1.4.3 PLC网络事实标准
PLC网络可参考的除了行业标准,更有力的标准还是一些大公司为主的协会开发的网络标准。由于这些标准有大公司的经验及相应的协会支持,同时,与现场总线的标准还有共通,而且随着网络技术的进步,还在不断地扩充、修改与完善。因而有相当大的生命力与覆盖面。也往往成为事实标准。这些标准及行业协会有:
1.DeviceNet标准
DeviceNet标准在1994年问世,由美国开发与生产PLC的著名厂家——Rockwell公司开发,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。于1995年,DeviceNet成为国际标准IEC62026-3《低压开关设备和控制设备控制器设备接口》,后又被列为欧洲标准,在北美及亚太地区都有日益广泛的应用,也是实际上的亚洲和美洲的PLC设备网标准。
DeviceNet总线由DeviceNet总线的组织机构,即“开放式设备网络供货商协会”,简称ODVA(Open DeviceNet Vender Association)负责推广。ODVA是一个独立组织,管理Devi-ceNet技术规范,促进DeviceNet在全球的推广与应用。ODVA实行会员制,会员分供货商会员(Vender Members)和分销商会员(Distributor Member)。ODVA现有供货商会员300多个,其中包括ABB、Rockwell、PhoenixContacts、OMRON、Hitachi、Cutler-Hammer等几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商。
2002年10月8日DeviceNet被批准为中国国家标准GB/T18858.3—2002,并于2003年4月1日开始实施。标准名称为《低压开关设备和控制设备控制器—设备接口(CDI)第3部分:DeviceNet》。我国的ODVA组织(ODVACHINA)是中国电器工业协会通用低压电器分会现场总线(DeviceNet)工作委员会的简称,由上海电器科学研究所牵头成立,目前正积极推广该技术。
DeviceNet设备层的网络。可将基本工业设备(如限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、物料流量计、电子秤、显示器和操作员接口等)与PLC连网,从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。在减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间的同时,还提供有设备级诊断功能。据统计报告,已有超过40%的最终用户在他们的网络中选择使用了DeviceNet。
除了DeviceNet,OBVA组织还开发了用于控制层的ControlNet网络。它在同一物理层介质链路上提供时间关键性I/O数据和报文数据,以及程序的上传/下载,组态数据和端到端的报文传递等通信支持。它使用隐式令牌网技术,具有确定性、可重复性、可靠性、同步性、协调性和实时性。ControlNet已为成为AB PLC控制网络的主体。其基本原则也被OM-RON PLC控制网(ControlNet Link)所采用。
随着以太网技术的进步,ODVA还开发有主要用于信息层,同时也可用于控制层与设备层的EtherNet/IP标准。它定义了一个开放的工业标准,将传统的以太网与工业协议相结合。该标准是由国际控制网络(ControlNet International,CI)和开放式设备网络供货商协会(ODVA)在工业以太网协会(Industrial Ethernet Association,IEA)的协助下联合开发的,并于2000年3月推出。EtherNet/IP是基于TCP/IP系列协议,因此采用以原有的形式OSI层模型中较低的4层。所有标准的以太网通信模块,如PC接口卡、电缆、连接器、集线器和开关都能与EtherNet/IP一起使用。
2005年,ODVA为适应“位”一级数据可靠通信的需求,还推出CompoNet网络,以满足在众多传感器与执行器之间的应用需求。不过AB公司目前还没有这样的产品。倒是OM-RON公司捷足先登,于2006年就推出这个网络。
以上4种网络组成CIP(Common Industrial Protocol,原称为控制和信息协议)网络家族。其顶层都使用通用工业协议CIP。这个协议包含了面向各种制造自动化应用的信息和服务组合,其中包括控制、安全、同步、运动控制、配置以及信息。作为与传输媒介无关的独立协议,被世界上数以百计的开发商所支持,CIP给制造业用户带来了统一的通信架构。它的EtherNet/IP还可用于网络实时控制,可集成到设备级,能给用户提供诸多优势。同时,这个网络家族可通用配置,可跨越几个网络及收集和控制数据,并连到全球互联网或公司内部网,在所有工作级上提供连续的信息流。EtherNet/IP为用户提供网络工具,使他们能够在因特网以及企业内网上以标准的以太网技术来设置其制造应用要求,所得到的结果是:无论何时何地都可获取数据信息。
