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1、1.什么是現(xiàn)場總線,現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。,2.現(xiàn)場總線的由來,集散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system） 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，操作人員需要綜合掌握多點的運行參數(shù)與信息，需要同時按多點的信息實行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動、電動系列的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。 生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，如0.020.1MPa的氣壓信號，010mA、420mA的直流電流信號，15V直流電壓信號等，送往集中控制室。,由于模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信

2、號變化緩慢，提高計算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，人們開始尋求用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制。 但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受計算機系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家的設(shè)備不能互連在一起，難以實現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。,新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能； 同時把

3、DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身便可實現(xiàn)基本控制功能。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system),智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),1983年，Honeywell推出了智能化儀表Smar變送器，這些帶有微處理器芯片的儀表除了在原有模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了復(fù)雜的計算功能之外，還在輸出的420mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，使現(xiàn)場與控制室之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。 現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控能力指數(shù)，一是得益于儀表的微機化，二是得益于設(shè)備的通信功能。 把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備、

4、使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時為豐富控制信息的內(nèi)容，實現(xiàn)其遠程傳送創(chuàng)造了條件。,,伴隨著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測控儀表的更新?lián)Q代，系統(tǒng)的功能、性能也在不斷完善與發(fā)展，圖4-1為各階段測控儀表能力指數(shù)示意圖。,,它表明，測量控制系統(tǒng)從早期基地式模擬儀表只能實現(xiàn)單點、單控制回路的測控功能開始，逐漸發(fā)展到按裝置或過程的多回路、多變量集中監(jiān)控，整個裝置或車間的優(yōu)化控制，以致實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制與管理一體化。 每一代更新都帶來能力指數(shù)的躍變，同時隨著工具與功能開發(fā)的不斷完善，每一代系統(tǒng)的測控能力指數(shù)會按各自的增長速率不斷升高，為生產(chǎn)過程的控制與管理提供更為完善的服務(wù)

5、，帶來更大的經(jīng)濟效益。這里，圖4-1中對能力指數(shù)的描述在數(shù)值上并不精確，不過是一種示意性的表達而已。,使用現(xiàn)場總線PROFIBUS PA的經(jīng)濟優(yōu)勢：與使用傳統(tǒng)的4-20mA模擬信號系統(tǒng)比較,4 幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù),自80年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢。它們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力。對現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會繼續(xù)發(fā)揮較大作用。,(1)基金會現(xiàn)場總線,基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。 其前身是以美國FisherRosemount公司為

6、首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議。 屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。,H1的傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。 H2的傳輸速率可為1Mbps和25Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IECll582標準。 其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。,基金會現(xiàn)場總線

7、分低速H1和高速H2兩種通信速率。,本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的原理：,通過選擇電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下，產(chǎn)生的電火花的熱效應(yīng)均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實現(xiàn)了電氣防爆。 這種電氣設(shè)備的電路本身就具有防爆性能，也就是從“本質(zhì)”上就是安全的，故稱為本質(zhì)安全型（本安型）。,基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括： FF通信協(xié)議； 用于完成開放互連模型中第27層通信協(xié)議的通信棧(Communication Stack)； 用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典； 用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換

8、等應(yīng)用功能的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)； 以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。,(2) LonWorks,LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)。它是由美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。 它采用了ISOOSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達2700m(78kbps，雙絞線)。 支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，

9、被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。,集成芯片中有3個8位CPU，一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理。 第二個用于完成第36層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡(luò)管理，并負責網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。 第三個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。,LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。,(3) PROFIBUS,PROFIBUS是德國國家標準DINl92

10、45和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。 由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。 DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。 FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。 而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IECll582標準。,該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。 它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。 傳輸速率為9，6kbps12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為lOOm，15Mhp

11、s時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個站點。可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。,(4) CAN,CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network)的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準。 CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。 信號傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達1Mbps40m，直接傳輸距離最遠可達10km5kbps。可掛接設(shè)備數(shù)最多可達110個。 CAN的信號

12、傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。,(5)HART,HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫。 最早由Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。 這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。,它規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令： 第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、執(zhí)行的命

