DeviceNet现场总线协议讲解

1、DeviceNet 现场总线协议讲解 Devicenet 简介: DeviceNet 是由美国 Rockwell 公司在 CAN 基础 上推出的一种低成本的通信链接， 是一种低端网络系统。 它将基 本工业设备连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。 DeviceNet 是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部 件间的可互换性的同量， 减少了配线和安装工业自动化设备的成 本和时间。DeviceNet 的直接互连性不仅改善了设备间的通信， 而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。 现场总线系统的结构和技术特点 1. 现场总线的历史和发展 现场总线的历史和发展 现场总线是 20 世纪 80

2、年代中期在国际上发展起来的。 随着 微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降， 计算机与 计算机网络系统得到迅速发展， 而处于生产过程底层的测控自动 化系统，采用一对一联机，用电压、电流的模拟信号进行测量控 制， 或采用自封闭式的集散系统， 难以实现设备之间以及系统与 外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整 个企业的信息集成， 要实施综合自动化， 就必须设计出一种能在 工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通讯系统，形成工 厂底层网络， 完成现场自动化设备之间的多点数字通讯， 实现底 层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是 在这种实际需求的驱动下

3、应运产生的。 它作为过程自动化、 制造 自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络， 沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络 之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 由于标准实质上并未统一， 所以对现场总线的定义也是各有 各的定义。下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。 (l ISA SP50 中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的 数字数据通讯链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即 场地级设备之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设 备(即车间级设备之间的联系。 这里的现场设备指最底层的控制监测、 执行和计算设备， 包 括传感器、控

4、制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪 表产品。 (2根据国际电工委员会 IEC 标准和现场总线基金会 FF 的 定义： 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、 双 向传输、 多分支结构的通讯网路。 现场总线的本质含义表现在以 下 6 个方面： a现场通讯网路： 用于过程以及制造自动化的现场设备或现 场仪表互连的通讯网路。 b现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器 和执行器等， 这些设备通过一对传输线互连， 传输线可以使用双 绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选 择不同类型的传输介质。 c互操作性：现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家 制造商

5、可以提供一个工厂所需的全部现场设备， 所以， 互相连接 不同制造商的产品是不可避免的。 用户不希望为选用不同的产品 而在硬件或软件上花很大气力， 而希望选用各制造商性能价格比 最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用；用户希望对 不同品牌的现场设备统一组态， 构成他所需要的控制回路。 这些 就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互连是基本的要 求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成 FCS。 d分散功能块： FCS 废弃了 DCS 的输入输出单元和控制 站,把 DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚 拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累 加输入模块，

6、而且有 PID 控制和运算功能块。调节阀的基本功 能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有 PlD 控制和运算模块， 甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。 由于功 能块分散在多台现场仪表中， 并可统一组态， 供用户灵活选用各 种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。 e通讯线供电： 通讯线供电方式允许现场仪表直接从通讯线 上摄取能量， 对于要求本征安全的低功耗现场仪表， 可采用这种 供电方式。众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物 质， 所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准。 现场总线设备 也不例外。 f开放式互连网络：现场总线为开放式互连网络，它既可与 同层网络

7、互连， 也可与不同层网络互连， 还可以实现网络数据库 的共享。 不同制造商的网络互连十分简便， 用户不必在硬件或软 件上花太多气力。 通过网络对现场设备和功能块统一组态， 把不 同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的 FCS。 2. 现场总线的结构特点 现场总线的网络结构现场总线网络结构是按照国际标准化 组织（ ISO）制定的开放系统互连（OSI：Open System Interconnection）参考模型建立的。OSI 参考模型共分七层，即 物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用 层， 该标准规定了每一层的功能以及对上一层所提供的服务。 从 OSI 模式的角度来看，现场

