現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用課件：現(xiàn)場總線的選擇

現(xiàn)場總線的選擇8.1現(xiàn)場總線的多樣性8.2如何選擇現(xiàn)場總線小結(jié)思考與習(xí)題

知識目標

(1)了解現(xiàn)場總線的多樣性。

(2)掌握現(xiàn)場總線選擇的標準。

能力目標

(1)掌握如何篩選出合適的現(xiàn)場總線。

(2)掌握錯誤的現(xiàn)場總線所帶來的后果。

8.1現(xiàn)場總線的多樣性

我們了解到目前市場上存在的現(xiàn)場總線是多種多樣的，除了前面重點介紹應(yīng)用較多的ModbusRTU、CANopen、ProfibusDP、ModbusTCP/IP、Ethernet和Profinet以外，還有基金會現(xiàn)場總線FF、ControlNet、WorldFIP、Interbus、ASI控制網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet、CC-Link、EtherCAT、InterBus等。加上現(xiàn)在很多工業(yè)設(shè)備在樓宇行業(yè)的應(yīng)用，之前樓宇行業(yè)廣泛應(yīng)用的很多總線標準也開始出現(xiàn)在工業(yè)設(shè)備上，如Metasys、Apogee、BACnet、Lonworks等。圖8-1中列出了部分現(xiàn)場總線。

圖8-1多種多樣的現(xiàn)場總線

這些現(xiàn)場總線中每一種都經(jīng)歷了長遠的發(fā)展和進步，使得其在某一類設(shè)備或者某一個行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，如CANopen在汽車行業(yè)的應(yīng)用、ASI控制網(wǎng)絡(luò)在終端開關(guān)類設(shè)備的應(yīng)用、BACnet在智能建筑上的應(yīng)用等。

各個行業(yè)目前對應(yīng)于現(xiàn)場總線都有經(jīng)典的應(yīng)用案例，新的、統(tǒng)一的現(xiàn)場總線遲遲沒有出現(xiàn)，無論是從新的應(yīng)用還是舊的現(xiàn)場總線的維護來說，目前存在的現(xiàn)場總線都是有其積極的意義和價值的。

現(xiàn)場總線的多樣性可以說讓人眼花繚亂，那么當我們進行新的現(xiàn)場總線設(shè)計或舊的現(xiàn)場總線改造時，如何選擇合適的現(xiàn)場總線是一個很重要的問題。合適的現(xiàn)場總線會大大提高生產(chǎn)的效率、減少維護的工作量和成本，不合適的現(xiàn)場總線則會因為中斷、卡頓、死機等使生產(chǎn)舉步維艱。之前有很多工業(yè)現(xiàn)場在設(shè)計的階段就開始抵制現(xiàn)場總線，認為現(xiàn)場總線不安全、不穩(wěn)定，其實就是因為很多現(xiàn)場總線選擇不合理、設(shè)計不規(guī)范造成的。

8.2如何選擇現(xiàn)場總線

一個合理的現(xiàn)場總線，應(yīng)該考慮到兼容性、一致性、通信速率、通信距離、設(shè)備數(shù)量、電磁兼容性、網(wǎng)絡(luò)拓撲等問題，在所有的現(xiàn)場條件、應(yīng)用需求、客戶要求中篩選出重要的、必要的條件并做出權(quán)衡。

1.兼容性

2.一致性

3.通信速率

4.通信距離

5.設(shè)備數(shù)量

6.電磁兼容性

7.網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.兼容性

現(xiàn)場總線的兼容性最基本的要求就是和所連接設(shè)備支持的現(xiàn)場總線的兼容?，F(xiàn)場總線的兼容性在設(shè)備選型的階段非常重要，小型設(shè)備的通信模塊通常都是內(nèi)置的，需要在選型的階段就確定好使用的現(xiàn)場總線，并決定使用哪種型號的設(shè)備；大型設(shè)備的通信模塊通常是可以擴展的，設(shè)備本身可以先做選型，再根據(jù)現(xiàn)場總線來選擇通信模塊或通信卡進行擴展。如果終端節(jié)點的設(shè)備確實無法做到通信協(xié)議兼容，一定要使用網(wǎng)關(guān)類的設(shè)備來進行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，來達成現(xiàn)場總線的兼容。

