数据通信与网络技术.ppt

第八章数据通信与网络技术 8 2 4ISO OSI七层参考模型 表1现场总线的ISO OSI七层模型 物理层 物理层提供用于建立 保持和断开物理连接的机械的 电气的 功能的和过程的条件 即提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段 数据链路层 负责在两个有物理通道直接相连的相邻节点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据 网络层 在计算机网络中进行通讯的两台计算机之间可能要经过许多个接点和链路 也可能要经过好几个通信子网 在网络层 数据的传送单位是分组或包 网络层的任务是要利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能 通过路由选择和中继功能 选择合适的路由 使发送站的传输层所传下来的分组能够正确无误的按照地址找到目的站 并交付给目的站的传输层 传输层 在传输层 信息的传送单位是报文 当报文较长时 先要把它分割成好几个分组 然后再交给它的下一层 网络层 进行传输 会话层 会话层虽然不参与具体的数据传输 但它却对数据传输进行管理 会话层在两个互相通信的应用程序之间建立 组织和协调其 交互 的功能 表示层 表示层主要解决用户信息的语法表示问题 应用层 提供界面及文件存取 数据库管理 电子邮件等服务 8 3 1现场总线概念1 现场总线的定义 现场总线是用于过程自动化和制造自动化等领域中最底层的通信网络 以实现微机化的现场测量控制仪表或设备之间的双向串行多节点数字通信 2 应用范围 石油工业 食品工业 造纸工业扩展到汽车工业 机器制造业 仓储 邮政 城市排污及楼宇自动化等 8 3现场总线 现场总线的发展背景与趋势1 历史的回顾模拟仪表控制系统集中式数字控制系统PLC集散控制系统DCS现场总线控制系统FCS2 现场总线是企业综合自动化的发展需要3 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 现场总线系统的技术特点1 系统的开放性2 互可操作性与互换性3 现场设备的智能化与功能自治性4 系统结构的高度分散性5 对现场环境的适应性 现场总线的优点1 节省硬件数量与投资2 节省安装费用3 节省维护开销4 用户具有高度的系统集成主动权5 提高了系统的准确性与可靠性6 提高了系统的可控性和可维护性 现场总线与计算机控制 DCS系统1 现场总线与计算机控制的关系现场总线与计算机控制系统是不可分离的 现场总线系统将基本控制功能完全下放到现场 现场总线控制系统FCS2 现场总线与DCS系统的关系替代现在的集散控制系统DCS 8 3 2十种类型的现场总路线标准 类型1 Type1 IEC61158技术规范 即FF基金会现场总线H1 类型2 Type2 ControlNet现场总线 类型3 Type3 Profibus现场总线 类型4 Type4 P Net现场总线 类型5 Type5 FFHSE现场总线 类型6 Type6 SwiftNet现场总线 类型7 Type7 WorldFIP现场总线 类型8 Type8 Interbus现场总线 类型9 Type9 IEC ISASP50现场总线 类型10 Type10 Profinet现场总线 一 基金会现场总线 FF 1 FF基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持 具有良好发展前景FF分高速 1Mpbs和2 5Mpbs 低速 31 25kpbs 两种规范 低速现场总线H1支持点对点连接 总线型 菊花链型 树型拓朴结构 而高速现场总线H2只支持总线型拓朴结构 基金会现场总线的网络拓扑结构 2 FF模型结构 二 HART通信协议简介1 HART协议概要在现场总线的诸多协议中 HART协议是比较特殊的一种 其原因在于 HART协议并非真正意义上的现场总线 实际上HART协议是 4 20 mA模拟信号向全数字信号过渡的协议 它是在传统的 4 20 mA模拟信号上叠加了一个数字信号 使得原有的模拟信号还可以使用 同时通过数字信号可以传输其他信息 2 HART协议的特点与优势因为模拟信号带有过程控制信息 同时 数字信号允许双向通信 HART协议允许模拟信号和数字信号同时存在 这样就使动态控制回路更灵活 有效和安全 因为HART协议能同时进行模拟和数字通信 因此 在与智能化现场仪表通信时还可和其他模拟设备混合使用 如记录仪 控制器等 在不对现场仪表进行改进的情况下逐步实现数字化 包括数字化过程变量 由于支持多个数字通信主机 在一根双绞线上便可同时连接几个智能化仪表 可通过租用电话线连接仪表 允许多站网络结构 这样多点网络可延伸到一段相当长的距离 使远方的现场仪表使用相对便宜的接口设备 提供 应答 式和 广播 式两种通信模式 可变的信息结构 允许增加具有新性能的新颖智能化仪表 而同时又能与现有仪表兼容 3 HART协议 从上表中我们可以看出 HART协议分物理层 数据链路层 应用层 HART协议与OSI参考模型的关系 三 CAN总线简介CAN协议也是建立在IOS OSI模型基础之上的 只是它的模型结构只有三层 即只取了OSI模型底层的物理层 数据链路层和顶层的应用层 由于采用了许多新技术及独特的设计 CAN总线的数据通信具有如下特点 CAN属于总线式串行通信网络 其直接传输距离最远可达10km 5kbps 通信速率最高可达1Mbps 40m 传输介质为双绞线和光纤 CAN只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据 无需专门的 调度 CAN为多主方式工作 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息 而无主 从之分 通信方式灵活 且无需节点信息 利用这一特点 可方便地构成多机备份系统 CAN网络按节点类型分成不同的优先级 可以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采用非破坏性总线优先级仲裁技术 当多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 而优先级高的节点可不受影响地继续发送 从而大大节省了总线冲突仲裁时间 尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况 CAN的每帧信息都有循环冗余校验CRC CyclicRedundancyCheck 及其它检错措施 保证了极低的信息出错率 CAN支持四类报文桢 数据桢 远程桢 出错桢 超载桢 短