國內(nèi)現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及國產(chǎn)自主總線在大型電廠的應(yīng)用

1. 概述：

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域三大主流技術(shù)的分類說明：
工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、工業(yè)無線 是目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域的三大主流技術(shù)；將現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、無線技術(shù)融合到控制網(wǎng)絡(luò)中，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，增強了系統(tǒng)的開放性和互操作性，完善了信息服務(wù)；

1.1. 工業(yè)以太網(wǎng)：

速度快,可達(dá)100MBPS~1GBPS,可傳送大數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)線（專用4對雙絞線）或光纖通信，用于控制器、人機界面、編程器、現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備之間通信，以太網(wǎng)缺點：IO模塊需以太網(wǎng)接口，模塊成本高；通信距離短<100米，換光纖，需光端機，增加成本；布線為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線麻煩，布線成本高；需多網(wǎng)口交換機，成本高；基于以太網(wǎng)技術(shù)的Ethernet、Profinet總線協(xié)議，可以通過網(wǎng)線串接連接，但布線、接口成本更高。

1.2. 工業(yè)無線：

由于無線通信易受干擾，通信穩(wěn)定性不確定，工業(yè)自動化行業(yè)一般都傾向用有線通信；
（1）LoRa無線網(wǎng)絡(luò)：
可自組網(wǎng)、自中繼、Web頁面可視化監(jiān)控調(diào)試的LoRaWeb(Long Range Radio)遠(yuǎn)距離無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3-5倍。
通信協(xié)議與RS485雙絞線總線通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)一樣，主要分主模塊、從模塊；
一個LoRaWeb網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只能有一個主模塊（LRWMst），多個從模塊（LRWSlv），多個中繼模塊（LRWRpt），主模塊通過對從模塊的分時輪詢進(jìn)行主模塊問從模塊答數(shù)據(jù)通信，是一種低速通信網(wǎng)絡(luò)；
（2）WiFi無線網(wǎng)絡(luò)：
速度快，可達(dá)10MBPS~100MBPS,大容量WiFi無線局域網(wǎng)，多節(jié)點(1~65532），可Web頁面調(diào)試，主要分主模塊、從模塊，主模塊和從模塊通信方式為并發(fā)方式，不需要分時輪詢發(fā)送，速度快。

1.3. 工業(yè)現(xiàn)場總線：

速度一般1MBPS左右，傳送小數(shù)據(jù)包，通過屏蔽雙絞線通信，傳送距離遠(yuǎn)，接口成本低，抗干擾能力強，實時性好，用于控制器、現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場總線儀表、現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)、變頻器、遠(yuǎn)程IO模塊、現(xiàn)場總線中繼器等設(shè)備之間通信；
（1）現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)：
目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立；較著名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN高層協(xié)議的CANWeb和CANOpen、DeviceNet、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS DP現(xiàn)場總線、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。
詳細(xì)“01B工控領(lǐng)域最流行的九大現(xiàn)場總線.pdf”請在線索取
（2）現(xiàn)場總線的優(yōu)點：
一對雙絞線上可串接多個控制節(jié)點設(shè)備， 便于節(jié)省現(xiàn)場線纜、安裝費用，節(jié)省維護(hù)開銷；
提高了系統(tǒng)的可靠性，為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。
詳細(xì)“01C現(xiàn)場總線的優(yōu)點.doc”請在線索取
（3）RS485通信總線：
在國內(nèi)外廣范使用的RS485通信總線，因為只支持單主站多IO模塊排隊輪詢問答協(xié)議，IO模塊設(shè)備多時，實時性不能保證， RS485長距離通信易丟包、易被干擾，RS485通信不能稱為 正真意義上的“現(xiàn)場總線”。
（4）CAN總線
CAN總線不是現(xiàn)場總線，CAN總線編程復(fù)雜，需對CAN包拆包、并包，并對Id的過濾進(jìn)行設(shè)置，并需對通信總線的負(fù)載、丟包進(jìn)行監(jiān)視管理；CAN總線的高層協(xié)議是現(xiàn)場總線，如CANWeb、CANOpen、DeviceNet、J1939、ISO11783、CANKingdom、SDS、iCAN等協(xié)議。

