《工业互联网网络互联技术》 课件 项目三 任务1 运用工业现场总线技术

Project3工业互联网网络技术IndustrialInternetNetworkingTechnology【项目情境】在工业互联网中，工业互联网络设备通过不同的通信协议，解决各家厂商多类型的设备接入、多源数据类型解析及格式统一，以处理海量数据的管理及分析计算。任务1运用工业现场总线技术任务描述：工业现场总线技术是一种多网络结构、多通信介质和多传输速率的工业互联网数据控制网络总线，它既能与大多数生产控制设备相关联，又能与企业网、互联网相连。本任务主要围绕PROFIBUS总线技术、CAN总线技术、Modbus总线技术等进行介绍，为读者具备后续运用工业现场总线技术提供配置及调试的能力。任务1运用工业现场总线技术1.认识PROFIBUS总线技术 PROFIBUS，又称过程现场总线。它是面向工厂自动化和流程自动化的现场总线标准，提供了一个从现场传感器直至生产管理层的全方位透明的网络，属于IEC国际现场总线标准子集之一。任务1运用工业现场总线技术典型PROFIBUS层次结构包括现场级、车间级、管理级三级组成。任务1运用工业现场总线技术①现场设备层主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站负责总线通信管理及所有从站的通信，总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。任务1运用工业现场总线技术②车间监控层主要完成车间主生产设备之间的连接，以完成车间级设备监控。车间级设备监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等，通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。任务1运用工业现场总线技术③车间管理层主要实现车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂网络的一个子网，子网通过交换机、网桥及路由器等等以太网设备连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。任务1运用工业现场总线技术PROFIBUS协议结构依据ISO7498国际标准，以开放式系统互联(OSI)网络作为参考模型。PROFIBUS协议只使用OSI模型的第1、2、7层，其中第1层（物理层）规定了通信介质、物理连接和电气特性等；第2层(数据链路层）定义了总线传输协议并保证数据传输的可靠性；第7层(应用层)定义了应用功能。任务1运用工业现场总线技术任务1运用工业现场总线技术PROFIBUS目前在工业自动化领域已经发展为最为广泛应用的一种现场总线技术。在工业现场中，PROFIBUS主要应用于以下几个方面。①工业流程控制②工业网络集成③工业设备管理④工业自动化监控⑤工业智能管理任务1运用工业现场总线技术PROFIBUS的应用范围不仅涉及到工业自动化领域的各个方面，同时还可以作为智能制造的核心组件，提高生产效率和生产质量，降低生产成本，从而推动企业的数字化转型和智能化升级。任务1运用工业现场总线技术2.认识CAN总线技术 CAN（控制器局域网络）是一种广泛应用于工业控制领域中的串行通信总线系统技术。CAN总线系统由三个主要元素组成：CAN控制器、CAN收发器和总线，其中每个组件都有着重要的作用。任务1运用工业现场总线技术CAN控制器，CAN总线控制器是指基于CAN协议标准实现的控制器，通常由硬件和软件构成。可以控制CAN端口的收/发和信号转换，还能够实现多节点通信、错误处理和故障保护等功能。任务1运用工业现场总线技术CAN收发器，CAN总线收发器是用来连接信号源（例如传感器、执行器等）和CAN总线的物理接口，其主要作用是将数字信号转换为CAN总线所需的差分信号。CAN总线收发器的特点在于其相对较少的耗电量、高速传输能力和强大的抗干扰能力。任务1运用工业现场总线技术CAN总线，CAN总线是所有参与设备连接的网络系统，是搭建CAN总线系统的重要组成部分。它将独立控制器连接在一起，建立了一个高速和可靠的数据交换的总线网络，在系统中交换数字信号。任务1运用工业现场总线技术CAN总线技术常用于工业自动化等领域，具有以下方面的特点。①CAN总线为多主方式工作，网络上的任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，通信方式灵活，并且无需站地址等节点信息。②CAN总线网络节点信息可分成不同的优先级，满足不同实时要求，高优先级的数据最快可在134us内得到传输。任务1运用工业现场总线技术③CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据。④CAN总线网络具有点对点、点对多点和全局广播等几种通信方式，通过数据帧和远程帧两种数据传输模式来实现多个节点之间的高效通信，直接通信距离最远可达10km，通信速率最高可达1Mbit/s。任务1运用工业现场总线技术⑤CAN总线节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种,而扩展标准的报文标识个数几乎不受限制。⑥CAN总线采用了差分信号传输和混合直流耦合等方式，从而可以加强抗干扰和隔离能力，同时支持多路传输。⑦CAN总线系统使用简单、标准化，同时能够支持多种拓扑结构、协议和设备，具有较强的兼容性和集成性。任务1运用工业现场总线技术CAN总线遵从OSI模型，按照OSI标准模型，CAN总线结构划分为两层：数据链路层和物理层。任务1运用工业现场总线技术在实际工业应用场景中，CAN主要应用于以下几个方面。①工业机器人控制②机床工具监测③生产线流程控制④控制系统故障诊断⑤生产环境监测任务1运用工业现场总线技术3.认识Modbus总线技术Modbus是一种串行通信协议，它广泛应用于工业数据通信与控制网络中。通过Modbus协议，控制器之间、控制器经由网络(如以太网)和其他设备之间可以通信，利用Modbus总线，不同厂商生产的控制设备可以联成工业网络，进行集中监控。任务1运用工业现场总线技术Modbus总线特点可基本概括如下。①标准的Modbus协议为开源免费形式，可靠性良好。②Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232/485等串口，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤等。③Modbus的帧格式简单，利于开发。任务1运用工业现场总线技术Modbus网络是一个工业网络通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。它可应用于各种数据采集和过程监控系统之中。任务1运用工业现场总线技术Modbus总线通信拓扑结构是一个Master架构的协议。网络中的一个节点是Master节点，其他使用Modbus总线参与通信的节点是Slave节点。每一个Slave设备都有一个唯一的通信地址。任务1运用工业现场总线技术Modbus网络只有一个主机，所有通信都由它发出。网络可支持247个远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。Modbus总线技术参数要求如下。①物理层:传输方式为RS485；②通信地址:0-247；③通信波特率:可设定；④通信介质:屏蔽双绞线；⑤传输方式:主从半双工方式。任务1运用工业现场总线技术Modbus应用协议是OSI参考模型的第7层（应用层）报文传输协议，该应用协议是一种简单的客户机/服务器应用协议。客户机能够向服务器发送请求;服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答。Modbus网络协议层包括3个层次，即物理层、数据链路层和应用层。任务1运用工业现场总线技术Modbus具有通信速度快、应用广泛、易于操作和维护等特点，已成为许多工业自动化应用的标准协议，在实际工业应用场景中，Modbus主要应用于以下几个方面。①PLC控制②传感器、执行器控制③电力系统④工业网络⑤监控系统任务1运用工业现场总线技术综上所述，CAN、PROFIBUS和Modbus都是在工业领域