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9大现场总线全解析

hypermill9  发表于 2018/4/26 10:20:53      317 查看 36 回复  [上一主题]  [下一主题]

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什么是现场总线?

现场总线(Fieldbus)是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的,用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通讯网络,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点,现场总线系统从网络结构到通讯技术,都具有不同上层高速数据通信网的特色。

目前国际上有40多种现场总线,但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面,按其传输数据的大小可分为3类:传感器总线(sensorbus),属于位传输;设备总线(devicebus),属于字节传输;现场总线,属于数据流传输。下面让我一起去认识主要的几种总线。

一、FF现场总线

FF现场总线基金会是由WORLDFIPNA(北美部分,不包括欧洲)和ISPFoundation于1994年6月联合成立的,它是一个国际性的组织,其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。这个组织目前有l00多成员单位,包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会(CFC)。致力于这项技术在中国的推广应用。FF成立的时间比较晚,在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立的,是以FisherRosemount公司为核心的ISP(可互操作系统协议)与WORLDFIPNA两大组织合并而成的,因此这个组织具有相当实力:目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。

二、LonWorks

LonWorks现场总线是美国埃施朗于1992年推出的局部操作网络,最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。LonWorks技术的核心是神经元芯片(NeuronChip)。该芯片内部装有3个微处理器:MAC处理器完成介质访问控制;网络处理器完成OSI的3~6层网络协议;应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O等。

LON总线则综合了当今现场总线的多种功能,同时具备了局域网的一些特点,使得它被广泛地应用于航空/航天,农业控制、计算机/外围设备、诊断/监控、电子测量设备、测试设备、医疗卫生、军事/防卫、办公室设备系统、机器人、安全警卫、保密、运动/游艺、电话通信、运输设备等领域。其通用性表明,它不是针对某一个特殊领域的总线,而是具有可 将不同领域的控制系统综合成一个以LONWORKS为基础的更复杂系统的网络技术。

三、Profibus

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。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。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层,由这两部分形成了其标准第一部分的子集,DP型隐去了3~7层,而增加了直接数据连接拟合作为用户接口,FMS型只隐去第3~6层,采用了应用层,作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中,其传输技术遵从IEC1158-2(1)标准,可实现总线供电与本质安全防爆。

四、CAN总线

控制器局域网(CAN)最早由Bosch公司于1985年研发,用于搭建车内网络。在此之前,汽车生产商使用点对点布线系统连接车内电子设备。但随着车内电子设备的增多,这种布线系统需要的连线也越来越多,使系统变得既笨重又昂贵。于是,生产商开始使用车内网络来替代点对点布线系统,以降低布线的成本、复杂度,以及系统重量。在此背景下,CAN作为一种构建智能设备网络的高集成度串行总线系统应运而生,成为车内网络的标准。由此,CAN在汽车业界迅速普及,于1993年成为国际标准(ISO  11898)。1994年后,数个CAN的高层协议标准形成,如CANopen和DeviceNet。这些新增协议也为其他市场广泛接受,现已成为工业通信标准的一部分。

CAN最初是在汽车领域诞生的,因此最常见的应用就是车内电子网络。然而在过去的二十年,越来越多的行业认识了CAN的可靠性和优势,将CAN总线应用在许多其他场合。例如有轨电车、地铁、轻轨及长途列车等都应用了CAN网络。在这些车辆中,均可发现发现多种CAN构建的网络,如连接车门单元、刹车控制器、客流计数单元等。在航空领域亦可发现CAN的应用,如飞行状态传感器、导航系统以及座舱中的计算机。此外,在航天应用中也能看到CAN总线的身影,如飞行数据分析和飞行器引擎控制系统(燃料系统、泵、线性执行器等)。

五、Devicenet

Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN(Controller Area Network)技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络,最初由美国Rockwell公司开发应用。

Devicenet的许多特性沿袭于CAN,CAN总线是一种设计良好的通信总线,它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是:短帧传输,每帧的最大数据为8个字节;无破坏性的逐位仲裁技术;网络最多可连接64个节点;数据传输波特率为125kb/s、250kb/s、  500kb/s;点对点、多主或主/从通信方式;采用CAN的物理和数据链路层规约。

六、HART总线

HART,即可寻址远程传感器高速通道协议。上世纪80年代时,由于多数仪表用户希望能够获得一种兼容4~20mA模拟信号的数字通讯标准,HART应运而生。1986年,艾默生旗下洛斯蒙德推出这一标准。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率为1.2kbps。由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送,在需要的情况下,另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

七、CClink

CC-Link即控制与通信链路系统,由三菱为主导的多家公司共同推出,是一种开放式现场总线,其数据容量大,通信速度多级可选择,而且它是一个复合的、开放的 、适应性强的网络系统,能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。

八、WorldFIP

WorldFIP是欧洲标准的组成部分  WorldFIP是欧洲标准EN50170的三个组成部分之一(Volume3),是在法国标准FIP-C46-601/C46-607的基础上采纳了IEC物理层国际标准(1158-2)发展起来的,由三个通信层组成。  WorldFIP的显著特点是为所有的工业和过程控制提供带有一个物理层的单一现场总线。底层控制系统、制造系统和驱动系统都可直接连到控制一级的WorldFIP总线上,毋需采用将RS485和其它低速总线相混和的方式来接连底层设备以实现同样的功能。

九、Interbus

INTERBUS作为IEC61158标准之一,广泛地应用于制造业和机器加工行业中,用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站,是一种开放的串行总线系统。INTERBUS总线于1984年推出,其主要技术开发者为德国的Phoenix Contact公司。INTERBUS Club是INTERBUS  设备生产厂家和用户的全球性组织,目前在17个国家和地区设立了独立的Club组织,共有500多个成员。

INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络,两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据,采用RS-485传输,网络本向不供电,远程网络采用全双工方式进行通讯,通讯速率为500k/s。本地总线网络连接到远程网络上,网络上的总线终端BT(BUS Terminal)上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。


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