現場總線7章節(jié)10種現場總線標準與工業(yè)以太網.ppt

現場總線控制系統(tǒng),第7講 10種現場總線標準與工業(yè)以太網,信息學院自動化系 凌志浩,第1 部分 10種現場總線標準,按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與控制室的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。 根據使用場合和用途不同，現場總線又分為H1低速現場總線和H2高速現場總線。 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總線相輔相成構成了完整的工業(yè)自動化系統(tǒng)信息通信網絡。,Type1 TS61158 現場總線,1998年前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現場總線，該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術，并嚴格按照IEC定義制定現場總線標準。它支持各種工業(yè)領域的信息處理、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實現互連。,Type1通用現場總線網絡結構,H1主要用于現場級，其速率為31.25Kbps，負責兩線制向現場儀表供電，支持帶總線供電設備的本質安全,H2面向過程控制級、監(jiān)控管理級和高速工廠自動化的應用，其速率為1，2.5和100Mbps。,TYPE 2,Ethernet/IP以太網工業(yè)協(xié)議是一種開放的工業(yè)網絡，它使用有源星形拓撲結構，可以將10Mbps和100Mbps產品混合使用。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、對象和設備行規(guī)，使得多個供應商的設備能在上述整個網絡中實現即插即用。對象的定義是嚴格的，在同一種網絡上支持實時報文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網的實時性能，ODVA（開放的DeviceNet供應商協(xié)會）于2003年8月公布IEEE1588“用于Ethernet/IP實時控制應用 的時鐘同步”標準。,Type2 ControlNet和Ethernet/IP現場總線,Type2 現場總線系統(tǒng)體系結構,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內訪問總線，以保存在內存中的數據立即返回一個響應，從而完成一次通信循環(huán)。數據在內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、標定、轉換和應用功能。P-NET總線的物理層采用RS-485標準，使用屏蔽雙絞線通信電纜，當通信頻率為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)點是指連結到總線上的設備。P-NET協(xié)議的節(jié)點包括三種類型：主站、從站和網關。 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，在一定的時間內返回相應的響應，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。 網關（Gateway）:是連接兩個或更多段總線的設備。P-NET是多段多網絡總線，段與段之間以網關相連。網關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，傳輸的一幀信息中并不包含令牌字節(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器和總線訪問計數器來實現的。 空閑總線位周期計數器（Idle Bus Bit Period Counter）：空閑總線位周期計數器是用來計算總線上沒有主站訪問的周期數的，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器”增加10，遇到主站訪問總線，“空閑總線位周期計數器” 重新從40開始計。 總線訪問計數器（Bus Access Counter）：總線訪問計數器是用來紀錄訪問總線的主站的站號，并且利用該站號來實現總線的同步。每次令牌從一個主站傳給另一個主站時“總線訪問計數器”都要加1，訪問總線的主站的站號要與總線訪問計數器的值相等，否則會出現總線不同步錯誤。,Tpye5 FF HSE現場總線 1998年，美國Fieldbus Foundation（FF）基金會決定采用高速以太網（High Speed Ethernet，HSE）技術開發(fā)H2現場總線，作為現場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網絡的主干網，它與H1現場總線整合構成信息集成開放的體系結構。 HSE網絡遵循標準的以太網規(guī)范，并根據過程控制的需要適當增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標準的Ethernet結構框架內無縫地進行操作，因而FF HSE總線可以使用當前流行的商用（COTS）以太網設備。100Mbps以太網拓撲是采用交換機形成星形連接，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絡。HSE使用標準的IEEE802.3信號傳輸，標準的Ethernet接線和通信媒體。設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)行網橋功能，它允許就地連在H1網絡上的各現場設備，以完成點對點對等通信。HSE支持冗余通信，網絡上的任何設備都能作冗余配置。,Type5 FF HSE現場總線體系結構,FFB是柔性功能模塊，用于進行復雜的批處理和混合控制應用，支持數據采集的監(jiān)控，子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數據采集、PLC與其它協(xié)議通信的網間連結器。,TYPE 6,Type6 SwiftNet現場總線由美國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域。該總線是一種結構簡單、實時性高的總線，協(xié)議僅包括物理層和數據鏈路層。SwiftNet現場總線采用分層總線式拓撲結構。,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)數據的分配或交換；按要求指定的通道則適用于非調度報文。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。每個站還能根據所占的比例，協(xié)調總線訪問、數據傳輸和接收數據。,Type 6 SwiftNet現場總線體系結構,TYPE 7,WorldFIP協(xié)議是EN50170歐洲標準的第三部分，物理層采用IEC61158.2標準，其產品在法國占有60%市場，在歐洲占有大約25%份額，它廣泛應用于發(fā)電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸、地鐵和過程自動化領域。 