國內現場總線技術應用現狀及國產自主總線在大型電廠的應用

1. 概述：

工業物聯網通信領域三大主流技術的分類說明：
工業以太網、現場總線、工業無線 是目前工業物聯網通信領域的三大主流技術；將現場總線、以太網、無線技術融合到控制網絡中，保證了系統的穩定，增強了系統的開放性和互操作性，完善了信息服務；

1.1. 工業以太網：

速度快,可達100MBPS~1GBPS,可傳送大數據包，通過網線（專用4對雙絞線）或光纖通信，用于控制器、人機界面、編程器、現場總線網關等設備之間通信，以太網缺點：IO模塊需以太網接口，模塊成本高；通信距離短<100米，換光纖，需光端機，增加成本；布線為星型拓撲結構，布線麻煩，布線成本高；需多網口交換機，成本高；基于以太網技術的Ethernet、Profinet總線協議，可以通過網線串接連接，但布線、接口成本更高。

1.2. 工業無線：

由于無線通信易受干擾，通信穩定性不確定，工業自動化行業一般都傾向用有線通信；
（1）LoRa無線網絡：
可自組網、自中繼、Web頁面可視化監控調試的LoRaWeb(Long Range Radio)遠距離無線電網絡系統，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，實現了低功耗和遠距離的統一，在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3-5倍。
通信協議與RS485雙絞線總線通信協議網絡一樣，主要分主模塊、從模塊；
一個LoRaWeb網絡內只能有一個主模塊（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行主模塊問從模塊答數據通信，是一種低速通信網絡；
（2）WiFi無線網絡：
速度快，可達10MBPS~100MBPS,大容量WiFi無線局域網，多節點(1~65532），可Web頁面調試，主要分主模塊、從模塊，主模塊和從模塊通信方式為并發方式，不需要分時輪詢發送，速度快。

1.3. 工業現場總線：

速度一般1MBPS左右，傳送小數據包，通過屏蔽雙絞線通信，傳送距離遠，接口成本低，抗干擾能力強，實時性好，用于控制器、現場總線網關、現場總線儀表、現場總線執行機構、變頻器、遠程IO模塊、現場總線中繼器等設備之間通信；
（1）現場總線標準：
目前，國際上各種各樣的現場總線有幾百種之多，統一的國際標準尚未建立；較著名的有基金會現場總線（FF）、HART現場總線、CAN高層協議的CANWeb和CANOpen、DeviceNet、LONWORKS現場總線、PROFIBUS DP現場總線、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。
詳細“01B工控領域最流行的九大現場總線.pdf”請在線索取
（2）現場總線的優點：
一對雙絞線上可串接多個控制節點設備， 便于節省現場線纜、安裝費用，節省維護開銷；
提高了系統的可靠性，為用戶提供了更為靈活的系統集成主動權。
詳細“01C現場總線的優點.doc”請在線索取
（3）RS485通信總線：
在國內外廣范使用的RS485通信總線，因為只支持單主站多IO模塊排隊輪詢問答協議，IO模塊設備多時，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“現場總線”。
（4）CAN總線
CAN總線不是現場總線，CAN總線編程復雜，需對CAN包拆包、并包，并對Id的過濾進行設置，并需對通信總線的負載、丟包進行監視管理；CAN總線的高層協議是現場總線，如CANWeb、CANOpen、DeviceNet、J1939、ISO11783、CANKingdom、SDS、iCAN等協議。

2. 國內現場總線的應用狀況及問題：

在大型石化企業，由于投資方為外方或引進設備的原因，現場總線應用比較廣泛，如上海賽科（現場儀表設備總共54025臺，其中現場總線設備14375臺,占26.6%）、南海中海油殼牌（現場儀表設備有大約60000個節點，共使用了16000個左右的現場總線設備）；
在中小型自動化項目中,特別在以國產儀表、國產DCS、PLC的控制系統，鮮有現場總線產品，偶爾也會 配幾個“遠程IO模塊”，幾乎沒有“現場總線儀表”或“現場總線執行機構”；
網絡搜“現場總線儀表”或“現場總線執行機構”，基本搜不到國內的產品；
現場總線肯定是自動化發展的趨勢，但在國內卻發展緩慢，啥原因？一句話，國外的現場總線技術不適應中國國情。
詳細“01D現場總線技術在國內的應用情況.pdf”請在線索取

2.1. 開發成本高、開發技術門檻高：

國外的現場總線開發需昂貴的開發工具軟件，授權費，開發文檔復雜難懂，開發過CANOpen的開發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：

由于國內的現場總線技術基本為國外公司壟斷，節點成本高，網關成本高，中繼器成本高，甚至連 簡單的屏蔽通信雙絞線都是高價格；有的現場總線開發商為取得壟斷高利潤，推出專用現場總線芯片，總線接口芯片價格高于設備主芯片是常態，如：Profibus DP現場總線協議芯片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、調試、測試、管理不方便：

硬接線的設備調試直觀、簡單，現場總線設備的調試比較專業，有的還需要專門調試工具，后期最終用戶的維護都會比預期麻煩；
建議 將現場總線節點管理功能和實時數據通信功能進行分離，并簡化節點管理功能并使能可視化操作，硬件上一體化設計，降低成本；
節點管理功能：含節點列表管理、節點實時數據的監控、強制、遠程重啟、參數配置、實時自檢(IO模塊發包數、丟包數、發包間隔時間、實時負載、最大負載、最小負載、溫度、斷線)等功能；

2.4. 現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中才采用冗余設計，國內的控制系統習慣采用冗余設計方案，冗余的現場總線設計成本一般非常貴，單總線大家都會習慣認為不可靠，市場需要一種既支持冗余又價格便宜的總線。

