常用的現(xiàn)場總線協(xié)議介紹
1 什么是總線協(xié)議?
現(xiàn)場總線(Fieldbus)是20世紀(jì)80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的,用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò),而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù),已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注,成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點,并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革?,F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層,作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò),要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點:具有一定的時間確定性和較高的實時性要求,還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定,多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點,現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù),都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。
目前國際上有40多種現(xiàn)場總線,但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面,按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類:傳感器總線(sensorbus),屬于位傳輸;設(shè)備總線(devicebus),屬于字節(jié)傳輸;現(xiàn)場總線,屬于數(shù)據(jù)流傳輸。
現(xiàn)場總線技術(shù)得以實現(xiàn)的一個關(guān)鍵問題,是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)品,系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。
國際上著名自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家,意識到現(xiàn)場總線技術(shù)是未來發(fā)展方向,紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟,推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品,在市場上培養(yǎng)用戶、擴大影響,并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份,關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽。而歷史經(jīng)驗證明:國際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個或幾個市場上成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此,各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)?,體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭,而其終還是要歸結(jié)到市場實力的競爭?,F(xiàn)場總線考慮的出發(fā)點:
— 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)場設(shè)備互,互操作性,分散功能塊,通信線供電,開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
2 現(xiàn)場總線的特點
1,增強了現(xiàn)場級信息集成能力
現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息,能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?,F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò),它不單純?nèi)〈?-20mA信號,還可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制,還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。,
2,開放式、互操作性、互換性、可集成性,
不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn),就具有互操作性、互換性,因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式,允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù),如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去,因此,市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。
3,系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好,
基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線,對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說,減少了由接線點造成的不可靠因素。同時,系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能,可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作,也增強了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
4,降低了系統(tǒng)及工程成本
對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說,省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費用,降低了系統(tǒng)及工程成本。
3 現(xiàn)場總線一般的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場總線協(xié)議基于面向開放系統(tǒng)連接的ISO 參考模塊(O S I—RM )。但僅用了其中的1、 2、 7 層, 由于考慮到實時性 3~ 6 層未采用。同時, 新定義的用戶層置于應(yīng)用層之上。
各層定義如下:
層: 物理層定義現(xiàn)場總線的通訊介質(zhì), 即 4~ 20mA標(biāo)準(zhǔn)的替代。
第二層: 數(shù)據(jù)鏈路層用于監(jiān)視發(fā)生于各設(shè)備間的通訊, 同時檢測通訊錯誤。
第三層: 應(yīng)用層規(guī)范通訊數(shù)據(jù)格式, 以便形成所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以解釋的信息, 為過程控制提供服務(wù), 同時向用戶層提供接口。
第四層: 用戶層與一個獨立的工廠區(qū)域相關(guān)聯(lián), 為進(jìn)一步應(yīng)用提供環(huán)境。具有與高層控制功能的接口。
4 Profinet
PROFINET網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備的通訊是借由PROFINET IO來實現(xiàn),PROFINET IO定義和現(xiàn)場連接的外部設(shè)備的通訊機能,其基礎(chǔ)是級聯(lián)性的實時概念,PROFINET IO定義控制器(有“主站機能”的設(shè)備)和其他設(shè)備(有“從站機能”的設(shè)備)之間完整的資料交換、參數(shù)設(shè)定及診斷機能。PROFINET IO是設(shè)計用來在以以太網(wǎng)連接的設(shè)備提供快速的資料傳輸,且支援生產(chǎn)者-消費者模型(provider-consumer model)。支援PROFIBUS通訊協(xié)定的設(shè)備可以無縫的和PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接,不需要IO代理器(IO-Proxy)之類的設(shè)備。設(shè)備開發(fā)者可以利用市面上販?zhǔn)鄣囊蕴W(wǎng)控制器來開發(fā)PROFINET IO設(shè)備。PROFINET IO適用在網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時間在數(shù)ms的系統(tǒng)。
PROFINET IO系統(tǒng)包括以下幾種設(shè)備:
IO控制器,控制自動化的任務(wù)工作。
IO設(shè)備,一般是現(xiàn)場設(shè)備,受IO控制器的控制及監(jiān)控,一個IO設(shè)備可能包括數(shù)個模組或是子模組。
IO監(jiān)控器是一個PC的軟件,可以設(shè)定參數(shù)及診斷個別模組的狀態(tài)。
PROFINET IO會在IO控制器及IO設(shè)備之間建立應(yīng)用關(guān)系(Application Relation,AR),應(yīng)用關(guān)系中會定義有不同的參數(shù)傳遞、周期資料交換及警告處理等特性的通訊關(guān)系(Communication Relations,CR)。
