工业控制网络技术应用 课件 项目3 现场总线网络的构建与运维

现场总线网络的构建与运行PROFIBUS-DP的介绍PROFIBUS-DP的定义01PROFIBUS-DP的协议结构02PROFIBUS-DP的总线拓扑03PROFIBUS-DP的主从通信原理04目录CONTENTSPROFIBUS-DP的典型系统05PROFIBUS-DP的定义PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）是专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信而设计；它与PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)共同组成了PROFIBUS标准。01GSD文件实现了设备的即插即用。系统组态电子设备数据单(GSD-files)PLCPROFIBUSGSDGSDGSDGSDGSDGSDPLC01PROFIBUS-DP的定义GSD文件可分为三个部份1.一般规范：包括生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头的信号分配2.与DP主设备有关的规范，包括适用于主站的各项参数，如允许连接从站的个数、上装/下装能力3.与DP从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如如输入/输出通道数、类型、诊断数据等01PROFIBUS-DP的定义02PROFIBUS-DP的协议结构用户接口层隐去第三至第七层数据链路层物理层规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为02PROFIBUS-DP的协议结构传输报文的格式类型：

SD1DASAFCFCSED0X10××××××××0X16①SD1：无数据域，用于查询总线上激活的站点，用于主站与从站间的站点查询。②SD2：可变数据域，参数最多，是Profibus中使用最多的一种帧结构。SD2LELErSDrDASAFCDUFCSED0X68××××0X68××××××××××0X1602PROFIBUS-DP的协议结构④SD4：令牌帧，用于主站间的令牌传递。SD3DASAFCDUFCSED0XA2××××××××××0X16SD4DASA0XDC××××OXE5③SD3：固定8字节数字域。⑤SC：用于对主站请求帧的短回应帧，是由从站发出。传输报文的格式类型：

02PROFIBUS-DP的协议结构①诊断报文诊断请求报文：基本请求报文(主站-从站)诊断响应报文：基本响应报文(从站-主站)SD2LELErSDrDASAFCDSAPSSAPFCSED0X68××××0X68××××××0X3C0X3E××0X16SD2LELErSDrDASAFCDSAPSSAPUDFCSED0X68××××0X68××××××0X3E0X3C××××0X16常见的传输报文：

02PROFIBUS-DP的协议结构②参数化报文参数设置请求：基本请求报文(主站-从站)基本响应报文(从站-主站)SD2LELErSDrDASAFCDSAPSSAPUDFCSED0X68××××0X68××××××0X3D0X3E××××0X16OXE5常见的传输报文：

02PROFIBUS-DP的协议结构③组态报文检查组态请求：基本请求报文(主站-从站)基本响应报文(从站-主站)SD2LELErSDrDASAFCDSAPSSAPUDFCSED0X68××××0X68××××××0X3E0X3E××××0X16OXE5常见的传输报文：

02PROFIBUS-DP的协议结构④数据交换报文数据交换请求：基本请求报文(主站-从站)基本响应报文(从站-主站)SD2LELErSDrDASAFCUDFCSED0X68××××0X68××××××××××0X16SD2LELErSDrDASAFCUDFCSED0X68××××0X68××××××××××0X16常见的传输报文：

03PROFIBUS-DP的总线拓扑Profibus-DP系统有两种总线拓扑形式一种是RS-485，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型，每段最多节点数为32，不支持总线供电；另一种是采用光纤，用于电磁兼容性要求高和长距离要求的场合。03PROFIBUS-DP的总线拓扑终端终端终端23303162613332终端中继器中继器站1线性总线终端电阻9.6kbps~12Mbps屏蔽双绞线63中继器12603PROFIBUS-DP的总线拓扑采用RS-485传输技术，使用9针D型插头数据线不要拧绞使用带屏蔽的电缆大面积屏蔽接线04PROFIBUS-DP的主从通信原理点对点方式循环传输运用令牌电文在主站间循环传递控制权。当某个主站得到令牌后，该主站就被允许在以后的一段时间内执行主站工作，根据主从站关系表给其它的主站或从站发送帧，直到发完或规定的时间到，再把令牌按令牌环规定的顺序传给其它主站。广播方式由一个主站控制着多个从站，构成主-从系统。主站发出命令，从站给出响应。PROFIBUS-DPRS485upto12MBit/s区域控制器(PLC)工程或HMI工具PROFIBUS-PAIEC1158-2with31.25kBit/sI段耦合器／链接器变送器H2H1+04PROFIBUS-DP的主从通信原理发送总线查询帧确定总线上的激活站04PROFIBUS-DP的主从通信原理典型的Profibus-DP总线配置是以主-从总线存取程序为基础的，一个主动节点（DP主站）循环地与被动节点（DP从站）交换数据，从而确立主-从关系。主从关系确立后，PROFIBUS-DP主站与DP从站便开始交换数据。如果DP从站发生故障，它会把故障信息写入到自身的诊断缓存区，DP主站通过读取DP从站的诊断缓存区，就能发现从站的故障并发出报警(故障灯亮起)。05PROFIBUS-DP的典型系统PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，在同一总线上最多可连接126个站点。

