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文檔簡介

1、現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)第一章1、 控制系統(tǒng)的發(fā)展階段: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)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。FCS作為新一代控制系統(tǒng),一方面突破了DCS系統(tǒng)采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限,另一方面,把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu),變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能徹底下放到現(xiàn)場??梢哉f,開放性、分散性和數(shù)字通信是FCS最顯著的特征。2、 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),有通信就必須有協(xié)議。故現(xiàn)場總線實質(zhì)上就是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標準。是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互聯(lián)的實時控制通信網(wǎng)絡(luò)。而F

2、CS是用開放的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互聯(lián)的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。3、 現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)的區(qū)別現(xiàn)場總線是連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互聯(lián)的實時控制通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸小批量數(shù)據(jù)信息,如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等,但傳輸速率低,實時性高。簡言之,現(xiàn)場總線就是一種實時控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局部區(qū)域的各臺計算機,網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息,但不要求實時性。局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線可以采用各種通訊介質(zhì),如雙絞線、電力線、光纖、無線射頻、遠紅外等。局域網(wǎng)需要用專用電纜,如同軸電纜、光纖等。4、 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)5、開放性、分散

3、性、低成本性是現(xiàn)場總線最顯著的3大特征6、 具有代表性的現(xiàn)場總線(1) CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線;(2)LonWorks總線(3) HART總線; (4)ModBus總線(5) CC-Link總線第二章 基金會現(xiàn)場總線1、FF總線系統(tǒng)是現(xiàn)場總線基金會推出的總線系統(tǒng)。FF總線是一種全數(shù)字的、串行的、雙向傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng),是一種連接現(xiàn)場中各種傳感器、控制器、執(zhí)行單元的信號傳輸系統(tǒng)。2、基金會現(xiàn)場總線(FF)以ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型為基礎(chǔ),并對其進行了改造而成,保留了第1層的物理層,第2層的數(shù)據(jù)鏈路層和第7層的應(yīng)用層作為FF通信模型的相應(yīng)層,將應(yīng)用層分為現(xiàn)場總線存取和應(yīng)用服務(wù)兩部分,并

4、在應(yīng)用層上增加了用戶層。3、FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)分為低速H1和高速H2兩種通信速率,以實現(xiàn)不同要求下的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)通信。這兩種總線均支持總線型或樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。4、網(wǎng)絡(luò)組成原理4.1 基金會現(xiàn)場總線的物理層物理層用于實現(xiàn)現(xiàn)場物理設(shè)備和總線間的連接,為現(xiàn)場設(shè)備與通信傳輸媒體的連接提供機械和電氣接口,為現(xiàn)場設(shè)備對總線的發(fā)送/接收提供合乎規(guī)范的物理信號。物理層作為電氣接口,一方面接收鏈子數(shù)據(jù)鏈路層的信息,把它轉(zhuǎn)換為物理信號,并傳送到現(xiàn)場總線的傳輸介質(zhì),起到發(fā)送驅(qū)動器的作用。另一方面,把來自總線傳輸介質(zhì)的物理信號轉(zhuǎn)換為信息,并送往數(shù)據(jù)鏈路層,起到接收器的作用。按照IEC物理層規(guī)范的有關(guān)規(guī)定,物理層又被分

5、為媒體相關(guān)子層和媒體無關(guān)子層。媒體相關(guān)子層負責(zé)處理不同介質(zhì)、不同速率的信號轉(zhuǎn)換問題,也稱媒體訪問單元。當(dāng)出現(xiàn)讀個連接時,物理媒體相關(guān)子層對所有連接同時傳送。在兩個子層連接處,物理媒體相關(guān)子層選擇其中之一,把它的信號送到媒體無關(guān)子層,形成所通過的單一數(shù)據(jù)流。對不同種類的介質(zhì)、不同傳輸速率要求的場合,應(yīng)分別設(shè)置不同的物理層實體?;饡F(xiàn)場總線支持多種傳輸介質(zhì):雙絞線、電纜、光纖、無線介質(zhì),目前應(yīng)用較為廣泛的是前兩種。4.2 數(shù)據(jù)鏈路層(DDL)數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和總線訪問層之間,為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線訪問子層總線訪問媒體提供服務(wù)??偩€上的鏈路活動調(diào)度、數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、活動狀態(tài)的探測和響應(yīng)、總線上