13、令； 第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備(盡管不是全部)中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫； 第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。 在一個現(xiàn)場設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。,5 控制器局域網(wǎng)總線 CAN,5.1 CAN的性能特點 CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。 CAN最初是由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的。 世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-RO

14、YCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都已開始采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。,CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息。利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。 CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134ms內(nèi)得到傳輸。,其特點可概括如下：,CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。 C

15、AN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。,CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個；報文標識符可達2032種(CAN2.0A)，而擴展標準(CAN2.0B)的報文標識符幾乎不受限制。 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。 CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。,CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。,5.2.1 CAN的一些基本概念,報文 總線上的信息以不同格式

16、的報文發(fā)送，但長度有限制。當總線開放時，任何連接的單元均可開始發(fā)送一個新報文。 信息路由 在CAN系統(tǒng)中，一個CAN節(jié)點不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息(如站地址)。這里包含一些重要概念： 系統(tǒng)靈活性-節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下，被接于CAN網(wǎng)絡(luò)。,報文通信-每個報文的內(nèi)容由其標識符ID命名。ID并不指出報文的目的，但描述數(shù)據(jù)的含義，以便網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點有可能借助報文濾波決定該數(shù)據(jù)是否使它們激活。 成組-由于采用了報文濾波，所有節(jié)點均可接收報文，并同時被相同的報文激活。 數(shù)據(jù)相容性-在CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以確保報文同時被所有節(jié)點或者沒有節(jié)點接收，因此，系統(tǒng)的數(shù)

17、據(jù)相容性是借助于成組和出錯處理達到的。,位速率 CAN的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)中是不同的，而在一個給定的系統(tǒng)中，此速度是唯一的，并且是固定的。 優(yōu)先權(quán) 在總線訪問期間，標識符定義了一個報文靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)。 遠程數(shù)據(jù)請求 通過發(fā)送一個遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送一個相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀與對應(yīng)的遠程幀以相同標識符ID命名。,多主站 當總線開放時，任何單元均可開始發(fā)送報文，發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報文的單元，以贏得總線訪問權(quán)。 仲裁 當總線開放時，任何單元均可開始發(fā)送報文，若同時有兩個或更多的單元開始發(fā)送，總線訪問沖突運用逐位仲裁規(guī)則，借助標識符ID解決。 這種仲裁規(guī)則可以使信息和時間

18、均無損失。若具有相同標識符的一個數(shù)據(jù)幀和一個遠程幀同時發(fā)送，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。,檢測錯誤的措施包括： 發(fā)送自檢、 循環(huán)冗余校驗、 位填充、 報文格式檢查。 錯誤檢測具有如下特性： 所有全局性錯誤均可被檢測； 發(fā)送器的所有局部錯誤均可被檢測； 報文中的多至5個隨機分布錯誤均可被檢測； 報文中長度小于15的突發(fā)性錯誤均可被檢測； 報文中任何奇數(shù)個錯誤均可被檢測。,,安全性 為獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳送安全性，在每個CAN節(jié)點中均設(shè)有錯誤檢測、標定和自檢的強有力措施。,出錯標注和恢復(fù)時間 已損報文由檢出錯誤的任何節(jié)點進行標注。這樣的報文將失效，并自動進行重發(fā)送。如果不存在新的

19、錯誤，自檢出錯誤至下一個報文開始發(fā)送的恢復(fù)時間最多為29個位時間。 故障界定 CAN節(jié)點有能力識別永久性故障和短暫擾動，可自動關(guān)閉故障節(jié)點。 連接 CAN串行通信鏈路是一條眾多單元均可被連接的總線，理論上，單元數(shù)目是無限的，實際上，單元總數(shù)受限于延遲時間和(或)總線的電氣負載。,應(yīng)答 所有接收器均對接收報文的相容性進行檢查，回答一個相容報文，并標注一個不相容報文。 睡眠方式及喚醒 為降低系統(tǒng)功耗，CAN器件可被置于無任何內(nèi)部活動的睡眠方式，相當于未連接總線的驅(qū)動器。 睡眠狀態(tài)借助任何總線激活或者系統(tǒng)的內(nèi)部條件被喚醒而告終。,5.2.2 CAN節(jié)點的分層結(jié)構(gòu),5.2.3 報文傳送及其幀結(jié)構(gòu),在

