现场总线实例—以太网

工业以太网与现场总线技术及应用摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。

以太网就是这样的一种网络。

本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。

关键词：现场总线控制系统以太网 FCS一引言随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。

它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。

但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。

首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。

复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。

其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。

同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。

由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。

因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。

因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。

为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。

二以太网进入现场总线以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。

它具有如下特点：(1)以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,它受到广泛的技术支持,因此容易获得控制领域生产厂家的认可。

EtherCAT - 以太网现场总线本文深入阐述了基于以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术。

EtherCA T为现场总线技术领域树立了新的性能标准，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，和现场总线系统一样操作直观简便。

另外，由于EtherCA T实施的成本低廉，因此使系统得以在过去无法应用现场总线网络的场合中选用该现场总线。

1. 引言1.1 以太网和实时能力2. EtherCAT 运行原理3. EtherCAT 技术特征3.1 协议3.2 拓扑3.3 分布时钟3.4 性能3.5 诊断3.6 高可靠性3.7 安全性3.8 EtherCAT 取代PCI3.9 设备行规3.9.1 EtherCAT实现CAN总线应用层协议(CoE)3.9.2 EtherCAT实现伺服驱动设备行规IEC61491 (SoE)3.10 EtherCAT实现以太网(EoE)3.11 EtherCAT实现文件读取(FoE)4. 基础设施成本5. EtherCAT 实施5.1 主站5.1.1 主站实施服务5.1.2 主站样本代码5.2 从站5.2.1 EtherCAT Slave Controller5.2.2 从站评估工具包6. 小结7. 参考文献1. 引言现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。

正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。

然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。

急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。

传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。

正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。

现场总线与工业以太网融合的技术路径现场总线与工业以太网融合的技术路径随着工业自动化和智能制造的快速发展，现场总线与工业以太网的融合成为了实现工业4.0的关键技术之一。

现场总线技术以其简单、可靠、成本效益高的特点，在工业自动化领域得到了广泛应用。

而工业以太网则以其高速、大容量、易于扩展的优势，在现代工业通信中扮演着越来越重要的角色。

本文将探讨现场总线与工业以太网融合的技术路径，分析其发展趋势和实现策略。

一、现场总线与工业以太网概述现场总线是一种用于工业自动化领域的数字通信网络，它连接了现场设备与控制系统，实现了设备之间的数据交换和控制命令的传输。

现场总线技术具有实时性、可靠性和抗干扰性强的特点，能够满足工业现场复杂环境的要求。

工业以太网则是基于传统以太网技术发展起来的，专门用于工业环境的网络通信技术。

它继承了以太网的高速、大容量、易于扩展等优点，同时针对工业环境的恶劣条件进行了优化，如增强了抗电磁干扰能力、提高了设备的稳定性和可靠性。

二、融合技术的必要性与挑战随着工业自动化水平的不断提升，对现场通信网络的要求也越来越高。

现场总线虽然在实时性和可靠性方面表现优异，但其数据传输速率相对较低，难以满足日益增长的数据传输需求。

而工业以太网虽然传输速率高，但在实时性和可靠性方面尚需进一步提升。

因此，将两者的优势结合起来，实现现场总线与工业以太网的融合，成为了满足现代工业自动化需求的有效途径。

然而，融合技术的发展面临着诸多挑战。

首先是技术兼容性问题，不同的现场总线和工业以太网标准之间存在差异，需要通过技术手段实现互联互通。

其次是性能优化问题，如何在保证实时性和可靠性的同时，提高数据传输速率和网络容量，是融合技术需要解决的关键问题。

此外，还有成本控制问题，融合技术的研发和部署需要考虑成本效益，以确保其在工业领域的广泛应用。

三、融合技术的关键技术实现现场总线与工业以太网的融合，需要依赖一系列关键技术。

这些技术包括但不限于：1. 协议转换技术：通过协议转换器，将现场总线的数据包转换为工业以太网的数据包，或者反之，实现不同网络之间的数据交换。

以太网、CAN总线、RS485总线都属于现场总线范畴，用户根据不同的场合和应用需求而采用不同的现场总线方式，每种总线有不同的标准特性，通过下列描述了解各种总线的特性以及各种总线优缺点。

一、RS485接口标准✧RS-485的电气特性：逻辑"1"以两线间的电压差为+（2-6）V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-（2-6）V表示。

接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。

✧RS-485的数据最高传输速率为10Mbps✧RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

✧RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。

而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。

即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

但RS-485总线上任何时候只能有一发送器发送。

✧因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。

✧因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

二、CAN总线接口标准✧国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高；✧传输距离远（最远10Km），传输速率快（最高1MHz bps）；✧单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数；✧多主结构，各节点的地位平等，方便区域组网，总线利用率高；✧实时性高，非破坏总线仲裁技术，优先级高的节点无延时；✧出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；✧报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；✧自动检测报文发送成功与否，可硬件自动重发，传输可靠性很高；✧硬件报文滤波功能，只接收必要信息，减轻cpu负担，简化软件编制；✧通讯介质可用普通的双绞线，同轴电缆或光纤等；✧CAN总线系统结构简单，有极高的性价比。

现场总线与工业以太网国际标准综述在工控现场中，开发和使用现场总线是为了用智能数字仪表内部所具有的数字信号替代4～20mA等模拟信号来实现控制室与现场之间的信息传输，现场总线技术最初应用于过程控制及制造业。

我们在使用了现场总线以后得到了更多的好处：例如控制功能彻底分散到现场，先进的现场设备管理功能得以实现，系统的可靠性大大提高等等。

现场总线有过不同的定义，其实质是指应用在测控现场，实现现场设备、系统管控设备之间信息交换的串行双向数字通信网络。

从这一概念出发，本文所述的应用在公路车辆、铁路列车、低压配电与控制以及机床运动控制等领域的ISO11898、IEC 61375、IEC 62026、IEC 61491等标准所定义的工业网络都可以认为是现场总线。

这种现场网络的发展从过程控制及制造业测控领域开始，以后很快发展到诸如电力监控与继电保护、楼宇自动化、环境监控、交通工具、能源管理、农业、自动测试系统、医疗仪器、机器人等各种领域，现在现场总线已经无处不在。

现场总线国际标准IEC 61158自上个世纪80年代中期开始，世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼容的现场总线协议标准，据不完全统计，迄今为止世界上已出现过的总线有近200种。

不同标准的现场产品不能互换，将给用户造成极大的不便。

从1984年起，IEC（国际电工委员会）/TC65（工业过程测量及控制技术委员会）和ISA（美国仪表学会）就开始了制订国际标准的工作。

但由于受到大控制厂商相互竞争的影响，国际标准的制订困难重重，商业集团为了自身的利益给国际标准的投票通过制造阻力，使得国际标准迟迟不能完成。

最终不得已在1999年12月通过了一个包含了多种互不兼容的协议的标准，即IEC 61158国际标准。

该标准包括了目前国际上用于过程工业及制造业的8类主要的现场总线协议。

Type1，IEC 61158技术规范。

这是由IEC/ISA负责制订的，曾试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范，基金会现场总线FF的H1（低速现场总线）是它的一个子集。