自动化领域最值得关注的工业通讯网络

文章来源:互联网 点击数:588 发布时间:2017-09-08
工业通信网络是物联网技术领域最活跃的方向之一,也是支撑智能制造发展的基础技术。随着新一轮工业革命的到来,现已成为自动化领域热点,尤其自动化工厂的建设,更是离不开高效、快速的通讯网络。
自动化领域最值得关注的工业通讯网络

工业通信网络是物联网技术领域最活跃的方向之一,也是支撑智能制造发展的基础技术。随着新一轮工业革命的到来,现已成为自动化领域热点,尤其自动化工厂的建设,更是离不开高效、快速的通讯网络。现在工业常用的工业通讯网络有哪几种,都有什么特点?这篇文章来揭晓。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议,在CI和ODVA公布EtherNet/IP规范一年之后,罗克韦尔自动化发布了第一代基于EtherNet/IP的产品,主要集中在Allen-Bradley ControlLogix、ProcessLogix、PLC-5、SLC-500系列控制器上。现在,越来越多的厂商已经或者正在计划推出他们自己的EtherNet/IP产品。

EtherNet/IP协议采用TCP/IP协议发送“显性”报文,每个信息包中不仅包含有具体应用程序数据,还包含有对这些数据的解释,以及如何对这些数据进行处理的信息。由于EtherNet/IP协议充分利用了TCP/IP和UDP/IP协议的优点,将其融合在同一网络中,使得EtherNet/IP不仅能用于普通的信息处理,还能用于传输对时间有苛刻要求的控制信息。

PROFINET

PROFINET由西门子公司和 Profibus 用户协会开发,具有多制造商产品之间的通讯能力,自动化和工程模式,并针对分布式智能自动化系统进行了优化。其应用结果能够大大节省配置和调试费用。 PROFINET 系统集成了基于 Profibus 的系统,提供了对现有系统投资的保护。它也可以集成其它现场总线系统。

PROFINET 是一种支持分布式自动化的高级通讯系统。除了通讯功能外,PROFINET 还包括了分布式自动化概念的规范,这是基于制造商无关的对象和连接编辑器和 XML 设备描述语言,是唯一使用已有的 IT 标准,没有定义其专用工业应用协议的总线。它的对象模式的是基于微软公司组件对象模式 (COM) 技术。对于网络上所有分布式对象之间的交互操作,均使用微软公司的 DCOM 协议和标准 TCP 和 UDP 协议,是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

EtherCAT

EtherCAT是一种基于以太网的开发构架的实时工业现场总线通讯协议,2003年被引入市场,2007年成为国际标准,并于2014年成为中国国家标准。相对于设置了相同循环时间的其他总线系统,EtherCAT系统结构通常能减少25%-30%的CPU负载。EtherCAT在网络拓扑结构方面没有任何限制,最多65535个节点可以组成线型、总线型、树型、星型或者任意组合的拓扑结构。

利用分布时钟的精确校准EtherCAT提供了有效的同步解决方案,在EtherCAT中,数据交换完全基于纯粹的硬件设备。由于通讯利用了逻辑环网结构和全双工快速以太网而又有实际环网结构,“主站时钟”可以简单而精确地确定对每个“从站时钟”的运行补偿,反之亦然。分布时钟基于该值进行调整,这意味着它可以在网络范围内提供信号抖动小、精确的时钟。

OPC UA

OPC UA是工业自动化领域比较常用的的通信协议,是应用程序和现场控制系统连接的标准。目前,OPC基金会正在大力推动新一代技术OPC UA的开发与应用,它有解决诸多工业4.0和物联网产业相关的通信问题的潜质。

OPC UA具有诸多优势

1)具有访问统一性,有效地将现有的OPC规范 (DA、A&E、HDA、命令、复杂数据和对象类型) 集成进来,成为现在的新的OPC UA规范。

2)OPC UA 规范可以通过任何单一端口进行通信。这让穿越防火墙不再是OPC通信的路障,并且为提高传输性能, OPC UA消息的编码格式可以是XML文本格式或二进制格式,也可使用多种传输协议进行传输,比如:TCP和通过HTTP的网络服务。

3)OPC UA的标准冗余模型也使得来自不同厂商的软件应用可以同时被采纳并彼此兼容。

4)OPC UA 访问规范明确提出了标准安全模型, 每个OPC UA应用都必须执行OPC UA安全协议, 这在提高互通性的同时降低了维护和额外配置费用。

5)OPC UA软件的开发不再依靠和局限于任何特定的操作平台。

Devicenet

Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN(Controller Area Network)技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络,最初由美国Rockwell公司开发应用。

