现场总线(第7讲) 10种现场总线标准与工业以太网

nullnull 现场总线控制系统第7讲 10种现场总线与工业以太网信息学院自动化系 凌志浩null第1 部分 10种现场总线标准 null按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。 根据使用场合和用途不同，现场总线又分为H1低速现场总线和H2高速现场总线。 IEC/SC65C最初定义的H1总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线； H2总线为无需解决两线制供电、用于装置间传送信息的高速串行总线。 H1和H2总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统信息通信网络。nullType1 TS61158 现场总线 1998年前，IEC/SC65C只推荐一种类型的现场总线，该总线主要采纳Foundation Fieldbus总线和WorldFIP总线基本技术，并严格按照IEC定义制定现场总线标准。它支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信，可以与工厂自动化的PLC实现互连。 nullType1通用现场总线网络结构 H1主要用于现场级，其速率为31.25Kbps，负责两线制向现场仪供电，支持带总线供电设备的本质安全H2面向过程控制级、监控管理级和高速工厂自动化的应用，其速率为1，2.5和100Mbps。nullTYPE 2nullnull Ethernet/IP以太网工业协议是一种开放的工业网络，它使用有源星形拓扑结构，可以将10Mbps和100Mbps产品混合使用。该协议在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息协议（CIP），提供一个公共的应用层。CIP的控制部分用于实时I/O报文，其信息部分用于报文交换。ControlNet和Ethernet/IP都使用该协议通信，分享相同的对象库、对象和设备行规，使得多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用。对象的定义是严格的，在同一种网络上支持实时报文、组态和诊断。为了提高工业以太网的实时性能，ODVA（开放的DeviceNet供应商协会）于2003年8月公布IEEE1588“用于Ethernet/IP实时控制应用 的时钟同步”标准。 Type2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 nullnullType2 现场总线系统体系结构 nullnullTYPE 3nullnullnullnullnullnullnullTYPE 4nullnull通信方式采用虚拟令牌（—Virtual Token）传递方式。只有主站可以拥有令牌，主站在拥有令牌时，可以向从站发出一个请求，从站在390s内访问总线，以保存在内存中的数据立即返回一个响应，从而完成一次通信循环。数据在内存中的存储顺序是符合FIFO机制的每个节点含有一个通用的单芯片微处理器，可以完成测量、标定、转换和应用功能。P-NET总线的物理层采用RS-485标准，使用屏蔽双绞线通信电缆，当通信频率为76.8KHz时，传输距离可达到1.2km。P-NET采用NRZ异步传输方式。 null节点（Node）：节点是指连结到总线上的设备。P-NET协议的节点包括三种类型：主站、从站和网关。 主站（Master）：在P-NET协议中是惟一可以拥有令牌，并发出请求信息的节点，主站对总线的访问是主动的。在主站获得总线令牌后允许在一定的时间内访问总线，拥有一次令牌只能发送一次请求，主站在使用完令牌后即将令牌传给下一个主站。 从站（Slave）：在收到主站的请求后，在一定的时间内返回相应的响应，从站不能拥有令牌，对总线的访问是被动的，只有在被某个主站访问时才能占用总线返回响应。 网关（Gateway）:是连接两个或更多段总线的设备。P-NET是多段多网络总线，段与段之间以网关相连。网关即起到隔离总线段的作用，又在段与段之间进行信息的传递，实现不同总线段之间的通信。 虚拟令牌：P-NET通信协议遵循虚拟令牌制传递方式。所谓虚拟令牌就是在各主站访问总线时，并没有实际的令牌在各个主站之间传递，传输的一帧信息中并不包含令牌字节。各主站对总线的访问遵循一定的时间机制，这是通过空闲总线位周期计数器和总线访问计数器来实现的。 空闲总线位周期计数器（Idle Bus Bit Period Counter）：空闲总线位周期计数器是用来计算总线上没有主站访问的周期数的，它总是从40开始增加，遇到一个空闲位周期，则“空闲总线位周期计数器”增加10，遇到主站访问总线，“空闲总线位周期计数器” 重新从40开始计。 总线访问计数器（Bus Access Counter）：总线访问计数器是用来纪录访问总线的主站的站号，并且利用该站号来实现总线的同步。每次令牌从一个主站传给另一个主站时“总线访问计数器”都要加1，访问总线的主站的站号要与总线访问计数器的值相等，否则会出现总线不同步错误。 nullnullnullnullTpye5 FF HSE现场总线     1998年，美国Fieldbus Foundation（FF）基金会决定采用高速以太网（High Speed Ethernet，HSE）技术开发H2现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。 HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备。