8、总线将上述七层简化成三层，分别由 OSI 参考模式的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用 层组成。如图 1-2 所示。 图 1-2 现场总线的结构 现场总线主要特点是使底层的控制部件、设备更加智能化， 把在传统 DCS 中的控制功能，下移到现场仪表。在此，现场总 线的网络通讯起了重要作用。现场总线结构模型现统一为层， 即物理层、数据链路层、应用层和用户层。省略了一般网络结构 的 36（表达层、会话层、传递层和网络层）. 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。 传统模拟控 制系统采用一对一的设备联机， 按控制回路分别进行连接。 位于 现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间， 控制器与

9、位于现 场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。现场总线系统由于采用了智能现场设备,能够把原先DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备,加上现场设备具有通讯能力,现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号,因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表,直接在现场完成,实现了彻底的分散控制。Devicenet正是目前几十种现场总线中得到广泛应用的一种。由于采用数字信号替代模拟信号,因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息,同时又为多个设备提供电源;现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。这样就为简化系统结

10、构、节约硬设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 图1-3 Devicenet控制系统示意图3.Devicenet技术背景和特点多年来,过程工业一直致力于开发一种单一的、开放的标准对现场的各类设备进行编址。标准的最初目标是用单一的数字标准取代4-20mA标准。当范围扩展到寻址复杂的、高难度的服务时(如:控制器间的高速通讯、大量快速扫描设备间的时间同步单一标准的开发变得延迟了。同时,通讯技术的成本近几年已经明显的降低,将简单设备直接连接到网络上(而不必考虑SP50现场总线的成本由此变得经济。简单设备的这种标准要求同现存的120/220VAC和24VDC离散、硬接线I/O标准具有相同级

11、别的互换性。Devicenet在允许多个复杂设备互连接的同时,允许简单设备的互换性。除了读取离散设备的状态外,DeviceNet 还可以报告马达启动器内温度、读取负载电流、改变驱动器加减速速率、或统计前一小时通过传输带传送的包裹计数。Devicenet的主要技术特点如下表所示 表1-1 Devicenet技术特点4. Devicenet的应用最终用户希望获得器件级网络提供的利益,例如减少接线和增加诊断功能。到1997年底,Devicenet已有16万个以上经过验证的节点,到2000年,DeviceNet节点有可能超过300万,全部ODVA组织的218会员均是工业领域,而且只有制造业才能参加。在

12、工业市场中,已有1498个注册的符合DeviceNet协议标准的产品。DeviceNet的应用包括:汽车,半导体芯片制造,电子产品制造,食品和饮料,批量生产化学处理,装配,包装和物料转移。Devicenet进入中国时间不长,但是在中国已有许多应用。据Rockwell Automation市场部提供的数据,上海通用汽车有一条DevicetNet的生产线,另外,生产可口可乐的上海申美饮料公司也部分采用了DeviceNet技术。相信随着DeviceNet技术的进一步完善和推广,DeviceNet有相当可观的应用前景,这也正是基于DeviceNet的智能设备和远程检测系统获得国家高技术产业化工程示范项

13、目的原因。Producer/Consumer网络通讯模型1.显性报文和I/O报文(Explicit and I/O messaging工厂自动化网络要传送一般的计算机通讯网络中需传送的报文,同时需要传送实时的输入/输出(I/O控制信息及整个控制系统中各控制器互锁信息等。我们用显性报文和I/O报文来分别表示。显性报文用来上载和下载程序,修改设备组态,记载数据日志,作趋势分析和诊断等功能,例如我们可以用显性报文对控制器中的五个定时器重写默认值或执行自测试操作。它们的结构十分灵活,数据域中带有通讯网络所采用的协议信息和要求操作服务的指令。每个节点(设备必须解释每个显性报文,操作所请求的任务,并生成响

14、应。为按通讯协议解释这种显性报文,在真正要用到的数据上必须有较大一块的附加量(overhead。这种类型的报文在数据量的大小和使用频率上都是非常不确定的。I/O报文在本质上是隐性的(Implicit,因而有时也称为隐性报文,它的数据域中常不包括协议信息,仅仅是实时的I/O 控制数据,这些数据的含义是预定义的。因而在节点中对处理这些数据所需的时间大大减小,I/O报文的一个例子是控制器将输出数据发送给一个I/O块设备(I/O Block,然后I/O块按照它的输入数据响应给控制器。为解释这种类型的报文而必须引入的附加量(overhead小,数据短,使用频率一致,并且需要高的性能:对I/O报文传送的可

