购买

¥30.0

加入VIP
  • 专属下载券
  • 上传内容扩展
  • 资料优先审核
  • 免费资料无限下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 buschapter4

buschapter4.ppt

buschapter4

中小学精品课件
2019-04-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《buschapter4ppt》,可适用于高等教育领域

工业通信网络与技术(现场总线)许勇xuygueteducn主要教学内容和学时分配第一章工业通信概述第二章数据通信基础第三章通信总线技术及应用计算机接口总线工控机与测控仪器接口总线常用工业通信总线第四章现场总线控制网络的核心技术现场总线概述FFLonworksProfibus等网络集成式控制系统第五章汽车网络和CANbus第六章工业以太网及其应用合计概述现场总线应用在生产现场、在测控设备间实现双向串行多节点数字通信。现场总线本质体现:现场通信网络:现场设备互联:使用不同介质把不同现场设备或仪表相联。互操作性:用户可选不同产品构成所需的控制回路。分散功能块:FCS把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,实现了分散控制。通信线供电:通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。开放式互联网络:可以与同层网络互联也可与不同层网络互联还可以实现网络数据库的共享。第四部分:常用工业现场总线工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展可以把现场总线理解为工厂里连接设备的局域网。现场总线系统技术上有以下特点:设备的智能化与功能自治性。传感测量、处理与控制等功能到现场设备中完成并可随时诊断设备的运行状态系统结构的高度分散性。现场总线构成一种新的全分散性控制系统的体系结构简化了系统结构提高了可靠性现场环境适应性。有较强抗干扰能力能采用两线制实现送电与通信并可满足本质安全防爆要求等现场总线系统结构简化控制系统从设计、安装、投运到正常生产及其检修维护工作简便。但现场总线类型多硬软件都各有体系。不同总线不兼容现场总线是专用实时通信网络系统开发难成本高同时现场总线的速度较低支持的应用有限。现场总线的标准化面对自动化行业千变万化的现场仪表设备要实现互连。IEC于年提出制定现场总线技术标准IEC(即IEC)目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准。根据不同行业需求IEC要满足工业自动化五大行业应用需求。年前IECSCC只推荐一种主要采纳FoundationFieldbus总线和WorldFIP的总线。年没有通过投票统一努力失败。年月IEC通过妥协方案即:以IEC(TS)AddProtocols作为IEC技术标准的方案。于年月制定由种类型现场总线组成的第三版现场总线标准包括:TypePhL,DDL是ControlNet,ALble字节)。LAS根据调度时间表发送的强制数据报文(即CD调度)具有最高的优先级余下其它操作被安排在受调度通信间进行。当令牌短时间内给遍了所有设备后LAS就通过降低优先级来给设备更多的时间。反之提高优先级使令牌在期望的时间间隔内给遍所有的设备.总线上可对令牌响应的所有设备的列表称为活动表(LiveList)。LAS周期性地对不在活动表内的节点地址发出节点探测信息PN(ProbingNode)如果返回一个探测响应信息PR(ProbingResponse)就将这个设备加入活动表。如一个设备不使用令牌也不返还令牌连续三次LAS就将其从活动表中去除。LAS对活动表中的所有设备广播活动表变化。LAS周期性地广播其数据链路时间(LS时间)。)应用层分为两个子层:FAS和FMS。前者管理数据的传输后者负责对用户层命令进行编码与解码。()现场总线访问子层(FASFieldbusAccessSublayer):FAS的功能是利用数据链路层提供的服务传送应用数据用户的数据传送到FAS子层后加上FAS控制信息后形成FASPDU交给数据链路层发送。FF没有OSI的~层(或说没有TCPIP的网络层和传输层)所以来自应用层的服务请求通过FAS直接映射到数据链路层即将端到端的服务请求映射到网络利用数据链路层的确定性的受调度通信与不受调度的非周期型通信为总线报文规范层提供称为“应用关系(ARApplicationRelationships)”的逻辑通信通道它是虚拟通信关系(VCR)管理最重要部分其服务类型由VCR描述。FAS为上层应用提供了三种通信模型即客户服务器(ClientServer)模型、发布者预定接收者(PublisherSubscriber)模型及源方收存方(SourceSink)模型。()现场总线报文规范子层(FMSFieldbusMessageSpecification)):描述用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行为等为上层用户应用使用现场总线服务提供接口使能用标准报文格式相互发送报文。虚拟现场设备VFD(VirtualfieldDevice)是总线设备内部数据和行为的抽象化模型被用来远程查看对象字典中定义过的本地设备的数据。一个典型设备至少有两个VFDs, 一是网络与管理VFD提供访问管理信息库的手段。用管理VFD来组态包括VCR在内的网络参数以及管理总线设备。另一个是功能块VFD一个现场总线设备可有两个或更多的功能块VFD。对象用唯一的索引号(Index)来标识。FF总线还采用“对象描述(ODObjectDiscription)”来说明总线上传输的数据对象的格式与意义。把对象描述收集成“对象字典”(ODObjectDictionary)用来解释对象。对象及其对象描述共用一个索引号.也有一些对象描述不具有相关对象这些对象描述给出诸如对象位置、对象数量、对象类型、数据结构等信息。)用户层由预先定义的标准功能块和用户自定义的柔性功能块(FlexibleFunctionBlock简称FFB)构成。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位能完成一个独立而完整的控制功能。一个FF控制系统在逻辑上可视为由若干个功能块组成。