南京西门子代理商

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在传统的自动化工厂中，位于生产现场的许多设备和装置，如：传感器、调节器、变送器、执行器等都是通过信号电缆与计算机、PLC相连的。当这些装置和设备相距较远、分布较广时，就会使电缆线的用量和敷设费用大大地增加，造成了整个项目的投资成本增加、系统连线复杂、可靠性降低、维护工作量增大、系统进一步扩展困难等问题。因此人们迫切需要一种可靠、快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线，将分散于现场的各种设备连接起来，实施对其监控。现场总线（Field Bus）就是在这种背景下产生了。
1 现场总线的概念
    根据国际电工**IEC标准和现场总线基金会FF（Fieidbus Foundation）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络。也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的，数字化，智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络，不同现场设备之间可以信息共享。现场设备的各种运行参数状态信息以及故障信息等通过总线传送到远离现场的控制中心，而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备，从而建立起了具有自动控制功能的网络。
    现场总线的节点是现场设备或现场仪器，但不是传统的单功能的现场仪器，而是具有综合功能的智能仪表。例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能；调节阀的基本功能时信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、自效验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。
    现场总线不仅是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）代替传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System），实现现场通信网络与控制系统的集成。
2 现场总线的发展
    现场总线始于20世纪80年代，到90年代其技术日趋成熟，并受到世界各自动化设备制造商和用户的广泛关注。它成为自动化技术发展的热点，并导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
    一般把控制系统的发展分为五代。
    1) **代控制系统：50年代前的气动信号控制系统PCS。
    2) *二代控制系统：4~20mA等电动模拟信号控制系统。
    3) *三代控制系统：基于数字计算机的集中式控制系统。
    4) *四代控制系统：70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。
    5) *五代控制系统：以开放性、分散性与数字通信为特征的现场总线控制系统FCS。
    PLC的生产商也将现场总线技术应用于各自的产品之中，构成工业局域网的底层，使得PLC网络实现了真正意义上自动控制领域发展的一个热点，给传统的工业控制技术带来了有一次。
3 现场总线的主要特点
    1) 全数字化通信：采用现场总线技术后只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备（智能化的、具有通信口）连接起来，提高了信号传输的可靠性。
    2) 系统具有很强的开放性：这里的开放是指对相关标准的一致性和公开性，用户可按自己的需要和对象，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
    3) 具有强的互可操作性与互用性：实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信，不同生产厂家的性能类似的设备可以进行互用。
    4) 现场设备具有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。
    5) 系统结构的高度分散性：由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中于分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构。
    6) 对现场环境的适应性：工作在现场设备，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持多种转输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送点与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
4 几种主要的现场总线协议及其特点
    现场总线发展的较初，各个公司都提出自己的现场总线协议，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一。针对制造业自动化，DeviceNet在北美和日本用得比较普遍，PROFIBUS-DP在欧洲用得比较普遍。针对过程自动化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场。
    下面介绍几种主要的现场总线协议及其特点。
    1) PROFIBUS
    PROFIBUS是在1987年，由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量，按照ISO/OSI参照模型制订的现场总线的德国国家标准，并已成为欧洲标准EN50170，主要由拥有400多个公司成员的PROFIBUS用户组成（PNO）进行管理。
    PROFIBUS有3部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。
    2) DeviceNet
    DeviceNet（设备网）是一种低价位的总线，较初由AB公司设计，现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议，可连接自动化生产线系统中广泛的工业设备。它的管理组织ODVA由**多家公司组成，提供设备网的产品、支持设备网规范的进一步开发。
    DeviceNet能够降低设备安装的费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通信。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更强大的通信功能，支持除了主-从方式之外的，多种通信方式，可以更灵活地应用于控制系统中。
    3) Foundation Fieldbus
    高级过程控制现场总线Foundation Fieldbus（基金会现场总线）是针对过程自动化而设计的，它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。Foundation Fieldbus通信不是简单的数字4~20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它可连接执行简单的闭环算法（如PID）的现场智能装置，一个通信段可配置32各现场装置。
    4) LonWorks
    LonWorks（Local Operating Network）由美国Ecelon公司推出，它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bit/s至15Mbit/s不等，直接通信距离可达2700m（78kbit/s，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光线、射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。
    5) CAN
    CAN是控制网络Control Area Network的简称，较早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。
    CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，但其模型结构只有三层：OSI底层的物理层、数据链层和**层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信频率较高可达1Mbit/s/40m，具有较强的抗干扰能力。
   6) HART
    HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。较早由Rosemout公司开发并得到80多家*仪表公司的支持。HART通信模型也是由三层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用了FSK（Frequency Shift Keying）技术，在4~20mA模拟信号上叠加一个频率信号，速率为1200bit/s，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。
5 PROFIBUS简介
    各类现场总线协议具有各自的特点及应用领域，为进一步说明现场总线技术的特点，以下对PLC系统中应用较广泛的PROFIBUS作一简要介绍。
    5.1 PROFIBUS的组成
    PROFIBUS主要由三个相互兼容的部分：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP组成。
    1) PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：一种高速（速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足快速响应的时间要求；位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS-DP同分散的现场设备进行通信。
    2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是专为过程自动化所设计的协议，可用于安全性要求较高的场合。
    3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于车间级监控网络，FMS提供大量的通信服务，用以完成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围，复杂的通信系统。
    5.2 PROFIBUS协议结构
    PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，**层为物理层，定义了物理的传输特性；*二层为数据链路层；*三层至*六层PROFIBUS未使用；*七层为应用层，定义了应用的功能。
    PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信标准中的**及*二层（即物理层和数据链路层）和用户接口层。*三层到*七层未使用，这种的精简的结构确保高速。直接数据链路映像程序（DDLM）提供对*二层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行动特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于PLC与现场级分散的I/O设备之间的通信。
    PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参数模型的**层相同，采用EIA-RS485协议