WorldFIP現場總線體系結構將系統(tǒng)分為三級，即現場級、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用結構，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動系統(tǒng)的需要。為了適應低成本的要求，開發(fā)了低成本的Device WorldFIP（DWF）總線，它是設備一級網絡，能很好適應工業(yè)現場的各種惡劣環(huán)境，并具有本質安全防爆性能，可以實現多主站與從主站的通信。,Type7 WroldFIP現場總線體系結構,DWF:為適應低成本要求，開發(fā)了低成本的Device WorldFIP（DWF）總線，它是設備一級網絡，能很好適應工業(yè)現場的各種惡劣環(huán)境，具有本安放爆性能，可實現多主站與從站的通信。,TYPE 8,Type8 INTERBUS現場總線由德國Phoenix Contact 公司開發(fā)，INTERBUS Club俱樂部支持。INTERBUS在全球有1000多家總線設備生產商，提供2500多種產品，到目前為止，INTERBUS在全球自動化領域已有50多萬套應用系統(tǒng)得到廣泛應用。 INTERBUS現場總線是一種開放的串行總線，可以構成各種拓撲形式，并允許有16級嵌套連接方式。該總線最多可掛512個現場設備，設備之間的最大距離400米，無需中繼器網絡的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠程總線和本地總線，遠程總線用于遠距離傳送數據，采用RS-485傳輸，網絡本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。 INTERBUS有自己獨特的環(huán)路結構，環(huán)路使用標準電纜同時傳送數據和電源。環(huán)路可以連接模擬、數字設備甚至復雜的傳感器/執(zhí)行器，也允許直接接入智能終端儀表。,Type8 INTERBUS現場總線體系結構,Type9 FF H1現場總線 H1現場總線是由FF現場總線基金會負責制定的。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%，它們對過程控制現場工業(yè)網絡的功能需求了解透徹，在過程控制方面積累了豐富的經驗，提出的現場總線網絡架構較為全面。Type9現場總線是Type1現場總線的子集。 FF H1現場總線協(xié)議由物理層、數據鏈路層、應用層以及考慮到現場裝置的控制功能和具體應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安全。,Type10 PROFI net現場總線 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技術有機地融為一體，同時又完全保留了Profibus現有的開放性。,PROFInet現場總線體系結構支持開放的、面向對象的通信，這種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎上，優(yōu)化的通信機制還可以滿足實時通信的要求?；趯ο髴玫腄COM通信協(xié)議是通過該協(xié)議標準建立的。以對象的形式表示的PROFInet組件根據對象協(xié)議交換其自動化數據。自動化對象即COM對象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現在通信總線上。連接對象活動控制（ACCO）確保已組態(tài)的互相連接的設備間通信關系的建立和數據交換。傳輸本身是由事件控制的，ACCO也負責故障后的恢復，包括質量代碼和時間標記的傳輸、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可以通過代理服務器(Proxy)很容易地實現與其它現場總線系統(tǒng)的集成，在該方案中，通過代理服務器將通用的Profibus網絡連接到工業(yè)以太網；通過以太網TCP/IP訪問Profibus設備是由Proxy使用遠方程序調用（RPC）和Microsoft DCOM進行處理的。,Type10 PROFInet 現場總線體系結構,第2 部分 工業(yè)以太網,以太網,20世紀80年代中期發(fā)展起來的現場總線技術 ,由于技術、經濟乃至政治等方面的因素沒有統(tǒng)一的標準。,正因為如此，隨著互聯(lián)網技術的迅速發(fā)展與普及，以太網得到了廣泛的應用,將以太網用于工業(yè)領域主要有以下幾個方面的優(yōu)勢,一 、應用廣泛、價格低廉、多種傳輸介質可選、高速度、易于組網。,二、易于和Internet連接。,三、可以使現場總線技術與計算機網絡技術很好地融合而形成相互促進的局面。,1. 以太網的優(yōu)勢和特征,2.,3. 以太網應用于工業(yè)現場的關鍵技術,(1) 工業(yè)以太網通信的實時性,長期以來，Ethernet通信響應的“不確定性”是它在工業(yè)現場設備中應用的致命弱點和主要障礙之一。,經研究表明，經過精心的設計，工業(yè)以太網的響應時間小于4ms，可滿足幾乎所有工業(yè)過程控制要求。,但隨著以太網帶寬的迅速增加（10/100/1000Mbs），沖突幾率大大減小，加之相關技術的應用，數據傳輸的實時性不斷提高，也使以太網逐漸趨于確定性,3.2 工業(yè)以太網的網絡生存性,所謂網絡生存性，是指以太網應用于工業(yè)現場控制時，必須具備較強的網絡可用性。,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，都會導致操作系統(tǒng)、網絡、控制器和應用程序乃至于整個系統(tǒng)的癱瘓，則說明該系統(tǒng)的網絡生存能力非常弱。,工業(yè)以太網的生存性或高可用性包括以下幾個方面的內容：,（1）可靠性,（2）可恢復性,（3）可管理性,3.3 工業(yè)以太網的網絡安全,以太網和TCP/IP的優(yōu)勢在于其在商業(yè)網絡的廣泛應用以及良好的開放性，可是與傳統(tǒng)的專用工業(yè)網絡相比，也更容易受到自身技術缺點和人為的攻擊。,HT2012功能框圖,加密技術,鑒別交換技術,訪問控制技術,3.4 關于Ethernet“e”網到底,與目前的現場總線相比，以太網具有以下優(yōu)點：,（1）應用廣泛,（2）成本低廉,（3）通信速率高,（4）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?4. 幾種實時以太網簡介,（1）工業(yè)控制網絡的實時性要求 允許對事件進行實時相應的事件驅動通信 很高的可用性 很高的數據完整性 在有電磁干擾和電位差的情況下能正常工作 使用工廠內專用的傳輸線 網絡通信的高實時性：數據處理就像發(fā)生在數據產生的時刻，其響應沒有大的延時。,（2）工業(yè)以太網與實時以太網 將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網統(tǒng)稱為工業(yè)以太網。主要通過采用減輕以太網負荷、提高網絡速度、采用交換式以太網和全雙工通信、采用信息優(yōu)先級和流量控制以及虛擬局域網等技術。響應時間為510ms。工業(yè)以太網在技術上與商用以太網是兼容的。 對于響應時間小于5ms的應用，上述工業(yè)以太網已不能勝任。為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網實時性的技術解決方