(有个标准功能块和个扩展算术功能块。)FF系统中执行顺序和总线传输由链路主设备LAS负责调度。ISOOSI参考模型的最高层是“应用层(ApplicationLayer)”。FF将来自过程控制领域的用户需求模型化为用户层即定义功能块模型结构从而为分布式过程控制应用提供了一个更高层次的接口。用户层的核心是功能块是数据采集、控制及输出等应用中通用功能一般化模型通过功能块模型及其参数可以组态、维护以及定制用户应用易于实现基本的分布式控制功能。功能块行为决定于其参数值功能块参数在总线上可视并可通过通信服务访问。更多关于功能块的定义、行为和应用在专门的一节中描述。  )系统管理系统管理用以管理设备信息协调各设备运行。FF采用管理员代理者模式每个设备的系统管理内核(SMK)承担代理者对管理者指示做出响应。系统管理者也可分布在多个设备间。系统管理所需要的所有组态信息(如功能块调度表)都由每一设备中的网络与系统管理VFD中的对象描述提供。()设备管理:包括:帮助获得在特定地址上有关设备的信息:设备ID设备制造商设备名及类型利用设备ID为设备分配节点地址SMKP提供特定服务用来给设备分配网络地址及物理设备位号。设备须有唯一的网络地址及物理设备位号根据物理设备位号寻找设备。每个FF设备都有资源块描述现场设备的特性比如制造商、设备类型、软件信息、硬件信息、诊断等等。FF设备专用地址如:(vendornumberdevicenumberserialnumber)。()功能块管理:功能块算法须在规定时刻启动执行通过系统管理代理存储有功能块调度信息实现。宏周期是总的系统周期调度表时间为距离宏周期起始点的时间偏移量。()应用时间管理:包括系统中所有管理代理内部都有“系统时间”与链路调度时间(“网络时间”)不同后者是数据链路层中本地时间用于通信及功能块的执行。系统时间更通用在包含多个总线网段的系统中所有设备内都相同。应用时钟通常被设置成等于本地当日时间。系统管理用时间发布器向所有设备周期发布同步信息。FF系统五部分(系统管理、网络管理、用户应用模块、应用层、数据链路层)建立于嵌入式实时多任务操作系统内核上。 网络管理中含有网络管理代理进程NMA每一层有层管理实体与NMA进行本地交互系统网络管理器通过NMA访问各层通信栈参数进行通信栈参数设置和网络性能参数访问。系统管理中含有系统管理代理SMA进程与系统管理器交互进行系统参数设置及功能块的调度。)FF的系统组成现场总线网段的基本构成 )基本网段:现场设备电源终端器缆线连接端子 )工作主机:可以作为链路主管、通信与控制系统组态器人机界面MMI符合FF通信规范要求的通信接口卡(网卡))网络设备:通过网关、网桥、中继器连接各网段FF通信控制器和网卡Honeywell等有协议专用芯片CPU实现高层协议媒体连接单元MAU收送物理信号通信控制器完成物理层和数据链路层的部分功能。包括:信号发送和接收串并行转换串行数据编码和解码数据帧的打包和解包帧校验序列的产生和验证。FF的通信控制器功能:信号发送和接收串并行转换串行数据编码和解码数据帧的打包和解包帧校验序列的产生和验证。)通信控制器芯片FB(巴西Smar):主要特点:符合ISASPPART的现场总线物理层定义可屏蔽的多源中断结构以减少中断响应次数可自动极性探测和校正内含曼彻斯特(Manchester)编码器和译码器内有发送器超长(Jabber)禁止电路保证了发送器在规定时间外不会处于发送状态在接收数据包时可自动检测帧校验序列以及通过软件控制命令为发送数据包生成帧校验序列片内有两个直接存储器访问(DMA)电路FB提供帧控制字和接收地址的检测针TQFP(Thinquadflatpackage薄型四侧引脚扁平封装)。)UFCF(统一现场总线控制器UnifiedFieldbusController):实施数据链路层所有时间关键功能的控制器包括地址检测收到的帧时钟管理和数据链路状态机的管理。优点:抖动容限较小、抗噪声能力强、中断负荷减少。功耗非常低和温度范围扩大。)FBC:中国科学院沈阳自动化所自主设计开发的现场总线通信控制器芯片可满足ProfibusPA和FFH仪表的应用需求。FBC可以适配所有处理器接口内嵌kbyteRAM单元用于存放接收到或待发送的现场总线报文提供DMA控制器和总线仲裁器可以实现总线数据的高效收发提供地址表查找匹配功能可用于针对特定设备报文的选择性接收大幅度降低CPU的工作负荷FBC提供的定时器支持可满足协议软件全部定时需求。)现场总线网段的硬件配置与配线  H网络的基本构成部件有现场总线接口、终端器、总线电源、本质安全栅、现场设备、中继器、网桥、传输介质等。网络布线应考虑设备安装位置、测量干线及支线长度选择电缆类型总线供电必须计算电源电压接地、极性与屏蔽。()传输介质:H总线首选是无屏蔽双绞线采用其他电缆需验证电缆特性以确定其适用性及能提供的通信距离。()总线长度:不同类型的电缆对应不同最大长度长度应包括主干线与分支线的总和。()总线供电:供电电压取决于总线电缆长度及电阻。在网段上如有两线制总线供电设备应确保有足够电压可驱动它每个设备至少需要V。为确保这一点在配置现场总线网段时需知道以下情况:(a)当前每个设备的功耗情况(b)设备在网段上的位置(c)电源在网段上的位置(d)每段电缆的阻抗(e)电源电压。()现场总线的接地、屏蔽与极性:()接地。网段不允许任何接地。任何一根导线接地或两线接在一起会导致通信中断。()屏蔽。电缆最好屏蔽屏蔽线绝对不可用作电源导线。用屏蔽电缆时要把所有分支的屏蔽线与主干的屏蔽线连接起来最后在同一点接地。()极性。对于有极性的现场总线设备须考虑信号极性。 ()在有本质安全防爆要求的危险场所应该配有本质安全防爆栅。 构成一个安全火花防爆系统的充分和必要的条件是:(a)在危险现场使用的仪表必须是安全火花型的(b)现场仪表与非危险场所(包括控制室)之间的电路连接必须经过防爆栅。防爆栅又称安全保持器是一种对送往现场的电压和电流进行严格限制的单元可保证各种事故状态下进入现场的电功率在安全的范围之内因而是组成安全火花系统必不可少的环节。只有这样才能保证事故状况下现场仪表自身不产生危险火花从危险现场以外也不引入危险火花。现场总线控制系统中的功能模块)概述功能块(模型)表示功能序列是用户层的核心。是数据采集、控制及输出等通用功能的一般化模型。通过功能块模型及其参数可以组态、维护以及定制用户应用实现基本的分布式控制功能。现场总线就是在不同功能块间传输数据的系统。功能块是一个可进行“读写算”的组件或代理(agent)。