物联网(IoT)是一种以太网为基础的网络。基于传感器和无线通信技术(例如蓝牙、Wi-Fi、 ZigBee等),我们可以将这些技术组合在一起，以实现大规模的物联网应用。这使我们能够创造并利用我们正在使用的设备。与物联网设备密切相关的 MQTT网关是工业物联网平台重要部分。什么是 MQTT网关？MQTT网关是一种用于管理工业物联网设备数据源和网关、控制域、通信协议等方面的嵌入式应用软件中关键应用程序的**网络装置。
 
1、 MQTT网关主要功能是通过三个关键网络通道连接设备和传感器数据，例如 PLC、电机、传感器和其他设备，使设备能够实时获取传感器的实时信息。
 
在这三个网络中，设备的每个节点都可以被分配一个“通信”通道，该通信通道通过传感节点发送连接到设备和传感器的命令。然后，传输到设备，从而控制网络。如果他们不与控制器进行通信，则网络可以关闭并将其重定向到传感器和控制器之间的连接，或者当没有数据时，物联网控制器将返回命令发送给传感器结果。
 
工业物联网平台是如何处理 MQTT网关？MQTT网关解决了工业物联网中所涉及的通信问题，例如与数据源之间互联传输和控制任务所需的数据量与速度等问题。当需要时，可以实现自动化或提高产量，而不需要大量人工进行分析和处理。和控制对不同工业行业来说是一个复杂的问题。MQTT网关支持工业标准协议、工业级传感器和控制环境模拟等多方面要求，具有更高的性能指标和更。通过与标准网络进行连接可以降低设备成本，提高能源效率并改善现场环境体验；另外有大量需求可以通过 MQTT网关实现数据与云相结合满足工业物联网平台在部署时对数据安全的需求。
 
2、 MQTT网关通过实时应用程序传输各种关键网络功能，例如远程故障诊断、报警信息、以及向第三方传输信号。
 
MQTT网关可以用来进行以下操作：I/O:确保连接到无线通信网络。通过对网络进行实时更新，监控和控制 IoT设备。控制域：通过对 IoT设备与 MQTT网关建立连接。例如，当有人连接到网关时，网关将通知发送到控制器；发送到网关；在没有通知时发送消息；使用自动更新连接到控制器时发送新消息到第三方。MQTT网关可实现所有这些功能。IoT网络节点还可以连接到一个节点，使其成为一个独立的系统。
 