現(xiàn)場總線的兼容性還需要考慮行業(yè)應(yīng)用的兼容，如果某一個現(xiàn)場總線在某一個行業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)有了經(jīng)典的、通用的案例，那么這種現(xiàn)場總線在選擇時優(yōu)先級應(yīng)該是最高的，因為這種類型的現(xiàn)場總線會給后續(xù)的設(shè)計帶來很大的便利。一個成熟的、可靠的現(xiàn)場總線在對應(yīng)行業(yè)的應(yīng)用會更安全、更穩(wěn)定，現(xiàn)有的案例和控制模塊也會大大減少設(shè)計人員編程和維護人員設(shè)備維護的工作量，成功應(yīng)用的案例也會加強客戶對現(xiàn)場總線的認可度。

現(xiàn)場總線的兼容性更需要考慮到用戶的習(xí)慣，即現(xiàn)場總線和設(shè)計人員、維護人員的兼容性。如果設(shè)計人員、維護人員已有自己熟悉的、習(xí)慣的、有豐富經(jīng)驗的現(xiàn)場總線，我們應(yīng)該優(yōu)先選擇這種現(xiàn)場總線。符合用戶習(xí)慣的現(xiàn)場總線會減少設(shè)計、培訓(xùn)、維護的工作量，進而提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備故障率，也更容易受到用戶的認可。反之，如果我們選擇了一個生僻的、復(fù)雜的、沒有廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線，即使它性能再卓越、安全性再高，也會帶來很大的培訓(xùn)工作量和成本，降低生產(chǎn)效率，增加故障隱患。

2.一致性

現(xiàn)場總線的種類確實是多樣的，但我們應(yīng)該盡量保持現(xiàn)場總線的一致性。對于單個工業(yè)現(xiàn)場來說，現(xiàn)場總線的一致性是指使用盡量少的現(xiàn)場總線類型。

前面的章節(jié)中介紹了網(wǎng)關(guān)這種可以實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備，但在做現(xiàn)場總線設(shè)計時我們不推薦大量使用網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)數(shù)量的增多會造成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)混亂，增加故障點，一旦出現(xiàn)故障，維護人員也會被各種各樣的現(xiàn)場總線的組合弄得找不到方向。

現(xiàn)場總線的類型越少，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)就越清晰，現(xiàn)場總線對終端節(jié)點的管理就越簡單一致，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中丟失數(shù)據(jù)的可能性也就越小；一旦發(fā)生故障，維護人員的工作量也小，生產(chǎn)也可以快速恢復(fù)，需要設(shè)備增加或改造時也更容易實現(xiàn)。反之，如果現(xiàn)場總線的類型眾多，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會非?；靵y，現(xiàn)場總線沒有統(tǒng)一的管理信息，一旦發(fā)生故障，維護人員必須順著現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)一級一級地查找故障，各種網(wǎng)關(guān)類設(shè)備會增加故障點。如果發(fā)生嚴重的、大型的通信故障，可能還需要對所有應(yīng)用的現(xiàn)場總線都熟悉的專業(yè)團隊耗費大量的時間進行故障排查，給生產(chǎn)帶來巨大的損失。

如果一定要使用一種以上的現(xiàn)場總線，一定要注意網(wǎng)絡(luò)的分層和分級。例如，同一個工段使用一種現(xiàn)場總線，與車間內(nèi)其他工段、生產(chǎn)管理辦公室進行數(shù)據(jù)交換時再使用另一種現(xiàn)場總線；或者傳感器使用一種現(xiàn)場總線，變頻器、軟啟、電機管理控制器等電機控制設(shè)備使用一種現(xiàn)場總線，PLC、觸摸屏、工控機使用一種現(xiàn)場總線。即在工廠或車間規(guī)模無法只使用一種現(xiàn)場總線的情況下，在控制的層級或設(shè)備類型上使用同一種現(xiàn)場總線。網(wǎng)絡(luò)的分層和分級可以盡量地減少現(xiàn)場總線的使用類型，最大限度地簡化控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.通信速率