功能块用“时间”触发或“事件”驱动根据输入数据计算并输出数据数据库中有静态数据及外部可访问的内部动态数据。每一功能块有唯一功能块“位号(Tag)”。功能块与外界通过接口交换数据。功能块“属性”参数(Attributes)可访问。如果在总线标准中事先统一指定功能块算法及属性组态时只需进行参数具体数值的初始化设定或更新这样就容易实现不同厂商设备间的可相互操作性此类功能块即所谓“标准功能块”( StandardBlock)。)标准化功能块标准功能块可使控制功能模块化通用化。另外在标准功能块参数及算法的基础上还可附加参数与算法形成“先进功能块”或者参数或算法完全由个别制造商特别设计形成“制造商特定块”(Vendorspecific)或“开放块”(OpenBlock)。也可以自己设计自己的功能块。此时为实现这些扩展功能块的可相互操作性需要采用统一的“设备描述”技术。FFPart定义的十个标准功能块:模拟输入AI模拟输出AO偏置增益BG控制选择CS离散输入DI离散输出DO手动装入ML比例微分PD比例积分微分PID比率系数RA功能块(FB)中包含着在传送到控制系统之前对量测值进行最终处理所需要的所有数据或者另一方面在设定过程前对设定进行处理所需要的所有数据也包含在这一模块中。一个功能块参数可分为三类:输入参数、输出参数及内含参数。内含参数既不是输入也不是输出参数只能够根据要求采用Read或Write申请来对其访问访问可根据索引号来进行功能块参数具有连续的索引号其数据类型可以是现场总线定义的任意数据类型。功能块参数又可划分为动态参数与静态参数其中动态参数值在功能块执行时会发生改变在断电时其值会丢失。而静态参数在功能块执行时不会改变但可要求对其进行写操作静态参数的数值上电后是可恢复的。PID块中测量值来自于输入端子IN滤波后为变量PV。同时还有其它的一些输入输出参数用来实现不同的控制策略如串级控制等。PID功能块内部结构是预先设计的。如果要开发设计自己专用功能块需要专用的开发工具。主要参数:比例增益:GAIN积分时间常数:RESET(s)微分时间常数:RATE(s)控制参数设定值:SP(SetPoint)过程变量:PV(ProcessVariable)功能块应用LonWorks LonWorks(LocalOperatingNetwork)Echelon年月推出。是一个开放系统可使不同厂家生产的符合LonTalk协议的设备及产品进行互连。相比其它主流总线Profibus下包含着几十年甚至上百年的技术和应用技术积累FF则是很多流行技术的一次整理好更新而LonWorks是独立全新的现场总线技术:从协议到设备甚至核心芯片都是精心设计的结果。LonWorks的主要技术特点为:通信协议LonTalk符合ISOOSI模型LonTalk协议封装于专门的Neuron芯片整个网络看作是Neuron节点加连接构成的同质普适网采用面向对象设计方法网络通信设计简化为通信参数设置为总线应用提供了一套完整的开发平台包含所有设计、配置和支持控制网元素。LonWorks凝聚了当时流行的先进技术。但Neuron芯片本身速度和计算力不足以应对后来通信网络和需求的加速发展。COMPANYNEWSMotorola,ToshibaToHelpEchelonSpecialtoTheNewYorkTimesPublished:February,SANFRANCISCO,FebEchelon,astartupcompanywithalistofbluechipexecutivesandinvestors,saidMotorolaIncandtheToshibaCorporationhadagreedtomanufactureandmarketitscomputerchips,whichwillbeusedinautomatedcontrolsforappliancesandotherelectricalequipmentEchelonisdevelopingchipsthatwillcommunicateoverelectricpowerlinesortelephonelinesandwillbeusedtocontrolappliancesinhomes,productionequipmentinfactoriesandelectricalgearinautomobilesMKennethOshman,thechairmanandchiefexecutiveoftheLosGatos,Calif,company,saidtheagreementswithMotorolaandToshibagavethecompany'stechnologyanimportantendorsementthatcouldhelpmakeitastandard)LonWorks技术构成LonTalk包容Lon总线网络通信功能一个网络操作系统可使通信数据在各种介质可靠传输。LonWorks技术有几部分:LonWorks设备包括收发器、节点和路由器LonTalk协议LonWorks网络和节点的开发工具。物理层支持LonWorks通信介质可使用双绞线、电缆、光纤、电力线等通信速率:bs~Mbsmm每帧长:字节网络结构:可以是主从式、对等式或客户服务器式。网络拓扑:有星型、总线型、环型以及混合型。面向对象的设计方法:采用网络变量使网络通信的设计简化可靠性高实时性好。LonTalk的报文服务四种基本类型:请求响应:最可靠的服务响应中可包括数据发送确认:可靠度与请求响应等价。任务有ID号以避免重复:非确认重复:可靠度低于上述两种服务。用于广播非确认:可靠度最低。用于对报文丢失不敏感的情况。介质访问控制(MAC)子层CSMA在重负载下有效传输率迅速下降。LonTalk的属于带预测的P坚持CSMA节点根据网络的忙碌程度确定等待时间忙时多等空闲时少等以避免碰撞。  LonTalk还可以提供:优先级:提供可选优先级机制与冲突检测相结合证实(Authentication)服务:由接收者决定是否发送网络变量:表示层中的数据被称作网络变量,每个变量有一个数据类型。程序员只为节点应用定义网络变量并将有关的网络变量连接起来就行了。)LonWorks网络的节点LonWorks设备由LonWorks节点(Node)和现场设备构成网络节点上接LonWorks网络下接现场设备(传感器或执行器)。LonWorks控制网络中的现场控制节点有两类:直接用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器和基于Hostbased的节点。