第8章 现场总线.ppt

第八章计算机控制系统总线及现场总线技术 8 1总线的概念及功能描述8 2内部总线8 3外部总线8 4现场总线技术 8 1总线的概念及功能描述 1 总线概念所谓总线 Bus 是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道 总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路 它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享 可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上 如果是某两个设备或设备之间专用的信号连线 就不能称之为总线 2 总线的分类 1 根据结构和用途分 专用总线 只实现一对物理部件间连接的总线 非专用总线 可以被多种功能或多个部件所共享 2 根据用途和应用环境分 内部总线 计算机内部各功能模块之间通讯的通道 局部总线 计算机主板上各部件之间的信息通路 系统总线 指计算机底板上的总线 用来构成微机系统的各插件板 多处理器系统各CPU模块间的通讯 外部总线 主要用于计算机系统与系统之间或与外部设备之间的通讯 3 总线组成按其功能通常把总线分为四组 即地址总线 数据总线 控制总线及电源总线 每组总线由若干条导线组成 具体数目根据功能决定 一般地址总线的数量最多 数据总线固定为8根 地址总线用于传送单片机发出的地址信号 以便对号入座地对ROM RAM及I O口进行选择 以选中相应的单元 字节 然后才能对它进行操作 数据总线是用于单片机与外部存储器之间或单片机与外部I O口之间进行数据传送的一组信号线 单片机系统数据总线的数目 与单片机字长是一致的 控制总线控制总线是专供控制信号传输的通道 控制总线主要用来传送控制信号和时序信号 控制信号中 有的是微处理器送往存储器和输入输出设备接口电路的 如读 写信号 片选信号 中断响应信号等 也有是其它部件反馈给CPU的 比如 中断申请信号 复位信号 总线请求信号 设备就绪信号等 电源总线是指正负12V 正负5V等电源线 4 总线功能 1 数据传输功能数据传输是总线的基本功能 用总线传输速率表示 即每秒传输字节 2 中断功能中断是计算机对紧急事务响应的机制 是计算机反应灵敏与否的关键 3 多主设备支持功能即多主设备使用同一条主线 哪一个主设备申请占用总线 由总线仲裁器决定 4 错误处理功能错误处理包含奇偶校验 系统错 电池失效等错误检测处理 并提供相应的保护对策 8 2内部总线一 局部总线1 PCI总线PCI是PeripheralComponentInterconnect 外设部件互连标准 的缩写 它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口 几乎所有的主板产品上都带有这种插槽 是一种高性能 32位或64位地址 数据线复用的总线 其用途是在高度集成的外设控制器件 扩展板和处理器之间提供一种内部连接机制 2 IBMPC XT总线及EISA总线IBMPC XT总线是IBM公司1981年在PC XT电脑采用的系统总线 它基于8bit的8088处理器 连接的存储器 I O设备均为8位 IBM制定了16位的ISA总线 EISA ExtendedISA 扩展ISA 总线是把ISA总线扩展到32 bit 寻址能力扩展到4GB 3 VESA总线VESA videoelectronicsstandardassociation 总线简称为VL VESAlocalbus 总线 它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础 该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连 通常把这部分总线称为CPU总线或主总线 其他设备通过VL总线与CPU总线相连 所以VL总线被称为局部总线 它定义了32位数据线 且可通过扩展槽扩展到64位 使用33MHz时钟频率 最大传输率达132MB s 可与CPU同步工作 4 CompactPCI总线CompactPCI是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能总线技术 在电气 逻辑和软件方面 它与PCI标准完全兼容 二 系统总线1 STD总线STD总线产品其实就是一种板卡 包括CPU卡 和无源母板结构 在56根总线中 有6根逻辑电源线 4根辅助电源线 8根数据总线 16根地址总线和22根控制总线 可用于将多个处理机互连构成多处理机系统 2 ISA总线ISA总线 IndustryStandardArchitecture 工业标准体系结构 是为PC AT电脑而制定的总线标准 也称为AT标准 ISA是8 16bit的系统总线 最大传输速率仅为8MB s 但允许多个CPU共享系统资源 3 MULTIBUS总线有两个标准 一种是用于16位微处理器 另一种用于32位微处理器 8 3外部总线外部总线分两类 一类是数据位并行传输的并行总线 