PROFIBUS-DP单主站系统中，在总线系统运行阶段，只有一个活动主站。05PROFIBUS-DP的典型系统PROFIBUS-DP多主站系统中总线上连有多个主站。总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统。任何一个主站均可读取DP从站的输入／输出映像，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。05PROFIBUS-DP的典型系统每个PROFIBUS-DP系统包括3种类型设备：第一类DP主站（DPM1）、第二类DP主站（DPM2）和DP从站。DPM1中央控制器，它在预定的周期内与分散的站（如DP从站）交换信息，典型的DPM1如PLC、PC等DPM2编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的；DP从站进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，是带二进制值或模拟量输入输出的I/O设备、驱动器、阀门等。05PROFIBUS-DP的典型系统PROFIBUS-DP系统行为主要取决于DPM1的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制，主要有运行、清除和停止3种状态。运行DPM1处于输入和输出数据的循环传输，DPM1从DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息清除DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态停止DPM1和DP从站之间没有数据传输若干种接口给予了冗余系统的可能每个测量点两个设备系统冗余光纤段给予了冗余电线的能力PROFIBUS-DPFOcouplerFOcouplerFOcouplerFOcoupler介质冗余05PROFIBUS-DP的典型系统敬请批评指正谢谢聆听现场总线网络的构建与运行AS-I的介绍主讲：宗思恒AS-I网络的组成01APM技术02AS-I的通信原理03目录CONTENTS01AS-I(Actuatorsensorinterface)是整个工业通讯网络中最底层、最低级的总线，直接与现场的传感器和执行器等连接；它只负责简单的数据采集与传输，实时性和可操作性很高。AS-I网络的组成(1)AS-I网络的概念01AS-I网络的组成AS-I主站从站模块供电单元网络部件(2)AS-I网络的组成01AS-I网络的组成总线形星形树形(3)AS-I网络的拓扑结构01AS-I网络的组成只有一个主站的主从式网络主站：（1）网络通信的中心（2）由AS-I主机和控制器组成(4)AS-I网络的主站01AS-I网络的组成(4)AS-I网络的主站集成在可编程控制器：信号较少的中小型系统既是AS-I主站，又是高层网络中的从站网关：大型复杂的分布式监控系统DP/AS-I网关，IE/AS-I网关01AS-I网络的组成(5)AS-I网络的从站从站：（1）AS-I系统的输入/输出通道（2）仅在被主站访问时才被激活01AS-I网络的组成根据安装环境的要求分两种防护等级ip20防护等级(用于安装在控制柜内)ip65/67防护等级(用于直接安装在恶劣现场)两种类型从站带有As-interface通信芯片的智能传感器/执行器分离型I/O模块连接普通的传感器/执行器(5)AS-I网络的从站01AS-I网络的组成(5)AS-I网络的从站智能传感器/执行器：（1）有自己的从站地址（2）直接连接到AS-I（3）具有诊断功能普通的传感器/执行器：（1）提供一个带有Asic的AS-I模块（2）传感器、执行器、开关等元件直接通过电缆插接到模板标准的AS-I节点(从站)地址为5位二进制数，每个标准从站占一个AS-I地址，最多可以连接31个从站最新的AS-I总线技术规范：一个主站所能控制的从站数量为62个，每个地址可连接2个从站01AS-I网络的组成(6)AS-I网络的电源AS-I电源的集成数据解耦确保数据和电能分隔（1）AS-I能够在一条线路上传输数据和电源（2）额定电压为DC24V，从站的最大电流为2A（3）所需电流大于65MA时,必须外接辅助电源01AS-I网络的组成(7)AS-I网络的网络部件网络部件：黄色和黑色异形电缆、中继器/扩展器、编址、诊断单元2芯，传输信号外，还传输网络电源用于连接辅助电源和从站01AS-I网络的组成(7)AS-I网络的网络部件中继器：（1）每个网段不能超过100m，并且每个网段有自己的电源；（2）任何从站和主站之间不允许超过两个中继器。01AS-I网络的组成(7)AS-I网络的网络部件AS-I从站地址编址器：（1）用于AS-I网络从站地址、参数的设定；（2）可以与所有AS-I从站进行连接，快速设定AS-I从站网络中的地址。