现场总线转以太网设计方案

1、现场总线转以太网设计方案一 设计慨述大致功能是对现场设备的串行物理接口能进行数据通信，能够通过以太网接口与数据管理平台建立通信，将设备的工作状态、运行参数、测量值等数据通过通信转换模块用以太网的传输方式送至数据管理平台,见下图所示： 数据管理平台局域网路由器集线器/交换机现场设备串行接口以太网接口嵌入式CPU现场总线现场总线(FieldBus)是工厂底层设备之间的通信网络，是计算机数字通信技术在自动化领域的应用,为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台。ROFIBUS技术是1987年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发，1999年PROFIBUS成为国际标准 I

2、EC 61158 的组成部分(Type III)。PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP和-PA技术，为车间层提供了PROFIBUS-FMS技术。PROFIBUS-DP是设备层现场总线，用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场控制设备（如驱动器、检测设备、HMI等）之间的通信总线，设备层现场总线技术具有高速（12M）、实时、确定、可靠特点（如-DPV2可用于运动控制），传输的数据量相对较小。PROFIBUS-PA也是设备层总线，具有IEC61158-2的物理层，可实现总线供电，并有本质安全技术。 PROFIBUS-FMS车间级现场总线，主要用于车间级设备监控。主要完成车间生产

3、设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点，对网络实时性要求不高。以太网以太网是目前应用最为广泛的局域网络传输方式，它采用基带传输，通过双绞线和传输设备，实现10M100M1000M的网络传输。由于应用广泛，各大网络设备生产商均投入极大精力于这类技术产品的研究和开发，技术不断创新，从最初的同轴电缆上的共享10M传输技术，发展到现在的在双绞线和光纤上的100M甚至1000M的传输技术、交换技术等。可以肯定，以太网络技术还将以极高的速度不断发展和提高。目前，以太网在工业自动化领域已有不少成功应用实例，主要集中在以下几

4、个方面：车间级生产信息集成：主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、PC机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。管理层信息网络：即支撑工厂管理层MIS系统的计算机网络。主要完成如ERP的信息系统。SCADA系统：特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术的SCADA系统，如城市供水或污水管网的SCADA系统、水利水文信息监测SCADA系统等。个别的控制系统网络：个别要求高可靠性和一定实时性的分布式控制系统也有采用以太网+TCP/IP技术，并获得很好的效果；如水电厂的计算机监控系统。以太网与现场总线技术的比较(1) 物理层现场总线：A. 传输介质：多

5、数采用屏蔽双绞电缆（RS-485）、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。B. 插件：各种防护等级工业级的接插件。C. 总线供电及本质安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。D. 编码：异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。E. 传输速率：9.6k12M 以太网：A. 传输介质：UTP3类线、UTP5类线、 屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输的解决方案。B. 插件：RJ45、AUI、BNCC. 总线供电及本质安全：无。D. 编码：同步、曼彻斯特编码。E. 传输速率：10M、100M (2) 介质访问控制方

6、式现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的；实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者/客户（producer/consumer） CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)是以太网（或IEEE802.3）采用的介质访问控制方式。(3) 传输效率不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中，除了有效传输数据之外，还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映的网络有效数据传输的效率，或者说反映一次有效

7、数据传输的代价。传输效率=有效数据长 / 全部附加字段长 + 有效数据长 以太网全部附加字段长=26字节最大有效数据长=1500字节最小有效数据长=1字节（小于46时填0）最大传输效率=1500/（1500+26）=98.3%最小传输效率=1/（1+26+45）=1.39%现场总线PROFIBUS全部附加字段长=11字节最大有效数据长=244字节最小有效数据长=1字节最大传输效率=244/（244+11）=95.69%最小传输效率=1/（1+11）=8.33%以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术，特别是采用TCP/IP协议可与互连网Internet连接, 是未来eManufa

