工业网络技术 课件全套 张季萌 01 现场总线的产生与发展-21 基于智慧工厂环境的通信网络与应用

现场总线的产生与发展一、现场总线的概念二、现场总线的产生背景三、现场总线的发展五、现场总线的各种标准四、现场总线的特点及未来趋势一、现场总线的概念在工业4.0时代，各种通信技术的蓬勃发展为企业实现智能化和自动化带来了诸多可能。尤其是在工业互联网的技术架构中，需要通过车间现场各类通信方式接入不同设备、系统和产品，采集并上传海量数据。目前，在工业自动化控制领域，车间现场应用最广泛的技术是工业以太网技术和工业现场总线技术。现场总线(Fieldbus)是近年来在工业领域中迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线具有简单、可靠、经济实用等显著优点。一、现场总线的概念现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线是自动化领域中的底层数据通信网络，连接最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，以及自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线以数字通信替代了传统42omA模拟信号及普通开关量信号的传输，并遵循ISO/OSI参考模型的全部或部分通信协议。OSI(OpenSystemInterconnect,开放系统互联）参考模型是ISO（国际标准化组织）和CCITT（国际电报电话咨询委员会）联合制定的网络体系结构模型，为开放式互联信息系统提供了—种功能结构的框架，从低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。一、现场总线的概念可以通过以下两点理解现场总线：第—，根据工厂自动化信息网络分层结构（工厂管理级、车间监控级、现场设备级），可知现场总线位千生产控制和网络机构底层，是工厂底层设备之间的通信网络。工厂底层应用现场总线技术的好处在于可以实现工厂信息纵向集成的透明通信，即从管理层到自动化底层的数据存取。第二，如图1所示的现场总线控制系统结构基千ISO/OSI7层参考模型搭建，根据应用需求，该结构可以简化。需要指出的是，在实际应用中，该模型只是一个参考模型，不同种类的现场总线协议栈有较大的区别，通常会对该模型进行简化，以获得更低的通信延迟和更快的速度，从而更有利千实现现场总线的实时特性。二、现场总线的产生背景现场总线大致出现在20世纪80年代末到90年代初，当时，随着生产规模的日益扩大，工厂的设备有了互联的需求（此阶段的互联需求主要定位千远程的1/0数据传输，以及生产线内部不同设备的数据交换）。企业希望通过综合掌握多点的运行参数与信息，进而实现多点信息的操作控制。但受制于当时的技术水平，每个厂商的产品都自成体系，不同厂商的设备之间不能实现互联互通，想实现更大范围信息共享的网络系统还存在很多困难。图1现场总线控制系统结构二、现场总线的产生背景随着相关技术的不断发展，并结合各种应用场景的实际需求，涌现出了许多具有代表性的现场总线技术，如基金会现场恁线(FoundationFieldbus,FF)、LonWorks现场总线、HART现场总线、CAN现场总线、DeviceNet现场急线、PROFIBUS现场总线、lnterbus现场总线、WorldFIP现场总线、CC-Link现场总线等。这些现场总线各具特点并拥有各自特定的应用范围。由于现场急线种类繁多，通信协议也干差万别，因此至今现场总线的标准也未能统—，最终形成各种现场总线内容相对独立的IEC61158标准。三、现场总线的发展现场总线是一种用于工业自动化系统的通信网络技术，它允许现场设备（如传感器、执行器和控制器）之间进行数据交换和通信。以下列出现场总线发展历史中的一些关键里程碑：1.20世纪80年代：最早的现场急线概念开始出现。2.20世纪90年代：现场总线技术得到了广泛的应用和发展。一些重要的现场总线标准（如FF和DeviceNet)开始出现。3.21世纪00年代：宽带技术的快速发展为现场总线的进一步发展奠定了基础。工业网络处理标准（如Ethernet/IP和PROFINET)的出现将工业网络带入自动化领域。4.21世纪10年代至今：现场总线技术不断演进和发展。工业网络的应用越来越广泛，实时网络标准（如EtherCAT和POWERLINK)也得到了推广和采用。随着时间的推移，现场恁线技术不断改进，提供了更高的数据传输速度＼更强的可靠性和更灵活的配置选项。它已成为工业自动化系统中的重要组成部分，为设备之间的通信和数据交换提供了可靠的解决方案。四、现场总线的特点及未来趋势1.多种标准共存：现场总线有多种不同的标准，如PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet等。这些标准大多都有其特定的优势和适用范围，可以根据应用需求选择适合的标准。2.标准化：随着现场总线技术的普及，标准化的需求逐渐增加。国际电工委员会(IEC)等标准化组织开始制定现场总线安全标准，如IEC61158和IEC61784系列。3.可靠性和功能增强：现场总线系统通常具有高可靠性，以确保在故障清况下仍能保持系统的稳定运行。总线设计可以提供备用通信路径，以防止单点故障导致整个系统故障。同时，现场总线系统增加了更多安全协议功能，如支持更高的数据传输速率、更复杂的控制算法、更强大的诊断和监测功能等。四、现场总线的特点及未来趋势4.开放性和互操作性：现场总线的开放性和互操作性是关键因素。许多现场总线标准都是开放的，通过标准化接口和协议，不同厂商的设备可以更容易地进行集成和交互。这种开放性使得用户可以选择最适合其需求的设备和解决方案。5.网络拓扑：现场总线网络拓扑结构—直在不断变化。最初的现场急线网格拓扑是基千主从结构的，后来发展催生了更灵活的分布式控制系统(DCS)和控制器局域网络(CAN)等。6.接地化：随着接地技术的成熟和广泛应用，现场总线也开始向以太网方向发展。Ethernet/IP和PROFINET等协议成为现场总线领域的重要趋势，提供更高的带宽和更广泛的应用支持。总体来说，现场总线在工业自动化中扮演着重要的角色。现场总线技术在过去几十年中取得了显著的发展，为设备之间的通信和控制提供了可靠的解决方案。随着技术的不断发展，现场总线系统将不断演进和改进，以满足不断变化的工业需求。五、现场总线的各种标准常见的现场总线标准有以下几个：1.PROFIBUS：这是一种广泛应用千工业自动化领域的现场急线标准。2.Modbus:这是一种通用的串行通信协议，用于连接现场设备和监控系统，广泛应用于工业控制和自动化领域。3.DeviceNet:这是一种基于CAN总线的现场总线标准，用千连接和控制工业设备，主要应用千机械和运动控制领域。4.FF:这是一种数字通信协议，用千连接和控制现场设备，广泛应用于过程控制领域。5.EtherCAT:这是实时负载通信协议，应用于高性能运动控制和工业自动化领域。6.CANopen:这是一种基千CAN总线的现场总线标准，用于连接和控制工业设备，广泛应用千汽车、机械和工业自动化领域。工业网络与现代企业网络一、工业网络概述二、工业以太网的概述三、现代企业网络系统的结构四、多种工业控制网络的集成一、工业网络的概述工业网络是指在工业环境中用于连接和通信的网络系统。它是为了满足工业自动化和控制系统的需求而设计的，用千连接各种设备、传感器、执行器和控制器，以实现数据传输、监控和控制功能。