现场总线与工业以太网学习笔记.docx

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现场总线与工业以太网学习笔记

现场总线与工业以太网

第一章

1、控制系统的发展阶段：

模拟仪表控制系统——集中式数字控制系统——集散控制系统（DCS）——现场总线控制系统（FCS）。

FCS作为新一代控制系统，一方面突破了DCS系统采用专用通信网络的局限，另一方面，把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。

可以说，开放性、分散性和数字通信是FCS最显著的特征。

2、现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，有通信就必须有协议。

故现场总线实质上就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。

是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互联的实时控制通信网络。

而FCS是用开放的现场总线通信网络，实现将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互联的实时网络控制系统。

3、现场总线和局域网的区别

现场总线是连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互联的实时控制通信网络。

传输小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，但传输速率低，实时性高。

简言之，现场总线就是一种实时控制网络。

局域网用于连接局部区域的各台计算机，网络上传输的是大批量的数字信息，但不要求实时性。

局域网是一种高速信息网络。

现场总线可以采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线射频、远红外等。

局域网需要用专用电缆，如同轴电缆、光纤等。

4、现场总线控制系统体系结构

5、开放性、分散性、低成本性是现场总线最显著的3大特征

6、具有代表性的现场总线

（1）CAN（控制器局域网络）总线；

（2）LonWorks总线

（3）HART总线；（4）ModBus总线

（5）CC-Link总线

第二章基金会现场总线

1、FF总线系统是现场总线基金会推出的总线系统。

FF总线是一种全数字的、串行的、双向传输的通信系统，是一种连接现场中各种传感器、控制器、执行单元的信号传输系统。

2、基金会现场总线（FF）以ISO/OSI开放系统互联参考模型为基础，并对其进行了改造而成，保留了第1层的物理层，第2层的数据链路层和第7层的应用层作为FF通信模型的相应层，将应用层分为现场总线存取和应用服务两部分，并在应用层上增加了用户层。

3、FF现场总线系统分为低速H1和高速H2两种通信速率，以实现不同要求下的数据信息网络通信。

这两种总线均支持总线型或树形网络拓扑结构。

4、网络组成原理

4.1基金会现场总线的物理层

物理层用于实现现场物理设备和总线间的连接，为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送/接收提供合乎规范的物理信号。

物理层作为电气接口，一方面接收链子数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输介质，起到发送驱动器的作用。