02AMP技术AS-I采用APM技术(AlternatingPulseModulation)将传输的数据转换成Manchester编码进行传输。02AMP技术03AS-I的通信原理主站通过轮询的方式和从站之间进行通信03AS-I的通信原理初始化阶段：在离线状态下进行，如果在线需复位再初始化启动阶段：被检测到的正确从站需要被激活周期性数据交换和系统处理阶段：主从通讯环节03AS-I的通信原理AS-I报文：包含14位的请求报文和7位的响应报文03AS-I的通信原理ST起始位主站请求开始，0为有效，1为无效SB控制位数据/参数/地址位或命令位，0为数据/参数/地址位，1为命令位A0-A4从站地址位被访问的从站地址（5位32个地址，0为出厂时用，还有31个地址即为1-31）I0-I4信息位要向从站下传的信息（5位，第1位为确认主站请求类型，还有4位为给从站的信息）PB奇偶校验位在主站请求信息中不包括结束位为1的各位总和必须是偶数EB结束位请求结束，0为无效，1为有效ST起始位从站应答开始，0为有效，1为无效I0-I3信息位从站向上传输的信息（4位），应答类型PB奇偶校验位在从站应答信息中不包括结束位为1的各位数总和必须是偶数EB结束位应答结束，0为无效，1为有效主站请求报文信息从站应答报文信息敬请批评指正谢谢聆听现场总线网络的构建与运行CAN总线的介绍主讲：宗思恒CAN总线的定义01CAN总线的报文格式02CAN总线的原理03CAN总线的特点04目录CONTENTSCAN总线的定义01CAN是控制器局域网controllerAreaNetwork的简称，其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN总线的定义01ISO/OSI应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层CAN应用层没有使用数据链路层物理层CAN总线的定义01可挂接设备最多可达110个速率最高可达1Mbit/s传输距离为40m短帧结构，每一帧的有效字节数为8个01CAN总线的定义串行差分传输避免信号的反射和干扰02CAN总线的报文格式SOF仲裁场控制场数据场应答场帧结束检测数据03CAN总线的原理CAN总线以广播方式从一个节点向另一个节点发送数据②发送状态：CAN芯片生成并发送CAN报文①准备状态：数据从CPU传输到CAN芯片③接收状态：所有CAN节点接收CAN报文④检测过程：各节点检测报文是否属于自己03CAN总线的原理支持多主机方式工作支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据采用总线仲裁技术：按节点优先级别先后传输数据，避免总线冲突04CAN总线的特点①多主机方式工作②不同的优先级③仲裁总线结构④全局广播⑤距离速度节点⑥短帧结构⑦检错机制⑧自动重发⑨自动切断敬请批评指正谢谢聆听现场总线网络的构建与运行Modbus的介绍主讲：宗思恒Modbus的定义01Modbus的通讯过程02Modbus协议在串行链路上的实现03Modbus协议在TCP/IP上的实现04目录CONTENTSModbus的定义Modbus是一种串行通信协议，是由Modicon公司(现属施耐德电气)在1979年发明的,是用于工业现场的总线协议；Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且是工业电子设备之间常用的连接方式。01Modbus的定义01Modbus协议是OSI模型第七层上的应用层报文传输协议,它与底层的基础通信层无关。7应用层（Modbus）6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层OSI参考模型Modbus的定义01Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。Modbus的定义01一个Modbus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址，所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令(地址0例外，指定地址0的指令是广播指令，所有收到指令的设备都会运行，但不回应指令)。Modbus的通讯过程02Master/Slave架构Master节点Slave节点，有唯一的地址Modbus的通讯过程02查询中的功能代码为被寻址的从站设定须执行的动作类型。数据字节中包含从站须执行功能的各附加信息。从站正常响应时,响应功能码是查询功能码的应答,数据字节包含从站采集的数据。如出现错误,则修改功能码,指明为错误响应，并在数据字节中含有一个代码来说明错误,错误检查区允许主站确认有效的信息内容。Modbus的通讯过程0203Modbus协议在串行链路上的实现03Modbus协议在串行链路上的实现层ISO/OSI模型

