市场分析

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(数据来源:中国传动网)

2016年受投资放缓和国际需求下滑的影响,工业现场总线市场出现了负增长,预测未来几年也将处于一个平稳低增长率的阶段。2016年工业现场总线的增长率为6.1%左右,预计2017年~2020年,增长率分别为5.7%、5.5%、5.3%和5.1%。

五、十一种现场总线的认识 ① 基金会现场总线

基金会现场总线FF(Fieldbus Foundation)以ISO/OSI开放系统互联模式为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

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② HART现场总线

HART现场总线(Highway Addressable Remote Transducer)最早由美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间双向通信的协议规程,这个协议得到80多家著名仪表公司的支持,并于1993年成立了HART通信基金会。HART现场总线提供两个同步通信通道:4~20mA的模拟信号和一个数字信号。这两个通信通道结合,能提供一种易于使用和配置的低成本、高度可靠、完整的现场通信解决方案。

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③ CAN现场总线

CAN现场总线的全称是Controller Area Network,是20世纪80年代初德国Bosch公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议。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。

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④ LONWORKS现场总线

在80年代后期,美国埃施朗(Echelon)公司开发了LONWORKS技术平台,并在1992年推出局部操作网络,最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场网。LonWorks 现场总线结构简单,布线容易,易于扩容和增加新功能。对于用户各种不同的功能要求,只需选用不同的控制节点,利用其开发平台,编写相应的程序,连接到控制网上即可完成,在物理上不必对网络结构作任何修改。

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⑤ DeviceNet现场总线

DeviceNet是由美国Rockwell Automation公司在1994年推出的一种网络,实现了低成本高性能的网络互联。它能将可连接开关、光电传感器、阀组、电动机启动器、过程传感器、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等工业设备连接到网络,从而消除了昂贵的硬接线成本。

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⑥ INTERBUS现场总线

Interbus总线是世界上最早的现场总线,早在1984就由德国phoenix Contact公司研发,1987年正式在汉诺威博览会上展出。由于该总线的广泛应用和快速发展,已经先后成为德国DIN19258标准,EN50254欧洲标准和IEC61158国际标准。Interbus的各种性能参数非常贴近汽车生产实际的需要,是最早进入汽车工业的现场总线,现在也是世界汽车行业最受欢迎的现场总线,其传统的应用领域就是汽车工业。

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⑦ PROFIBUS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。

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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。

⑧ WorldFIP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。

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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。

⑨ CC-Link现场总线

CC-Link是Control&Communication Link的缩写,中文翻译为控制与通信链路系统,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。

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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。

⑩ Modbus现场总线

Modbus是Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年开发的一种通讯协议。1996年,施耐德公司推出了基于以太网的TCP/IP的Modbus协议——ModbusTCP。Modbus是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通讯协议,该协议支持RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。

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⑪ PowerLink现场总线

PowerLink于2001年由贝加莱首先研发推出,是一种基于普通以太网,却无须专业芯片,可以在各种平台(例如FPGA、ARM)等上实现的,高实时性的、开源的现场总线方案。PowerLink遵循IEC国际标准,通信描述标准为IEC61784-2,服务和协议描述标准为IEC61158-300、IEC61158-400、IEC61158-500、IEC61158-600,设备描述标准为ISO15745-1。

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六、十一种现场总线比较

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七、现场总线的发展趋势 ① 从技术的角度分析

低速现场总线领域将继续发展和完善

目前现场总线产品主要是低速总线产品,无论是FF和Profibus,还是其他种类的现场总线,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。

高速现场总线技术的发展较为激烈

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。目前这一领域竞争较为激烈。

② 从应用的角度分析

网络结构趋于简单化

早期的现场总线模型由7层组成,现在Rockwe11公司提出了3层结构自动化,Fisher Rosemount公司提出了2层自动化,还有的公司甚至提出1层结构,由以太网一通到底。目前比较达成共识的是3层设备、2层网络的3+2结构。

大量采用成熟、开放和通用的技术

在管理网的通信协议上,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。

八、现场总线厂商汇总

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九、现场总线的应用案例

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