工业网络通常具有以下特性：1.可靠性：工业网络需要具备高度可靠性，以确保数据的准确传输和设备的稳定运行。2.实时性：许多工业应用需要进行实时数据传输和响应，如控制系统和监控系统，因此工业网络需要提供低延迟和高带宽的通信能力，以保证及时快捷的通信。3.安全性：工业网络中的数据和通信必须得到保护，以防止未经授权的访问、数据泄露或网络攻击。因此，工业网络通常采用安全协议、身份验证以保障网络安全。4.扩展性：工业网络需要具备良好的扩展性，以适应不断增长的设备数量和数据流最，应该能够支持灵活的拓扑结构和设备的添加或删除。一、工业网络的概述工业网络可以包括各种通信技术和协议、现场总线（如PROFIBUS、Modbus、CAN等）、工业无线网络等。工业网络在制造业、能源、交通、物流等领域广泛应用，为工业自动化和控制系统提供可靠的通信基础设施。二、工业以太网的概述由于现场急线的标准化制定存在一定的难度，人们开始寻求新的工业通信技术，这时以太网技术出现了。以太网最早出现千20世纪70年代，之后按照IEEE802.3实施了标准化，现在是指符合IEEE802.3标准的局域网(LAN)产品组。以太网技术因具有技术简单、开放性好、价格低廉等特点，在办公和商务领域的市场占有率非常高。以太网最初是为办公自动化的应用而设计的，并没有考虑工业现场环境的需求。后来，—些厂商提出将以太网技术引入工厂设备底层（如施耐德提出了适用于工业现场的基于以太网＋TCP/IP的解决方案），工业以太网也就随之产生了。工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术，采用TCP/IP协议，与IEEE802.3标准兼容，并在应用层加入各自特有协议的通信技术。二、工业以太网的概述1.工业以太网概况工业以太网是基于IEEE802.3（以太网）的强大的区域和单元网络。工业以太网提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)、外部互联网(Extranet)及国际互联网(Internet)提供的广泛应用不但已经进入办公室领域，而且可以应用于生产和自动化过程中。继10Mbit/s以太网成功运行之后，具有交换功能、全双工和自适应的100Mbit/s快速以太网(FastEthernet,符合IEEE802.3u标准）也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决千用户的需要，通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。在今天的控制系统和工厂自动化系统中，以太网的应用几乎和PLC一样普及。正确选择工业以太网要考虑哪些因素呢？简单来说，要从以太网通信协议、电源、通信速率、工业环境认证、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口等方面来考虑，这些都是最基本的产品选择因素。二、工业以太网的概述如果对工业以太网的网络管理有更高要求，那么需要考虑所选择产品的高级功能，如信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干冗余(Trunking)、环网冗余(RapidRing)、服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)和端口镜像等其他工业以太网管理交换机可以提供的功能。不同的控制系统对网络的管理功能要求不同，自然对管理型交换机的使用也有不同要求。应根据系统的设计要求，挑选适合系统的工业以太网产品。由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余、环网冗余到主干冗余，它们都有各自不同的特点，控制工程师可以根据要求进行选择。二、工业以太网的概述2.工业以太网的技术特点和优势以太网具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软／硬件产品丰富、应用广泛及支持技术成熟等优点已成为最受欢迎的通信网络之—。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入控制领域，形成新型的工业以太网技术。这主要是由千工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通信协议是必然的要求。将以太网技术引入工业控制领域，其技术特夺带来的优势具体有以下几点：（1）应用广泛。工业以太网兼容应用最广泛的计算机网络技术，大多数编程语言（如VisualC+＋、Java和VisualBasic等）都支持以太网的应用开发。采用不同网络协议的设备可以很容易实现互联。（2）资源共享能力强。随着互联网的发展，工业以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，接入互联网上的任何—台计算机后都能浏览工业控制现场的数据，实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控—体化的全开放网络。二、工业以太网的概述（3）软／硬件成本低廉。由千工业以太网技术已经非常成熟，支待工业以太网的软／硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。（4）通信速率高。随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要实现音频和视频数据的传输。通信速率为100Mbit/s、1000Mbit/s的快速以太网开始广泛应用，万兆以太网技术也逐渐成熟，其速率比现场急线快很多，可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。实现“控管—体化”，这是其他任何—种现场总线都无法比拟的。（5）可持续发展潜力大。工业以太网的引入为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无须独自研究投入。同时，工业机器人技术和工业控制技术的发展要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议具有更高的灵活性，这些要求工业以太网都能很好地满足。三、现代企业网络系统的结构现代企业网络系统的结构通常基于分层架构，其中包含以下几个主要组成部分：1.边缘层（Edgelayer）：现代企业网络系统的最低层，负责连接终端设备（如计算机、手机、打印机）。2.分布层（DistributionLayer）：位千边缘层和核心层之间，负责实现网络的分层。3.核心层（CoreLayer）：现代企业网络系统的中心，负责处理大量的数据流量。它提供高带宽、低延迟的交换和路由功能，确保网络的性能和可靠性。三、现代企业网络系统的结构4.无线链路（WirelessLink）：现代企业网络系统通常包括无线链路，用于支持移动设备的无线接入寺。无线局域网可以与稳定网络存储结合使用，提供灵活的网络连接和覆盖范围。5.数据中心（DataCenter）：对于大型企业来说，数据中心是现代企业网络系统的重要组成部分。6.安全层（SecurityLayer）：现代企业网络系统必须具备强大的安全性能，以保护敏感数据并防止网络攻击。安全层包括防火墙、入侵检测系统(IDS)、虚拟专用网络(VPN)等安全设备和技术。