菲尼克斯现场总线和INTERBUS现场总线.docx
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菲尼克斯现场总线和INTERBUS现场总线
Phoenix现场总线和自动控制系统
1 引言
在近100多年的历史中，机械制造工业从未有过如此激烈的竞争和变动。
全世界都在寻找符合未来发展的先进的自动化制造技术的概念。
信息技术、计算机技术和控制网络技术的发展给制造工业的发展提供了巨大的机遇。
要在制造工业市场上占有领先的地位，这个企业必须具有提高生产率、降低制造成本的能力。
这种能力的提高的关键是如何将新型的自动控制系统应用在生产制造业中。
众所周知，计算机技术、通讯技术、IT技术的发展不断地渗透到工业控制领域，引起了工业自动化控制的不断变革，其主要特征就是现场总线技术、PC-based技术以及工业以太网技术。
这些技术的出现使得工业自动化技术的水平达到了一个新的高峰，面向21世纪的现代工业控制系统正在逐渐形成。
十多年来，PhoenixContact公司坚持不断创新，不断变革，在工业自动化控制领域提出自己独特的解决方案，特别针对如何提高生产率这一制造工业关键的问题。
一种具有开放性通讯平台的模块化自动控制系统—AUTOMATIONWORX（AX）已在生产实际中得到广泛的应用，其先进性、经济性和可靠性得到了实践的证明。
事实表明将这种技术用于汽车制造业上可减少25%的厂房面积、70%系统部件的库存量和90%的安装调试时间，使生产率和经济效益得到了最大的提高。
2 生产率的提高取决于生产过程的信息化以及制造系统的集成能力
在当今科学技术迅猛发展的时代，生产率的提高是增强竞争能力的关键。
机器和工业设备经济使用的必要性越来越得到人们的重视。
这不仅仅是指机械生产厂，同时也是对产品制造厂的要求。
充分的利用生产的潜力，尽可能地缩短定单到发货的时间，这需要工业制造厂家的高度的灵活性和产品生产厂生产新的产品的机动性。
这就是说，机器和工业设备的制造必须在一定的程度上与技术流程的信息流相结合，即通讯技术必须与生产制造技术紧密的结合起来。
为了满足生产设备的高度适应性以及产品快速地改朝换代，制造厂家在制造设备时必须考虑设计、制造、安装和现场调试时所使用的自动控制方案的一致性，即它的集成化程度。
在一个开放性的通讯平台上，高度的集成化必须包含生产过程的信息交换，工业网络系统的组态、参数化以及企业网络和Internet的联接。
这两者之间的关系如图1所示。
（1信息流2生产率3集成程度）
生产过程的信息化以及制造系统的集成能力提高了生产率。
而实现生产过程的信息化和制造系统的集成能力的工业自动化控制系统由以下的因素决定：
开放型的系统；
模块化的结构；
快速和方便的安装技术；
高度的标准化；
成本核算的整体性。
这5大要点构成了提高生产率的基础。
3 AX的特点和构成
3.1 特点
为了满足以上要求，必须实现一个功能强、灵活可靠、模块化的自动化技术的解决方案。
这个解决方案的关键是具有一个通讯网络，通过这个网络实现从现场设备、传送器、执行器、智能仪器仪表、控制器、制造设备，一直到生产管理部门之间的信息传输，同时所有的自动化模块可以方便地连接在这个开放式的信息平台上。
AX系统恰恰为这个目的而开发，完全满足了这样的要求。
模块式自动控制系统AX将现代通讯技术和计算机技术有机地与工业控制技术结合起来，是实现了开放型、模块化和具有国际标准的全控制系统。
它包含了具有IEC61158国际标准的现场总线技术—INTERBUS，基于PC技术的PLC控制器，其编程语言采用IEC61131-3国际标准，PLC控制器之间的通讯采用IEC61158-5的通讯协议。
控制系统与工业以太网联成一体，通过开放的OPC技术实现了控制系统与企业管理之间的数据传输接口。
它提供了一个开放式的通讯平台，可满足自动控制系统所需要的所有通讯要求。
