閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
控制系統(tǒng)

十種類型現場總線的體系結構(一)

星之球激光 來源:中電網2011-12-20 我要評論(0 )   

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內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...

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內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。

經過長達15年的爭論,IEC61158用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現場總線國際標準于2000年初終于獲得通過,現場總線之爭逐漸隨之退潮,IEC/SC65C/WG6現場總線標準委員會到此也完成了歷史使命。為了進一步完善IEC61158標準,IEC/SC65C成立了MT9現場總線修訂小組,繼續(xù)這方面的工作。MT9工作組在原來8種類型現場總線的基礎上不斷完善擴充,于2001年8月制定出由10種類型現場總線組成的第三版現場總線標準,它們是:Type1 TS61158 現場總線、Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現場總線、Type3 Profibus現場總線、Type4 P-NET現場總線、Type5 FF HSE現場總線、Type6 Swift-Net 現場總線、Type7 WorldFIP現場總線、Type8 INTERBUS現場總線、Type9 FF H1現場總線以及Type10 PROFInet現場總線,該標準于2003年4月成為正式國際標準。限于篇幅,本文對10種類型總線做概要論述,并簡單綜述上述總線近三年來的最新進展。
   
1 Type1 TS61158 現場總線
   
Type1 現場總線標準由以下部分構成:

PhL:IEC61158-2:1993標準的超集(Superset);

Foundation Fieldbus的超集;

WorldFIP的功能超集;

DLL:IEC TS61158-3,TS61158-4;

Foundation Fieldbus的超集;

WorldFIP的功能超集;

AL:IEC TS61158-5,TS61158-6。
   
1998年之前,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,由于各種原因,經過多輪投票未獲通過,只能按規(guī)定成為技術報告TS61158,以此為基礎形成了現在的Type1現場總線。國際電工委員會推薦的通用現場總線網絡結構如圖1所示,從圖中可以看出現場總線系統(tǒng)可以支持各種工業(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。在這里,H1現場總線主要用于現場級,其速率為31.25Kbps,負責兩線制向現場儀表供電,并能支持帶總線供電設備的本質安全;H2現場總線主要面向過程控制級、監(jiān)控管理級和高速工廠自動化的應用,其速率為1Mbps,2.5Mbps和100Mbps。


圖1 通用現場總線網絡結構
   
2 Type2 ControlNet和Ethernet/IP現場總線
   
由ControlNet International(CI)組織負責制定的Type2現場總線標準由以下部分組成:
PhL和DLL:ControlNet;
AL:Control Net和Ethernet/IP。
   
Type2現場總線系統(tǒng)體系結構如圖2所示。ControlNet采用一種新的通信模式,即生產者/客戶(Producer/Consumer)模式,這種模式允許網絡上的所有節(jié)點,同時從單個數據源存取相同的數據,其主要特點是增強了系統(tǒng)的功能,提高了效率和實現精確的同步。網絡的媒體送取,通過限制時間存取算法來控制,即采用并行時間域多路存?。–TDMA)方法,在每個網絡刷新間隔(NUI)內調節(jié)節(jié)點的傳送信息機會。


圖2 Type2 現場總線系統(tǒng)體系結構
   
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月公布了IEEE1588“用于Ethernet/IP實時控制應用的時鐘同步”標準。
   
3 Type3 Profibus 現場總線
   
Type3 現場總線得到Profibus用戶組織PNO的支持,德國西門子公司則是Profibus產品的主要供應商。Profibus系列由三個兼容部分組成,即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三條總線構成。為了提高Profibus總線性能,近幾年PNO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2,同時逐步取消Profibus-FMS總線。擴展的Profibus-DP現場總線體系結構如圖3所示,Profibus-DP特別適用于設備級自動控制系統(tǒng)與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過程自動化設計,它能夠將變送器和執(zhí)行器連接到一根公共總線,使用兩根線就可以完成供電和數據通信,并能實現本質安全性能。以此為基礎,擴展的DP功能DPV1進一步完善了Profibus-PA功能;DPV2解決了從站之間的通信與時間同步等重大問題。

