1、第8章 现场总线的选择第第8 8章章 现场总线的选择现场总线的选择8.1 现场总线的多样性现场总线的多样性8.2 如何选择现场总线如何选择现场总线小结小结思考与习题思考与习题第8章 现场总线的选择知识目标知识目标(1)了解现场总线的多样性。(2)掌握现场总线选择的标准。能力目标能力目标(1)掌握如何筛选出合适的现场总线。(2)掌握错误的现场总线所带来的后果。第8章 现场总线的选择8.1 现场总线的多样性现场总线的多样性我们了解到目前市场上存在的现场总线是多种多样的，除了前面重点介绍应用较多的Modbus RTU、CANopen、Profibus DP、Modbus TCP/IP、Etherne
2、t和Profinet以外，还有基金会现场总线FF、Control Net、World FIP、Interbus、ASI控制网络、Device Net、CC-Link、Ether CAT、InterBus等。加上现在很多工业设备在楼宇行业的应用，之前楼宇行业广泛应用的很多总线标准也开始出现在工业设备上，如Metasys、Apogee、BAC net、Lonworks等。图8-1中列出了部分现场总线。第8章 现场总线的选择图8-1 多种多样的现场总线第8章 现场总线的选择这些现场总线中每一种都经历了长远的发展和进步，使得其在某一类设备或者某一个行业获得了广泛的应用，如CANopen在汽车行业的应用
3、、ASI控制网络在终端开关类设备的应用、BAC net在智能建筑上的应用等。各个行业目前对应于现场总线都有经典的应用案例，新的、统一的现场总线迟迟没有出现，无论是从新的应用还是旧的现场总线的维护来说，目前存在的现场总线都是有其积极的意义和价值的。第8章 现场总线的选择现场总线的多样性可以说让人眼花缭乱，那么当我们进行新的现场总线设计或旧的现场总线改造时，如何选择合适的现场总线是一个很重要的问题。合适的现场总线会大大提高生产的效率、减少维护的工作量和成本，不合适的现场总线则会因为中断、卡顿、死机等使生产举步维艰。之前有很多工业现场在设计的阶段就开始抵制现场总线，认为现场总线不安全、不稳定，其实就
4、是因为很多现场总线选择不合理、设计不规范造成的。第8章 现场总线的选择8.2 如何选择现场总线如何选择现场总线一个合理的现场总线，应该考虑到兼容性、一致性、通信速率、通信距离、设备数量、电磁兼容性、网络拓扑等问题，在所有的现场条件、应用需求、客户要求中筛选出重要的、必要的条件并做出权衡。第8章 现场总线的选择1.兼容性兼容性2.一致性一致性3.通信速率通信速率4.通信距离通信距离5.设备数量设备数量6.电磁兼容性电磁兼容性7.网络拓扑网络拓扑第8章 现场总线的选择1.兼容性兼容性现场总线的兼容性最基本的要求就是和所连接设备支持的现场总线的兼容。现场总线的兼容性在设备选型的阶段非常重要，小型设备
5、的通信模块通常都是内置的，需要在选型的阶段就确定好使用的现场总线，并决定使用哪种型号的设备；大型设备的通信模块通常是可以扩展的，设备本身可以先做选型，再根据现场总线来选择通信模块或通信卡进行扩展。如果终端节点的设备确实无法做到通信协议兼容，一定要使用网关类的设备来进行通信协议的转换，来达成现场总线的兼容。第8章 现场总线的选择现场总线的兼容性还需要考虑行业应用的兼容，如果某一个现场总线在某一个行业应用中已经有了经典的、通用的案例，那么这种现场总线在选择时优先级应该是最高的，因为这种类型的现场总线会给后续的设计带来很大的便利。一个成熟的、可靠的现场总线在对应行业的应用会更安全、更稳定，现有的案例
6、和控制模块也会大大减少设计人员编程和维护人员设备维护的工作量，成功应用的案例也会加强客户对现场总线的认可度。第8章 现场总线的选择现场总线的兼容性更需要考虑到用户的习惯，即现场总线和设计人员、维护人员的兼容性。如果设计人员、维护人员已有自己熟悉的、习惯的、有丰富经验的现场总线，我们应该优先选择这种现场总线。符合用户习惯的现场总线会减少设计、培训、维护的工作量，进而提高生产效率，减少设备故障率，也更容易受到用户的认可。反之，如果我们选择了一个生僻的、复杂的、没有广泛应用的现场总线，即使它性能再卓越、安全性再高，也会带来很大的培训工作量和成本，降低生产效率，增加故障隐患。第8章 现场总线的选择2.