同时模块式自动控制系统—AX具有强大的集成能力，生产制造系统通过INTERBUS、其它的总线系统和以太网进行数据交换，各种不同生产厂生产的模块也可以通过开放的接口，智能式的软件工具集成成一个AX系统。
其特点如下：
（1） 开放型的自动化控制软件解决方法
基于Microsoft的软件开发操作系统。
采用开放性的ACTIVEX，DCOMandOPC的软件技术。
（2） 开放型的通用的工业网络技术
开发工业以太网模块以及具有强大诊断功能的软件包。
（3） 灵活性高，适应性强的人机界面（IPC，HMI）。
（4） 基于PC或嵌入式控制器解决方法，实现分散式控制网络。
编程语言采用IEC61131国际标准。
（5） 连接方便、安装简单的IP20和IP67的现场模块。
具有开放型的现场总线接口（INTERBUS，PROFIBUS，DEVICENET，CANOPEN，ETHERNET）。
3.2 构成
AX实现了两维（垂直和横向）的数据通讯，提供了具有国际标准的高效率开放式模块化自动控制解决方案。
AX由图2所示的可联网的模块组成。
（1） 安装在控制柜中的IP20现场总线模块
IP20INLINE控制柜模块代表了自动控制技术发展的方向，它具有体积小、快速安装、扩展性强的特点。
INLINE模块化的输入输出系统采用快速的连接方法，同时将嵌入控制技术引入了现场模块中，提供了智能式现场控制模块。
INLINE模块可通过各种现场总线终端模块与各种现场总线相连接。
（2） 安装在工业设备现场的IP67现场总线模块
Fieldline是按照IP65/67安装要求开发的现场总线输入输出模块。
它被直接安装在极其恶劣工况环境下，如焊接机器人。
这种模块可与现场变送器/执行器直接连接。
模块上具有集成的诊断LCD显示功能，能够直接对故障进行现场诊断，大大减少了停机时间，提高了机器的使用时间。
（3） 基于PC和嵌入式PLC控制器模块
PhoenixContact公司提供了不同功能等级的基于PC或嵌入式PLC控制器系列。
它满足了现场实践的要求，直接地使用在现场层、控制层或（和）管理层。
PC-WORX基于IEC61131国际标准的自动控制软件提供了全方位的工业自动控制系统的解决方案。
它包含了下列软件功能：
IEC61131编程语言；
现场总线组态软件；
诊断软件工具；
工业以太网网络管理软件；
SCADA的接口；
项目设计。
（4） 工业以太网模块
FactoryLine—用于工业环境的以太网模块，包括了INLINE的以太网网关，用于构成工业控制柜以太网网络的集线器和交换器以及相应的电缆、光导和连接器。
Phoenix公司为FactoryLine专门开发的以太网管理软件使以太网网络的安装调试更为方便和简单。
同时以太网诊断软件NetzwerkManagement大大提高了网络运行的可靠性和安全性。
（5） 人机操作和监视界面模块
带有CE操作系统的触摸屏可分散的安装在现场的机器上，进行现场操作和监控。
Phoenix提供的工控器、Thin-Clients和服务器满足了监控、编程和控制的一切要求。
其系统的构成如图3所示。
4 模块化自动控制系统在上海大众汽车的应用
上海大众经过多年的发展，已形成了包括3个汽车生产厂和2个发动机厂区在内的5大生产区域，年生产能力达到40万辆各类轿车和发动机，截至2003年底，上海大众已累计产销量25787万辆。
2003年一年整车销售达到396万辆。
Phoenix公司通过与大众公司十多年的长期合作，共同开发了应用于汽车工业的现代制造控制系统，这种控制系统采用了INTERBUS、现场总线专用单元—马达启动器、鲁棒式输入输出模块、光纤通讯技术和现场诊断技术。
这种技术的应用大大减少了初期的投资费用和中期的安装调试时间，保证了生产运行的可靠性以及极短的维修时间，生产设备的使用率大大提高，生产效率也随之提高。
