微型計(jì)算機(jī)技術(shù)ch.ppt

,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),陳應(yīng)麟 2009.09.02,第十章 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用,內(nèi)容提要,概述 現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 幾種典型的現(xiàn)場總線 典型控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 小結(jié),1現(xiàn)場總線概述,一.現(xiàn)場總線簡介 現(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，所以現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò),概述（續(xù)）,二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是由現(xiàn)場總線和現(xiàn)場設(shè)備組成的控制系統(tǒng)，這是繼電式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng),概述（續(xù)）,1、FCS對DCS的變革,概述（續(xù)）,2、 FCS與DCS比較有以下特點(diǎn) FCS的信號傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化 FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，它廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之 FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性 FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫 FCS的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用,3、FCS結(jié)構(gòu)圖,概述（續(xù)）,4、現(xiàn)場總線的分類 (1) 全功能數(shù)字網(wǎng)絡(luò) 提供從物理層到用戶層的所有功能，標(biāo)準(zhǔn)化工作比較完善 (2) 傳感器網(wǎng)絡(luò) 以CAN（Controller Area Network）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線 (3 ) 數(shù)字信號串行線 最簡單的數(shù)據(jù)總線，不提供應(yīng)用層和用戶層,2 現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,一、現(xiàn)場總線的實(shí)質(zhì) 1、現(xiàn)場總線的定義 ISA SP50（美國儀表協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）中對現(xiàn)場總線的定義 現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即場地級設(shè)備）之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系 國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會FF的定義 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,2、 現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義 (1) 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) (2) 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián) (3) 互操作性 (4) 分散功能塊 (5) 通信線供電 (6) 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,三、現(xiàn)場總線的協(xié)議 現(xiàn)場總線一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，OSI協(xié)議是為計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中所有要處理的要素都是通過共同的路徑進(jìn)行通信的，那么不管它是不是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都可以使用該協(xié)議 各廠家在實(shí)際制定自己的通信協(xié)議時(shí)，往往依據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，僅實(shí)現(xiàn)該7層協(xié)議的子集,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,四、現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成 從物理結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)場總線系統(tǒng)有兩個(gè)主要組成部分：現(xiàn)場設(shè)備和傳輸介質(zhì)，其中現(xiàn)場設(shè)備由現(xiàn)場微處理芯片及外圍電路構(gòu)成，傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等 現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，如總線型、環(huán)型、樹型、星型等,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,五、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照OSI參考模型建立的，OSI參考模型共分7層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表達(dá)層和應(yīng)用層，現(xiàn)場總線將上述7層簡化為3層，分別由OSI參考模式的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層組成，并增加了用戶層,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,1、 物理層 傳輸介質(zhì)：銅導(dǎo)線、無線電和電纜 傳輸速率和距離：31.25Kbps, 1900m（加中繼延長) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌嚎偩€型、樹型、點(diǎn)對點(diǎn)型 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量：一個(gè)通信段可連接32臺設(shè)備，使用中斷器可接240臺設(shè)備 支持總線供電：總線上既傳送數(shù)字信號，又要為現(xiàn)場設(shè)備提供電源能量。