这些组成部分相互连接和交互，构成个完整的企业网络系统。具体的网络结构和配置可能会因为组织规模、业务需求和技术要求的不同而有所不同。四、多种工业控制网络的集成在工业控制网络中，集成多种网络可以实现不同类型的设备和系统之间的通信与协作。常见的工业控制网络集成方法有以下几种：1.利用网关设备。利用网关设备可以连接不同类型的工业控制网络，如现场接口、控制器局域网等。网关设备可以将不同网络之间的通信协议进行转换和改装，实现数据的传输和交换。2.利用协议转换器。协议转换器是一种设备或软件，用于将不同网络使用的通信协议进行转换。它可以将数据从一个网络的协议格式转换为另一个网络所需的协议格式，以实现数据的传输与交互。3.利用通信服务器。通信服务器是种中间设备，用千连接和管理多个工业控制网络。它可以提供统一的接口和协议，使不同网络的设备之间能够进行通信和数据交换。四、多种工业控制网络的集成4.利用软件。通过使用软件工具和平台，可以实现多种工业控制网络的集成。这些软件可以提供数据传输、协议转换、设备管理和监控等功能，以实现不同网络之间的集成和协作。5.利用标准化协议。—些工业控制网络使用标准化的通信协议，如OPC(OLEforProcessContra|，用于过程控制的对象链接与嵌入）、Modbus、PROFINET等。通过使用这些标准化协议，不同网络之间的设备可以直接进行通信和数据交换。在集成多种工业控制网络时，需要考虑网络安全、数据—致性和性能等方面的问题。根据具体的应用需求和网络环境选择适合的集成方法，并遵循相关的技术标准。CAN通信及应用一、CAN通信原理二、CAN报文的种类及帧格式三、CAN通信应用一、CAN通信原理1.CAN总线定义CAN总线协议（ControllerAreaNetwork），控制器局域网总线，是德国BOSCH公司研发的一种串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN网络中至少需要两个节点设备才可进行通信，发送数据时所有节点都能接收到所有信息，无法仅向某一个特定节点设备发送消息，对于节点接收到的无关的信息，可通过设置CAN总线硬件的本地过滤功能，对有效的消息做出反应。CAN由于其高性能和可靠性，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。一、CAN通信原理2.CAN总线结构CAN总线是一种广播类型的总线，可支持线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。（1）线形拓扑线形拓扑是在一条主干总线分出各个节点支线，其优点在于布线施工简单，接线方便，阻抗匹配规则固定，缺点是拓扑不够灵活，在一定程度上影响通讯距离，如图1所示：图1线性拓扑一、CAN通信原理虽然CAN总线可以支持多种网络拓扑，但在实际应用中比较推荐使用线形拓扑，且在IOS11898-2中高速CAN物理层规范推荐也是线形拓扑。在ISO11898-2和ISO11898-3中分别规定了两种CAN总线结构。ISO11898-2中定义了通信速率为125Kbps～1Mbps的高速闭环CAN通信标准，当通信总线长度≤40米，最大通信速率可达到1Mbps，高速闭环CAN（高速CAN）通信如图1-3所示，ISO11898-3中定义了通信速率为10～125Kbps的低速开环CAN通信标准，当传输速率为40Kbps时，总线距离可达到1000米。低速开环CAN（低速容错CAN）通信如图2所示：图2(a)高速闭环CAN(b)低速闭环CAN一、CAN通信原理（2）星形拓扑星形拓扑是每个节点通过中央设备连到一起，其优点是容易扩展，缺点是一旦中央设备出故障会导致总线集体故障，而且分支线长不同，阻抗匹配复杂，可能需要通过一些中继器或集线器进行扩展，如图3所示：图3星形拓扑一、CAN通信原理（3）树形拓扑树形拓扑是节点分支比较多，且分支长度不同，其优点是布线方便，缺点是网络拓扑复杂，阻抗匹配困难，通讯中极易出现问题，必须加一些集线器设备，如图4所示：图4树形拓扑一、CAN通信原理（4）环形拓扑环形拓扑是将CAN总线头尾相连，形成环状，其优点是线缆任意位置断开，总线都不会出现问题，缺点是信号反射严重，无法用于高波特率和远距离传输，如图5所示：图5环形拓扑一、CAN通信原理3.CAN节点组成CAN节点通常由三部分组成：CAN收发器、CAN控制器和MCU。CAN总线通过差分信号进行数据传输，CAN收发器用于差分信号与TTL电平信号的正向或反向转换，CAN控制器用于接收TTL电平信号或将MCU处获取的数据以TTL电平信号的形式输出，如图6所示：图6CAN节点组成一、CAN通信原理CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器（125Kbps）。低速CAN也叫容错CAN（FaultToleranceCAN），指的是即使总线上一根线失效，总线依然可以通信。如同串口中的MAX3232用作电平转换，CAN收发器的作用则是把逻辑信号转换为差分信号。二、CAN报文的种类和帧格式1.报文种类CAN协议的报文传输过程中有：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔5种形式。其中，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。数据帧：用于发送节点向接受节点传送数据（最常用）。远程帧：用于接收节点向某个发送节点请求数据。错误帧：用于当某节点检测出错误时向其他节点通知错误帧。过载帧：用于接收节点向发送节点通知自身接收能力的帧。帧间隔：将数据帧或远程帧与前面的帧分离的帧。二、CAN报文的种类和帧格式2.数据帧组成标准格式有11个位的标识符（ID），扩展格式有29个位的ID。如图7。最主要的数据帧组成：①起始段。表示数据帧开始的段。②仲裁段。表示该帧优先级的段。③控制段。表示数据的字节数及保留位的段。④数据段。数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。⑤CRC段。检查帧的传输错误的段。⑥ACK段。表示确认正常接收的段。⑦结束段。表示数据帧结束的段。右图中D为显性电平，R为隐性电平。图7数据帧组成二、CAN报文的种类和帧格式3.数据帧解析①帧起始。标准帧和扩展帧都是由1个位的显性电平表示帧起始。②仲裁段。表示数据优先级的段，标准帧和扩展帧格式在本段有所区别，如下所示：ID：高位在前，低位在后。基本ID，禁止高7位都为隐性，即不能：ID=1111111XXXX。RTR，远程请求位。0，数据帧；1，远程帧。SRR，替代远程请求位。设置为1（隐性电平）。IDE，标识符选择位。0，标准标识符；1，扩展标识符。③控制段。由6个位构成，表示数据段的字节数。标准帧和扩展帧的控制段稍有不同，如下所示：r0，r1：保留位。必须以显现电平发送，但是接收可以是隐性电平。DLC：数据长度码。0~8，表示发送/接收的数据长度（字节）。IDE，标识符选择位。0，标准标识符；1，扩展标识符。二、CAN报文的种类和帧格式④数据段。该段可包含0~8个字节的数据，从最高位（MSB）开始输出。标准帧和扩展帧在这个段的格式完全一样。⑤CRC段。该段用于检查帧传输错误。由15个位的CRC顺序和1个位的CRC界定符（用于分隔的位）组成，标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。