现场总线技术3 lonworks智能控制网络.ppt

LonWorks智能控制网络 5 1概述 美国Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制网络 LON LocalOperatingNetworks 总线是该公司推出的局部操作网络 Echelon公司开发了LonWorks技术 为LON总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台 通信协议LonTalk支持ISOOSI RM的所有七层模型 这是LON总线最突出的特点 LonTalk协议通过神经元芯片 NeuronChip 上的硬件和固件 firmware 实现 提供介质存取 事务确认和点对点通信服务 还有一些如优先级传输 单一 广播 组播消息发送等高级服务 网络拓扑结构可以是总线形 星形 环形和混合形 可实现自由组合 另外 通信介质支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线和电力线等 应用程序采用面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置 大大缩短了产品开发周期 高可靠性 安全性 易于实现和互操作性 使得LonWorks产品应用非常广泛 它广泛应用于过程控制 电梯控制 能源管理 环境监视 污水处理 火灾报警 采暖通风和空调控制 交通管理 家庭网络自动化等 LON总线已成为当前最流行的现场总线之一 Neuron芯片是LonWorks技术的核心 它不仅是LON总线的通信处理器 同时也作为采集和控制的通用处理器 LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的 1994年5月 由世界许多大公司 如ABB IBM Honeywell Motorola TOSHIBA HP等 组成了一个独立的行业协会LonMark 负责定义 发布 确认产品的互操作性标准 LON总线已成为目前现场总线的主流之一 LonWorks技术的特点 开放性 网络协议开放 对任何用户平等 通信媒介 可用任何媒介进行通信 包括双绞线 电力线 光纤 同轴电缆 无线 RF 红外等 而且在同一网络中可以有多种通信媒介 互操作性 LonWorks通信协议LonTalk符合国际标准化组织 ISO 定义的开放互连 OSI 模型 任何制造商的产品都可以实现互操作 网络结构 可以是主从式 对等式或客户 服务器式结构 网络拓扑 有星形 总线形 环形以及自由形 网络通信采用面向对象的设计方法 LonWorks网络技术称之为 网络变量 它使网络通信的设计简化成为参数设置 增加了通信的可靠性 通信的每帧有效字节数可从0B到228B 通信速率可达1 25Mbps 此时有效距离为130m 用78kbps的双绞线 直线通信距离长达2700m LonWorks网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达32000个 提供强有力的开发工具平台 LonBuilder与Nodebuilder LonWorks技术核心元件 Neuron芯片内部装有3个8位微处理器和34种I O对象及定时器 计数器 另外还具有RAM ROM EEPROM LonTalk通信协议等 Neuron芯片具备通信和控制功能 改善了CSMA 采用可预测P坚持CSMA 这样 在网络负载很重的情况下 不会导致网络瘫痪 LonWorks技术包括以下几个组成部分 LonWorks节点和路由器 LonTalk协议 LonWorks收发器 LonWorks网络和节点开发工具 5 2神经元芯片 NeuronChip 5 2 1神经元芯片概述 LonWorks技术的核心是神经元芯片 NeuronChip 神经元芯片主要有3120和3150两大系列 生产厂家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司 目前生产神经元芯片的厂家是TOSHIBA公司和美国的Cypress公司 TOSHIBA公司生产的神经元芯片型号为TMPN3120和TMPN3150两个系列 TMPN3120不支持外部存储器 它本身带有EEPROM TMPN3150支持外部存储器 适合功能较为复杂的应用场合 Cypress公司生产的神经元芯片型号为CY7C53120和CY7C53150两个系列 神经元芯片的主要性能特点 高度集成 所需外部器件较少 内有三个CPU 分别实现不同的功能 输入时钟可选范围 625kHz 10MHz 11个可编程I O口引脚可设置为34种预编程工作方式 其中IO4 IO7有可编程上拉电阻 IO0 IO3具有大电流吸收能力 20mA 两个16位定时 计数器 15个软定时器 网络通信端口可设置为单端 差分 专用工作方式 在外部存储器中可固化LonTalk协议 I O驱动程序 事件驱动多任务调度程序等固件 提供用于远程识别和诊断的服务引脚 48位的内部NeuronID 用于惟一识别Neuron芯片 Neuron芯片的内部结构如图5 1所示 5 2 2神经元芯片TMPN3150B1AF 5 2 3网络通信端口 5 3神经元芯片应用I O 回顾 FF