一個IO設(shè)備的特性會由設(shè)備制造商在GSD(General Station Description)檔中說明,所使用的語言是GSDML(GSD標(biāo)記語言),GSD檔提供PC監(jiān)控軟件規(guī)劃PROFINET組態(tài)所需要的基本資料。
5CCLInk
Cclink有三種不同的總線:cclink,cclink ie,CC-Link IE Field Basic,我們只支持CC-Link IE Field Basic。cclink是類似485雙絞線,ie是千兆以太網(wǎng),不能走正常的tcp,ie basic是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)
CC-Link(Control &Communication Link ,控制與通信鏈路系統(tǒng)),是三菱電機新近推出的開放式現(xiàn)場總線,其數(shù)據(jù)容量大,通信速度多級可選擇 ,而且它是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò),同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。一般情況下 ,CC-Link 整個一層網(wǎng)絡(luò)可由 1 個主站和 64 個從站組成。網(wǎng)絡(luò)中的主站由 PLC 擔(dān)當(dāng), 從站可以是遠(yuǎn)程I/O模塊 、特殊功能模塊 、帶有 CPU 和 PLC 本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表 、閥門等現(xiàn)場儀表設(shè)備 。且可實現(xiàn)從 CC-Link 到 AS-I 總線的聯(lián)接。CC-Link 具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度, 最高可達(dá) 10 M b/ s 。 CC-Link 的底層通信協(xié)議遵循 RS 485 , 一般情況下, CC-Link 主要采用廣播-輪詢的方式進(jìn)行通信 ,CC-Link 也支持主站與本地站 、智能設(shè)備站之間的瞬間通信 。2005年7月CC-Link被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。
CC-Link 網(wǎng)絡(luò)具有完善的 RAS(Reliability , Availability, Serviceability)功能。即自動返回、切斷從站、通過鏈接繼電器/寄存器的錯誤檢測功能 。
6EthernetIP
Ethernet/IP是一個面向工業(yè)自動化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議。它建立在標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議之上,利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件,為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設(shè)備定義了一個應(yīng)用層協(xié)議。
Ethernet/IP以特殊的方式將以太網(wǎng)節(jié)點分成預(yù)定義的設(shè)備類型。Ethernet/IP應(yīng)用層協(xié)議是基于控制和信息協(xié)議(CIP)層的,提供了從工業(yè)樓層到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一整套無縫整合系統(tǒng)。Ethernet/IP使用所有傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議,構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)之上,這意味著Ethernet/IP可以和現(xiàn)在所有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備透明銜接工作。更重要的是,將Ethernet/IP建立在一個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)平臺上,保證了前者會隨著后者技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步發(fā)展。支持Ethernet/IP的團(tuán)體正致力于編制一個綜合的穩(wěn)固的標(biāo)準(zhǔn),Ethernet/IP上的工作正由多個經(jīng)銷商參與,包括定制規(guī)格以及在經(jīng)認(rèn)證的測試實驗室進(jìn)行全面的綜合測試。
7 EtherCAT
EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))是一個開放架構(gòu),以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng),其名稱的CAT為控制自動化技術(shù)(Control Automation Technology)字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng),最早是由德國的Beckhoff公司研發(fā)。
EtherCAT可以支持線形、樹形、環(huán)形和星形等所有設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),物理介質(zhì)可以選100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜或光纜。使用100Base-TX電纜時站間間距可以達(dá)到100m。整個網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65535個設(shè)備。使用快速以太網(wǎng)全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從式的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
EtherCAT傳輸機制被稱為“On The Fly”,假如將EtherCAT報文想象成一列火車,每個帶有從站地址的車廂對應(yīng)需要與主站交互數(shù)據(jù)的從站的子報文,讀/寫從站數(shù)據(jù),那么就有一個對應(yīng)數(shù)據(jù)地址的座位。火車從主站出發(fā),依次在沿路所有站點(從站)???,如果沒有自己設(shè)備地址的車廂(子報文),則將火車發(fā)往下一站點,如果有自己的車廂,等該車廂上下旅客(數(shù)據(jù))完成后,將火車發(fā)往下一站點,到達(dá)終點站后,再返回始發(fā)站,返回過程中不再交互數(shù)據(jù)。
8 各種協(xié)議的互聯(lián)互通
這么多的總線協(xié)議是從不同的角度來考慮設(shè)備之間的通信的。但是不幸的是,這些協(xié)議之間是不能直接互聯(lián)互通的。這就像無線通信一樣,有4G,有wifi,有藍(lán)牙等等,也是針對不同的場合解決一定的問題。要解決這些問題,可以從幾方面來考慮。1)有一些開源的庫,可以嵌入到相應(yīng)的設(shè)備中,用來支持某個一種總線協(xié)議,這方便的移植需要非常了解技術(shù)和編程語言,但是穩(wěn)定性還需進(jìn)一步測試。2)使用vfbox協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān),只需簡單配置就能實現(xiàn)各種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,穩(wěn)定可靠,節(jié)省時間,但是需要增加一些項目成本。
9 現(xiàn)場總線的組織
現(xiàn)場總線協(xié)議現(xiàn)在也是百花齊放,百家爭鳴。每種總線各有自己的特點,現(xiàn)在這些總線也逐漸形成組織,形成聯(lián)盟。后續(xù)大家有機會參加工博會的時候,可以看到這些總線聯(lián)盟也不斷的希望更多的產(chǎn)品加入自己的陣營。這些組織還不定期的舉辦培訓(xùn)活動。比如ethercat協(xié)議,可以登錄到官方網(wǎng)站查看相關(guān)的信息。https://www.ethercat.org.cn。內(nèi)容也是非常的豐富。
10 現(xiàn)場總線的小結(jié)
隨著各種技術(shù)的不斷涌現(xiàn),現(xiàn)在通信協(xié)議也是進(jìn)步的很快,從效率,安全,擴展性等方面不斷的提高以適應(yīng)大型應(yīng)用系統(tǒng)的需求。
作為行業(yè)的從業(yè)者,如果要專研技術(shù),可能吃透1-2中就已經(jīng)很厲害,對于使用者,只要能理解簡單的協(xié)議內(nèi)容,通信的注意事項,和各種設(shè)備建立連接的使用方法也就足夠了。當(dāng)然,我們也是更希望這些總線協(xié)議越來越好,也使這方面的從業(yè)者有更廣闊的發(fā)展空間。
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談?wù)勣D(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的前世今生和未來發(fā)展
EtherCAT從站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)modbus
Profinet IO數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)modbus
Modbus轉(zhuǎn)OPC UA OPC DA
Modbus轉(zhuǎn)成IEC104接電力系統(tǒng)