淺析工廠自動化中的通信網(wǎng)絡(luò)

1.0 介紹

在過去這些年中，計算機的處理速度提高了許多倍，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也突飛猛進(jìn)?；ヂ?lián)網(wǎng)為全球可靠、安全、快速共享數(shù)據(jù)信息提供了便利。工業(yè)通信就是將現(xiàn)場信息傳輸?shù)娇刂剖?，對過程進(jìn)行可靠、有效的控制。通常，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)稱為現(xiàn)場總線(fieldbus)，它還包括傳感器總線(Sensorbus)和設(shè)備總線(Devicebus)，具體引用哪種總線取決于應(yīng)用場景。

工業(yè)自動化系統(tǒng)的用戶對獨立于供應(yīng)商的工業(yè)協(xié)議的需求日益增長。要求工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該具備的特性是:一個開放的系統(tǒng)，布線成本低和增加現(xiàn)場設(shè)備信息的可用性。

2.0 工廠自動化中的通信層次

在一個行業(yè)中，無論是離散制造業(yè)還是流程行業(yè)，數(shù)據(jù)或信息從現(xiàn)場流向上層，再到管理層/企業(yè)層，反之亦然。為了使信息有序流動和優(yōu)化過程的性能，整個設(shè)置分為幾個層次。如下圖所示：

最低或現(xiàn)場層包括傳感器，定位器和執(zhí)行器。傳感器給出工藝條件的指示(溫度、壓力、流量等)，可以是數(shù)字的、模擬的或混合的，如HART。第二層或I/O層把輸入和輸出集成到一起。傳感器的輸出，通過I/O電平，直接到控制器，然后產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂?a target="_blank">信號，并反饋給執(zhí)行器，以控制過程。在控制層，通常使用可編程邏輯控制器(PLC)或分布控制系統(tǒng)(DCS)生成控制信號。這些信號被發(fā)送到傳感器/執(zhí)行器進(jìn)行控制動作，可以是閥門的開啟或關(guān)閉，電機的起動或停止等。網(wǎng)絡(luò)工程工具、工廠維護(hù)、計劃程序、資產(chǎn)管理等都是工廠內(nèi)網(wǎng)/人機接口層的工作。人機界面確保工廠中任何地方的任何工藝變量值都可以顯示在操作員控制臺上，可以在任何情況下警告操作員工藝值下沖/上沖預(yù)先設(shè)定的限制，可以改變設(shè)備配置等。在最頂層的企業(yè)/供應(yīng)鏈管理層，信息流入管理系統(tǒng)進(jìn)行記錄保存，通過各個訪問窗口記賬，訂購原材料，記錄成品的質(zhì)量和數(shù)量等，記錄不同原材料的當(dāng)前庫存情況，以保持生產(chǎn)的進(jìn)行。

不同的級別必須處理特定級別特有的不同需求。例如，企業(yè)級必須處理大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不是時間緊迫的，也不是經(jīng)常使用的。

較低的3個層次具有固定使用、短數(shù)據(jù)包長度和響應(yīng)時間、確定性通信等特點。當(dāng)然，制造和過程自動化在這三個層次上存在差異。然而在過程自動化中，速度較慢，信號包含較多的狀態(tài)信息，離散制造業(yè)的特點是高傳輸速度和短數(shù)據(jù)長度。

由于在層次結(jié)構(gòu)的不同層次上存在特征需求，顯然沒有一個協(xié)議可以解決所有這些問題。數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)量和安全性是這些層的主要考慮因素。無論是離散制造業(yè)還是流程工業(yè)，數(shù)據(jù)都必須在人機界面和企業(yè)層面提供。為了實現(xiàn)不同層次間高效、可靠的數(shù)據(jù)交換，可采用ISO-OSI參考模型形式的標(biāo)準(zhǔn)化來解決上述問題。

3.0 I/O總線網(wǎng)絡(luò)

智能現(xiàn)場設(shè)備中的分散控制和分布式智能產(chǎn)生了I/O總線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息通過I/O總線進(jìn)行通信，例如，開關(guān)的ON/OFF狀態(tài)、機器的狀態(tài)或流程數(shù)據(jù)通過I/O總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