传送速度快 需要N条传输线 另一类是数据位串行传输的串行总线 只需一条传输线 传送速度慢 一 并行总线 IEEE 488总线 在IEEE488系统中的每一个设备可按如下3种方式工作 1 听者 方式这是一种接收器 它从数据总线上接收数据 一个系统在同一时刻 可以有两个以上的 听者 在工作 可以充当 听者 功能的设备有 微型计算机 打印机 绘图仪等 2 讲者 方式这是一种发送器 它向数据总线发送数据 一个系统可以有两个以上的 讲者 但任一时刻只能有一个讲者在工作 具有 讲者 功能的设备有 微型计算机 磁带机 数字电压表 频谱分析仪等 3 控制者 方式这是一种向其它设备发布命令的设备 例如对其它设备寻址 或允许 讲者 使用总线 控制者通常由微型机担任 一个系统可以有不止一个控制者 但每一时刻只能有一个控制者在工作 二 串行总线1 串行通讯基本概念任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接 但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接 那么连线将会错综复杂 甚至难以实现 数据传送方式单工方式 只允许数据按固定的方向传输 半双工方式 半双工方式采用同一根数据传输线 允许数据分时在两个方向传输 但不能同时双向传送 全双工方式 允许数据同时双向传送 异步通信和同步通讯 1 所谓异步通信 是指数据传送以字符为单位 字符与字符间的传送是完全异步的 位与位之间的传送基本上是同步的 异步串行通信的特点可以概括为 以字符为单位传送信息 相邻两字符间的间隔是任意长 因为一个字符中的比特位长度有限 所以需要的接收时钟和发送时钟只要相近就可以 异步方式特点简单的说就是 字符间异步 字符内部各位同步 异步串行通信的数据格式如图所示 每个字符 每帧信息 由4个部分组成 1位起始位 规定为低电0 5 8位数据位 即要传送的有效信息 1位奇偶校验位 1 2位停止位 规定为高电平1 2 所谓同步通信 是指数据传送是以数据块 一组字符 为单位 字符与字符之间 字符内部的位与位之间都同步 同步串行通信的特点可以概括为 以数据块为单位传送信息 在一个数据块 信息帧 内 字符与字符间无间隔 接收时钟与发送进钟严格同步 同步串行通信的数据格式如下所示 每个数据块 信息帧 由3个部分组成 2个同步字符作为一个数据块 信息帧 的起始标志 n个连续传送的数据 2个字节循环冗余校验码 CRC 差错控制技术改善传输信号的电气特性 使误码率达到要求 改善传输线路 使其干扰减到最小 采取差错控制技术 对信息数据进行可靠有效编码 同时发现传输错误的补救技术 纠错控制技术纠错控制在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制 以提高传输正确性和有效性的技术 纠错控制包括前向纠错 FEC 和自动请求重发 ARQ 混合纠错 在ARQ方式中 接收端检测出有差错时 就设法通知发送端重发 直到正确的码字收到为止 ARQ方式使用检错码 但必须有双向信道才可能将差错信息反馈到发送端 同时 发送方要设置数据缓冲区 用以存放已发出的数据以便于重发出错的数据 在FEC方式中 接收端不但能发现差错 而且能确定二进制码元发生错误的位置 从而加以纠正 FEC方式使用纠错码 不需要反向信道来传递请示重发的信息 发送端也不需要存放以务重发的数据缓冲区 但编码效率低 纠错设备也比较复杂 前向纠错实时性好 单工通信采用 自动重发请求ARQ强调检错能力 不要求有纠错能力 双向通道采用 混合纠错是上述两种方式的综合 但传输设备相对复杂 纠错编码 1 奇偶校验 2 循环冗余 2 串行通信标准总线 1 RS 422由RS 232发展而来 为改进RS 232通信距离短传输速度低的缺点 RS 422定义了一种平衡通信接口 将传输速率提高到10Mbit s 并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器 RS 422是一种单机发送 多机接收的平衡传输规范 RS 422的数据信号采用差分传输方式 也称作平衡传输 它使用一对双绞线 将其中一线定义为A 另一线定义为B 通常情况下 发送驱动器A B之间的正电平在 2 6V 是一个逻辑状态 负电平在 2 6V 是另一个逻辑状态 另有一个信号地C RS 422的特点 点对多的通信 一个主设备 多个从设备 从设备之间不能通信 传输距离长 最大距离1000多米 抗干扰能力强 2 RS 485为扩展应用范围 在RS 422的基础上制定了RS 485标准 增加了多点 双向通信能力 通常在要求通信距离为几十米至上千米时 广泛采用RS 485收发器 RS 485许多电气规定与RS 422相仿 如都采用平衡传输方式 都需要在传输线上接终接电阻等 RS 485可以采用二线与四线方式 二线制可实现真正的多点双向通信 而采用四线连接时 与RS 422一样只能实现点对多的通信 即只能有一个主 Master 设备 其余为从设备 但它比RS 422有改进 无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达32个设备 