FF通信模型 物理层 通讯栈 用户层通信实体 系统管理内核 功能块应用进程 回顾 LonWorks 美国Echelon公司 1992 LocalOperatingNetworks通信协议LonTalk支持ISOOSI RM的所有七层模型神经元芯片 NeuronChip 网络拓扑结构 通信介质 网络结构通信速率可达1 25Mbps 此时有效距离为130m 用78kbps的双绞线 直线通信距离长达2700m 一个测控网络上的节点数可达32000个 Neuron芯片内部装有3个8位微处理器 MAC 网络 应用 5 4LonWorks智能控制网络的组成5 4 1LonWorks智能控制网络结构 LonWorks智能控制网络结构包括五个部分 网络协议 LonTalk 网络传输介质 网络设备 执行机构和管理软件 其中 网络设备包括智能测控节点 路由器和网关等 执行机构包括传感器 变送器等 管理软件包括LONTALK协议实现软件 并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用标准 在LonTalk协议的协调下 以往那些孤立的设备融为一体 形成一个网络控制系统 LonTalk是面向对象的网络协议 支持OSI七层协议 设备节点之间的数据传递通过网络变量的互联实现 神经元芯片 NeuronChip 是除LonTalk协议之外的又一LonWorks技术核心产品 它不仅是LON总线的通信处理器 同时也可以作为采集和控制的通用处理器 LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的 智能控制网络结构框图如图5 25所示 1 LonWorks节点LonWorks节点是指同物理上与之相连的I O设备进行控制或信息交换并且在LON网络上使用LonTalk协议与其它节点相互通信的一类对象 LON节点有两种类型 一种节点中Neuron芯片是惟一的处理器 适合I O设备较简单 处理任务不复杂的系统 称之为基于Neuron芯片的节点 NeuronChip BasedNode 一个典型的基于Neuron芯片的节点包括以下几个组成部分 神经元芯片 I O处理单元 收发器和电源 如图5 26所示 另一种节点中Neuron芯片仅仅作为通信协处理器 充当着LON网的网络接口 节点应用程序则由主处理器执行 这类节点适合于对处理能力 输入 输出能力要求较高的系统 称之为基于主机的节点 HostBasedNode 主处理器可以是PC机或者其他任何微处理器 在基于主机的节点中 采用MIP MicroprocessorInterfaceProgram 接口可以实现PC机与LonWorks网络的联系 并可以开发自己的应用程序用于对网络监测 控制 网络管理等 其中 神经元芯片是其核心部分 主要包括3150和3120两大系列 3150支持外部存储器 适合较为复杂的应用 而后者不支持外部存储器 2 路由器路由器是LonWorks技术的一个主要部分 用来连接不同通信介质的LON网络 在LonWorks技术中 路由器包括以下几种 中继器 桥接器和路由器 路由器除连接不同媒介的LON网络外 还能控制网络交通 增加信息通量和网络速度 3 网络协议设备在运行程序的适当时刻发布信息 由于这些程序不是同步运行 也可能有多个设备试图同时对话 因此 设备间的信息传递需要以一系列的规则和进程的形式加以组织 这些规则和进程称为通信协议 通常简称协议 协议定义了设备间传递的信息格式 并且定义了一个设备对另一设备在发送信息时所期望对方采取的操作 协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内 或通过网络管理工具下载到设备中 LonWorks技术采用LonTalk协议 4 通信媒介通信媒介是节点 设备 之间信息传输的物理介质 包括双绞线 电力线 红外线 光纤和同轴电缆等 5 网络管理工具一个典型的现场控制节点主要包括以下几个功能块 应用CPU I O处理单元 通信处理器 收发器和电源 当单个节点建成以后 节点之间需要互相通信 这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址 同时也要将每个节点的网络变量和显式报文连接起来 一旦网络建成并正常运行后 需要对其进行维护 网络系统中的上位机需要了解所有节点的网络变量和显式报文变化的情况 5 4 2LonWorks的技术支持 5 5LonTalk通信协议与LonMark对象 LonTalk协议是LonWorks系统的核心 该协议提供一系列通信服务 使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑 名称 地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备的报文 LonTalk协议能提供端到端报文确认 报文认证 打包业务和优先传送服务 提供网络管理服务的支持 并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互 5 5 1LonTalk协议介绍 1993年 美国Echelon公司推出了LonWorks新技术 提供了开放的低层通信网络 局部操作网络 LON 