智能传感器系统-刘君华第7章

第7章通讯功能与总线接口第7章通讯功能与总线接口7.1现场总线控制系统中的智能传感7.2现场总线网络协议模式7.3几种典型现场总线标准7.4现场总线智能变送器/传感器实例第7章通讯功能与总线接口7.1现场总线控制系统中的智能传感器与现场总线图7-1现场总线控制系统框图第7章通讯功能与总线接口7.1.1现场总线控制系统(FCS)中的传感器与仪表决策模式既可以是PID控制模式，也可以是模糊控制模式，依控制软件功能模块的类型而定；同时还可以是调节阀的阀门特性的自校验和自诊断软件功能模块等等。这样，我们可以清楚看到：在这种FCS现场总线控制系统中的现场设备与所谓的仪表，已经组成为对单一量的自行测量，自行数据处理，自行分析判断、决策的控制系统。也就是说，FCS废弃了DCS的控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。这样，许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量的过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，在新的技术基础上实施就地控制。现场智能传感器/变送器将调控了的对象状态参量(如流量)通报给控制室的上位计算机。上位机主要对其进行总体监督、协调、优化控制与管理，实现了彻底的分散控制。在这个局域的分散控制系统中的现场传感器/变送器是智能型的，并带有标准数字总线接口。自动控制系统的飞速发展，对智能型传感器/变送器的需求，成为智能传感器产生、发展的强大社会推动力。目前，对于用于现场总线控制系统中的、具有智能的智能传感器/变送器也称为现场总线仪表。第7章通讯功能与总线接口7.1.2现场总线控制系统中的现场总线1.现场总线技术的特点1)全数字化通信2)通信线供电3)开放式互联网络4)第7章通讯功能与总线接口2.现场总线的优越性1)成本降低2)组态简单使用方便3)查索更多的信息及诊断状况4)安装、运行、维护简便5)自由选择不同品牌设备6)数据库的一致性第7章通讯功能与总线接口7.2现场总线网络协议模式图7-2ISO/OSI参考模型第7章通讯功能与总线接口图7-3IEC/ISA现场总线参考模型第7章通讯功能与总线接口7.2.1FAL中定义了如下概述：应用进程(AP)：为一些概念化的分布式系统的信息处理部件(包括软件及硬件)资源的集合。现场总线从应用进程上看是由一些相送应用进程组成的。它由用户部分(负责产执行应用功能)及通信部分(用于提供分层通信服务)组成，通常应用进程以应用进程目标(APO)来表达。应用进程目标(APO)：为应用进程处理活动/信息的网络表达。它本身无通信能力，支持它的是FAL应用实体(AE)，由应用实体提供对APO的访问。第7章通讯功能与总线接口FAL应用实体(AE)：为一些通信服务功能。该服务功能组成了现场总应用服务元素(FALASE)。每个ASE又提供了一组传递应用层及其APO的请求或应答服务。对于每一类APO，都定义了一个特定的ASE。在现场总线中，为访问应用进程的APO定义了一些ASE，包括变量ASE、事件ASE、装载区域ASE、功能请求ASE。第7章通讯功能与总线接口应用进程之间的信息交换是在相似的ASE(即属于同一目标类)之间以应用协议数据单元(APDU)来实现的。与某些ASE相关的APDU可通过通信分层结构中的低层来传送(现场总线中的DLL)或间接地通过其它ASE的服务来实现。从过程的观点来看，AP之间的联系是通过逻辑链接来实现的(称为应用关系AR)，应用关系AR表示了一种2个或更多个AE之间的联系，系统通过一个特殊的ASE，即ARASE，提供为建立并维持某种应用关系AR并在多个AP之间传送APDU的服务。第7章通讯功能与总线接口图7-4AE、ASE、APO之间的关系第7章通讯功能与总线接口图7-5AR、ASE与其它ASE的作用关系第7章通讯功能与总线接口图7-6PUSH模式第7章通讯功能与总线接口图7-7PULL模式第7章通讯功能与总线接口图7-8确认服务7.2.2数据链路层第7章通讯功能与总线接口图7-9非确认服务第7章通讯功能与总线接口7.2.3现场总线的物理层提供机械、电气、功能性和规程性的功能，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接。物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输。现场总线的物理层规定了网络物理通道上的信号协议，具体包括对物理介质(如双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道等)上的数据进行编码或译码。当处理数据发送状态时，该层接收由数据链路层下发的数据，并将其以某种电气信号进行编码并发送。当处于数据接收状态时，将相应的电气信号编码为二进制值，并送到链路层。第7章通讯功能与总线接口物理层还定义了所有传输媒介的类型和介质中的传输速度、通信距离、拓扑结构以及供电方式等。介质：物理层定义了三种介质(双绞线、光纤和射频)。传输速度：网络定义了三种传输速度，即31.25kbit/s、1Mbit/s#,2.5Mbit/s。其中31.25kbit/s被用于支持本质安全环境。通信距离：即1900m(31.25kbit/s)、750m(1Mbit/s)500m(2.5Mbit/s)。第7章通讯功能与总线接口7.3几种典型现场总线标准7.3.1BIT该总线Intel为单片微机在集散式测控系统中进行通讯传输而设计的一种主从式高速串行网。它供助于RUPI—44系列单片机，通过单片机中串行通讯接口单元SIU实现数据通讯。其主要特性如下：在通信传输的互连模型中，定义了物理层、数据链路层、应用层和用户层。其中，物理层符合PS485标准，数据链路层符合SDLC规约，应用层符合InteliDC×5软件格式，用户层是从传输信息中分离出任务内容并由相应的硬、软件系统来执行的。传输介质采用双绞线和同轴电缆。信道访问方式采用命令应答式，主站向从站发出命令，从站采用应答方式响应。传输信息有同步和异步两种操作方式。异步方式采用NRZI信号编码，在62.5kbit/s传送速率时最大传输距离为1200m。第7章通讯功能与总线接口7.3.2可寻址远程传感器数据通路(HART)HART是美国Rosemount公司研制的。其协议可参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。