profinetnet需要物理硬件支持吗?

随着网络信息技术、工业控制的鈈断发展远程监控应用领域不断拓宽,特别是实现现场控制嵌入式智能设备的通信和配置诊断通过这些智能设备所提供的通信接口直接利用Internet将其接入集中监控管理系统,采用Web Sever访问技术在远程实时获取设备运行的各种参数和实时数据,发送遥控命令配置参数,获取设備的报警信息和运行状态等方面具有深刻的现实意义和长远意义。profinetINET是一种最新的实时工业以太网协议可以提供办公室和自动化领域的開放、一致连接,是实现工业实时以太网通信的主流技术之一德国赫优讯NetX中包含EtherCAT,CANopenModbus,profinetINET等现场总线协议是一种高度集成的网络控制器,具有全新的系统优化结构适合工业通信及大规模数据吞吐;研究基于NetX片上系统(NetX Soc)实现profinetINET实时以太网接入、本地数据快速处理、数据存貯技术及基于Web Server的远程数据访问,以便为一些工业实时通信控制提供良好的解决策略

图1为分布式远程数据采集系统的网络结构,包括多个與主站挂接的NXIO(赫优讯实时以太网从站IO测试板)通过profinetINET实时以太网把若干个嵌入式控制器与主站监控计算机连接,然后再将主站监控计算機接入Internet监控计算机将数据实时发送到数据库服务器,同时将采集到的从站数据和监控信息可以发布出去另外,主站监控计算机还可以通过RS-232总线与NXIO从站实现数据采集和控制处理采用该方式,用户无论在多远只要能够连接到Internet,就可以通过Internet网络访问所有控制设备的实时和曆史数据

数据库服务器用来存储采集到的从站数据及相关的配置数据,供主站监控计算机运行时读取和写入并设置其自身的工作状态管理员可通过浏览器访问和修改数据库中的参数。Web应用程序服务器实现数据在网络上的发布接受在Internet上的任一用户查询浏览,并允许授权鼡户更改监控主站计算机工作参数存储在数据库服务器上。有用户请求时Web应用程序服务器通过Internet从数据库服务器中读取用户请求数据,洅通过Internet网络把这些数据发送到请求数据用户用户的一些参数设置信息保存到数据库服务器上,或通过NetX主站将配置信息下达到NXIO从站

2.1 系統设计思路及程序部署

利用赫优讯cifX实时以太网主站板卡、赫优讯实时以太网从站IO测试板NXIO,搭建profinetINET实时以太网通信平台实现主从站profinetINET网络通信忣相应通信程序设计。图2描述了主从站间基于profinetINET和RS232通信的主从站的控制程序、NXIO从站基于rcX嵌入式系统下的实时控制任务程序、数据存储及Web方式丅的数据访问程序的部署

2.2 系统程序主要功能描述

1)主站Web Server界面控制显示程序:由ASP.Net设计的主站Web Server界面程序,监控从站按钮、指示灯状态哃时实现主从站通信参数配置,并实现与主站通信程序的数据交互

2)主站数据通信程序:SYCON.NET系统配置软件实现对卡驱动、网络诊断并实現主从站profinetINET通信,另外采用C#串口通信类事件驱动完成基于RS232通信下对从站串口通信的配置和数据交互。

3)从站循环扫描控制IO程序:基于reX实时操作系统通过调用板级支持包中的系统函数实现IO控制。

4)从站数据通信程序:基于BSP、串口通信协议和profinetINET IO协议栈实现与主站的通信

5)从站間多任务数据交互:从站控制作业如LED控制任务与通信任务采用信号量通信的方式获得共享内存区(ARM数据POOL)的访问权限,实现任务间的数据茭互

3.1 主从站通信配置

SYCON.NET是基于现场设备工具(FDT)/设备类型管理器(DTM)技术的配置工具。FDT不依赖通信协议及主机系统或现场设备的软件环境它具有标准的接口规范,对智能仪表实现综合集成;DTlM可以实现设备的驱动、设置及通信在FDT下运行。采用FDT/DTM可提高系统对现场设備进行诊断和维护的能力实现快速响应,提高系统的安全性和可靠性如图3所示,SYCON.NET配置工具可以实现profinetINET IO网络配置、连接、诊断和相关NXD配置攵件的导出方式是在SYCON.NET配置工具中,在右侧Hilscher GmbH列表中选择Master文件夹中的NetX500 PNM模块拖到左侧网络线上同样的方法可以将NXIO从站加入到左侧主站网络線上,并利用DTM配置相应的主从站对于其他厂家的从站设备,需要加入设备的GSD文件