20、進行數(shù)據(jù)傳送時，發(fā)出報文的單元稱為該報文的發(fā)送器。 對于發(fā)送器而言，如果直到幀結(jié)束末尾一直未出錯，則對于發(fā)送器報文有效。如果報文受損，將允許按照優(yōu)先權(quán)順序自動重發(fā)送。為了能同其他報文進行總線訪問競爭，總線一旦空閑，重發(fā)送立即開始。 對于接收器而言，如果直到幀結(jié)束的最后一位一直未出錯，則對于接收器報文有效。,構(gòu)成一幀的幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和CRC序列均借助位填充規(guī)則進行編碼。 當發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到5位連續(xù)的相同數(shù)值時，將自動地在實際發(fā)送的位流中插入一個補碼位。 數(shù)據(jù)幀和遠程幀的其余位場采用固定格式，不進行填充。出錯幀和超載幀同樣是固定格式，也不進行位填充。,報文傳送由4種不同類

21、型的幀表示和控制： 1、數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器； 2、遠程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀； 3、出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送； 4、超載幀用于提供當前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲。 數(shù)據(jù)幀和遠程幀借助幀間空間與當前幀分開。,5.2.3.1 數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場長度可為0。CAN2.0A數(shù)據(jù)幀的組成如圖5-2所示。,在CAN 2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標識符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準幀，而包括29位標識符的幀稱為擴展幀。標準格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

22、如圖5-3所示。,(1)幀起始(SOF)標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，它僅由一個顯位構(gòu)成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時，才允許站開始發(fā)送。所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個站的幀起始前沿。 (2)仲裁場由標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成。仲裁場如圖5-4所示。,為區(qū)別標準格式和擴展格式，將CAN2.0A標準中的r1改記為IDE位。在擴展格式中，先發(fā)送基本ID，其后是IDE位和SRR位。擴展ID在SRR位后發(fā)送。（圖5-3）,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,5.2.6 CAN總線媒體裝置特性,CAN技術(shù)規(guī)范2

23、.0B遵循ISOOSI標準模型，分為邏輯鏈路層和物理層。 其物理層包括位編碼解碼、位定時及同步等內(nèi)容，但對總線媒體裝置，諸如驅(qū)動器接收器特性未作規(guī)定，以便在具體應(yīng)用中進行優(yōu)化設(shè)計。 在1993年形成的國際標準IS011898中對基于雙絞線的CAN總線媒體裝置特性做了建議。,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,ISO 11898建議的電氣連接如圖5-13所示，這里，將連接于總線的每個節(jié)點稱為電子控制裝置(ECU)。總線每個末端均接有以RL表示的抑制反射的終端負載電阻，而位于ECU內(nèi)部的RL應(yīng)予取消?？偩€驅(qū)動可采用單線上拉、單線下拉或雙線驅(qū)動，接收采用差分比較器。,CAN的

24、性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,5.3 CAN總線有關(guān)器件介紹,CAN總線的突出優(yōu)點使其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，這使得許多器件廠商竟相推出各種CAN總線器件產(chǎn)品，已逐步形成系列。而豐富廉價的CAN總線器件又進一步促進了CAN總線應(yīng)用的迅速推廣。 目前，CAN已不僅是應(yīng)用于某些領(lǐng)域的標準現(xiàn)場總線，它正在成為微控制器的系統(tǒng)擴展及多機通信接口。表5-10列出了一些主要的CAN總線產(chǎn)品。,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,5.3.1

25、 CAN通信控制器SJA1000,CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成。 CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和與微控制器接口部分電路組成。 對于不同型號的CAN總線通信控制器，實現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)和功能大都相同，而與微控制器接口部分的結(jié)構(gòu)及方式存在一些差異。這里主要以PHILIPS SJA1000為代表對CAN控制器的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用加以介紹。,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,CAN的性能特點 CAN的技術(shù)規(guī)范 CAN總線有關(guān)器件介紹,二、功能框圖 SJA1000的功能框圖，如圖6-2所示。,,6.3 CAN通信的控制,6.3.1 控制SJA1000

