为自动化选择工业现场总线

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1、发布时间：2008.03.28 阅览次数：152 作者：Clark Kinnaird 单位：Texas Instruments来源：controlglobalABSTRACTAn important trend in factory automation is the continual increase in networked interconnection between sensors, controls, actuators and other system components.Automation designers face many challenges and tradeo

2、ffs in the development of a successful network solution. This paper discusses the necessary choices in selecting a network technology appropriate for various specific applications. Technical constraints of several common field buses will be compared, and guidelines for selecting media and protocol w

3、ill be discussed.摘要 工厂自动化的一个重要趋势是持续增加在传感器、控制器、执行机构和其他的系统组件之间的网络互 连。自动化设计人员在成功的网络解决方案开发中面临很多挑战和折衷。本文讨论了为各种特定应用 选择恰当的网络技术的必要选择,比较了几种常见现场总线的技术限制，也讨论了选择媒介和协议。有意的观众是开发联网自动化的系统设计人员，但是他们不熟悉数据传输设计的细节。当选择一种架 构、协议并实施时，留给观众的应是常用现场总线总的看法和考虑各种问题的知识。I.引言 当为应用选择一种总线网络时，至少出现两种情况。情况一，工程师从一张白纸开始，确定任何最满 足应用需要的网络。情况二，工

4、程师不得不确定兼容现有安装的网络。在理想的世界，所有的网络都 是兼容的，很容易从一种网络转换到另一种网络。但是实际上互连不同的网络非常困难，因此我们仅 留下尚未解决的难题。这导致我们假设情况二网络的选择是预先确定的，因此我们集中在第一种情况。 我们寻找比较不同网络的方法，发现很多选择的可能性。特定的比较参数和设计考虑包括： 通信速率和数据延迟 物理互连媒介 抗扰度 比特误差率和总线故障 允许的互连长度 允许的网络节点数量 容易增加额外的节点 功耗、成本、可靠性和隔离要求 在以下各段中，我们将看到以上列举的几种，讨论为什么每个特点都是自动化网络的关心， 在选择 恰当现场总线的过程中需要做出什么折

5、衷。我们发现没有通用的答案，但是在优化一个参数的过程中， 不得不对其他的参数做出折衷和妥协，如图1所示。賈茨持引浬意抗捷黄乓数据俺率限难降低功卒通过皱奧廷迟改逛議曼遠率数捋延退覺到错遥萤骑的眾响高数抵遭莖忻的冏络奁度低功章图 1 网络要求是相关的，要求折衷II.工业自动化总线选择一些简短的评论说可用现场总线选择具有交叉性：4-20 mA这种模拟量电流回路网络是慢的但是简单的。它的限制是每个回路只有一个变送器，但 是可以有几个接收器。模拟量格式限制了高级功能，但是由于很容易把传感器测量值传送到中心控制 器，这仍有广泛的实施。HART高速可编址远程变送器网络用调制过的信号增大4-20 mA回路。虽

6、然数据速率是相当慢，但 是它允许数字信息的传输。RS-232这种标准接口已经出现很长时间了，仍用于很多简单的接口，从而实现系统初始设置、诊 断以及其他对时间要求不高的功能。单端网络，RS-232并没有大部分利用差动信号的其他标准相似 的抗扰度。RS-485RS-232和RS-422的衍生物,RS-485电气规范是几种工业网络标准的基础，包括Profibus、 Interbus、 Modbus 等。 RS-485 的优点是抗扰度、接地抵消、双向、多驱动能力和同线能力。Interbus基于环的网络，Interbus使用具有点对点连接，全双工通信的RS-485信号去调整双向 结构。 Interbus

7、 的其他差异是使用光纤或红外媒介发信号。Modbus Modbus有几个差异，最常见的差异是基于RS-485信号。其他的实施包括使用以太网或 RS-232。除了工业自动化，它也用于构建控制系统。Profibus DP基于RS-485信号技术，Profibus DP （过程现场总线，分布终端），常用于工厂自 动化现场总线网络，特别是在欧洲。 Profibus 标准确定了协议、电气层、终端、信号速率和接地/ 隔离方案。 Profibus 有其他的差异，光纤、本安应用和电机控制应用。DeviceNet基于CAN信号规范，DeviceNet标准确定了设备级网络的电气层（电压、电流负荷、 终端、隔离/接