另一方面，把来自总线传输介质的物理信号转换为信息，并送往数据链路层，起到接收器的作用。

按照IEC物理层规范的有关规定，物理层又被分为媒体相关子层和媒体无关子层。

媒体相关子层负责处理不同介质、不同速率的信号转换问题，也称媒体访问单元。

当出现读个连接时，物理媒体相关子层对所有连接同时传送。

在两个子层连接处，物理媒体相关子层选择其中之一，把它的信号送到媒体无关子层，形成所通过的单一数据流。

对不同种类的介质、不同传输速率要求的场合，应分别设置不同的物理层实体。

基金会现场总线支持多种传输介质：

双绞线、电缆、光纤、无线介质，目前应用较为广泛的是前两种。

4.2数据链路层（DDL）

数据链路层位于物理层和总线访问层之间，为系统管理内核和总线访问子层总线访问媒体提供服务。

总线上的链路活动调度、数据的接收/发送、活动状态的探测和响应、总线上个设备间的链路时间同步等，都是通过数据链路层实现的。

每个总线端上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器（LAS）。

其拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。

任何时刻每个总线端上总有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上传输数据。

其具有5种基本功能：

（1）向设备发送强制数据（CD）；

（2）向设备发送传递令牌（PT）；（3）为新入网的设备探测未被采用过的地址；（4）定期对总线发布数据链路时间和调度时间；（5）监视设备对传递令牌的响应。

数据链路协议数据单元（DLPDU），提供数据链路的协议控制信息。

协议控制信息由3部分组成：

第1部分是帧控制信息；第2部分是数据链路地址，包括目的地址和源地址；第3部分是指明了DLDPU的参数。

4.3现场总线访问子层

现场总线访问子层（FAS）是基金会现场总线通讯参考模型中应用层的一个子层。

它与总线报文规范层（FMS）一起构成应用层。

FAS位于FMS和数据链路层之间。

FAS的协议机制可以划分为三层：

FAS服务协议机制；应用关系协议机制；DLL映射协议机制。

它们之间的相互关系如下图所示：

4.4现场总线报文规范

现场总线报文规范层（FMS）是通信参考模型应用层中的另一个子层，该层描述了用户应用所需的通信服务、信息格式、行为状态等。

FMS服务分为确认和非确认两种。

所谓对象字典（OD）是指由于对象描述说明通信中跨越现场总线的数据内容，把这些对象描述收集在一起。

5、功能块

为了支持不同厂商之间功能块的标准化和互操作性，FF定义了两个工具，即设备描述语言（DDL）和对象字典（OD）。

功能块应用进程位于基金会现场总线通信模型中的最高层——用户层，用户层是在ISO（国际标准化组织）/OSI（开放系统互联）参考模型（ISO／OSI该模型是国际标准化组织（ISO）为网络通信制定的协议，根据网络通信的功能要求，它把通信过程分为七层，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，每层都规定了完成的功能及相应的协议。

）中7层结构的基础上添加的一层。

现场总线系统是系统工作的应用进程集合。

应用进程是现场总线系统活动的基本组成部分，是最基本的对象。

每个应用进程表述了存在于一个设备内的分别包装组成的功能块。

功能块应用进程由功能块所构成的应用进程组成。

对象是构成功能块应用的基本元素。

5.1功能块应用进程中（AP）的一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能块，使其公共特称标准化，规定他们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块化为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。