26、通信的基本功能和控制寄存器 主控制器通過應(yīng)用程序來設(shè)定SJA1000的功能，因此我們將對SJA1000進行編程以滿足不同性能的CAN總線系統(tǒng)的要求。 主控制器通過寄存器（控制段）和RAM（報文緩沖器）與SJA1000交換數(shù)據(jù)。 這些控制寄存器和接收及發(fā)送緩沖器 RAM的可尋址窗口，對主控制器而言均為外設(shè)寄存器。,概述 系統(tǒng)構(gòu)成 CAN通信的控制 CAN通信的應(yīng)用,(1) BasicCAN模式地址分配 SJA1000對微處理器而言是存儲器尋址方式的I/O裝置，由于寄存器的設(shè)計是按RAM方式設(shè)計的。 SJA1000的地址范圍包括控制段和報文緩沖器。 在初始化時對控制段進行編程，以便組態(tài)通信參數(shù)。位

27、處理器也是通過此段實現(xiàn)對CAN總線通信的控制。 在初始化時位處理器還可對CLKOUT信號的頻率進行編程。 要發(fā)送的報文，必須寫入SJA1000的發(fā)送緩沖器；正確接收的報文，微處理器可以從接收緩沖器中讀取，并將接收緩沖器釋放以備將來使用。,概述 系統(tǒng)構(gòu)成 CAN通信的控制 CAN通信的應(yīng)用,BasicCAN模式（P101）,微處理器與SJA1000的狀態(tài)、控制和命令信號的交換都是在控制段完成的。,概述 系統(tǒng)構(gòu)成 CAN通信的控制 CAN通信的應(yīng)用, 標示符（ID） 標示符由11位組成（ID.10ID.0），ID.10為最高位，在仲裁過程中它首先被發(fā)送到總線上。 標示符的作用類似于報文的名字，在接

28、收端它被用來進行認可濾波；在仲裁過程中它也用來決定訪問總線的優(yōu)先權(quán)。 標示符所代表的二進制數(shù)值越小，其優(yōu)先權(quán)越高，這是由于二進制數(shù)越小，其高位的顯性位就越多。,概述 系統(tǒng)構(gòu)成 CAN通信的控制 CAN通信的應(yīng)用,時鐘分頻器寄存器（CDR）控制時鐘輸出腳CLKOUT的輸出頻率，并且允許關(guān)斷此位的輸出。 另外，該寄存器還可以控制是否在TX1上增加了一個接收中斷脈沖、旁路接收比較器、選擇BasicCAN還是PeliCAN模式。在硬件復(fù)位后時鐘分頻數(shù)的默認值為00000101、12分頻（Motorola）或為00000000、2分頻（Intel）。 軟復(fù)位對此寄存器沒有影響，保留位CDR.4在寫入時必

29、須為0，以便與將來的功能上保持兼容。,概述 系統(tǒng)構(gòu)成 CAN通信的控制 CAN通信的應(yīng)用,(4) 時鐘分頻器寄存器（CDR）,6.4 CAN 的通信功能的應(yīng)用,通過CAN總線建立通信的過程： 系統(tǒng)上電后 設(shè)置主控制器與SJA1000相關(guān)的硬件及軟件 在SJA1000上電復(fù)位后，設(shè)置CAN控制器的通信功能，包括方式選擇、認可濾波器的設(shè)置、位定時信息等。 在應(yīng)用主程序中 準備要發(fā)送的數(shù)據(jù)并激活SJA1000將數(shù)據(jù)發(fā)出 處理CAN控制器接收到的報文 處理在通信過程中發(fā)生的錯誤,6.4.1 初始化,SJA1000在上電或硬復(fù)拉后，必須對其初始化以便進行通信。 而且在運行過程中還可以通過主控制器對其組態(tài)

30、進行修改 （重新組態(tài)），在進行重新組態(tài)時，首先要進入復(fù)位狀態(tài)。 圖6-12給出了初始化程序的流程并給出了8051的樣本程序。,,,通訊簡介,ProfiBus通訊技術(shù),,,通訊簡介,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,ET200系列是遠程I0站，為減少信號電纜的敷設(shè)，可以在設(shè)備附近根據(jù)不同的要求放置不同類型的I0站，如ET200M、ET200B、ET200X、ET200S等，ET200M適合在遠程站點I0點數(shù)量較多的情況下使用，這里以ET200M為例介紹遠程IO的配置。主站為集成DP接口的CPU。,CPU集成DP口與ET200M之間遠程的通信,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,1、硬件連