6、個設(shè)備間的鏈路時間同步等,都是通過數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)的。每個總線端上有一個媒體訪問控制中心,稱為鏈路活動調(diào)度器(LAS)。其擁有總線上所有設(shè)備的清單,由它來掌管總線段上各設(shè)備對總線的操作。任何時刻每個總線端上總有一個LAS處于工作狀態(tài),總線段上的設(shè)備只有得到LAS的許可,才能向總線上傳輸數(shù)據(jù)。其具有5種基本功能:(1)向設(shè)備發(fā)送強制數(shù)據(jù)(CD);(2)向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌(PT);(3)為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址;(4)定期對總線發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時間和調(diào)度時間;(5)監(jiān)視設(shè)備對傳遞令牌的響應(yīng)。數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元(DLPDU),提供數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議控制信息。協(xié)議控制信息由3部分組成:第1部分是幀控

7、制信息;第2部分是數(shù)據(jù)鏈路地址,包括目的地址和源地址;第3部分是指明了DLDPU的參數(shù)。4.3 現(xiàn)場總線訪問子層現(xiàn)場總線訪問子層(FAS)是基金會現(xiàn)場總線通訊參考模型中應(yīng)用層的一個子層。它與總線報文規(guī)范層(FMS)一起構(gòu)成應(yīng)用層。FAS位于FMS和數(shù)據(jù)鏈路層之間。FAS的協(xié)議機制可以劃分為三層:FAS服務(wù)協(xié)議機制;應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機制;DLL映射協(xié)議機制。它們之間的相互關(guān)系如下圖所示: 4.4 現(xiàn)場總線報文規(guī)范現(xiàn)場總線報文規(guī)范層(FMS)是通信參考模型應(yīng)用層中的另一個子層,該層描述了用戶應(yīng)用所需的通信服務(wù)、信息格式、行為狀態(tài)等。FMS服務(wù)分為確認和非確認兩種。所謂對象字典(OD)是指由于對象描述說

8、明通信中跨越現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)內(nèi)容,把這些對象描述收集在一起。5、 功能塊為了支持不同廠商之間功能塊的標準化和互操作性,F(xiàn)F定義了兩個工具,即設(shè)備描述語言(DDL)和對象字典(OD)。功能塊應(yīng)用進程位于基金會現(xiàn)場總線通信模型中的最高層用戶層,用戶層是在ISO(國際標準化組織)/OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián))參考模型(ISOOSI 該模型是國際標準化組織(ISO)為網(wǎng)絡(luò)通信制定的協(xié)議,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的功能要求,它把通信過程分為七層,分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層,每層都規(guī)定了完成的功能及相應(yīng)的協(xié)議。)中7層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加的一層?,F(xiàn)場總線系統(tǒng)是系統(tǒng)工作的應(yīng)用進程集合。應(yīng)用進程

9、是現(xiàn)場總線系統(tǒng)活動的基本組成部分,是最基本的對象。每個應(yīng)用進程表述了存在于一個設(shè)備內(nèi)的分別包裝組成的功能塊。功能塊應(yīng)用進程由功能塊所構(gòu)成的應(yīng)用進程組成。對象是構(gòu)成功能塊應(yīng)用的基本元素。5.1 功能塊應(yīng)用進程中(AP)的一個通用結(jié)構(gòu),把實現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能塊,使其公共特稱標準化,規(guī)定他們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖,把按時間反復(fù)執(zhí)行的函數(shù)模塊化為算法,把輸入?yún)?shù)按功能塊算法轉(zhuǎn)換成輸出參數(shù)。功能塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:6 通信模式與通信協(xié)議基金會現(xiàn)場總線的核心部分之一是實現(xiàn)現(xiàn)場總線信號的數(shù)字通信。為了實現(xiàn)通信系統(tǒng)的開放性,其通信模型參考了ISO/OSI參考模型。FF