CRC的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。接收方以同样的算法计算CRC值并进行比较，不一致时会通报错误。⑥ACK段。此段用来确认是否正常接收。由ACK槽(ACKSlot)和ACK界定符2个位组成。标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。二、CAN报文的种类和帧格式1）发送单元ACK段：发送2个隐性位。2）接收单元ACK段：接收到正确消息的单元，在ACK槽发送显性位，通知发送单元，正常接收结束。称之为发送ACK/返回ACK。注意：发送ACK的是既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不发送ACK）。正常消息是指：不含填充错误、格式错误、CRC错误的消息。⑦帧结束。由7个位的隐性位组成。标准帧和扩展帧在这个段格式完全一样。三、CAN通信应用在工业生产的过程中存在着一些不安全或危险的因素，危害着工人的身体健康和生命安全，同时也会造成生产被动或发生各种事故。为了预防或消除对工人健康的有害影响和各类事故的发生，就需要采取各种技术措施和组织措施，防患于未然。在这里，语音提示器在这里达到了一定的预防作用。三、CAN通信应用某工厂为了提高当前自动化生产线的安全指数，并优化日常生产活动的管理，特在生产线中接入语音提示器，来标识当前生产线的状态。接下来，需要对语音提示器进行通信及编程处理，使其能够根据生产线控制器的不同状态，作出如下反应。控制器信号语音类型语音音调音量信号1警告语音180dB信号2音乐语音260dB信号3提示语音340dB三、CAN通信应用1.任务准备（1）硬件/软件系统：硬件：语音报警器，CAN转以太网服务器，PLC控制器，PC机软件：windows操作系统，博图PLC编程软件，CANET200设置软件硬件软件三、CAN通信应用（2）工具/辅件准备网线，Micro-USB数据线网线Micro-USB数据线拷贝音频文件使用三、CAN通信应用2.电气准备（1）如图，检查电源线、通信线连接情况；（2）将音乐文件按照文件夹一一拷贝进去；接线示意图拷贝音频文件时，需要断开喇叭电源注意：三、CAN通信应用3.CAN以太网服务器设置（1）修改PC机IP地址为192.168.0网段非服务器地址三、CAN通信应用（2）设置服务器通信参数方式一：调试助手改IP地址确认端口号，PLC的TCP连接需要使用；波特率，需要参考手册，改为125000三、CAN通信应用方式二：网页修改输入CAN以太网服务器IP地址备注：设置后，重启服务器三、CAN通信应用4.PLC编程（1）建立PLC与CAN以太网服务器TCP连接三、CAN通信应用（2）通过通信连接发送包含有CAN帧的网络帧①

声音开关打开后会将1声音数据赋值给即将发送的数据；②MOVE：复制IN数据给OUT1③LEN:13是字节长度；④ID:连接标识码。三、CAN通信应用通信数据分析三、CAN通信应用数据分析三、CAN通信应用数据分析DeviceNet通信及应用一、DeviceNet总线二、DeviceNet节点的开发三、工业机器人的IO扩展一、DeviceNet总线1.DeviceNet总线概述DeviceNet是一种基于CAN(ControllerAreaNetwork)技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的现场总线协议标准。在Rockwell提出的三层网络结构中，DeviceNet处于最底层，即设备层，是最接近现场的总线类型。DeviceNet是一种数字化，多点连接的网络，在控制器和I/0设备之间实现通信，每一个设备和控制器都是网络上的一个节点。DeviceNet作为一种串行通信链接，定义OS模型七层架构中的物理层、数据链路层及应用层，它能够将工业设备(如限位开关、光电传感器、阀组、电动机控制器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器和操作员接口等)连接到网络，减少硬件接线的成本。一、DeviceNet总线2.DeviceNet通信原理DeviceNet支持多种通信方式，包括确定的周期性通信、状态改变触发通信（I/0触发）、轮询等。（1）周期性通信周期性发送（基于时间）时，数据可根据用户选择的速度来产生，数据的更新速度与节点和应用相匹配，可为快速变化的I/O信息的节点保留了带宽。确定的周期性通信用于一些模拟设备的I/O数据传输，并可以根据设备信号的变化的快慢灵活设定通信周期，对于慢过程来说，这样还可以大大降低对网络的带宽要求。一、DeviceNet总线（2）I/O触发机制除了传统的轮询方法（polling）外，生产者/消费者模型还允许用两种新的功能强大的I/O触发方法：状态改变发送（Change-Of-State）和周期I/O发送（Cyclic）。按主从通信方式，点对点地将I/O报文直接依次发送到各个从设备。（3）轮询轮询是从源/目的地模型产生的，它本质上是一种两个报文的双向处理（发送方输出数据命令，接收节点收到后作出响应并把反应送回），往往用在主机到它的从机之间，许多轮询周期充满了相同的输入和输出数据，这些冗余的数据浪费了大量网络带宽。一、DeviceNet总线3.DeviceNet的网络通信电缆DeviceNet网络最大可以操作64个节点，可用的通讯波特率分别为125kbps、250kbps和500kbps三种。设备可由DeviceNet总线供电（最大总电流8A）或使用独立电源供电。DeviceNet网络电缆传送网络通讯信号，并可以给网络设备供电。宽范围的应用导致规定了不同规格的电缆：粗电缆、细电缆和扁平电缆，以能够适用于工业环境。DeviceNet的网络电缆如图1所示。通信电缆有5个接头，1对用于24V直流电压，1对用于CAN的通信，1个屏蔽线。在粗缆和扁平电缆中24V电压的最大电流容量是8A，在细缆中24V直流电压的最大电流容量是3A。图1DeviceNet的网络电缆一、DeviceNet总线总线终端电阻的作用提高抗干扰能力，提高信号质量。终端电阻要求为120Ω或121Ω，功率大于等于0.25W，终端电阻必须跨接在主干线的蓝线和白线之间，终端电阻有开放式和封闭式两种，注意不要使用碳膜电阻，要使用金属膜电阻。DeviceNet是基于连接的网络，网络上的任意两个节点在通信前必须先建立连接。每一个连接由一个11位被称为信息标识符或连接标识符的字符串来标识，这11位的连接标志符包括了设备媒体访问控制标识符(MACID)和信息标识符(MessageID)。DeviceNet每个数据帧前都有标识符，用于表明这个数据的身份和优先级。一、DeviceNet总线4.DeviceNet数据帧格式及内容（1）报文在DeviceNet上传输两种报文，一种是I/O报文，一种是显式报文。其中I/O报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据，通常使用优先级高的连接标识符，通过与一点或多点连接进行信息交换；I/O报文帧中8个字节的数据域不包含任何与协议有关的位。连接标识符提供了I/O报文的相关信息。在I/O报文利用连接符发送之前，报文的发送和接收设备都必须提前设定。设定的内容包括源和目标设备的属性以及数据生产者和消费者的地址。显示报文应用于两个设备多用途的点对点报文传递，是典型的请求响应通信方式，常用于节点的配置、诊断等。