通過前面的章節(jié)，我們了解到任何一種現(xiàn)場總線的通信速率都是有限的，它們都會有一個支持的速率的上限。在選擇現(xiàn)場總線時，我們必須要預(yù)算出現(xiàn)場總線單位時間內(nèi)需要處理的數(shù)據(jù)總量，現(xiàn)場總線的速率必須要大于或等于這個總量，很多時候甚至要預(yù)留出很大空間的速率。

在進行現(xiàn)場總線的選擇時，現(xiàn)場總線的速率必須大于實際需求的速率。但是現(xiàn)場總線的速率并不是越大越好，雖然速率越快代表數(shù)據(jù)交換越快、單次數(shù)據(jù)交換需要的時間越短，但過快的速率也代表通信信號受到干擾導(dǎo)致丟包的可能性越大、通信距離越短，同時速率越快代表單位時間內(nèi)發(fā)送器和接收器需要處理的信息越多，對上位機的運算速度、時序分配的合理性、程序編寫和優(yōu)化的要求也會更高。

4.通信距離

現(xiàn)場總線的距離通常和通信的速率成反比，即通信速率越快通信距離越短。如ProfibusDP在速率為9.6kb/s時通信距離可以達到1200?m，但在速率為12Mb/s時通信距離只有100m。使用中繼器可以延長現(xiàn)場總線的允許距離，但也不是無限的。同一種現(xiàn)場總線也有可能因為傳輸介質(zhì)的變化導(dǎo)致通信最大距離的變化。

現(xiàn)場總線的距離是一個很重要參數(shù)，如果實際的通信距離超過了現(xiàn)場總線的允許距離，過長線路的阻抗引起的壓降、分布電容引起的信號變化等問題會導(dǎo)致現(xiàn)場總線傳輸?shù)奈锢硇盘柈a(chǎn)生衰減甚至畸變，接收器會無法識別或者錯誤執(zhí)行命令。

在進行現(xiàn)場總線的選擇時，現(xiàn)場總線的允許距離必須大于實際需求的距離，而且需要留有足夠的余量。除了上面提到的過長線路的阻抗和分布電容外，還需要考慮長距離通信電纜更容易受到干擾，設(shè)備對干擾信息的處理及設(shè)備改造引起的通信距離變化等因素。

5.設(shè)備數(shù)量

各種現(xiàn)場總線對設(shè)備的總數(shù)是有限制的，部分現(xiàn)場總線對于分支的設(shè)備數(shù)量也是有限制的。如CANopen最大設(shè)備總量可達127個，即1個主站，126個從站，但每個分支的最大設(shè)備量只有64個。

各種現(xiàn)場總線對設(shè)備數(shù)量的控制是為了提高通信過程的實時性和穩(wěn)定性，過多數(shù)量的設(shè)備意味著大量的數(shù)據(jù)交換，如果現(xiàn)場總線不對設(shè)備數(shù)量的上限進行控制，那么通信過程很容易造成擁堵，甚至因為通信風(fēng)暴而崩潰。現(xiàn)場總線會根據(jù)設(shè)備的地址進行尋址和訪問，設(shè)備的地址設(shè)置范圍通常對應(yīng)現(xiàn)場總線允許的設(shè)備數(shù)量，超過設(shè)置范圍的設(shè)備地址不會被允許設(shè)置。如果使用了超過現(xiàn)場總線允許數(shù)量的設(shè)備，并把部分設(shè)備設(shè)為范圍內(nèi)地址但地址重復(fù)的話，就會引起現(xiàn)場總線的訪問沖突。

在進行現(xiàn)場總線的選擇時，設(shè)備數(shù)量無論是總數(shù)還是分支上的數(shù)量都必須小于現(xiàn)場總線的允許值。過多的設(shè)備在現(xiàn)場總線上是無法分配地址的，即無法歸屬于這個現(xiàn)場總線。我們還需要為生產(chǎn)的擴大帶來的設(shè)備數(shù)量增加而預(yù)留部分地址，即在現(xiàn)場總線中為這些可能增加的設(shè)備預(yù)留數(shù)量。

