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

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LonWorks产品。广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。2、LONWORKS(局部操作网络)1996年3月15日：欧洲现场总线标准EN50170PROFIBUS－DP：加工自动化PROFIBUS－FMS：一般自动化PROFIBUS－PA：过程自动化由西门子公司为主的十几家公司、研究所共同推出。传输速率：9.6kbps～12Mbps传输距离：100m（12Mbps）,400m（1.5Mbps）用中继器延长至10km最多可挂接127个站点。应用：1998年6月：3000台1999年10月：4万台3、PROFIBUS(过程现场总线)HighwayAddressableRemoteTransducer由Rosemount公司开发并得到八十多家著名公司的支持，称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议。特点：

在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。4、HART(可寻址远程传感器数据通路)基金会现场总线：FF－FoundationFieldbus主要应用在过程自动化领域形成：美国Fisher-Rosemount公司、Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议。以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制定的WorldFIB协议。两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会。低速H1：传输速率：31.25kbps通信距离：1900m（可加中继器延长）高速H2：传输速率：1Mbps（750m）2.5Mbps（500m）5、FF（现场总线基金会)现场总线四、现场总线控制系统性能分析在设计工业控制系统时，通常有4种选择：4种控制系统结构图(a)PC+Fieldbus(b)DCS(c)PC+PLC(d)PC+SLC4种控制系统性能对比表FCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计★现场总线仪表的功能：

◆输入◆输出

◆控制◆运算★用功能块在现场总线上 组成常规控制回路， 例如，单回路、串级、前馈、 比值、选择性控制、等等。

★控制回路设计原则：

◆组成控制回路的功能块 在同一现场总线段上。FCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计★控制回路设计步骤：

◆①根据测控点信号的分布和 控制回路的构成， 为每个现场总线段配置 现场总线仪表(变送器、执行器)；

◆②为现场总线仪表取仪表名；◆③为现场总线仪表内的功能块取功能块名；◆④控制回路的组态设计。FCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计FCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计图13.10现场总线串级控制回路的功能块构成电源现场总线流量变送器调节阀操作站AIFT123OUTPIDFC123OUTINAOFV123CAS_IN温度变送器PIDTC123OUTINAITT123OUTCAS_IN★实例(图13.10)：

◆现场总线段上有3台现场总线仪表：

●温度变送器●流量变送器

●调节阀(阀门定位器) ◆构成温度流量串级控制回路。★取仪表名：

◆温度变送器为T123_TEMP

◆流量变送器为F123_FLOW

◆调节阀(阀门定位器)为V123_VALVEFCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计图13.10现场总线串级控制回路的功能块构成电源现场总线流量变送器调节阀操作站AIFT123OUTPIDFC123OUTINAOFV123CAS_IN温度变送器PIDTC123OUTINAITT123OUTCAS_INFCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计★取功能块名：◆温度变送器内 ●温度输入功能块名为TT123， ●PID控制功能块名为TC123，

◆流量变送器内 ●流量输入功能块名为FT123，◆调节阀内

●PID控制功能 块名为FC123●阀位输出功能 块名为FV123图13.10现场总线串级控制回路的功能块构成电源现场总线流量变送器调节阀操作站AIFT123OUTPIDFC123OUTINAOFV123CAS_IN温度变送器PIDTC123OUTINAITT123OUTCAS_INFCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计★控制回路组态：图13.11现场总线串级控制回路的功能块连接OUTAIFT123CAS_INAOFV123BKCAL_OUTOUTCAS_INOUTAITT123PIDFC123BKCAL_ININOUTBKCAL_OUTCAS_INPIDTC123BKCAL_ININOUTBKCAL_OUTCAS_IN图13.10现场总线串级控制回路的功能块构成电源现场总线流量变送器调节阀操作站AIFT123OUTPIDFC123OUTINAOFV123CAS_IN温度变送器PIDTC123OUTINAITT123OUTCAS_IN★单回路控制中功能块的配置原则： ◆AI功能块配置在变送器中， ◆PID功能块和AO功能块配置 在调节阀的阀门定位器中。FCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计电源现场总线液位变送器调节阀操作站AILT123OUTPIDLC123OUTINCAS_INAOLV123图13.8现场总线单回路控制的功能块构成OUTAILT123PIDLC123BKCAL_ININOUTCAS_INAOLV123BKCAL_OUTOUTCAS_IN图13.9现场总线单回路控制的功能块连接◆优点：

●减轻现场总线的 通信负荷，

●提高可靠性。 图13.8和图13.9 所示的单回路控制中， 占用现场总线通信的 变量只有LT123.OUT★单回路控制中功能块的 配置原则： ◆AI功能块配置在变送器中， ◆PID功能块和AO功能块配置 在调节阀的阀门定位器中。FCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计◆优点：

●减轻现场总线的通信负荷，

●提高可靠性。 图13.8和图13.9所示的单回路控制中， 占用现场总线通信的变量 只有LT123.OUTFCS应用的工程设计1.现场总线控制回路的设计★串级控制回路中功能块的配置原则：◆主回路的AI功能块和

PID功能块配置在主被控量变送器中，◆副回路的AI功能块配置