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第8章现场总线与工业以太网控制网络技术


第 8 章 现场总线与工业以太网 控制网络技术

8.1 现场总线技术概述
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现场总线是20世纪80年代中后期随着计算机、通信、控制 和模块化集成等技术发展而出现的一门新兴技术,代表自 动化领域发展的最新阶段。 现场总线的概念最早由欧洲人提出,随后北美和南美也都 投入巨大的人力、物力开展研究工作,目前流行的现场总 线已达40多种,在不同的领域各自发挥重要的作用。 关于现场总线的定义有多种。 IEC对现场总线(Fieldbus)一词的定义为:现场总线是一 种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装 置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由 IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工 作的SC65/WG6定义的。

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现场总线是当今自动化领域发展的热点之一,被誉为自动 化领域的计算机局域网。 它作为工业数据通信网络的基础,沟通了生产过程现场级 控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅 是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布式的 控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为 主要内容的综合技术,已受到世界范围的关注而成为自动 化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深 刻变革。

8.1.1 现场总线的产生
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在过程控制领域中,从20世纪50年代至今一直都在使用着 一种信号标准,那就是4~20mA的模拟信号标准。20世纪 70年代,数字式计算机引入到测控系统中,而此时的计算 机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代微处理器在控 制领域得到应用,微处理器被嵌入到各种仪器设备中,形 成了分布式控制系统。在分布式控制系统中,各微处理器 被指定一组特定任务,通信则由一个带有附属“网关”的 专有网络提供,网关的程序大部分是由用户编写的。

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随着微处理器的发展和广泛应用,产生了以IC代替常规电子 线路,以微处理器为核心,实施信息采集、显示、处理、传 输及优化控制等功能的智能设备。 一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表 产品,其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、 自诊断等功能,还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报 告、趋势图等功能。 通信技术的发展,促使传送数字化信息的网络技术开始得到 广泛应用。 与此同时,基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测 试记录、环境监视需求的增加,都要求仪表能在当地处理信 息,并在必要时允许被管理和访问,这些也使现场仪表与上 级控制系统的通信量大增。另外,从实际应用的角度出发, 控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性 等方面提出新需求。 由此,导致了现场总线的产生。

8.1.2 现场总线的本质
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由于标准并未统一,所以对现场总线也有不同的定义。但现 场总线的本质含义主要表现在以下6个方面。 1.现场通信网络 用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信 网络。 2.现场设备互连 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等,这些 设备通过一对传输线互连,传输线可以使用双绞线、同轴电 缆、光纤和电源线等,并可根据需要因地制宜地选择不同类 型的传输介质。 3.互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多,没有任何一家制造商可以提 供一个工厂所需的全部现场设备,所以,互相连接不同制造 商的产品是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在 硬件或软件上花很大气力,而希望选用各制造商性能价格比 最优的产品,并将其集成在一起,实现“即接即用”;用户 希望对不同品牌的现场设备统一组态,构成所需要的控制回 路。

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这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互连是 基本的要求,只有实现互操作性,用户才能自由地集成 FCS。 4.分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,把DCS控制 站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站。 例如,流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输 入模块,而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功 能是信号驱动和执行,还内含输出特性补偿模块,也可以 有PID控制和运算模块,甚至有阀门特性自检验和自诊断 功能。由于功能块分散在多台现场仪表中,并可统一组态, 供用户灵活选用各种功能块,构成所需的控制系统,实现 彻底的分散控制。 5.通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 对于要求本征安全的低功耗现场仪表,可采用这种供电方 式。众所周知,化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物 质,所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准。现场总 线设备也不例外。

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6.开放式互连网络 现场总线为开放式互连网络,它既可与同层网络互连,也 可与不同层网络互连,还可以实现网络数据库的共享。不 同制造商的网络互连十分简便,用户不必在硬件或软件上 花太多气力。通过网络对现场设备和功能块统一组态,把 不同厂商的网络及设备融为一体,构成统一的FCS。