当有新数据出现时，该数据可能会以其它方式传输到服务器并发送到网络中/目的设备上。在所有状态下，该数据都在网关中存储，因此这使得操作更容易实现。例如, MQTT网关可以在应用程序中访问任何状态数据、通信设置和控制策略及其相关功能，并发送通信和控制命令/执行动作。我们也可以访问这些信息并通过服务器向外部访问这些数据。此外，他们还可以根据它们来改变功能以适应本地环境和任务的需求。在这样做的同时执行许多不同的功能：随着网络设备增加可以使用不同类型网络架构来解决各种各样的问题；例如分布式传感器用于收集信息并使其更具竞争力；用于工业物联网行业自动化的 MQTT网关以及这些设备用于通信。
 
3、 MQTT网关可以连接到整个物联网平台上的各种物联网设备与数据源、边缘计算设备、传感器等智能终端设备互联、实时通信，通过无线通信技术实时监控和处理物联网设备产生的数据、各种数据，实时为其提供数据处理服务。
 
MQTT网关能够从物联网平台上收集的数据中提取有用信息，以实现真正有效的预测、优化生产。该分析可通过设备之间发送和接收信息来实时监控设备的状态，或通过传感器收集设备发出的信号进行处理。同时，它也可以作为一个整体来监控设备本身。这种功能称为监控分析任务(如优化，监测控制等)。
 
该算法有助于对各种设备(包括边缘计算在内)的性能进行评估。当使用该系统时，物联网平台将确保系统始终在适当的状态下运行。根据 MQTT标准，用户可以使用两种不同架构的物联网应用程序和物联网解决方案。它还可为各种特定提供基于软件控制的接口(如操作系统、中间件等)和以太网接口(例如以太网或其他)以太网连接设备用于存储、计算并将其发送到云平台上，或将这些应用程序通过无线传输给物联网网关后提供服务。MQTT网关通常由低功耗处理器、控制器和存储控制器组成，例如嵌入式SM8200或 FPGA (模拟电路)、 ATE或 IGBT IC等。此外，它还包括由 GPU芯片组成的强大处理器的一个组成部分(称为嵌入式 CPU),以加速 MQTT应用程序的运行，而*消耗任何电力或电池来充电或产生数据读取。
 
与其他类型的网络相比，物联网网络是在设备和数据之间建立连接比较和控制方面所需能量更少。因此也称为能源转换效率更高的数字设备。这些功能在工业物联网中至关重要，因为 MQTT网关将整个平台中用于控制和通信功能集成到一个网络上。在物联网中使用大量不同技术对系统进行优化时，要使用 MQTt网关时将会很难保持同步工作因此 MQTT网关必须支持多个协议并为每个设备提供支持。例如：数据包传输或控制时需要对所需的时间与地点都有详细规划和明确计划；此外还必须根据通信技术灵活地进行选择才能保证性能较低；还必须保持在水平以满足实际应用需求等等。工业物联网平台所使用传感器中具有多种
 
4、通过 MQTT网关实现与物联网云平台间的通信、数据通信以及数据交互功能与控制算法，确保物联网设备及数据通信畅通及安全稳定运行；
 
MQTT网关可以让网络设备连接到云或其他智能中心。网关提供了一种将物联网连接从边缘到云平台的能力。此外, MQTT网关还可以满足各种工业物联网应用中的高性能要求。例如，如果你可以在本地存储您所需要的所有数据。此外，基于物联网的自动化软件可以让这些不同端点之间更好地协同工作和互动。工业互联网应用主要涉及几个方面：传感器数据、智能生成数据、物联网平台以及各种智能应用程序等数据信息收集、分析和控制、智能执行与决策等方面工作。这些都需要网关或网络来完成。与普通网关不同, MQTT网关可以通过网络连接到云平台以及通过使用传感器网络提供的服务来实现这一功能。在所有这些类型中, MQTT网关都提供了与工业物联网平台之间的通信——并且几乎是免费的