2.Profibus标准
Profibus由德国13家工业企业及5家研究所于1984年开始研制,20世纪90年代初成为德国国家工业现场总线协议标准,代号DIN19245。1996年经欧洲电工委员会批准被列为欧洲标准EN50170。根据欧洲标准化规则,EN50170于当年自动地在法律上得到欧洲所有国家标准化机构的认可。德国注销了原有的Profibus国家标准DIN19245,以EN50170取而代之。从现在起,欧洲所有公开的招标都是在EN50170的基础上进行的。EN50170在保护投资方面为生产厂家和用户提供了一个最高的标准。
Profibus提供一个从传感器一直到管理层的透明网络。正因为如此,Profibus可以在许多方面——从汽车工业、机器制造业、食品工业、运输业直到环保工程等获得应用。作为开放式通信系统工业标准,Profibus现场总线公布了网络各层协议的所有规范。按照这些规范设计设备网络接口,不同的设备可以实现网络互连。这给控制设备的生产厂家、系统设计安装调试单位和用户带来了极大的方便。
目前PNO(Profibus用户组织)已拥有600多个成员,生产近千种产品。Profibus的核心公司为:Siemens公司,E+H公司,Samson公司,Softing公司等。根据1997年统计,世界上已有100多万台Profibus仪表在自动化设备中应用,而且每年增长20%~30%。目前,世界上约有650家厂商加入了Profibus用户协会并提供上千种Profibus产品。以著名的西门子公司为例,它可提供100多种Profibus产品,并已经把它们应用在中国的许多自动控制系统中。
为在中国推广应用Profibus标准,Profibus中国用户协会于1997年7月成立。协会的会员由生产厂商(包括国际Profibus用户协会成员在中国开办的合资或独资企业)、科研单位、学校、厂矿企业及其他用户组成。协会的宗旨是竭诚为广大用户服务,通过举办技术讲座及发行不定期内部刊物等手段介绍国际国内Profibus发展及应用的最新动态,宣传和介绍有关生产厂家的最新产品及应用实例,促进用户之间的信息交流。2001年11月2日Profibus协议被正式批准为中华人民共和国机械行业标准JB/T 10308.3—2001。
此外,Profibus国际组织(Profibus International,PI)后来又推出Profinet。是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新,Profinet为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案,可覆盖诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域,并且作为跨供应商的技术,可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如Profibus)技术,以保护现有投资。
在底层的设备网络,还有流行于欧洲的AS-i(操作器传感器接口)标准,使用得也很广泛。
3.CC-Link标准
CC-Link(Control&Communication Link)全称为控制与通信总线,是1996年11月以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了的现场总线标准。它不但具备高实时性、分散控制、与现场设备通信、RAS等功能,而且依靠与诸多现场设备制造厂商的紧密联系,提供开放式的环境。
2002年,CC-Link/LT问世。它可与CC-Link无缝连接。擅长于位通信,可接小规模的(1~16点)通信模块。提供更简单的接线、更小的I/O尺寸、更低的接线成本,面向小点数的分散系统,适用于传感器-执行器层的网络。(https://www.daowen.com)
2003年,CC-LinkVer.2.0推出。在原来CC-Link的基础上,将数据通信容量最大扩大了8倍,满足了仪表和控制中的“多路模拟-数字数据通信”等需要大容量和稳定的数据通信领域的要求,增加了它的吸引力。
随着以太网技术进步及其在PLC中的应用,CC-Link协会还最新提出了基于以太网的整合网络“CC-LinkIE”,不但可以控制,而且可以进行设备管理(设定、监视),设备维护(监视和故障检测),数据收集(动作状态)等。不仅能满足当今飞速发展的制造业对高速且大容量的工业用网络的需求,而且也能很好地实现从信息层到现场网络的纵向整合,提供了从信息层到现场设备级网络的无缝通信。
为了开展CC-Link现场总线在全球的普及和推进工作,2000年10月,Woodhead、Cont-ec、Digital、NEC、松下电工、三菱等6家常务理事公司发起,在日本成立了独立的非盈利性机构“CC-Link协会”(CC-Link Partner Association,CLPA)。截止2004年1月,CLPA会员累计达550家公司,其中海外会员达278家,已累计推出551种CC-Link兼容产品。至2003年,全球已累计销售217万个CC-Link站点。
