6计算机控制网络化技术

微型计算机控制技术第六章计算机控制网络技术本章主要内容1、控制网络技术基础2、集散控制系统3、现场总线技术6.1控制网络技术基础1、概述2、网络拓扑及分层模型3、介质访问控制协议4、串行通信总线5、主从式控制网络1、概述网络化控制系统（NetworkbasedControlSystems）广义上定义为利用传输媒体把不同地点的多个独立的自动控制装置、计算机系统、现场设备等按照不同的拓扑结构，应用各种通信方式连接起来的在网络环境下实现的控制系统。从这个意义上说，集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FBS）、PLC以及工业以太网等都属于网络控制系统。网络化控制系统狭义上定义控制系统通过计算机通信网络将传感器、控制器和执行机构联系在一起构成反馈控制的控制系统。控制器执行机构控制对象传感器通信网络网络控制系统控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，用于工业生产现场的测量与控制信息传输，产生或引发物质或能量的运动和转换，因此与一般的数据通信网络相比有起特殊的要求。（1）具有较好的响应实时性。控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为10ms～1s级；（2）高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路；（3）简洁实用。以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性；（4）具有好的开放性。控制网络尽量不采用专用网络。根据通信数据帧的长短，工业数据传输总线可以分为传感器总线、设备总线和现场总线。传感器总线属于数据位级总线，数据帧长度为几个或十几个数据位，如ASI总线；设备总线属于字节级总线，数据帧长度为几个到几十个字节，如CAN总线，通用串行协议等；现场总线属于数据块级总线，数据帧长度可达几百字节以上，如FF、Profibus等。控制网络的节点除了一般的PC机、工作站外，大量的是具有计算和通信能力的智能测控设备。这些测控节点一般采用嵌入式的CPU，带有通用的通信接口，不带或带简单的人机交互接口。常用的控制网络的节点包括：限位开关、感应开关等各类开关；光电传感器；温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器；PLC；控制器；采集装置；调节阀；变频器；监控计算机、工作站等。典型网络控制系统1）集散控制系统构成横向分散、纵向分层的体系结构现场采用电流或电压信号传送信息，控制级采用工业以太网技术。逐渐发展为三层网络结构。2）现场总线(FieldBus)-现场总线用于现场设备进行网络互连，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。2、网络拓扑及分层模型拓扑结构是指网络中的各台计算机以及设备之间相互连接的方式。常见的工业网络拓扑结构有星型、环型和总线型三种。还有树型、混合型等。S3S1S2S4S2S3S4S1N4N1N2N3S3S2S4S1(a)(b)(c)N`为了实现计算机系统之间的互连，1977年国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互连参考模型OSI(OpenSystemInterconnection／ReferenceModel)。OSI参考模型将数据传输过程分解为一系列功能元素，把相关的功能组合在一起称为层，每一层完成一项通信子功能，并且下层为上层提供服务。OSI参考模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。应用层(7)应用程序，如Email、FTP、Telnet、表示层(6)数据的表示，如编码、压缩、加密等会话层(5)对话的控制、同步传输层(4)分组排序、重装、确认网络层(3)寻址、协议变换、拥塞避免和恢复链路层(2)LLC子层装帧、流量控制、检错纠错MAC子层介质访问控制物理层(1)传输信号和介质的电气规范在计算机控制系统中有多种通信网络协议，包括目前应用最广的局域网LAN的网络协议、各种DCS的通信协议、各种FCS的通信协议、工业以太网以及串行通信总线的通信协议等。一般而言，控制网络为了提高实时性只采用了ISO/OSI七层参考模型中的最低两层——物理层、数据链路层，以及应用层。物理层主要涉及传输介质的电气特性、机械特性等一些物理性质。数据链路层包括了两个子层：介质访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。介质访问控制层主要功能包括：控制各主机访问通信介质，提供通信介质的复用机制；发送和接收数据帧；比特流差错检测；寻址。逻辑链路控制层主要功能包括：建立、维持和拆除链路连接；实现无差错传输。3、介质访问控制议响应时间和时延的确定性对控制网络是至关重要的。由于网络化控制系统中的各个节点共用传输线路，在同一时间可能有多个设备同时请求数据传输，因此就必须采用某种介质访问控制方式来协调设备访问介质的顺序。节点对于网络的访问是由介质访问控制（MAC）协议来决定，分析各种网络控制系统的MAC协议，可以定性和定量的分析网络的时延和效率。在网络控制系统中，常用的介质访问控制协议主要有4种：令牌访问（包括令牌总线和令牌环）载波监听多路访问（CSMA）及其改进协议基于时分多路复用(TDM)的MAC协议主从式访问（1）令牌环(TokenPassingRing)协议适用于环形网络结构。令牌是控制标志，网络中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。如IEEE802.5LAN协议工作时，令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。在一个结点占令牌期间，发送该结点信息并置令牌为“忙”状态，其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周后，由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则得到该令牌，同时将令牌由“空”状态置为“忙”状态，并发送信息。