8、地）和协议要求。ControlNet具有高的信噪比，使用同轴电缆，ControlNet是鲁棒的，相对高速的工业网络。它的优点是决定性的定时、鲁棒的电气特点和容易扩展。工业以太网现在可用几种不同的工业以太网，包括ProfiNet、EtherCAT、Ethernet/IP （工业 协议）等。每种都能用于局域网，都是基于IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）标准。 每种都有不同的差异，不容易与其他协议互连，主要由于怎样处理已知数据的延迟时间（确定性的定 时）的要求。 10 Mbps 和100 Mbps 版本的以太网常用于工业自动化应用。III.允许的节点数量 自动化应用也许

9、需要连接很多传感器、执行机构、控制器和人机界面。最大允许的节点数量受到系统 架构、物理层的电气或光的特点和网络协议中固有的编址方案限制。网络架构可以是总线型、环型、星型或其他拓扑结构。总线网络（例如，DeviceNet或Modbus）是沿 着其长度方向布置节点，但是在节点之间通常有间距的限制。环型网络（例如，Interbus）用每两个 相临节点之间的点对点连接形成一个封闭的链。星型网络（例如，以太网）允许以各种方式连接许多 星型的架构。回路连接（例如，4-20 mA）在每个回路上可有几个接收器，但是只能有一个变送器。标准心节点数壘的限制机制卩最丈允许节点RS-485有源岖动器上总的电流负荷卩3

10、2 单位负荷（1） 4（在可能的情况下，高达2阳个节点）Piufibus DP*剝週删总阻抗QMSWfc设备pInterbas点*寸点传播延迟心耳T回路甘拎设备pControlNet （同轴电缆2阻抗和信号反射心设备心DeviceNetP由标准确定心64Ethernets互连架构心根据选择的协议专一股是星型拓扑心表1 标准网络的最大节点数注：（1）在TIA/EIA-485-A标准（RS485）中定义的单位负荷指定了作为收发器比较基础的电流-电压负 荷单位。RS-485收发器在1/8额定单位负荷下可以使用，在不超过标准的情况下，在一条总线允许 多达8X32或256个收发器。IV.数据速率任何通信

11、网络的基本功能是把数据从一个地点移动到另一个地点。数据速率是在一定时间内能移动多 少数据的度量。但是不同网络的数据速率能以不同的方式测量。对模拟通信（例如，4-20 mA）来说， 电路元件的带宽限制了速率。对数字通信来说，数据速率由每秒能传输多少比特（二进制数字）和实 际应用需要多大的传输比特决定。另一个与网络速率相关的参数是数据延迟，即数据从一个节点发送到另一个节点接收的时间间隔。由 于收发器传播延迟、媒介传播延迟和协议损耗，数据速率影响数据延迟。收发器传播延迟通常在毫秒级或更小；通过媒介（光纤或铜缆）的传播延迟限制在光速的几分之一，即每米电缆的延迟在 3 到 5 纳秒，因此仅仅非常长的电缆

12、（或非常快的网络）的媒介传播延迟才需要 考虑。协议延迟是除了任何报文的数据有效载荷，必要的协议损耗（奇偶校验、编址、误差校验、握 手位）增加的时间。这根据网络标准而变化，但是具有复杂格式的更高级协议，协议延迟是很大的。下表说明了数据速率和数据延迟的差异： 快速数据速率/长的数据延迟时间在磁带上听预录制的用西班牙语解说的运动新闻显示慢的数据 速率/短的数据延迟在电话上听 James Earl Jones 音乐（实况）。表2 全面考虑了几种现场总 线的原始数据速率和报文协议延迟。标准4数据速率心最小报文#协议延迟时间*4-207、Z受制于模拟量组件，小于兀Hz （典型的）卓无心无心1. 2 kbp

