現(xiàn)場總線7章節(jié)10種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)以太網(wǎng).ppt

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),第7講 10種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)以太網(wǎng),信息學(xué)院自動化系 凌志浩,第1 部分 10種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。 根據(jù)使用場合和用途不同，現(xiàn)場總線又分為H1低速現(xiàn)場總線和H2高速現(xiàn)場總線。 IEC/SC65C最初定義的H1總線為用于制造或過程區(qū)域的、通過兩根傳輸線向現(xiàn)場裝置供電的低速串行總線； H2總線為無需解決兩線制供電、用于裝置間傳送信息的高速串行總線。 H1和H2總線相輔相成構(gòu)成了完整的工業(yè)自動化系統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)。,Type1 TS61158 現(xiàn)場總線,1998年前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現(xiàn)場總線，該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術(shù)，并嚴(yán)格按照IEC定義制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，用于過程控制傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級通信，可以與工廠自動化的PLC實現(xiàn)互連。,Type1通用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),H1主要用于現(xiàn)場級，其速率為31.25Kbps，負(fù)責(zé)兩線制向現(xiàn)場儀表供電，支持帶總線供電設(shè)備的本質(zhì)安全,H2面向過程控制級、監(jiān)控管理級和高速工廠自動化的應(yīng)用，其速率為1，2.5和100Mbps。,TYPE 2,Ethernet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它使用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)品混合使用。該協(xié)議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協(xié)議（CIP），提供一個公共的應(yīng)用層。CIP的控制部分用于實時I/O報文，其信息部分用于報文交換。ControlNet和Ethernet/IP都使用該協(xié)議通信，分享相同的對象庫、對象和設(shè)備行規(guī)，使得多個供應(yīng)商的設(shè)備能在上述整個網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)即插即用。對象的定義是嚴(yán)格的，在同一種網(wǎng)絡(luò)上支持實時報文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的實時性能，ODVA（開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會）于2003年8月公布IEEE1588“用于Ethernet/IP實時控制應(yīng)用 的時鐘同步”標(biāo)準(zhǔn)。,Type2 ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線,Type2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),TYPE 3,TYPE 4,通信方式采用虛擬令牌（Virtual Token）傳遞方式。只有主站可以擁有令牌，主站在擁有令牌時，可以向從站發(fā)出一個請求，從站在390s內(nèi)訪問總線，以保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)立即返回一個響應(yīng)，從而完成一次通信循環(huán)。數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲順序是符合FIFO機制的每個節(jié)點含有一個通用的單芯片微處理器，可以完成測量、標(biāo)定、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用功能。P-NET總線的物理層采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)，使用屏蔽雙絞線通信電纜，當(dāng)通信頻率為76.8KHz時，傳輸距離可達到1.2km。P-NET采用NRZ異步傳輸方式。,節(jié)點（Node）：節(jié)點是指連結(jié)到總線上的設(shè)備。P-NET協(xié)議的節(jié)點包括三種類型：主站、從站和網(wǎng)關(guān)。 主站（Master）：在P-NET協(xié)議中是惟一可以擁有令牌，并發(fā)出請求信息的節(jié)點，主站對總線的訪問是主動的。在主站獲得總線令牌后允許在一定的時間內(nèi)訪問總線，擁有一次令牌只能發(fā)送一次請求，主站在使用完令牌后即將令牌傳給下一個主站。 從站（Slave）：在收到主站的請求后，在一定的時間內(nèi)返回相應(yīng)的響應(yīng)，從站不能擁有令牌，對總線的訪問是被動的，只有在被某個主站訪問時才能占用總線返回響應(yīng)。 網(wǎng)關(guān)（Gateway）:是連接兩個或更多段總線的設(shè)備。P-NET是多段多網(wǎng)絡(luò)總線，段與段之間以網(wǎng)關(guān)相連。網(wǎng)關(guān)即起到隔離總線段的作用，又在段與段之間進行信息的傳遞，實現(xiàn)不同總線段之間的通信。 虛擬令牌：P-NET通信協(xié)議遵循虛擬令牌制傳遞方式。所謂虛擬令牌就是在各主站訪問總線時，并沒有實際的令牌在各個主站之間傳遞，傳輸?shù)囊粠畔⒅胁⒉话钆谱止?jié)。各主站對總線的訪問遵循一定的時間機制，這是通過空閑總線位周期計數(shù)器和總線訪問計數(shù)器來實現(xiàn)的。 空閑總線位周期計數(shù)器（Idle Bus Bit Period Counter）：空閑總線位周期計數(shù)器是用來計算總線上沒有主站訪問的周期數(shù)的，它總是從40開始增加，遇到一個空閑位周期，則“空閑總線位周期計數(shù)器”增加10，遇到主站訪問總線，“空閑總線位周期計數(shù)器” 重新從40開始計。 總線訪問計數(shù)器（Bus Access Counter）：總線訪問計數(shù)器是用來紀(jì)錄訪問總線的主站的站號，并且利用該站號來實現(xiàn)總線的同步。每次令牌從一個主站傳給另一個主站時“總線訪問計數(shù)器”都要加1，訪問總線的主站的站號要與總線訪問計數(shù)器的值相等，否則會出現(xiàn)總線不同步錯誤。,Tpye5 FF HSE現(xiàn)場總線 1998年，美國Fieldbus Foundation（FF）基金會決定采用高速以太網(wǎng)（High Speed Ethernet，HSE）技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，它與H1現(xiàn)場總線整合構(gòu)成信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)。 HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范，并根據(jù)過程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無縫地進行操作，因而FF HSE總線可以使用當(dāng)前流行的商用（COTS）以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓?fù)涫遣捎媒粨Q機形成星形連接，這種交換機具有防火墻功能，以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3信號傳輸，標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備和交換機之間距離，使用雙絞線為100米，光纜可達2千米。HSE使用連接裝置（LD）連接H1子系統(tǒng)，LD執(zhí)行網(wǎng)橋功能，它允許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場設(shè)備，以完成點對點對等通信。HSE支持冗余通信，網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備都能作冗余配置。,Type5 FF HSE現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu),FFB是柔性功能模塊，用于進行復(fù)雜的批處理和混合控制應(yīng)用，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的監(jiān)控，子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數(shù)據(jù)采集、PLC與其它協(xié)議通信的網(wǎng)間連結(jié)器。,TYPE 6,Type6 SwiftNet現(xiàn)場總線由美國SHIP STAR協(xié)會主持制定，得到美國波音公司的支持，主要用于航空和航天等領(lǐng)域。該總線是一種結(jié)構(gòu)簡單、實時性高的總線，協(xié)議僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。SwiftNet現(xiàn)場總線采用分層總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。,物理層傳送速率為5Mbps，此時每秒傳送105個不同的報文?？偩€使用TDMA（Slotted time division multiple access）槽路時間片多路送取方式，提供專用高速、低抖動同步通道和按要求指定的通道。專用通道適用于自動狀態(tài)數(shù)據(jù)的分配或交換；按要求指定的通道則適用于非調(diào)度報文。TDMA方式是將總線上的時間分割為相等長度間隔，稱作槽路，只有當(dāng)總線上的站分配到槽路時，它才能監(jiān)聽和發(fā)送。每個站還能根據(jù)所占的比例，協(xié)調(diào)總線訪問、數(shù)據(jù)傳輸和接收數(shù)據(jù)。,Type 6 SwiftNet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu),TYPE 7,WorldFIP協(xié)議是EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)的第三部分，物理層采用IEC61158.2標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品在法國占有60%市場，在歐洲占有大約25%份額，它廣泛應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸、地鐵和過程自動化領(lǐng)域。 WorldFIP現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)分為三級，即現(xiàn)場級、控制級和監(jiān)控級。它能滿足用戶各種需要，適合于各種類型的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，集中型、分散型和主站/從站型。用單一的WorldFIP總線滿足過程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動系統(tǒng)的需要。為了適應(yīng)低成本的要求，開發(fā)了低成本的Device WorldFIP（DWF）總線，它是設(shè)備一級網(wǎng)絡(luò)，能很好適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種惡劣環(huán)境，并具有本質(zhì)安全防爆性能，可以實現(xiàn)多主站與從主站的通信。,Type7 WroldFIP現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu),DWF:為適應(yīng)低成本要求，開發(fā)了低成本的Device WorldFIP（DWF）總線，它是設(shè)備一級網(wǎng)絡(luò)，能很好適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種惡劣環(huán)境，具有本安放爆性能，可實現(xiàn)多主站與從站的通信。,TYPE 8,Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線由德國Phoenix Contact 公司開發(fā)，INTERBUS Club俱樂部支持。INTERBUS在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商，提供2500多種產(chǎn)品，到目前為止，INTERBUS在全球自動化領(lǐng)域已有50多萬套應(yīng)用系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。 INTERBUS現(xiàn)場總線是一種開放的串行總線，可以構(gòu)成各種拓?fù)湫问?，并允許有16級嵌套連接方式。該總線最多可掛512個現(xiàn)場設(shè)備，設(shè)備之間的最大距離400米，無需中繼器網(wǎng)絡(luò)的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線和本地總線，遠(yuǎn)程總線用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡(luò)本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。 INTERBUS有自己獨特的環(huán)路結(jié)構(gòu)，環(huán)路使用標(biāo)準(zhǔn)電纜同時傳送數(shù)據(jù)和電源。環(huán)路可以連接模擬、數(shù)字設(shè)備甚至復(fù)雜的傳感器/執(zhí)行器，也允許直接接入智能終端儀表。,Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu),Type9 FF H1現(xiàn)場總線 H1現(xiàn)場總線是由FF現(xiàn)場總線基金會負(fù)責(zé)制定的。FF基金會成員由世界著名的儀表制造商和用戶組成，其成員生產(chǎn)的變送器、DCS、執(zhí)行器、流量儀表占世界市場的90%，它們對過程控制現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，在過程控制方面積累了豐富的經(jīng)驗，提出的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為全面。Type9現(xiàn)場總線是Type1現(xiàn)場總線的子集。 FF H1現(xiàn)場總線協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及考慮到現(xiàn)場裝置的控制功能和具體應(yīng)用而增加的用戶層組成。H1總線支持多種傳輸媒體：雙絞線、電纜、光纜和無線媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1 900米。該總線支持總線供電和本質(zhì)安全。,Type10 PROFI net現(xiàn)場總線 PNO組織于2001年8月發(fā)表了PROFInet規(guī)范。