RS 485收发器采用平衡发送和差分接收 即在发送端 驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出 在接收端 接收器将差分信号变成TTL电平 因此具有抑制共模干扰的能力 RS 485的特点 1 支持了多点到多点的通信 2 采用了半双工工作方式 3 具有抑制共模干扰的能力 4 传输距离远 3 USB总线USB UniversalSerialBus 是由Compaq HP Intel Lucent 朗讯 Microsoft NEC和Philips七家公司联合推出的新一代标准接口总线 该总线是一种连接外围设备的机外总线 最多可连接127个设备 为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便 USB采用四线电缆 其中两根是用来传送数据的串行通道 另两根为下游设备提供电源 对于高速且需要高带宽的外设 USB以全速12Mbps的传输数据 对于低速外设 USB则以1 5Mbps的传输速率来传输数据 USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换 优点 1 可以热插拔 2 系统总线供电 低功率设备无需外接电源 采用低功耗设备 并可提供5V 500mA电源 3 扩展容易 可以连接多个设备 最多可扩127个 4 高速数据传输 USB1 1是12Mb s USB2 0高达480Mb s 缺点 1 供电能力 如果外设的供电电流大于500mA时 设备必须外接电源 2 传输距离 USB总线的连线长度最大为5m 4 常见串行总线介绍 1 I2C Inter IntegratedCircuit 总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线 用于连接微控制器及其外围设备 I2C总线产生于80年代 最初为音频和视频设备开发 如今主要在服务器管理中使用 其中包括单个组件状态的通信 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性 由于接口直接在组件之上 因此I2C总线占用的空间非常小 减少了电路板的空间和芯片管脚的数量 降低了互联成本 I2C总线的另一个优点是 它支持多主控 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线 一个主控能够控制信号的传输和时钟频率 当然 在任何时间点上只能有一个主控 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线 可发送和接收数据 在CPU与被控IC之间 IC与IC之间进行双向传送 最高传送速率100kbps 各种被控制电路均并联在这条总线上 每个电路和模块都有唯一的地址 在信息的传输过程中 I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器 或被控器 又是发送器 或接器 这取决于它所要完成的功能 CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分 地址码用来选址 即接通需要控制的电路 确定控制的种类 控制量决定该调整的类别 如对比度 亮度等 及需要调整的量 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号 它们分别是 开始信号 结束信号和应答信号 开始信号 SCL为高电平时 SDA由高电平向低电平跳变 开始传送数据 结束信号 SCL为低电平时 SDA由低电平向高电平跳变 结束传送数据 应答信号 接收数据的IC在接收到8bit数据后 向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲 表示已收到数据 CPU向受控单元发出一个信号后 等待受控单元发出一个应答信号 CPU接收到应答信号后 根据实际情况作出是否继续传递信号的判断 若未收到应答信号 则判断为受控单元出现故障 2 SPI SerialPeripheralinterface 顾名思义就是串行外围设备接口 SPI总线系统是一种同步串行外设接口 它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息 SPI是一种高速的 全双工 同步的通信总线 并且在芯片的管脚上只占用四根线 节约了芯片的管脚 SPI的通信原理很简单 它以主从方式工作 这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备 需要至少4根线 事实上3根也可以 单向传输时 也是所有基于SPI的设备共有的 它们是SDI 数据输入 SDO 数据输出 SCK 时钟 CS 片选 SDO 主设备数据输出 从设备数据输入 SDI 主设备数据输入 从设备数据输出 SCLK 时钟信号 由主设备产生 CS 从设备使能信号 由主设备控制 CS是控制芯片是否被选中的 另外三根线是负责通讯的 