第6講 控制網(wǎng)絡(luò)與總線

6.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和總線1、常用通信方式和通信的實(shí)現(xiàn)；2、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線；3、測(cè)量準(zhǔn)確和控制精度；4、接口數(shù)字集成電路。學(xué)生思考舉例：了解生活和上網(wǎng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能的感受，對(duì)網(wǎng)絡(luò)種類和組成的認(rèn)識(shí)。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換稱為通信。

基本通信方式：并行通信：

數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，速度快,傳輸線多，近距離。串行通信：數(shù)據(jù)逐位順序傳送，速度慢，節(jié)省傳輸線，遠(yuǎn)距離。6.1數(shù)據(jù)通信技術(shù)一、數(shù)據(jù)通信方式通信方式還分為異步和同步傳送兩種形式。兩地之間在同一時(shí)刻實(shí)現(xiàn)送和接受為同步.傳輸速率指標(biāo)：波特率（bit/s位/秒）,如20kbps。二、通信線路的通信方式ABABBA通信線路三種通信方式1、單工通信方式信息只能單向傳輸。2、半雙工通信方式信息能雙向傳輸，但不能同時(shí)進(jìn)行。3、全雙工通信方式信息可以同時(shí)沿兩個(gè)方向傳輸。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織:ISO+標(biāo)準(zhǔn)號(hào)國(guó)際電工委員會(huì):IEC+標(biāo)準(zhǔn)號(hào)美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì):EIA中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):GB+標(biāo)準(zhǔn)號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)是最大的競(jìng)爭(zhēng)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更接近的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，如電氣標(biāo)準(zhǔn)GB-T4728.1-1985

。RS-232C電氣標(biāo)準(zhǔn)+15V,--15VRS-422電氣標(biāo)準(zhǔn)+5V,-0VRS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)+5V,-0V,與TTL兼容

RS-232C的電氣接口是單端的、雙極性電源供電電路。不足之處：數(shù)據(jù)傳輸速率局限于20kbps；傳輸距離局限于15m；RS-422A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差分平衡的電氣接口，能在較長(zhǎng)距離內(nèi)明顯提高速率，在1200m距離內(nèi)把速率提高到l00k波特，或在較短距離內(nèi)提高到10M波特。實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間遠(yuǎn)程通信時(shí)，需要兩對(duì)平衡差分電路形成全雙工傳輸電路。RS-422A兩點(diǎn)傳輸電路RS-485：采用平衡差分電路，為半雙工工作方式，因而可以采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線來連接。發(fā)送電路由使能信號(hào)加以控制。RS-485兩點(diǎn)傳輸電路RS-485多點(diǎn)互連系統(tǒng)RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換傳輸示意圖RS-232C/422A轉(zhuǎn)換裝置原理圖表3-4RS-232C主要端子分配

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是為分散型控制系統(tǒng)提供通信介質(zhì)、傳輸控制和通信功能的手段?；ミB和通信是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的核心。網(wǎng)絡(luò)中互連的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)或站，結(jié)點(diǎn)間的物理連接結(jié)構(gòu)稱為拓?fù)?。局部網(wǎng)絡(luò)通常有4種結(jié)構(gòu)：星形、環(huán)形、總線形和樹形。6.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)概述1、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)NS1S5S2S4S3站主結(jié)點(diǎn)N：主結(jié)點(diǎn)S1－S5：站星形結(jié)構(gòu)任何兩個(gè)站之間的通信都要通過主結(jié)點(diǎn)。主結(jié)點(diǎn)要求：功能強(qiáng)，容量大，速度快。但可靠性低。1）星形結(jié)構(gòu)星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：①網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制和管理，建網(wǎng)容易；②網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短，傳輸錯(cuò)誤率較低；③網(wǎng)絡(luò)可靠性低，一旦中央結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障將導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓；屬于分散型網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點(diǎn)是信息接收和發(fā)送中繼器。信息傳送距離遠(yuǎn)，能保證信號(hào)質(zhì)量。N1N5N4N2N3S1S5S2S4S3站結(jié)點(diǎn)S1-S2：站N1-N2：結(jié)點(diǎn)環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：①信息流在網(wǎng)絡(luò)中沿固定的方向流動(dòng)，兩結(jié)點(diǎn)間僅有唯一的通路，簡(jiǎn)化了路徑選擇；②環(huán)路中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的收發(fā)信息均由環(huán)接口控制，因此控制軟件較簡(jiǎn)單；③環(huán)路中某結(jié)點(diǎn)故障時(shí)，可采用旁路環(huán)的方法，提高了可靠性；④環(huán)結(jié)構(gòu)其結(jié)點(diǎn)數(shù)的增加將影響信息的傳輸效率。2）環(huán)形結(jié)構(gòu)S1-S6：站S1S2S3S4S5S6通信總線站總線形結(jié)構(gòu)一條開環(huán)無源的同軸電纜作為公共通信線路，各站通過Ｔ型接插器連到電纜上，屬于分散型網(wǎng)絡(luò)。3）總線形結(jié)構(gòu)總線型網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，擴(kuò)展方便；②可靠性高，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快；③共享資源能力強(qiáng)，便于廣播式工作；④設(shè)備少、價(jià)格低、安裝和使用方便；