Devicenet的许多特性沿袭于CAN,CAN总线是一种设计良好的通信总线,它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是:短帧传输,每帧的最大数据为8个字节;无破坏性的逐位仲裁技术;网络最多可连接64个节点;数据传输波特率为125kb/s、250kb/s、 500kb/s;点对点、多主或主/从通信方式;采用CAN的物理和数据链路层规约。

HART

HART是由艾默生提出的一个过度性总线标准,主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号,但该协议并未真正开放,要加入他的基金会才能拿到协议,而加入基金会要一定的费用。HART技术主要被国外几家大公司垄断,近些年国内也有公司在做,但还没有达到国外公司的水平。

现在有很多智能仪表带有[HART圆卡],支持HART通讯功能。但从国内情况来看,还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控,最多只是利用手操器对其进行参数设定。从长远来看,由于HART通信速率低、组网困难等原因,HART仪表的应用将呈下滑趋势。

CC-Link

CC-Link即控制与通信链路系统,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。由三菱为主导的多家公司共同推出,是一种开放式现场总线,其数据容量大,通信速度多级可选择,能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。

一般情况下 ,CC-Link 整个一层网络可由 1 个主站和 64 个从站组成。网络中的主站由 PLC担当, 从站可以是远程I/O模块 、特殊功能模块 、带有 CPU 和 PLC 本地站、人机界面、变频器及各种测量仪表 、阀门等现场仪表设备 。且可实现从 CC-Link 到 AS-I 总线的联接。CC-Link 具有高速的数据传输速度, 最高可达 10 M b/ s 。 CC-Link 的底层通信协议遵循 RS 485 , 一般情况下, CC-Link 主要采用广播-轮询的方式进行通信 ,CC-Link 也支持主站与本地站 、智能设备站之间的瞬间通信 。

POWERLINK

POWERLINK“最初是由其原创者贝加莱(B&R)作为私有技术开发并在2001年推向市场。

之后,自动化的专家们决定开放此项技术,这个协议在2002年得到公开发布,并成立了POWERLINK的标准化组织EPSG,在这个组织内部,成员共享Know-how并且合作进行技术的推广,EPSG最重要的决定是完成对CANopen的集成,它同样是一个开放的标准,使得它具备了实时协议。

这个版本的POWERLINK,也因此称为“以太网上的CANopen”,之后被定义为POWERLINKV2.0版,就是我们今天所指的POWERLINK。

CANopen

德国Bosch公司于1983年研发CAN协议,用于汽车传动系统的网络通讯。之后称为国际标准ISO11898,目前CANopen由非营利组织CiA(CAN in Automaion)进行标准的起草及审核工作,基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation (CiA) draft standard 301. 中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充,如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402。

CANopen在欧洲已成为最普通的协议,任何一家自动化公司都有CANopen的通讯接口,也成了低配。低配并不代表不好,只是说明其性价比更高。CANopen定义了完整的同步控制机制,使其成为主流的运动控制协议,除了在CAN总线上运行外,还被搬到了以太网上(CANopen over Ethernet),形成了著名的PowerLink,EtherCat工业以太网协议。

TSN

现有IT 网络由IEEE 802 标准进行定义,该标准规定了不同以太网层和功能的要求,并确保了设备之间的互操作性。今天,许多工业供应商、IT 厂商和芯片提供商加入IEEE 802 和最近刚成立的AVnu联盟,共同更新标准以太网协议,并为IIoT 应用的时间敏感型数据制定了低延迟数据传输标准。

这个新标准称为时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,简称TSN),旨在解决现有网络的一些缺点。AVnu 联盟与Broadcom、Cisco、Intel和NI 等成员公司合作,将通过认证推动可互操作生态系统的建立,这与Wi-Fi 联盟认证产品和设备是否兼容IEEE 802.11 标准相似。

TSN的主要优势包括:带宽目前工业控制常用的专用以太网协议仅限于100Mb 的带宽和半双工通信。TSN 将会纳入各种标准以太网速率(包括目前正在使用的1 Gb、10Gb 和400 Gb )并支持全工通信。

安全性——TSN对重要的控制网络进行了保护并集成了最重要的IT 安全规定。分段、性能保护和时间可组合性为安全框架增加了多层保护。

互操作性——通过使用标准的以太网组件,TSN可无缝集成现有棕色地带应用和标准的IT 网络来提高易用性。TSN 提供的另一个优势是:利用标准以太网芯片集就可以利用批量生产的商业硅芯片,从而降低了组件的成本,相比使用产量较小且基于ASIC 的芯片的专用以太网协议来说,这个优势尤为明显。

延迟和同步——TSN 重点考虑了快速系统响应和闭环控制应用所需的低延迟通信。它可实现大约数十微秒的的确定性传输时间以及数十纳秒的节点间时间同步。