100Mbps以太网拓扑是采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。HSE使用标准的IEEE802.3信号传输，标准的Ethernet接线和通信媒体。设备和交换机之间距离，使用双绞线为100米，光缆可达2千米。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统，LD执行网桥功能，它允许就地连在H1网络上的各现场设备，以完成点对点对等通信。HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置。 null Type5 FF HSE现场总线体系结构 FFB是柔性功能模块，用于进行复杂的批处理和混合控制应用，支持数据采集的监控，子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC与其它协议通信的网间连结器。nullTYPE 6nullType6 SwiftNet现场总线由美国SHIP STAR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据链路层。SwiftNet现场总线采用分层总线式拓扑结构。 物理层传送速率为5Mbps，此时每秒传送105个不同的报文。总线使用TDMA（Slotted time division multiple access）槽路时间片多路送取方式，提供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的分配或交换；按要求指定的通道则适用于非调度报文。TDMA方式是将总线上的时间分割为相等长度间隔，称作槽路，只有当总线上的站分配到槽路时，它才能监听和发送。每个站还能根据所占的比例，协调总线访问、数据传输和接收数据。 nullnullnullType 6 SwiftNet现场总线体系结构 nullTYPE 7nullnullWorldFIP协议是EN50170欧洲标准的第三部分，物理层采用IEC61158.2标准，其产品在法国占有60%市场，在欧洲占有大约25%份额，它广泛应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化领域。 WorldFIP现场总线体系结构将系统分为三级，即现场级、控制级和监控级。它能满足用户各种需要，适合于各种类型的应用结构，集中型、分散型和主站/从站型。用单一的WorldFIP总线满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需要。为了适应低成本的要求，开发了低成本的Device WorldFIP（DWF）总线，它是设备一级网络，能很好适应工业现场的各种恶劣环境，并具有本质安全防爆性能，可以实现多主站与从主站的通信。 nullType7 WroldFIP现场总线体系结构 DWF:为适应低成本要求，开发了低成本的Device WorldFIP（DWF）总线，它是设备一级网络，能很好适应工业现场的各种恶劣环境，具有本安放爆性能，可实现多主站与从站的通信。nullTYPE 8null Type8 INTERBUS现场总线由德国Phoenix Contact 公司开发，INTERBUS Club俱乐部支持。INTERBUS在全球有1000多家总线设备生产商，提供2500多种产品，到目前为止，INTERBUS在全球自动化领域已有50多万套应用系统得到广泛应用。     INTERBUS现场总线是一种开放的串行总线，可以构成各种拓扑形式，并允许有16级嵌套连接方式。该总线最多可挂512个现场设备，设备之间的最大距离400米，无需中继器网络的最大距离为12.8公里。INTERBUS总线包括远程总线和本地总线，远程总线用于远距离传送数据，采用RS-485传输，网络本身不供电，通信速率为500Kbps和2Mbps。 INTERBUS有自己独特的环路结构，环路使用标准电缆同时传送数据和电源。环路可以连接模拟、数字设备甚至复杂的传感器/执行器，也允许直接接入智能终端仪表。  nullType8 INTERBUS现场总线体系结构 nullnullnullType9 FF H1现场总线     H1现场总线是由FF现场总线基金会负责制定的。FF基金会成员由世界著名的仪表制造商和用户组成，其成员生产的变送器、DCS、执行器、流量仪表占世界市场的90%，它们对过程控制现场工业网络的功能需求了解透彻，在过程控制方面积累了丰富的经验，提出的现场总线网络较为全面。Type9现场总线是Type1现场总线的子集。 FF H1现场总线协议由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。H1总线支持多种传输媒体：双绞线、电缆、光缆和无线媒体。传输速率为31.25Kbps，通信距离最大为1 900米。该总线支持总线供电和本质安全。 nullnullType10 PROFI net现场总线     PNO组织于2001年8月发表了PROFInet规范。PROFInet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。 PROFInet现场总线体系结构支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。基于对象应用的DCOM通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的形式表示的PROFInet组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制（ACCO）确保已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件控制的，ACCO也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。  