于2001年4月,CLPA在中国设立CC-Link推广中心(CC-Link Promotion Center,CLPC),负责中国(包括香港地区)的CC-Link技术全面推广和对CC-Link成员的支持工作。2008年12月27日,中国自动化学会集成自动化技术专业委员会控制与通信网络CC-Link工作组(CLPA China)在上海成立。CLPA China将作为在中国发展与推广CC-Link技术的主要机构,负责CC-Link中国会员的发展、常规会员兼容产品的开发、一致性测试的实施以及CC-Link在中国的普及推广,同时将依托专委会的平台,促进CC-Link与中国国内高等学府、设计院、企业和自动化各界展开更广泛深入的合作。
4.Modbus标准
Modbus由美国Modicon公司(后被法国施耐德电气公司收购,现为后者的一个品牌)在1978年发明,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。截至2004年,Modbus的站点安装数量已经超过了800万个,且75%的产品为非施耐德电气产品。安装的地区遍及世界各地。Modbus的巨大成功,可以归结到以下4个方面:
(1)标准开放
用户可以免费、放心地使用,不用交纳许可证费,也不会侵犯知识产权。
(2)面向消息的协议
可以支持多种电气接口,如RS-232、RS-422、RS-485等,还可以在多种介质上传送,如双绞线、光缆、无线射频等。要说明的是:和很多的现场总线不同,它不用专用的芯片与硬件,完全采用市售的标准部件。这可保证采用Modbus的产品造价最为低廉。
(3)协议的帧格式是最简单、紧凑、高效、通俗易懂
用户使用容易,厂商开发简单。用户和厂商可以通过www.Modbus-IDA.org网站和其他网站,下载各种语言的样例程序、控件,以及各种Modbus工具软件,更好地使用Modbus。
(4)具有安全可靠的通信能力
1989年Modicon公司在Modbus基础上又开发推出了新一代的Modbus+网络,以满足用户和市场的需求。Modbus+也以Modbus为基础,它采用了令牌传递、对等方式、即插即用的网络结构,为用户提供了更快的工业网络。
1998年施耐德公司又推出了新一代基于TCP/IP以太网的ModbusTCP,目的是满足用户和市场的进一步要求。ModbusTCP是第一家采用TCP/IP以太网用于工业自动化领域的标准协议,是至今唯一获得IANA赋予TCP端口的自动化通信协议。因特网上前1000个端口都已分配给著名的、公开的通信协议,如80号口分配给了著名的HTTP(超文本传输协议),供因特网浏览器使用。这说明,ModbusTCP是标准的、开放的、免费的通信协议,这也秉承了施耐德公司的一贯做法,为用户提供了新的选择。
ModbusTCP的应用层还是采用Modbus协议,简单高效;传输层使用TCP协议,并使用TCP502号口,用户使用方便,连接可靠;网络层采用IP协议,因为因特网就使用这个协议寻址,故ModbusTCP不但可以在局域网使用,还可以在广域网和因特网上使用。
要强调的一点的是,ModbusTCP全部采用标准的以太网硬件!因为目前一些厂商对标准以太网进行了改进,所以不能使用市售的产品,势必增加了用户成本,而施耐德向用户承诺:决不使用特殊硬件,确保用户选择的自由度。
目前的ModbusTCP以太网的速度为10M/100Mbit/s,大大提高了数据传输能力。除此之外,施耐德的以太网解决方案TCP/IP以太网还为用户提供了更多的服务,如I/O扫描、全局数据、故障设备替换、网络管理、电子邮件报警、时钟同步等功能,为用户带来更多的附加值。
为了更好地普及和推动Modbus在基于以太网上的分布式应用,目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA(Interface for Distributed Automation,分布式自动化接口)组织(总部设在美国),并成立了Modbus-IDA组织,为Modbus今后的发展奠定了基础。
Modbus-IDA组织是一个非盈利、独立的、基于web的社团。其任务是鼓励自动化设备的独立使用者和制造商,采用Modbus通信协议,使用分布式自动化架构,为多个市场提供相应的产品。Modbus-IDA将提供基础平台,使用户能得到和共享协议、应用和认证信息,最终降低使用的成本。
在我国国内也有很多的用户,如和利时PLC,就支持和使用Modbus的标准。2008年,《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》正式成为国家标准,编号为GB/T 19582—2008。Modbus成为国家标准后,用户将极大地受惠于使用国家规范的服务;自动化生产厂家所生产的设备将在全球范围畅通无阻。