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现场总线

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楚终悟
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发表于:2004/11/23 22:18:00
#0楼
现场总线面面观
作者:Jim Montague, CONTROL ENGINEERING新闻编辑  

  正是因为最终用户对互操作性的更多需求,以及对以太网技术的逐渐接受,主要的现场总线协议和他们的贸易组织正携手努力,以满足这些要求。

  顾客就是上帝,特别是当“上帝”们发现他们的要求不再被满足时,这些要求就促使工业网络的供应商和销售商及其贸易组织在技术上的不断变革。
  就目前来说,对互操作性的一再要求,是因为关于现场总线的争论已持续多年,还是那8条总线,依然没有统一,由此产生了IEC 61158标准。尽管这样的确能增强现场总线个体的使用,并减少一定形式的壁垒,但最终很难形成真正的互操作性。
  全球许多大型的石化、汽车和其他现场总线最终用户,在他们自己的现场总线组织和最终用户团体内部,对互操作性的呼声日益高涨,。“用户厌倦了以前的过度竞争,他们认为供应商的现场总线解决方案应该采用某种方式,使得任何人花费较少的精力就能熟悉,”现场总线基金会(FF)最终用户咨询委员会(End-User Advisory Council ,EUAC)主席Ian Verhappen认为,“他们希望现场总线设备能以同样的方式进行信息交换,如4~20 mA信号。”
  共同努力
  现在网络供应商和组织正携手努力,准备推出更多具有实际意义的互操作性。近期的一些协作值得关注:
  ■   现场总线基金会(FF)、HART通信基金会(HART Communication Foundation,HCF)、PNO正共同努力以增强电子设备描述语言(Electronic Device Description Language,EDDL)的性能,这是一种文本语言,用以描述设备参数的显示特性,也包括复杂设备参数的算法关系、长期保存数据(persistent data)和实时性等内容。EDDL符合国际IEC 61804-2标准。
  ■   IDA集团和ODVA(于2000年建立了IAONA,作为一个平台组织,致力于促进IEEE 802.3及TCP/IP工业自动化通信技术)之间的理解备忘录(Memorandum of Understanding,MoU)在2004年进一步扩展,包括Interest Group SERCOS (IGS)、EtherCAT Technology Group (ETG)和Ethernet Powerlink Specification Group (EPSG)。IAONA的联合技术工作组、技术筹划指导委员会(Technical Steering Committee)和其伙伴组织正在寻求“通用的、均衡的和详尽的(commonly, homogenously and all-embracingly)”技术指导和推荐意见,与服务于工业自动化用户和销售商的IEEE 802.3和TCP/IP技术组织互惠互利。  
  ■   PNO最近与Interbus Club形成联合工作组,将Interbus fieldbus协议移植到PNO的基于以太网的Profinet协议。工作组正在进行规范的准备工作,将采用Profinet“proxy”概念,允许Interbus系统向Profinet结构移植,并且还将包括必需的工程技术。
  Fieldbus 概况分析
  除了共同合作方面,现场总线协议和他们的组织还在积极提高现场总线在各种情况下的稳定性和效率。这些现场总线历史大多都超过10年。以下是每种现场总线的简单技术概况,以及近期他们的成就和成功案例。
  DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP
  ·   DeviceNet、ControlNet、Ethernet/IP,都是基于通用工业协议(Common Industrial Protocol,CIP)的上层协议;
  ·  开发及支持组织:ODVA(Open DeviceNet Vendor Association) 和 ControlNet 国际组织 (ControlNet International,CI),两者共同管理EtherNet/IP;
  ·   安装数:所有的CIP网络,大约共350万节点;
  ·   拓扑结构:DeviceNet为线型(trunkline/ dropline);线型、树型、星型或混合型(ControlNet);连接到以太网交换机的设备为星型结构(Ethernet/IP);
  ·   物理介质:双绞线可用于信号和供电(DeviceNet);同轴电缆或光纤(ControlNet);10/100 的 T 型双绞线Cat 5E(Ethernet/IP);
  ·   最多连接设备:64点(DeviceNet);99 点(ControlNet);没有限制(EtherNet/IP);
  ·   最长传输距离:125 kbps为500m,取决于数据传输率(DeviceNet);如2个节点间采用同轴电缆可达1 km,如以光纤相连可达3km,99个节点(ControlNet);采用中继器以光纤或同轴电缆连接可达30 km ,99个节点(ControlNet);无限制(EtherNet/IP);
  ·   通信方式:DeviceNet 和 ControlNet采用生产方/用户方式,对等和主/从方式可选择;
  ·  速率:500 kbps、250 kbps 或 125 kbps (DeviceNet);5 Mbps(ControlNet); 10/100 Mbps (Ethernet/IP);
  ·   数据包大小 :0~8 bytes(DeviceNet);0~510 bytes(ControlNet);0 ~ 65511 bytes(Ethernet/IP)。