數(shù)字信號以31.25Hz的頻率調(diào)制到932V的直流供電電壓上,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,2、 數(shù)據(jù)鏈路層 規(guī)定了物理層與應(yīng)用層之間的接口，并控制對傳輸介質(zhì)的訪問 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)存取控制方式有3種： 令牌傳送：一個(gè)站必須持有令牌，才能開始一次對話，完成信息傳送后即將令牌交還鏈路活動調(diào)度器LAS，LAS根據(jù)預(yù)先的組態(tài)或調(diào)度算法將令牌送交給下一個(gè)令牌申請者 立即響應(yīng)：主站給一站一個(gè)機(jī)會來應(yīng)答一次信息 申請令牌：一個(gè)站在每回答響應(yīng)中允許立即發(fā)給令牌,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,3、應(yīng)用層 提供設(shè)備之間及網(wǎng)絡(luò)要求的數(shù)據(jù)服務(wù)，對現(xiàn)場過程控制進(jìn)行支持，為用戶提供一個(gè)簡單的接口 應(yīng)用層由現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范FMS組成： （1）FAS有3種功能：對象字典服務(wù)（讀、寫及修改對象描述）、變量訪問服務(wù)（通過子索引訪問每個(gè)對象中數(shù)組或記錄變量）、時(shí)間服務(wù)（發(fā)布事件及報(bào)警的通知） （2）FMS有3種服務(wù)：出版廣播數(shù)據(jù)，用戶偵聽廣播并將其放入內(nèi)部緩沖區(qū)；客戶端發(fā)出請求，服務(wù)器發(fā)出應(yīng)答；報(bào)告分發(fā)（源設(shè)備廣播事件報(bào)告，接收設(shè)備偵聽廣播并將其放入內(nèi)部隊(duì)列）,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,4、用戶層 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊供用戶組態(tài)成系統(tǒng) 有10個(gè)基本功能塊如AI、AO、DI、DO、PID 等，19個(gè)附加的算術(shù)功能塊,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,六、現(xiàn)場總線的發(fā)展概況 1 現(xiàn)場總線是綜合自動化的發(fā)展需要 2 智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 3 現(xiàn)場總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展,現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,七、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 1、技術(shù)特點(diǎn) （1）系統(tǒng)的開放性 （2）互操作性和互用性 （3） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 （4） 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 （5） 一對N結(jié)構(gòu) （6） 可控狀態(tài) （7） 互換性 （8） 綜合功能 （9） 統(tǒng)一組態(tài),現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況,2、優(yōu)點(diǎn) (1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 (2) 節(jié)省安裝費(fèi)用 (3) 節(jié)省維護(hù)開銷 (4) 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán),3幾種典型的現(xiàn)場總線ControlNet ( 1 ),一、控制層現(xiàn)場總線ControlNet ControlNet是近年來推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，它提供如下功能： 在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時(shí)間關(guān)鍵性 I/O數(shù)據(jù)和報(bào)文數(shù)據(jù)，包括程序的上載/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和端到端的報(bào)文傳遞等通信支持 對于連續(xù)和離散過程控制應(yīng)用場合，均具有高度確定性和可重復(fù)性功能 確定性：預(yù)見數(shù)據(jù)何時(shí)能夠可靠傳輸?shù)侥繕?biāo)的能力 可重復(fù)性：指數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加/刪除情況或網(wǎng)絡(luò)繁忙狀況影響而保持恒定的能力 它作為ControlLogix的通信背板，構(gòu)成新一代控制器，能同時(shí)完成邏輯、過程、拖動和運(yùn)動控制,ControlNet (2), ControlNet是基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的網(wǎng)絡(luò)，它允許在同一鏈路上有多個(gè)控制器并存，支持輸入數(shù)據(jù)或端到端信息的多路發(fā)送 ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系有復(fù)雜關(guān)聯(lián)、要求控制信息同步、協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的應(yīng)用場合 ControlNet是開放的現(xiàn)場總線，由獨(dú)立性國際組織”控制網(wǎng)國際”（ControlNet International）負(fù)責(zé)管理， ControlNet International旨在維護(hù)和發(fā)行ControlNet技術(shù)規(guī)范，管理成員單位的共同的市場推廣工作，同時(shí)提供各個(gè)廠商產(chǎn)品之間的一致性和互操作性測試服務(wù)，保證ControlNet的開放性,ControlNet (3), ControlNet 技術(shù)指標(biāo) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 : 在無重復(fù)器情況下最多 48 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)長度 : 1000m ( 同軸電纜 ) 5Mb/s ； 1000m 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 250 m 48 個(gè)節(jié)點(diǎn)； 3000m ( 光纖 ) 5Mb/s ； 5000m ( 同軸電纜 ) 5Mb/s 有重復(fù)器；超過 30Km ( 光纖 ) 有重復(fù)器 通訊速率 : 可調(diào) 總線拓?fù)?: 線性，樹型、星型、或三種混合 尋址模式 : 對等、多主和主從；輪詢、循環(huán)或狀態(tài)改變 系統(tǒng)特性 : 帶電插拔設(shè)備，確定性，可重復(fù)性，本安選擇，充分節(jié)點(diǎn) ID 檢測，報(bào)文組幀,ControlNet (4), ControlNet協(xié)議規(guī)范,ControlNet (5),（1）物理層與介質(zhì) 物理層和介質(zhì)部分的規(guī)范規(guī)定了同軸電纜和光纜介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)的一些參考信息。 物理層包括兩個(gè)子層：物理介質(zhì)附屬子層PMA（Physical Medium Attachment）和物理層信號子層PLS（Physical Layer Signalling）。PMA子層包含了發(fā)送和接收總線信號必須的電路，而PLS子層執(zhí)行位表示和計(jì)時(shí)器功能，以及與MAC（向上）和PMA子層的信息交換,ControlNet (6),（2）數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer） 數(shù)據(jù)鏈路層的首要任務(wù)是管理介質(zhì)的存取權(quán)。DLL協(xié)議是建立在一個(gè)固定長度、不斷重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間NUT（Network Update Time）基礎(chǔ)上的。NUT以同步方式管理鏈路上的不同節(jié)點(diǎn)，如果網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)的NUT時(shí)間與當(dāng)前鏈路上的NUT時(shí)間不一致，它就不能獲得在鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸權(quán)。不同的鏈路可能有不同的NUT值，NUT可以在組態(tài)過程中確定，取值范圍為2100ms 網(wǎng)絡(luò)的存取控制通過同時(shí)間域多點(diǎn)存取（Concurrent Time Domain Multiple Access）的時(shí)間滑動算法實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間被分割成不斷重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，通過調(diào)節(jié)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，對于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過指定不同的NUT來選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓?jié)拍,ControlNet (7),（3）網(wǎng)絡(luò)與傳輸層 網(wǎng)絡(luò)與傳輸層的任務(wù)是建立和維護(hù)連接。連接的概念類似于電話線路，這樣一條邏輯上的通信連接可能跨越了多個(gè)不同類型的鏈路，但對于通信雙方而言，這個(gè)連接是固定的、一致的。每個(gè)連接都被賦予一個(gè)連接標(biāo)識，代表與之相連的通信資源，在通信過程中，只需指出連接的標(biāo)識符即可，而不必指明其它連接參數(shù),ControlNet(8),（4）數(shù)據(jù)管理層 這部分協(xié)議定義了數(shù)據(jù)類型規(guī)范的文法、數(shù)據(jù)類型取值范圍以及不同數(shù)據(jù)類型適用的操作 對象模型 對象的建模代表了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可見的行為，這部分協(xié)議的內(nèi)容包括：對象建模和術(shù)語、對象編址、對象模型、對象規(guī)范格式和規(guī)則、對象規(guī)范擴(kuò)展方法、新對象創(chuàng)建規(guī)范等,ControlNet (9),（5）設(shè)備描述 通過定義每一類型設(shè)備的核心標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)不同廠商相似設(shè)備間互操作性和互換性。一般說來，相似設(shè)備具有大致相同的行為，產(chǎn)生/消費(fèi)相同的數(shù)據(jù)集，包含相似的可組態(tài)參數(shù)集。