功能块的内部结构如下图所示：

6通信模式与通信协议

基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。

为了实现通信系统的开放性，其通信模型参考了ISO/OSI参考模型。

FF总线系统中的装置可以是主站，也可以是从站。

在同一个网络中可以有多个主站，但在初始化时只能有一个主站。

FF通信系统由设备中的通信栈来完成，通信栈包括系统管理、网络管理、功能块、报文规范层、总线访问子层、数据链路层和物理层等。

基金会现场总线的通信控制器及接口线路主要涉及数据链路层和物理层，数据链路层位于物理层和总线访问子层之间。

6.1FF总线通讯接口电路

FF总线通讯接口电路如下图所示。

接口电路的功能入下：

（1）总线上的信号驱动和信号接收。

（2）传输数据的串、并行转换，现场总线采用的是串行数据通信方式，而CPU采取的是并行数据。

（3）串行数据的编码和解码，FF采用两线制同步数据通信方式，采用同步通信方式时，发送发必须采用频率相同的和相位相同的时钟，通信方可进行。

同步通信有4线制和2线制，4线制采用“一对线传输数据信息，另一对线传输时钟信号”，2线制则是用同一对线同时传输数据和时钟信号。

FF采用曼彻斯特编码和解码技术。

（4）信息帧的打包盒解包，总线上的信息采用分层打包的方式进行包装，由于是采用2线制同步数据传输，接收方和发送方一般是采用各自的时钟来进行接收和发送。

（5）帧校验序列的产生和验证。

FF现场总线采用了同步协议中广泛使用的CRC校验法来检查数据传输的正确性。

一般都有通信控制器中专用硬件线路来完成。

6.2协议数据的构成和层次

现场总线协议数据的内容和模型中每层应附加相应的信息。

6.3FF现场总线通信控制器的芯片

日本横河、富士公司，美国的SHIPSTAR公司，巴西的SMAR公司。

SMAR公司的FB3050

第三章Profibus现场总线

Profibus系列由三个兼容部分组成，即由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。

Profibus-DP适用于设备级自动控制系统与分散I/O之间的高速通信。

Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，使用2根线就可以完成供电和数据通信。

1、Profibus有一套完整的传输技术

1.1RS485传输技术

RS485传输技术是一种简单、低成本的传输技术，主要用于需要高传输效率的任务。

它使用有一对导体的屏蔽双绞铜质电缆。

RS485的一种新的可选类型也可以在本质安全区域运行。

RS485的特性：

可以在9.6kbit/s～12Mbits/s之间选择各种传输速率。

每个总线段最多可以连接32个站，可允许的最大总线长度取决于传输速率。

RS232和RS485都属于串行通讯，一般采用异步通讯方式。

RS232接口标准：

一般采用标准通讯波特率为1200、2400、4800、9600、19200b/s。

电气标准一般采用-15V～3V为逻辑1,3V～15V为逻辑0。

RS232是点对点的通讯协议，接口标准是单端收发，抗共模干扰能力差，所以传输距离较小（小于15～20米）。

RS232一般采用三根数据线，TXD、RXD和GND，其发送数据通过TXD发送，接受通过RXD接收，发送和接收通过不同的信道，可以同时进行发送和接收。

所以RS232支持全双工通讯方式。

RS485接口标准：

RS485是一种平衡传输方式的串行接口通讯，只能工作在半双工工作方式下。

两端都配置120Ω终端电阻。

RS485的特点是抗干扰能力强，传输速率高，传输距离远。

RS485允许最大可以连接32对发送器/接收器。

RS485网络接口：

RS485网络一般采用总线型网络，采用半双工、广播式通讯控制方式。

同一时刻只能有一个节点发送数据，其他节点都处于接收状态，否则会引起数据冲突导致通讯错误。

所以通常采用主-从网络。

RS485组网技术及通讯协议分析：

（1）硬件组件，按照RS485电气标准将各控制部件连接起来；

（2）软件设置及编程，依据通讯部件的通讯协议进行设置和编程设计。

RS485总线要求有物理标准和协议标准。

在RS485总线上的各部件必须具有标准RS485通讯接口，所有的RS485接口的DATA+和DATA-分别连接在一起，在通讯两端配置终端电阻。

同时RS485总线上各部件必须遵从同一种通讯协议。

RS232/485通讯转换模块可以将RS232信号转换成RS485信号。

有些公司变频器没有RS485总线终端电阻配置选择，我们通过在通讯线的两终端外接120Ω电阻完成终端电阻配置。

RS485总线上，各部件必须具有相同的通讯参数，即具有相同的波特率、相同的数据位、相同的校验位、相同的停止位。

CRC校验

循环冗余校验（CRC）

MBP作为传输技术，它具有下列属性：

（1）曼彻斯特编码；

（2）总线供电。

1.2光纤传输技术

有些现场总线的应用环境对耦合电线的传输技术有限制，像有很高的电磁干扰的环境或需要覆盖特别大的网络距离应用。

通过光线导体的光纤传输技术适用于这些情况。

2通信协议

FMS是第一个Profibus通信协议，是用与车间级的通信；通信协议DP是用于现场层的快速数据交换。

这是中央可编程的控制器（如PLC、PC或过程控制系统）通过快速串行连接与分散的现场设备（如I/O、阀门、变送器等）进行通讯。

这主要是循环的数据交换。

DP用于总线主站与其所属从站设备之间进行简单、快速、循环、和时间确定的过程数据交流。

最初的版本为DP-VO到V1、V2。

具体通信协议的架构见《S7-200PLC详解》290-296。

使用代理服务器将Profibus总线段集成在Profinet中。

这些都表现了用于与Profibus连接的所有设备的代理服务器功能。

这意味着在重新组建或扩展成套装备时，全部Profibus设备系列不加改变的执行，这给用户提供了做大的投资保护。

代理服务器技术也允许集成其他总线系统。

P-NET、SwiftNet、ControlNet、Interbus总线。

第九章工业以太网

1、工业以太网的概述

见《现场总线与工业以太网》

2工业以太网的关键技术

2.1通信确定性和实时性技术

传统以太网采用总线式的拓扑结构和多路存取载波侦听/碰撞检验（CSMA/CD）通信方式。

研究表明:

传统以太网在工业应用中的传输

延迟，对数据传送实时性要求很高的场合是不能容忍的，这也影响了以太网技术在工业底层控制网络中的应用。

随着体态网技术的发展，工业以太网在确定性和实时性方面已经基本达到了工业现场实时控制的要求。

首先，在网络拓扑结上采用星形连接代替总线型连接，其中星形连接用网桥或路由器等设备将网段分割成多个网段，在每个网段上以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接起来，每个冲突域均采取CSMA/CD机制来管理网络冲突。

