第6讲控制网络与总线.

6.工业控制网络和总线1、常用通信方式和通信的实现；2、工业网络和现场总线；3、测量准确和控制精度；4、接口数字集成电路。学生思考举例：了解生活和上网中对网络应用性能的感受，对网络种类和组成的认识。计算机与计算机或设备之间的数据交换称为通信。基本通信方式：并行通信：数据的各位同时传送，速度快,传输线多，近距离。串行通信：数据逐位顺序传送，速度慢，节省传输线，远距离。6.1数据通信技术一、数据通信方式通信方式还分为异步和同步传送两种形式。两地之间在同一时刻实现送和接受为同步.传输速率指标：波特率（bit/s位/秒）,如20kbps。二、通信线路的通信方式ABABBA通信线路三种通信方式1、单工通信方式信息只能单向传输。2、半双工通信方式信息能双向传输，但不能同时进行。3、全双工通信方式信息可以同时沿两个方向传输。国际标准化组织:ISO+标准号国际电工委员会:IEC+标准号美国电子工业协会:EIA中国国家标准:GB+标准号标准的竞争是最大的竞争。行业标准和企业标准。国家标准更接近的是欧洲标准，如电气标准GB-T4728.1-1985。RS-232C电气标准+15V,--15VRS-422电气标准+5V,-0VRS-485电气标准+5V,-0V,与TTL兼容RS-232C的电气接口是单端的、双极性电源供电电路。不足之处：数据传输速率局限于20kbps；传输距离局限于15m；RS-422A标准规定了差分平衡的电气接口，能在较长距离内明显提高速率，在1200m距离内把速率提高到l00k波特，或在较短距离内提高到10M波特。实现两点之间远程通信时，需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。RS-422A两点传输电路RS-485：采用平衡差分电路，为半双工工作方式，因而可以采用一对平衡差分信号线来连接。发送电路由使能信号加以控制。RS-485两点传输电路RS-485多点互连系统RS-232C/RS-485转换传输示意图RS-232C/422A转换装置原理图表3-4RS-232C主要端子分配69工业网络技术是为分散型控制系统提供通信介质、传输控制和通信功能的手段。互连和通信是工业网络的核心。网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑。局部网络通常有4种结构：星形、环形、总线形和树形。6.2工业网络技术一、工业网络概述1、网络拓扑结构NS1S5S2S4S3站主结点N：主结点S1－S5：站星形结构任何两个站之间的通信都要通过主结点。主结点要求：功能强，容量大，速度快。但可靠性低。1）星形结构星形结构网络的特点：①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；②网络延迟时间短，传输错误率较低；③网络可靠性低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；属于分散型网络。结点是信息接收和发送中继器。信息传送距离远，能保证信号质量。N1N5N4N2N3S1S5S2S4S3站结点S1-S2：站N1-N2：结点环形结构环形结构网络特点：①信息流在网络中沿固定的方向流动，两结点间仅有唯一的通路，简化了路径选择；②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，因此控制软件较简单；③环路中某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率。2）环形结构S1-S6：站S1S2S3S4S5S6通信总线站总线形结构一条开环无源的同轴电缆作为公共通信线路，各站通过Ｔ型接插器连到电缆上，属于分散型网络。3）总线形结构总线型网络特点：①结构简单灵活，扩展方便；②可靠性高，网络响应速度快；③共享资源能力强，便于广播式工作；④设备少、价格低、安装和使用方便；从拓扑结构和介质访问控制方式的角度，对工业网络的性能进行评价，其评价准则可归纳为吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性五个方面。总线形和环形结构成为工业网络的主流拓扑结构。四、工业网络的性能评价和选型1、工业网络的性能评价大型系统常采用分散型控制的模式，系统主要分为三级：①分散过程控制级（下层）②集中操作监控级（中层）2、工业网络的选型1）大型系统的工业网络选型③综合信息管理级（上层）集中操作监控级和分散过程控制级。2）中小型系统的工业网络选型控制系统：控制性能优越、性能价格比较高、可维护性好、可靠性高、构成方式灵活、操作简单。DCS又称分布式计算机控制系统，简称集散型控制系统(DistributedControlSystem)。DCS综合了计算机、控制、通信、显示技术，集中了连续、批量、逻辑顺序控制、数据采集等功能。DCS采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则。系统安全可靠、通用灵活。是一种新型的过程控制系统，是实现大系统控制的理想方案。6.3集散型控制系统(DCS)直接面向生产过程，完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器(温度、压力、液位)及开关量等信号，其输出是驱动执行机构。构成这一级的主要装置有：①现场控制站(工业控制机)；②可编程序控制器(PLC)；③智能调节器；④其它测控装置。1）分散过程控制级控制器工业控制机嵌入式控制器PLC控制器单片机DSPARM单回路调节器在DCS中实现整个企业(或工厂)的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。简称MIS。①市场经营管理子系统②生产管理子系统③财务管理子系统④人事管理子系统四、DCS的综合信息管理级1、MIS的组成(2)MIS的软件组成管理人、财、物，产、供、销Bitbus是主从式、总线型高速串行网，电气接口采用平衡传送的RS-485标准，传输介质是双绞线或同轴电缆。6.4位总线(Bitbus)通信网络技术Bitbus的核心是高性能的VLSI芯片族8044BEM(8744，8344)。其中，不带片内ROM的是8344；带有片内4KROM的是8044；带有片内4KEPROM的是8744。8044内部有一个可独立工作的串行通信接口单元SIU；192字节的片内RAM；35个内部特殊功能寄存器(SFR)；对于低128个字节RAM，是直接地址访问的SFR；128～192字节的内部RAM，必须间接寻址访问，从而与有相同地址的SFR相区分。