PROFInet將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機地融為一體，同時又完全保留了Profibus現(xiàn)有的開放性。,PROFInet現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)支持開放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?，這種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎(chǔ)上，優(yōu)化的通信機制還可以滿足實時通信的要求?；趯ο髴?yīng)用的DCOM通信協(xié)議是通過該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立的。以對象的形式表示的PROFInet組件根據(jù)對象協(xié)議交換其自動化數(shù)據(jù)。自動化對象即COM對象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線上。連接對象活動控制（ACCO）確保已組態(tài)的互相連接的設(shè)備間通信關(guān)系的建立和數(shù)據(jù)交換。傳輸本身是由事件控制的，ACCO也負(fù)責(zé)故障后的恢復(fù)，包括質(zhì)量代碼和時間標(biāo)記的傳輸、連接的監(jiān)視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測試和診斷。 Profibus可以通過代理服務(wù)器(Proxy)很容易地實現(xiàn)與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成，在該方案中，通過代理服務(wù)器將通用的Profibus網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)以太網(wǎng)；通過以太網(wǎng)TCP/IP訪問Profibus設(shè)備是由Proxy使用遠(yuǎn)方程序調(diào)用（RPC）和Microsoft DCOM進行處理的。,Type10 PROFInet 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu),第2 部分 工業(yè)以太網(wǎng),以太網(wǎng),20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù) ,由于技術(shù)、經(jīng)濟乃至政治等方面的因素沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。,正因為如此，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，以太網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用,將以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域主要有以下幾個方面的優(yōu)勢,一 、應(yīng)用廣泛、價格低廉、多種傳輸介質(zhì)可選、高速度、易于組網(wǎng)。,二、易于和Internet連接。,三、可以使現(xiàn)場總線技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很好地融合而形成相互促進的局面。,1. 以太網(wǎng)的優(yōu)勢和特征,2.,3. 以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù),(1) 工業(yè)以太網(wǎng)通信的實時性,長期以來，Ethernet通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點和主要障礙之一。,經(jīng)研究表明，經(jīng)過精心的設(shè)計，工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時間小于4ms，可滿足幾乎所有工業(yè)過程控制要求。,但隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加（10/100/1000Mbs），沖突幾率大大減小，加之相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸趨于確定性,3.2 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存性,所謂網(wǎng)絡(luò)生存性，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制時，必須具備較強的網(wǎng)絡(luò)可用性。,即任何一個系統(tǒng)組件發(fā)生故障，不管它是硬件還是軟件，都會導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序乃至于整個系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力非常弱。,工業(yè)以太網(wǎng)的生存性或高可用性包括以下幾個方面的內(nèi)容：,（1）可靠性,（2）可恢復(fù)性,（3）可管理性,3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全,以太網(wǎng)和TCP/IP的優(yōu)勢在于其在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及良好的開放性，可是與傳統(tǒng)的專用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相比，也更容易受到自身技術(shù)缺點和人為的攻擊。,HT2012功能框圖,加密技術(shù),鑒別交換技術(shù),訪問控制技術(shù),3.4 關(guān)于Ethernet“e”網(wǎng)到底,與目前的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點：,（1）應(yīng)用廣泛,（2）成本低廉,（3）通信速率高,（4）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?4. 幾種實時以太網(wǎng)簡介,（1）工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實時性要求 允許對事件進行實時相應(yīng)的事件驅(qū)動通信 很高的可用性 很高的數(shù)據(jù)完整性 在有電磁干擾和電位差的情況下能正常工作 使用工廠內(nèi)專用的傳輸線 網(wǎng)絡(luò)通信的高實時性：數(shù)據(jù)處理就像發(fā)生在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時刻，其響應(yīng)沒有大的延時。,（2）工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng) 將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。主要通過采用減輕以太網(wǎng)負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息優(yōu)先級和流量控制以及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)。響應(yīng)時間為510ms。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)是兼容的。 對于響應(yīng)時間小于5ms的應(yīng)用，上述工業(yè)以太網(wǎng)已不能勝任。為了滿足高實時性能應(yīng)用的需要，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方