称为LonTalk协议 采用神经芯片的网络节点含有LonTalk协议固件 使得网络节点可以可靠地通信 完成各种功能 网络节点是相互独立的 可以做到在任一节点发生故障时 不会影响整个网络工作 从而提高了系统的可靠性和可维护性 另外 由于各节点具有本地存储和处理能力 系统的安全性很高 并且在系统规模大时可避免网络通信的冲突和网络速度的局限性 LonTalk协议符合ISO OSI参考模型的七层体系结构 即含有物理层 链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 是一套完整 安全 有效的通信协议系统 1 LonTalk协议特点 1 LonTalk协议采用分级编址方式 即域 子网和节点地址 2 LonTalk协议支持多种通信介质 包括双绞线 电力线 同轴电缆 无线电和红外线 光纤传输介质等 3 互操作性强 网络上任一节点可以对其它节点进行操作 传输控制信息 4 响应时间快 通信安全可靠 2 LonTalk协议的功能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 LonTalk提供的服务包括 物理信息管理 命名机制 数据包寻址和路由选择 通信的高可靠性 优先级管理和外部帧和数据表示等 3 LonTalk协议标准LonTalk协议是一个分层的 基于数据包的对等通信协议 神经元芯片使用全部的3个CPU来执行一个完整的网络协议 该协议遵循国际标准化组织ISO所定义的开放系统互连OSI网络协议参考模型 能支持网络中的灵活寻址和多通信信道 一个LonWorks节点所运行的应用程序通过使用LonTalk协议可与相同网络中的其它LonWorks节点上所运行的应用程序进行通信 神经元芯片中的处理器用来执行LonTalk协议软件和应用程序 LonTalk协议所提供的服务与7层OSI参考模型之间的对应关系 以及各层与三个CPU之间的分配关系如表5 13所示 表5 13LonTalk协议的分层 5 5 2LonTalk提供的服务 1 物理信道管理LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络 这些传输介质包括双绞线 电力线 无线射频 同轴电缆和光纤等 不同介质的传输距离 传输速率 网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同 2 LonTalk协议的命名机制和寻址方式 1 神经芯片命名 神经芯片具有一个特有的48位标识 NeuronID NeuronID由芯片生产厂家惟一确定 并且终生不变 2 地址 地址是一个对象或一组对象的特有标识 与名字不同 地址是可以改变的 3 寻址方式 该方式由域地址 子网地址和节点地址等方式组成 域地址 domain 域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合 一个域就是一个实际意义上的网络 通信只能在同一域中配置的节点之间进行 子网地址 Subnet 一个子网是在同一域中节点的逻辑集合 一个子网最多可有127个节点 一个域最多可有255个子网 节点地址 Node 一个子网内的节点被赋予该子网内的惟一的节点标识码 节点标识码为7位 所以每个子网最多可以有127个节点 一个域中最多可以有32385个节点 组地址 Group 组是一个域内节点的逻辑集合 与子网不同 组不需要考虑节点的物理位置 组可以包括路由器 一个节点最多可以属于15个组 一个域最多可以有256个组 组地址的长度为1个字节 芯片地址 NeuronID 除了子网 节点地址之外 节点可以用NeuronID寻址 NeuronID为48位长 这个ID码是惟一的 3 网络管理与网络设备 1 网络管理 一个LonWorks网络是否需要一个网络管理节点 取决于实际应用的需求 一个网络管理节点具有以下功能 寻找未配置的节点并下载网络地址 停止 启动和复位应用程序 访问节点通信统计 配置路由器 下载新的应用程序 提取运行网络的拓扑结构 在一个开发环境中 网络管理节点的应用相当于LonBuilder开发平台的网络管理器 其任务包括定义 配置 下载和控制LonWorks网络 LonBuilder协议分析仪具有监视 采集和显示网络通信流量以及性能统计等功能 2 路由器 一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包 4 LonTalk提供的通信服务 1 LonTalk协议提供以下4种可选择的报文服务 确认服务 Acknowledged 这是最可靠的服务方式 以这种方式发送报文 发送方必须收到每个接收节点的确认信号 请求 应答服务 Request response 请求 应答服务与确认服务有相同的可靠性 发送方需要接收到每个接收节点的应答信号 也包括重发次数和事务定时 应答信号包含数据 所以该方式适用于远程过程调用或客户机 服务器应用 非确认重发服务 Unacknowledgedrepeated 这是一种比较可靠的方式 报文向一个或一组节点发送多次 而不等待应答信号 这种报文方式适合于向节点数较多的组进行广播传送 这时如果组内节点都产生应答 网络就会过载 非确认服务 Unacknowledged 