7应用层Modbus应用协议（主从协议）6表示层空5会话层空4传输层空3网络层空2数据链路层Modbus串行链路协议

1物理层EIA/TIA-485(或

EIA/TIA232)串行主/从协议03Modbus协议在串行链路上的实现在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点（最大编号为247）连接于同一串行总线；子节点之间互不通信；主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理；主节点以两种模式对子节点发送Modbus请求：广播、单播。03Modbus协议在串行链路上的实现ModbusASCII模式

起始位设备地址功能代码数据LRC校验结束符1个字符2个字符2个字符N个字符2个字符2个字符起始位设备地址功能代码数据CRC校验结束符T1-T2-T3-T48Bit8BitN个8Bit16BitT1-T2-T3-T4ModbusRTU模式

准许字符的传输间隔达到1s而不产生错误比ASCII方式传送更多的数据,但每个信息必须以连续的数据流传输04Modbus协议在TCP/IP上的实现物理层（10BaseT,10BaseFL）CSMA/CDInternetProtocolTransmissionControlProtocol应用层（Modbus

TCP）ModbusTCP/IP模型ModbusTCP是运行在TCP/IP上的Modbus报文传输协议。ModbusTCP是开放的协议。04Modbus协议在TCP/IP上的实现04Modbus协议在TCP/IP上的实现ModbusTCP协议报文04Modbus协议在TCP/IP上的实现04Modbus协议在TCP/IP上的实现用户应用通讯应用层MODBUS客户接口MODBUS客户接口MODBUS客户机MODBUS服务器TCP管理层栈参数化连接管理访问控制TCP/IP栈资源管理与流量控制（1）ModbusTCP客户端用Connect()命令建立目标设备TCP502端口连接数据通信过程；（2）准备Modbus报文，包括7个字节MBAP内请求；（3）使用send()命令发送；（4）同一连接等待应答；（5）同recv()读报文，完成一次数据交换过程；（6）当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。敬请批评指正谢谢聆听基于S7-1500/S7-300的Profibus

DP网络的构建与运行任务：网络的场景实施主讲：朱铝芬任务解析01网络的场景实施02网络的软件实施03目录CONTENTS任务解析构建基于S7-1500/S7-300的指示灯控制网络主站从站绿色链路：星型结构，程序下载紫色链路：总线结构，主从通讯主站从站01任务解析构建基于S7-1500/S7-300的指示灯控制网络要求：主站按下按钮，从站对应的指示灯亮；主站按钮松开，从站对应的指示灯灭。01