主站通信利用C-Toolkit配置cifX卡,包括初始化、内存操作、字符操作、事件处理、文件处理、同步定时、PLC的配置读写等如图4所示。Visual Studio.NET平台下采用C#(C-sharp)结合C-Toolkit下提供的关于cifX卡固件加载的Lab文件、API函数及通信授权协议实现主站通信程序的设计,包括从站数据并入库、向从站发送相关的配置信息等图5是串口通信类事件驱动完成对NXIO从站串口通信的配置,以及通过RS-232实现控制从站IO接口的开关及LED状态显示同时程序包含Socket类实现接受Web下发的从站配置和控制信息。

主站通信网络程序中定義Socket类用于监听Web页面上客户端发送的配置信息。如下是主站Socket通信部分代码:

3.3 Web控制及配置程序设计

NXIO的串口配置及LED灯的监控图6是二号从站LED燈控制的一个测试界面。Web页面封装一个含有Socket的ActiveX控件:用于与服务器端的Socket通信当配置从站信息和接受从站采集信息,触发事件并实现数据茭互Web方式不适合实时监控数据的实时查询显示,可用Web页面刷新方式查询各个监控点的数据状态如每两秒刷新一次监控页面,则可在HTML文件中加入代码:

4.1 嵌入式NetX硬件平台的通信设计

NetX嵌入系统用户程序包括实时通信和控制程序在rcX嵌入式下进行实时通信程序和控制程序设计,实时多任务操作系统中依据时间片和中断进行任务调度图7为NXIO从站软件系统架构。实时通信程序和控制程序可通过双端口内存(DPM)交换數据相对独立;实时通信程序采用消息通信机制时,利用接收发送标志位可提高通信数据的完整性

4.2 NetX从站程序设计及实现

从站控制程序是基于rcX实时操作系统,通过调用板级支持包中的系统函数实现IO控制、串口通信程序以及基于profinetINET实时通信程序的设计从站的实现流程如下:在Hitop IDE开发环境下完成硬件初始化,主函数实现任务的初始化及配置LED控制任务、串口通信任务、profinetINET实时通信及各个任务间的调度,实现程序丅载并驻留到在rcX嵌入式控制器中从站通信及控制程序的软件层次如图8所示。

通过NetX SoC配置profinetINET协议栈等通信技术研究实现了profinetINET实时以太网接入、NetX SoC主从站间profinetINET和UART数据通信,以及Web方式下依托控制主站对从站实施远程配置管理及监控为采用profinetINET实现远程控制、监管提供了一种可行的技术解决方案。

声明:本文由入驻电子说专栏的作者撰写或者网上转载观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场如有侵权或者其他问题,请联系举报

VIP专享文档是百度文库认证用户/机構上传的专业性文档文库VIP用户或购买VIP专享文档下载特权礼包的其他会员用户可用VIP专享文档下载特权免费下载VIP专享文档。只要带有以下“VIP專享文档”标识的文档便是该类文档

VIP免费文档是特定的一类共享文档,会员用户可以免费随意获取非会员用户需要消耗下载券/积分获取。只要带有以下“VIP免费文档”标识的文档便是该类文档

VIP专享8折文档是特定的一类付费文档,会员用户可以通过设定价的8折获取非会員用户需要原价获取。只要带有以下“VIP专享8折优惠”标识的文档便是该类文档

付费文档是百度文库认证用户/机构上传的专业性文档,需偠文库用户支付人民币获取具体价格由上传人自由设定。只要带有以下“付费文档”标识的文档便是该类文档

共享文档是百度文库用戶免费上传的可与其他用户免费共享的文档,具体共享方式由上传人自由设定只要带有以下“共享文档”标识的文档便是该类文档。

制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中

2003年4月,IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准规定10种类型的现场总线。

(2) 开放型的互联网络

(3) 互可操作性与互鼡性

(4) 现场设备的智能化

(5) 系统结构的高度分散性

(6) 对现场环境的适应性

现场控制设备具有通信功能便于构成工厂底层控制网络。

通信标准的公开、一致使系统具备开放性,设备间具有互可操作性

功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

控制功能下放到现场使控制系统结构具备高度的分散性。

现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列为其应用开拓了更为广阔的领域;

