现场总线总复习(河南理工大学)

现场总线总复习(河南理工大学)第一页，共54页。1.1计算机控制系统的分类巡回检测和操作指导系统计算机监督控制系统直接数字控制系统集散控制系统计算机根据监测的信号给出控制建议，由人工完成控制。计算机参与控制。加入计算机监督层对控制参数进行调整。集中管理、分散控制。2第二页，共54页。1.2DCS系统的体系结构现场层：完成对生产装置（过程）的信号转换、检测和控制量的输出等。控制层：完成对所连接的各类装置实施监测和控制监控层：对现场设备进行检测和故障诊断，对全系统进行集中监视和操作，完成控制回路的组态/参数修改和优化过程处理等。管理层：实现全厂设备性能监视、运行优化、负荷分配和日常运行管理等功能；承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务。3第三页，共54页。1.3DCS系统硬件构成控制站：DCS的核心。它接收现场设备的信号，对生产过程进行闭环控制。操作站：是操作人员与控制系统交换信息的人机接口。采集站：完成数据采集、预处理以及进一步的加工处理，但不直接完成控制功能。工程师站：技术人员进行组态设计，包括对各种设计文件进行归类和管理。管理站：综合监视全系统的各单元，管理全系统的所有信息。总线：具有高速通信能力的信息总线。4第四页，共54页。1.4DCS系统软件构成软件系统系统软件应用软件控制层应用软件监控层应用软件通信软件报警检测、输入、输出实时数据库连续过程控制顺序控制过程画面显示、操作和管理日志管理、历史数据存储报表打印人机接口组态软件5第五页，共54页。1.5现场总线技术基本概念节省硬件数量节省安装费用节省维护开销系统的准确性与可靠性更高更高的系统集成主动性优点：系统的开放性互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性技术特点：IEC对现场总线的定义现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。InternationalElectrotechnicalCommission6第六页，共54页。1.6现场总线技术本质和核心（2）现场总线结构及本质现场通信网络现场设备互联互操作分散功能块通信线供电开放式网络现场总线核心即总线协议。目前现场总线协议并不统一，但对于各种总线，其协议基本原理都是相同的，都以解决串行双向数字化通信为基本依据。7第七页，共54页。1.7工业以太网基本概念全开放、全数字化的网络工业控制网络与企业信息网络的无缝连接软硬件成本低廉通信速度高可持续发展潜力大优势：实时性问题对工业环境的适应性与可靠性适用于工业自动化控制的应用层协议本质安全和网络安全服务质量问题问题：工业以太网与现场总线相结合工业以太网直接应用于工业现场设备间通信，实现“一网到底”的愿景实时通过无线技术进行网络延伸趋势：8第八页，共54页。1.8现场总线与企业网络实时性：过程控制0.01-0.5s；制造自动化0.5-2.0s；信息网络为2.0-6.0s。工作环境：控制网络在工业环境；能够抗击电网干扰；具备本质安全性。通信方式：控制网络采用广播或组播方式；信息网络使用一对一方式。互操作要求：控制网络必须解决多家公司产品在同一网络中的互操作。两网的区别有利于管理层的决策信息交换的实时性使数据保持一致和完整故障远程诊断和维护提供完善的信息资源互连的意义采用网关和路由器动态数据交换技术数据库访问技术互连的方式9第九页，共54页。2.1总线的基本术语（结合课本掌握）主设备从设备1从设备2从设备3从设备41110总线协议主设备总线段从设备规定操作；改变总线操作方式；地址、数据的含义。10第十页，共54页。2.2总线的基本操作（结合课本掌握）主设备从设备1从设备2从设备3从设备4广播寻址对比对比对比对比总线定时异步同步出错检测从设备4容错与隔离11第十一页，共54页。2.3通信系统的结构模拟信息源数字信息源信源编码信道编码常用的信号变换方法从带有干扰的信号中恢复出原始信息多路复用的情况12第十二页，共54页。2.4模拟数据编码技术（结合课本掌握）幅度键控（Amplitude-ShiftKeying,，ASK）频移键控（Frequency-ShiftKeying，FSK）相移键控（Phase-ShiftKeying，PSK）13第十三页，共54页。2.5数字数据编码技术（结合课本掌握）单极性非归零码单极性归零码双极性非归零码双极性归零码差分码曼彻斯特编码14第十四页，共54页。2.6数据传输的奈奎斯特准则（1）基带传输奈奎斯特准则：信道的带宽为B，则它可传输的最高信号波形传输速率为2B.15第十五页，共54页。2.7数据的通信方式（结合课本熟悉概念）（1）并行通信和串行通信（2）异步传输和同步传输（3）单工、半双工和全双工通信16第十六页，共54页。2.8网络拓扑结构（结合课本掌握）中央节点负担大，其它节点连接简单节点需要提高复杂的控制逻辑广播式传输适合层次型管理系统17第十七页，共54页。2.9介质访问控制方式（结合课本掌握）主设备1主设备1主设备3载波监听/冲突检测令牌环网18第十八页，共54页。2.10差错控制编码技术（掌握课本上的例题）（1）海明码（2）循环冗余编码19第十九页，共54页。2.11OSI参考模型（结合课件掌握）20第二十页，共54页。2.13网络互连设备（结合课本掌握）21第二十一页，共54页。3.1异步数据通信格式无论是RS-232接口，还是RS-485接口，均可采用串行异步收发数据格式。起始位，通知接收方有数据到达5，6，7，8结束位，1、1.5、2位中选择22第二十二页，共54页。3.2串行通信基本概念连接握手确认使收发双方确认已经建立了连接关系，接收方已经做好准备，可以进入数据收发状态。接收者表明数据已经收到回复信息的过程；相应的措施；重发。