CN116668227A - 现场总线的布线方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及总线网络型数据交换网络领域，具体为一种现场总线的布线方法。一种现场总线的布线方法，包括现场总线仪表、控制器、监控‑组态计算机、现场总线线路和现场总线网卡，所述的现场总线仪表、控制器、监控‑组态计算机分别通过现场总线线路连接至现场总线网卡，现场总线网卡通过现场总线线路连接至网络，监控‑组态计算机内安装通信协议，其特征是：按如下步骤依次实施：配置MST主站；配置WTCAN中继器；配置SIO从站产品；定制WTCAN产品；定制SIO从站设备。本发明全数字化，全分布，节省空间，产品可直接安装于工业现场的信号附近，节省大量的信号电缆和补偿导线，简化工程设计，缩短施工周期和减少施工费用，且使用组建灵活，扩展方便。

Description

现场总线的布线方法
技术领域
本发明涉及总线网络型数据交换网络领域，具体为一种现场总线的布线方法。
背景技术
工业物联网将现场总线、以太网、无线技术融合到控制网络中，保证了系统的稳定，增强了系统的开放性和互操作性，完善了信息服务。工业物联网通信领域目前包括工业以太网、现场总线和工业无线这三大主流技术。
工业以太网：速度快，可达100MBPS～1GBPS，可传送大数据包，通过网线（专用4对双绞线）或光纤通信，用于控制器、人机界面、编程器、现场总线网关等设备之间通信，接口成本高；因此，以太网不是真正的工业现场总线。
现场总线：速度一般在1MBPS左右，传送小数据包，通过双绞线通信，用于控制器、现场总线网关、现场总线仪表、现场总线执行机构、变频器、远程IO模块、现场总线中继器等设备之间通信，接口成本低；
在国内广范使用的RS485通信总线，因为只支持单主站\多从站排队轮询问答协议，从站设备多时，实时性不能保证， RS485长距离通信易丢包、易被干扰，也不能称为真正意义上的现场总线。
CAN总线：编程复杂，需对CAN包拆包、并包，并对Id的过滤进行设置；CAN总线的高层协议是现场总线，如CANWeb、CANOpen、DeviceNet、J1939、ISO11783、CANKingdom、SDS、iCAN等。
目前，现场总线存在如下缺陷，限制了这一技术的推广应用，使得这一技术仅在大型企业得到部分应用，在中小型企业中非常少见：
1. 开发成本高、开发技术门槛高；
2. 硬件成本高，没有能正真降低工程成本；
3. 使用、配置、调试、测试、管理不方便；
4. 现场总线的可靠性问题： 单总线不可靠；
5. 和现成控制器接口网关成本高及技术支持不到位。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种全数字化、全分布、节省空间的数据交换网络，本发明公开了一种现场总线的布线方法。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种现场总线的布线方法，包括现场总线仪表、控制器、监控-组态计算机、现场总线线路和现场总线网卡，所述的现场总线仪表、控制器、监控-组态计算机分别通过现场总线线路连接至现场总线网卡，现场总线网卡通过现场总线线路连接至网络，监控-组态计算机内安装通信协议，其特征是：按如下步骤依次实施：
配置MST主站：
MST主站是WTCAN现场总线的网关模块，通过MST主站用以太网、RS485、PROFIBUS、CAN、I2C、SPI与每个CAN节点实时快速通信；并通过MST主站的Web浏览器配置、调试、测试、管理从站节点，通过以太网控制器连接，通过互联网与固定IP云服务器连接；定制多网口MST； WTCAN总线的高层协议编程简单，调用几个函数就能完成，调试方便，通过网页浏览器就能监控总线数据的变化。
配置WTCAN中继器：WTCAN中继器采用高速32位微处理器，2个CAN口各有一个1500帧FIFO发送缓存；在1MBPS的工作状态下，转发速率不低于10000帧/秒且帧转发延时<0.1ms；智能过滤Id，分支CAN总线的SIO数据单向与主支CAN总线的MST通信；2000V光电隔离；
配置SIO从站产品：通用的DI、DO、AI、AO远程IO模块，主推WTCAN485/232网关：
变频器网关：大量减少变频器硬接线，并可获得更多的参数，如功率、三相电压、电流、故障码等；
智能电量变送器网关：可获得更多的参数，如功率、3相电压、电流、故障码等；
智能气体流量变送器网关：气体流量变送器的量程范围很大，如量程为0.015m3/h～100m3/h，通过4mA～20mA很难测量，可获得更多的参数，如温度、压力等；
通过WTCAN485/232网关可将现在市面上大量的智能仪表迅速转化为“现场总线智能仪表”；
定制WTCAN产品；
定制SIO从站设备：仪表、执行机构、远程IO、楼宇自动化。
所述的现场总线的布线方法，其特征是：配置MST主站的内容包括1个以太网、一个RS485、2个冗余CAN。
现场总线WTCAN主要用于替代国内广泛使用的RS485、232通信，WTCAN节点价格与RS485类似，但性能、可靠性却是天壤不同，见下表，是国内、甚至是国际上性价比最好的替代RS485通信的最佳方案，是绝对的技术蓝海；
