机电一体化系统设计第四章现场总线

机电一体化系统设计第四章现场总线第1页，共83页，2023年，2月20日，星期五主要内容现场总线综述LonWorks总线技术基础LonWorks总线设计精解LonWorks总线设计实例分析基于LonWorks技术的立体车库系统设计分析第2页，共83页，2023年，2月20日，星期五

通过网络可以做些什么？第3页，共83页，2023年，2月20日，星期五浏览网页、收发电子邮件、网络聊天（QQ、MSN、飞信等）。。。网上购物：淘宝、京东、当当、卓越、各种团购网站。。。网上金融：炒股、基金买卖、网银、在线支付。。。网上在线听、读、看（音频、文本、图片、视频）或下载。。。手机上网（目前的各种智能手机）。。。正在兴起的“物联网”。。。第4页，共83页，2023年，2月20日，星期五显然，计算机网络的应用正在改变着人们的工作方式与生活方式，并进一步引起世界范围内产业结构的变化，促进了全球信息产业的发展，在经济、文化、科研、军事、政治、教育和社会生活等各个领域发挥着越来越重要的作用。计算机网络、通信与控制技术的发展，导致自动化系统产生了深刻的变革，也就是说，以计算机网络为主的技术在生产领域引起了深刻的变革。第5页，共83页，2023年，2月20日，星期五信息技术迅速渗透到生产现场的设备层，覆盖从生产车间到企业管理的各个方面，沟通从原料供应、生产制造到生产调度、资源规划乃至市场销售的各个环节，逐步形成了以控制网络为基础的企业信息系统。本章主要讨论的是：生产现场中的底层控制网络——现场总线(fieldbus)。它是顺应自动化系统的变革趋势而发展起来的新技术。第6页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的概念现场总线原来是指现场设备之间公用的信号传输线。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。技术发展至今，现场总线已经成为控制网络技术的代名词，广泛应用于离散制造业、流程工业、交通、楼宇、国防、环境保护以及农、林、牧等各行各业的自动化系统中。第7页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的概念现场总线以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备数字计算和数字通信能力的测控设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。