下圖，顯示了監(jiān)控PLC、本地PLC、局域網(wǎng)(LAN)和I/O總線網(wǎng)絡(luò)之間的相互連接。

過程總線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)連接到PLC。遠(yuǎn)程I/O連接到其他PLC，如圖所示。這些PLC連接到局域網(wǎng)，局域網(wǎng)又連接到監(jiān)控PLC，然后被帶到其他更高的層，如HMI和企業(yè)層。

連接到I/O總線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備本質(zhì)上必須是智能的，這種現(xiàn)場設(shè)備在其內(nèi)部具有傳感器及其處理電路、微控制器、網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器/接收器和電源模塊。如下圖所示：

3.1 類型

I/O總線網(wǎng)絡(luò)分為兩類:設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)和過程總線網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)與低層信息設(shè)備(通常是離散設(shè)備，如限位開關(guān)、按鈕等)接口，而過程總線網(wǎng)絡(luò)與高層信息設(shè)備(通常是智能傳感器、控制閥、壓力表等)接口。設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)處理從幾位到幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而過程總線網(wǎng)絡(luò)處理大量的數(shù)據(jù)（每次幾百字節(jié)）。下圖，展示了I / O總線網(wǎng)絡(luò)的分類。

過程總線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)分別處理模擬設(shè)備和離散設(shè)備。設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)處理模擬設(shè)備的例子有熱電偶和變速驅(qū)動器，即每次傳輸幾個字節(jié)信息的設(shè)備。

位型數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)一次最多處理1字節(jié)的數(shù)據(jù)，而字節(jié)型數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)一次處理1到50字節(jié)或更多的數(shù)據(jù)。位型總線網(wǎng)絡(luò)也稱為傳感器總線網(wǎng)絡(luò)。

過程總線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)有不同的數(shù)據(jù)傳輸要求。離散設(shè)備每次只傳輸少量的數(shù)據(jù)，因此滿足了此類設(shè)備的高速要求。過程總線網(wǎng)絡(luò)相對較慢，因為它們的數(shù)據(jù)包一次包含大量的信息。

3.2 網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

在I/O總線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，一些組織正在共同努力建立網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。美國儀器協(xié)會(ISA)和歐洲國際等組織電子委員會(IEC)參與了標(biāo)準(zhǔn)的定。在過程總線領(lǐng)域，主要有兩個組織，即現(xiàn)場總線基金會(它是在互操作系統(tǒng)項目(ISP)和世界FIP北美集團)和Profibus(過程現(xiàn)場總線)貿(mào)易組織，致力于建立此類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。下圖，顯示了I/O總線網(wǎng)絡(luò)下的不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

在設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)中，位型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)下存在Seriplex、AS-i、InterBus Loop等多種總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，字節(jié)型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)下存在CANBUS、DeviceNet、SDS、InterBus- s等多種總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 優(yōu)勢

數(shù)字通信的出現(xiàn)使I/O總線網(wǎng)絡(luò)在過程自動化中得到了廣泛的接受。數(shù)字通信允許多個現(xiàn)場總線設(shè)備通過導(dǎo)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這是由于智能和智能設(shè)備固有的處理能力，它們提供了其過程數(shù)據(jù)價值、設(shè)備狀態(tài)信息和健康狀況等。數(shù)字傳輸有其自身的優(yōu)勢，因為它們不容易受到電磁干擾。同樣，與模擬信號不同，將數(shù)字信號恢復(fù)到原始值是非常容易的。

數(shù)字通信的第二個主要優(yōu)點是，這種智能現(xiàn)場設(shè)備可以傳遞與過程值直接成比例的數(shù)字值，從而消除了過程數(shù)據(jù)線性化或縮放的需要。

I/O總線網(wǎng)絡(luò)的其他公認(rèn)優(yōu)點是布線的大幅減少，工廠擴張或升級的容易性，節(jié)省了大量成本，減少了停機時間，非常容易識別和隔離故障。