通过MST的标准的以太网或RS485modbus协议可以和PLC、上位机高速交换数据。
通过MST的UDP数据主动上下传功能，可方便与互联网上的固定IP云服务器实时交换数据，是当下最流行的“物联网”、“云计算”概念。
用户可在此冗余双CAN开发板(含4个DI/3个DO/1个AI/1个AO)的PCB文件及Keil源程序基础上，轻松、快捷开发自己的WTCAN总线产品，如多通道DI、DO、AI、AO模块、温度、压力现场智能仪表、电动调节阀、电磁阀、电量表、RS485网关（可与RS485的设备通信）等设备。
企业生产逐步从传统工业模式向“智能和智慧”方向转型的根本就是不断提升基层生产设备的数字化和信息化技术，同时需要对设备的实时状态信息采集、传输和处理，以达到对生产设备状态实时监测和控制，为实现智能和智慧化打下坚实的基础。对生产设备状态的实时数据采集和传输是实现智能化变革的重要环节，WTCAN现场总线的布线方法就是对生产设备状态实时数据采集和传输方法的一种，是架构在成熟CAN技术上的高层通讯协议上开发出来的高性价比的现场总线网络集成技术，适用工业物联网中设备运行数据的采集和传输，特别适用大型发电机组的常规温度群测点（锅炉金属壁温、发电机线圈铁芯温度、汽缸壁温、辅机线圈温度群等）的监控，也可广泛应用于冶金、石化、环保、轻工等其他行业的数据监控系统。方法中充分考虑工业现场数据采集的需要，采用最新微电子技术及全新表面贴装工艺自主研发及生产的高性能远程智能I/O 产品，可完成分散在工业现场的各类信号的连续高精度测量，且具有测量精度高、抗干扰能力强、接口开放性好、传输距离远、使用简单灵活、安装扩充方便、自动环境补偿和便于系统组态等一系列优点。其中MST主站和SIO从站采用全隔离模块化设计，电源、网络、数字部分、模拟部分、通道相互电气隔离，且通道之间采用电气隔离，可应用在强电磁场、高温环境、雷电、高电压、非屏蔽电缆、远程通讯等场合。
本发明的现场总线技术具有如下特点：
1. 数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4mA～20mA，0～5V等信号）和开关量信号；
2. 在车间级与设备级通信的数字化网络；
3. 现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；
4. 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场；
5. 在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。
作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统（即Fieldbus Control System，简称FCS）必将成为工业自动化的主流。
本发明的现场总线控制系统有如下优点：
全数字化：
将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有在FCS出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。
全分布：
在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。
双向传输：
传统的4mA～20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。
自诊断：
现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。
节省布线及控制室空间：
传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。
多功能仪表：
数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。
开放性：
1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。
互操作性：
现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。
智能化与自治性：
现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。
现场总线系统的功能安全评价大体分以下几点：
(一) 现场总线系统完成的功能
现场总线系统所起的作用是通信，它包括一组硬件和软件，允许两个或多个装置之间信息交换。在受控过程中，它不应该传播或建立会产生危险情形的错误:它应能找出数据的讹误，保证实时数据的传送，传递应有序，避免混乱。同时应能随时了解可能出现的故障状态，避免出现因通信错误触发不合理的安全动作，例如使过程在不该停止时停了下来，或使过程在出现故障时还继续工作等。
(二) 现场总线系统安全功能评价的方法
