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超詳細的工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線分析

2018-05-18 15:08:37 快速接線模塊  點擊量: 評論 (0)
隨著“工業(yè)4 0”戰(zhàn)略的展開,計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、IT技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)滲入到工控領(lǐng)域,其中最主要的表現(xiàn)就是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其中工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù),特別是以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用,為自動化技術(shù)帶來了深刻變革。

隨著“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的展開,計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、IT技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)滲入到工控領(lǐng)域,其中最主要的表現(xiàn)就是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其中工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù),特別是以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用,為自動化技術(shù)帶來了深刻變革。

現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場,用于連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化測量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。 它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

控制組成

01

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分,控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設(shè)備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件,完成功能塊之間的連接,選定功能塊參數(shù),進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)運行過程中系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等。

02

現(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)

其特點為多變量高性能的測量,使測量儀表具有計算能力等更多功能,由于采用數(shù)字信號,具有高分辨率、高準確性、抗干擾畸變能力強等特點,同時還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息,可以對處理過程進行調(diào)整。

03

設(shè)備管理系統(tǒng)

可以提供設(shè)備自身及過程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息(包括智能儀表)、廠商提供的設(shè)備制造信息。

04

總線系統(tǒng)計算機服務(wù)模塊

以客戶機/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò)計算機服務(wù)模式。服務(wù)器表示數(shù)據(jù)源(提供者),應用客戶機則表示數(shù)據(jù)使用者,它從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù),并進一步進行處理。客戶機運行在PC機或工作站上。服務(wù)器運行在小型機或大型機上,它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來完成任務(wù)。

05

數(shù)據(jù)庫

它能有組織的、動態(tài)的存儲大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應用程序,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問,具有高度獨立性。工業(yè)設(shè)備在運行過程中參數(shù)連續(xù)變化,數(shù)據(jù)量大,操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關(guān)系及實時性的數(shù)據(jù)了系統(tǒng)。

06

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件:系統(tǒng)管理主機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線器、用戶計算機等底層智能化儀表 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件:NetWarc、LANMangger、Vines 服務(wù)器操作軟件:Lenix、os/2、windowNT、應用軟件數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等。

總線分類

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線,這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域,目前的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)可歸為三類:485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)、FieldBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

01

485網(wǎng)絡(luò)

RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式,其特點是實施簡單方便,而且現(xiàn)在支持RS485的儀表又特別多。現(xiàn)在的儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持RS485/MODBUS,原因很簡單,RS485的轉(zhuǎn)換接口不僅便宜得而且種類繁多。至少在低端市場上,RS485/MODBUS仍將是最主要的工業(yè)組網(wǎng)方式。

02

HART網(wǎng)絡(luò)

HART是由艾默生提出的一個過度性總線標準,主要特征是在4-20毫安電流信號上面疊加數(shù)字信號,但該協(xié)議并未真正開放,要加入他的基金會才能拿到協(xié)議,而加入基金會要一定的費用。HART技術(shù)主要被國外幾家大公司壟斷,近些年國內(nèi)也有公司在做,但還沒有達到國外公司的水平。現(xiàn)在有很多智能儀表帶有[HART圓卡],支持HART通訊功能。但從國內(nèi)情況來看,還沒有真正用到這部分功能來進行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控,最多只是利用手操器對其進行參數(shù)設(shè)定。從長遠來看,由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因,HART儀表的應用將呈下滑趨勢。

03

FieldBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一,被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)標志著自動化控制技術(shù)又一個新時代的開始。現(xiàn)場總線是連接控制現(xiàn)場的儀表與控制室內(nèi)的控制裝置的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字化通信。現(xiàn)場總線技術(shù)近年來成為國際上自動化和儀器儀表發(fā)展的熱點,它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化,使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化”的方向進一步邁進,形成新型的網(wǎng)絡(luò)通信的全分布式控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)。然而,到目前為止,現(xiàn)場總線還沒有形成真正統(tǒng)一的標準,ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準并行存在,并且都有自己的生存空間。何時統(tǒng)一,遙遙無期。目前,支持現(xiàn)場總線的儀表種類還比較少,可供選擇的余地小,價格又偏高,用量也較小。

特點與優(yōu)缺點

01

特點

現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能,便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò); 通信標準的公開、一致,使系統(tǒng)具備開放性,設(shè)備間具有互可操作性; 功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性; 控制功能下放到現(xiàn)場,使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。

