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现场总线技术的发展与工业以太网综述

作者:王华   发布时间:2010-03-27 14:44:31   浏览次数:435

 

   8种现场总线经过14年的纷争,最后IEC的现场总线标准化组织经投票,通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准,即:FF H1,Control Net,PROFIBUS,INTERBUS,P-Net,World FIP,Swift Net,FF之高速Ethernet即HSE。其中,P-Net和Swift Net是专用总线;Control Net,PROFIBUS,Wold FIP和INTERBUS是PLC发展而来的;而FF和HSE是从传统DCS发展而来的。这8种现场总线采用的通信协议完全不同,因此,要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。

  由于各生产厂商要尽可能地控制市场份额,保护各自过去的投资利益,经过14年的长期急诊而意见难以统一,于是各自退回原地,开展了一场保卫各自“领地”的战斗。目前,这8种现场总线都在各自修改其应用层协议,支持IEC61784规范,争取通过高层协议以达到相互兼容之目的。如2002年完成工作,将使IEC61158成为一个基本统一的、由多部分组成的标准。

  众所周知,最早的气动单元组合仪表采用0.2~1.0N/cm2统一标准化气动信号,电动单组合仪表采用4~20mA标准化信号互联,任何厂家的产品均可以实现互联,这两代仪表系统都得到健康发展。面现场总线由于来自不同产品和生产厂家,经14年争论也无法达成统一,多标准等于无标准。市场迫切需要统一标准的现场总线控制系统。只有通过制定新标准才能实现,为了加快新一代系统的,人们开始寻求新的出路。

  几种可能的出路是:

  出路一 各种现场总线统一到1~2种。IEC61158的产生本身就说明这种可能性很小。

  出路二 开发所有现场总线通用的接口,成本较高且难度较大。

  出路三 各国不理睬IEC61158,采用自主知识产权的协议。主不符合经济全球化发展趋势。

  出路四 采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议,并使其在工业体育场成熟应用,易于被广大国家用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎。

 

  Ethernet在工业自动化中应用的若干问题

 

  Ethernet进军工业自动化的主要动力是:①成本低;②速度的提高,因普通遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。Ethernet是世界上应用最多的网络,超过93%的网络节点为Ethernet。

  Ethernet用于工业自动化有以下4个问题需要解决。

 

  1. 实时性问题

 

  实时性就是信号传输足够快加上确定性。Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式,网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。Ethernet发展的现实是:

 

   交换式100M Ethernet已广泛应用,能提供足够的带宽和减少冲突。

   全双工网络和具优先权的传送机制得保证确定性。

   典型的工业应用,峰值负载为10M Ethernet的5%,在100M Ethernet网络负载为0.5%,而Ethernet只有当负载达40%以上时才会有明显的延迟现象。

   在100M Ethernet网中,发送一个包延时超过2ms的状况,5年也不会发生一次。美国电力研究院的实验结果可保证4ms以内。

 

  2. Ethernet如何满足现场环境问题

 

  Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的,不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中,Ethernet抗干扰性能较差。若用于危险场合,它不具备本安特性,也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。

  随着网络技术的发展,上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域,在极端条件下网络也能稳定地工作的问题,美国Synergetic微系统公司和德国Hirschman公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品,安装在标准DIN导轨上,并有冗余电源供电,接插件采用牢固的DB-9结构。

  美国NET silicon公司研制的工业Ethernet通信接口芯片,每片价格已降至10~15美元,与各种现场总线芯片相比,具有很大的价格优势。

  现在的工业Ethernet现场总线采用一种称为连接装置(linking device)类似带开关的集线器结构,很好地解决了Ethernet的时间确定性问题。目前,PROFIBUSDeviceNet,ControlNet和LonWorks等都打算使用Ethernet。这些公司都在研究通过隧道(Turnel)的简单传输机构,使用Ethernet传送报文。

 

  3. 在工业控制中使用Ethernet如何获得技术支持。

 

  由于采用与商用Ethernet相同的技术,因此具有最广大的支持网络和资源。

  为了促进Ethernet在工业领域的应用国际上成立了工业Ethernet协会(www.lndustrial.Ethernet.com)和IAONA(www.iaona.com),并与美国ARC Advisory Group AMR Resesch研究中心和Gartnet Gronp、AMR Reseach研究中心和Gartner Group等机构合作,开展工业Ethernet关键技术的研究。美国电气工程师协会(IEEE)正着手制定现场装置与Ethernet通信的新标准该标准。该标准让网络直接看到对象(object)。这些工作为Ethernet进入工业







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