第四章 数据采集和控制Word文档格式.docx

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逻辑"

1"

为-3到-15V；

0"

为+3到+15V。

RS-232接口连接器一般使用型号为DB-9的9线插头座,而工业控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。

RS-232传输线采用屏蔽双绞线。

一般RS232的传输距离与波特率有关，具体数据如下：

波特率（bps）

110

300

1200

2400

4800

9600

传输距离（m）

1500

900

75

2、RS-485接口

RS-485的电气特性为发送端：

以两线间的电压差为+（2至6）V表示；

以两线间的电压差为-（2至6）V表示。

接收端：

A比B高200mV以上即认为是逻辑"

A比B低200mV以上即认为是逻辑"

。

RS-485（或RS-422）通信建议一定要接地，因为RS-485（或RS-422）通信要求通信双方的地电位差小于1V。

半双工通信接3根线（+A、-B、地），全双工通信接5根线（+发、-发、+收、-收、地）。

为了安全起见，建议通信机器的外壳接大地。

RS-485（或RS-422）光隔转换器的所有外接电源的“地”必须全部连在一起但不要与计算机外壳地相连，因为电源“地”同时也是RS-485或RS-422的信号“地”。

当通信距离超过100米时建议最好使用光电隔离的通信接口转换器。

RS-485的最高传输速率为10Mbps。

但是由于RS-485常常要与PC机的RS-232口通信，所以实际上一般最高115.2Kbps。

又由于太高的速率会使RS-485传输距离减小，所以往往为9600bps左右或以下。

RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。

RS-485接口的最大传输距离标准值为1200米（9600bps时），实际上可达3000米，RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器、即RS-485具有多机通信能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。

因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

RS-485的国际标准并没有规定RS485的接口连接器标准、所以采用接线端子或者DB-9、DB-25等连接器都可以。

在使用RS485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。

最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯双绞电话电缆（线径为0.51mm），线间旁路电容为52.5PF/M，终端负载电阻为100欧时所得出。

当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。

实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。

当使用不同线径的电缆。

则取得的最大电缆长度是不相同的。

3、RS-422接口

RS-422的电气性能与RS-485完全一样。

主要的区别在于：

RS-422有4根信号线：

两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。

由于RS-422的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工）。

RS-485有2根信号线：

发送和接收都是A和B。

由于RS-485的收与发是共用两根线所以不能够同时收和发（半双工）。

4、RS-485比RS-232接口相比有何特点

由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。

现在由于采用新的UART芯片16C550等，波特率达到115.2Kbps。

（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容

易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用在15米左右。

（5）RS-232只允许一对一通信，而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。

4.2.2现场总线

现场总线是过程控制理论中的热门话题，也是相关领域的技术热点，受到了世界范围内的广泛关注。

1984年，现场总线的概念得到正式提出。

IEC（InternationalElectrotechnicalCommission,国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义为：

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。

由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。

很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：

FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。

这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有８０％左右的市场。

下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

1、基金会现场总线（FoundationFieldbus简称FF）

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）

最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN协议分为二层：

物理层和数据链路层。

CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。

目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

3、Lonworks

　它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。

它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用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。

支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。

Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。

采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，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。

4、DeviceNet

　DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。

DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。

DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：

生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。

位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。

DeviceNet总线的组织结构是OpenDeviceNetVendorAssociation（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。

5、PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。

由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成。

DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。

FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。

PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－２标准。

PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。

　　PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。

6、HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。

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的过渡产品。

其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。

由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。

HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于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。

7、CC-Link

CC-Link是Control&

CommunicationLink（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。

在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。

其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。

CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。

2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

8、WorldFIP

WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。

其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。

WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。

WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”，并对FF的H1进行了技术拓展，如速率等。

在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

9、INTERBUS

INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。

INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。

其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；

该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。

INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。

4.2.3MODBUS

Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化（SchneiderAutomation）部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。

此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。

许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。

此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。

Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；

Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。

因此，Modbus协议的可靠性较好。

对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。

所以在这里我仅介绍一下Modbus的ASCII和RTU协议。

下表是ASCII协议和RTU协议进行的比较：

协议

开始标记

结束标记

校验

传输效率

程序处理

ASCII

:

（冒号）

CR,LF

LRC

低

直观，简单，易调试

RTU

无

CRC

高

不直观，稍复杂

通过比较可以看到，ASCII协议和RTU协议相比拥有开始和结束标记，因此在进行程序处理时能更加方便，而且由于传输的都是可见的ASCII字符，所以进行调试时就更加的直观，另外它的LRC校验也比较容易。

但是因为它传输的都是可见的ASCII字符，RTU传输的数据每一个字节ASCII都要用两个字节来传输，比如RTU传输一个十六进制数0xF9,ASCII就需要传输’F’’9’的ASCII码0x39和0x46两个字节，这样它的传输的效率就比较低。

所以一般来说，如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用ASCII协议，如果所需传输的数据量比较大，最好能使用RTU协议。