15、靠性,送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。过去,用于I/O控制的网络不能处理发送显性报文时在发送数据的时间及报文尺寸上的不定性因素。控制设备提供商不得不使用不同的网络来管理这两种不同报文类型的不同要求。Rockwell Automation/AB公司的Data Highway/Remote I/O网络和西门子的Profibus FMS/ProfibusDP网络就是这种情况的表现。吞吐量(throughput是来自设备的输入数据传送到需要它的所有节点和节点产生的输出数据(根据用户的逻辑程序产生 每个数据包不再需要源地址位和目标地址位。因为数据是按内容进行标识的,数据源只需将数据发送一次。许多

16、需用此数据的节点通过在网上同时识别这个标识符,可同时地从同一生产者取用此消费同一数据。消费者节点之间可实现精确的同步,而且提高了带宽的有效使用率,其它的设备加入网络后并不增加网络负载,因为它们同样可以消费这些相同的信息,当节点时,对发送多个数据组时,对每个数据组使用不同的标识符。 图1. 生产者/消费者模型报文#1 来自传感器I/O的参考位置信息可多点传送给控制器1,控制器2和人机界面设备。报文#2 速度指令可多点传送给所有三个驱动器和人机界面设备。源/目的地模型实现多点的同时传送是很困难的,在使用该模型时实现同样操作(假设单向报文传送需要7个报文。2. I/O触发机制除了传统的轮询方法(po

17、lling外,生产者/消费者模型还允许用两种新的功能强大的I/O触发方法:状态改变发送(Change-Of-State和周期I/O发送(Cyclic。轮询是从源/目的地模型产生的,它本质上是一种两个报文的双向处理(发送方输出数据命令,接收节点收到后作出响应并把反应送回,往往用在主机到它的从机之间,许多轮询周期充满了相同的输入和输出数据,这些冗余的数据浪费了大量网络带宽。在采用状态改变(基于事件触发机制的系统中,仅当数据改变时节点发送数据,并同时地发送给所有需要该数据的节点没有轮询周期带来的延迟。同时一个作为背景的心跳(heart beat信息可以周期地发送,消费者可用它来辨别设备是状态没有改变

18、还是设备不在线(离线,采用状态改变触发机制可以显著的降低网络阻塞和负载,特别当设备需要重复的接收、处理和生成同一种数据时。另外,一般情况下发送4个心跳信息后再发送1个真正数据。周期性发送(基于时间时,数据可根据用户选择的速度来产生,数据的更新速度与节点和应用相匹配。例如在优化的PID 控制中,传感器的信息可以以精确的间隔进行采样,或者控制器可以收集大块数据后以每秒若干次且大于操作员接口的反应速度进行发送。这样,可为快速变化的I/O信息的节点保留了带宽。市场上两个模型的现场总线例子如下:源/目的地模型-Ethernet -Interbus S-Modbus Plus -AS-I-Remote I

19、/O -Date Highway Plus-Profibus(FMS, DP, PA等生产者/消费者模型-ControlNet -Devicenet-Foundation Fieldbus3. 现场总线系统的技术特点现场总线系统在技术上具有以下特点:系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。通讯协议一致公开,各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑,把来自不同供货商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化

20、领域的开放互连系统。互可操作性与互用性互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。对现场环境的适应性工作在生产现场前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境而设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频

21、、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现供电与通讯,并可满足本质安全防爆要求等。一对N结构一对传输线,N台仪表,双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护方便。如果增加现场仪表或现场设备,只需并行挂到电缆上,无需架设新的电缆。可控状态操作员在控制室即可以了解现场设备或现场仪表的工作状况,也能对其进行参数调整,还可以预测和寻找事故,始终处于操作员的远程监视与可控状态,提高系统的可靠性、可控性和可维护性。互换性用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表,并将不同品牌的仪表进行互换。即使某台仪表发生故障,换上其它品牌的同类仪

