现场总线及其应用

现场总线及其应用2008年2月推荐参考书目•CAN现场总线系统技术史久根国防•现场总线CAN原理与应用技术饶运涛北航•现场总线技术应用选编(1)上下(2)邬宽明北航•现场总线及其应用技术李正君机械•现场总线仪表杨庆柏国防•PROFIBUS现场总线控制系统的设计与开发孙鹤旭国防•深入浅出西门子S7-300PLC西门子（中国）北航•深入浅出西门子WinCCV6西门子（中国）北航•EPA技术资料学习内容•出勤率10%，听课,实验过程表现40%.•思考题20%•结课报告30%考核方式与内容•CAN总线系统技术•PROFIBUS总线系统技术•EPA总线系统技术•1.现场总线的定义及特点•2.CAN总线的ID标识符的作用?•3.CAN总线的主要特点?•4.CAN总线的报文有几种格式?是如何定义的?•5.基于CAN总线的应用层协议有哪些?其特点?•6.应用层协议的作用及主要内容(服务元素)?•7.对象字典OD的作用.•8.数字化设备使用的一般方法.现场总线及其应用—思考题1一.概述1.现场总线技术的特点、状况及发展趋势。2.CAN、PROFIBUS的应用领域。二.应用实例（系统工艺原理、软硬件框图等描述）1.CAN总线（汽车、楼宇自动化等）2.PROFIBUS（工业上PLC、变频器等系统）现场总线及其应用--结课报告现场总线及其应用--目的及意义自动控制系统网络结构以太网（或FMS)•流程控制自动化技术是工业自动控制领域的热点研究内容。它包括三个层面：•位于最底层的是基础自动化PCS系统，关注与设备相关的自动控制和优化，包括整个生产线的过程控制和单体设备基础自动化，是整个流程型企业信息化的基础。•中间层是制造执行系统(MES)，进行生产作业的计划、执行与监控以及生产实时数据的采集和管理。以上两层面向生产过程控制，强调信息的时效性和准确性。现场总线及其应用--目的及意义•最上层是企业资源计划（ERP）系统，管理整个企业的内部价值链和供应链，即销售、采购、生产、库存、质量、财务、人力资源等，强调所有这些业务的整合，强调计划(销售计划、生产计划、采购计划等)的协调和控制。•过程控制系统网络化实验以数字化工厂—现代化PCS过程控制系统实践平台为依托，实现对位于最底层的基础自动化系统、中间层制造执行系统(MES)的了解，建立起对现代化工业企业控制系统模式的整体概念。现场总线及其应用--目的及意义现场总线及其应用--数字化工厂模型现场总线及其应用--过程控制系统网络化模型•五代过程控制系统（PCS、ACS、CCS、DCS、FCS）以及现场总线控制系统的历史发展概貌如图现场总线及其应用--过程控制系统发展历程•计算机的微型化和普及推动着数字化、网络化时代的到来，它们也成为工业控制应用领域进一步发展的主流。现场总线是实现自动化控制系统现场设备或仪表之间互连的通信网络；当然，系统中各个节点上的仪表也都应当是数字化、智能型的设备。由此产生了新一代的控制系统——现场总线控制系统(FCS(FieldbusControlSystem))，它是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线及其应用--现场总线控制系统(FCS）•现场总线•（1）应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行节点数字通信的系统。也可称为开放式、数字、多点通信的底层控制网络。•（2）现场总线控制系统：是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。是连接智能设备的纽带，实现基本控制，补偿计算、参数修改、报警、显示、监控优化及控管一体化的综合自动化功能。现场总线及其应用--现场总线•（3）2000年宣布的国际标准中，将下列6种总线列入国际标准；形成多种总线共同竞争的局面。•PROFIBUS•INTERBUS-S•DERICENET(基于CAN)•FOUNDATIONFILDBUSHI•CONTROLNET•CANOPEN(基于CAN)现场总线及其应用--现场总线•FCS除了它的数字化、节点智能化、开发式、互换性能好、布线简单的特征外，其最大优点表现在既可以把系统对各节点的控制功能和权利充分下放给节点本身的微处理器，必要时又可以由监控中心的虚拟控制平台实施集中控制，同时它又可以使得各节点之间直接通信。由此，可以想象在一个复杂、实时性很强、节点之间相互紧密关联的自控系统中，FCS的优势最为明显。现场总线及其应用--FCS的网络特点•是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。他为对等通信提供实时控制和报文传送服务。他作为控制器和I/O设备之间的一条高速链路，综合了现有各种网络的能力。•其特点是：①对同一链路上I/O实时互锁。对等报文传送和编程操作时均具有相同的带宽。②对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。现场总线及其应用–控制网网络•CAN(ControllerAreaNetwork)总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。•CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，由于CAN总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。现场总线及其应用–CAN总线概述1.技术规范:CAN2.0A报告标准格式(11位)CAN2.0B报告标准格式和扩展(29位)基于事件触发2000年时间触发通信的CAN“TTCAN”2.基本述语（1）报文:总线上的信息是以不同格式的报文发送（长度有限）当总线开放时,任何连接的单元均可以开始发送一个新的报文.现场总线及其应用–CAN总线概述(2)信息路由A)系统灵活性:节点随时接入B)报文通信:一个报文的内容由其标识符ID命名，ID不指出报文的目的,但描述数据的含义,以便网络中的所有节点借助报文滤波决定该数据是否使它们激活.C)成组:由于采用报文滤波,所有节点均可以接收报文,并同时被相同的报文激活.D)数据相容性:在CAN网络内,可以确保报文被所有节点或没有节点接收.