现场总线给自动化领域带来的变化就像计算机网络给单台计算机带来的变化一样，它使测控设备连成测控网络并与计算机网络连接，使控制网络成为信息网络的重要组成部分。第8页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述第9页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线的本质含义现场通信网络现场设备互连互操作性分散功能块通信线供电开放式互连网络第10页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线发展的五个阶段基地式气动仪表控制系统电动单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散式控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）属于网络化控制系统（NCS）作为现场设备之间信息沟通的纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为实现相应测量功能的自动化系统，可实现诸如PID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自动化功能，从而使自动控制系统发生了质变。第11页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述第12页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述第13页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述第14页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述第15页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述几种流行的现场总线CAN德国Bosch公司设计ProfiBus德国标准HART美国Rosemount公司研制基金会现场总线FF国际上唯一的非商业化的国际标准LonWorks美国Echelon公司研制第16页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的结构特点现场总线控制系统与传统控制系统结构对比第17页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的结构特点现场总线控制系统中，设备之间采用网络式连接，各现场设备作为总线上的一个网络节点，同时挂接在一条总线上现场总线系统中采用的是智能现场设备，因此能够把原先DCS中处于控制室的控制计算功能模块（如PID等）、输入输出功能模块（如AI、AO等）置入现场设备由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同时又为多个设备提供电源第18页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的技术特点系统的开放性系统的开放性体现在通信协议公开，不同厂商提供的设备之间可实现网络互连和信息交换。互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连的设备之间可实现数据信息传送与交换现场设备的智能化与功能自治性智能化主要体现在现场设备的数字计算与通信能力。功能自治性是指借助现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态第19页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的技术特点对现场环境的适应性在高温、严寒、粉尘环境下能保持正常工作状态，具备抗震动、抗电磁干扰能力；在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电系统结构高度的分散性新的全分布式控制系统体系结构第20页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的优点节省硬件数量与投资现场总线系统中，由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能（即功能自治性的技术特点），因而可减少变送器数量（不再需要单独的调节器、计算单元等），也不再需要DCS的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线（因为在DCS中，测量变送仪表一般仍然为模拟仪表，控制计算功能模块（如PID等）和输入、输出功能模块（如AI、AO等）处于控制室），还可以用工控PC机作为操作站，从而节省硬件投资，并可减少控制室占地面积。第21页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的优点节省安装费用现场总线系统的接线简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，可就近连接在原有的电缆上而无需增设新的电缆，这既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60％以上。第22页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的优点节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维护信息，以便尽早分析故障原因并快速排除，减少了维护停工时间用户具有高度的系统集成主动权用户可自由选择不同厂商提供的设备来集成系统（系统具有开放性的技术特点），即系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中第23页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线的优点提高了系统的准确性与可靠性与模拟信号相比，由于现场总线设备的智能化、数字化，因此从根本上提高了测量与控制的精度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，因此减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于设备的标准化，功能的模块化，因而现场总线系统还具有设计简单，易于重构等优点。第24页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述以现场总线为基础的企业网络系统企业网络系统的基本组成第25页，共83页，2023年，2月20日，星期五第26页，共83页，2023年，2月20日，星期五从图中可见，除现场控制层FCS外，上面的ERP和MES都采用以太网。第27页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线与上层网络的通信一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或DCS连接到以太网中第28页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线与上层网络的通信二是将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC的PCI插槽（广义上应该是PC的IO总线插槽）内，在PC内完成数据交换第29页，共83页，2023年，2月20日，星期五现场总线综述现场总线与上层网络的通信三是将Web服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互第30页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础LonWorks总线产生LonWorks是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1991年正式公布而形成的，广泛地应用于工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。LonWorks总线特性传输速率达1.25Mbps，传输距离最长达2700m，节点数可达32000个支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。第31页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础LonWorks总线特性同时应用在SensorBus、DeviceBus、FieldBus

等任何一层总线中。SensorBusDeviceBusFieldBus逻辑控制过程控制控制类型设备类型简单设备bit中级设备Byte复杂设备Frame第32页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础LonWorks总线特性Sesorbus(Bit-level)

Devicebus(Byte-level)

Fieldbus(Block-level)