由SCK提供时钟脉冲 SDI SDO则基于此脉冲完成数据传输 数据输出通过SDO线 数据在时钟上升沿或下降沿时改变 在紧接着的下降沿或上升沿被读取 完成一位数据传输 输入也使用同样原理 这样 在至少8次时钟信号的改变 上沿和下沿为一次 就可以完成8位数据的传输 要注意的是 SCK信号线只由主设备控制 从设备不能控制信号线 3 SMBus SystemManagementBus 系统管理总线 是1995年由Intel提出的 应用于移动PC和桌面PC系统中的低速率通讯 希望通过一条廉价并且功能强大的总线 由两条线组成 来控制主板上的设备并收集相应的信息 使用SMBus 设备还可以提供它的生产信息 告诉系统它的型号 部件号等 针对挂起事件保存它的状态 报告不同类别的错误 接收控制参数 并返回它的状态等 8 4现场总线技术一 现场总线概述1 现场总线及其特征现场总线 Fieldbus 是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线 它主要解决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与高级控制系统之间的信息传递问题 由于现场总线简单 可靠 经济实用等一系列突出的优点 现场总线成为当今自动化领域技术发展的热点之一 它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始 并将对该领域的发展产生重要影响 1 现场通讯网络传统的分散型控制系统 DCS 的通信网络截止于控制站或输入输出单元 现场仪表仍然是一对一模拟信号传输 现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络 把通信线一直延伸到生产现场或生产设备 现场设备或现场仪表是指传感器 变送器或执行器等 这些设备通过一对传输线互连 传输线可以使用双绞线 同轴电缆和光缆等 2 互操作性互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备 不仅可以相互通信 而且可以统一组态 构成所需的控制回路 共同实现控制策略 也就是说 用户选用各种品牌的现场设备集成在一起 实现 即接即用 现场设备互连是基本要求 只有实现互操作性 用户才能自由地集成新一代现场总线控制系统 FCS 3 分散功能块FCS废弃了DCS的输入 输出单元和控制站 把DCS控制站的功能块分散给现场仪表 从而构成虚拟控制站 例如 流量变送器具有流量信号变换 补偿和累加输入功能块 而且有PID控制和运算功能块 调节阀除了具有信号驱动和执行功能外 还内含输出特性补偿功能块 PID控制和运算功能块 甚至有阀门特性自校验和自诊断功能 由于功能块分散在多台现场仪表中 并可以统一组态 因此用户可以灵活选用各种功能块 构成所需要的控制系统 实现彻底的分散控制 如图8 6所示 其中差压变送器含有模拟量输入功能块 AI110 调节阀含有PID控制功能块 PID110 及模拟量输出功能块 AO110 这3个功能块构成流量控制回路 4 通信线供电现场总线的常用传输线是双绞线 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量 这种低功耗现场仪表可以用于本质安全环境 5 开放式互连网络现场总线为开放式互连网络 可与同类或不同类的网络互连 网络数据库可共享 通过网络对现场设备和功能块统一组态 把不同厂商的网络及设备融为一体 构成统一的现场总线控制系统 2 现场总线产生的变革现场总线对当今的自动化领域带来的变革是 1 用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表 2 用多变量 双向 数字通信方式取代单变量 单向 模拟传输方式 3 用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表 4 用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站 5 用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS 6 变革传统的信号标准 通信标准和系统标准 7 变革传统的自动化系统体系结构 设计方法和安装调试方法 FCS对DCS的变革 FCS的信号传输实现了全数字化 从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络 逐层向上直至最高层均为通信网络互连 FCS的系统结构为全分散式 它废弃了DCS的输入 输出单元和控制站 由现场设备或仪表取代 把DCS控制站的功能化整为零 分散地分配给现场仪表 从而构成虚拟控制站 实现彻底的分散控制 FCS的现场设备具有互操作性 改变传统DCS控制层的封闭性和专用性 使不同厂商的现场设备既可互连也可互换 还可统一组态 FCS的通信网络为开放式互连网络 用户可非常方便地共享网络数据库 使同层网络可以互连 也可以使不同网络互连 FCS的技术和标准实现了全开放 