非确认服务是最不可靠的一种服务 它不需要等待接收节点的应答信号 它适用于对网络效率要求很高而网络带宽有限 且对报文的丢失不敏感的应用场合 2 冲突检测 LonTalk协议的冲突退避算法是特有的 称为预测P 坚持CSMA PredictiveP presistenceCSMA 3 报文认证 LonTalk协议支持报文认证服务 即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送 5 LonTalk协议中的定时器在使用LonTalk协议服务之前 需正确设置以下几个定时器 事务定时器 TransactionTimer 重发定时器 RepeatTimer 组接收定时器 GroupReceiveTimer 非组接收定时器 Non GroupReceiveTimer 缓冲器释放定时器 FreeBufferWaitTimer 6 网络接口LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议 该协议支持在任一主处理器上运行的LonWorks应用 主处理器可以是微处理器 微控制器或PC机 主处理器管理LonTalk协议的第6和7层 并且使用LonTalk网络接口管理协议的1 5层 LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式 不同的网络接口具有不同的网络接口协议 在主处理器上执行的应用程序通过网络驱动器与网络接口通信 网络驱动器管理缓冲器的分配 将来自或发往网络接口的数据送入缓冲器并且在网络接口层协议中屏蔽主机应用的任何差异 LonTalk网络驱动器定义了主机应用与网络驱动器之间的标准报文格式 7 数据表示LonTalk协议采用面向数据的应用协议 1 网络变量 网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项 网络变量可以是数据项或是一个结构 网络变量用关键字Network定义 每个网络变量由应用程序表明其数据类型 对于基于芯片的节点来说 当在一个应用程序中通过赋值操作引起了输出网络变量的变化时 神经芯片固件会自动地用LonTalk协议服务在网络上传播其更新的值 2 显式报文 将报文的目的地址 报文服务方式 数据长度和数据组成APDU 应用层数据单元 下传并发送 将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程 当收到信息时 能根据上传的APDU判断是否显式报文 并根据报文代码激活相应的处理进程 5 5 3介质访问控制和MAC层协议 介质访问控制层 MediaAccessControl MAC 是数据链路层的一部分 LonTalk在物理层协议上支持多种通信协议 也就是为适应不同的通信介质而支持不同的数据解码和编码 例如 通常双绞线使用差分曼彻斯特编码 电力线使用扩频 无线通信使用频移键控 FSK 由于LonTalk考虑对各种介质的支持 LON总线可以允许使用非常广泛的通信介质 如双绞线 电力线 无线电 红外线 同轴电缆 光纤甚至是用户自定义的通信介质 LonTalk支持在通信介质上的硬件碰撞检测 LonTalk可以自动地将正在发生碰撞的报文取消 并重新再发 如果没有碰撞检测 当碰撞发生时 只有到响应或应答时才会重发报文 LonTalkMAC子层协议使用改进的CSMA介质访问控制协议 该协议称为带预测的P 坚持CSMA PredictiveP PresistentCSMA 它在保留CSMA协议优点的同时 注意克服它在控制网络中的不足 带预测的P 坚持CSMA 所有的节点根据网络积压参数等待随机时间来访问介质 这就有效地避免了网络的频繁碰撞 5 5 4LonTalk协议的链路层及网络层 1 LonTalk协议的链路层LonTalk协议链路层提供在子网内 链路层协议数据单元 LPDU 帧顺序的无响应传输 它提供错误检测能力 但不提供恢复错误的能力 当一帧数据CRC校验错 该帧被丢掉 在直接互联模式下物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编码 2 LonTalk协议的网络层LonTalk协议在网络层给用户提供一个简单的通信接口 定义了如何接收 发送 响应等 在网络管理上有网络地址分配 出错管理 网络认证和流量控制 而路由器的机制也是在这一层实现 LonTalk协议定义了一种分层编址方法 这种方式使用了域 domain 地址 子网 subnet 地址 节点地址 5 5 5LonTalk高层协议 1 LonTalk协议的传输层和会话层LonTalk协议的核心部分是传输层和会话层 传输层管理着报文执行的顺序和报文的二次检测 传输层是无连接的 它提供一对一节点 一对多节点的可靠传输 信息认证也是在这一层实现的 会话层主要提供了请求 响应的机制 它通过节点的连接 来进行远程数据服务 remoteservers 2 LonTalk协议的表示层和应用层LonTalk协议的表示层和应用层提供以下5类服务 1 网络变量服务 在LonTalk协议表示层的数据项被称为网络变量 NV 网络变量可以是单个的数据项 NeuronC变量 也可以是数据结构或数组 其最大长度可达31个字节 每个网络变量都有一个数据类型 