CAN

CAN

IEC/SP50

Seriplex

Deviceet

FieldbusFoudation

ASI

ProfibusDP

ProfibusPA

LonWorks

LonWorks

LonWorks

FIPIO

WorldFIP

SDS

IterbusS

第33页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础LonWorks总线特性它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议。应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层开放系统开放系统第34页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础LonWorks产品包括：Neuron芯片LonTalk网络接口收发器路由器i.Lon系列IP网络连接产品可将LonWorks控制网络与IP网无缝连接开发工具神经元芯片（Neuron）和LonTalk协议是LonWorks技术的核心第35页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础神经元芯片（NeuronChip）Neuron芯片其实是一种嵌入式系统集成芯片中有3个8位CPU提供最初的6个协议层，只有应用层的编程和配置需要给定，简化了开发Cypress、Motorola、Toshiba都生产Neruon芯片，价格很低Cypress：赛普拉斯，为消费类电子、计算、数据通信、汽车、工业和太阳能等系统核心部分提供高性能的解决方案，总部美国加州第36页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础神经元芯片（NeuronChip）节点基本组成传感器和控制设备收发器I/O口网络通信端口Neuron芯片电源网络晶振第37页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks技术基础LonTalk协议LonTalk协议遵循ISO定义(OSI)模型，并提供了OSI所定义的全部7层服务支持双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。可以运行在任何主处理器(HostProcessor)上LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型。第38页，共83页，2023年，2月20日，星期五OSI层目的提供的服务7应用层应用兼容性LonMark对象，配置特性标准网络变量类型，文件传输6表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧传输5会话层远程操作请求／响应，鉴别，网络管理，网络接口4传输层端端的可靠传输应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序3网络层传输分组点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由消息2链路层LLC子层帧结构帧结构，数据解码，CRC错误检查MAC子层介质访问P-坚持CSMA，冲突避免，优先级，冲突检测1物理层电气连接介质，电气接口。与介质有关的接口和调制方案（双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆、红外线、光缆等）第39页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解第40页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解Lon网络结构第41页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元节点第42页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解节点的特点智能节点在安装和组态完成之后，可以脱离上层的管理工具，自行完成数据采集、数据处理和节点间的信息通信。任一智能节点中所采集到的数据可以为整个网络中所有节点共享。节点内部可以装载一些控制算法应用程序，因为节点离控制设备近，使现场的信息及时地得到处理，不必要等到上层的监控计算机完成控制功能。第43页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解现场总线网络用到的LonWorks技术NeuronChipLonTalk协议Lonworks收发器开发工具：NodeBuilder，LonBuilder，LNS等网络接口和服务设备LonWorks技术产品的互操作性协议第44页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元芯片神经元芯片是LonWorks技术的最核心器件。主要包含MC143150和MC143120两大系列。第45页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元芯片的内部结构第46页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解第47页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元芯片芯片包括3个8位流水作业的CPU第48页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解MAC通信处理器完成介质访问控制(MediaAccessControl)，也就是ISO的OSI七层协议的第1和2层。网络处理器完成OSI的第3-6层网络协议，它处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。在神经元芯片中，每个CPU都有自身的寄存器组，但所有的CPU都可以通过使用存储器和算术逻辑单元ALU共享数据。第49页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元芯片提供Lon节点所有的关键功能通信：处理LonTalk通信协议信息I/O：传感信号输入和控制信号输出调度：控制：存储：存储和安装指定的参数和程序第50页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元芯片的输入输出功能在一个节点中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置11个I/O口。这11个I/O口可根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备进行接口，如可配置成RS232、并口、定时/计数I/O等。根据不同外部设备I/O的要求，采用NeuronC语言，编程人员可以定义一个或多个引脚作为输入/输出对象，灵活地配置输入/输出方式。用户程序可通过“io_in()”和“io_out()”系统调用来访问这些I/O对象，并在程序执行期间完成输入/输出操作。第51页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解通信功能神经元芯片可以支持多种通信介质。使用最为广泛的是双绞线，其次是电力线，其他包括：无线射频、红外线、光纤、同轴电缆等。、单端模式、差分模式、专用模式第52页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解其他功能系统时钟：通过外部的一个输入晶振来输入时钟。神经元芯片正常工作频率为625kHz～10MHz睡眠/唤醒机制Service引脚：节点远程配置、安装和维护的时候都需要Watchdog定时器：神经元芯片为防止软件失效和存储器错误，包含三个Watchdog定时器(每个CPU一个)。如果应用软件和系统没有定时地刷新这些Watchdog定时器，整个神经元芯片将自动复位。第53页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解神经元芯片的主要性能特点高度集成，所需外部器件较少三个8位CPU,输入时钟范围:625kHz~10MHz11条可编程I/O引脚两个16位的定时器/计数器网络通信端口:工作方式单端、差分和专用固件包括：LonTalk协议、I/O驱动程序、事件驱动、多任务调度程序服务引脚：用于远程识别和诊断每个Neuron芯片有唯一的48位的内部ID号。内置低压保护以加强对片内EEPROM的保护。通讯速率：610b/s----1.25Mb/s第54页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LonTalk协议智能控制器（节点）传感器执行器显示操作接口节点LONLON网采用分布式控制技术第55页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LonTalk协议LonTalk协议是LON总线的专用协议，也是LonWorks技术的核心。LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。可靠性高网络节点是相互独立的，任一节点发生故障时，不影响整个网络工作。各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，能在系统规模大时避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。第56页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解

