工业自动化网络技术
发布时间：2010-8-29 13:33
发布者：techshare
|
工厂里车间的面貌日新月异。在过去，我们面对的是起重机和电动车辆。现在，我们和网络技术打交道。从电流环到RS-485，从Modbus到Devicet和PROCFInet,到处充斥着协议、技术和标准。 二十年前，分立制造系统尤如自动化的岛屿。可编程控制器技术处于支配地位。五年后，串行通信风靡一时。条形码读出器、定标器和操作者接口设备拓展了自动化岛屿的边界。 十年前爆发传感器总线大战。在随后的十年中，Interbus、SDS、DeviceNet、Profibus,以及其它各种总线此起彼伏，为其效率、数据包速率、确定性和成本争论不休。在这些日子里，控制工程师要竭尽全力解决各种问题，让网络系统正常地运转起来。 过去的五年相对地平静和繁荣。传感器大战已经结束；自动化岛屿已明显地扩张。上百种传感器网络已精简为几种标准总线。网络技术标准和依从性测试已赶上供应商竞相增加网络设备的速度。培训计划和成熟的经验使自动化岛屿之间的互连成为可能，这仅仅在几年前还是无法想象的。 目前，对PLC控制的生产车间，以太网已实用化，局域网的战斗日益白热化。以太网是比传感器总线更优越？它在那类应用中？到目前为止还没有统一意见，就象有关传感器总线一样，有种种不同的观点。在展望未来之前，先让我们考察一下目前的状况。 ASiBus ASi是西门子公司推出的、PTO(Profibus贸易组织)支持的一种硬件替代总线。它具有主—从结构，从设备最多可达62个。它在单根电缆内整合了数据和电源，速度极快，对31个从设备而言，周期时间仅为5ms。ASi结构简单，较典型的通信网络中心支持更多的拓扑，包括星形、线型、分技术和树形结构。虽然它现在能够支持某些模拟数据，但仍不易支持串行设备，诸如条形码读出器、定标器、仪表和操作接口。ASi增长十分快速。它日益广泛地使用在多种行业，尤其是食品加工、制瓶和制药行业，因为这些行业，不需要Profibus和DeviceNet的附加功能。 Modbus Modbus是本文提及的所有网络通信标准中最早的一种。由于其历史悠久、普及率高、安装节点数多，它也是本文所讲的唯一串行通信标准。其协议简单、明了；每个设备表示为寄存器(16位无符号整数)和位的集合。一组带有精确消息帧的极简单命令集，使该协议成为串行设备的30年优胜者。由于它的设备表示方法简单、消息帧简明，容易实现Modbus。当然，寄存器和位还不具备恰当地表示较复杂设备(如质量流量控制器、运动控制器、以及驱动系统)的能力。 DeviceNet DeviceNet是一个应用层协议，它使用最初由德国bosch公司研发的控制区域网(CAN)技术。CAN可支持单一拓扑，带节点的总线。尽管CAN能支持几千个节点且数据速率高达1MB，但DeviceNet仅限64个节点和125、250以及500KB速率工作的网络。它是一种主—从连接基网络；主设备由一个从设备请求连接，然后两个设备进行非控制和I/O数据连接的协商。一旦建立I/O连接，主设备使用查询、循环状态改变的通信方式与从设备通信。最近还增加了TimeSynchronization(CIPsync)和DeviceNetSafetyNetwork(CIPsafety)协议。 DeviceNet不具备对等通信能力。多数设备只支持传统的查询通信方式，而不支持吞吐率较高的循环或状态改变的工作方式。分段存储协议要求发送8字节以上的消息，过于复杂且需要大量的计算资源。 它支持的设备类型十分广泛，包括光眼、驱动器和质量流量设备，符合标准且大批量供货降低激烈的价格竞争，尤其对I/O设备。 ProfibusDP ProfibusDP是一种工作于12MB的RS—485基I/O网络。Profibus是在设备上增加ASIC用硬件实现的。这是一种主—从网络结构，最多有126个节点和244字节消息，PTO是促进和维护该标准的供应商组织。 ProfibusDP的工作速率较任何CAN网络(DeviceNet，CANopen等)快得多，后者最高只有1MB。它拥有大量供应商和现成的的产品；然而由于它要求专用硬件ASIC，在批量低时实施成本稍高。有Siemens的积极支持以及Siemens的可编程控制器内置的连接，ProfibusDP在欧洲市场占有绝对的优势。 ControlNet ControlNet是DeviceNet和EtherNet/IP的先驱者，最初是作为Allen-BardleyDataHighway替代品研发的。它填补了高确定性和重复性网络的空白。它使用与DeviceNet或EtherNet/IP相同的控制与信息协议(CIP)应用层，让用户按专用的控制I/O或消息数据来配置每个消息。由于ControlNet要求专用的电缆，且与以太网相比速度不尽人意，因而其市场接纳率较低。 EtherNet/IP EtherNet/IP是用于CotrolNet和DeviceNet的CIP技术的改进版。