自1992年开始，就在上海大众得到了应用，包括生产Santana的汽车二厂，Santana2000的车身车间，生产PASSAT的汽车三厂的车身车间、油漆车间、总装车间，还是生产POLO的汽车一厂的工艺车间都采用了Phoenix公司的自动控制技术和自动控制产品。
上海大众汽车三厂车身车间共有61台焊接机器人，采用了先进的车顶激光熔焊和后盖激光钎焊的新技术。
这61台焊接机器人都通过INTERBUS联成总线网络，互相之间通过INTERBUS进行数据通讯和交换，以保证车身的尺寸稳定和整体焊接质量。
三厂油漆车间和总装车间的生产线全部采用INTERBUS的总线技术，运用了Phoenix的分布式现场总线安装技术，采用了大量的IP67的现场功能模块—马达启动器和具有强大抗电磁场能力的鲁棒性的IP67模块以及光纤传输技术。
由于INTERBUS的简单的连接技术、可靠的抗干扰能力以及强大的故障诊断功能，保证了PASSAT的生产线满负荷的三班运行，生产效率大大提高。
上海大众汽车一厂从2000年中停产改造转为生产高品质的小型车POLO，其中的车身、油漆和总装车间都采用了Phoenix的控制技术和INTERBUS技术。
采用的INTERBUS总线控制系统包括有56个S7400系列的总线控制器，大量IP20的控制柜输入输出模块、IP67马达启动器以及具有INTERBUS接口的SIEMENS变频器和SEW的电机控制器。
各个子控制系统之间现场数据的通讯通过INTERBUS的网关来实现。
油漆线与焊接线、总装线相连，构成了一个完整的工厂自动化系统，该系统经过短短一年多的安装调试，于2001年12月正式投产。
Phoenix控制系统还在一汽集团的AudiA6、东风集团的Citron毕加索、沈阳中华等有广泛应用。
第一讲INTERBUS的原理及发展方向
前言
自2000年IEC学会宣布的八种现场总线技术作为国际标准后，在国际上已结束关于究竟采用哪种总线技术的争论。
但是现场总线仍是一种正在发展中的技术，而且一直处在不断完善的过程中。
所以现在正是我们加快自己开发的步伐，缩短与国外技术差距的的最好时机。
问题是我们要发展，要开发现场总线的前提是要掌握和了解现场总线是一种什么样的技术和在工业自动控制领域中占有的地位。
尤其重要的是——现在不是争论到底应该用哪一种现场总线，哪一种现场总线应该成为中国的总线标准的时候，而是对几种比较重要的现场总线的技术进行深入的研究，取精用弘，融会贯通，以形成一个完整的中国式现场总线的发展体系。
基于这种想法，我想借“总线论坛“一角，抛砖引玉，先介绍一种在国内尚未“成名”，但又在国际上得到最广泛应用的现场总线——INTERBUS（采用这种技术的设备90％是进口的），然后再讨论一下目前几种重要的现场总线。
INTERBUS技术是德国PHOENIXCONTACT公司（一家中小型私人企业）研究和开发的现场总线，作为一种最早开发的现场总线，现已广泛地应用于汽车工业、仓储及传送技术、烟草工业、造纸工业、包装工业、食品工业等。
1996年成为DIN19825德国标准，1998年成为EN50254欧洲标准，2000年成为IEC61158国际标准。
全球1000多个生产厂家提供2500多种总线产品，目前已经超过400万节点，四十多万个系统应用在世界各地，使INTERBUS成为国际上应用最广泛的现场总线之一。
为什么INTERBUS现场总线能成为一种非常成熟、稳定、可靠的总线，如果说八种现场总线国际标准的产生是一个政治的产物，是协调各国利益的最后产物，那么为什么德国却有两种国际标准的现场总线。
如果说一般具有国际标准的现场总线都是由著名的跨国公司研制开发出来，并通过强大的经济实力和政治背景推广到市场上，那么为什么一家以生产工业连接件为主导产品的中小型企业也能研制开发具有国际先进水平的现场总线，而且在世界自动化领域中占有一席之地？