要证明一个系统或子系统是否可以用在安全领域，是否符合IEC61508标准，有两个途径:一是按照IEC61508的原则设计一个新系统;二是沿用以前已经使用并证明是安全的系统，用"proven in use"方法来验证。现场总线系统的功能安全评价一般都采取第二种方法。这是一个在"使用中证实"的概念。如果一种产品或系统已经在使用中，只要供应商有足够的证据证明它是安全的，那么以后相同的产品或系统就允许应用在同等安全的领域。
IEC61508中提出的这种"proven in use"的概念对于供应商和用户都有极大的激励作用。目前世界上此重要的设备供应商都开始对自己的产品进行这方面认证工作。但"Proven in use"实际上有很严格的限制条件：
(1) Proven in use方法只能用于那些满足相关要求的功能和接口子系统；
(2) 子系统的工作条件与原子系统的工作条件完全相同或十分相近；
(3) 如果子系统的工作条件不同，则需要用分析和测试的方法来论证该系统的功能安全完整性可能达到的水平，以保证该系统可用于安全领域；
(4) 声明的失效率有足够的统计学数据基础；
(5) 收集有足够的失效数据；
(6) 考虑了子系统的复杂性，子系统对风险降低的贡献，子系统失效对整个系统可能造成的后果，新设计等。
附图说明
图1是本发明的拓扑示意图，
图2是本发明中网关结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种现场总线的布线方法，包括现场总线仪表、控制器、监控-组态计算机、现场总线线路和现场总线网卡，如图1和图2所示：所述的现场总线仪表、控制器、监控-组态计算机分别通过现场总线线路连接至现场总线网卡，现场总线网卡通过现场总线线路连接至网络，监控-组态计算机内安装通信协议，按如下步骤依次实施：
配置MST主站：最全可配1个以太网、一个RS485、2个冗余CAN；
MST主站是WTCAN现场总线的网关模块，通过MST主站用以太网、RS485、PROFIBUS、CAN、I2C、SPI与每个CAN节点实时快速通信；并通过MST主站的Web浏览器配置、调试、测试、管理从站节点，通过以太网控制器连接，通过互联网与固定IP云服务器连接；定制多网口MST；WTCAN总线的高层协议编程简单，调用几个函数就能完成，调试方便，通过网页浏览器就能监控总线数据的变化。
配置WTCAN中继器：WTCAN中继器采用高速32位微处理器，2个CAN口各有一个1500帧FIFO发送缓存；在1MBPS的工作状态下，转发速率不低于10000帧/秒且帧转发延时<0.1ms；智能过滤Id，分支CAN总线的SIO数据单向与主支CAN总线的MST通信；2000V光电隔离；
配置SIO从站产品：通用的DI、DO、AI、AO远程IO模块，主推WTCAN485/232网关：
变频器网关：大量减少变频器硬接线，并可获得更多的参数，如功率、三相电压、电流、故障码等；
智能电量变送器网关：可获得更多的参数，如功率、3相电压、电流、故障码等；
智能气体流量变送器网关：气体流量变送器的量程范围很大，如量程为0.015m3/h～100m3/h，通过4mA～20mA很难测量，可获得更多的参数，如温度、压力等；
通过WTCAN485/232网关可将现在市面上大量的智能仪表迅速转化为“现场总线智能仪表”；
定制WTCAN产品：
定制SIO从站设备：仪表、执行机构、远程IO、楼宇自动化。

Claims (2)

1.一种现场总线的布线方法，包括现场总线仪表、控制器、监控-组态计算机、现场总线线路和现场总线网卡，所述的现场总线仪表、控制器、监控-组态计算机分别通过现场总线线路连接至现场总线网卡，现场总线网卡通过现场总线线路连接至网络，监控-组态计算机内安装通信协议，其特征是：按如下步骤依次实施：
配置MST主站；
MST主站是WTCAN现场总线的网关模块，通过MST主站用以太网、RS485、PROFIBUS、CAN、I2C、SPI与每个CAN节点实时快速通信；并通过MST主站的Web浏览器配置、调试、测试、管理从站节点，通过以太网控制器连接，通过互联网与固定IP云服务器连接；定制多网口MST；
配置WTCAN中继器：WTCAN中继器采用高速32位微处理器，2个CAN口各有一个1500帧FIFO发送缓存；在1MBPS的工作状态下，转发速率不低于10000帧/秒且帧转发延时<0.1ms；智能过滤Id，分支CAN总线的SIO数据单向与主支CAN总线的MST通信；2000V光电隔离；
配置SIO从站产品：通用的DI、DO、AI、AO远程IO模块，主推WTCAN485/232网关：
变频器网关：减少变频器硬接线，并获得功率、三相电压、电流和故障码这些参数；
智能电量变送器网关：获得功率、3相电压、电流和故障码这些参数；
智能气体流量变送器网关：获得温度和压力参数；
定制WTCAN产品；
定制SIO从站设备：仪表、执行机构、远程IO、楼宇自动化。
2.如权利要求1所述的现场总线的布线方法，其特征是：配置MST主站的内容包括1个以太网、一个RS485、2个冗余CAN。
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