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和介質(zhì)訪問控制方式的角度，對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可歸納為吞吐能力、穩(wěn)定性、確定性、可靠性和靈活性五個(gè)方面?？偩€形和環(huán)形結(jié)構(gòu)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。四、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)和選型1、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)大型系統(tǒng)常采用分散型控制的模式，系統(tǒng)主要分為三級(jí)：①分散過程控制級(jí)（下層）②集中操作監(jiān)控級(jí)（中層）2、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的選型1）大型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選型③綜合信息管理級(jí)（上層）集中操作監(jiān)控級(jí)和分散過程控制級(jí)。2）中小型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選型控制系統(tǒng)：控制性能優(yōu)越、性能價(jià)格比較高、可維護(hù)性好、可靠性高、構(gòu)成方式靈活、操作簡(jiǎn)單。DCS又稱分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱集散型控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)。DCS綜合了計(jì)算機(jī)、控制、通信、顯示技術(shù)，集中了連續(xù)、批量、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。DCS采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設(shè)計(jì)原則。系統(tǒng)安全可靠、通用靈活。是一種新型的過程控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)控制的理想方案。6.3集散型控制系統(tǒng)(DCS)直接面向生產(chǎn)過程，完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制、順序控制等功能，面向傳感器的信號(hào)，如熱電偶、熱電阻、變送器(溫度、壓力、液位)及開關(guān)量等信號(hào)，其輸出是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。構(gòu)成這一級(jí)的主要裝置有：①現(xiàn)場(chǎng)控制站(工業(yè)控制機(jī))；②可編程序控制器(PLC)；③智能調(diào)節(jié)器；④其它測(cè)控裝置。1）分散過程控制級(jí)控制器工業(yè)控制機(jī)嵌入式控制器PLC控制器單片機(jī)DSPARM單回路調(diào)節(jié)器在DCS中實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)(或工廠)的綜合信息管理，主要執(zhí)行生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)管理功能。簡(jiǎn)稱MIS。①市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理子系統(tǒng)②生產(chǎn)管理子系統(tǒng)③財(cái)務(wù)管理子系統(tǒng)④人事管理子系統(tǒng)四、DCS的綜合信息管理級(jí)1、MIS的組成(2)MIS的軟件組成管理人、財(cái)、物，產(chǎn)、供、銷Bitbus是主從式、總線型高速串行網(wǎng)，電氣接口采用平衡傳送的RS-485標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)是雙絞線或同軸電纜。6.4位總線(Bitbus)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Bitbus的核心是高性能的VLSI芯片族8044BEM(8744，8344)。其中，不帶片內(nèi)ROM的是8344；帶有片內(nèi)4KROM的是8044；帶有片內(nèi)4KEPROM的是8744。8044內(nèi)部有一個(gè)可獨(dú)立工作的串行通信接口單元SIU；192字節(jié)的片內(nèi)RAM；35個(gè)內(nèi)部特殊功能寄存器(SFR)；對(duì)于低128個(gè)字節(jié)RAM，是直接地址訪問的SFR；128～192字節(jié)的內(nèi)部RAM，必須間接尋址訪問，從而與有相同地址的SFR相區(qū)分。一、8044BEM硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1、8044系列單片機(jī)的引腳圖（表7.2圖7.25）雙微機(jī)控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制與通信任務(wù)的分離。8044內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖SIU執(zhí)行同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。兩個(gè)處理器通過分時(shí)多路轉(zhuǎn)換雙口RAM和一些特殊功能寄存器進(jìn)行通信。建立一個(gè)位總線的結(jié)點(diǎn)，只需用8044再加一個(gè)電源、一片晶體振蕩器和一個(gè)收發(fā)器。2、8044內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、物理層(電氣接口)四層結(jié)構(gòu)：物理層、鏈路層、消息層和應(yīng)用層。Bitbus通信的電氣接口符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡差分長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器/接收器、半雙工傳送，通信介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜。根據(jù)傳輸距離和速率的不同，可設(shè)定為外同步模式、自同步模式。二、Bitbus通信規(guī)程Bitbus通信的數(shù)據(jù)鏈路層符合SDLC規(guī)約。是基于在公共通信鏈路上，主站和一個(gè)或多個(gè)從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的規(guī)程。主站負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，向從站發(fā)送各種控制命令，從站按照來自主站的命令動(dòng)作，并對(duì)主站的命令作出應(yīng)答。主站可以選擇任意一個(gè)從站交換數(shù)據(jù)信息，任一從站一旦被選中，既可以接收來自主站的信息，也可依據(jù)主站的命令向主站發(fā)送信息。SDLC規(guī)定：一個(gè)基本信息單元叫一幀，一幀包括六個(gè)部分。2、鏈路層(數(shù)據(jù)鏈路控制)信息幀格式。在BITBUS位總線各節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)，定義采用Order/Reply(命令/應(yīng)答)結(jié)構(gòu)。Bitbus消息格式3、消息層(報(bào)文協(xié)議)在消息層的基礎(chǔ)上，定義了遠(yuǎn)程存取控制(RAC)的一系列命令，即在傳送的數(shù)據(jù)當(dāng)中，規(guī)定了具體的數(shù)據(jù)格式，在命令中定義了一系列相應(yīng)的代碼。從結(jié)點(diǎn)收到一幀信息后，由命令中取出的代碼確定屬于遠(yuǎn)程存取控制的何種命令，然后由數(shù)據(jù)中確定地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容。4、應(yīng)用層(遠(yuǎn)程存取控制)可實(shí)現(xiàn)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)半雙工、多點(diǎn)半雙工、環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)。三、Bitbus通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用Bitbus網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線：連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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)。6.5現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)一、現(xiàn)場(chǎng)總線概述1、現(xiàn)場(chǎng)總線及其體系結(jié)構(gòu)1）現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連（FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）①變送器；②執(zhí)行器；③服務(wù)器和網(wǎng)橋；④輔助設(shè)備；⑤監(jiān)控設(shè)備。3）互操作性FCS中的分散功能塊4）分散功能塊5）通信線供電①用一對(duì)通信線連接多臺(tái)數(shù)字儀表代替一對(duì)信號(hào)線只能連接一臺(tái)儀表；②用多變量、雙向、數(shù)字通信方式代替單變量、單向、模擬傳輸方式；③用多功能的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表代替單功能的現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表；④用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站；⑤用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS；⑥變革傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)；⑦變革傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和安裝調(diào)試方法。2、現(xiàn)場(chǎng)總線和FCS的變革1）現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的變革①信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互連。②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。③現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互操作性，不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既可互連也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性。④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，可方便共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。⑤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。2）FCS對(duì)DCS的變革①一對(duì)一結(jié)構(gòu)。②可靠性差。③失控狀態(tài)。④互換性差。