典型的LonWorks节点一个典型的现场控制网络节点包括:应用CPUIO处理单元通信处理器收发器和电源外扩的EPROM或ROM等。神经元芯片(NeuronChip)Neuron具有通信和控制功能内部有个位微处理器及RAM、ROM、EPROM、和定时器计数器等已固化可编程的种IO对象和LonTalk通信协议(只有第层需用户编程)。NeuronChip加上收发器和电源可构成一个典型现场控制节点。个可编程的IO引脚可组成种工作模式个通信引脚可组成种通信模式最高时钟MHZ个位定时器计数器个位标识符NeuronID个远程标识和诊断的Service引脚。 三个CPU各有不同的分工:CPU:是MAC处理器处理物理层和链路层对报文编译码。CPU:是网络处理器实现网络层、传输层、会话层(远程操作)和表示层(数据翻译)。CPU:应用处理器使用NeuronC编写的代码及命令。神经元芯片最高主频MHz完成功能受到限制。采用Hostbased结构是解决这一矛盾的方法。即将神经元芯片作为通信协议处理器用另一个主处理器完成复杂的测控功能。LonWorks网络中的路由器包括:中继器、桥接器、路由器。路由器支持从简单到复杂的网络连接大到上万个节点。中继器和网桥在两个通道间向前传送报文。ShortStack微服务器:是一个固件产品包括了ANSIEIA 标准控制网络协议。具有主处理器的设备(如家电)在现有设计上增加少量的应用代码和驱动加ShortStack微服务器便变成了一个LonWorks的网络产品可与互联网连接。Hostbased的节点两种应用:其一可作为连接LonWorks网络与其它网络的通信网关其二可用于一些大型设备系统的控制应用。这时神经元芯片作为通信协议处理器主处理器完成复杂的测控功能。主机:ATS完成测控任务Neuron:CYC通信协议处理器收发器:FTTA负责连入网络   单片机ATS与CYC采用并行通信。Neuron芯片P口与的I~I相连作为位的数据总线。支持软件系统组件LonWorks技术中还包括了一系列的开发工具:NeuronC语言节点开发工具NodeBuilder节点和网络安装工具LonBuilder节点开发器、网络管理器、协议分析器和报文统计器、开发板、应用模块和演示程序网络管理工具LonManage。包括LonManagerDDELonManagerprofile和LonMakerLonManager协议分析仪等客户服务器网络构架LNS技术。LonWorks第三代的开发工具基于 Windows和WindowsXP编写固件已可以支持VNeuron芯片等iLon产品系列智能收发器系列企业级平台软件Panoramix网络能源服务系统(NES)等等。 LonWorks有对等性、平坦性、开放性、可互操作性等特点应该在我们的各个领域得到越来越广泛的应用。Profibus技术及其应用Profibus是随着西门子的设备和技术一起成为主流技术的。历史久远应用广泛体系庞大。)概述最初的Profibus(年)作为通信技术。现在广义的Profibus技术提供完整的工业自动化通讯体系把底层的驱动和传感器接口(ASInterface)和上层的基于Ethernet的PROFInet也考虑进来。但核心仍然是作为现场总线的Profibus技术。Profibus允许自动化系统(控制器)和现场设备通过单一的串行总线电缆通信。通过非循环方式传输警报、参数和诊断数据由此实现过程数据的循环传输。优势体现在以下几个方面:双向通信高精确度(位分辨率)简单、耐用和可靠可在线升级可用于危险领域可离散生产和过程工业的现场总线。近几年有新版本的ProfibusDPV和ProfibusDPV逐步取消ProfibusFMS总线。DPV进一步完善了ProfibusPA功能DPV解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题。Profibus系列分为三个兼容部分分别应用不同工业领域:()ProfibusDP(DecentralizedPeriphery)用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场设备或设备级IO间(如驱动器、检测设备、HMI等)通信。取代V或~mA的串联式信号传输()ProfibusPA(ProcessAutomation)过程自动化也可作设备层总线()ProfibusFMS(FieldbusMessageSpecification)用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。)Profibus通讯协议模型Profibus协议对OSI第到第层简化。定义物理传输特性总线存取协议和应用功能。DP、PA和FMS使用统一总线访问协议。()ProfibusDP:定义了第、层和用户接口。第层未加描述。用户接口规定不同设备可调用的应用功能详细说明DP设备的设备行为。提供了RS传输技术和光纤传输技术()ProfibusFMS:定义了第、、层包括FMS和低层接口LLI(LowerLayerInterface)。FMS包括了应用协议LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第层访问接口。第层完成可靠传输FMS还提供RS和光纤传输技术()ProfibusPA:是ProfibusDP向现场的延伸。数据传输采用扩展的ProfibusDP协议。PA还描述了现场设备行为的PA行规。。作为开放式通讯系统的工业标准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的网络接口不同设备可实现网络互联这给控制设备的生产厂家、系统安装调试单位和用户带来极大的方便。)Profibus的物理层和数据传输技术MBPRSRSIS光纤数据传输数字比特同步曼彻斯特编码数字差分信号符合RSNRZ数字差分信号符合RSNRZ光数字NPZ传输速率KBits~,KBits~,KBits~,KBits数据安全性前同步码出错保护起止定界符HD=,奇偶校验比特起止定界符HD=,奇偶校验比特起止定界符HD=,奇偶校验比特起止定界符电缆屏蔽双绞线屏蔽双绞铜缆电缆类型A屏蔽双绞线电缆类型A多模单模玻璃光纤PCE塑料远程馈送通过信号线(可选的)通过附加线通过附加线可用通过混合线可用保护类型本质安全(EEXiaib)无本质安全(EEXiaib)无拓扑带终端器的线型和树型拓扑组合型带终端器的线型拓扑带终端器的线型拓扑星型和环型拓扑也可以线型站的数量每段最多个每个网络上最多个不用中继器时每段最多个用中继器时最多个每段最多个用中继器时最多个每个网络上最多个用于PA的MBP传输MBP(ManchesterCodedBusPowered)传输技术即H曾称“IECPhysics”“”等。