10、總線系統(tǒng)中的裝置可以是主站,也可以是從站。在同一個網(wǎng)絡(luò)中可以有多個主站,但在初始化時只能有一個主站。FF通信系統(tǒng)由設(shè)備中的通信棧來完成,通信棧包括系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、功能塊、報文規(guī)范層、總線訪問子層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等?;饡F(xiàn)場總線的通信控制器及接口線路主要涉及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和總線訪問子層之間。6.1 FF總線通訊接口電路 FF總線通訊接口電路如下圖所示。 接口電路的功能入下:(1) 總線上的信號驅(qū)動和信號接收。(2)傳輸數(shù)據(jù)的串、并行轉(zhuǎn)換,現(xiàn)場總線采用的是串行數(shù)據(jù)通信方式,而CPU采取的是并行數(shù)據(jù)。(3)串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼,F(xiàn)F采用兩線制同步數(shù)據(jù)通信方式,采用

11、同步通信方式時,發(fā)送發(fā)必須采用頻率相同的和相位相同的時鐘,通信方可進行。同步通信有4線制和2線制,4線制采用“一對線 傳輸數(shù)據(jù)信息,另一對線 傳輸時鐘信號”,2線制則是用同一對線同時傳輸數(shù)據(jù)和時鐘信號。FF采用曼徹斯特編碼和解碼技術(shù)。(4)信息幀的打包盒解包,總線上的信息采用分層打包的方式進行包裝,由于是采用2線制同步數(shù)據(jù)傳輸,接收方和發(fā)送方一般是采用各自的時鐘來進行接收和發(fā)送。(5)幀校驗序列的產(chǎn)生和驗證。FF現(xiàn)場總線采用了同步協(xié)議中廣泛使用的CRC校驗法來檢查數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。一般都有通信控制器中專用硬件線路來完成。6.2 協(xié)議數(shù)據(jù)的構(gòu)成和層次 現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)的內(nèi)容和模型中每層應(yīng)附加相應(yīng)

12、的信息。6.3 FF現(xiàn)場總線通信控制器的芯片日本橫河、富士公司,美國的SHIP STAR公司,巴西的SMAR公司。SMAR公司的FB3050第三章 Profibus現(xiàn)場總線Profibus系列由三個兼容部分組成,即由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。Profibus-DP適用于設(shè)備級自動控制系統(tǒng)與分散I/O之間的高速通信。Profibus-PA專為過程自動化設(shè)計,它能夠?qū)⒆兯推骱蛨?zhí)行器連接到一根公共總線,使用2根線就可以完成供電和數(shù)據(jù)通信。1、 Profibus有一套完整的傳輸技術(shù)1.1 RS485傳輸技術(shù)RS485傳輸技術(shù)是一種簡單、低成本的傳輸技術(shù),

13、主要用于需要高傳輸效率的任務(wù)。它使用有一對導(dǎo)體的屏蔽雙絞銅質(zhì)電纜。RS485的一種新的可選類型也可以在本質(zhì)安全區(qū)域運行。RS485的特性:可以在9.6k bit/s12M bits/s之間選擇各種傳輸速率。每個總線段最多可以連接32個站,可允許的最大總線長度取決于傳輸速率。 RS232和RS485都屬于串行通訊,一般采用異步通訊方式。RS232接口標準:一般采用標準通訊波特率為1200、2400、4800、9600、19200b/s。電氣標準一般采用-15V3V為邏輯1,3V15V為邏輯0。RS232是點對點的通訊協(xié)議,接口標準是單端收發(fā),抗共模干擾能力差,所以傳輸距離較?。ㄐ∮?520米)。