其次，采用以太网交换技术。

再次，采用全双工通信技术。

总之，采用星型网络和以太网交换技术后，可以大大减少（半双工方式）或完全避免（全双工方式）碰撞，从而使以太网的通信确定性和实时性大大增强。

2.2系统稳定性技术

首先，针对工业现场的特殊要求，对设备的可靠性提出了更高的要求。

再基于以太网的控制系统中，网络设备是相关设备的核心，网络硬件把内部系统总线和外部世界连成一体，所以工业以太网设备在这种性能指标上都高于普通商业以太网。

其次，可以采用环形冗余结构以太网来提高系统的可恢复性。

2.3系统互操作性技术OPC

互操作性是指连接到统一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协议进行通信和互用，性能类似的设备可以实现互换。

2.4网络安全性技术

工业以太网已经把传统的3层网络系统（生产管理层、高级控制与优化层、基础控制层）合成一体，使数据的传输效率更快、实时性更高。

同时，它还可以方便的接入Internet，实现数据的共享，使工厂高效率的运作。

当然，也引入了网络安全问题。

因此工业以太网在企业中实施时，应采用相应的网络安全隔离措施。

通常，可采用的网络隔离的办法，如具有过滤功能的交换机将内部控制网络与外部网络系统分开。

此外，还可以引入防火墙机制，进一步对内部控制网络的访问进行限制，防止非授权用户得到网络的访问权。

2.5总线供电技术

所谓总线供电技术或总线馈电，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源，起到一线多用功能。

2.6本质安全与安全防爆技术

现场设备的防爆技术手段包括两类：

隔离型和本质安全性。

隔离型如增安、气密、浇灌。

本质安全技术采用抑制点火源能量作为防爆手段，实现本质安全的关键技术是低功耗技术和本安防爆技术。

以太网系统包括工业现场以太网交换机、传输介质以及基于以太网的变送器和执行机构等现场设备。

3典型的工业以太网

3.1Modbus-IDA工业以太网

基于Ethernet、TCP/IP的用于分布式自动化的接口标准，利用这个接口标准，可以建立基于Ethernet和Web的分布式智能控制系统。

3.2Ethernet/IP工业以太网

以太网工业协议（Ethernet/IP）是一种开放的工业网络标准。

3.3FFHSE工业以太网

3.4Profinet工业以太网

3.5EPA实时以太网

系统采用Profibus-DP总线，每台传动装置均配有一块Profibus-DP适配器模块RPBA-01

采用公共直流母线，能够避免因某一分部变频母线电压过高，而发生变频跳闸、停机的现象，这在调试、生产中将大大减少试机和停机时间.

夹网纸机将在21世纪占主导地位。

纸机传动形式可分为：

总轴传动（单原电机传动）；分部传动（多电机传动）。

前现在已经基本不用，后者现在广泛应用于纸机上。

国内目前使用的系统可大体分为六种：

1、总发电机给直流发电机组供电的机械电气联合调速系统；2、总发电机供电的扩大调速系统；3、电子管放大器一电力扩大器一直流电机系统（或电力扩大机）一直流电动机一直流电动机系统；4、可控硅单闭环或双闭环调速系统；5、直流调速控制器传动系统；6、变频传动控制系统。

工作车速在200m/min以内的纸机,该类纸机的电气传动控制方式可采用PLC+变频器的控制方。

工作车速在350m／min以内的纸机,该类纸机的电气传动控制系统采用两级控制方式，PLC+变频器+编码器。

工作车速在600m／min以内的纸机该娄纸机的电。

L传动控制系统的控制方式，采用三级控制的全数字IPC/PLC。

变频器控制系统工作车速在600n/min以上的大型高速纸机,该类纸机的电气传动控制系统的控制，我们采用基于公共直流母线、现场总线的全数字三级或四级控制方式。

基于公共直流母线的控制结构是采用公共整流单元，公共直流母线的予充电装置、公共制动单元，下挂一定数量的逆变器驱动变频异步电机。

由于直流母线上挂有很多负载，可能有的电动机工作在电动状态，有的工作在制动状态，但都是通过母线电容的充放电来实现能量交换。

这种交换过程会引起母线电压的波动，但一定范固的电压波动是允许的。

如果母线电压的很小变化都要调节。

将会引起整流桥和逆变桥反复交工作，这对系统来说是有害的，而且也是不必要的。

所以，系统设置了电压死区环节，只自当Ud*-Ud>AUd（允许的电压波动）时，电压调节器才进入调节状态。