相似設(shè)備間這些信息的正式定義就稱為設(shè)備描述 ControlNet協(xié)議中已經(jīng)定義的設(shè)備描述包括：條形碼掃描器、PLC、位置控制器、秤、信息顯示器、交直流驅(qū)動、伺服驅(qū)動、接觸器、電機(jī)啟動器、軟啟動器、人機(jī)接口、啟動閥等,ControlNet (10),（6）生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式 傳統(tǒng)的源/目的通信模式的優(yōu)點(diǎn)是通信的內(nèi)容和形式都十分明確，在傳送的報(bào)文中都包含了明確的源和地址信息，但是在這種模式下，當(dāng)同一數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)上其它多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須經(jīng)過多次才能實(shí)現(xiàn)，而且由于數(shù)據(jù)到達(dá)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間可能因網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不同而變化，不同節(jié)點(diǎn)之間的同步變得很困難 生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源的數(shù)據(jù)，在這種模式下，每個(gè)數(shù)據(jù)被分配一個(gè)唯一的標(biāo)識，根據(jù)具體的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)可以接收來自同一發(fā)送者的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的時(shí)間傳送到不同的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)通信的精確同步,ControlNet (結(jié)束),（7）ControlNet的優(yōu)點(diǎn)： 同一鏈路上滿足I/O數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)互鎖、端到端報(bào)文傳輸和編程/組態(tài)信息等應(yīng)用的多樣的通信要求 是確定性的、可重復(fù)的控制網(wǎng)絡(luò)，適合離散控制和過程控制 同一鏈路上允許多個(gè)控制器同時(shí)并存 輸入數(shù)據(jù)和端到端信息的多路發(fā)送支持 可選的介質(zhì)冗余和本征安全 安裝和維護(hù)的簡單性 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)居于對等地位，可以從任意節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存取 靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、樹型、星型等）和介質(zhì)選擇（同軸電纜、光纖和其它）,幾種典型的現(xiàn)場總線 DeviceNet（1）,設(shè)備層現(xiàn)場總線DeviceNet 1、DeviceNet的性能 DeviceNet是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術(shù)的開放型、符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。它通過一根電纜將PLC、傳感器、光電開關(guān)、操作員終端、電動機(jī)、軸承座、變頻器和軟啟動器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，是分布式控制系統(tǒng)減少現(xiàn)場I/O接口和布線樹立、將控制功能下載到現(xiàn)場設(shè)備的理想解決方案、 DeviceNet現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。,DeviceNet (2),2DeviceNet協(xié)議規(guī)范 沿用了CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的總線網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，定義了不同的報(bào)文格式、總線訪問仲裁規(guī)則及故障檢測和故障隔離的方法,DeviceNet (4),(2) 數(shù)據(jù)鏈路層 遵循CAN協(xié)議規(guī)范，并由CAN控制器芯片實(shí)現(xiàn) CAN是基于廣播方式的協(xié)議，支持多主形式傳輸。傳輸?shù)膸环峙湟粋€(gè)標(biāo)識符，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)標(biāo)識符確定是否接收這些幀 提供數(shù)據(jù)幀、出錯(cuò)幀、遠(yuǎn)程幀和過載幀等多種幀格式，數(shù)據(jù)幀每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低，有嚴(yán)重故障的節(jié)點(diǎn)可自動從網(wǎng)絡(luò)上切除 采用非破壞性逐位仲裁的方法解決共享介質(zhì)總線訪問沖突問題。網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)唯一的標(biāo)識符，這個(gè)標(biāo)識符的值決定了仲裁中優(yōu)先級的大小，優(yōu)先級值小的節(jié)點(diǎn)在競爭仲裁中為獲勝的一方,DeviceNet (5),(3)應(yīng)用層 DeviceNet使用了對象的概念來描述應(yīng)用層的協(xié)議，對象模型提供了組成和實(shí)現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品構(gòu)成元件的屬性、服務(wù)和行為,DeviceNet (6), DeviceNet不僅可以作為設(shè)備級的網(wǎng)絡(luò)，還可以作為控制級的網(wǎng)絡(luò)，通過DeviceNet提供的服務(wù)還可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)上的實(shí)時(shí)控制。較之其它的一些現(xiàn)場總線， DeviceNet不僅可以接入更多、更復(fù)雜的設(shè)備，還可以為上層提供更多的信息和服務(wù) DeviceNet最初由Rockwell公司設(shè)計(jì)，目前由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）致力于支持DeviceNet產(chǎn)品和規(guī)范的進(jìn)一步開發(fā)。