22、表,系统仍能照常工作,实现即接即用。综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能,也有控制和运算功能。实现了一表多用,不仅方便了用户,也节省了成本。统一组态由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念,所有制造商都使用相同的功能块,并统一组态方法。这样就使组态非常简单,用户不需要因为现场设备或现场仪表的不同而采用不同的组态方法。4. 现场总线的国际标准由于现场总线是工厂自动化领域的开放互联系统,它一经出现,就得到了工业界的广泛使用,各个自动化厂商也推出了自己的现场总线。目前在全球范围内有着几十种不同的现场总线标准,其中得到广泛应用的几种典型的现场总线有:德国西门子公司的Profibus,美国Rock

23、well自动化公司的Devicenet, ControlNet,现场总线基金会的FF,德国Bosch公司的CAN以及美国Echelon公司的LONWorks等。由于不同行业,不同的应用场所需求各异,加上要考虑已有各种现场总线产品的投资效益和各公司的商业利益,在今后的一段时间内,在现场总线应用领域仍然会保持现在这种多种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互联通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范,真正形成开放互联系统,是现在总线技术发展的大势所趋。自1988年开始,国际电工委员会IEC/SC65C/WG6与美国仪表学会SP50委员会本着协商一致的原则联合制定工业控制系统用现场总线国际

24、标准。标准制定初期,由于世界各国工业自动化仪表公司的系列芯片、软件技术和开发工具等各不相同,在关键技术内容上存在很大分歧,所以标准制定的进程非常缓慢。目前市场上正在应用的各种现场总线有数十种,主要归类在两个标准族。一个为IEC/SC65C的IEC61158标准,另一个为IEC17B的有关低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准。而IEC61158是制订时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。它的制订时间超过12年,先后经过9次投票表决,两次提交IEC执委会审议,直到2000年1月4日IEC中央办公室公布1999年底最新一轮投票结果才表明该标准已获通过。但从

25、标准的内容看,该标准已与人们最初的期望大相径庭。人们制订IEC61158标准的初衷是将杂乱纷呈的各种总线归纳成一种统一的标准,既方便了制造商的产品生产,又便于用户选用。但最终通过的IEC61158标准,经多方争执和妥协,最后容纳了八种互不兼容的协议。这八种协议在IEC61158中分别为八种类型:类型1 IEC技术报告(即FF H1类型2 ControlNet(美国Rockwell公司支持类型3 Profibus(德国西门子公司支持类型4 P-Net(丹麦Process Data公司支持类型5 FF HSE(即原FF H2,美国Fisher Rosemount公司支持类型6 Swiff Net(

26、美国波音公司支持类型7 WorldFIP(法国Alsthom公司支持类型8 Interbus(德国Phoenix Contact公司支持与SC65C的针锋相对、讨价还价相比,IEC17B的标准制订者们要“文明”多了。从1996年成立工作组开始,IEC17B制订的总线标准主要涉及设备层的现场总线,相关的标准有:IEC62026低压开关设备与控制设备:控制器与电器设备接口。IEC62026-1 第一部分总则第二部分操作器-传感器接口(AS-i第三部分Devicenet第五部分轻巧的分布式系统(SDS第六部分Seriplex(串行多任务控制总线其中,除第六部分尚处于CD文件阶段外,其余部分已成为FD

27、IS文件,已于2000年6月进行投票表决,各成员国只能表示同意或不同意,不能对文件的某一部分提出修改要求。IEC62026标准草案曾有过第四部分(Lontalk和第七部分(WorldFIP,因这两个协议不适宜作为设备层的通用协议目前暂被挪走。IEC17B还有一个有关现场总线的标准草案,那就是IEC61915“低压开关设备与控制设备棗网络化工业设备的描述(Profiles for networked industrial devices”。此文件还处于CD 文件阶段。5. 工业自动化网络与办公自动化网络的区别现代分布式系统是大量的设备按照某种操作要求连接起来的,其涉及的领域非常广泛,例如工业自动