2. 國內(nèi)現(xiàn)場總線的應(yīng)用狀況及問題：

在大型石化企業(yè)，由于投資方為外方或引進(jìn)設(shè)備的原因，現(xiàn)場總線應(yīng)用比較廣泛，如上海賽科（現(xiàn)場儀表設(shè)備總共54025臺，其中現(xiàn)場總線設(shè)備14375臺,占26.6%）、南海中海油殼牌（現(xiàn)場儀表設(shè)備有大約60000個節(jié)點，共使用了16000個左右的現(xiàn)場總線設(shè)備）；
在中小型自動化項目中,特別在以國產(chǎn)儀表、國產(chǎn)DCS、PLC的控制系統(tǒng)，鮮有現(xiàn)場總線產(chǎn)品，偶爾也會 配幾個“遠(yuǎn)程IO模塊”，幾乎沒有“現(xiàn)場總線儀表”或“現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)”；
網(wǎng)絡(luò)搜“現(xiàn)場總線儀表”或“現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)”，基本搜不到國內(nèi)的產(chǎn)品；
現(xiàn)場總線肯定是自動化發(fā)展的趨勢，但在國內(nèi)卻發(fā)展緩慢，啥原因？一句話，國外的現(xiàn)場總線技術(shù)不適應(yīng)中國國情。
詳細(xì)“01D現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用情況.pdf”請在線索取

2.1. 開發(fā)成本高、開發(fā)技術(shù)門檻高：

國外的現(xiàn)場總線開發(fā)需昂貴的開發(fā)工具軟件，授權(quán)費，開發(fā)文檔復(fù)雜難懂，開發(fā)過CANOpen的開發(fā)人員一定深有體會的；

2.2. 硬件成本高，沒有能正真降低工程成本：

由于國內(nèi)的現(xiàn)場總線技術(shù)基本為國外公司壟斷，節(jié)點成本高，網(wǎng)關(guān)成本高，中繼器成本高，甚至連 簡單的屏蔽通信雙絞線都是高價格；有的現(xiàn)場總線開發(fā)商為取得壟斷高利潤，推出專用現(xiàn)場總線芯片，總線接口芯片價格高于設(shè)備主芯片是常態(tài)，如：Profibus DP現(xiàn)場總線協(xié)議芯片SPC3價格需70元，PROFINET芯片TPS-1價格需130元，EtherCAT IO模塊控制芯片AX58100需60元?。?！

2.3. 使用、配置、調(diào)試、測試、管理不方便：

硬接線的設(shè)備調(diào)試直觀、簡單，現(xiàn)場總線設(shè)備的調(diào)試比較專業(yè)，有的還需要專門調(diào)試工具，后期最終用戶的維護(hù)都會比預(yù)期麻煩；
建議 將現(xiàn)場總線節(jié)點管理功能和實時數(shù)據(jù)通信功能進(jìn)行分離，并簡化節(jié)點管理功能并使能可視化操作，硬件上一體化設(shè)計，降低成本；
節(jié)點管理功能：含節(jié)點列表管理、節(jié)點實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控、強制、遠(yuǎn)程重啟、參數(shù)配置、實時自檢(IO模塊發(fā)包數(shù)、丟包數(shù)、發(fā)包間隔時間、實時負(fù)載、最大負(fù)載、最小負(fù)載、溫度、斷線)等功能；

2.4. 現(xiàn)場總線的可靠性問題： 單總線不可靠

國外一般只有在非常重要的控制系統(tǒng)中才采用冗余設(shè)計，國內(nèi)的控制系統(tǒng)習(xí)慣采用冗余設(shè)計方案，冗余的現(xiàn)場總線設(shè)計成本一般非常貴，單總線大家都會習(xí)慣認(rèn)為不可靠，市場需要一種既支持冗余又價格便宜的總線。

2.5. 和現(xiàn)成控制器接口網(wǎng)關(guān)成本高及技術(shù)支持不到位：

現(xiàn)場總線最后都得和用戶的控制器或計算機 高速連接，特別是國產(chǎn)的控制系統(tǒng)，價格合適的網(wǎng)關(guān)和與國產(chǎn)控制系統(tǒng)的通信的技術(shù)支持是非常重要的。