无专利许可要求 可供任何人使用 现场总线开发者只需致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统 3 现场总线产生的原因 1 模拟仪表的缺点 一对一结构 一对传输线 一台仪表 单向传输一个信号 可靠性差 模拟信号传输不仅精度低 而且易受干扰 失控状态 操作员在控制室既不了解现场模拟仪表工作状况 也不能对其进行参数调整 更不能预测故障 导致操作员对其处于 失控 状态 互换性差 尽管模拟仪表统一了信号标准 4 20 mADC 可是大部分技术参数仍由制造厂自定 致使不同品牌的仪表无法互换 2 现场总线的优点 一对 结构 一对传输线 台仪表 可靠性高 现场总线设备的智能化和数字化 与模拟信号相比 从根本上提高了测控精度 减少了传送误差 系统的结构简单 设备与连线减少 减少了信号的往返传输 提高了系统的可靠性 可控状态 操作员在控制室可了解现场设备或现场仪表的工作状况 能对其进行参数调整 还可预测或诊断故障 互可操作性与互换性 互可操作性 是指实现互连设备间 系统间的信息传送与沟通 而互换性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能 并可随时诊断设备的运行状态 系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构 从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系 简化了系统结构 提高了可靠性 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性 公开性 强调对标准的共识与遵从 一个开放系统 是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接 通信协议一致公开 各不同厂家的设备之间可实现信息交换 令 3 微处理器技术 通信网络技术和集成电路技术的发展每台现场设备或现场仪表就是一台微处理器 既有CPU 内存和通信等数字信号处理 还有非电量信号检测 变换和放大等模拟信号处理 由于必须把现场设备安装在生产现场 而且工作环境十分恶劣 对于易燃易爆场所 必须提供总线供电的本质安全 这势必要求微处理器体积小 功能全 性能好 可靠性高 耗电少 另外 现场通信网络分布于生产现场 由网络节点构成虚拟控制站 这就要求采用先进的网络技术和分布式数据库技术 4 现场总线发展的过程早在80年代中期 国外就提出现场总线 但研究工作进展缓慢 且没有国际标准可以遵循 1984年 美国仪表协会 ISA 下属的标准与实施工作组中的ISA SP50开始制定现场总线标准 1985年 国际电工委员会决定由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作 1986年 德国开始制定过程现场总线 ProcessFieldbus 标准 简称为PROFIBUS 由此拉开了现场总线标准制定和产品开发的序幕 1992年 由Siemens Rocemount ABB FoxboroYokogawa等80家公司联合 成立了ISP InteroperableSystemProtocol 组织 着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准 1993年 以Honeywell Bailey等公司为首 成立了WorldFIP FactoryInstrumentationProtocol 组织 有120多个公司加盟该组织 并以法国标准FIP为基础制订现场总线标准 1994年 ISP和WorldFIP北美部分合并 成立了现场总线基金会 FieldbusFoundation 简称FF 推动了现场总线标准的制订和产品开发 1996年第一季度颁布了低速总线HI的标准 安装了示范系统 将不同厂商的符合 规范的仪表互连为控制系统和通信网络 使HI低速总线开始步入实用阶段 5 现场总线的设备现场总线的设备分为现场设备和开发设备两类 设备名称及类型随总线及应用而定 1 现场设备例如 FF现场设备有变送器 执行器 终端器 电源 本质安全栅 中继器 网桥和操作站 常用的变送器有温度 压力 流量 料位和分析 大类 每类又有多个品种 变送器既有检测 变换和补偿功能 又有PID控制和运算功能 常用的执行器有电动 气动两大类 执行器的基本功能是信号驱动和执行 还内含调节间输出特性补偿 PID控制和运算等功能 另外有阀门特性自校验和自诊断功能 终端器是用在传输电缆始 末端的阻抗匹配器 每条总线只需 个终端器 终端器防止信号失真和衰减 电源为现场总线供电 即为总钱供电的现场设备提供电源 本质安全栅是安全场所与危险场所的隔离器 中继器用来扩展现场总线网络 中继器是一台有源的总钱供电或非总钱供电设备 操作站可以选用微型计算机 内置网卡连接现场总线 如H1和H2 操作站供工程师对现场总线组态 供工艺操作员监视和操作生产装置 2 开发设备FF设备有专用集成电路 ASIC 通信栈软件 DD软件 开发和维护工具等 H1的供应商有Smar