L1NI0.21M主站1516-3PLC220VI0.6I0.0SB1SB2SB3I0.1SB7……SB8I0.7

L1N从站314-2PLC220V1LQ136.6HL724V24VQ136.0HL1Q136.1HL2……Q136.7HL8Profibus-DP192.168.1.48192.168.1.38Profibus-1:2Profibus-1:3任务解析01网络的构建与运行硬件的场景实施软件的网络构建硬件组态与网络连接网络设置网络编程网络调试及运行根据网络拓扑图连接相关硬件测试通断网络02网络的场景实施现场实拍视频（需要现场拍摄）02网络的场景实施通讯测试的录屏02网络的场景实施网络拓扑结构连接是否正确，网线连接是否牢固网络场景实施的通断检测123交换机是否正常工作网络中的设备是否正常供电03网络的软件实施（1）硬件组态与网络连接在线添加法保证PC机的IP地址与网络中设备IP地址不冲突03网络的软件实施（1）硬件组态与网络连接订货号添加法订货号与实际硬件的订货号完全一致03网络的软件实施（1）硬件组态与网络连接网络连接03网络的软件实施（2）网络设置查看地址设置主从站地址设置PC机地址03网络的软件实施（2）网络设置从站操作模式自觉自省的存取保护能力03网络的软件实施（3）网络编程建立主从站数据传输区域主从站数据传输的通讯地址，必须与主站、从站本身的DI、DQ、AI、AQ地址不一样，避免出现地址冲突IB0、Q136分别是主站、从站的本地DI、DQ地址Q100、I100分别是主站、从站的数据传输单元03网络的软件实施（3）网络编程编程设计思想为：主站的IB0移动至QB100；PROFIBUS-DP网络将主站QB100传输至从站IB100；从站将IB100移动至Q136；实现主站按钮控制从站指示灯。03网络的软件实施（3）网络编程主站变量表主站程序03网络的软件实施（3）网络编程从站变量表从站程序（4）网络测试与运行03网络的软件实施敬请批评指正谢谢聆听基于两台S71500PLC的ProfibusDP网络构建与运行任务：网络的场景实施主讲：朱铝芬任务解析01网络的场景实施02网络的软件实施03目录CONTENTS任务解析构建基于两台S7-1500PLC的电动机正反转监控网络服务端客户端绿色链路：星型结构，程序下载紫色链路：总线结构，服务端/客户端通讯服务端客户端01任务解析构建基于两台S7-1500PLC的电动机正反转监控网络要求：由服务端PLC1连接的正、反、停按钮控制客户端PLC2连接的接触器线圈；并将客户端PLC2连接的接触器线圈状态反馈给服务端PLC1。01

L1NI0.21M服务端1516-3PLC1220VI0.0SB1SB2SB3I0.1

L1N客户端

1516-3PLC2220V1L24VQ0.0KM1Q0.1KM2Profibus-DP192.168.1.48192.168.1.88Profibus-1:2Profibus-1:31LQ0.0HL1Q0.1HL2~220V任务解析01

L1NI0.21M服务端1516-3PLC1220VI0.0SB1SB2SB3I0.1

L1N客户端

1516-3PLC2220V1L24VQ0.0KM1Q0.1KM2Profibus-DP192.168.1.48192.168.1.88Profibus-1:2Profibus-1:31LQ0.0HL1Q0.1HL2~220V构建基于两台S7-1500PLC的电动机正反转监控网络服务端/客户端的主从式架构，C/S结构，S7通信主动GET正反停命令主动PUT控制结果客户端：主动PUT、GET，主动角色服务端：被动角色，等待连接请求任务解析01构建基于两台S7-1500PLC的电动机正反转监控网络使能，设置为1时允许写使用时钟脉冲信号S7连接标识写入对方数据存储区地址指针自己存储发送数据的存储区指针

为1时，表示写入完成为1时写入失败，有故障故障代码任务解析01构建基于两台S7-1500PLC的电动机正反转监控网络使能，设置为1时允许读使用时钟脉冲信号S7连接标识读取对方数据存储区地址指针自己存储接收数据的存储区指针1时，表示读取完成1时，表示接收失败，有故障故障代码PUT、GET指令均是串行传输指令，写入、发送区域的起始地址必须是“位”地址F1快捷键任务解析01构建基于两台S7-1500PLC的电动机正反转监控网络12345网络场景实施硬件组态与网络连接网络设置网络编程网络测试及运行02网络的场景实施现场实拍视频（需要现场拍摄）03网络的软件实施（1）网络组态与网络连接在线添加法保证PC机的IP地址与网络中设备IP地址不冲突03网络的软件实施（1）网络组态与网络连接网络连接03网络的软件实施（2）网络设置设置客户端/服务端地址设置PC机地址03网络的软件实施（2）网络设置服务端属性03网络的软件实施（2）网络设置系统和时钟存储器属性03网络的软件实施（3）网络编程服务端PLC1按钮状态保存在本地MB100写入信息保存在本地MB200客户端PLC2读取信息保存本地MB100线圈状态保存于本地MB200主动GETPLC1的MB100保存在本地的MB100