3. 國產(chǎn)自主CANWeb現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

CANWeb現(xiàn)場總線(縮寫CNW)結(jié)合CAN總線、以太網(wǎng)的優(yōu)點，主要用于替代國內(nèi)外廣泛使用的RS485通信，CANWeb節(jié)點價格與RS485類似，但速度、可靠性卻天壤不同，CANWeb總線為雙絞線串接通信，布線、接口成本低，總線可選冗余，一根CANWeb現(xiàn)場總線可帶99個遠(yuǎn)程節(jié)點模塊，實時性強(40米內(nèi)1000Kbps可達(dá)1毫秒響應(yīng))，傳輸距離遠(yuǎn)(5Kbps可達(dá)10公里)，CANWeb總線IO模塊比以太網(wǎng)、RS485總線IO模塊更適用于大型、分散式控制系統(tǒng)工程；
CANWeb現(xiàn)場總線基本配置需 1個網(wǎng)關(guān)+多個節(jié)點，通過CANWeb網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)Web頁面，可視化完成節(jié)點管理功能：含節(jié)點列表管理、節(jié)點實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控、強制、遠(yuǎn)程重啟、參數(shù)配置、實時自檢(IO模塊發(fā)包數(shù)、丟包數(shù)、發(fā)包間隔時間、實時負(fù)載、最大負(fù)載、最小負(fù)載、溫度、斷線)等功能；
與控制器的實時數(shù)據(jù)通信功能：CANWeb網(wǎng)關(guān)可支持以太網(wǎng)及RS485_Modbus、Profibus DP、EtherCAT等協(xié)議，很容易和PLC、DCS、上位機等設(shè)備高速交換通信，提供與控制器及上位軟件通信的說明及案例。
CANWeb網(wǎng)關(guān)自動通過CAN總線與串接的多個IO節(jié)點模塊實時交換數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)分配到CANWeb網(wǎng)關(guān)模塊存儲空間不同的地址中（用戶不需要了解CAN協(xié)議），用戶只需與CANWeb網(wǎng)關(guān)模塊通信，通過一、二個Modbus命令，就可以監(jiān)控多個不同的IO模塊設(shè)備。
CANWeb網(wǎng)關(guān)模塊支持云Modbus功能（詳細(xì)說明請在線索?。?，可方便通過互聯(lián)網(wǎng)與固定IP云服務(wù)器雙向?qū)崟r通信，契合當(dāng)下最流行的“物聯(lián)網(wǎng)”、“云計算”概念。

CANWeb主要設(shè)備類型：
CNW_GW網(wǎng)關(guān)(GateWay)、CNW_RP中繼器(Repeater)、CNW_ND節(jié)點(Node)、CNW_IO模塊(IO Module)等

CANWeb_IO特別適合分散式遠(yuǎn)程布置IO模塊，現(xiàn)場就近安裝，通過CAN總線連接，節(jié)省布線（如下圖）

4. CANWeb現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

4.1. 冗余雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場總線分 CAN1、CAN2 兩個冗余總線

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分3層：MMI層(人機界面)、控制器層、IO總線層
以太網(wǎng)IP編號（IP最后一個BYTE）的分配：
（1）人機界面MMI層： 101~149
（2）控制器層DPU：01~49，對應(yīng)冗余模塊 51~99
（3）IO總線層GW：151~199，對應(yīng)冗余模塊 201~249

4.2. FCS單網(wǎng)結(jié)構(gòu)：如下圖，作為PLC的遠(yuǎn)程擴展模塊

4.3. 通過中繼器，可改變CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

5. CANWeb開發(fā)板介紹：

CANWebKFB_GDF303RC(單光隔CAN,64腳)開發(fā)板組件,
CANWebKFB_GDF305RC(雙光隔CAN,64腳)開發(fā)板組件,

開發(fā)板含6DI（Dip）+6DO（Led）+1AI（旋鈕）+1AO（Led電壓輸出）

編程簡單，無開發(fā)技術(shù)門檻，用戶可在此開發(fā)板的PCB文件及Keil源程序基礎(chǔ)上，只需調(diào)用幾個函數(shù)就能輕松、快捷開發(fā)自己的CANWeb總線產(chǎn)品，如多通道DI、DO、AI、AO模塊、溫度、壓力現(xiàn)場智能儀表、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電量表、RS485網(wǎng)關(guān)(可與RS485的設(shè)備通信) 等設(shè)備，并可通過網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)Web頁面可視化調(diào)試、配置 開發(fā)的總線產(chǎn)品；
詳細(xì)開發(fā)板說明請在線索取

6. CANWeb網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)節(jié)點管理功能Web頁面介紹：

6.1. IO列表Web頁面

標(biāo)號9為為網(wǎng)關(guān)模塊所帶IO模塊的列表；
標(biāo)號1為總的最小、最大、實時負(fù)載，總實時負(fù)載應(yīng)小于總線速度的1/3；
標(biāo)號2為每個IO模塊的最小、最大、實時負(fù)載；
標(biāo)號3為IO模塊的向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的CAN包數(shù)_STxCnt；
標(biāo)號4為IO模塊的向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的CAN包數(shù)與網(wǎng)關(guān)模塊收到包數(shù)的差值_DltRcv
標(biāo)號5為IO模塊的向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的CAN包的間隔時間，單位為毫秒
標(biāo)號6為IO模塊的的溫度（IO模塊需配 DS18B20溫度傳感器）
標(biāo)號7為IO模塊的變量配置正確與否
標(biāo)號8為IO模塊的的通信正常與否