以下就这些问题我想作些分析，并希望与同行进行交流。
一 为什么要采用现场总线技术
为什么要采用现场总线技术，再次提出这个问题似乎是老生长谈了，但是明确这个问题对于开发什么样的现场总线却有重要的意义。
所以这里不妨再总结一下。
1 控制系统的发展推动了现场总线技术的诞生
总线（Bus）的概念由来已久，现场总线（Fieldbus）的诞生是在80年代初。
它的出现根本原因是实践和用户的需要，实践的需要是产生现场总线的动力。
在80年代初，工业自动化控制领域发生了什么变化呢？
计算机技术、IC技术的迅猛发展越来越广泛地应用到PLC控制器上，使之能力越来越强，可带检测，变送器和执行器的点数和控制回路越来越多。
越来越多的信号需要进行传输，需要越来越多点到点的电缆，这样增加了线路敷设设计的复杂性，也增加了投资和安装，调试与维护的费用。
系统的安全型和可靠性也大大降低。
因此用户迫切需要一种新的工业通信技术，通过采用这种技术可降低电缆及其相关的成本，并能将一部分的控制功能分散到现场输入/输出设备上，提高系统的安全性和可靠性。
2 串联通讯方法实现了现场总线的技术
要实现新的工业通信技术的关键是要采用新的传输方法。
常规的点到点的传输方法，即并联传输方法已明显地不能满足大量现场数据的传输任务，特别对于模拟量信号的传输更需要用特殊的导线，以提高传输的抗干扰能力。
并联传输时，传输的信号越多、需要连接的导线也越多。
更重要的是采用并联传输方法的控制系统都属于封闭式的控制系统，很难实现不同系统之间的信号交换。
而采用串联传输方法就可将以上问题迎刃而解。
图1表示的是用一根串联总线可以连接现场设备、控制器、执行器、监控器的所有不同类型的数据。
3 采用简化的通讯网络结构实现了现场总线在工业领域中的成功应用
对于传统的并联传输来说，信号的传输都采用点到点的传输（实际是简单的连接），不存在传输网络的问题，当确定采用串联传输方法来实现工业控制器与现场设备的信号传输后，就产生了另一个问题：
怎么样才能使控制器发出的信号送入每个现场设备（执行器）中去，又怎样从每个现场设备上（变送器）取得信号，这也就是工业通信应该采用什么样的网络。
计算机的通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径是不确定，而且可以采用多种路径。
但是在工业网络中就不必采用这种网络。
所以现在大部分现场总线的结构采用线状的或环状的，虽然它的拓扑可以是总线型、回路型，但是通讯路径是固定的。
这种简化的网络结构使通信技术能够在工业控制领域得到应用，也使工业控制系统的设计更加能适应实践的需要。
实践证明，现场总线与并联传输方法相比有很大的优点，由于减少导线，节省了设计时间，也节省了连接件，减少了控制柜的尺寸，同时先进诊断功能也可以减少停机时间，提高生产效率。
同时现场总线对于模拟量信号的传输要比并联传输具有更高的可靠性。
开放性的现场总线统一了与不同现场设备的接线方法，使系统更加灵活，方便。
实践证明，采用现场总线技术可以减少50％以上的控制柜的空间，免去DA及AD的传换，提高了控制精度，减少66％以上的电缆的用量，并能使控制系统智能分散化。
所有这些优点无疑使现场总线在最近十年在全世界得到了越来越多的应用。
图2表示的是控制柜过去和现在的重大变化。
二 选择现场总线系统的关键是什么
现场总线的技术实际是采用串联数据传输和连接的方法代替传统的并联信号传输连接的方法，以此实现了控制层与现场设备层之间的数据传输。
所以选择现场总线系统的关键首先是要区别两种传输方法的优缺点和不同点。
图3表示了两种不同传输方法的不同的导线连接方法。
表1列出了并联传输与串联传输的特点。
通过对这两种传输方法的分析，可以了解到什么是选择现场总线系统的关键。
从表1可以看到串联传输方法在安装、设计、调试以及连接技术上有明显的优点，但在通信的方面，如传输时间、实时时间、循环时间、传输的确定性以及诊断等方面逊于并联传输方法。