MBP使用固定传输速率Kbps和Manchester编码。()MBP的网络拓扑:支持树型或线型结构的网络拓扑。在线型结构中使用T型连接器将站连接到主干电缆。()站数和总线长度:一个总线段上站数限制为。实际站数还要根据保护类型和总线供电能力确定。所需电流包括连接在各个总线段中现场设备的基本电流之和以及为每个总线段预留的mA用于FDE(FaultDisconnectionEquipment)的运行电流。()段耦合器和链接器:段耦合器是一个信号转换器它把RS信号调制成MBP信号电平反之亦然。从总线协议的观点看这些是透明的。链接器把与MBP总线段连接的所有现场设备映象为RS总线段中的单个从站。当使用链接器时对RS总线段中使用的传输速率没有限制所以使用MBP连接的现场设备也可以实现快速网络。)Profibus的链路层三种Profibus使用一致总线存取协议。特点为:通信为主从式:主站获得令牌时可主动发信息。从站能回答Profibus协议满足介质存取控制的两个基本要求:确切时间间隔中保证主站点有足够的时间来完成通信任务主从站间通信应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。令牌是一种实报文。所有主站按地址构成逻辑环令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间断电主站从环中排除新上电主站加入逻辑环。Profibus数据帧:由帧字符组成每个帧字符由个位组成:个开始位(ST)个信息位个奇偶校验位(P)个停止位。Profibus的帧有种:()无数据字段的固定长度的帧()有数据字段的固定长度的帧()有可变数据字段长度的帧和()令牌帧)应用层和用户层ProfibusFMS中定义了应用层DP和PA中。用户层定义不同设备行为规范行规(Profiles)是有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范是对特殊应用领域中用到的非主流设备其总线参数的规范。行规分几种:通用应用行规具有用于不同应用的实现选项(例如PROFIsafe行规冗余行规时间标签timestamp行规)专用应用行规如PROFIdrive,SEMI或PADevices行规系统和主站行规描述可供现场设备使用的特定的系统性能。目前PROFIBUS行规已有以下几种:FMS:PLC通讯楼宇自动化传感执行器网络低压开关设备DP:数控机器人控制系统编码器设备变速传动行规操作员控制和过程监视行规(HMI)PA:测压力、液位和流量的变送器输入输出阀门定位器)Profibus的实现Profibus控制系统一般包括:一类主站:指PLC、PC等控制器完成总线通信控制与管理二类主站:操作员工作站(如PC)、编程器、操作员接口等。从站:从站的类型有:PLC(智能型IO):做为从站PLC存储器中有与主站通信的共享数据区。主站可通过通信间接控制从站PLC的IO分散式IO(非智能型IO):通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。无程序存储和程序执行接收主站指令驱动IO并将IO输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型IO是由主站统一编址这样在主站编程时使用分散式IO与使用主站的IO没有什么区别驱动器、传感器、执行机构等现场设备:即带Profibus接口的现场设备由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。可通信参数及参数格式由Profibus行规决定。。系统的实现方案既容易又便宜的实现途径是采用基础的软件协议栈和硬件ASICs(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)解决方案。有广泛的标准化组件(ProfibusASICs)如Profibus堆栈存储器监控器和调试工具及服务可供使用。原则上只要配有内部或外部的异步串行UART接口Profibus协议可在任何微处理器上实现。这样开发成本低但周期长。以商品化Profibus协议芯片为基础值得推荐。芯片区分:单芯片:所有协议功能集成在芯片上不需要附加的控制器通信芯片:实现了部分协议需要一个附加的控制器协议芯片:此芯片带有集成的微控制器。现在开发人员常常使用专用的通信处理芯片这样可以完全不考虑复杂的协议。Profibus通信协议芯片已形成广泛系列。使用这些芯片可达到快速提供产品的目的。常用的Profibus协议专用ASICs芯片)PROFInetProfibus国际组织发布的发展方向:PROFISafe:通过Profibus传输安全急停或容错信息PROFIDrive:采用DPV技术实现传动系统间同步和实时PROFInet(基于标准以太网的PROFIBUS技术):将Profibus协议捆绑到标准TCPIP上实现以太网和现有Profibus之间路由PROFInet的基本目标是为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案包括诸如实时以太网、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)技术保护现有投资。PROFInet是适用于不同需求的完整解决方案通过工业以太网连接从现场层到管理层的设备。其功能包括个主要的模块依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。个主要的模块:()PROFInet实时通信:PROFInet支持下列三种通讯方式:TCPIP标准通讯:响应时间在ms量级用于工厂控制实时(RT)通讯:典型响应时间是-ms用于传感器和执行器设备间数据交换。是一个优化的、基于以太网第层(Layer)的实时通讯通道同步实时(IRTIsochronousRealTime)通讯:用于运动控制在个节点下其响应时间要小于ms抖动误差要小于μs。()PROFInet分布式现场设备:通过接口分布式现场设备可以直接连接到PROFInet上。