它在应用程序中定义 2 显式报文的服务 将报文的目地地址 报文服务方式 数据长度和数据组成APDU 应用层数据单元 下传并发送 将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程 当收到信息 能根据上传的APDU是否显式报文 并根据报文代码激活相应的处理进程 3 网络管理的服务 LonTalk网络管理提供地址分配服务 分配所有的节点地址单元 包括域号 子网号 节点号以及所属的组名和组员号 4 网络跟踪服务 网络跟踪服务提供对节点的查询和测试 5 通信服务 LonTalk协议支持网络的消息服务 冲突检测和避免 消息服务提供了四种类型的报文服务 包括确认服务 请求 响应 重发服务和非确认服务 除此之外 还有冲突避免和冲突检测服务 5 5 6LonMark对象 LonWorks技术为产品开发者 系统集成商和最终用户提供了用于研制 构造 安装和维护控制网络所需要的所有东西 1994年由Echelon和致力于建造互操作产品的LonWorks用户集团成立了LonMark互操作协会 LonMark协会致力于发展互操作性标准 认证符合标准的产品的发扬可互操作性系统的优点 LonMark对象是应用层互操作性的基础 LonMark对象描述了节点在网络上与其它节点如何共享信息 如何以标准格式输入和输出节点信息 5 7LonWorks开发工具 LonWorks技术包含了一系列的开发工具 节点开发工具NodeBuilder 节点和网络安装工具LonBuilder 网络管理工具LonManager以客户 服务器网络构架 LNS技术 CAN总线 第4章CAN 20世纪80年代初 德国的BOSCH公司就提出了用CAN ControllerAreaNetwork 控制器局域网络来解决汽车内部的复杂硬信号接线 目前 其应用范围已不再局限于汽车工业 而向过程控制 纺织机械 农用机械 机器人 数控机床 医疗器械及传感器等领域发展 CAN总线以其独特的设计 低成本 高可靠性 实时性 抗干扰能力强等特点得到了广泛的应用 CAN具有如下特点 CAN为多主方式工作 网络上任一节点均可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 且无需站地址等节点信息 CAN网络上的节点信息分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 高优先级的数据最多可在134 s内得到传输 CAN采用非破坏性总线仲裁技术 CAN只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据 无需专门的 调度 CAN的直接通信距离最远可达10km 速率5kbps以下 通信速率最高可达1Mbps 此时通信距离最长为40m CAN上的节点数可达110个 采用短帧结构 传输时间短 受干扰概率低 具有极好的检错效果 CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施 保证了数据出错率极低 CAN的通信介质可为双绞线 同轴电缆或光纤 选择灵活 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 以使总线上其他节点的操作不受影响 4 1CAN的技术规范 控制器局域网 CAN 为串行通信协议 能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制 CAN的应用范围很广 从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN 在汽车电子行业里 使用CAN连接发动机控制单元 传感器 防刹车系统等等 其传输速度可达1Mbps 同时 可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里 诸如车灯组 电气车窗等等 用以代替接线配线装置 4 1 1CAN的基本概念 1 报文总线上的信息以不同格式的报文发送 但长度有限制 当总线开放时 任何连接的单元均可开始发送一个新报文 2 位速率CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的 而在一个给定的系统中 此速度是惟一的 并且是固定的 3 优先权在总线访问期间 标识符定义了一个报文静态的优先权 4 仲裁当总线开放时 任何单元均可开始发送报文 若同时有两个或更多的单元开始发送 总线访问冲突运用逐位仲裁规则 借助标识符ID解决 5 故障界定CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动 可自动关闭故障节点 4 1 2CAN的分层结构 CAN遵从OSI模型 按照OSI标准模型 CAN结构划分为两层 数据链路层和物理层 而数据链路层又包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC 而在CAN技术规范2 0A的版本中 数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为 目标层 和 传送层 CAN的分层结构和功能如图4 