显示报文通常使用优先级低的连接标识符，该报文的相关信息包含在报文帧的数据域中说明要执行的服务和相关对象的属性及地址。一、DeviceNet总线当I/O数据的长度超过8字节时称为大报文。大报文需经过分割，形成I/O报文片后逐一传送，这时数据域中用一个字节（字节0）表达报文分割协议。所以只有7个字节能用来传输实际数据。数据域中的字节0表示该报文在全部报文中的，其中位0－位5为分段计数器，填写分段编号。位6，位7表示本帧的分段类型，00表示第一分段；01表示中间分段；10表示最后分段；11表示分段应答。通过分段协议可以保证大报文数据的正确传送。由于显式报文要求数据接收方对每个子报文都要向数据发送方做出应答，因而数据的发送和润滑油主都要检查帧计数的连续性，一旦发现错误则终止当前发送或接收，采用帧计数表示当前发送的帧的编号，接收方必须判断其连续性，一旦不连续就认为有帧丢失，然后放弃所有已经接怀到的帧，并向数据的发送方报错。一、DeviceNet总线（2）DeviceNet帧格式DeviceNet的报文传送有3种不同类型的帧(Frame)表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收器;出错帧由检测出总线错误的任何单元发送;超载帧用于提供当前和后续的附加延迟。DeviceNe传输数据采用的是数据帧，超载帧和出错帧仅仅用于对特殊情况的控制。数据帧的帧格式如表1所示。1位11位6位0-8字节15位1位1位1位7位帧开始标识符控制场数据场CRC序列CRC分隔符确认位确认分隔符帧结束表1数据帧的帧格式二、DeviceNet节点的开发1.DeviceNet节点的开发步骤DeviceNet节点的开发大致有两种途径：开发者本身对DeviceNet规范相当熟悉，具有丰富的相关经验，并且有长期深入开发DeviceNet应用产品的规划，选择从最底层协议做起，根据自身对协议的深刻领会，自己编写硬件驱动程序，再移植到单片机或其他微处理器系统中，完成开发调试工作。利用开发商提供的一些软件包，这些软件包中的源程序往往可以直接应用于单片机中，对于那些复杂的协议处理内容，已封装定义好，用户只需编写自己的应用层程序，而无须涉及过多的协议内容。但其缺点就是价格昂贵，同时受限于软件包的现有功能，不能向更深层的功能进行开发。二、DeviceNet节点的开发DeviceNet节点的开发一般按以下步骤：（1）决定为哪种类型的设备设计DeviceNet接口这是在着手开发设备之前必须首先确定的事情，也就是确定开发产品的功能。大多数DeviceNet产品只具备从机的功能，开发从机功能产品第一个要考虑的问题是I/O通信。在DeviceNet的初始阶段，在从机产品中只包含位选通（BitStrobe）和轮询（Poll）I/O通信。但随着越来越多的具有状态改变（ChangeofState）通信和循环（Cyclic）I/O通信的从机产品的出现，其优越的带宽特性使你必须考虑这些通信方法。第二个要考虑的问题是设备信息对显式报文的通信功能，DeviceNet协议要求所有设备支持显式报文的通信，至少是标识符。DeviceNet的通信对象必须能由隐式报文（即I/O报文）来访问，如在DeviceNet规范中定义的那样。但如果组态要求超过了只设定几个开关的功能，就必须考虑通过显示报文的通信来组态设备。二、DeviceNet节点的开发（2）硬件设计硬件设计需满足DeviceNet物理层和数据链路层的要求。在DeviceNet中目前只有125kbps、250kbps和500kbps三种速率。由于严格的网络长度限制，它不支持CAN的1Mbps速率。DeviceNet物理层可以选择使用隔离。完全由网络供电的设备和与外界无电连接的设备（如传感器）可以不用隔离，而与外界有电联系的设备应该具有隔离，光隔离器件的速度很重要,因为它决定了收发器的总延时，DeviceNet规范中要求的最大延时为40ns。二、DeviceNet节点的开发在开发DeviceNet产品时要考虑以下几方面：①CAN/微处理器硬件可以使用具有11bit标识符的CAN芯片，而不能使用具有长标识符（29bit）的芯片。②收发器的选择DeviceNet要求收发器超越ISO11898的要求，主要是因为在其连接上要挂64个物理设备。满足这些要求的器件有：Philips82C250、Philips82C251、UnitrodeUC5350等。③单片机系统DeviceNet产品的开发和其他嵌入式系统开发有着共同之处，首先应搭建一套适合于单片机或者更高层次CPU软硬件系统的环境，再开发单片机或者更高层次CPU的应用系统。二、DeviceNet节点的开发（3）软件设计软件设计需满足DeviceNet应用层的要求。①采用的软件DeviceNet方面的软件包有许多种，采用它们可以与你的产品协同工作，考虑其特性是个首要的问题。以下提出一些有关的必须考虑的问题：该软件对自己的硬件适用否？是否要重写汇编代码？在何种程度上要重写硬件的驱动程序？软件的速度对自己的产品适合否？某特定的应用是否需要所有的通信特性（如I/O交换和显式报文传送）？是否支持分段？采用何种编译器？二、DeviceNet节点的开发②选择设计或购买策略在确定是自行设计或购买策略时，可以作如下的考虑：自己是否掌握足够的开发知识，如CAN和微处理器？是一次性设计产品还是将来要改进的？仅实现从站功能的产品极易开发，一些公司只要数周即可完成；但比较复杂的产品，如具有主站功能的，采用商业开发软件包来开发比较好。③设计工具一般来说，可以用微处理器开发系统来完成开发，因此，这里只讨论与DeviceNet有关的工具，其最小配置为CAN的监视器，它是一个由PC卡和相关软件组成的工具。DeviceNet的兼容工具可以向Softing、STZP、HuronNetworks、S-STechnologies等公司购买。二、DeviceNet节点的开发软件的开发还要选择合适的开发包。DeviceNet方面的软件开发包有很多种，可以帮助进行软件的开发。在软件开发时，有这样一些问题需要考虑：该软件是否适用于自己的硬件？软件是否可以直接移植到单片机上？在多大的程度上，需要对原代码进行改动？或是否要重写硬件驱动程序？软件中支持的通信特性（如I/O报文、显式报文、UCMM等）是否都需要？软件支持何种编译器？二、DeviceNet节点的开发（4）根据设备类型选定设备描述或自定义设备描述DeviceNet使用设备描述来实现设备之间的互操作性、同类设备的可互换性和行为一致性。设备描述是一台设备的基于对象类型的正式定义，包括以下内容：①设备的内部构造（使用对象库中的对象或用户自定义对象，定义了设备行为的详细描述）。②I/O数据（数据交换的内容和格式，以及在设备内部的映像所表示的含义）。③可组态的属性（怎样被组态，组态数据的功能，它可能包括EDS信息）。在DeviceNet产品开发中，必须指定产品的设备描述。如果不属于标准设备描述，就必须自定义其产品的设备描述，并通过ODVA认证。二、DeviceNet节点的开发（5）决定配置数据源图2所示，DeviceNet标准允许通过网络远程配置设备，并允许将配置参数嵌入设备中。利用这些特性，可以根据特定应用的要求，选择和修改设备配置设定。DeviceNet接口允许访问设备配置设定。图2DeviceNet通过网络远程配置设备二、DeviceNet节点的开发（6）完成DeviceNet一致性声明一致性与互操作性测试是认证开放系统的产品可以互连的重要步骤。