圖3 Type3 Profibus現場總線體系結構
   
Profibus-DPV1主要是增加了非循環(huán)服務,并擴大了與2類主站的通信。眾所周知,Profibus-DP性能的特征是在循環(huán)連接(Mscy-C1)的基礎上應用數據交換服務,實現一個主站和一系列從站之間集中的數據交換。1類主站指PLC、PC或控制器。2類主站指操作員站和編程器等。DPV1擴展了上述功能,在已有的Mscy-C1連接基礎上,增加了非循環(huán)服務,利用新的服務可以對從站中任何數據組進行讀寫。過去,2類主站只能利用DP從站的無連接服務,現在則可通過面向連接的通信對數組進行非循環(huán)讀寫,同時為進入因特網通信擴充了功能。
   
Profibus-DPV2可以實現循環(huán)通信、非循環(huán)通信以及從站之間的通信。由于從站之間可直接通信,通信時間縮短1個DP總線周期和主站周期,從而使反應時間縮短60%至90%,同時建立了等時間間隔的總線循環(huán)周期,其時間偏差小于1μs,即適用于高精度定位控制,又可實現閉環(huán)控制。DPV2可根據不同的應用需要開發(fā)專用行規(guī)(profile),如用于運動控制的ProfiDrive和用于聯鎖保護的ProfiSafe等。
   
4 Type4 P-NET現場總線
   
P-NET現場總線由丹麥Process-Data Sikebory Aps公司從1983年開始開發(fā),主要應用于啤酒、食品、農業(yè)和飼養(yǎng)業(yè),它得到P-NET用戶組織的支持,在現場大約有5000多個應用系統(tǒng)。

圖4 Type4 P-NET現場總線體系結構
   
P-NET現場總線是一種多主站、多網絡系統(tǒng),圖4給出了P-NET系統(tǒng)的體系結構。總線采用分段結構,每個總線分段上可以連接多個主站,主站之間通過接口能夠實現網上互連,它允許在幾個總線區(qū)直接尋址,無需遞階網絡結構。該總線通信協(xié)議包括1、2、3、4和7層,并利用信道機構定義用戶層。通信采用虛擬令牌(virtual token)傳遞方式,主站發(fā)送一個請求,被尋址的從站在390μs內立即返回一個響應,只有存放到從站內存中的數據才可被訪問。每個站節(jié)點都含有一個通用的單芯片微處理機,配套的2KB EPROM不僅可用作通信,而且可用于測量、標定、轉換和應用功能。P-NET接口芯片執(zhí)行數據鏈路層的所有功能,第3層和第4層的功能由宿主處理器中的軟件解決。該總線物理層基于RS-485標準,使用屏蔽雙絞線電纜,傳輸距離1.2km,應用NRZ編碼異步傳輸。#p#分頁標題#e#
 
5 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,圖5給出了系統(tǒng)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。
   
FF HSE的1~4層由現有的以太網、TCP/IP和IEEE標準所定義,HSE和H1使用同樣的用戶層,現場總線信息規(guī)范(FMS)在H1中定義了服務接口,現場設備訪問代理(FDA)為HSE提供接口。用戶層規(guī)定功能模塊、設備描述(DD)、功能文件(CF)以及系統(tǒng)管理(SM)。FF規(guī)范21種功能模塊供基本的和先進的過程控制使用。FF還規(guī)定了新的柔性功能模塊(FFB),用以進行復雜的批處理和混合控制應用,FFB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和其他協(xié)議通信的網間連接器。

圖5 Type5 FF HSE現場總線體系結構
 

 

轉載請注明出處。

暫無關鍵詞
免責聲明

① 凡本網未注明其他出處的作品,版權均屬于激光制造網,未經本網授權不得轉載、摘編或利用其它方式使用。獲本網授權使用作品的,應在授權范圍內使 用,并注明"來源:激光制造網”。違反上述聲明者,本網將追究其相關責任。
② 凡本網注明其他來源的作品及圖片,均轉載自其它媒體,轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點和對其真實性負責,版權歸原作者所有,如有侵權請聯系我們刪除。
③ 任何單位或個人認為本網內容可能涉嫌侵犯其合法權益,請及時向本網提出書面權利通知,并提供身份證明、權屬證明、具體鏈接(URL)及詳細侵權情況證明。本網在收到上述法律文件后,將會依法盡快移除相關涉嫌侵權的內容。

網友點評
0相關評論
精彩導讀