它主要有如下特性：物理层：采用基于Bell202通信标准的FSK技术，即在直流4~20mA模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz，逻辑0为2200Hz，波特率为1200bit/s，调制信号为±0.5mA或Up-p=0.25V(250Ω负载)。用屏蔽双绞线单台设备距离为3000m而多台设备互连距离为1500m。第7章通讯功能与总线接口数据链路层：数据帧长度不固定，最长25个字节。寻址为0~15，当地址为0时，由处理直流4~20mA与数字通信兼容状态；当地址为1~15时，则处于全数字通信状态，通信模式为“问答式”或“广播式”。应用层：应用层规定了三种命令：第一种是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二种是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三种是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。第7章通讯功能与总线接口7.3.3CAN总线CAN有如下特性：CAN通信速度为(5kbti/2)/10km、(1Mbit/s)/40m，节点数110个，传输介质采用双绞线、同轴电缆和光纤等。采用点对点，一点对多点及全局广播等几种方式发送接收数据。CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术。当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息。因此，按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。第7章通讯功能与总线接口CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可以方便地构成多机备份系统。CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。它采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样，传输时间短，受干扰的概念低，且具有较好的检错结果。此外，CAN采用循环允许余校验；其节点具有自动关闭的功能。CAN采用多主竞争式结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线和广播通信特点。信道访问方式为带优先级的CSMA/CD技术。采用位填充的不归零制(NRI)信号编码方式，其数据传输速率为1Mbit/s，最大传输距离为1000m。以位仲裁方式(11位标识码)确定数据块的优先级。第7章通讯功能与总线接口7.3.4FF总线1993年，美国仪表协会发布FF总线标准。它定义了网络互连模型中的物理层、数据链路层、应用层和用户层。其主要技术特性如下。物理层：传输介质采用有线电缆、光纤、无线通信和双绞线。通过有线电缆传送信号定义了两种速率标准：H1和H2。H1为用于过程自动化的低速总线，波特率为31.25kbit/s，传输距离1900~200m(取决于传输介质)，总线供电，提供本质安全型；H2为用于制造自动化的高速总线，波特率为1.0(Mbit/s)/750m或2.5(Mbit/s)/500m。第7章通讯功能与总线接口数据链路层(DLL:DataLinkLayer)：DLL低层(介质访问)功能有：基本设备不能主动发起通信，只能接受查询；链路主设备在得到令牌时可以发起一次通信；每个网段的链路主设备中有一个链路活动调节器，发起周期和非周期通信。DLL高层(数据传输)功能有：无连接数据传输，发行数据定向连接传输，请求/响应数据定向连接传输。应用层定义了如何应用读、写、中断和操作信息及命令，同时也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。第7章通讯功能与总线接口应用层分为现场总线访问子层FAS和现场部线报文规范FMS。FAS提供了三类服务：发布/索取、客户机/服务器和报告分发。此三类服务被称为虚拟通信关系VCR。FMS规定了访问应用进程的报文格式及服务。FMS与对象字典配合，为现场规定了功能接口。FMS通过调用VCR，在现场设备之前传递报文。第7章通讯功能与总线接口用户层：获取传输信息并完成相应的任务。用户层规定了29个标准的“功能模块”，其中基本功能模块10个，先进功能模块7个，计算功能模块7个，辅助功能模块5个。功能块由输入、输出、算法和参数四大要素组成。功能块参数分为三个层次，第一层由FF定义，第二层由用户集团定义，第三层由制造厂定义。为了支持功能块模型的标准化和互操作性，FF定义了两个工具，即设备描述语言DLL和对象字典OD，用来定义和描述AP的“网络可见”的对象，如功能块及其参数。第7章通讯功能与总线接口7.3.5局部操作网络(LONWORKS)LONWORKS设计成本低，具有通信与操作功能，主要应用于工厂自动化、机械设备控制，是低层次工业网络最有希望的一种网络。LONWORKS是集控制器和网络通信处理器为一体的芯片Neuron的串行总线，它是一种对等网络。Neruon芯片上集成了三个CPU，其中一个CPU作为控制器，可以处理现场I/O及现场控制，另两个CPU处理网络通信。因此，LONWORKDS的最大优势是其网络处理能力。第7章通讯功能与总线接口LONWORKS的主要技术特点是：Neuron芯片固化了OSI的七层协议，包括物理层、数据链跨层、网络层、传送层、会话层、表达层、应用层。用此芯片可以构成很复杂的网络结构。物理层采用RS485串行通信标准。传输介质为电源线、双绞线、同轴电缆、光缆、无线和红外线。使用双绞线时的最高传输速率为1.25Mbit/s,最大传输距离为1200m。LONWORKS采用LONTALK通信协议，LONTALK提供了五种基本类型的报文服务：确认、非确认、请求/响应、重复、非确认重复。第7章通讯功能与总线接口LONTALK协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA作了改进，采用一种新的称为PredictivePPersistent的CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(1~63)，在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能性最小化，从而使传输介质发生挥它的最大传输容量。LONWORKS支持可自动重试的点到点的确认功能。综上所述，现场总线的发展趋势为：在保证数据传输高可靠性的基础上，尽量简化网络协