令牌环的特点：能提供可调整的访问控制方法；能提供优先权服务；有较强的实时性；需对令牌进行维护，令牌丢失降低环路利用率；控制电路复杂。令牌总线(TokenBus)协议将令牌访问原理应用于总线网，就构成令牌总线方式。总线网络上各个结点按一定的顺序形成一个逻辑环。每个结点在环中均有一个指定的逻辑位置。总线上各站的物理地址和逻辑位置无关。如IEEE802.4工作过程和令牌环相似。在令牌环网中，只有物理连接上的下一个站点可以接收释放的空令牌，而在令牌总线网中，所有站点都将收到释放的空令牌，一般采用某种机制来控制令牌的顺序占有。特点：网络节点按一个逻辑顺序占用网络；网络中的标志丢失或者产生多个标记时，有故障恢复功能；有消除不活动结点或者添加新的结点的功能；控制功能不随电缆长度的增加而减弱；不需冲突检测；在理论上采用令牌访问协议中每个节点访问网络的最大时延便被限定在一个最大范围之内。所以令牌访问协议也称为确定性访问协议，传送效率高、信息吞吐量大，实时性好。采用令牌总线的通信协议有FF,Profibus等（2）载波侦听多路访问(CSMA)载波侦听多路访问适用于总线形和树形网络结构。IEEE802.3以太网协议的MAC层采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD-CarrierSenseMultipleAccess-Collisiondetect)方式。其工作原理是当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。由于传输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，再重复上述过程。CSMA协议的冲突退避算法采用了二进制指数算法，即根据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待的时间。当发生冲突时，控制器延迟一个随机长度的间隔时间后重新发送数据，即：其中，N为冲突次数，R为随机数，A为计时单位（一般选用总线循环一周时间）。这种算法的基本思想是：等待时间的长短和冲突的历史有关。一个数据帧遭遇的冲突次数越多，说明网上传输的数据量越大，等待重发时间就越长。NAR2CSMA／CD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有节点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。以CSMA/CD为接入协议的以太网不是为控制系统设计的，在网络重载时表现出很不理想的性能。针对以太网的这一缺陷，出现了很多CSMA协议的改进，便于工业控制系统的应用。如p-坚持型CSMA协议、带优先级的CSMA协议等。LonWorks控制网络所用的介质访问控制协议LonTalk就是在p-坚持型CSMA协议的基础上改进而成的。CAN总线和罗克韦尔DeviceNet总线介质访问控制协议采用的位仲裁协议本质上是带优先级的CSMA协议。工业以太网的典型应用ModernindustrialcontrolsystemscancontainvarioustypesofPLCcontrollersandfieldbusdevices.SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)systems:managementleveltoolsusedforremotemonitoring,control,anddiagnosticsHMI(HumanMachineInterface):isusedforon-sitecontrolandmonitoring.NetworkComponents:SuchasPROFINET/EtherNet/IPswitchesandgatewaysdeliverfastandsecuredatatransmissionstoprovidereliablenetworkstatusinformationforremotediagnostics.IndustrialEthernetRequirement:•Redundancy•Fastbootingcapability•Fullstatusparameters•Flexibletopologies•Easy-to-configure•Easy-to-maintain(3)基于时分复用（TDM）机制的MAC时分复用最早是一种通道编码机制。将传输时间划分为若干个互不重迭的时隙；互相独立的多路信号顺序地占用各自的时隙，合成一个复合信号，在一条信道中传输；时分复用(TDMA)机制的MAC协议就是为网络节点分配独立的用于数据收发的时隙。实现无竟争的MAC协议。如蓝牙网络采用的就是典型的基于TDMA的MAC。(4)主从式介质访问在一个主设备和多个从设备之间通过循环查询、应答方式通信，不存在通信的冲突，所以通信的时延是确定的，主要由通信速率和节点个数决定。4、串行通信总线计算机之间、计算机与远程终端、计算机与控制设备以及计算机与测量仪表之间的通信，多数情形下采用串行通信方式，物理层接口采用串行通信总线。工业控制中常用串行通信总线标准主要有RS-232C、RS-422/485。RS-232C、RS-422/485是中小型工业控制系统的常用串行通信总线标准。串行通信的方式异步方式（Asynchronous）：也称“起止同步式”。–串行异步传输数据格式：1/00011…15-8位数据位1/0停止位或空闲位1…1起始位奇偶校验位停止位或、22111第n个字符空闲位第n+1个字符低位高位异步方式00101101011LSBMSB数据=5AH(先发送低位)奇校验:字符数据中为1的位数与校验位相加，结果应为奇数。同步方式（Synchronous）面向字符型的数据结构(串行同步通信信息格式)同步字符（SYN1)数据字节1CRC1CRC1数据（DATA)…数据字节N单同步信息格式同步字符（SYN1)同步字符（SYN2)数据（DATA)…CRC1CRC1双同步信息格式数据字节1数据字节2