Profibus可以通过代理服务器(Proxy)很容易地实现与其它现场总线系统的集成，在该中，通过代理服务器将通用的Profibus网络连接到工业以太网；通过以太网TCP/IP访问Profibus设备是由Proxy使用远方程序调用（RPC）和Microsoft DCOM进行处理的。 nullType10 PROFInet 现场总线体系结构 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull第2 部分 工业以太网 以太网 以太网 20世纪80年代中期发展起来的现场总线技术 ,由于技术、经济乃至政治等方面的因素没有统一的标准。正因为如此，随着互联网技术的迅速发展与普及，以太网得到了广泛的应用 将以太网用于工业领域主要有以下几个方面的优势 一 、应用广泛、价格低廉、多种传输介质可选、高速度、易于组网。 二、易于和Internet连接。 三、可以使现场总线技术与计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。 1. 以太网的优势和特征 nullnullnullnull2.null3. 以太网应用于工业现场的关键技术 3. 以太网应用于工业现场的关键技术 (1) 工业以太网通信的实时性长期以来，Ethernet通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。经研究表明，经过精心的设计，工业以太网的响应时间小于4ms，可满足几乎所有工业过程控制要求。 但随着以太网带宽的迅速增加（10/100/1000Mbs），冲突几率大大减小，加之相关技术的应用，数据传输的实时性不断提高，也使以太网逐渐趋于确定性 null3.2 工业以太网的网络生存性 3.2 工业以太网的网络生存性 所谓网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。即任何一个系统组件发生故障，不管它是硬件还是软件，都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序乃至于整个系统的瘫痪，则说明该系统的网络生存能力非常弱。 null工业以太网的生存性或高可用性包括以下几个方面的内容： （1）可靠性 （2）可恢复性 （3）可管理性 3.3 工业以太网的网络安全 3.3 工业以太网的网络安全 以太网和TCP/IP的优势在于其在商业网络的广泛应用以及良好的开放性，可是与传统的专用工业网络相比，也更容易受到自身技术缺点和人为的攻击。 HT2012功能框图 加密技术 鉴别交换技术 访问控制技术 3.4 关于Ethernet“e”网到底 3.4 关于Ethernet“e”网到底 与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点： （1）应用广泛 （2）成本低廉 （3）通信速率高 （4）可持续发展潜力大 nullnull4. 几种实时以太网简介（1）工业控制网络的实时性要求 允许对事件进行实时相应的事件驱动通信 很高的可用性 很高的数据完整性 在有电磁干扰和电位差的情况下能正常工作 使用工厂内专用的传输线 网络通信的高实时性：数据处理就像发生在数据产生的时刻，其响应没有大的延时。null（2）工业以太网与实时以太网 将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。主要通过采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式以太网和全双工通信、采用信息优先级和流量控制以及虚拟局域网等技术。响应时间为5~10ms。工业以太网在技术上与商用以太网是兼容的。 对于响应时间小于5ms的应用，上述工业以太网已不能胜任。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案建立在IEEE802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网。 IEEE1588------精确的时间同步协议null(3) 几种实时以太网 EPA（Ethernet for Plant Automation）实时以太网：（我国自行开发的标准） Ethernet/IP实时以太网：（ControlNet国际组织CI、工业以太网协会IEA和开放的DeviceNet供应商协会ODVA等共同开发的工业网络标准） Modbus-IDA实时以太网：(Modbus组织和IDA集团合并、联手开发，致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的分布式智能自动化系统） ProfiNet实时以太网：(由Profibus International组织提出的基于以太网的自动化标准。它构成从I/O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案） Ethernet Powerlink实时以太网：(由奥地利B&R公司于2001年开发，并在2002年成立了EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)组织。战略伙伴有设备级通信协议和行规用户集团、工业自动化开放网络体系结构集团） EtherCAT实时以太网: （由德国Beckhoff公司开发，并得到ETG(EtherCAT Technology Group)组织支持。用于现场级的超高速I/O网络）null本讲结束