DeviceNet产品的制造商需要通过一致性测试向购买者表明，他们的产品符合DeviceNet规范。用户需通过互操作测试，以证实他们购买的产品彼此能互操作。DeviceNet的一致性与互操作性是由ODVA通过一致性测试（ConformanceTest）保证的。二、DeviceNet节点的开发2.设备描述的规划DeviceNet规范通过定义标准的设备模型促进不同制造商设备之间的互操作性，它对直接连接到网络的每一类设备都定义了设备描述。设备描述是从网络的角度对设备内部结构进行说明，它使用对象模型的方法说明设备内部包含的功能、各功能模块之间的关系和接口。设备描述说明了使用哪些DeviceNet对象库中的对象和哪些制造商定义的对象，以及关于设备特性的说明。二、DeviceNet节点的开发设备描述包括：（1）设备对象模型定义——定义设备中存在的对象类、各类中的实例数、各个对象如何影响行为以及每个对象的接口。（2）设备I/O数据格式定义——包含组合对象的定义、组合对象中包含所需要的数据元件的地址（类、实例和属性）。（3）设备可配置参数的定义和访问这些参数的公共接口——配置参数数据、参数对设备行为的影响、所有参数组以及访问设备配置的公共接口。二、DeviceNet节点的开发3.设备配置和电子数据文档(EDS)（1）设备配置概述DeviceNet标准允许通过网络远程配置设备，并允许将配置参数嵌入设备中。利用这些特性，可以根据特定应用的要求，选择和修改设备配置设定。DeviceNet接口允许访问设备配置设定。存储和访问设备配置数据的方法包括输出数据文档的打印、电子数据文档（EDS）、参数对象以及参数对象存根、EDS和参数对象存根的结合。①利用打印输出的数据文档支持配置利用打印数据文档上收集的配置信息时，配置工具只能提供服务、类、实例和属性数据的提示，并将该数据转发给设备。这种类型的配置工具不决定数据的前后联系、内容和格式。二、DeviceNet节点的开发②利用电子数据文档支持配置可采用被称作电子数据文档（EDS）的特殊格式化的ASCII文件对设备提供配置支持。③利用参数对象和参数对象存根支持配置部分定义的参数对象称为参数对象存根，它包含设备配置所需的部分信息，不包括用户提示、限制测试和引导用户完成配置说明文本。1)

利用完整参数对象

参数对象将所有必要的配置信息嵌入设备。参数对象提供：到设备配置数据值的已知公共接口；说明文本；数据限制、默认、最小和最大值。二、DeviceNet节点的开发2)

使用参数对象存根

参数对象存根提供到设备的配置数据值的已建立地址，不需说明文本的规范、数据限制和其他参数特性。当设备包括参数对象存根时，配置工具可以从EDS得到附加的配置信息或仅提供一个到修改参数的最小限度接口。④使用EDS和参数对象存根的配置配置工具可从嵌在设备中的部分参数对象或参数对象存根中获得信息，该设备提供一个伴随EDS，此EDS提供配置工具所需的附加参数信息。参数对象存根可以提供一个到设备参数数据的已知公共接口，而EDS提供说明文本、数据限制和其他参数特性，如：有效数据的数据类型和长度，默认数据选择，说明性用户提示，说明性帮助文本，说明性参数名称。二、DeviceNet节点的开发⑤使用配置组合进行配置配置组合允许批量加载和下载配置数据。如果使用该方法配置设备，必须提供配置数据块的格式和每个可配置属性的地址映射。在规定配置组合的数据属性时，必须按属性块给出的顺序列出数据分量，大于1B的数据分量先列出低字节，小于1B的数据分量在1B中右对齐，从位0开始。（2）EDS概述EDS允许配置工具自动进行设备配置，DeviceNet规范中关于EDS的部分，为所有DeviceNet产品的设备配置和兼容提供一个开放的标准。①电子数据文档EDS除了包括该规范定义的、必需的设备参数信息外，还可以包括供应商特定的信息。标准的EDS通用模块如图3所示。二、DeviceNet节点的开发②产品数据文档模式电子数据文档应按照产品数据文档的含义，将其修改成符合DeviceNet要求。通常，产品数据文档向用户提供判断产品特性所需的信息及对这些特性用户可赋值的范围。EDS提供两种服务：1)说明每个设备的参数，包括它的合法值和默认值。2)提供设备中用户可选择的配置参数。图3标准的EDS通用模块二、DeviceNet节点的开发DeviceNet配置工具至少具备：将EDS装载到配置工具的内存；解释EDS的内容，判断每个参数的特性；向用户展示各设备参数的数据记录区或选择清单；将用户的参数选择装载到设备中正确的参数地址中。③配置工具上使用EDSDeviceNet配置工具从标准EDS中提取用户提示信息，并以人工可读的形式向用户提供该信息。④EDS解释器功能解释器必须采集EDS要求的参数选择，建立配置设备所需的DeviceNet信息，并包含要求配置的各设备参数的对象地址。二、DeviceNet节点的开发⑤EDS文件管理图4为电子数据文档结构图。EDS文件编码要求使用DeviceNet的标准文件编码格式，而无须考虑配置工具主机平台或文件系统。图4电子数据文档结构二、DeviceNet节点的开发定义EDS遵守以下原则：1)区（Section）：EDS文件必须划分为可选的和必需的部分。2)区分隔符（SectionDelimiters）：必须用方括号中的区关键字作为合法的区分隔符来正确分隔EDS的各区。3)区顺序（SectionOrder）：必须按要求的顺序放置每个所需的区，可选部分可以完全省略或用空数据占位符填充。4)入口（Entry）：EDS的每个区包括一个或多个入口，以入口关键字开关，后面跟有一个符号。入口关键字的含义取决于该部分的上下文。用分号表示入口结束，入口可以跨越多行。5)入口域（Entryfield）：每个入口包括一个或多个域，用逗号分隔符分隔各域，各域的含义取决于区的上下文。二、DeviceNet节点的开发6)供货商特定的关键字（Vendor-specificKeyword）：区和入口关键字可以是供货商特定的。这些关键字应该以增补内容的公司的供货商ID开头，后面跟随一个下划线（VendorID_VendorSpecificKeyword）。供货商ID应以十进制显示，且不应该包含引导0。各供应商提供有关供应商特定关键字的文字说明。（3）基本术语①解码格式DeviceNet报文格式中解码的属性数据值。②EDS电子数据文档的简写，是磁盘上的一个包括指定设备类型的配置数据的文件。③编码格式电子数据文档格式中编码的属性数据值。二、DeviceNet节点的开发④DeviceNet路径DeviceNet类、实例、属性格式中的对象属性地址。⑤参数对象整体设备中的一个对象，它包括配置数据值、提示字符串、数据转换系统以及其他设备相关信息。⑥参数对象存根参数对象的简写形式，它只存储配置数据值，并且只提供一个标准的参数访问点。三、工业机器人的IO扩展1.任务操作——配置DeviceNET远程I/O模块如图5所示，工业机器人远程I/O模块的适配器（FR8030）后面从左至右依次挂载2个数字量输入模块（FR1108）、4个数字量输出模块（FR2108）和1个模拟量输出模块（FR4004）。我们需要先通过CANManager软件根据当前远程I/O的硬件结构操作配置FR8030型适配器，然后将该远程I/O模块挂载在机器人总线上，方可进行信号的定义。适配器的配置方法可参考系列教材《工业机器人工作站操作与应用》，此处着重展示远程IO模块在机器人总线上的挂载方法以及相关信号的定义方式。