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现场总线网络应用及技术实现——基于以太网的现场总线在工控网络中应用姓名：殷文杰学院：电力学院专业：自动化学号：201110426基于以太网的现场总线在工控网络中的应用摘要：由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。加上现场总线在工控网络中的便捷性、统一性，从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，基于以太网的现场总线在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。关键字：现场总线、工业以太网、工控网络目录摘要1现场总线概述......................................................41.1什么是现场总线................................................41.2现场总线控制系统的优越性......................................41.3现场总线的不足................................................51.4现场总线发展趋势..............................................52工控网络..........................................................62.1什么是工控网络................................................62.2工控网络中现场总线与以太网的结合..............................62.3基于以太网的现场总线已成为工业控制网络的发展方向..............73.基于以太网的现场总线在工控网络中应用（以煤矿电力监控系统为例）....83.1系统简介......................................................83.2基于工业以太网加现场总线的电力监控系统的构成..................84电力监控系统的主要功能..........................................95结语...........................................................104发展愿景.........................................................10基于以太网的现场总线在工控网络中应用1现场总线概述1.1什么是现场总线它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。1.2现场总线控制系统的优越性现场总线控制系统使工业过程控制发生了很大变化，它具有如下优越性：（l）现场总线使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信，而不要I／O转换，节约了费用；（2）现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，减少了连线费用；（3）现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋予现场总线仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性；（4）现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作员与被控设备之间的交互；（5）现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与维修费用；（6）现场总线的开放性将使用户有可能对备仪表厂商的产品任意进行选择，井组成系统，而不必考虑接口是否匹配。1.3现场总线的不足图1现场总线控制系统结构图现场总线有其突出的优点，但也有其明显的不足之处，主要表现在以下两点（l）现场总线没有单一的国际标准各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准。而经14年的纷争，2000年初8种现场总线成为IEC现场总线国际标准子集。这一结果令人失望，也违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。尽管基金会现场总线试图推出中立和公正、防止任何技术垄断、广泛性的体系结构和标准，但至今仍有一些标准未能取得一致通过，并且迟迟未见产品问世。现场总线真正实现开放性任重而道远。在这种情况下，多种现场总线并存，共存于一个系统已成为客观事实。（2）现场总线的系统开发困难，开放性有一定的局限性FF，LonWorks，CAN等现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包。这需要较昂贵的代价，往往只有开发商、研究机构才能有这类开发工具，一般用户则无能为力。这说明现场总线的开放性仍有一定的局限性。许多技术人员正致力于现场总线图形化节点软件开发工具的研究工作。当现场总线由于以上不足而停滞不前时，人们开始寻找新的出路，以太网进入了人们的视线。1.4现场总线发展趋势从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准二是IndustrialEthernet走向工业控制网络统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的进展。随着FFHSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。2工控网络2.1什么是工控网络工控指的是工业自动化控制,主要利用电子电气、机械、软件组合实现。即是工业控制（Factorycontrol），或者是工厂自动化控制（FactoryAutomationcontrol）。主要是指使用计算机技术，微电子技术，电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性。2.2工控网络中现场总线与以太网的结合以太网TCP/IP网关高速现场总线FCS耦合器2.3基于以太网的现场总线已成为工业控制网络的发展方向以以太网为代表的COTS(commercialofftheshelf)信息网络通信技术却以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。与现场总线相比,以太网具有以下优点:（1）应用广泛Ethernet的应用开发,如Java,VisualC以太网是目前应用最为广泛的计算机网技术,受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持++及VisualBasic等。这些编程语言由于广泛使用,并受到软件开发商的高度重视,具有很好的发展前景。因此,如果采用以太网作为现场总线,可以保证多种开发工具、开发环境供选择。（2）成本低廉由于以太网的应用最为广泛,因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持,有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛,硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus,FF等现场总线的十分之一,并且随着集成电路技术的发展,其价格还会进一步下降。（3）通信速率高数据传输率很高。以太网支持的数据传输速率包括10MbS，100MbPS和IGfoS，比目前任何一种现场总线都快；以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交换模式后，任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独立的冲突域（CollisionDomain），不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着提高确定性。（4）软硬件资源丰富由于以太网已应用多年,人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验,对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用,从而可以显著降低系统的整体成本,并大大加快系统的开发和推广速度。（5）可持续发展潜力大由于以太网的广泛应用,使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且,在这信息瞬息万变的时代,企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络,信息技术与通信技术的发展将更加迅速,也更加成熟,由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。（6）易于与Internet连接,能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成（7）Web技术和以太网技术的结合，将实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。（8）以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。因此,工业控制网络采用以太网,就可以避免其发展游离于计算机网络技的发展主流之外,从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进,共同发展,并保证技术上的可持续发展,在技术升级方面无需单独的研究投入。诚然,以太网由于采用了CSMA/CD介质访问控制机制,各个节点采用BEB(binaryexponentialback2off)算法处理冲突,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性,使之无法在工业控制中得到有效的使用。3.基于以太网的现场总线在工控网络中应用（以煤矿电力监控系统为例）3.1系统简介煤矿供电质量对矿井安全和正常生产有着直接影响，随着采煤机械化程度的提高，煤矿供配电系统运行的可靠性和合理性显得更为重要。完善的电力监控系统可以有效地保证井下电网的安全运行，并能实现供电的“移峰填谷”，给煤矿带来巨大的社会和经济效益。电子信息技术、自动化技术和网络技术的迅速发展，使工业以太网+现场总线的控制网络结构得到广泛应用。本文基于现场总线技术，充分利用计算机网络技术和先进的通信、控制方式，建立一套技术先进、功能完整、管理简便的煤矿电力监控系统，整个系统较传统的集中监测系统性能大大增强，功能更为完善。系统采用工业以太环网，主干网络采用光纤传输，在物理和逻辑上考虑到网络信道的冗余，确保网络通路的安全。系统采用嵌入式计算机，对井下用电设备的电力参数进行实时采集、处理，同时对设备的运行状况进行实时监视，设备出现异常时可以进行远程控制操作。本系统的建立，可对地面及井下电力系统中设备运行状态和参数进行远程监测监控，将设备使用累计数据如电度报警等信息通过报表、图形等方式输出，为设备的合理和安全使用提供依据；能变电室所各高、低压开关的电力参数进行采集、测量与控制，实现对开关的遥信、遥测、遥调、遥控与遥视，提高井下变电所的自动化程度。3.2基于工业以太网加现场总线的电力监控系统的构成根据系统功能需要，本系统采用工业以太网加现场总线的结构模式，由监控计算机、变电所监控站、综合保护单元等组成，采用三层结构，第一层为监控计算机，第二层为电力监控站，第三层为智能隔爆高压开关。系统主干信道是光纤以太环网到各变电所，通过网络交换机的数据接口将变电所开关数据接入主传输系统；在变电所内安装电力监控站，采用现场总线RS一485方式采集变电所开关设备的运行参数和状态，实现就地集中数据监测和设备控制的功能，主站对采集到的信息进行处理，集中上传到系统主机。系统后台将来可以网络方式将数据传输到全矿井综合自动化平台，实现数据共享和网络发布。系统总体结构如图1所示。井下变电所内开关设备的运行参数和状态通过综合保护单元采集并输出，电力监控站和开关综合保护单元之间采用RS一485(隔爆设备信号输出通过安全隔离器作本安隔离处理)，变电所的电力参数数据通过以太网传输到电