14、RS232一般采用三根數(shù)據(jù)線,TXD、RXD和GND,其發(fā)送數(shù)據(jù)通過TXD發(fā)送,接受通過RXD接收,發(fā)送和接收通過不同的信道,可以同時進行發(fā)送和接收。所以RS232支持全雙工通訊方式。RS485接口標準:RS485是一種平衡傳輸方式的串行接口通訊,只能工作在半雙工工作方式下。兩端都配置120終端電阻。RS485的特點是抗干擾能力強,傳輸速率高,傳輸距離遠。RS485允許最大可以連接32對發(fā)送器/接收器。RS485網(wǎng)絡(luò)接口:RS485網(wǎng)絡(luò)一般采用總線型網(wǎng)絡(luò),采用半雙工、廣播式通訊控制方式。同一時刻只能有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),其他節(jié)點都處于接收狀態(tài),否則會引起數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致通訊錯誤。所以通常采用主-從網(wǎng)

15、絡(luò)。 RS485組網(wǎng)技術(shù)及通訊協(xié)議分析:(1)硬件組件,按照RS485電氣標準將各控制部件連接起來;(2)軟件設(shè)置及編程,依據(jù)通訊部件的通訊協(xié)議進行設(shè)置和編程設(shè)計。RS485總線要求有物理標準和協(xié)議標準。在RS485總線上的各部件必須具有標準RS485通訊接口,所有的RS485接口的DATA+和DATA-分別連接在一起,在通訊兩端配置終端電阻。同時RS485總線上各部件必須遵從同一種通訊協(xié)議。RS232/485通訊轉(zhuǎn)換模塊可以將RS232信號轉(zhuǎn)換成RS485信號。有些公司變頻器沒有RS485總線終端電阻配置選擇,我們通過在通訊線的兩終端外接120電阻完成終端電阻配置。RS485總線上,各部件必

16、須具有相同的通訊參數(shù),即具有相同的波特率、相同的數(shù)據(jù)位、相同的校驗位、相同的停止位。CRC校驗循環(huán)冗余校驗(CRC)MBP作為傳輸技術(shù),它具有下列屬性:(1)曼徹斯特編碼;(2)總線供電。1.2 光纖傳輸技術(shù)有些現(xiàn)場總線的應(yīng)用環(huán)境對耦合電線的傳輸技術(shù)有限制,像有很高的電磁干擾的環(huán)境或需要覆蓋特別大的網(wǎng)絡(luò)距離應(yīng)用。通過光線導(dǎo)體的光纖傳輸技術(shù)適用于這些情況。 2 通信協(xié)議FMS是第一個Profibus通信協(xié)議,是用與車間級的通信;通信協(xié)議DP是用于現(xiàn)場層的快速數(shù)據(jù)交換。這是中央可編程的控制器(如PLC、PC或過程控制系統(tǒng))通過快速串行連接與分散的現(xiàn)場設(shè)備(如I/O、閥門、變送器等)進行通訊。這主要

17、是循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。DP用于總線主站與其所屬從站設(shè)備之間進行簡單、快速、循環(huán)、和時間確定的過程數(shù)據(jù)交流。最初的版本為DP-VO到V1、V2。具體通信協(xié)議的架構(gòu)見S7-200PLC詳解290-296。使用代理服務(wù)器將Profibus總線段集成在Profinet中。這些都表現(xiàn)了用于與Profibus連接的所有設(shè)備的代理服務(wù)器功能。這意味著在重新組建或擴展成套裝備時,全部Profibus設(shè)備系列不加改變的執(zhí)行,這給用戶提供了做大的投資保護。代理服務(wù)器技術(shù)也允許集成其他總線系統(tǒng)。P-NET、SwiftNet、ControlNet、Interbus總線。第九章 工業(yè)以太網(wǎng)1、工業(yè)以太網(wǎng)的概述見現(xiàn)場總線與工