现有现场总线通讯可通过代理服务器实现与PROFInet的透明连接。()PROFInet运动控制:通过IRT功能实现对伺服运动控制系统的控制。每个通讯周期分成实时通道和标准通道(TCPIP通道)。两种数据就可以同时传递而不会互相干扰。()PROFInet与分布式自动化:基于组件的自动化(ComponentBasedAutomationCBA)。工厂中的相关的机械部件、电气电子部件和应用软件等具有独立工作能力的模块抽象成为一个封装好的组件各组件间使用PROFInet连接。通过软件用图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置。使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和IO时还可扩展使用模块化理念从机械应用扩展到自动化解决方案。()PROFInet网络安装:除星形连接还支持总线形和环形结构。工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求。()PROFInetIT标准与网络安全:借助于PROFIsafe可用于故障安全应用。PROFINET提供专用的安全模块可以保护系统。()PROFInet故障安全:故障安全机制指当系统发生故障或出现致命错误时系统能够恢复到安全状态(即“零”态。()PROFInet与过程自动化:PROFInet不仅可以用于工厂自动化场合也同时面对过程自动化的应用。Profibus控制系统示意图HART可寻址远程传感高速通道HART(HighwayAddressableRemoteTransduer)最早由Rosemout公司开发并得到多家著名仪表公司的支持于年成立了HART通信基金会。特点~mA模拟信号与数字信号双向通信兼容在现有模拟信号传输线上实现数字通信属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品。采用了Bell标准的FSK频移键控技术•实现了mA模拟信号与数字通信的兼容•单台设备通信距离m多台设备互联通信距离m数据链路层规定数据帧最长可达个字节是主从式的通讯协议应用层规定了HART通讯命令的内容。特点与优势模拟信号和数字信号同时存在支持多个数字通信主机允许多站网络结构提供“应答”式和“广播”式两种通信模式对于所有的HART设备使用同一个通用的可变的信息结构一个报文中能处理个过程变量支持三种通信方式手持通信终端(HHT)与现场智能仪表进行通信带HART通信功能的控制室仪表与PC机或DCS操作站进行通信HART采用了设备描述语言(DLL)通信方式–主从模式–突发模式应用层命令–通用命令:对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令包括量程、变量、单位等的读操作–普通应用命令:适用于大部分符合HART协议的产品但不同公司的HART产品可能会有少量区别如写主变量单位微调DA的零点和增益等。–特殊命令:仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令不互相兼容如特征化微调传感头校正等。数据链路层按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据结构为个起始位个数据位个奇偶校验位个终止位。应用层使HART指令付诸实现即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令按命令方式工作。它有类命令第一类称为通用命令这是所有设备理解、执行的命令第二类称为一般行为命令它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现这类命令包括最常用的现场设备的功能库第三类称为特殊设备命令以便在某些设备中实现特殊功能这类命既可以在基金会中开放使用又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为~次s,按广播方式工作时的数据更新速率为~次s,可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达个每个现场设备可有个变量每个信息最大可包含个变量。最大传输距离mHART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典主设备运用DDL来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电可满足本安防爆要求。由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额其技术本身还在不断完善与更新如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长呈上升趋势但是它毕竟是过渡性产品生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目所以对兼容性的考虑较少而对先进性的考虑较多HART在国内的市场份额不很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内另一方面由于国内厂商的规模相对较小研发能力较差更多的是依赖技术供应商的支持比较容易受现场总线技术供应商(芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。其它总线)WorldFIPWorldFIP协会成立于年月以法国CEGELEC、SCHNEIDER等公司为基础开发了FIP(工厂仪表协议)现场总线系列产品。协会有多个成员产品在法国市场占有率大于欧洲约。产品适用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。年月WorldFIP被采纳为欧洲标准EN。WorldFIP是一个开放系统不同系统、不同厂家生产的装置都可以使用WorldFIP应用结构可以是集中型、分散型和主站从站型。WorldFIP现场总线构成的系统可分为三级:过程级、控制级和监控级这样用单一的WorldFIP总线就可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要了。WorldFIP协议有物理层、数据链路层和应用层组成。应用层定义为两种:MPS定义和SubMMS定义。