31、接,圖3-1 集成DP口CPU與ET200M硬件連接,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,2、資源需求,帶集成DP口的S7-300的CPU315-2DP作為主站。 從站為帶I/O模塊的ET200M。 MPI網(wǎng)卡CP5611。 ProfiBus總線連接器以及電纜。 STEP7 V5.2系統(tǒng)設(shè)計軟件,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,1）、按圖3-1連接CPU315C-2DP集成的DP接口與ET200M的PROFIBUS-DP接口。先用MPI電纜將MPI卡CP5611連接到CPU315-2DP的MPI接口，對CPU315-2DP進行初始化，同時對ET200M的“BUS ADDRESS”撥盤開

32、關(guān)的PROFIBUS地址設(shè)定為4，如圖3-2所示，即把數(shù)字“4”左側(cè)對應(yīng)的開關(guān)撥向右側(cè)即可。如果設(shè)定PROFIBUS地址為6，則把“2”、“4”兩個數(shù)字左側(cè)對應(yīng)的開關(guān)撥向右側(cè)，依此類推。 2）、在STEP7中新建一個“ET200M作為從站的DP通信”的項目。先插入一個S7-300站，然后雙擊“Hardware”選項，進人“Hw config”窗口。點擊“catalog”圖標打開硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號依次插人機架、電源、CPU等進行硬件組態(tài)，如圖3-3所示。,3、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及參數(shù)設(shè)置,圖9-2 ET200M的外形圖,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,圖9-3 CPU315-2DP

33、 RPROFIBUS網(wǎng)絡(luò)配置,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,3）、插入CPU同時，彈出PROFIBUS組態(tài)界面。點擊New按鈕，新建PROFIBUS（1），組態(tài)PROFIBUS站地址為2。點擊“Properties”按鈕組態(tài)網(wǎng)絡(luò)屬性，選擇“Network Settings”，界面如圖“3-4”所示，點擊“OK”按鈕確認，完成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建，同時界面出現(xiàn)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,圖9-4 PROFIBUS-DP的“Network Settings”的參數(shù)設(shè)置,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,4）、在PROFIBUS-DP選項中，通

34、過左邊的“PROFIBUS-DP”“ET200M”“IM153-1”路徑，選擇接口模塊IM153-1，添加到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，如圖“3-5所示”。 圖9-5是加載IM 153-1至PROFIBUS（1）網(wǎng)絡(luò)過程示意，定義ET200M接口模塊IMl53-2的PROFIBUS站地址，組態(tài)的站地址必須與IMl53-2上撥碼開關(guān)設(shè)定的站地址相同，本例中站地址為4。 然后組態(tài)ET200M上IO模塊，設(shè)定I/O點的地址，ET200M的IO地址區(qū)與中央擴展的IO地址區(qū)一致，不能沖突，本例中ET200M上組態(tài)了16點輸入和16點輸出，開始地址為1，訪問這些點時用I區(qū)和Q區(qū)，例如輸入點為I1.0，第一個

35、輸出點為Q1.0，實際使用時ET200M所帶的I/O模塊就好象是集成在CPU 315-2DP上的一樣，編程非常簡單。硬件組態(tài)結(jié)果見圖9-7。,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,圖9-5 加載IM 153-1至PROFIBUS（1）網(wǎng)絡(luò)過程示意,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,圖9-6 IM153的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置,ProfiBus通訊技術(shù),,通訊方法,,圖9-7 315-2DP、ET200M的I/O模塊配置,ProfiBus通訊技術(shù),（2）網(wǎng)絡(luò)部件 工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模塊OLM、ELM OLM（光鏈路模塊）有3個ITP接口和兩個BFOC接口。ITP接口可以連接3個終