1所示 图4 1CAN的分层结构和功能 LLC子层的主要功能是 为数据传送和远程数据请求提供服务 确认由LLC子层接收的报文实际已被接收 并为恢复管理和通知超载提供信息 MAC子层的功能主要是传送规则 亦即控制帧结构 执行仲裁 错误检测 出错标定和故障界定 4 1 3报文传送和帧结构 构成一帧的帧起始 仲裁场 控制场 数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码 当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时 将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位 称为位填充 位填充方法如图4 2所示 图4 2位填充报文传送由4种不同类型的帧表示和控制 数据帧 携带数据由发送器只于接受器远程帧 通过总线单元发送 以请求发送具有相同标志符的数据帧出错帧 由检测出总线错误的任何单元发送超载帧 用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟 未填充位流100000 xyz011111xyz填充位流1000001xyz0111110 xyz其中 xyz 0 1 4 1 5CAN总线的位数值表示与通信距离CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关 表4 2列举了相关的数据 表4 2CAN总线系统任意两节点之间的最大距离 这里的最大通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离 4 2CAN通信控制器SJA1000 SJA1000是一种独立控制器 用于汽车和一般工业环境中的局域网络控制 PHILIPS HART协议 一 什么是HART HART现场通讯协议扩展了4 20mA标准 在智能测量和控制仪表的基础上提高了通讯能力 作为过程控制演变的重要一步 HART协议促进了过程仪表功能的大幅度革命 该技术增强的通讯特性反应在其协议名称上 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 高速远程可寻址转换器 HART现场通讯协议是工业界广泛认可的标准 该技术的普及使用非常迅速 目前 事实上所有主要设备供应商都HART提供协议产品 HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案 在一条电缆上可以同时传递4 20mA模拟信号和数字信号 HART在提供现场总线的好处时 保留对现有4 20mA系统的兼容性 HART协议智能仪表在不干扰4 20mA模拟信号的同时允许双向数字通讯 主要变量和控制信号信息由4 20mA传送 如果需要 而另外的测量 过程参数 设备组态 校准及诊断信息在同一线对 同一时刻通过HART协议访问 与其他过程仪表 开放 的数字通讯技术不同的是 HART兼容现有系统 二 HART技术是怎样的 许多年以来 过程自动化设备使用的现场通讯标准是毫安模拟电流信号 在大多数应用中 正比于所代表的过程参数 毫安信号在4 20mA之间变动 事实上 所有已安装的工厂仪表系统都使用这一国际标准同过程变量信息通讯 HART协议使用Bell202频移键控 FSK 标准 在4 20mA基础上叠加低电平的数字信号 数字FSK信号相位连续 不会影响4 20mA信号 逻辑 1 由1200Hz频率代表 逻辑 0 由2200Hz代表 见图1和2 HARTFSK信号方式允许双向数字通讯 使得除普通过程变量以外的更多信息读取自或发送到智能现场仪表 HART协议1200bits s通讯速率在不打断4 20mA信号的同时 允许主站对来自现场设备的数字数据每秒更新两次或更多 回顾 LonWorks智能控制网络结构包括五个部分 网络协议 LonTalk 网络传输介质 网络设备 执行机构和管理软件 LON节点有两种类型 通信媒介包括双绞线 电力线 红外线 光纤和同轴电缆等 LonTalk协议是LonWorks系统的核心之一 LonTalk协议能提供端到端报文确认 报文认证 打包业务和优先传送服务 提供网络管理服务的支持 并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互 LonTalk协议符合ISO OSI参考模型的七层体系结构LonTalk协议采用分级编址方式 即域 子网和节点地址 每个子网最多可以有127个节点 一个域中最多可以有32385个节点数据显示 网络变量 显式报文 回顾 20世纪80年代初 德国BOSCHControllerAreaNetwork最初 解决汽车内部的复杂硬信号接线目前 过程控制 机械 机器人 特点 多主方式工作 节点信息分成不同的优先级 直接通信距离最远可达10km 速率5kbps以下 通信速率最高可达1Mbps 此时通信距离最长为40m 点数可达110个 通信介质 CAN结构 数据链路层 LLC MAC 和物理层 SJA1000 回顾 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 高速远程可寻址转换器 HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案 在一条电缆上可以同时传递4 20mA模拟信号和数字信号 HART在提供现场总线的好处时 保留对现有4 20mA系统的兼容性 HART协议智能仪表在不干扰4 20mA模拟信号的同时允许双向数字通讯 主要变量和控制信号信息由4 20mA传送 如果需要 而另外的测量 过程参数 设备组态 校准及诊断信息在同一线对 同一时刻通过HART协议访问 HART协议使用Bell202频移键控 FSK 标准 在4 20mA基础上叠加低电平的数字信号 数字FSK信号相位连续 不会影响4 20mA信号 逻辑 1 由1200Hz频率代表 逻辑 0 由2200Hz代表 三 HART是怎样工作的 HART基于主 从 master slave 协议原理 这意味着只有在主站呼叫时 现场设备 从站 才传送信息 在一个HART网络中 两个主站 主和副 可以与一个从设备通讯 副主站 如手持终端 几乎可以连接在网络任何地方 不影响主站通讯的情况下与任何一个现场设备通讯 典型的主站可以是DCS PLC 基于计算机的控制或监测系统 典型的两个主站的安装见图3 HART协议可以使用不同的模式进行智能现场设备与中央控制或监测设备的信息往返通讯 最常用的模式是在传送4 20mA模拟信号同时进行主 从式数字通讯 见图4 这种模式 允许来自从设备的数字信息在主设备上每秒更新两次 4 20mA模拟信号是连续的 仍然可以载送控制的主要变量 Burst 是可选的通讯模式 图5 允许单一的从站连续的广播一个标准的HART响应信息 这种模式将主站从为得到更新的过程变量信息而不断对从站发送命令请求的重复中解放出来 同样的HART响应信息 PV或其他 连续的由从站广播 直到主站指示其他命令 采用 burst 通讯方式 依选择的命令不同 数据更新为每秒3 4次 Burst模式只能使用在单个从设备的网络中 连续传输挑选的标准回答信息 如PV信息之间的缝隙里 允许 Master 改变命令或模式 图5 一些设备支持HARTBurst通讯模式 可选 HART协议也支持在一个配置为多挂接的网络中在一条线对上连接多个设备 如图6 在多挂接应用中 通讯限定于数字主 从方式 流经每一个从设备的电流固定在一个用于驱动该设备的最小值 通常为4mA 而与过程毫无关系 观察安装可知 与连接传统4 20mA模拟仪表一样的电缆用来载送HART通讯信号 所允许的电缆长度依电缆类型和连接的设备数目而不同 通常单芯带屏蔽双绞电缆长度可达3 000米 多芯带屏蔽双绞电缆可达1 500米 更短的距离可使用非屏蔽电缆 可通过HART信号的本质安全栅 隔离器可以应用在危险场合 四 HART有哪些技术特点 数字能力 访问所有设备参数和诊断 支持多变量设备 在线设备状态兼容模拟信号 数字和模拟通讯同时进行 兼容现有4 20mA设备及电缆 互可操作性 事实上完全开放的标准 通用命令和数据结构 增加设备描述语言已存在产品 经超过1 400 000例安装检验的技术 大量并仍在增长的可选产品种类 在工业界 比其他智能设备更多使 工业以态网技术 8 10工业以太网技术8 10 1工业以太网技术的发展现状 由于Ethernet技术和应用的发展 使其从办公自动化走向工业自动化 所谓工业以太网 一般来讲是指技术上与商用以太网 即IEEE802 3标准 兼容 但在产品设计时 在材质的选用 产品的强度 适用性以及实时性 可互操作性 可靠性 抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要 以太网基础 Ethernet 当前广泛使用 采用共享总线型传输媒体方式的局域网 由Xerox公司创建以太网是当前应用最普遍的局域网技术 使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 的访问控制方法 早期的10Mbps以太网称为标准以太网 以太网可以使用粗同轴电缆 细同轴电缆 非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接 在OSI模型中 以太网本身只定义了物理层和链路层 作为一套完整网络传输协议 必须具有高层控制协议 以太网使用TCP IP协议 IP确定信息传递路线 TCP用来保证传输的可靠性 随着互联网技术的发展与普及推广 Ethernet技术也得到了迅速的发展 Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展 给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望 并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能 目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面 1 通信确定性与实时性工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求 即信号传输要足够的快和满足信号的确定性 实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新 