现场总线及其应用–CAN总线概述(3)位速率:CAN数据传输率可编程,即位速率在一个范围内可调，在给定系统中速度是唯一且固定.(4)优先性:用标识符定义了一个报文静态的优先权(5)远程数据请求:节点A请求节点B发送数据时,先发送一个ID标识符的远程帧。节点B以相同的ID发送数据帧。(6)多主站:当总线开放时,任何节点均可发送报文但只有最高优先权报文赢得总线的访问权.现场总线及其应用–CAN总线概述（7）仲裁:总线冲突时,运用逐位仲裁规则,借助标识符ID解决.即在仲裁期间,每个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比较,若相同，该节点继续发送.当发送一个“隐性”(逻辑1)电平,而在总线上检测到“显性”(逻辑0)电平时.该节点退出仲裁,并不再传送后继位.对于占用总线的节点来说.这种规则可以使信息和时间均无损失.（8）安全性:错误检测、标定和自检,发送自检、循环冗余位，填充(5个连续电平插入位)、格式检测现场总线及其应用–CAN总线概述（9）出错标注和恢复时间:出错标注自动重发,恢复时间短。（10）故障界定:区别干扰和永久故障。（11）连接:多点，但受延时和电器负载限制。（12）应答:相容性检查回答相容报文现场总线及其应用–CAN总线概述现场总线及其应用–CAN总线特点（1）CAN是目前为止惟一有国际标准的现场总线；（2）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从；（3）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；（4）CAN采用非破坏总线仲裁技术:改进的CSMA/CD方式(载波侦听多路访问／冲突检测）；（5）CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据；（6）CAN的直接通信距离最远可达10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）；现场总线及其应用–CAN总线特点（7）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；（8）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；（9）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果；（10）硬件化底层协议（物理层和数据链路层）（11）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；（12）CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；（13）CAN总线具有较高的性价比。现场总线及其应用–CAN总线结构与组成•CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型OSI一致。•CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC），应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案，如已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的协议标准DeviceNet，以及在汽车工业中被大量使用的CANOpen协议等。具体分层结构如图所示。现场总线及其应用–CAN总线结构与组成现场总线及其应用–CAN总线传输一、CAN总线的位数值表示CAN中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性”(“Dominant”)数值表示逻辑“0”，而“隐性”(“Recessive”)表示逻辑“1”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。二、CAN总线的通信距离现场总线及其应用–CAN总线传输三、CAN报文的帧结构1、数据帧现场总线及其应用–CAN总线传输①SOF：所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿②仲裁场远程请求：RTR=显性数据帧；=隐性远程帧帧格式：IDE=显性标准帧；=隐性扩展帧替代远程请求：SRR扩展帧=隐性③控制场：④数据场：由0-8字节数据组成⑤CRC场：1位隐性位界定，8位CRC⑥应答场ACR2位：应答间隙=2隐性（发送器发出）1显性（接收器回应）应答界定符=1隐性⑦帧结束：由7个隐性位组成现场总线及其应用–CAN总线传输2、远程帧：用来请求总线上远程节点发送自己想要接收的某种数据，无数据域且RTR=1，其余同数据帧3、错误帧：两个场组成，第一场由来自各站的错误标志叠加，第二场为出错界定符。报文传输过程中任何一个节点出错，即于下一位开始发送出错帧，通知发送端停止发送。4、超载帧：超载条件①要求延迟发送（最多两次）②在间歇场检测到显性位活动5、帧间空间①无错②有错认可现场总线及其应用–CAN总线传输错误标志：6个连续显性位认可错误标志：6个隐性位①2.0B标准帧：11字节1—3字节信息部分4—11字节数据部分FF：帧格式=0标准帧=1扩展帧RTR帧类型=0数据帧=1扩展帧DLC数据帧的数据长度现场总线及其应用–CAN总线传输②扩展帧：13字节1—5字节为信息6—13字节为数据现场总线及其应用–CAN总线传输四、位定时与位同步概念①正常位速率：正常状态发送的每秒发出的位数②正常位时间：倒数现场总线及其应用–CAN总线传输③同步段：同步总线上各个节点④传播段：补偿网络内的传输延时，约为信号传播时间输入比较器延时和驱动器延时之和的两倍。⑤相位缓冲段1，2：补偿脉冲沿的相位误差⑥采样点：在此点上仲裁电平被读取，并被理解为各位的数值⑦信息处理时间：由采样点开始，保留用于计算子序列位电平的时间⑧时间份额=M*最小时间份额由振荡器派生出的一个时间单元，可编程的分度值M（可编程1—32）⑨硬同步⑩重同步跳转宽度：相位缓冲段1延长，或2段缩短，其总和范围编程1—4个相位缓冲1（11）沿相位误差（12）重同步（13）同步规则现场总线及其应用–CAN总线传输主要内容：C