02

優(yōu)點

現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入信息網(wǎng)絡(luò)的行業(yè),為其應用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域; 一堆雙絞線上可接掛多了控制設(shè)備,便于節(jié)省安裝費用; 節(jié)省維護開銷; 提高了系統(tǒng)的可靠性; 為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。

03

缺點

網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲,通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數(shù)據(jù)包丟失,發(fā)送與到達次序的不一致等都會破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性,使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更為復雜,使控制系統(tǒng)的性能受到負面影響。

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計上,在實時性、可靠性、環(huán)境適應性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要,是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來,最被認同也最具發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。 工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)就是以太網(wǎng)技術(shù)辦公自動化走向工業(yè)自動化。

工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的比較

操作要求

  1. 工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣體的存在,要求工業(yè)級的產(chǎn)品具有氣候環(huán)境適應性,并要求耐腐蝕、防塵和防水。

  2. 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在,需要采取防爆措施保證安全生產(chǎn)。

  3. 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的振動、電磁干擾大,工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須具有機械環(huán)境適應性(如耐振動、耐沖擊)、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性(EMC)等 。

  4. 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)器件的供電,通常是采用柜內(nèi)低壓直流電源標準,大多的工業(yè)環(huán)境中控制柜內(nèi)所需電源為低壓24V直流。

  5. 采用標準導軌安裝,安裝方便,適用于工業(yè)環(huán)境安裝的要求,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)器件要能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi),并容易更換。

主要標準

工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求,發(fā)展適當?shù)膽脤雍陀脩魧訁f(xié)議,使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)真正應用到控制層,延伸到現(xiàn)場層,而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效而又最新的成果,因此,工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)在工業(yè)中的應用全然不是同一個概念。

01

IDA的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

DA是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范,將一種實時的基于WEB的分布自動化環(huán)境與集中的安全體系結(jié)構(gòu)加以結(jié)合,目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案。

02

Ethernet/IP的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

ODVA除了擁有DviceNET和ControlNet,還控制另一個總線EtherNet/IP,它把處于應用層和用戶層的DeviceNet和ControlNet的目標庫CIP(包含了所有經(jīng)典的PLC運算),與以太網(wǎng)物理介質(zhì)捆綁在一起。

03

PROFlnet的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

如圖,它的數(shù)據(jù)鏈路層采用了旨在減小處理通信棧所需時間的一種傳輸協(xié)議,從而極大地縮短了網(wǎng)絡(luò)的刷新時間,確保刷新時間在5~10MS。實時通道除了可進行循環(huán)傳輸外,還可完成非循環(huán)(事件觸發(fā)、過程數(shù)據(jù)修改、操作指令下達等)傳輸。同時還要加入網(wǎng)絡(luò)管理、WEB功能,以及直接集成I/O設(shè)備等。

04

HSE的通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議

美國的FF(現(xiàn)場總線基金會)采用高速以太網(wǎng)開發(fā)的FCS系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng),控制級以下仍使用H1現(xiàn)場總線,構(gòu)成信息集成開放的體系結(jié)構(gòu),HSE遵循標準的以太網(wǎng)規(guī)范。FF在去規(guī)范中規(guī)定了21種功能塊,供基本過程控制和先進過程控制使用。這些標準功能塊駐留與HSE相連的現(xiàn)場設(shè)備中,只要通過組態(tài)就予以鏈接。為進行復雜的批處理和混合控制等應用,F(xiàn)F還規(guī)定了柔性功能塊,支持數(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,并可用作與PLC和其他協(xié)議通信的網(wǎng)間連接器,所以我們可得出這樣一個結(jié)論:HSE工業(yè)以太網(wǎng)為連續(xù)的過程控制工業(yè)和斷續(xù)的制造業(yè)所需的連續(xù)實時控制提供了各種的解決方案,它為連續(xù)過程控制系統(tǒng)、斷續(xù)制造的控制系統(tǒng)、批量控制系統(tǒng)以及MES、ERP等企業(yè)信息管理系統(tǒng)的集成,提供了一種相當成熟的工業(yè)以太網(wǎng)的標準協(xié)議。

應用于工業(yè)控制需要解決的問題

工業(yè)以太網(wǎng),一般來講技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計時,在實時性、可靠性、

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責任編輯:售電衡衡

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