与这两种协议一样，EtherNet/IP是对象基的。网络中每个设备表示为一系列具有属性和值的对象。它采用传送控制协议(TCP)来传送消息数据；用连接设备协议(UDP)来传送I/O数据，由于EhterNet/IP上I/O数据是按UDP传送的，因此设备无法检测到冲突或未送达I/O消息。对象基设备表示法为EtherNet/IP网络上设备提供了一种功能强、完善而又容易实现的表示方法。同一对象的表示法对EtherNet/IP、ControlNet、以及DeviceNet都是一致的。任何熟悉后二种网络的人员，只要稍加培训和实践，就能安装和使用EtherNet/IP网络。但另一方面，EtherNet/IP是复杂的，规格仍在分类之中。安装与研发也是比较复杂的。任何有一定能力的编程人员可以从事DevceNet工作，但若不想投入大量时间精力，最好不要贸然地涉足EtherNet/IP。 Modbus/TCP Modbus/TCP是真正通过EthernetTCP/IP途径的Modbus。它使用与Modbus同样的寄存器和位表示法，它还使用为Moubus定义的同样函数。所有Modbus消息和Modbus/TCP消息是一致的，只是后者未包括循环冗余码校验(CRC)字段。 任何有能力研发Modbus/TCP网络设备人员也能研发Modbus/TCP。协议的实施极其快速，非常适合专用诊断和配置应用。Modbus的简明性既是它的最大优点，也是它的最大缺点。虽然容易明了和快速实施，Modubus/TCP缺少标准化。一个供应商的Modubus/TCP产品和另一个供应商的产品截然不同。用户可从因特网上下载免费的Modubus/TCP依从性测试程序。 PROFInet PROFInet是基于Microsoft提供的DCOM和RPC技术的以太网应用层协议。PROFInet网络上设备被表示为对象。用户可通过访问每个PROFInet设备的默认对象来审视任何该网络设备，并了解它的性能，该协议与本文上述任何其它协议不同，它是免费的，可从PTO获得。NetSilicon提供MicrosoftWindows、VxWorks、以及Net—OS用的各种版本。由于Windows已内置了基础技术，从Windows访问一个PROFInet设备是相对简单的；当然实现PROFInet需要大量的资源。免费代码极其庞大，需要大量的OS资源，这里要特别指出，虽然PROFInet是PTO支持的，但它与Profibus毫无共同之处。 CANopen CANopen是一种CAN应用层协议。DeviceNet更多地是面向连接的，而CANopen是面向对象的。它支持两种基本消息：服务数据消息和过程数据消息。前者用于大批量，低优先级消息；后者则用于高优先级，少批量消息。与DeviceNet一样，CANopen具有CAN的优点和局限性；而与DeviceNet不同，CANopen不是连接基，且支持对等消息。在产生方式，一个CANopen设备只是产生数据而不顾及谁来接收。CANopen中设备表示比DeviceNet设备更简单。CANopen不需要很多开销且具有极其简明的状态机器。请注意这样一个事实，在美国只有少数可编程控制器供应商支持CANopen通信，另一方面，虽然CANopen是一个欧洲标准，它正在迅速打入美国，特别是在网络化OEM机器市场。 以太网在冉冉升起 在所有这些网络中，以太网协议获得最大的成功，这有三个重要因素在起作用。 对以太网有极大兴趣：Modbus/TCP在吸引很多供应商，尽管PROFInet深受Siemens客户群的欢迎，而DeviceNet、ControlNet以及EtherNet/IP间的公用CIP层却深深吸引着其它客户。今年，所有这些技术会随着ODVA和PTO供应商向市场投放新产品而急剧增长。 当前，嵌入了EhterNet媒体访问控制器(MAC)32位ARM控制器的价格已接近标准8位控制器的价格，供应商正竭尽全力创建带片上闪存、RAM和CAN控制器的ARM控制器，今年，有可能花少量资金用带片上局域网的嵌入式40MHz、32位处理器来替代8位、20MHzCAN控制器。若能成功，Web服务器结构就能使用以太网，然后无额外开销地向用户提供通信功能。 DeviceNet和Profibus是现场总线大战的产物，每一种技术的背后都有“巨人”做靠山，特别是Alley-Bardley对DeviceNet和Siemens对PROFInet的支持，现在巨人们又要为统一的全球以太网标准一争高低。在某些应用领域(如远程传送)，DeviceNet中继/分接技术优于以太网星形技术，但对于那些势均力敌的竞争，以太网通常要略胜一筹。 不管是对是错，用户就是喜欢以太网，在他们的眼中，有时可能不正确，它价廉物美，他们了解它，能驾驭它，在长期工作中已具备了实现它的专业知识。因此，无论DeviceNet和Profibus在目前如何流行，以太网最终将取得胜利，并支配整个工业自动化领域。无论如何，对工业网络来说，今年将是鼓舞和期盼的一年。 |
网友评论