因此当我们选择现场总线系统的时候，要注意以下几点：
（1） 总线能传输不同类的数据由于一个总线系统必须能与不同的设备相连，从传输数据长度仅为1位到16位的简单数字量（过程数据）输入/输出模块，到复杂、智能式的仪器仪表，变频器，控制器和机器人等。
此类设备需要传输的数据较为复杂（参数数据），从32位到1K。
这些数据主要作为智能化的现场总线设备的参数设定，设备的初始化。
这两种数据具有完全不同的要求和特点，但是选择的总线系统中必须能同时传输过程数据和参数数据。
（2） 总线系统的开放性一个总线必须具有强大的开放性，这开放性指两方面，一方面能与不同的控制系统相连接，另一方面其通讯的需要必须开放，便于用户的自行开发。
（3） 总线的循环周期一个总线系统中所有过程数据更新一次的时间，一般应在1～5ms之间
（4） 总线的传输时间总线的传输速度要求越快越好。
速度越快，表示系统的响应时间就越短，但是传输速度的快速不能仅靠提高传输速率来解决。
（5） 传输周期的确定性总线系统传输必须具有确定的时间，即控制器发出控制值的时间间隔及接收现场总线设备实际值的时间间隔必须是一个定值，这样才能保证完成控制和调节的任务。
（6） 协议效率指采用数据传输的协议帧中必须要有程序处理的用户数据所占的比率。
（7） 传输的安全性在选择总线系统时必须注意到传输效率这一点，在传输效率高的前提下，可以选择比较低的传输速率。
因为采用低的传输速率接线数据通信，有较高的抗干扰能力，而且传输距离长。
（如500K的传输速率，最大传输距离为400米；而12M的传输速率，最大距离是100米）
（8） 传输媒介一个完整的现场总线系统，除了构成网络的范围（即最大距离）是一个重要的指标外，同时能否在一个总线系统中实现在不同的总线段之间采用不同的传输媒介，也是一个重要的因素。
它使系统的构成更为灵活，更符合工况实际的要求。
（9） 诊断功能当系统发生故障时，诊断功能不仅能找出错误，而且不需特殊的工具，就能纠正故障。
同时能够方便地替换坏的模块，以减少停机时间，提高工作效率。
（10） 成熟的现场总线技术选择的总线系统必须有生命力，是一种成熟的技术，具有国际标准的技术，这样才能保证其总线产品能长期提供。
综上所述，如果我们选择一个变送器/执行器总线，就必须满足以下要求：
①同时互不干扰地传输过程数据和参数数据；②总线的采样周期必须少于5ms；③每个现场总线设备的字长为8～16位；④整个总线系统至少可以带100个以上的现场总线模块；⑤循环周期的时间必须可以计算；⑥循环周期的时间是恒定的；⑦尽量低的传输速率，尽量高的传输效率。
第二讲INTERBUS介绍
一 INTERBUS的网络结构
用于现代工业控制系统的开放性的现场总线INTERBUS将所有的过程外围设备与控制系统（PLC，PC控制器）统一的连接起来。
通过一根串联的总线电缆使变送器，执行器，智能设备单元，加工单元互相构成一个网络，并与上位机，监控机连接起来。
INTERBUS拓扑网络的组成参见图1。
INTERBUS的拓扑网络是一个环形系统，所有的总线模块都主动的互相连接在一个封闭的传输回路中，每个模块接收前一个模块的信号，并送给下一个模块。
与其它的环形网络不同的是在INTERBUS系统的电缆不仅包括了发送导线（前站送往后站），还有接收导线。
具有全双工型传输方法INTERBUS工作方法像一个空间分布，闭环的移位寄存器。
各个不同的现场设备串联一起，并与一个主站相连接。
在INTERBUS系统中，总线设备是一个带有INTERBUS接口（移位寄存器）的从站，其移位寄存器的长度取决于总线设备中数据的长度，目前数据长度可从0位到512位中选择。
INTERBUS拓扑除了从总线控制板引出的主干线外，并具有16分支层，这样的网络结构能满足实际应用提出的各种系统结构的要求。