⑤開發(fā)、調(diào)試周期長(zhǎng)，可維護(hù)性差，施工和維護(hù)成本高。3、現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生的原因1）傳統(tǒng)模擬儀表的缺點(diǎn)①一對(duì)N結(jié)構(gòu)。②可靠性高。③可控狀態(tài)。④互換性。2）現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)⑧統(tǒng)一組態(tài)。⑤互操作性。⑥綜合功能。⑦分散控制。⑨開放式系統(tǒng)。FF現(xiàn)場(chǎng)總線示范工程與傳統(tǒng)DCS相比，各項(xiàng)費(fèi)用節(jié)省率為：導(dǎo)線82％，螺釘63％，接口板50％，安全柵50％，另外還節(jié)省材料費(fèi)、工時(shí)費(fèi)等。1984年，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)1985年，國(guó)際電工委員會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作1986年，德國(guó)開始制定過程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS；Rocemount提出HART協(xié)議1992年，由Siemens、Rocemount等80家公司聯(lián)合，成立了ISP－PROFIBUS1993年，以Honeywell等120多個(gè)公司，成立了WorldFIP；由Siemens、Rocemount等70多家公司聯(lián)合成立了HART通信信息基金會(huì)HCF1994年，ISP和WorldFIB北美部分合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF4、現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展過程國(guó)際電工委員會(huì)：1999年12月通過IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：八種類型現(xiàn)場(chǎng)總線ControlNetProfibusP_NetFFH1FFHSE(HighSpeedEthernet)SwiftNetWorldFIPInterbus1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具－數(shù)據(jù)信息交換－高速通信控制器局域網(wǎng)(CAN)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

ISO11898。二、五種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線ControlAreaNetwork由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。1、CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))在CAN中應(yīng)用的元器件包括MCU（集成CAN的微處理器）、CANController（CAN控制器）、CANTranceivers（CAN收發(fā)器）、LINTranceivers（LIN收發(fā)器）四類。PHILIPS現(xiàn)已提供：集成CAN的微處理器P87C591、獨(dú)立的CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA82C250、高速容錯(cuò)CAN收發(fā)器TJA1050、TJA1040等。由美國(guó)Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)。稱為通用控制網(wǎng)絡(luò)。通信速率：300bps～1.5Mps通信距離：2700m（78kbps，雙絞線）2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù)，1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。2、LONWORKS(局部操作網(wǎng)絡(luò))1996年3月15日：歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EN50170PROFIBUS－DP：加工自動(dòng)化PROFIBUS－FMS：一般自動(dòng)化PROFIBUS－PA：過程自動(dòng)化由西門子公司為主的十幾家公司、研究所共同推出。傳輸速率：9.6kbps～12Mbps傳輸距離：100m（12Mbps）,400m（1.5Mbps）用中繼器延長(zhǎng)至10km最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。應(yīng)用：1998年6月：3000臺(tái)1999年10月：4萬臺(tái)3、PROFIBUS(過程現(xiàn)場(chǎng)總線)HighwayAddressableRemoteTransducer由Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名公司的支持，稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議。特點(diǎn)：