2.5. 和現成控制器接口網關成本高及技術支持不到位：

現場總線最后都得和用戶的控制器或計算機 高速連接，特別是國產的控制系統，價格合適的網關和與國產控制系統的通信的技術支持是非常重要的。

3. 國產自主CANWeb現場總線網絡結構：

CANWeb現場總線(縮寫CNW)結合CAN總線、以太網的優點，主要用于替代國內外廣泛使用的RS485通信，CANWeb節點價格與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現場總線可帶99個遠程節點模塊，實時性強(40米內1000Kbps可達1毫秒響應)，傳輸距離遠(5Kbps可達10公里)，CANWeb總線IO模塊比以太網、RS485總線IO模塊更適用于大型、分散式控制系統工程；
CANWeb現場總線基本配置需 1個網關+多個節點，通過CANWeb網關的以太網Web頁面，可視化完成節點管理功能：含節點列表管理、節點實時數據的監控、強制、遠程重啟、參數配置、實時自檢(IO模塊發包數、丟包數、發包間隔時間、實時負載、最大負載、最小負載、溫度、斷線)等功能；
與控制器的實時數據通信功能：CANWeb網關可支持以太網及RS485_Modbus、Profibus DP、EtherCAT等協議，很容易和PLC、DCS、上位機等設備高速交換通信，提供與控制器及上位軟件通信的說明及案例。
CANWeb網關自動通過CAN總線與串接的多個IO節點模塊實時交換數據，并將這些數據分配到CANWeb網關模塊存儲空間不同的地址中（用戶不需要了解CAN協議），用戶只需與CANWeb網關模塊通信，通過一、二個Modbus命令，就可以監控多個不同的IO模塊設備。
CANWeb網關模塊支持云Modbus功能（詳細說明請在線索?。?，可方便通過互聯網與固定IP云服務器雙向實時通信，契合當下最流行的“物聯網”、“云計算”概念。

CANWeb主要設備類型：
CNW_GW網關(GateWay)、CNW_RP中繼器(Repeater)、CNW_ND節點(Node)、CNW_IO模塊(IO Module)等

CANWeb_IO特別適合分散式遠程布置IO模塊，現場就近安裝，通過CAN總線連接，節省布線（如下圖）

4. CANWeb現場總線網絡結構：

4.1. 冗余雙網結構：現場總線分 CAN1、CAN2 兩個冗余總線

現場總線控制系統網絡結構分3層：MMI層(人機界面)、控制器層、IO總線層
以太網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，對應冗余模塊 51~99
（3）IO總線層GW：151~199，對應冗余模塊 201~249

4.2. FCS單網結構：如下圖，作為PLC的遠程擴展模塊

4.3. 通過中繼器，可改變CAN總線拓撲結構：

5. CANWeb開發板介紹：

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

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

編程簡單，無開發技術門檻，用戶可在此開發板的PCB文件及Keil源程序基礎上，只需調用幾個函數就能輕松、快捷開發自己的CANWeb總線產品，如多通道DI、DO、AI、AO模塊、溫度、壓力現場智能儀表、電動調節閥、電磁閥、電量表、RS485網關(可與RS485的設備通信) 等設備，并可通過網關的以太網Web頁面可視化調試、配置 開發的總線產品；
詳細開發板說明請在線索取

6. CANWeb網關以太網節點管理功能Web頁面介紹：

6.1. IO列表Web頁面

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

標號4_DltRcv正常運行應為定值，如持續變化，表示CAN通信有丟包，需檢查通信線接線，或在CAN網絡中增加個中繼器
標號1總實時負載如大于總線速度的1/3，可調大網絡CAN通信速度、調大IO節點模塊的MXPD/MNPD參數；

6.2. 開發板IO節點模塊的具體Web頁面監控介紹：

開發板含6DI（Dip開關）+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Modbus上位軟件可讀出這些寄存器變量；
通過Web頁面測控開發板的DO、AO時必須斷開CANWeb網絡與用戶控制器的通信?。。。。。。。。。。。?！

1) DI 狀態Web監視：6個DIP 撥碼 DI輸入

點選上圖標號1，點2，點3，可調出“節點DI顯示頁面”,改變開發板DIP開關的狀態，點擊 下圖“刷新按鈕”，可觀察DI 的變化。

2) DO開關Web輸出：6個Led 顯示開關輸出

點選上圖標號1，點2，點3，可調出“節點DO操控頁面”,改變下圖開關量輸出狀態（點選標號1），點擊 下面 標號2“刷新并發送CAN包按鈕”，可觀察開發板上對應的Led 的變化。

3) AI模擬量輸入Web監視：

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：

點選上圖標號1，點2，點3，可調出“節點AO操控頁面”,改變下圖AO輸出值（標號1），點擊 下面 標號2“刷新并發送CAN包按鈕”，可觀察開發板上對應的AO 輸出的電壓變化，如輸入2000。

開發板上的Led電壓測量模塊可輸出電壓的改變，如下圖，電壓為 2.00V。

7. 國產自主現場總線CANWeb應用案例：

下圖為1個大型電廠的溫度采集系統，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，網關模塊冗余，通過2路冗余光纖RS485送電廠DCS，數據刷新周期小于500毫秒，詳細說明請在線索取

CANWeb_IO模塊安裝RTU箱實物圖：系統接線槽與對外接線槽分開
系統接線槽用高65mmX寬25mm，對外接線槽用高65mm 寬>=40mm
每個RTU箱內預留 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網關近的CAN接線端子組定義為CAN進線接線端子組，距CANWeb網關相對遠的CAN接線端子組定義為CAN出線接線端子組，用戶根據現場安裝的實際情況來定義并必須進行標注，如上圖。

冗余網關模塊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、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
屏蔽線屏蔽層在網關箱內單點接地，如下圖

審核編輯 黃宇