附件
在参加“2003年C ONTROL ENGINEERING工业网络产品调查”的236个反馈者中,一些人正采用网络连接设备,或在不久的将来计划使用一些知名的总线协议,或采用更多其他的协议。

  ODVA和CI执行总监 Katherine Voss说,全球的CIP网络持续快速增长,约有300个会员声称其每年节点销售的增长率达到了两位数。
  ODVA和CI最近建立了两个新的联合特别工作组(joint Special Interest Groups,jSIGs)。第一个组是CIP安全jSIG,目的是增强CIP和DeviceNet规范安全性。第二个组,分布式运动jSIG,将定义通过CIP网络和试行网关调整多轴运动的轴数据结构需要,读写SERCOS驱动配置IDN。
  在纵向市场中,CIP网络也有其优点。2003年4月,EtherNet/IP加入了SEMI E54 传感器总线(sensorbus)标准,允许在半导体设备中使用EtherNet/IP。近期,通用汽车公司(GM)宣布,其车辆制造的工厂级以太网网络将采用EtherNet/IP标准。
  在采矿业,位于澳大利亚昆士兰先进技术研究中心(Queensland Centre for Advanced Technologies)的澳大利亚联邦科学院矿业与勘查研究所(CSIRO Exploration and Mining )致力于采煤机控制系统的标准化,现已采用EtherNet/IP技术。采煤机的惯性导航系统和无线以太网装置必须位于采矿机械上,EtherNet/IP可提供一个通用的通信接口,将帮助定位系统在采煤机在煤层中采煤时,以三维方式追踪其位置。


附件
图1:澳大利亚联邦科学院矿业与勘查研究所(CSIRO Exploration and Mining )致力于采煤机控制系统的标准化,现已采用EtherNet/IP技术。

  基金会现场总线
  ·   基金会现场总线H1和高速以太网(HSE);
  ·   开发及支持组织 :现场总线基金会 ;
  ·   安装量:应用于5000个系统中,共超过30万节点;每年增长约为12.5万节点;
  ·  拓扑结构:星型或总线型(H1);星型(HSE);
  ·   物理介质:双绞线,光纤;
  ·   最多连接设备:每网段240点,可扩展为65,000个网段(H1);由于是 IP 选址,无限制(HSE);
  ·   最大传输距离 :1900 m,采用31.25 kbps接线连接 (H1);100 m,采用100 Mbps 双绞线连接或2 km,采用100Mbps 全双工光纤连接 (HSE);
  ·   通信方式:client/server(客户端/服务器模式)、publisher/subscriber(出版者/订阅者模式)、甚至notification(通知模式);
  ·   数据包大小:128 byte(H1);大小不定,需根据TCP/IP协议(HSE);
  ·   循环时间:小于500 msec (H1);小于100 msec (HSE)。
  基金会现场总线越来越受人关注,每年的增长率达到50%,从一年前的175套互操作性设备,到现在的300套;从14个月前的205,000套安装设备,到现在全球超过5,000套的主系统中的300,000套安装设备。
  “我们是成功的!”FF的前任总裁兼CEO John Pittman在新奥尔良举办的会员大会中宣布:FF拥有200位会员,以及250种来自于20家供应商的已注册的符合FF规范的设备。
  FF的技术开发总监David Glanzer认为,飞速发展的主要原因是因为FF允许逻辑和控制功能在现场设备中运行,如阀门控制中的PID回路,而其他的技术就无法解决这个问题,“对于现场控制,我们正从集中化向全面的分散控制发展,可取代传统的DCS的是,我们可在H1和HSE现场设备中使用灵活性功能模块(FFB)。”
  此外,FF日前成为艾默生过程管理安装PlantWeb, DeltaV, AMS 套装软件的一部分。Ethernet LAN还在阿根廷Repsol YPF石油公司的Loma la Lata天然气油田系统中得到应用。PlantWeb帮助公司管理4000个现场输入和输出,既有连续量(模拟量)又有离散量(开关量),还有3个控制室,控制196个油井、现场分离器和压缩机,平均每日采集的气体产品为4000万标准立方米。
  FF H1为Loma la Lata处理来自于位于一根多点电缆上16个仪表的供电和数字通信。HART在来自变送器或传输至控制阀的4~20 mA信号上添加双向数字脉冲。
  HART
  ·   HART (Highway-Addressable Remote Transducer);
  · 开发及支持组织:HART 通信基金会(HART Communication Foundation,HCF);
  ·   安装量:超过1400万的HART设备,占全球潜在安装量的25%左右;
  ·  拓扑结构:一般采用已有的连线结构;
  ·   物理介质:4~20 mA连线,不需要终端器;
  ·  最多连接设备:推荐点对点方式,但也可采用多点方式,最多可连接15个设备 ;
  ·   最大传输距离:3000 m,可采用中继器;
  ·   通信方式:模拟4~20 mA,加双向数字主/从方式(master/slave);
  ·   传输速度:模拟 4~20 mA,几乎是即时的,无传输延迟或同步时间;
  ·   数据包大小:符合IEEE浮点值的4个过程变量,加工程单元,加设备状态;
  ·   循环时间:500 msec(数字信号)。