此外，Rockwell， GE，ABB，Hitachi，Omron等公司也致力于DeviceNet的推廣,DeviceNet (7),3、 DeviceNet的主要特點(diǎn)： 采用基于CAN的多主方式工作 逐位仲裁模式的優(yōu)先級對等通信建立了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳a(chǎn)者/消費(fèi)者傳輸模型 DeviceNet的直接通信距離最遠(yuǎn)為500m，通信速率最高可達(dá)500kb/s DeviceNet上可容納64個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持的I/O數(shù)量無限制 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，檢錯(cuò)效果好 通信介質(zhì)為獨(dú)立雙絞總線，信號與電源承載于同一電纜 支持設(shè)備的熱插拔，無需網(wǎng)絡(luò)斷電 DeviceNet的接入設(shè)備可選擇光隔離設(shè)計(jì)，由外部供電設(shè)備與由總線供電的設(shè)備共享總線電纜,DeviceNet (8), 報(bào)文傳送 I/O報(bào)文：適用于實(shí)時(shí)性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)，它提供了在報(bào)文發(fā)送過程和多個(gè)報(bào)文接收過程之間的專用通信路徑，通常使用優(yōu)先級高的連接標(biāo)識符，通過一點(diǎn)或多點(diǎn)連接進(jìn)行信息交換，連接標(biāo)識符提供了I/O報(bào)文的相關(guān)信息，在I/O報(bào)文利用連接標(biāo)識符發(fā)送之前，報(bào)文的發(fā)送和接收設(shè)備都必須先進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定的內(nèi)容包括源和目的對象的屬性，以及數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的地址 顯式的報(bào)文：適用于兩個(gè)設(shè)備間多用途的點(diǎn)對點(diǎn)報(bào)文傳遞，常用于節(jié)點(diǎn)的配置、問題診斷等，通常使用優(yōu)先級低的連接標(biāo)識符，并且該報(bào)文的相關(guān)信息包含在顯式報(bào)文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場中,DeviceNet (9), 數(shù)據(jù)通信方式 循環(huán)（Cyclic）方式：適用于一些模擬設(shè)備，可以根據(jù)設(shè)備的信號發(fā)生的速度，靈活設(shè)定循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)間間隔 狀態(tài)改變（Change of State）方式：適用于離散的設(shè)備，采用事件觸發(fā)方式，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)才發(fā)生通信 選通（Strobed）方式：利用8B的報(bào)文廣播，64個(gè)二進(jìn)制位的值對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上64個(gè)可能的節(jié)點(diǎn)，通過位的標(biāo)識，指定要求響應(yīng)的從設(shè)備 查詢（Polled）方式：I/O報(bào)文直接依次發(fā)送到各個(gè)從設(shè)備,幾種典型的現(xiàn)場總線 Profibus（1）,三、Profibus現(xiàn)場總線（Process Fieldbus） 1、 Profibus現(xiàn)場總線的設(shè)備性能 Profibus是德國20世紀(jì)90年代制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括加工制造、過程和建筑自動化，如今已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn) Profibus是一種不依賴于廠家的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，采用Profibus標(biāo)準(zhǔn)后，不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備不需對其接口進(jìn)行特別調(diào)整就可通信。Profibus為多主從結(jié)構(gòu)，可方便地構(gòu)成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng),Profibus (2),2、 Profibus的類型 針對不同的應(yīng)用場合，Profibus分為3個(gè)系列： （1） Profibus-DP（Decentralized Periphery）：用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可達(dá)12Mb/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作,Profibus (3),（2）Profibus-PA（Process Automation）：用于安全性要求較高的場合，它具有本質(zhì)安全特性，是Profibus的過程自動化解決方案，將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備連接起來，代替了420mA模擬信號傳輸技術(shù),Profibus (4),（3）Profibus-FMS（ Fieldbus Message Specification ）：用于車間級智能主站間通用的通信，它提供了大量的通信服務(wù)，用以完成以中等傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù),Profibus (5),3、Profibus協(xié)議規(guī)范：符合OSI參考模型,Profibus (6), Profibus-FMS：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification，F(xiàn)MS）和低層接口（Lower Layer