NationalSemiconductor Siemens Yokogawa Cegelec Yamaha Yamatake Honeywell等公司 PC机接口卡供应商有Smar Softing Rockwell NationalTnstruments 组态软件供应商有Smar NationalTnstruments Softing 现场总线基金会 FF 和Fraunhofer研究所负责一致性测试和互操作性测试 最终由FF发给产品注册商标 并定期发行产品目录 二 五种有影响的现场总线自80年代末以来 有几种现场总统技术已逐渐形成其影响 并在一些特定的应用领域显示了自己的优势和较强的生命力 较为流行的现场总线主要有以下五种 基金会现场总线FF 局部操作网络LONWORKS 过程现场总线PROFIBUS 控制器局域网络CAN 可寻址远程传感器数据通路HART 1 FF基金会现场总线FF基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛应用 它以ISO OSI开放系统工连模型为基础 取其物理层 数据键路层 应用层为FF通信模型的相应层次 并在应用层上增加了用户层 用户层主要针对自动化测控应用的需要 定义了信息存取的统一规则 采用设备描述语言规定了通用的功能块集 FF基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率 H1的传输速率为31 25kbps 通信距离可达1900m 可加中继器延长 可支持总线供电 支持本质安全防爆环境 H2的传输速率可为1Mbps和2 5Mbps两种 其通信距离分别为750 和500 物理传输介质可支持双绞线 光缆和无线发射 协议符合IEC1158 标准 其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码 FF的主要技术内容 包括FF通信协议 用于完成开放互连模型中第 层通信协议的通信栈 CommunicationStack 用于描述设备特征 参数 属性及操作接口的DDL设备描述语言 设备描述字典 用于实现测量 控制 工程量转换等应用功能的功能块 实现系统组态 调度 管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统 网络系统的系统集成技术 2 局部操作网络 LocalOperatingNetwork LONWORKS局部操作网络是又一具有强劲实力的现场总统技术 它采用了ISO OSI模型的全部七层通讯协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 其通信速率从300bps至1 5Mbps不等 直接通信距离可达对2700 78kbps 双绞线 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等多种通信介质 并开发了相应的本质安全防爆产品 被誉为通用控制网络 LONWORKS技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现 集成芯片中有 个 位CPU 1 第一个用于完成开放互连模型中第 和第 层的功能 称为媒体访问控制处理器 实现介质访问的控制与处理 2 第二个用于完成第 层的功能 称为网络处理器 进行网络变量的寻址 处理 背景诊断 路径选择 软件计时 网络管理 并负责网络通信控制 收发数据包等 3 第三个是应用处理器 执行操作系统服务与用户代码 芯片中还具有存储信息缓冲区 以实现 之间的信息传递 并作为网络缓冲区和应用缓冲区 LONWORKS技术及产品已被广泛应用在楼宇自动化 家庭自动化 保安系统 办公设备 交通运输 工业过程控制等行业 在开发智能通信接口 智能传感器方面 LONWORKS神经元芯片也具有独特的优势 3 过程现场总线 ProcessFieldBus PROFIBUS过程现场总线是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准 由PROFIBUS DP FMS PA组成了PROFIBUS系列 DP型用于分散的外围设备之间的高速数据传输 适用于加工自动化领域 FMS意为现场信息规范 适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压开关等 PA型则是用于过程自动化的总线类型 采用OSI模型的物理层 数据链路层 FMS还采用了应用层 传输速率为9 6kbps 12Mbps 最大传输距离在12Mbps时为100 1 5Mbps时为400 可用中继器延长至10km 其传输介质可以是双绞线 也可以是光缆 最多可挂接127个站点 可实现总线供电与本质安全防爆 PROFIBUS引入功能模块的概念 不同的应用需要使用不同的模块 在应用中 按照规范来定义模块 写明其硬件和软件的性能 规范设备功能与PROFIBUS通信功能的一致性 4 控制局域网络 ControlAreaNetwork CAN CAN控制局域网络是由德国Bosch公司推出 