下面对两种协议的校验进行一下介绍。

1、LRC校验

LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。

LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有错误。

LRC校验比较简单，它在ASCII协议中使用，检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。

它仅仅是把每一个需要传输的数据按字节叠加后取反加1即可

2、CRC校验

CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。

它由传输设备计算后加入到消息中。

接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。

CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。

仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。

CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或（OR），结果向最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。

LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。

整个过程要重复8次。

在最后一位（第8位）完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。

最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。

CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。

4.2.4OPC

OPC是OLEforProcessControl的简称，OLE则是Windows和Macintosh操作系统上的ObjectLinkingandEmbedding（目标连接和嵌入）技术的简称。

这种技术允许我们在一个应用程序中使用其它应用程序中的对象（注释：

意思是“过程控制中的对象链接和嵌入”，但OPC的最新发展—OPCUA，已经在技术彻底抛弃了OLE，因此现在OPC已经不能从名字的缩略上解释了，只是一个名称而已）。

可见OPC是一个计算机软件之间通信的规范或称协议，支持OPC的两个计算机软件可以通过OPC协议互相通信交换数据。

OPC是开放的通信标准，由OPC基金组织维护，其官方网站为WWW.OPCFOUNDATION.ORG。

按照OPC协议通信的两个计算机软件中的请求数据的一方称为OPC客户，提供数据的一方称为OPC服务器，如下图所示。

一个计算机软件，可以既是OPC客户，又是OPC服务器。

易控可以作为OPC客户和任何第三方的OPC服务器程序通信交换数据，这样即使易控无法直接通信的设备，也可以通过一个可以和该设备通信的第三方OPC服务器软件间接读写设备数据。

同样，易控可以作为OPC服务器为任何第三方支持OPC客户端协议的计算机软件提供工程中的数据。

OPC服务器软件和OPC客户端软件可以位于一台计算机，也可以位于局域网内不同的计算机上。

有关易控作为OPC服务器对外提供数据的进一步内容，请参考本章的“易控的OPC”一节。

图4.3易控通过OPC服务器和硬件进行通信

有一些硬件的生产厂家不公开其通信协议，通信需要经过厂家自己提供的特殊软件才可以进行。

从易控的意义上讲，这些软件和OPC服务器，以及虚拟通道等都是一样的，都是一个中间软件，只不过实现的方式不同而已。

因此，在易控的通道中也有代表这一类特殊软件的通道，如西门子S7、SimaticNet等。

4.3易控中的数据采集和控制

对现场数据的采集和控制，不同的组态软件有不同的称谓，在易控中称为“设备通信”或“IO通信”。

易控的设备通信功能可以完成对控制层的PLC、智能模块、板卡、智能仪表、变频器、伺服控制器等硬件设备的数据采集和控制。

易控设备通信的对象俗称为“下位设备”。

运行易控的计算机俗称“上位机”。

易控的设备通信一般通过以下几种途径进行：

1.易控通过串口、以太网或其它专用网卡等通信接口经通信电缆连接到硬件设备进行的。

串口根据距离的远近和一根通信电缆上连接的设备数量可以是RS232、RS422和RS485。

RS232因为使用电压信号传输，信号在线路上的损失较大，只适于单一设备的近距离通信（15米以内），RS422和RS485则使用差分电压信号传输，信号传输的抗干扰能力增强，传送距离大幅度增大，可以达到1200米。

另外RS422和RS485还可以连接多个设备（Multidrop），RS422和RS485的差别很小，主要是驱动信号的不同，因此可以最多驱动的设备个数也不同（RS422最多可连接10个设备，RS485最多可以连接32个设备）。

由于抗干扰的能力强，RS422和RS485的通信的速度也比RS232更快。

串口通信多在仪表等小型设备或数据通信要求不高的控制设备中使用，RS485在自动化设备中的使用更为普及。

以太网以速度快、开放性好、支持的厂家和软件丰富等诸多优势，在自动化产品中已经开始普遍采用，目前的中大型PLC都带有以太网通信接口。

一些专用的网络接口包括现场总线的网络接口板，如Profibus、DeviceNet、ControlNet、CC-Link、SSCNET、CANopen、BACnet、LonWorks等等，需要注意的是，虽然许多总线产品都提供在个人计算机中的通信接口板，但在计算机和控制器之间使用这些总线通信并不多用，因为毕竟这些总线主要是为了控制器和传感器、执行器等控制层之间传输信号的网络。

2.易控直接读写安装在本机内的IO板卡，经过USB端口扩展外接的一些IO板卡。

在这种情况下，由于没有下位控制器，所以更多适用于信号的监测等场合，如果有控制的要求，一般需要在组态软件中完成，但多数组态软件在实时性上并不能满足较高的控制要求，需要专门具有Windows实时扩展的的控制软件，俗成软逻辑的产品

3.还可以通过第三方软件，如OPCServer等简介对设备进行数据采集和控制。

在一个易控工程中可以同时和多种不同类型的设备进行通信，如可以同时有不同厂家的PLC、仪表、智能模块和板卡。

图4.2控制网络系统结构图

在自动