Interface，LLI） FMS：向用戶提供了可選用的通信服務(wù) LLI：協(xié)調(diào)通信關(guān)系，提供第二層訪問接口 Profibus-DP：定義了第一、二層和用戶接口，用戶接口規(guī)定了設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明設(shè)備行為 Profibus-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議，根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，支持本征安全性和總線供電,Profibus (7),(1) Profibus的物理層：提供三種類型的傳輸技術(shù) DP和FMS的RS485傳輸：采用屏蔽雙絞銅線，傳輸速率為9.6K bit/s12M bit/s，每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（帶中繼） PA的IEC1158-2傳輸：支持本征安全和總線供電，傳送數(shù)據(jù)以31.25K bit/s調(diào)制供電電壓，采用藕合器將IEC1158-2與RS-485連接 光纖FO：在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用，采用專用總線插頭轉(zhuǎn)換RS-485信號和光纖導(dǎo)體信號,Profibus (8),(2) Profibus的數(shù)據(jù)鏈路層 DP、FMS、PA的數(shù)據(jù)鏈路層相同 采用主從結(jié)構(gòu)，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從傳送方式,幾種典型的現(xiàn)場總線 FF現(xiàn)場總線（1）,四、FF總線（Fieldbus Foundation） 1、FF總線的性能 FF（現(xiàn)場總線基金會）是國際公認(rèn)的唯一不附屬于某企業(yè)的公正非商業(yè)化的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，無專利許可要求，可供任何人使用 FF總線由低速FF_H1和高速FF_HSE組成 2、FF現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范 協(xié)議規(guī)范建立在OSI參考模型之上，它由3個(gè)主要功能部分組成，即物理層、通信棧、用戶層。,FF現(xiàn)場總線（2）,(1 ) FF_H1：以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)的四層結(jié)構(gòu)模型，采用令牌總線介質(zhì)訪問技術(shù)，用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備連接 (2) FF_HSE：采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六層結(jié)構(gòu)，主要用于制造業(yè)（離散控制）自動化以及邏輯控制、批處理和高級控制等場合,FF現(xiàn)場總線（3）,3 FF總線的優(yōu)點(diǎn)： (1) 設(shè)備互操作性 (2) 改善的過程數(shù)據(jù) (3) 對進(jìn)程更多的了解 (4) 提高工廠設(shè)備安全性能，滿足日益嚴(yán)格的控制設(shè)備安全要求 (5) 提供預(yù)測性維護(hù)能力 (6) 大大減少了網(wǎng)絡(luò)安裝費(fèi)用,幾種典型的現(xiàn)場總線 LonWorks（1）,五、LonWorks現(xiàn)場總線（Local Operating Networks） 1、 LonWorks現(xiàn)場總線性能 LonWorks是1991年美國Echelon公司推出的通用總線，它提供了完整的端到端的控制系統(tǒng)解決方案，可同時(shí)應(yīng)用在裝置級、設(shè)備級、工廠級等任何一層總線中，并提供實(shí)現(xiàn)開放性互操作控制系統(tǒng)所需的所有組件，使控制網(wǎng)絡(luò)可以方便地與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫集成,LonWorks (2),2、 LonWorks現(xiàn)場總線的協(xié)議規(guī)范 LonTalk通信協(xié)議是LonWorks技術(shù)的核心，它提供了OSI參考模型的全部7層服務(wù)，并固化于Neuron芯片,LonWorks (3),(1) 物理層 支持多種傳輸介質(zhì)，不同的介質(zhì)通過路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)， 支持總線型、環(huán)型、樹型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),LonWorks (4),(2 )數(shù)據(jù)鏈路層 采用改進(jìn)的改進(jìn)的帶預(yù)測的CSMA/CD算法，減少沖突的出現(xiàn)，提高傳輸效率 支持優(yōu)先級 (3) 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)地址采用域（255個(gè)子網(wǎng)）、子網(wǎng)（127個(gè)節(jié)點(diǎn)）、節(jié)點(diǎn)三層結(jié)構(gòu)支持大網(wǎng) 每個(gè)神經(jīng)元芯片有唯一的48位ID地址,LonWorks (5),( 3) 傳送層、會話層 四類報(bào)文服務(wù)：確認(rèn)、請求/響應(yīng)、重復(fù)/非確認(rèn)重復(fù)、非確認(rèn) 支持網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證 (4) 表示層 采用網(wǎng)絡(luò)變量作表示層數(shù)據(jù)，簡化分布式應(yīng)用的編程) (5)應(yīng)用層 用Neuron C語言在神經(jīng)元芯片中編程,LonWorks (6),3 LonWorks的神經(jīng)元芯片 芯片內(nèi)有3 個(gè)8位CPU，使用CMOS CLSI 技術(shù)高度集成，集采集、控制于一體： 第1個(gè)CPU為介質(zhì)訪問控制MAC處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一層和第二層 第2個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層 