MPS是工厂周期非周期服务SubMMS是工厂报文的子集。物理层的作用能够确保连接到总线上的装置间进行位信息的传递。介质是屏蔽双绞线或光纤。传输速度有kbsMbs和Mbs标准速度是Mbs使用光纤时最高可达Mbs。WorldFIP的帧有三部分组成即帧起始定界符(FSS)数据和检验字段以及帧结束定界符。应用层服务有三个不同的组:BAAS(BusArbitratorApplicationServices)MPS(ManufacturingPeriodicalServices)SubMMS(SubsetofMessagingServices)。MPS服务提供给用户:本地读写服务远方读写服务参数传输接收指示使用信息的刷新等。处理单元通过WorldFIP的通信装置(通信数据库和通信芯片组成)挂到现场总线上。通信芯片包括通信控制器和线驱动通信控制器有FIPIUFIPCOFULLFIPMICROFIP等线驱动器用于连接电缆或光纤。通信数据库用于在通信控制器和用户应用之间建立链接。)ControlNet的基础技术是在RockwellAutomation企业于年月公布。年月成立了ControlNetInternational组织(http:wwwcontrolnetorg)Rockwell转让此项技术给该组织。组织成员有多个如ABBRobotiesHoneywellIncYokogawaCorpToshibaInternationalProcterGambleOmronElectronicsInc等。DeviceNet的相关网址(http:wwwodvaorg)传统的工厂级的控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。而Rockwell自动化系统简化为三层结构模式:信息层(Ethernet以太网)控制层(ControlNet控制网)设备层(DeviceNet设备网)。ControlNet层常传输大量的IO和对等通讯信息具有确定性和可重复性的紧密联系控制器和IO设备的要求。它具备如下特点:)ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输:有实时性的控制信息和IO数据传输无时间苛求的信息发送和程序上下载)ControlNet技术采取了一种新的通信模式以生产者客户模式取代了传统的源目的模式它不仅支持传统的点对点通讯而且允许同时向多个设备传递信息。生产者客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步从而提高了带宽利用率)ControlNet使用同轴电缆可达km节点数个两个节点间距离最长达m个节点距离可长达m采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。ControlNet应用于过程控制自动化制造等领域。)InterBus总线德国的PhoenixContact公司的INTERBUS现场总线诞生于年是为快速传感器执行器在工业环境中传输过程数据而设计的。由于其传输方式和环形拓扑Interbus具有诸多优异性能例如:速度快、周期性和过程数据的等时传输。优化的诊断功能最大程度减小了维护周期易于处理和安装(即插即用)还有在必要的时候可以使用光纤技术。INTERBUS为环网系统也就是说所有设备主动地集成在一个闭环传输回路中。每个设备放大输入信号并将其转发实现更高的传送速率和更长的距离。不像其它环形系统所有设备的数据转发和回复均在同一电缆中完成。这意味着系统物理层是一个“开放”的树型结构。主干线可退出总线主站并可用于形成与最多级子网的无缝连接。这就意味着总线系统能够快速适应变化的应用。INTERBUS主从系统可连接最多个设备。环网被最后一个设备自动封闭。这种点对点的连接不需要终端电阻。系统能够灵活地增加和删除设备以适应用户的需求还能够形成无数种拓扑结构。不同总线段之间的耦合元件实现子系统的连接和断开因此可方便地实现对子系统的操作例如当错误发生或需要扩展系统的时候。Interbus是国际现场总线标准IEC所规定的总线之一。以其技术的先进性、开放性、成熟性广泛适用于汽车、机器、物流设备、卷烟设备等各种制造业领域中。在全球有多个总线设备生产厂家网络长度:两个远程总线站之间为m采用RS方式为km光纤为km。通讯速率:kBits–MBits总线拓扑:主动环形总线寻址模式:主从,循环和PCP报文InterBusS的技术特点是经济、简单、开放型的传感器执行器总线具有快速传输、简单输入输出数据的能力简单的和智能的传感器执行器的信号的传送实时传送“过程数据”与“通讯数据”模块化的组态方便的InterBusS操作功能InterBusS总线系统组成主控制模块总线终端模块作用是将远程总线和本地总线连接输入输出模块InterBusS总线拓朴结构InterBusS的传输媒体:双绞线电缆光纤等小结可以看出几大技术均具有自己的特点已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为:在从现在起的未来年内可能出现几大总线标准共存甚至在一个现场总线系统内几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内今后年内FF基金会现场总线将成为主流发展趋势LonWorks将成为有力的竞争对手HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这种技术是从这一领域的工业需求出发其用户层的各种功能是专业连续过程设计的而且充分考虑到连续工业的使用环境如支持总线供电可满足本质安全防爆要求等。另外FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些对成为这一领域的主流技术是十分关键的。网络集成(现场总线)控制系统现场总线控制系统FCS介绍FCS(FieldbusControlSystems)是基于现场总线技术产生的反过来FCS又对现场总线提出新的要求。FCS将操作站、现场智能仪表以及其它信息源作为工厂网络节点。从而从过程控制走向了过程信息资源共享提高了生产效率和产品质量。现场总线控制系统的组成:FCS通常由以下部分组成:()智能仪表、控制器()现场总线线路()监控、组态计算机。仪表、控制器、计算机通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此现场总线网卡、通信协议软件是FCS的神经中枢。