標(biāo)號4_DltRcv正常運行應(yīng)為定值，如持續(xù)變化，表示CAN通信有丟包，需檢查通信線接線，或在CAN網(wǎng)絡(luò)中增加個中繼器
標(biāo)號1總實時負(fù)載如大于總線速度的1/3，可調(diào)大網(wǎng)絡(luò)CAN通信速度、調(diào)大IO節(jié)點模塊的MXPD/MNPD參數(shù)；

6.2. 開發(fā)板IO節(jié)點模塊的具體Web頁面監(jiān)控介紹：

開發(fā)板含6DI（Dip開關(guān)）+6DO（Led）+AI（旋鈕）+AO（Led電壓輸出）
6點DI，DIWL=1(1個WORD)；6點DO（Led），DOWL=1(1個WORD)；
4點AO，AOWL=4(4個WORD)；16點AI，AIWL=16(16個WORD)；

圖中的AI[xxx]為Modbus寄存器地址，用以太網(wǎng)Modbus上位軟件可讀出這些寄存器變量；
通過Web頁面測控開發(fā)板的DO、AO時必須斷開CANWeb網(wǎng)絡(luò)與用戶控制器的通信?。。。。。。。。。。。?！

1) DI 狀態(tài)Web監(jiān)視：6個DIP 撥碼 DI輸入

點選上圖標(biāo)號1，點2，點3，可調(diào)出“節(jié)點DI顯示頁面”,改變開發(fā)板DIP開關(guān)的狀態(tài)，點擊 下圖“刷新按鈕”，可觀察DI 的變化。

2) DO開關(guān)Web輸出：6個Led 顯示開關(guān)輸出

點選上圖標(biāo)號1，點2，點3，可調(diào)出“節(jié)點DO操控頁面”,改變下圖開關(guān)量輸出狀態(tài)（點選標(biāo)號1），點擊 下面 標(biāo)號2“刷新并發(fā)送CAN包按鈕”，可觀察開發(fā)板上對應(yīng)的Led 的變化。

3) AI模擬量輸入Web監(jiān)視：

通過一個電位器旋鈕，可給AI輸入不同電壓

點擊下圖“刷新按鈕”可觀察大Web頁面的輸入電壓的變化。

4) AO模擬量輸出Web控制：

點選上圖標(biāo)號1，點2，點3，可調(diào)出“節(jié)點AO操控頁面”,改變下圖AO輸出值（標(biāo)號1），點擊 下面 標(biāo)號2“刷新并發(fā)送CAN包按鈕”，可觀察開發(fā)板上對應(yīng)的AO 輸出的電壓變化，如輸入2000。

開發(fā)板上的Led電壓測量模塊可輸出電壓的改變，如下圖，電壓為 2.00V。

7. 國產(chǎn)自主現(xiàn)場總線CANWeb應(yīng)用案例：

下圖為1個大型電廠的溫度采集系統(tǒng)，分2路CANWeb總線，每路帶62個8路熱電偶IO模塊，共992個溫度采集點,CAN總線冗余，網(wǎng)關(guān)模塊冗余，通過2路冗余光纖RS485送電廠DCS，數(shù)據(jù)刷新周期小于500毫秒，詳細(xì)說明請在線索取

CANWeb_IO模塊安裝RTU箱實物圖：系統(tǒng)接線槽與對外接線槽分開
系統(tǒng)接線槽用高65mmX寬25mm，對外接線槽用高65mm 寬>=40mm
每個RTU箱內(nèi)預(yù)留 1個CANWeb中繼器的位置

RTU箱有2組電源(V24-/V24+)供電接線端子，規(guī)定左第1組供電，右第2組供電；
RTU箱有有2組CAN（Z/L/H）接線端子，將距CANWeb網(wǎng)關(guān)近的CAN接線端子組定義為CAN進(jìn)線接線端子組，距CANWeb網(wǎng)關(guān)相對遠(yuǎn)的CAN接線端子組定義為CAN出線接線端子組，用戶根據(jù)現(xiàn)場安裝的實際情況來定義并必須進(jìn)行標(biāo)注，如上圖。

冗余網(wǎng)關(guān)模塊CANWeb_GW安裝實物圖

通過1根8芯單模光纖線纜將2個以太網(wǎng)、2個RS485 連接到電廠DCS集控室
通過2根1mm^2的2芯對絞屏蔽線將多個RTU箱串接連接
屏蔽線屏蔽層在網(wǎng)關(guān)箱內(nèi)單點接地，如下圖

審核編輯 黃宇