現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場(chǎng)總線作為現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，被視為公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的延伸，它的興起為自控技術(shù)本身的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。現(xiàn)場(chǎng)總線可采用多種介質(zhì)（多種有線和無(wú)線方式）傳送數(shù)字信號(hào)。在兩根導(dǎo)線上可掛接多至幾十個(gè)自控設(shè)備，能節(jié)省大量線纜、槽架、連接件。減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的工作量。現(xiàn)場(chǎng)總線形成真正分散在現(xiàn)場(chǎng)的完整控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，豐富了控制設(shè)備的信息內(nèi)容。為控制信息進(jìn)入公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件，溝通了現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系,便于實(shí)現(xiàn)管控一體化 控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送與異地遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

1、現(xiàn)場(chǎng)總線是一種控制系統(tǒng)框架

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是建立在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，具有開(kāi)放性、可互操作性、常規(guī)控制功能徹底分散、有統(tǒng)一的控制策略組態(tài)方法的新一代的分散型控制系統(tǒng)。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用：

PC+獨(dú)立數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)=開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

觸摸屏+獨(dú)立數(shù)字控制器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)=開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

上述兩種結(jié)構(gòu)是伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。它能充分利用PC 機(jī)和觸摸屏的資源，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，將生成的程序指令傳送給運(yùn)動(dòng)控制器，由控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令（運(yùn)動(dòng)曲線）并通過(guò)通信總線下傳給驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電流傳送給電機(jī)，這樣完成命令所需定位。在一個(gè)多軸系統(tǒng)中，一個(gè)控制器可以控制多個(gè)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)是主要的執(zhí)行部件，完成具體動(dòng)作。總線將分散的有通信能力的測(cè)量控制設(shè)備、驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務(wù)的控制網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制總線數(shù)據(jù)傳輸方式

現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展中的新軍

以太網(wǎng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)正向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的實(shí)時(shí)控制方面發(fā)展，因此通信已成為關(guān)鍵，用戶對(duì)統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)縫信息集成，并提供一個(gè)開(kāi)放的基礎(chǔ)構(gòu)架。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問(wèn)題，已由于智能集線器的使用、主動(dòng)切換功能的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細(xì)地選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等，可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。

目前世界上也有一些國(guó)際組織從事推動(dòng)以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域的工作。該標(biāo)準(zhǔn)將使網(wǎng)絡(luò)能看到“對(duì)象”。

現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用前沿

嵌入式網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（NCS）運(yùn)動(dòng)控制（伺服）就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一種模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件系統(tǒng)。

上圖給出了嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的體系結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出將運(yùn)動(dòng)控制器劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊兩個(gè)主要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊直接與Internet連接，并按照預(yù)先確定的通信協(xié)議從控制臺(tái)那里取得控制命令，然后將命令交給運(yùn)動(dòng)控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊則直接和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，它在對(duì)命令進(jìn)行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)傳送給電動(dòng)機(jī)。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會(huì)返回給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由它再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回給控制臺(tái)。

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器主要特點(diǎn)：

1. 運(yùn)動(dòng)軸擴(kuò)展 用子板（Daughter Board）在控制器上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軸擴(kuò)展。可用Fiber Optic Network將多個(gè)控制器聯(lián)網(wǎng)，可以控制更多軸。步進(jìn)軸（脈沖+方向）、伺服軸（模擬量指令+位置反饋）可混合配置。

2. 數(shù)字量輸入、輸出擴(kuò)展

3. 模擬量輸入、輸出擴(kuò)展

4. 位置反饋接口擴(kuò)展（A/B/Z、SSI、SIN/COS）

5. 現(xiàn)場(chǎng)總線接口擴(kuò)展：CAN、SERCOS、EtherNet、ProfiBus、DeviceNet、 ModBUS、HostLink等

“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實(shí)”這個(gè)來(lái)自Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert的預(yù)言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。

以太網(wǎng)是未來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，將會(huì)成為主導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)總線，但現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也絕對(duì)不會(huì)輕易退出已有的市場(chǎng)，各種現(xiàn)場(chǎng)總線之間可以互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)一步完善。各種現(xiàn)場(chǎng)總線均有一定的技術(shù)側(cè)重面和應(yīng)用領(lǐng)域互補(bǔ)性較強(qiáng)，在某一方面更具權(quán)威。多種現(xiàn)場(chǎng)總線總線共存，不利于用戶的投資，不利于生產(chǎn)廠商的投資。眾多的總線標(biāo)準(zhǔn)就等于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的百花齊放與興盛發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（NCS）

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要求用于控制領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線是具有高網(wǎng)絡(luò)性能的數(shù)字式互連網(wǎng)絡(luò)，具有互操作性和開(kāi)放性。數(shù)字式互連是網(wǎng)絡(luò)的基本特征。互操作性要求采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)放性指技術(shù)公開(kāi)且被廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存已成定局。

不同公司為了各自的利益，把持著標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，使現(xiàn)場(chǎng)總線不易廣泛應(yīng)用。目前，以太網(wǎng)技術(shù)是最符合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)的技術(shù)，因此許多公司已經(jīng)將以太網(wǎng)引入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中。

“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”

德國(guó)Jetter AG公司的自動(dòng)化系統(tǒng)、以色列ELMO公司的MAESTRO、英國(guó)TRIO公司的立意新穎，它是基于100Mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)。

1. 利用英國(guó)TRIO控制器擴(kuò)展

2. 利用以色列MAESTRO控制器擴(kuò)展

其特點(diǎn)是：

（1）類似Internet的結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；

（2）對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，只有一組數(shù)據(jù)和一個(gè)程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；

（3）從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網(wǎng)總線進(jìn)行直接通信；

（4）可連接到Internet，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；

（5）以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線，內(nèi)部和外部的通信在此沒(méi)有什么區(qū)別，集線器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過(guò)分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來(lái)。

嵌入以太網(wǎng)的I/O 早在1998年，F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動(dòng)化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國(guó)Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器和PC機(jī)工作站集成為一個(gè)高可靠、低成本的實(shí)時(shí)控制的信息網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)Ethernet網(wǎng)雖可以將Profibus、Devicnet、modbus、controlnet、canopen協(xié)議轉(zhuǎn)換到 TCP/IP上 ，把多種不同的協(xié)議應(yīng)用于同一網(wǎng)絡(luò)，并讓它們與同一主機(jī)在同一時(shí)間對(duì)話，但是它并未真正解決通用標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。

TCP/IP

The Technology - TCP/IP Stack & Ethernet

Ethernet Daughter Functional Block Diagram

基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)構(gòu)件1

審核編輯：郭婷