8、ctory的技术基础。二设计方案以PROFIBUS的接口板为例，通常现场设备接入PROFIBUS总线采用以下方法：TTL串行口PROFIBUS现场总线PROFIBUS通信接口板现场设备中的用户板以北京鼎实公司的PB-OEM2-S系列接口板为例，它带有标准PROFIBUS-DP驱动接口，最大波特率为6M，与用户板的串口波特率为125K，实现现场设备的PROFIBUS总线传输。为此提出一个嵌入式以太网方案，类示于以上的PROFIBUS接口板开发一块以太网接口板，与用户板同样以串口连接，波特率视用户板的CPU特性，向外带有10M/100M以太网接口，采用”以太网+TCP/IP”的方法实现现场设备的以

9、太网传输方式。为此提出以下两种解决思路：传统51内核8位CPU + 外置以太网MAC + C/OS-操作系统 + 自己编写的TCP/IP协议栈1 硬件方案YCL20F001NRTL8019asRJ-45RS4858031SRAM+ROM 硬件电路比较成熟，用一片普通的51内核单片机外扩展64k的ROM，16k的SRAM，可以基本满足TCP/IP协议栈和C/OS-操作系统的容量要求，RTL8019as为10M以太网控制器，YCL20F001N为单口以太网耦合器，它们与8031的接口标准，试验板制作不难。2 软件方案将C/OS-操作系统移植到试验板上，然后完成串口通信功能，编写简化的TCP/IP协

10、议栈，实现以太网通信功能，采用TCP传输方式。在数据平台上相应建立以太网接收服务程序。3 优缺点比较A.单块成品板的成本最低，开发成本低 B.开发难度主要在于单片机软件部分和嵌入式C/OS-操作系统的了解使用，开发周期比较长，预计周期为一年半 C采用位数据总线的低档CPU，成品的性能低，以太网传输速率低于500kbps D.升级余地基本上没有内带有以太网MAC的嵌入式32位CPU + 嵌入式cLinux操作系统 + 成熟的可直接利用的以太网程序1硬件方案SDRAM+ROMTransformserRJ-45Ethernet PHYRS485S3C4510BS3C4510B是三星公司推出的针对嵌入

11、式应用的16/32 位嵌入式处理器，该微控制器专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计，具有低成本和高性能的特点, S3C4510B中内置了ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI处理器, 可以执行32位的ARM指令，也可执行16位的THUMB指令, 并集成了多种外围部件，主要有：QFP208封装方式 操作频率达到50MHz 电源3.3伏 8KB的Cache/SRAM 一个10/100Mbps 以太网控制器，提供MII接口 两个HDLC通道，每个通道可支持10Mbps 两个UART通道 两个DMA通道 两个32位定时/计数器 18个可编程I/O口 中断控制器，支持21个中断源，包括4个外部

12、中断 支持SDRAM，EDO DRAM，SRAM，Flash等 具有扩展外部总线 JTAG逻辑测试部件，支持软/硬件开发支持VXWORKS，LINUX，PSOS，NUCLEUS。以太网收发器PHY有多种选择，可以使用3C4510B开发板上提供的芯片，也可以使用台湾REALTEK的RTL8201BL。 RTL8201BL为支持M II和SNI（Serial Network Interface）接口的单口收发器，它内部实现了包括PCS（Physical Coding Sublayer）、PMA（Physical Medium Attachment）等在内的所有10/100M以太网物理层功能，遵循IEEE 802.3/802.3u标准。隔离变压器Transformer可以采用Pulse生产的10/100 Base-T单口耦合器模块，以太网PHY通过它可以与水晶头插座连接。2。软件方案将嵌入式LINUX移植在硬件平台上，在嵌入式LINUX环境下实现以太网通信相对比较容易。3。硬件抗干扰措施 硬件电路采用工业级芯片，CPU电源和通信电源隔离，信号电路采用快速光电信号隔离，印制板采用6层板，单独用两层作电源和地提高EMC指标。传输介质使用工业级护套和铠装电缆、光纤等，使用各种防护等级工业级的接插件。4 优缺点比较A.单块成品板的成本适中，开发成本略高 B.硬件部分开发有