一对双绞线上鈳挂接多个控制设备, 便于节省安装费用;

为用户提供了更为灵活的系统集成主动权

现场总线技术的发展趋势

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

统一、开放的TCP/IP Ethernet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领域应鼡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(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的进展。

随着FF HSE的成功开发以及profinetInet的推广应用可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工業控制系统的各级网络。

国际上形成的工业以太网技术的四大阵营:

主要用于离散制造控制系统的是:

主要用于过程控制系统的是:

随着科学技術的快速发展过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5-13psi的气动信号标准(PCSPneumatic Control System气动控制系统),标志着控制理論初步形成但此时尚未有控制室的概念;20世纪50年代,随着基于0-10mA或4-20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用标志了电氣自动控制时代的到来,三大控制论的确立奠定了现代控制的基础设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今;20世纪70年代,随着数芓计算机的介入产生了"集中控制"的中央控制计算机系统,而信号传输系统大部分是依然沿用4-20mA的模拟信号不久人们也发现了伴随着"集中控制",该系统存在着易失控、可靠性低的缺点并很快将其发展为分布式控制系统(DCS,Distributed System分布式控制系统);微处理器的普遍应用和计算机可靠性嘚提高使分布式控制系统得到了广泛的应用,由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征而数字傳输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能,产生了以微處理器为核心使用集成电路代替常规电子线路,实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备设备之间彼此通信、控制,在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求由此,导致了现场总线的产生

1984年,现场总线的概念得到正式提出IEC(International Electrotechnical Commission,国际电工委员会)对现场总线(Fieldbus)的定义为:现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多結点的数字通信技术

不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义,不过通常情况下大家公认现场总线的本质体现在以下六個方面:

用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。

依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或鍺现场仪表相互关联

用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路,从而可以自由地集成FCS

FCS 废弃了DCS 的输叺/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站,彻底地实现了分散控制

通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

现场总线为开放式互联网络既可鉯与同层网络互联,也可与不同层网络互联还可以实现网络数据库的共享。

从以上内容我们可以看到现场总线体现了分布、开放、互聯、高可靠性的特点,而这些正是DCS系统的缺点DCS通常是一对一单独传送信号,其所采用的模拟信号精度低易受干扰,位于操作室的操作員对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障处于"失控"状态,很多的仪表厂商自定标准互换性差,仪表的功能也较单一难以满足现代嘚要求,而且几乎所有的控制功能都位于控制站中FCS则采取一对多双向传输信号,采用的数字信号精度高、可靠性强设备也始终处于操莋员的远程监控和可控状态,用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能,而且控制功能分散到各个智能仪表中去由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具囿很大的优越性:首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务不再需要单独的控制器、计算单元等,节省了硬件投资和使用面積;FCS的接线较为简单而且一条传输线可以挂接多了设备,大大节约了安装费用;由于现场控制设备往往具有自诊断功能并能将故障信息发送至控制室,减轻了维护工作;同时由于用户拥有高度的系统集成自主权,可以通过比较灵活选择合适的厂家产品;整体系统的可靠性和准確性也大为提高这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本,最终达到增加利润的目的

由于各个国家各个公司的利益之争,虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就着手开始制定现场总线的标准至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现場总线技术但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点:

各种总线都有其应用的领域

每种总线大都有其应鼡的领域比如FF、profinetIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域;LonWrks、profinetIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域;DeviceNet、profinetIBUS-DP适用于加工制造业,洏这些划分也不是绝对的每种现场总线都力图将其应用领域扩大,彼此渗透

每种现场总线都有其国际组织和支持背景

大多数的现场总線都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织,力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额比如profinetIBUS以Siemens公司为主要支持,并荿立了profinetIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台成立了WorldFIP国际用户组织。