LonTalk协议特点采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。支持多种通信介质，如双绞线、电力线、同轴电缆、无线电和红外线、光纤传输介质等。支持多节点通信，互操作性强。网络上任一节点可对其他节点进行操作，传输控制信息。发送报文是很短的数据(通常几个到几十个字节)，通信带宽不高，响应时间快，通信安全可靠。网络节点是低成本、低维护的单片机。第57页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解分级编址方式域子网1子网255……….节点1节点2….节点127节点1节点2….节点127三层：域、子网、节点第58页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LonTalk协议符合ISO制订的开放系统互联OSI标准，具有完备的七层协议。第59页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解收发器提供神经元芯片与LonWorks网络的通信接口EPROM神经元芯片收发器复位电路接口单元主处理器第60页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解收发器类型双绞线收发器：性价比高，最通用收发器直接驱动：使用神经元芯片内部收发器，网络节点不超过64个，传输速率不超过1.25Mb/s传感器和控制设备收发器I/O口网络通信端口Neuron芯片电源网络晶振第61页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解收发器类型双绞线收发器EIA-485收发器：具有成本、性能、体积优势，支持多种数据传输速率和通信介质变压器耦合接口：应用于需要高性能、高隔离度和高抗干扰能力的场合内有滤波电路和二级保护电路，减少穿过变压器的电压浪涌第62页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解收发器类型电力线收发器无线射频收发器路由器第63页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解网络接口与服务设备网络适配器（NetWorkAdapters）网络接口设备，主机的物理接口其驱动程序提供通信协议和应用程序接口，使主机的程序可以访问Lon网络产品：PCLTA-10，PCLTA-20网络操作系统提供诊断、安装、控制和配置等面向网络服务第64页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解开发工具节点开发工具NodeBuilder节点和网络安装工具LonBuilder：用来开发Lonworks系统，具有系统集成和测试功能网络管理工具LonManager以及客户/服务器网络构架－－LNS技术LonMakerforWindows：网络设计和系统管理工具第65页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解NodeBuilder设备级开发工具，由集成的硬件和软件组成，它提供对单个设备编程和调试开发环境，不包含系统集成和测试工具，样机测试完成以后，再用网络管理工具(例如LonManager和LonMaker安装工具)集成。硬件组成PCNSS接口卡：ISA总线的PC卡：用来向Lonworks节点下载应用程序、对节点进行配置和监控LTM-10模块：仿真器MotorolaGizmo4节点调试NeuronC应用程序第66页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解NodeBuilder软件：设备应用程序采用基于ANSIC的NeuronC编程语言，简化了网络通信、硬件I/O和事件驱动过程NodeBuilder资源管理器NodeBuilder代码向导NodeBuilder项目管理器LNS设备plug-in向导第67页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LonBuilder是系统级开发工具，它提供创建、调试多设备LonWorks应用的所有工具，系统集成和测试功能LNS(LonWorksNetworkOperatingSystem)的软件工具LonWorks技术有多种基于LNS的工具，用于LON网络的维护和组态。LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养；LonMaker把画图工具Visio用户接口和LNS客户-服务器结构结合在一起，贯穿设计、通信、操作和维护Lon网络的每个阶段。还支持经由LonWorks网络或TCP/IP网络的远程操作、支持与TCP/IP网络及互联网联网的接口技术i.Lon。第68页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LonMaker：可离线或现场设计，提供对所有网络变量和配置属性的访问第69页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LNSDDEServer软件DDE：DynamicDataExchange用于人机接口、高级控制、数据采集和可视化应用的I/O驱动程序为支持DDE应用的高级组态软件提供了一个访问LonWorks网络和设备的高效方法第70页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解第71页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解Lon总线的互操作性来自同一个或不同的制造商的多个装置能集成在单一的控制网中，无需定制节点或编程以LonTalk协议为基础，在两个领域制定了互操作性准则收发器和配合的物理信道准则：包含在LonMark1~6层互可操作性准则中应用程序的LonMark标准：包含在LonMark应用层互可操作性准则中第72页，共83页，2023年，2月20日，星期五LonWorks总线设计精解LonWorks的控制网络结构执行机构：传感器，变送器网络协议：LonTalk网络传输