适配器FR8030FR1108FR2108FR4004图5远程I/O模块三、工业机器人的IO扩展如图6所示，先将适配器Devicenet接口和机器人控制柜前侧板上的XS17Devicenet接口通过CAN通信电缆相连。按照表2-1所示参数，将远程IO模块挂载在机器人总线上，确保模块可以正常运行。图6接口连接三、工业机器人的IO扩展表2远程I/O定义参数序号参数项参数值1模块名称（Name）DN_Generic2地址（Address）313供应商ID（VendorID）99994产品代码（ProductCode）675设备类型（DeciveType）126通讯类型（ConnectionType）Polled7轮询频率（PollRate）10008输出缓冲区长度（ConnectionOutputSize）129输入缓冲区长度（ConnectionInputSize）2三、工业机器人的IO扩展序号操作步骤示意图1按照路径点击控制面板>配置，选择“DeviceNetDevice”2选择DeviceNET通用设备模板，即“DeviceNetGenericDevice”3命名IO板为“DN_Generic”，此处命名可由使用者自定义。三、工业机器人的IO扩展序号操作步骤示意图4模块的通信地址设置为31，此处地址由从设备适配器上的拨码开关决定，如错误!未找到引用源。所示，供应商代码（VendorID）、产品代码（ProductCode）、设备类型（DeviceType）等参数可以根据生产厂家提供的参数（表2-1）进行设定，如右图所示三、工业机器人的IO扩展序号操作步骤示意图5模块通信连接类型选择轮询模式（Poll）、轮询频率默认1000，输出缓冲区长度为12，输入缓冲区长度为26重启后，远程I/O模块的配置完成三、工业机器人的IO扩展2.任务操作——定义执行单元I/O信号工业机器人要与周边设备进行信号交互，其交互的端口就是通过标准I/O板（D652）和远程I/O模块（DN_Generic）。本任务将定义执行单元智能化改造所需的机器人信号，从而满足机器人对伺服滑台以及末端工具的基本控制要求，为后续任务打下基础。接下来我们在熟悉硬件设备连接的基础上，以模拟量的定义为例，着重讲解远程I/O信号的定义方法及技巧，其他信号均可参考模拟量信号的定义。按照表2-2和表2-3所示I/O信号各项参数、分配模块硬件及地址，定义伺服滑台定位运动的功能信号以及工具单元相关的功能信号。三、工业机器人的IO扩展表3执行单元数字量信号信号名称信号类型I/O模块I/O地址功能FrRVaccumTestDID6520吸盘真空检知FrPDigServoArriveDIDN_Generic15滑台到位ToRDigQuickChangeDOD6520快换接头动作ToRDigGripDOD6521夹爪类工具动作ToRDigSuckerDOD6522吸盘类工具动作ToRDigPolishDOD6523打磨类工具动作ToPGroPositionGODN_Generic0-7滑台目标位置（0~760）ToPDigHomeDODN_Generic8滑台回原点ToPDigForwardDODN_Generic9滑台前进ToPDigBackwardDODN_Generic10滑台后腿ToPDigServoModeDODN_Generic11滑台运动模式ToPDigServoStopDODN_Generic12滑台停止三、工业机器人的IO扩展表4执行单元模拟量信号——滑台速度参数设定值信号名称ToPAnaVelocity信号类型AOI/O模块DN_GenericIO地址32-47数值类型Unsigned逻辑值（max/min）25/0物理值（max/min）10/0位值4047三、工业机器人的IO扩展序号操作步骤示意图1在主菜单界面，按照控制面板>配置>Signal，选择“添加”。参考表格XX，设定滑台速度的模拟量信号参数值，注意各信号的IO模块选择不同。右图所示为选择远程IO模块“DN_Generic”三、工业机器人的IO扩展序号操作步骤示意图2该信号其他参数至的设定如右图所示。滑台速度的模拟量信号定义完毕。3参考步骤1和2，将其他信号全部定义完毕三、工业机器人的IO扩展序号操作步骤示意图4所有新添加的信号，均在系统重启后生效。为提高定义信号的效率，该步骤可在所有信号定义完成后执行三、工业机器人的IO扩展3.任务操作——手动测试快换工具动作信号定义完成后，一方面需要对信号的功能进行验证，才能确保相关定义的准确性；另一方面，为方便后续任务对工具的编程，也需要将工具类信号以及快换信号的状态与工具动作对应起来。本任务即将利用快捷键的方式手动测试快换工具所对应的信号功能，以直观地了解吸盘类工具、夹爪类工具以及打磨工具之间的换取以及动作。（1）按照图2-3所示布局，接入工具单元模块并接线；图7拼入工具单元三、工业机器人的IO扩展表5信号快捷关联（2）为方便对信号的置位与复位，将表2-4中各信号与示教器快捷键做关联；信号关联快捷键按键模式ToRDigQuickChange快捷键1切换ToRDigSucker快捷键2按下/松开ToRDigGrip快捷键3按下/松开ToRDigPolish快捷键4按下/松开三、工业机器人的IO扩展（3）对分别各信号进行置位与复位，手动取放工具，观察各工具的动作。序号操作步骤示意图1参考任务2.1.1，拼入工具单元，并用连接板固定工具单元2根据表2-4，在控制面板的“ProgKeys”选项中，将各信号与快捷键关联起来三、工业机器人的IO扩展（3）对分别各信号进行置位与复位，手动取放工具，观察各工具的动作。序号操作步骤示意图3点击快捷键1，松开快换接头，手动装入反面夹爪工具，再次点击快捷键1以固定工具4按下或松开快捷键3，控制反面夹爪工具的加紧与松开三、工业机器人的IO扩展（3）对分别各信号进行置位与复位，手动取放工具，观察各工具的动作。序号操作步骤示意图5点击快捷键1，松开快换接头，取下反面夹爪工具，装入正面夹爪工具，参考步骤3，控制正面夹爪工具的加紧与松开三、工业机器人的IO扩展（3）对分别各信号进行置位与复位，手动取放工具，观察各工具的动作。序号操作步骤示意图6参考步骤4，装入打磨工具，按下快捷键4，对打磨工具进行测试7参考步骤4，装入吸盘工具，按下快捷键2，对吸盘工具进行测试了解分布式IO一、分布式IO概述二、常见的分布式I/O模块一、分布式IO概述DeviceNet允许通过网络远程配置设备也称分布式I/O。分布I/0模块是工业级远程采集与控制模块。该模块提供了无源节点的数字量输入采集、继电器输岀、高频计数器等功能，主要用于工业现场采集模拟信号和数字信号，还可以输出模拟信号和数字信号来控制现场设备。如图1所示为一种远程I/O模块的拓扑结构，它由一个从设备适配器(FR8030)和相应的I/O端子模块构成，其模块化的结构可以根据实际输入/输岀的信号点位数，来确定选取I/O端子模块的种类及数量。图1适配器上的拨码开关设定通信地址一、分布式IO概述其中，DeviceNet型从设备适配器(后简称：适配器)可以实现CAN总线的基本功能，主要包括：收发报文、访问控制及其他物理层的诸多功能。数字量输入模块从执行层设备(传感器、电动机驱动器等)中采集数字量反馈信号，并以电隔离的形式将这些信号传输到上层自动化单元。数字量输出模块将来自自动化设备(如机器人)的数字量控制信号以电隔离的形式传输到执行层设备。模拟量输入模块用于从执行层设备收集0~10V范围内的模拟量信号并上传至上位机，模拟量输出模块用于向执行层设备输出0~10V范围内的模拟量信号。