用于汽车监测与控制部件之间的数据通信 现已被ISO国际标准组织制订为国际标准 它广泛应用在离散控制领域 CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型的基础之上 模型结构只有三层 只取OSI底层的物理层 数据链路层和顶层的应用层 CAN的通信速率为5kbps 10km 1Mbps 40 可控接设备数最多达110个 信号传输介质为双绞线或光纤等 CAN采用点对点 一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据 CAN可实现全分布式多机系统且无主 从机之分 每个节点均主动发送报文 用此特点可方便地构成多机备份系统 CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术 当两个节点同时向网络上发送信息时 优先级低的节点主动停止发送数据 优先级高的节点可不受影响地继续发送信息 按节点类型不同分成不同的优先级 CAN支持四类报文帧 数据帧 远程帧 出错帧 超载帧 采用短帧结构 每帧有效字节数为 个 传输时间短 受干扰的概率低 且具有较好的检错效果 CAN采用CRC循环冗余校验及其它检错措施 保证了极低的信息出错率 CAN节点具有自动关闭功能 当节点错误严重的情况下 则自动切断与总线的联系 这样不影响总线正常工作 CAN单片机 有Motorola公司生产的带CAN模块的MC68HC05 Philips公司生产的82C200 Inter公司生产的带CAN模块的P8 C592 CAN控制器 有Philips公司生产的82C200 Inter公司生产的82527 CANI O器件 有Philips公司生产的82C150 它具有数字和模拟I O接口 CAN已被广泛用于汽车 火车 轮船 机器人 智能楼宇 机械制造 数控机床 自动化仪表等领域 5 可寻址远程传感器数据通路 HART HART由美国Rosemunt公司研制 其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品 因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力 得到了较快发展 HART协议参照ISO OSI模型的第1 2 7层 即物理层 数据链路层和应用层 其主要特性是 物理层 采用基于Bell202通信标准的FSK技术 即在 4 20 mADC模拟信号上叠加FSK数字信号 逻辑1为1200HZ 逻辑0为2200HZ 波特率为1200bsp 调制信号为 0 5mA 250 负载 用屏蔽双绞线单台设备距离3000 而多台设备互连距离1500 数据链路层 数据帧长度不固定 最长25个字节 可寻地址为0 15 当地址为0时 处于 4 20 mADC与数字通信兼容状态 当地址为1 15时 处于全数字通信状态 通信模式为 问答式 或 广播式 应用层 规定了三类命令 第一类称为通用命令 所有设备都理解 执行 第二类称为一般行为命令 提供的功能可以在许多现场设备中实现 这类命令包括最常用的现场设备功能库 第三类称为特殊设备命令 在某些设备中实现特殊功能 这类命令既可以在基金会中开放使用 又可以为开发此命令的公司所独有 在一个现场设备中通常可同时存在这三类命令 HART采用统一的设备描述语言DDL 现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性 由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典 主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口 但是由于这种模拟数字混合信号制 导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片 HART能利用总线供电 可满足本质安全防爆要求 并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统 三 现场总线控制系统设计现场总线控制系统与常规控制系统在系统构成 功能和控制策略等方面有许多类似之处 下面以锅炉汽包水位的三冲量系统为例 介绍现场总线控制系统的设计 图8 7所示的汽包水位的三冲量控制系统 它把与水位控制相关的三个主要因素 水位 给水流量 蒸汽流量作为控制计算的依据 1 根据系统方案选择现场智能仪表 该三冲量水位控制系统需要液位 蒸汽流量和给水流量三个变送器和一个给水调节阀 现场总线系统中实现阻尼 开方 加减和PID计算等功能完全靠嵌入在现场变送器和执行器中的功能软件实现 2 选择计算机与网络配件为满足现场智能设备组态 运行和操作的需求 需要选择一台或多台能与现场总线网段连接的计算机 方法之一是采用插接在PC总线插槽中的现场总线PCI卡 把现场总线网直接与PC机相连 3 选择开发组态软件 控制操作的人机接口软件现场总线作为开放系统 希望软件尽可能摆脱专用软件的束缚 走上规范 开放的软件平台 鉴于硬件采用了PC机 因而可采用WINDO