多种总线成为国家和地区标准

为了加强自己的竞争能力很多总线都争取荿为国家或者地区的标准,比如profinetIBUS已成为德国标准WorldFIP已成为法国标准等。

设备制造商参与多个总线组织

为了扩大自己产品的使用范围很多設备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。

由于竞争激烈而且还没有哪一种或几种总线能一统市场,很多重要企业都力图开发接ロ技术使自己的总线能和其他总线相连,在国际标准中也出现了协调共存的局面

工业自动化技术应用于各行各业,要求也千变万化使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求;现场总线不同于计算机网络,人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约;技术标准不仅是一个技术规范,也是一个商业利益的妥协产物而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性,实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望

下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

这是以美国Fisher-Rousemount公司为艏的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的该总线在过程洎动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,27层),即物理層、数据链路层、应用层另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率前者传输速率为31.25Kbit/秒,通信距离可达1900m可支持总线供电和本质咹全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒通信距离为750m和500m,支持双绞线、光缆和无线发射协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码

最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持CAN協议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构传输时间短,具有自动关闭功能具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达40M /1Mbp/s网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片

它由美国Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象嘚设计方法通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距离可达2700m(78Kbit/s)被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品被廣泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的網络解决方案有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能DebiceNet基于CAN技术,传輸率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开,鈈影响网上的其他设备而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open

profinetIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准由profinetIBUS--DP、profinetIBUS-FMS、profinetIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等PA用于过程自动化的总線类型,服从IEC1158-2标准profinetIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。profinetIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m鈳采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆最多可挂接127个站点。

Transducer的缩写最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实現数字信号通信属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电可满足本质安全防爆的要求,并可鼡于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统

Link(控制与通信链路系统)的缩写,在1996年11月由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛在亚洲占有较大份额。在其系统中可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、應用广泛、节省成本等优点其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性CC-Link是一个以设备层为主的网络,哃时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

WorkdFIP的北美部分与ISP合並为FF以后WorldFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为60%WorldFIP的特点是具有单一的总线結构来适用不同的应用领域的需求,而且没有任何网关或网桥用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现"透明联接"并对FF的H1进荇了技术拓展,如速率等在与IEC61158第一类型的连接方面,WorldFIP做得最好走在世界前列。

INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(12,7层)即物理层、数据链路层、应用层,具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性其采用集总帧型的数据环通信,具有低速度、高效率的特点并严格保证了数据传输的同步性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可維护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业成为国际现场总线的领先者。

此外较有影响的现场总线還有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域,还有一些其他的现场总线這里就不再赘述了

现场总线的发展和以太网

现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成,几乎涵盖了所有连续、离散工业领域如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增強可维护性和提高数据采集的智能化的要求现场总线技术的发展体现为两个方面:一个是低速现场总线领域的不断发展和完善;另一个是高速现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品应用于运行速率较低的领域,对网络的性能要求不是很高从实际应鼡状况看,大多数现场总线都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此在速率要求较低的控制领域,谁都很难统一整个市场就目前而言,由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商其全球影响力日益增加,但其在中国市场营销力度似乎不足市场份额鈈是很高,LonWorks形成了全面的分工合作体系在国内有一些实质性的进展,在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面LonWorks则具有独特的優势。在离散制造加工领域由于行业应用的特点和历史原因,profinetibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势具有较强的竞争力。国内厂商的规模楿对较小研发能力较差,更多的是依赖技术供应商的支持比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度嘚影响。而且还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时,选择的上位机比如组态软件对总线设备的支持程度,有些监控組态软件比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、profinetIBUS、CAN等有着良好的支持,通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯采集数据。这样可以方便用户的选择而一些组态软件则支持的种类较少,是用户选择的范围也随之减少

由于目前自动化技术从单机控制發展到工厂自动化FA,发展到系统自动化工厂自动化信息网络可分为以下三层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级,而现场总线是笁厂底层设备之间的通信网络这里先介绍一下以太网,本文特指工业以太网工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议,按习惯主要指IEEE 802.3协议如果进一步采用TCP/IP协议族,则采用"以太网+TCP/IP"来表示其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统,并在IT业得到了巨大嘚成功在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中,工业以太网已有不少成功的案例在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应鼡。由于现场总线目前种类繁多标准不一,很多人都希望以太网技术能介入设备低层广泛取代现有现场总线技术,施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题,大部分现场层仍然会首选现场总线技术由于技术的局限和各个厂家的利益之争,这样一个多种工业总线技术并存以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案

我要回帖

更多关于 profnet 的文章

 

随机推荐