工业数据通信指的是工业生产过程中,除了计算机以及外围设备,还存在大量的监测生产过程运行参数的设备和工艺生产参数值的检测设备以及控制生产运转的控制设备,各个设备与计算机以及各个设备之间采用相同的通信规约进行信息交换的过程。控制网络指的是分散在工业现场并具有数字通信能力的设备作为网络节点而形成的网络。控制网络系统按照发展历程可分为:1.初级控制系统2.模拟仪表控制系统3.集中式数字控制系统(CCS)4.集散控制系统(DCS)5.现场总线控制系统(FCS)。

现场总线控制系统概念自从1984年正式提出: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、串行、多结点的数字通信技术。现场总线技术得到了广泛的发展,但是由于各方面的利益原因,总共出现了四十多种现场总线技术,总共可以分为三类:RS-485网络,HART网络,Fieldbus现场总线网络,市场上流行的现场总线有:基金会现场总线,CAN, Lonworks,DeviceNet,PROFIBUS,HART,CC-Link,WorldFIP,INTERBUS。近几年由于以太网技术的流行以及对于管控一体化的需求,工业以太网技术正在逐步的渗入工业数据通信领域。我们针对RS-485总线,CAN总线和工业以太网的现状及将来做一些阐述。

RS-485总线是基于解决RS-232串口通信距离短,只能支持点对点通信等缺点而产生的,RS-485严格意义来说不是现场总线,是现场总线的鼻祖,EIA RS-485接口规范只规定了物理层的接口电气特性:两线,半双工,多点通信的标准,没有规定任何通信协议。由于RS-485总线网络实现简单,接口简单便宜,支持仪表众多,在低端市场得到了广泛的应用。基于RS-485网络运行的通信协议可以是自己定义的,最主要是要支持一主多从通信结构,支持点对多点通信。基于RS-485网络的通信协议最著名的是Modbus协议,由由Modicon公司开发,是工业控制网络中对自动化控制设备进行访问控制的主从式通信协议。广泛应用于工业控制领域。

RS-485总线优缺点:RS-485总线最大可以支持10Mbps传输速率(传输距离12米),最大通信距离1200米(110Kbps通信速率),接口芯片便宜,支持厂家众多,实现简单方便,布线简单,支持点对多点通信模式。但是由于其采用主机轮询,下位机应答的通信方式来解决数据冲突的问题,相对来说,实时性不强(相对于CAN总线而言),总线利用效率较低,特别是当整个网络通信节点众多的情况下,实时性问题更加难以得到保障。某个节点出现错误,有可能导致整个网络通信瘫痪。采用差分平衡电路传输,具备较强的抗干扰能力,但是在外界具有强烈干扰的情况下,也是会出现较大的通信失败的几率。RS-485总线一般用于通信数据量不大,实时性要求不是十分严苛,各个节点权限平等的系统中使用,比如楼宇对讲系统,一卡通系统还有视频监控系统等应用领域。

CAN总线又称控制局域网,由德国BOSCH公司为汽车控制测量系统而开发的总线技术,后来由于CAN总线技术在实时性,可靠性和灵活性上具有相当的技术优势而得到了更加广泛的应用。CAN总线节点不分主从,通信方式灵活,各个节点信息分为不同的优先级来仲裁总线解决数据冲突问题,优先级最高的节点至少可以在134微秒内得到传输,采用非破坏性总线仲裁技术,可以在网络负载较重的情况下也不会崩溃(以太网则会存在类似的问题),所以CAN总线的实时性非常好。CAN总线采用短帧结构,使得其传输时间短,受干扰概率低,自带校验检错功能,使得其可靠性有相当的保证。其能够在节点错误严重的情况下自动关闭,保证不影响整个总线的正常运行(RS-485总线则会出现类似的问题)。

CAN总线优缺点以及适用范围:CAN总线不分主从,采用优先级方式仲裁总线,采用短帧结构,实时性好,可靠性高。CAN总线传输速率与传输距离成反比,传输速率最高可达1M(通信距离小于40米),传输距离最远可达10KM(通信速率为5Kbps),其在100Kbps的通信速率下其通信距离为600米左右(RS-485总线在110Kbps通信速率下传输距离可达1200米),在较高通信速率下,通信距离不如RS-485总线,而在低速率下,则优于RS-485总线。而CAN总线的可靠性和实时性要大大优于RS-485总线,特别是突发数据多但数据量不大且实时性和可靠性要求高的系统采用CAN总线更好,比如火灾报警系统,工业自动化系统等应用领域。

工业以太网技术基于民用以太网技术发展的,以太网技术最初的发展就是基于民用用途开发的,对于民用用途而言,存在数秒的延时是完全可以容忍的,但是在工业现场则是完全不能接受的。以太网技术存在延时就是由于其采用CSMA/CD机制解决数据冲突问题,当网络节点较多,网络负载较重的情况下,其实时性难以得到保证。随着快速以太网技术的发展,以太网带宽不断增加,从原先的10M至100M到现在开始普及的千兆以太网,工业以太网交换机的出现和光纤技术在以太网技术中的普及,使得以太网技术在工业现场的应用越来越普及。

工业以太网技术优缺点以及适用范围:工业以太网具有带宽大,数据通信容量大的优点(现在基本上带宽为百兆并已开始进入千兆以太网时代),能够与互联网进行无缝对接,直接与现有的办公软件以及相关的网络软件直接通信而无需做任何转换,方便工业现场监控数据能够远程传输并与工厂信息管理层直接通信。但是工业以太网技术在数据实时性和可靠性上与现场总线仍然有一定差距,并且在现场布线以及设备成本上还是大大高于现场总线的相关成本。依据工业控制网络的三层划分:信息管理层,控制层,现场设备层。工业以太网技术现在基本上完全占据了工厂的信息管理层,正在逐渐占领控制层,现场设备层基本上还是现场总线占据优势地位。

 

 

 

 

 

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