13、s*21il bit討 9000usRS-4850 - bOMbpsi bit根据持定协仪*DeviceNet125 kbpsj 25Q kbpsj 500 kbps41 bit討 81 u 詁ControlNet*5 Mbp 詁56 bit討 11 us*3Prcfihus*3咼达 12 JIbps+r140 bits*lSl-usEthernet+J1.00 Mbps30Crbits+ 3 US43lOQBaseTK表 2 标准网络的数据速率和延迟时间V.抗扰度由于高电流的组件，例如，电机、泵、开关电源、焊接设备和机器人，工业环境涉及很多挑战。为确 保网络的可靠运行，有必要对这些噪声源进行

14、隔离。在物理层，这要求对接地、屏蔽和收发器进行恰 当的考虑。网络上的高信号电压将会增加信噪比。尽可能高的接收器门槛电压（通常称为“静噪”） 将削弱伴随正确信号的噪声。接收器门槛的滞后降低在信号传输期间由于噪声造成错误转换的可能。 图 2 显示滞后怎样改进抗扰度。接收器输入接收嚣常也无滞后!接收器清出址:坯收器輸出电压接收器差分谕入电压* Hh* a N S a bdK接收器输岀有帝后无淆后有标接收器差分输入电遂图 2 接收器门槛滞后的效果然而，这些在抗扰度上的每个改进都伴随着一定的成本。高信号电压要求更大的功率，也对其他组件 产生噪声。接收器高的门槛意味着系统容忍媒介的信号损失的降低，也降低了

15、允许的网络长度。如果 不十分和谐的话，接收器滞后能导致传播延迟和脉宽失真。要注意的是，图2 中的接收器有滞后输 出相应比无滞后输出具有小的延迟。VI.网络长度网络的另一个量度是数据能传输多远。工业网络通常比消费品、计算机、汽车应用要求更长的互连。 限制允许的网络长度的因素是媒介中的损失和电气获得的噪声（两者都影响信噪比）以及通过影响延 迟的媒介的传播延迟。不管媒介是铜缆、光纤，还是无线，都存在媒介损失。光纤损失非常小（在A=1310nm时，每千米降 低0.3dB），使用光纤网络允许非常长的连接。典型的双绞线铜缆有更大的损失，在1 MHz时，每百 米降低大约1.5 dB到5 dB。图3是各种网络

16、典型的电缆衰减的比较。00一 l_ _ 1_ 丄 J_ L_1RSSSProfit? us-M H.-U.ControltI I iOI 亠孟芒ooiraE1信号频率（IHz）10100图 3 频率与每单位长度双绞线电缆衰减比较网络标准通过要求比接收级更高的传输信号幅度考虑媒介损失。例如，RS-485信号要求至少1.5V驱 动器输出，接收器门槛是200 mV。这产生一个7.5的因数或等价于17.5 dB的富余，在低信号速率 下允许电缆长达1200米。表3 描述典型的工业网络的计算例子。要注意的是，在媒介中的损失不是 确定允许的网络长度的唯一考虑。輪出J接收器- 灵Si性典里的电遥袁蒜煤弁损失电

17、窥圧摩 瓯制（鈕型的厂RS-4E5-1. 5200m*L7/6fflfc2. 5dB/100iwSD.5Bz7D0iiffl30. 4dB，6 dB/100 n12MHz340n812)Ibp100iy312 Ubps120094 kbps归叹护谢y（同坯电毀卜2Vdp-BlOmVpp-34 dB*ISOOnKiMbps- lOOOn-tMi陥 t jI, 6 V-1400mV.ll,6dB1. 2dB/lGQ n鮒艸討9B0nS0 5 IfbpEt- St a600m 126 kbps-250m 250 kbps-ICXJji 範 BOO kbps-Ethernet lOBasc-T1*2.

18、 2 *5B5m11. 5dB-lOdE/KiDafll&JEz*ILSpBLOMbps*段型的ioOmQEthernet lOOBasc-TX-1.0齐IVpp6dBl&dfi/lODfifilDJEIz-虻 nLiJlDCilflbw(a)护型的（见脚注）r表 3 网络长度的限制例子注：(2) CAN (IS011898)物理层，DeviceNet限制网络长度从而限制节点间电缆传播延迟需要的时间。 因此，允许的电缆长度比媒介损失计算预测的更短。(3) 100Base-TX 以太网接收器典型地采用适应性的同等化技术去补偿电缆中的损失。因此允许的电 缆长度比单媒介损失计算的更长。VII.应用例