以主从式传输方法组成的INTERBUS系统最多可带512个总线模块，最后一个模块自行闭合整个环路。
INTERBUS通信采用点对点的连接方法，其示意图参见图2。
每个模块都有一个接收和一个发送单元，这一特点对于传输的安全性来讲具有重要的作用，因为与一般的线性网络系统相反，当传输处于不定状态时，INTERBUS不会传输无定义的信息，模块中的传输关系是确定的。
采用点对点的连接可省去终端电阻，这样系统的扩展性更高，灵活性更强，更适应于工况实际的需要。
采用带有分支的总线终端模块既完成分层的任务，同时也提供了带INTERBUS的网络中的总线段任意关断，连接的可能性。
特别对出现总线故障后进行处理的方法更加灵活，减少了系统的停机时间。
通过采用物理环形网络和移位寄存器的方法，总线系统不必进行设置地址和按址传输的方法，在实践工作中这就意味着INTERBUS的设备可以简单地安装，迅速地进行现场调试。
对每个模块进行硬件设置地址（DIP开关）的工作被省去，这个优点特别体现在当总线模块损坏被掉换时，不用重新设址，当然也就不会发生地址重迭现象。
二 INTERBUS总线系统的构成
INTERBUS总线系统的构成参见图3。
（1） INTERBUS的总线控制板
INTERBUS的主站，又可称为总线控制板（PC控制器或PLC控制器的总线接口控制板）。
它的作用是对整个INTERBUS进行控制、组态和诊断，并有一个I/O数据堆栈，保存了全部的输入/输出数据。
当总线运行时，主站发出输出信号到现场外围设备，同时接收现场外围设备的输入信号。
由于INTERBUS采用主从传输的方法，所以在一个INTERBUS总线系统中只有一个主站来控制整个传输环路的流程，主站有一个连接从站的接口，通过这个接口引出了整个环路。
同时INTERBUS还有一个与控制器（PLC控制器、PC控制器、IPC）相配的数据信号总线或接口，这样现场总线的信号可以通过总线主站与控制器进行数据交换。
INTERBUS总线系统除了主站外，还有从站（INTERBUS模块），带有INTERBUS接口的各种仪表，应用连接不同控制器的系统藕合器以及组成本地和远程总线段的终端模块。
（2） 总线段
INTERBUS总线由互相连接的总线段（最多255个段）组成。
按照传输的特性，INTERBUS中有三种不同的总线段，即远程总线段、本地总线段和INTERBUSLoop段。
远程总线段除了第一个远程总线段与主站相连接外，其他每个远程总线段开始于一个远程总线终端模块，总线终端模块又称中继站。
一个INTERBUS总线系统可有255中继站，这个限制仅仅因为考虑INTERBUS协议长度（4096位＝256×16位）的原因。
系统的总长为12.8公里。
其主要的性能指标见表1。
远程总线模块除了中继站外，还有远程输入/输出模块、远程显示屏模块、远程变频器模块，以及作为INTERBUS从站的子控制系统设备，如机器人控制系统，辨识系统等。
一种特殊的远程总线段称为安装远程总线段，它连接了安装总线模块，其之间的传输距离为50米。
安装远程总线的模块采用混合式的电缆，除传输信号外，也传输24V（最大4.5A）的模块供电电源和模块的变送器电源。
所以安装远程总线模块往往采用IP65以上的等级，其优点是直接安装在机器上或工业设备上，省去了很大一部分安装时间和安装电缆。
常用的安装远程总线模块有输入/输出模块、变频器、马达启动器、阀门、编码器和检测装置等。
本地总线段每个终端中继站引出一个由本地总线模块组成的本地总线段，本地总线的任务是传输短距离的信号，主要运用在控制柜或放在现场的控制盒里。
那里所有的变送器/执行器的信号集中起来，并连接在本地总线模块上。
因为传输距离短的原因，所以两个本地总线模块之
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