7、一致性一致性现场总线的种类确实是多样的，但我们应该尽量保持现场总线的一致性。对于单个工业现场来说，现场总线的一致性是指使用尽量少的现场总线类型。前面的章节中介绍了网关这种可以实现通信协议转换的设备，但在做现场总线设计时我们不推荐大量使用网关。网关数量的增多会造成网络拓扑结构混乱，增加故障点，一旦出现故障，维护人员也会被各种各样的现场总线的组合弄得找不到方向。第8章 现场总线的选择现场总线的类型越少，网络拓扑结构就越清晰，现场总线对终端节点的管理就越简单一致，数据传输的过程中丢失数据的可能性也就越小；一旦发生故障，维护人员的工作量也小，生产也可以快速恢复，需要设备增加或改造时也更容易实现。反之，
8、如果现场总线的类型众多，网络拓扑结构会非常混乱，现场总线没有统一的管理信息，一旦发生故障，维护人员必须顺着现场总线的结构一级一级地查找故障，各种网关类设备会增加故障点。如果发生严重的、大型的通信故障，可能还需要对所有应用的现场总线都熟悉的专业团队耗费大量的时间进行故障排查，给生产带来巨大的损失。第8章 现场总线的选择如果一定要使用一种以上的现场总线，一定要注意网络的分层和分级。例如，同一个工段使用一种现场总线，与车间内其他工段、生产管理办公室进行数据交换时再使用另一种现场总线；或者传感器使用一种现场总线，变频器、软启、电机管理控制器等电机控制设备使用一种现场总线，PLC、触摸屏、工控机使用一种
9、现场总线。即在工厂或车间规模无法只使用一种现场总线的情况下，在控制的层级或设备类型上使用同一种现场总线。网络的分层和分级可以尽量地减少现场总线的使用类型，最大限度地简化控制网络结构。第8章 现场总线的选择3.通信速率通信速率通过前面的章节，我们了解到任何一种现场总线的通信速率都是有限的，它们都会有一个支持的速率的上限。在选择现场总线时，我们必须要预算出现场总线单位时间内需要处理的数据总量，现场总线的速率必须要大于或等于这个总量，很多时候甚至要预留出很大空间的速率。第8章 现场总线的选择在进行现场总线的选择时，现场总线的速率必须大于实际需求的速率。但是现场总线的速率并不是越大越好，虽然速率越快代
10、表数据交换越快、单次数据交换需要的时间越短，但过快的速率也代表通信信号受到干扰导致丢包的可能性越大、通信距离越短，同时速率越快代表单位时间内发送器和接收器需要处理的信息越多，对上位机的运算速度、时序分配的合理性、程序编写和优化的要求也会更高。第8章 现场总线的选择4.通信距离通信距离现场总线的距离通常和通信的速率成反比，即通信速率越快通信距离越短。如Profibus DP在速率为9.6 kb/s时通信距离可以达到1200m，但在速率为12 Mb/s时通信距离只有100 m。使用中继器可以延长现场总线的允许距离，但也不是无限的。同一种现场总线也有可能因为传输介质的变化导致通信最大距离的变化。第8
11、章 现场总线的选择现场总线的距离是一个很重要参数，如果实际的通信距离超过了现场总线的允许距离，过长线路的阻抗引起的压降、分布电容引起的信号变化等问题会导致现场总线传输的物理信号产生衰减甚至畸变，接收器会无法识别或者错误执行命令。在进行现场总线的选择时，现场总线的允许距离必须大于实际需求的距离，而且需要留有足够的余量。除了上面提到的过长线路的阻抗和分布电容外，还需要考虑长距离通信电缆更容易受到干扰，设备对干扰信息的处理及设备改造引起的通信距离变化等因素。第8章 现场总线的选择 5.设备数量设备数量各种现场总线对设备的总数是有限制的，部分现场总线对于分支的设备数量也是有限制的。如CANopen最大