开放式现场总线控制系统应具有组态技术包括数据库组态及控制算法组态生成的参数及算法不仅可以运行(所谓SoftPLC)还可以在远程IO或智能设备上运行按照现场总线标准定义的功能块可以在智能仪表及执行机构中进行运算以实现真正的分布式控制。)现场总线控制系统的特点:()以双绞线、光缆或无线电等为介质用总线方式传输数字信号减少大量导线提高可靠性和抗干扰能力。()采用统一国际标准不同厂家产品相互兼容系统具有开放性便于操作维护和扩展。这一点工业以太网表现最显著。()控制功能下放在现场仪表中控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。()硬件相对简化现场总线可提供来自现场仪表的设备管理数据作为维护的参考将非正常停工损失降为最低。()采用功能块方式组态已有大量可满足过程控制的功能模块如输入、输出、PID调节等一些模块还具有报警功能。()采用完全分散的数据库概念只使用一个数据库任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。这样便不会产生重复的、不一致的数据库。)现有水平及发展趋势现场总线技术发展两个方面:一个是低速现场总线领域的继续发展和完善另一个是高速现场总线技术的发展。高速现场总线主要应用于控制网内的互连连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网桥间的连接它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前高速现场总线的设计、开发竞争十分激烈选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。作为新一代控制系统的体系结构现场总线技术将具有如下技术指标:实现系统的全分散控制系统的开放性现场设备的智能化与功能自治性互操作与互用性对现场环境的适应性。现场总线和开放系统的应用将降低自动化系统的投资仅系统布线、安装、维修费用可比现有系统减少%另外还带来节约厂房面积减少电缆桥架铺设等其他方面投资的减少。现场总线技术今后影响自动化仪表和技术的发展。新型的全数字控制系统的出现将能充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能更容易构成计算机集成制造系统(CIMS)并更好地发挥其作用。基于现场总线技术的全开放分散控制系统是自动控制技术、自动化仪表、工业技术、计算机技术、网络通信技术的交叉与集成现场总线技术需要在以下几个方面加大研究、开发力度:()基于现场总线的智能化自动化仪表、现场仪表是信息获取的工具是信息工业的源头。智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能能适应被测参数的变化在线联机改变量程自动检测自身工作状态并传递信息进行异常处理自动进行指标判断与分选进行逻辑操作定量控制与程序控制实现多参数测量进行数字信号处理等。()基于现场总线的网络设备的软、硬件控制系统取得很大进展但系统的开放性和通信问题仍未解决系统的开放性是要解决不同厂家软、硬件产品可集中到一个系统中,要进行网络设备的研制必须遵循现场总线的标准进行开发。()组态技术包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等。()网络管理技术包括网络管理软件、网络数据操作与传输。现场总线的出现形成了低层网络同时提供与企业、企业网(Intranet)、国际互联网(Internet)相连接的可能性企业网络也需拓宽到这一层次。基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技术总体来说自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展并且涉及的应用领域十分广泛几乎覆盖了所有连续、离散工业领域涉及到电力、冶金、石油、化工、建材、轻工、造纸、楼宇自动化和家庭自动化等如何将系统集成并应用于这些领域是需要解决的难点之一。发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题国际上现场总线的研究、开发使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢走上开放发展的征程这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成涉及的内容十分广泛笔者认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网络化是发展的大趋势现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异发展十分迅猛一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中这些具有发展前景的现场总线技术有:智能仪表与网络设备开发的软硬件技术组态抗术包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等网络管理技术包括网络管理软件、网络数据操作与传输人机接口、软件技术现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术我国在这一技术领域还刚刚起步了解国际上该项技术的现状与发展动向对我国相关行业的发展对自动化技术、设备的更新无疑具有重要的作用。总体说来自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进这一发展趋势是肯定的。既然是总线就要向着趋于开放统一的方向发展成为大家都遵守的标准规范但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛几乎覆盖了所有连续、离散工业领域如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界众多领域需求各异一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

评分:

/86

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利