附件
图2:Roberts PolyPro采用Profibus,以及Siemens S7-300 PLC和MM440 AC驱动器使其新的高速纸箱折叠和粘合系统,每小时生产26万个纸箱。

  跟其他现场总线一样,HART也有10多年的历史。但是HART相对比较简单,是较为初级的协议,所以有人认为其发展前景有限,会被其他现场总线替代。但是,事实并非如此,HART正在健康地发展,用户已经广泛接受I/O设备符合HART标准,而且能处理智能I/O信号。一项调查显示,HART在2002~2010年间的增长率有望达到每年5%。
  “4~20 mA的模拟信号仍然是传输I/O数据和控制变量最为快速且安全的方法”,HCF的执行总监Ron Helson认为。为帮助用户寻求不断增长的精密诊断能力,如过程偏离,HART最近开发了一个数字通信通道。它允许用户可读取实时信号,及时探测设备问题,并能采用适当的措施。
  HCF认为,对于HART而言,最重要的里程碑是IEC最近一致认同DDL成为国际标准61804-2。HART是基于DDL标准的,也是第一个以DDL为标准的通信技术。HCF认为DDL是设置HART设备的唯一设备描述语言。
  底特律给排水部门(Detroit Water and Sewerage Department,DWSD)采用HART以消除测定问题,提高系统的可靠性并简化操作。DWSD使用HART帮助开发和执行大面积自动化仪表的读数、监控和数据采集(AMR/SCADA)系统,此项目价值为1000万美元,主要是公共基础设施的更新。这个系统使用HART传送稳定可靠的数据。DWSD将许多不同的设备和技术集成在一个网络系统中,此系统采用HART数字通信功能。
  Profibus
  ·  Profibus-PA、Profibus-DP、 Profinet、ProfiSafe;
  ·   开发及支持组织 :PNO 以及Profibus 贸易组织(Profibus Trade Organization,PTO);
  ·   安装量:超过1000万节点;
  ·   拓扑结构:线形,星型、环型或总线型;
  ·   物理介质:双绞线或光纤;
  ·   最多连接设备:最多127个节点,分4个网段,采用3个中继器;可加3个主设备;
  ·   最大传输距离 :12 Mbps 时为100 m;光纤连接可达12 km;
  ·   通信方式:主/从方式,对等方式(peer-to-peer);
  ·   传输特性:Profibus DP:500 kbps, 1.5、12 Mbps;Profibus PA为31.25 kbps;
  ·   数据包大小:256 bytes;
  ·   循环时间:根据结构有所不同,小于2 msec。
  2003年底,PTO以超过1000万的安装节点的业绩庆祝了其10岁生日。这包括2003年全球售出了约130万的从设备,其中大部分的新增长点出现在美国。
  PTO的Profibus接口中心 (Profibus Interface Center ,PIC) 的Ron Mitchell宣布了Profibus的另一个增长,该组织在2003年测试了更多的新Profibus规范产品,数量达到自1998年来的最高纪录,他还补充,90%的设备销售商在美国,“我认为我们终于在业内产生了一定影响。用户终于意识到,现场总线比并行传输具有更多的优点,近期经济的好转也使现场总线的实施成为可能。”
  这一点在Roberts PolyPro的电气总工程师John Young身上最能体现,在美国控制公司(Control Corp. of America,CCA)的一个项目中,他发现了一个更为有效的方案,可用于新的高速纸箱折叠和粘合系统,运行速度为1800 ft/min,每小时能生产26万个纸箱。原因是Young和CCA决定采用Profibus,以及Siemens S7-300 PLC和MM440 AC驱动器。
  Young认为,通过取代先前昂贵的无刷直流电动机和驱动器,采用目前的电动机和矢量驱动器,并合理使用Profibus,可降低成本,显著提高机械性能,简化维护,消除昂贵的、繁琐的连线,改善机械装置。

899
一路平安
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发站内信
发表于:2005/12/8 16:05:00
#1楼
请问您有没有关于devicenet 的原理及其应用的资料?谢谢。
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hdsr178
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发站内信
发表于:2005/12/8 19:11:00
#2楼
可以免费提供devicenet专用电缆的资料,请发邮件给我。
hdsr178@yahoo.com.cn               13064880370

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