中断一个通知CPU有需要立即响应的任务的信号。轮询周期性地获取特征或信号来读取数据或发现是否有事件发生的工作过程。差错检验数据通信中的接受者可以通过差错检验来判断所接收的数据是否正确。23第二十三页，共54页。3.3RS-232C串行通信接口技术信号速率限于20kbit/s以内线间干扰大，限于15m之内负逻辑24第二十四页，共54页。3.4RS-485串行通信接口技术抑制噪声不受底线电压漂移的影响价格便宜接收端使能端发送使能发送端正输入负输入25第二十五页，共54页。4.1PROFIBUS基本概念用于传感器和执行器的高速数据传输。12Mbit/s单主站系统对于安全性要求较高的场合主要用于车间级控制网络，解决车间级通用性能通信任务26第二十六页，共54页。4.2PROFIBUS协议结构27第二十七页，共54页。4.3PROFIBUS-DP总线设备类型（2）系统组成28第二十八页，共54页。4.4PROFIBUS-DP总线系统结构29第二十九页，共54页。4.5PROFIBUS-DP总线访问控制主站和从站初始化总线上令牌环的建立主站与从站通信初始化交换数据通信30第三十页，共54页。4.6PROFIBUS-DP总线协议电气特性；数据格式；连接端口；总线终端器；总线拓扑（含中继器）；接口冗余；OLM和OLP帧格式；控制字符（FC）；FDL的四种服务；GAPL和LAS；令牌传递；令牌接收；令牌持有四种行规（执行机构、传动、检测、HMI）；数据接口和服务接口31第三十一页，共54页。4.7设备数据库文件32第三十二页，共54页。5.1实现方案单片机专用芯片接口模板设计灵活、特定硬件平台通信速率<500kbps价格便宜控制和连接简单主接口模板33第三十三页，共54页。5.2芯片种类简单DP从站智能化DP从站复杂DP主站最简单的协议实现方式微控制器完成协议以外的功能只实现关键的协议部分34第三十四页，共54页。5.3SPC3外部引脚XCSXWRDIVIDERXRDCLKVssCLKOUT2/4XINTINTAB10DB0DB7DB6DB5DB4VddVssDB3DB2XREADYXDATAEXCHDB1XTEST0XTEST1RESETAB4VssVddAB3AB2AB5AB1AB0XCTSAB6AB7RXDAB8VssRTSTXDAB9ALEMODE1234567891011333231302928272625242334353637383940414243442221201918171615141312片选写信号分频设置读信号时钟脉冲时钟输出接口类型中断数据交换CPU准备好0：分离1：复用地址所存串行发送请求发送串行接收发送使能复位，接CPU35第三十五页，共54页。5.4SPC3站点结构36第三十六页，共54页。5.5SPC3内部结构处理器参数锁存器/寄存器组织参数DP缓存器000H015H016H039H040H5FFH22B42B37第三十七页，共54页。6.1PROFIBUS系统需求现场的分散设备的确有联网需求系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报警及参数化实时调节要求适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统；优势是节省了传统的大量点对点的布线成本；具有集中I/O的单机控制系统，现场总线技术没有优势。适合要求有远程操作及监控的系统；对于一般的非实时控制要求的系统无需此技术。38第三十八页，共54页。6.2PROFIBUS系统架构（结合课件掌握）39第三十九页，共54页。6.3PROFIBUS从站设计方案PLC或其他智能控制器分散式的远程（端）I/O智能现场设备芯片的选择地址设置（DIP开关、BCD编码、软件）LED显示总线接口网关功能兼容性GSD文件的编写40第四十页，共54页。6.4PROFIBUS主站设计方案PLC做1类主站PC+网卡做1类主站自主开发主站控制器：S7300、S7400组态配置/控制软件：STEP7网卡：CP5611、CP5613等组态配置/控制软件：SIMATICNET控制软件:WinCC41第四十一页，共54页。6.5STEP7功能编程语言硬件组态软件编程与块的管理上传与下载程序调试LAD，STL，FBD，S7GRAPH，S7HiGraph，S7SCL和CFC组态和分配机架OB，FB，FC，SFB和SFC都包含部分程序；DI和DB用于存储数据；上电->切换->下载使用程序状态调试程序；使用变量表调试程序。42第四十二页，共54页。7.1CAN总线通信模型43第四十三页，共54页。7.2物理层接口电位传输速率44第四十四页，共54页。7.3同步硬同步：只在总线空闲时通过一个从“隐性位”到“显性位”的跳变（帧起始）来完成，此时不管有没有相位误差，所有节点的位时间重新开始。重同步：在报文的随后位中，每当有从“隐性位”到“显性位”的跳变，并且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。重同步机制可以根据跳变沿加长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。45第四十五页，共54页。7.4数据链路层帧格式仲裁段数据段ACK段数据帧

帧起始控制段CRC段帧结束帧起始仲裁段控制段CRC段ACK段帧结束远程帧

主动错误被动错误总线关闭复位或检测到128次11位连续隐性位设备正常参与总线通信，检测到错误时发送主动错误标识数据帧的收发都被禁止设备正常参与总线通信，检测到错误时发送被动错误标识REC<127且TEC<127REC>127或TEC>127TEC>255REC：接收错误计数器TEC：发送错误计数器；复位时两者都被清0。复位46第四十六页，共54页。7.5数据链路层工作流程初始化等待空闲等待总线SOF或应用层的发送