28、化网络,楼宇自动化网络,办公和家庭自动化网络,智能车用系统,高级系统等。根据网络上交换信息的类型,这些网络可分为两种:控制网络和数据网络。一般来说,数据网络的特点是数据包大,发送频率相对比较低,经常是瞬间传送大量数据,要求以高数据传送速度来传输比较大的文件,数据网络对实时性没有苛刻的限制。相对地,控制网络往往在许多节点之间高频率的发送大量比较小的数据包来满足实时性的要求。因而,区分数据网络和控制网络的关键因素是看网络是否具有支持实时应用的能力。另外,控制网络要求确定性和可重复性。确定性是指有限制的延迟和有保证的传送,也就是说一个报文能在可预测的时间成功的发送出去。从传感器到启动器的报文的不成功

29、的传送或者不可接受的延迟都会影响网络的性能。可重复性是指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变(增加节点或者删除节点和网络负载的改变而影响。例如控制网是一种高速确定性网络,采用令牌总线协议,用于对时间有苛刻要的应用场合的信息传输。它提供以下功能:对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通讯报文传送和编程操作均有相同的带宽;对于离散和连续过程控制应用场合均有确定性和可重复性的功能。有许多网络协议都被提出来去满足控制网络的要求。这些协议有:以太网(Ethernet,IEEE 802.3 CSMA/CD,令牌总线(Token Bus, IEEE 802.4,令牌环(Token Ring, IEEE 8

30、02.5,控制器局部网(CAN,CSMA/AMP。控制网络一般基于CAN协议(例如智能分布式系统,Smart Distributed System;设备网,Devicenet; CAN Kingdom和令牌协议(例如过程现场总线,Profibus;制造自动化协议,Manufacturing Automation Protocol;控制网, Controlnet;分布式光纤数据接口,Fiber Distributed Data Interface。三种主要MAC工作方式简述如下:CSMA/CD(IEEE802.3为冲突检测载体监听多重访问,采用总线网络,其控制策略是竞争发送、广播式传输、载体监听

31、、冲突检测、冲突后退和再试发送;Token Bus(IEEE02.4为令牌总线控制技术,总线上所有站形成一个逻辑环,令牌在总线网络上传送,收到令牌的站,决定是否发送或接收,然后再将令牌传给下一站;Token Ring(IEEE802.5为令牌环控制技术,令牌在环形网络上传送,收到令牌的站,决定是否发送或接收,然后再将令牌传给下一站。自动化网络三层体系结构控制系统的通讯中往往要考虑以下几个问题。产品怎样互联在一起?系统中不同产品间要有可靠的互操作性及不同供货商的同类产品要有可互换性。产品将要交换什么样类型的数据?是控制数据(如I/O 等还是信息数据。系统需要什么样的吞吐量?产品怎样被组态?系统能

32、否在将来可以进一步扩充?我们应该根据具体的应用需求来选择不同的网络,不同的应用需求对数据的要求是不同的。(1对数据量要求的不同。网络上要求传送的数据量可能以兆字节或字节或位来计算。负载量的变化对网络的带宽有不同要求。(2对数据类型要求不同。要求可能是I/O信息,状态改变的信息或显式报文(Explicit Messaging,程序的上载/下载,诊断信息等。(3对网络性能要求不同。可能要求网络主要处理高速离散量或者模拟量,对工业控制网络特别要求确定性和可重复性。现在自动化领域上一般采用三层网络结构,即设备层、控制层和信息层的体系。在这个体系中,数据可以双向流通、层与层之间可以交换数据,对某一具体应用可以选择其中某层或某几层,而且每层之间可能存在层叠。我们的目的就是,采用一个开放的、扁平的、满足高性能系统需求的、降低整体系统费用的(包括提高网络/设备诊断能力、减少接线、安装、系统调试时间,提高纠错能力的网络体系,如图1-4所示。 图