12、设备总量可达127个，即1个主站，126个从站，但每个分支的最大设备量只有64个。第8章 现场总线的选择各种现场总线对设备数量的控制是为了提高通信过程的实时性和稳定性，过多数量的设备意味着大量的数据交换，如果现场总线不对设备数量的上限进行控制，那么通信过程很容易造成拥堵，甚至因为通信风暴而崩溃。现场总线会根据设备的地址进行寻址和访问，设备的地址设置范围通常对应现场总线允许的设备数量，超过设置范围的设备地址不会被允许设置。如果使用了超过现场总线允许数量的设备，并把部分设备设为范围内地址但地址重复的话，就会引起现场总线的访问冲突。第8章 现场总线的选择在进行现场总线的选择时，设备数量无论是总数还是
13、分支上的数量都必须小于现场总线的允许值。过多的设备在现场总线上是无法分配地址的，即无法归属于这个现场总线。我们还需要为生产的扩大带来的设备数量增加而预留部分地址，即在现场总线中为这些可能增加的设备预留数量。第8章 现场总线的选择 6.电磁兼容性电磁兼容性现场总线的电磁兼容性性能主要体现在传输介质和通信校验、通信校正等参数上。如第2章提到的双绞线、同轴电缆、光缆这三种传输介质中，带有屏蔽层的双绞线已经可以满足大部分工业现场的使用需求，同轴电缆由于内、外导体同轴的结构使得抗干扰能力更强，光缆则由于传递的是光信号而不是电信号几乎可以无视电磁干扰。通信校验中LRC纵向冗余校验由于采用的是复合的奇偶校验
14、方式，决定了它比奇偶校验方式更可靠。通信校正的方法中，连续式自动重传由于只有出现错误的时候才会重发信息，比停止等待式的自动重传具有更高的效率。第8章 现场总线的选择在进行现场总线的选择时，必须要考虑电磁兼容性来进行合适的选择。例如，在现场电磁兼容环境良好的情况下坚持使用光缆，从电磁兼容性的角度来看是不合理的，因为成本更低、结构更简单的双绞线已经可以满足需求，虽然光缆抗电磁干扰能力确实是最强的，但却没有太大的用武之地。第8章 现场总线的选择 7.网络拓扑网络拓扑现场总线支持的网络拓扑结构也是选择现场总线必须要考虑的因素，很多现场总线因为设备的接口及总线处理数据的方式不同都会对网络拓扑结构有所限制
15、。星形拓扑结构比较适用于终端节点众多且处理能力一般的场合，它对终端节点的信息处理能力要求不高，而且由于每个终端节点都是通过点对点的方式连接至中心节点的，一个终端节点的意外中断不会影响到其他终端节点的通信。第8章 现场总线的选择环形拓扑的优势在于现在很多设备都支持RSTP功能，能够实现双向传输；而双向传输的好处在于通信会自动选择通信速率较快的方向，而且当一个方向的链路出现故障时通信可以从另外一条链路正常进行。总线形拓扑结构简单，易排查故障，容易安装，更节约电缆，但是它在距离过长时会因为线路的阻抗、信号在总线上的反射造成信号的衰减或错误。树形拓扑结构的优势在于它对设备的数量、速率、数据类型等没有太
16、多要求，有很强的扩展性。第8章 现场总线的选择从上述可以看到，各种网络拓扑都有自身的优势和劣势，我们必须考量现场总线支持的网络拓扑结构是否适合现场的需求。一个合适的现场总线不仅要在网络拓扑上和现场设备能够对应，还要使网络拓扑结构尽量简单、易读。清晰的网络拓扑便于技术人员理解通信产生的过程，也有利于故障排查。第8章 现场总线的选择小小 结结本章阐述了现场总线多样性的现状及选择现场总线需要注意的问题。相对来说，如果是改造类的现场总线，其选择会比较容易，因为受到现有设备的限制，能够被选择的现场总线往往比较有限。如果是新建的现场总线，则要根据现场的特点，依靠现场总线的兼容性、一致性、通信速率、通信距离、设备数量、电磁兼容性、网络拓扑等来做出合适的选择。现场总线的选择是值得我们花时间和精力去认真研究的，因为好的现场总线确实可以提高生产效率，降低生产成本，减小维护工作量。第8章 现场总线的选择思思考考与与习习题题1.现场总线的选择需要考虑哪些因素？2.现场如果存在一种以上的现场总线，应该如何对网络进行分层和分级？3.现场总线如果有多种速率可选，使用最快的速率是否一定是最好的？4.“由于可以使用中继器，现场总线的距离是不需要考虑的问题”，这种说法是否正确？为什么？5.如何才能尽量减小工业现场的电磁干扰？