19、子一个使用基于RS-485物理层网络的例子解决方案说明网络实施对支持应用性能的重要程度。如图4 所示，精确运动控制应用与多传感器过程控制应用要求之间的对比说明了系统要求怎样影响网络设计 选择。图4从应用要求到网络实施在运动控制例子中，工具速度和编码器精度结合起来指示高的数据速率。由于网络距离，节点的数量 是有限的。数据延迟对闭环伺服的位置和速度信息的影响也是关键的。在该应用中，由于数据速率要 求，一些更慢的网络(例如，DeviceNet或HART)是不适合的。其他网络(例如，100Base-TX以太 网、Profibus或ControlNet)也是该应用可能的选择。安徽鑫龙自动化有限公司_AN

20、HUI XINLONG ELECTRICAL CO. ,LTD为自动化选择工业现场总线在过程控制的例子中，总的信号速率不是特别重要的，因为过程控制时间常数比运动控制更长。这个 网络也延伸更长的距离，并有几十个互连节点。节点之间的接地抵消由本地高电流浪涌引起。高节点 数量导致Profibus是不太引人注意的选择，而更慢的网络（例如，DeviceNet和Interbus）现在是 运动控制应用的竞争者。这些例子的任何应用、解决方案的总成本、与其他系统和以前硬件的互操作性和标准化已经在此领域 支持的其他应用程序，几乎都有一定的限制。VIII.结论在以上介绍中，仅仅在各种自动化现场总线之间有一些比较和折

21、衷。所有选择的深度讨论太多了。最 终应用的性能是决定最好解决方案的关键因素，这一点是重要的。同时，在工程上一直需要在这样的 参数（例如，速度、功率、节点数量、抗扰度）和网络长度之间做出折衷。可用现场总线的全面概括 反映工程师已经发现各种优化特定应用性能的解决方案。设计人员可探究以下参考文献从而进一步讨 论这些网络。参考文献1. Application Note 104, “4-20 mA Transmitters“, Dataforth Corporation, 2. Application Note SLLA067, “Comparing Bus Solutions”, Texas Inst

22、ruments, Inc., 3. “Fellowship of the Fieldbuses?”, Jim Montague, Control Engineering, June 11 2004,4. “Fieldbus jump predicted”, David Greenfield, Control Engineering, October 1 2004,5. “The Grid Connect Fieldbus Comparison Chart”, Gridconnect, 6. “ControlNet Specifications, Release 3.0, Errata 3”,

23、ControlNet International, 20037. “DeviceNet Specifications, Release 2.0, Errata 5”, Open DeviceNet Vendor Assoc., 2002未经授权，禁止转载 如果您需要本文作为学习或工作的参考资料，请【放入我的收藏】，以供随时在线阅读。标准辐出接收簿- 灵ft衬信号.jfeS-5典型曲电缆袁赫“娓弁损失电務桧度 限制典型的-协啊桃度RS-405L, 5 V.2Kim17. 5dB-2. 5dB/lMiwS0.5nH2 -7Kiia0fc 5Mbps*无。I&dB/lOO&aiOJIHa!*-ITE

24、iUUlbpsIiLtcrbus+,1. b v-和K5-船54目同亠每t倒路“200用旳o注片”Pzpffibus DP*12. t V-2WmV-SO-ldB-6 dB/lQO rriL2MHz-34flidL2Hbps 10OiL2 HbpsH11 西。刚94 Irhpsa陽或亦 （同雜电變“8. SVpp-16 LOmVpp 24dfr2dB “帥趣OM血1300n5)!bp lOOOntroyi.c-E5ot+,1, 6知400mV.1. 2dB/l hMMU討550i/djO. 6 Ltbps600m $ L2S khp3|J350n 咗 250 khps*1100m 囱 K0 kbpsEtliaznat lOBisp-T-比2 W5B531ir-L1.5dfilOdB/KiDaaiCJEz115iiaLOl!bps*-風型的1DCEQEthernet lOtJBascTX-LO羽IVppJ药 dEflOOftaSH助忙頁 CinJfllKiIb gi83興型的见Sffl注H