36、端設(shè)備或網(wǎng)段，BFOC接口可以連接兩個光路設(shè)備（如OLM等），速度為10Mbit/s。 ELM（電氣鏈路模塊）有個ITP接口和1個AUI接口。通過AUI接口，可以將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接至LAN上，速度為10Mbit/s。 工業(yè)以太網(wǎng)交換機OSM、ESM OSM的產(chǎn)品包括：OSM TP62、OSM TP22、OSM ITP62、OSM ITP62-LD和OSM BC08。從型號就可以確定OSM的連接端口類型及數(shù)量，如：OSM ITP62-LD，其中ITP表示OSM上有ITP電纜接口，“6”代表電氣接口數(shù)量，“2”代表光纖接口數(shù)量，“LD”代表長距離。 ESM的產(chǎn)品包括：ESM TP40、E

37、SM TP80和ESM ITP80，命名規(guī)則和OSM相同。,5.3.1 西門子工業(yè)以太網(wǎng)硬件基本情況,圖5.9 CP243-1,圖5.10 CP343-1,圖5.11 CP443-1,（3）通信處理器 常用的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器（CP，Communicaton Processer，通信處理單元），包括用在S7 PLC站上的處理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。 CP243-1是為S7-200系列PLC設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器，并且支持使用STEP7-Micro/WIN 32軟件，通過以太網(wǎng)對S7-200進行遠程組態(tài)、編程和診斷。同時，S7-200也可

38、以同S7-300、S7-400系列PLC進行以太網(wǎng)的連接。 S7-300系列PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP343-1系列。按照所支持協(xié)議的不同，可以分為CP343-1、CP343-1 ISO、CP343-1 TCP、CP343-1 IT和CP343-1 PN。,5.3.1 西門子工業(yè)以太網(wǎng)硬件基本情況,5.3.1 西門子工業(yè)以太網(wǎng)硬件基本情況,S7-400 PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP443-1系列。按照所支持協(xié)議的不同，可以分為CP443-1、CP443-1 ISO、CP443-1 TCP和CP443-1 IT。,1標準通信（Standard Communication）,表5.2

39、標準通信協(xié)議,5.3.2 西門子支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù),MAP（Manufacturing Automation Protocol，制造業(yè)自動化協(xié)議）提供MMS服務(wù)，主要用于傳輸結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。MMS是一個符合ISO/IES 9506-4的工業(yè)以太網(wǎng)通信標準，MAP3.0的版本提供了開放統(tǒng)一的通信標準，可以連接各個廠商的產(chǎn)品，現(xiàn)在很少應(yīng)用。,5.3.2 西門子支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù),3S7通信 S7通信集成在每一個SIMATIC S7/M7和C7的系統(tǒng)中，屬于OSI參考模型第7層應(yīng)用層的協(xié)議，它獨立于各個網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)（MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)）。 S7通信通過不斷地重復(fù)接收數(shù)

40、據(jù)來保證網(wǎng)絡(luò)報文的正確。在SIMATIC S7中，通過組態(tài)建立S7連接來實現(xiàn)S7通信，在PC上，S7通信需要通過SAPI-S7借口函數(shù)或OPC（過程控制用對象鏈接與嵌入）來實現(xiàn)。 在STEP7中，S7通信需要調(diào)用功能塊SFB（S7-400）或FB（S7-300），最大的通信數(shù)據(jù)可以達64KB。對于S7-400，可以使用系統(tǒng)功能塊SFB來實現(xiàn)S7通信，對于S7-300，可以調(diào)用相應(yīng)得FB功能塊進行S7通信.,5.3.2 西門子支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù),4PG/OP通信 PG/OP通信分別是PG和OP與PLC通信來進行組態(tài)、編程、監(jiān)控以及人機交互等操作的服務(wù)。,圖5.12 S7-300/400 PL

41、C的以太網(wǎng)通信,5.3.2 西門子支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù),1硬件 （1）CPU （2）CP 343-1 IT/CP 343-1 （3）PC（帶網(wǎng)卡） 2軟件 STEP 7 3PG/PC Interface的設(shè)定 在“SIMATIC Manger”界面中，選擇“Options”“Set PG/PC Interface”，進入“Set PG/PC Interface”界面，選定“TCP/IP（Auto）Realtek RTL8193/810”為通信協(xié)議，見圖5.13所示。,5.3.3 S7-300PLC通信所需的硬件與軟件,圖5.13 “Set PG/PC Interface”界面,5.