4.0 OSI參考模型

OSI參考模型已經(jīng)在前文討論過。它是一個可以評估當(dāng)前和未來通信標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)。開放系統(tǒng)是一組協(xié)議，允許兩個不同的通信系統(tǒng)相互交互，而無需考慮架構(gòu)上的差異。OSI模型分為7個不同的功能層或?qū)哟?，具有明顯不同的任務(wù)。每一層都有一個預(yù)定義的任務(wù)。這確保了使用特定協(xié)議的設(shè)備之間以及使用不同協(xié)議的設(shè)備之間的兼容性。下表，從現(xiàn)場總線的角度給出了OSI各層的詳細(xì)信息。

來自源的數(shù)據(jù)或消息從第7層或應(yīng)用層向下傳輸，接受來自每一層的頭信息。物理層決定了速度、傳輸介質(zhì)等

5.0 I/O和現(xiàn)場層的網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線技術(shù)的雙向控制達(dá)到了現(xiàn)場設(shè)備的水平，過程控制在近二十年來發(fā)生了翻天覆地的變化。控制和I/O現(xiàn)在已嵌入到現(xiàn)場設(shè)備中。在現(xiàn)場控制系統(tǒng)(FCS)中，只有兩層網(wǎng)絡(luò):現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)和主機層網(wǎng)絡(luò)。在目前的情況下，在現(xiàn)有的工廠中，4-20 mA的模擬通信仍然存在，并將在一段時間內(nèi)繼續(xù)使用。

二進(jìn)制現(xiàn)場設(shè)備，如限位開關(guān)，雙位置啟閉閥等，通過點對點連接，與PLC的二進(jìn)制I/O卡集成。遠(yuǎn)程I/O通過現(xiàn)場總線控制器集成這些信號。對于Modbus和AS-i，必須在控制器中有適當(dāng)?shù)慕涌趤砑蛇@些二進(jìn)制現(xiàn)場設(shè)備。4 ~ 20ma信號通過PLC中的模擬I/O卡點對點連接。

上圖，顯示了4-20 mA簡單模擬信號和4-20 mA混合信號(即HART信號)與PLC的連接。傳統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備通過智能I/O連接到控制網(wǎng)絡(luò)。

在基金會現(xiàn)場總線中，現(xiàn)場設(shè)備連接到基金會現(xiàn)場總線H1段，如下圖所示：

連接設(shè)備將該總線段連接到高速以太網(wǎng)(HSE)或H2。連接設(shè)備只執(zhí)行協(xié)議或波特率轉(zhuǎn)換。對于PROFIBUS，不同速率的PROFIBUS PA段 和PROFIBUS DP段用耦合器鏈接。耦合器充當(dāng)兩個部分之間的接口。如下圖所示：

6.0 控制層網(wǎng)絡(luò)

在過程自動化中，不同的現(xiàn)場總線 — 現(xiàn)場總線HSE和PROFIBUS-DP和ControlNet一起控制自動化層次結(jié)構(gòu)中的控制層。

基金會現(xiàn)場總線是專門為過程自動化設(shè)計的，其中低速H1通過連接設(shè)備連接到高速HSE。在PROFIBUS的情況下，一個分段耦合器將PA網(wǎng)絡(luò)耦合到更高速度的DP網(wǎng)絡(luò)。除了Interbus(一種用于裝瓶和包裝工業(yè)的制造協(xié)議)之外，還有一些其他的專有協(xié)議享有相當(dāng)大的市場份額。

7. 0 企業(yè)/管理層的網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)用于企業(yè)/管理層與外界互聯(lián)和共享數(shù)據(jù)。為此，集線器，交換機，路由器等都要用到。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式用于公司間的數(shù)據(jù)共享、電子商務(wù)應(yīng)用程序等。對于管理層和控制層之間的數(shù)據(jù)/信息交換，通常使用PLC中的以太網(wǎng)端口連接到監(jiān)控站。