由于Ethernet采用CSMA CD碰撞检测方式 网络负荷较大时 网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求 因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求 一直被视为非确定性的网络 然而 快速以太网与交换式以太网技术的发展 给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机 使这一应用成为可能 首先 Ethernet的通信速率从10M 100M增大到如今的1G 10G 在数据吞吐量相同的情况下 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小 即网络碰撞机率大大下降 其次 采用星型网络拓扑结构 交换机将网络划分为若干个网段 Ethernet交换机由于具有数据存储 转发的功能 使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲 不再发生碰撞 同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤 使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行 而不需经过主干网 也不占用其它网段的带宽 从而降低了所有网段和主干网的网络负荷 再次 全双工通信又使得端口间两对双绞线 或两根光纤 上分别同时接收和发送报文帧 也不会发生冲突 因此 采用交换式集线器和全双工通信 可使网络上的冲突域不复存在 全双工通信 或碰撞机率大大降低 半双工 因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高 2 稳定性与可靠性Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是 它所用的接插件 集线器 交换机和电缆等均是为商用领域设计的 而未针对较恶劣的工业现场环境来设计 如冗余直流电源输入 高温 低温 防尘等 故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中 随着网络技术的发展 上述问题正在迅速得到解决 为了解决在不间断的工业应用领域 在极端条件下网络也能稳定工作的问题 美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann JetterAG等公司专门开发和生产了导轨式集线器 交换机产品 安装在标准DIN导轨上 并有冗余电源供电 接插件采用牢固的DB 9结构 台湾四零四科技 MoxaTechnologies 在2002年6月推出工业以太网产品 MOXAEtherDeviceServer 工业以太网设备服务器 特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备 如PLC HMI DCS系统等 最近刚刚发布的IEEE802 3af标准中 对Ethernet的总线供电规范也进行了定义 此外 在实际应用中 主干网可采用光纤传输 现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线 对于重要的网段还可采用冗余网络技术 以此提高网络的抗干扰能力和可靠性 3 工业以太网协议 由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统 而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统 它除了完成数据传输之外 往往还需要依靠所传输的数据和指令 执行某些控制计算与操作功能 由多个网络节点协调完成自控任务 因而它需要在应用 用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求 满足互操作条件 对应于ISO OSI七层通信模型 以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层 而在其之上的网络层和传输层协议 目前以TCP IP协议为主 已成为以太网之上传输层和网络层 事实上的 标准 而对较高的层次如会话层 表示层 应用层等没有作技术规定 为满足工业现场控制系统的应用要求 必须在Ethernet TCP IP协议之上 建立完整的 有效的通信服务模型 制定有效的实时通信服务机制 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务 形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层 用户层协议 进而形成开放的标准 为此 各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分 利用以太网和TCP IP技术 以及原有的低速现场总线应用层协议 从而构成了所谓的工业以太网协议 如HSE PROFInet Ethernet IP等 近年来 工业以太网的兴起引起了自动控制领域的重视 同时许多人担心工业以太网标准的不统一会影