一、8044BEM硬件结构简介1、8044系列单片机的引脚图（表7.2图7.25）双微机控制结构，实现控制与通信任务的分离。8044内部结构简图SIU执行同步数据链路控制(SDLC）协议，实现网络通信。两个处理器通过分时多路转换双口RAM和一些特殊功能寄存器进行通信。建立一个位总线的结点，只需用8044再加一个电源、一片晶体振荡器和一个收发器。2、8044内部结构1、物理层(电气接口)四层结构：物理层、链路层、消息层和应用层。Bitbus通信的电气接口符合RS-485标准，采用平衡差分长线驱动器/接收器、半双工传送，通信介质为双绞线或同轴电缆。根据传输距离和速率的不同，可设定为外同步模式、自同步模式。二、Bitbus通信规程Bitbus通信的数据链路层符合SDLC规约。是基于在公共通信链路上，主站和一个或多个从站之间进行数据交换的规程。主站负责控制整个网络，向从站发送各种控制命令，从站按照来自主站的命令动作，并对主站的命令作出应答。主站可以选择任意一个从站交换数据信息，任一从站一旦被选中，既可以接收来自主站的信息，也可依据主站的命令向主站发送信息。SDLC规定：一个基本信息单元叫一帧，一帧包括六个部分。2、链路层(数据链路控制)信息帧格式。在BITBUS位总线各节点之间通信时，定义采用Order/Reply(命令/应答)结构。Bitbus消息格式3、消息层(报文协议)在消息层的基础上，定义了远程存取控制(RAC)的一系列命令，即在传送的数据当中，规定了具体的数据格式，在命令中定义了一系列相应的代码。从结点收到一帧信息后，由命令中取出的代码确定属于远程存取控制的何种命令，然后由数据中确定地址和数据内容。4、应用层(远程存取控制)可实现三种网络拓扑结构：点到点半双工、多点半双工、环形网结构。三、Bitbus通信网络的应用Bitbus网络拓扑结构现场总线：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。6.5现场总线(Fieldbus)技术一、现场总线概述1、现场总线及其体系结构1）现场通信网络2）现场设备互连（FF现场总线控制系统）①变送器；②执行器；③服务器和网桥；④辅助设备；⑤监控设备。3）互操作性FCS中的分散功能块4）分散功能块5）通信线供电①用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表；②用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式；③用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；④用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；⑤用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS；⑥变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；⑦变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。2、现场总线和FCS的变革1）现场总线对自动化领域的变革①信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。②系统结构是全分散式，把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。③现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。④通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，可方便共享网络数据库。⑤技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。2）FCS对DCS的变革①一对一结构。②可靠性差。③失控状态。④互换性差。⑤开发、调试周期长，可维护性差，施工和维护成本高。3、现场总线产生的原因1）传统模拟仪表的缺点①一对N结构。②可靠性高。③可控状态。④互换性。2）现场总线的优点⑧统一组态。⑤互操作性。⑥综合功能。⑦分散控制。⑨开放式系统。FF现场总线示范工程与传统DCS相比，各项费用节省率为：导线82％，螺钉63％，接口板50％，安全栅50％，另外还节省材料费、工时费等。1984年，美国仪表协会（ISA）现场总线标准1985年，国际电工委员会现场总线体系结构与标准的研究制定工作1986年，德国开始制定过程现场总线PROFIBUS；Rocemount提出HART协议1992年，由Siemens、Rocemount等80家公司联合，成立了ISP－PROFIBUS1993年，以Honeywell等120多个公司，成立了WorldFIP；由Siemens、Rocemount等70多家公司联合成立了HART通信信息基金会HCF1994年，ISP和WorldFIB北美部分合并，成立了现场总线基金会FF4、现场总线的发展过程国际电工委员会：1999年12月通过IEC61158国际标准：八种类型现场总线ControlNetProfibusP_NetFFH1FFHSE(HighSpeedEthernet)SwiftNetWorldFIPInterbus1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具－数据信息交换－高速通信控制器局域网(CAN)国际标准ISO11898。二、五种典型的现场总线ControlAreaNetwork由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。1、CAN(控制器局域网络)在CAN中应用的元器件包括MCU（集成CAN的微处理器）、CANController（CAN控制器）、CANTranceivers（CAN收发器）、LINTranceivers（LIN收发器）四类。PHILIPS现已提供：集成CAN的微处理器P87C591、独立的CAN控制器SJA1000、CAN收发器PCA82C250、高速容错CAN收发器TJA1050、TJA1040等。由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导。称为通用控制网络。通信速率：300bps～1.5Mps通信距离：2700m（78kbps，双绞线）2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术，1000多家公司已经推出了L