第3個(gè)CPU為應(yīng)用處理器，實(shí)現(xiàn)LonTalk協(xié)議的第七層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù) LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的裝置都必須有1個(gè)神經(jīng)元芯片 LonTalk的6層已經(jīng)在購買的神經(jīng)元芯片中完成，用戶只需編寫應(yīng)用程序,LonWorks (7),4 LonWorks的操作系統(tǒng)LNS 采用多客戶/多服務(wù)器結(jié)構(gòu)，提供了功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，完成一系列網(wǎng)絡(luò)管理功能 通過內(nèi)含的TCP/IP功能，可完成Infranet與Internet、Intranet的無縫集成 LNS的分層結(jié)構(gòu)（裝置級采用LonWorks、系統(tǒng)級采用TCP/IP）允許數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)相互利用彼此信息,LonWorks (8),5 LonWorks控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 系統(tǒng)具有無中心控制的真正分布式控制節(jié)點(diǎn)模式，使控制節(jié)點(diǎn)盡量靠近被控設(shè)備 開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有良好的互操作性 系統(tǒng)組態(tài)靈活，重新構(gòu)造或修改配置很任意，增加或減少控制節(jié)點(diǎn)不必改變網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu) 控制節(jié)點(diǎn)間可通過多種通信媒體連接，組網(wǎng)簡單，成本大大降低 系統(tǒng)整體可靠性高，控制節(jié)點(diǎn)故障只影響與其相連的設(shè)備，不會造成系統(tǒng)或子系統(tǒng)癱瘓 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議已固化在控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)編程簡單，應(yīng)用開發(fā)周期大大縮短 系統(tǒng)總體成本降低，升級改造費(fèi)用低,幾種典型的現(xiàn)場總線6 CAN現(xiàn)場總線（1）,六、CAN總線（Controller Area Network） 1、CAN現(xiàn)場總線的性能 CAN是德國Bosch公司從20世紀(jì)初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，1993年11月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO正式頒布了關(guān)于CAN總線的ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，目前CAN得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域,CAN現(xiàn)場總線(2),2、CAN總線的主要特點(diǎn) （1） 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（5kb/s），最高速率可達(dá)1Mb/s（40m) （2）用數(shù)據(jù)塊編碼方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的站地址編碼方式，用一個(gè)11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成的標(biāo)識碼來定義211或1129個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，讓各節(jié)點(diǎn)通過濾波的方法分別接收指定標(biāo)識碼的數(shù)據(jù) （3）網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以主動向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，是一種多主總線，可以方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng) （4）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以定義成不同的優(yōu)先級，利用接口電路中線與功能，巧妙地實(shí)現(xiàn)無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁 （5）數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段長度最多為8B，在每幀中都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施 （6）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能,CAN現(xiàn)場總線(3),3、CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) CAN總線也是建立在ISO參考模型基礎(chǔ)上的，不過只采用了其中最關(guān)鍵的兩層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,CAN現(xiàn)場總線(4),(1) 物理層的主要內(nèi)容是規(guī)定通信介質(zhì)的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程特性 (2) 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝，即加上差錯(cuò)校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的控制信息、頭尾標(biāo)記等附加信息組成數(shù)據(jù)幀，從物理信道上發(fā)送出去，在接收道數(shù)據(jù)幀后，再把附加信息去掉，得到通信數(shù)據(jù) 媒體訪問控制子層MAC：傳輸規(guī)則 邏輯控制子層LLC：報(bào)文的濾波和報(bào)文的處理 C