6.電磁兼容性

現(xiàn)場總線的電磁兼容性性能主要體現(xiàn)在傳輸介質(zhì)和通信校驗、通信校正等參數(shù)上。如第2章提到的雙絞線、同軸電纜、光纜這三種傳輸介質(zhì)中，帶有屏蔽層的雙絞線已經(jīng)可以滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場的使用需求，同軸電纜由于內(nèi)、外導(dǎo)體同軸的結(jié)構(gòu)使得抗干擾能力更強，光纜則由于傳遞的是光信號而不是電信號幾乎可以無視電磁干擾。通信校驗中LRC縱向冗余校驗由于采用的是復(fù)合的奇偶校驗方式，決定了它比奇偶校驗方式更可靠。通信校正的方法中，連續(xù)式自動重傳由于只有出現(xiàn)錯誤的時候才會重發(fā)信息，比停止等待式的自動重傳具有更高的效率。

在進行現(xiàn)場總線的選擇時，必須要考慮電磁兼容性來進行合適的選擇。例如，在現(xiàn)場電磁兼容環(huán)境良好的情況下堅持使用光纜，從電磁兼容性的角度來看是不合理的，因為成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單的雙絞線已經(jīng)可以滿足需求，雖然光纜抗電磁干擾能力確實是最強的，但卻沒有太大的用武之地。

7.網(wǎng)絡(luò)拓撲

現(xiàn)場總線支持的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也是選擇現(xiàn)場總線必須要考慮的因素，很多現(xiàn)場總線因為設(shè)備的接口及總線處理數(shù)據(jù)的方式不同都會對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有所限制。

星形拓撲結(jié)構(gòu)比較適用于終端節(jié)點眾多且處理能力一般的場合，它對終端節(jié)點的信息處理能力要求不高，而且由于每個終端節(jié)點都是通過點對點的方式連接至中心節(jié)點的，一個終端節(jié)點的意外中斷不會影響到其他終端節(jié)點的通信。

環(huán)形拓撲的優(yōu)勢在于現(xiàn)在很多設(shè)備都支持RSTP功能，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸；而雙向傳輸?shù)暮锰幵谟谕ㄐ艜詣舆x擇通信速率較快的方向，而且當一個方向的鏈路出現(xiàn)故障時通信可以從另外一條鏈路正常進行。

總線形拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易排查故障，容易安裝，更節(jié)約電纜，但是它在距離過長時會因為線路的阻抗、信號在總線上的反射造成信號的衰減或錯誤。

樹形拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于它對設(shè)備的數(shù)量、速率、數(shù)據(jù)類型等沒有太多要求，有很強的擴展性。

從上述可以看到，各種網(wǎng)絡(luò)拓撲都有自身的優(yōu)勢和劣勢，我們必須考量現(xiàn)場總線支持的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是否適合現(xiàn)場的需求。一個合適的現(xiàn)場總線不僅要在網(wǎng)絡(luò)拓撲上和現(xiàn)場設(shè)備能夠?qū)?yīng)，還要使網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)盡量簡單、易讀。清晰的網(wǎng)絡(luò)拓撲便于技術(shù)人員理解通信產(chǎn)生的過程，也有利于故障排查。

小

結(jié)

本章闡述了現(xiàn)場總線多樣性的現(xiàn)狀及選擇現(xiàn)場總線需要注意的問題。相對來說，如果是改造類的現(xiàn)場總線，其選擇會比較容易，因為受到現(xiàn)有設(shè)備的限制，能夠被選擇的現(xiàn)場總線往往比較有限。如果是新建的現(xiàn)場總線，則要根據(jù)現(xiàn)場的特點，依靠現(xiàn)場總線的兼容性、一致性、通信速率、通信距離、設(shè)備數(shù)量、電磁兼容性、網(wǎng)絡(luò)拓撲等來做出合適的選擇?，F(xiàn)場總線的選