18、業(yè)以太網(wǎng)2 工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1 通信確定性和實時性技術(shù) 傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式的拓撲結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽/碰撞檢驗(CSMA/CD)通信方式。研究表明:傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延遲,對數(shù)據(jù)傳送實時性要求很高的場合是不能容忍的,這也影響了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。隨著體態(tài)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)以太網(wǎng)在確定性和實時性方面已經(jīng)基本達到了工業(yè)現(xiàn)場實時控制的要求。首先,在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)上采用星形連接代替總線型連接,其中星形連接用網(wǎng)橋或路由器等設(shè)備將網(wǎng)段分割成多個網(wǎng)段,在每個網(wǎng)段上以一個多口集線器為中心,將若干個設(shè)備或節(jié)點連接起來,每個沖突域均采取CSMA/CD機制來管理網(wǎng)絡(luò)沖突。其次,采

19、用以太網(wǎng)交換技術(shù)。再次,采用全雙工通信技術(shù)??傊捎眯切途W(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)交換技術(shù)后,可以大大減少(半雙工方式)或完全避免(全雙工方式)碰撞,從而使以太網(wǎng)的通信確定性和實時性大大增強。2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性技術(shù)首先,針對工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求,對設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。再基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是相關(guān)設(shè)備的核心,網(wǎng)絡(luò)硬件把內(nèi)部系統(tǒng)總線和外部世界連成一體,所以工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備在這種性能指標上都高于普通商業(yè)以太網(wǎng)。其次,可以采用環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)來提高系統(tǒng)的可恢復(fù)性。2.3 系統(tǒng)互操作性技術(shù)OPC互操作性是指連接到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進行通信和互用,性能類似的設(shè)備可以實

20、現(xiàn)互換。2.4 網(wǎng)絡(luò)安全性技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)把傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(生產(chǎn)管理層、高級控制與優(yōu)化層、基礎(chǔ)控制層)合成一體,使數(shù)據(jù)的傳輸效率更快、實時性更高。同時,它還可以方便的接入Internet,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,使工廠高效率的運作。當(dāng)然,也引入了網(wǎng)絡(luò)安全問題。因此工業(yè)以太網(wǎng)在企業(yè)中實施時,應(yīng)采用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全隔離措施。通常,可采用的網(wǎng)絡(luò)隔離的辦法,如具有過濾功能的交換機將內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分開。此外,還可以引入防火墻機制,進一步對內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)的訪問進行限制,防止非授權(quán)用戶得到網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)。2.5 總線供電技術(shù)所謂總線供電技術(shù)或總線饋電,是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號,還能給現(xiàn)場

21、設(shè)備提供工作電源,起到一線多用功能。2.6 本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)現(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)手段包括兩類:隔離型和本質(zhì)安全性。隔離型如增安、氣密、澆灌。本質(zhì)安全技術(shù)采用抑制點火源能量作為防爆手段,實現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)是低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。以太網(wǎng)系統(tǒng)包括工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機、傳輸介質(zhì)以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備。3 典型的工業(yè)以太網(wǎng)3.1 Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)基于Ethernet、TCP/IP的用于分布式自動化的接口標準,利用這個接口標準,可以建立基于Ethernet和Web的分布式智能控制系統(tǒng)。3.2 Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議(Ethernet/IP)是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準。3.3 FF HSE工業(yè)以太網(wǎng)3.4 Profinet工業(yè)以太網(wǎng)3.5 EPA實時以太網(wǎng) 系統(tǒng)采用Profibus-DP總線,每臺傳動裝置均配有一塊Profibus-DP適配器模塊RPBA-01采用公共直流母線,能夠避免因某一分部變頻母線電壓過高,而發(fā)生變頻跳閘、停機的現(xiàn)象,這在調(diào)試、生產(chǎn)中將大大減少試機和停

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