42、3.3 S7-300PLC通信所需的硬件與軟件,1TCP （1）新建項目 在STEP7中創(chuàng)建一個新項目，取名為“TCP of IE”。點擊右鍵，再彈出的菜單中選擇“Insert New Object”“SIMATIC 300 Station”，插入一個300站，取名為“313C-2DP”。用同樣的方法在項目“TCP of IE”下插另一個300站，取名為“315-2DP”。如圖5.14所示。,圖5.14 建立項目,5.3.4 S7-300PLC-S5通信,（2）硬件組態(tài),圖5.15 “313C-2DP”站的硬件組態(tài),首先對“313C-2DP”站進行硬件組態(tài)，雙擊“Hardware”進入“HW

43、 Config”界面。在機架上加入CPU 313C-2DP、SM 323和CP 343-1 IT，如圖5.15所示：,同時把CPU的MPI地址設(shè)為“4”，CP模塊的MPI地址設(shè)為“5”。CP 343-1 IT可以在“SIMATIC 300”“CP300”“Industrial Ethernet”下找到，見圖5.16。,圖5.16 CP 343-1 IT的硬件位置,用同樣的方法，建立“315-2DP”站的硬件組態(tài)。CPU的MPI地址設(shè)為“2”，CP模塊的MPI地址設(shè)為“3”。CP模塊的IP地址為：10.10.3.58，子網(wǎng)掩碼：255.255.255.192。 硬件組態(tài)好后保存編譯，分別下載到

44、兩臺PLC中。 （3）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置 在做工業(yè)以太網(wǎng)通信的項目時，除了要組態(tài)硬件，還要進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置。 在“SIMATIC Manger”界面中點擊“Configure Network” 鍵，打開“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。此時可以看到兩臺PLC已經(jīng)掛入了工業(yè)以太網(wǎng)中，選中一CPU，點擊鼠標右鍵，選擇“Insert New Connection”建立新的連接，如圖5.18所示。,1.1 組態(tài)軟件概述,組態(tài)是伴隨著計算機軟硬件技術(shù)在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的。為了使用戶在不需要編代碼程序的情況下，便可生成適合自己需求的應(yīng)用系統(tǒng)，就需要專業(yè)的編程開發(fā)人員創(chuàng)建良好的開發(fā)環(huán)境，把軟件模塊化

45、、對象化、便于工程人員調(diào)用，從而獲得目標工程項目的監(jiān)控和控制軟件系統(tǒng)。這種開發(fā)環(huán)境就是“組態(tài)軟件”。 工控領(lǐng)域常會提到組態(tài)（configuration） 工控應(yīng)用軟件=積木式構(gòu)件+基本專業(yè)知識+簡單配置和編程,1.1.2 組態(tài)軟件在我國的發(fā)展主要產(chǎn)品介紹,(1) InTouch：Wonderware的InTouch軟件是最早進入我國的組態(tài)軟件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch軟件曾讓我們耳目一新，并且InTouch提供了豐富的圖庫。但是，早期的InTouch軟件采用DDE方式與驅(qū)動程序通信，性能較差，最新的InTouch9.5版已經(jīng)完全基于32位的Window

46、s平臺。 (2) Fix：Intellution公司以Fix組態(tài)軟件起家，1995年被愛默生收購，現(xiàn)在是愛默生集團的全資子公司，Intellution將自己最新的產(chǎn)品系列命名為iFiX，在iFiX中，Intellution提供了強大的組態(tài)功能。在iFiX中，Intellution的產(chǎn)品與Microsoft的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)進行了緊密的集成。 (3) Citech：CiT公司的Citech也是較早進入中國市場的產(chǎn)品。Citech具有簡潔的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序員，而不是工控用戶。Citech提供了類似C語言的腳本語言進行二次開發(fā)，但與iFix不同的是，Citech的腳本語言并非是面向?qū)ο蟮模穷愃朴贑語言，這無疑為用戶進行二次開發(fā)增加了難度。,,壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)講解,,SCADA系統(tǒng)演示,