模拟量输出模块所有输出通道具有一个公共的0V电源触点，各输出端口均由24V电源供电。各通道信号状态均可通过模块上对应通道口的LED显示。与标准I/O板相同，远程I/O模块也挂载在现场总线下，具有唯一的通信地址。模块地址由从设备适配器上的拨码开关决定，旋转开关的缺口处所指示的值即为当前选中的值，图1中所示的通信地址为31。机器人控制信号通过总线适配器，在DeviceNet总线通信的I/0端子上传输，在传输至独立的I/O端子时仍保留完整的DeviceNet协议，相对应的I/0端子适用于任何常用的数字量和模拟量信号类型。二、常见的分布式I/O模块ABB机器人标准I/O板即属于分布式I/O模块的一种，机器人（ABB）本身提供了丰富的I/O通信接口，可以轻松与周边设备进行通信，省去了需要进行通信设置的麻烦。如下表所示，标准I/O板提供常用信号处理有数字输入DI、数字输出DO、模拟输入AI、模拟输出AO以及输送链跟踪等。这些标准I/O板目前只适用于ABB机器人。序号型号说明1DSQC651分布式I/O模块di8、do8、ao22DSQC652分布式I/O模块di16、do163DSQC653分布式I/O模块di8、do8带继电器4DSQC355A分布式I/O模块ai4、ao45DSQC377A输送链跟踪单元二、常见的分布式I/O模块图示DSQC652型的标准I/O板是一种挂载在ABB机器人DeviceNet总线下的分布式I/O模块。该分布式IO模块的结构，包括信号输出指示灯、X1和X2数字输出端口、X5DeviceNet端口、模块状态指示灯、X3和X4数字输入端口、数字输入信号指示灯。123456781-信号输出指示灯2-X1数字输出端口3-X2数字输出端口4-X5DeviceNet端口5-X4数字输入端口6-X3数字输入端口7-模块状态指示灯8-数字输入信号指示灯图2二、常见的分布式I/O模块BECKHOFFIO模块也是一种分布式IO模块（如图所示）。BECKHOFF

IO模块里设有可连接EhterCAT的逻辑电路，通过系统总线与机器人控制柜的端口连接实现通信。图3BECKHOFFIO模块二、常见的分布式I/O模块BECKHOFFIO模块中，通常含有数字量模块和模拟量模块。数字量模块包括数字量输入模块和数字量输出模块。模拟量模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块。数字量输入模块从执行层设备（如传感器）中采集二进制控制信号，并以电隔离的形式将这些信号传输到上层自动化单元。模块接收来自自动化设备（如机器人等）的二进制控制信号，并以电隔离的形式将信号传输到执行层设备。数字量输出模块接收来自自动化设备（如机器人等）的二进制控制信号，并以电隔离的形式将信号传输到执行层设备。数字输出模块一般具有极性反转保护功能，可处理负载电流，并可防止输出过载和短路将这些信号传送给总线耦合器，并借助发光二极管指示信号状态。二、常见的分布式I/O模块常用的数字输入模块EL1809，有16个数字输入通道，可采集16个数字输入端的信号，如图所示。图4数字量输入模块——EL1809(a)实物图

(b)触点组件图二、常见的分布式I/O模块模拟量输入模块用于处理一定电压或电流范围内的信号。由于总线是数字传输协议，因此在模拟量传输中需要数字化处理。模拟量被数字化处理后的分辨率为12或16位等（各型号的分辨率有所不同），并在电气隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。模拟量输入端为2线制型，由处理层设备供电，端子模块的各个电源触点互相连接。所有输入端的基准为0V电源触点。模拟量输出模块用于向处理层设备输出0-10V范围内的模拟量信号。模块型号不同输出的信号类型（电流/电压）以及范围都有所不同。二、常见的分布式I/O模块图示模拟量输出模块有4个模拟量输出通道，所有输出通道具有一个公共的0V电源触点，各输出端口均由24V电源供电。模拟量各通道信号状态均可通过模块上对应的LED显示。图5模拟量输出模块——EL4004(a)实物图

(b)触点组件图ModbusTCP通信及应用一、Modbus原理二、Modbus数据的传输三、通信方式参数设置四、博途软件编程测试一、Modbus原理1.Modbus总线的概念Modbus是国际上第一个真正用于工业控制的现场总线协议。由于其功能完善、使用简单、数据易于处理，因而在各种智能设备中被广泛采用。许多工业设备，包括PLC、智能仪表等都在使用Modbus协议作为它们之间的通信标准。由于施耐德公司的推动，加上相对低廉的实现成本，Modbus现场总线在低压配电市场上所占的份额大大超过其他现场总线。Modbus尤其适用于小型控制系统或单机控制系统，以实现低成本、高性能的主从式计算机网络监控。一、Modbus原理2.Modbus数据通信方式Modbus的数据通信采用主/从方式。网络中只有一个主设备，通信采用查询/回应的方式进行。主设备初始化系统通信设置，并向从设备发送消息；从设备正确接收消息后响应主设备的查询或根据主设备的消息作出响应的动作。主设备可以是PC、PLC或其他工业控制设备，可以单独和从设备通信，也可以通过广播方式和所有从设备通信。单独通信时，从设备需要返回消息作为回应，从设备回应消息也由Modbus信息帧构成。以广播方式查询时则不作任何回应。主从设备查询/回应周期如图1所示。图1从设备查询/回应周期一、Modbus原理（1）主站的查询消息：查询消息中的功能代码告知被选中的从站要执行何种功能。数据段包含了从站要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从站读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告知从站的信息，从何种寄存器开始读及要读的寄存器的数量。错误检测域为从站提供了一种验证消息内容是否正确的方法。（2）从站的响应消息：如果从站产生正常的响应，在响应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的响应。数据段包括了从站收集到的数据，像寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出响应消息是错误的。同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主站确认消息的内容是否可用。二、Modbus数据的传输1.Modbus传输模式对于串行连接，在Modbus系统中有两种传输模式可选择，即RTU（远程终端单元）模式和ASCII（美国标准信息交换代码）模式。这两种模式只是信息编码不同，RTU模式采用二进制表示数据，而ASCII模式使用的字符是RTU模式的两倍，即在相同传输速率下，RTU模式比ASCII模式传输效率要提高一倍；但RTU模式对系统的时间要求较高，而ASCII模式允许两个字符发送的时间间隔为1s而且不产生错误。在一个Modbus通信系统中只能选择一种模式，不允许两种模式混合使用，即设置为RTU通信方式的节点不会和设置为ASCII通信方式的节点进行通信，反之亦然。通信系统选用哪种传输模式可由主设备来选择。ModbusRTU是一种较为理想的通信协议，也得到广泛应用，常见的通信速率为9600bit/s和19200bit/s。二、Modbus数据的传输2.ModbusRTU信息帧报文格式为了与从设备进行通信，主设备会发送l段包含设备地址、