8.1.3 现场总线的特点和优点
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1.现场总线的结构特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线,按控制回路分 别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制 器之间,控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间 均为一对一的物理连接。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备,能够把原先

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DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入 现场设备中,加上现场设备具有通信能力,现场的测量变 送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号,因而控制系 统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表,直接在现 场完成,实现了彻底的分散控制。现场总线控制系统 (FCS)与传统控制系统(如DCS)结构对比如图8-1所示。
操作站 LAN 控制站

操作站 LAN
服务器 现场设备 PROFIBUS-DP 4~20mA H1 网桥

CANBUS

LonWorks现场总线 现场设备

传统的模拟仪表

DeviceNet现场总线

图8-1 FCS与DCS结构比较

由于采用数字信号替代模拟信号,因而可实现一对电线上 传输多个信号,如运行参数值、多个设备状态、故障信息 等,同时又为多个设备提供电源,现场设备以外不再需要 模拟/数字、数字/模拟转换器件。这样就为简化系统结构、 节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造 了条件。 ? 2.现场总线的技术特点 (1)系统的开放性 ? 开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进 行互连并实现信息交换,现场总线开发者就是要致力于建 立统一的工厂底层网络的开放系统。 (2)互可操作性与互用性 ? 这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息 传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而 互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互 换而实现互用。
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(3)现场设备的智能化与功能自治性 ? 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散 到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基 本功能,并可随时诊断设备的运行状态。 (4)系统结构的高度分散性 ? 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现 场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从 根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统 体系,简化了系统结构,提高了可靠性。 (5)对现场环境的适应性 ? 工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是 专为在现场环境工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电 缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰 能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足安全防爆 要求等。

3.现场总线的优点 ? 由于现场总线的以上特点,特别是现场总线系统结构的简 化,使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检 修维护,都体现出优越性。 (1)节省硬件数量与投资 ? 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执 行多种传感、控制、报警和计算功能,因而可减少变送器 的数量,不再需要单独的控制器、计算单元等,也不再需 要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其 复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站,从而节省了一 大笔硬件投资,由于控制设备的减少,还可减少控制室的 占地面积。 (2)节省安装费用 ? 现场总线系统的接线十分简单,由于一对双绞线或一条电 缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架 的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减
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少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可 就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计、 安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料,可节约 安装费用60%以上。 (3)节约维护开销 ? 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并 通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可 以查询所有设备的运行和诊断维护信息,以便及时分析故 障原因并快速排除,缩短了维护停工时间,同时由于系统 结构简化、连线简单而减少了维护工作量。 (4)用户具有高度的系统集成主动权 ? 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统,从 而避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择 范围,不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展, 使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
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(5)提高了系统的准确性与可靠性 ? 由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比, 它从根本上提高了测量与控制的准确度,减少了传送误差。 同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,现场仪表 内部功能加强;减少了信号的往返传输,提高了系统的工 作可靠性。 ? 此外,由于设备标准化和功能模块化,因而还具有设计简 单,易于重构等优点。

8.1.4 现场总线的发展现状
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国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)自1984年 起着手现场总线标准工作,但统一的标准至今仍未完成。 同时,世界上许多公司也推出了自己的现场总线技术。但 太多存在差异的标准和协议,会给实践带来复杂性和不便, 影响开放性和可互操作性。因而在最近几年里开始标

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准统一工作,减少现场总线协议的数量,以达到单一标准 协议的目标。各种协议标准合并的目的是为了达到国际上 统一的总线标准,以实现各家产品的互操作性。 IEC TC65(负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会) 于1999年底通过的8种类型的现场总线作为IEC 61158国际 标准。该标准采用的8种类型现场总线如下:
Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 IEC 61158(FF的H1) ControlNet(美国Rockwell公司支持) PROFIBUS(德国Siemens公司支持) P-Net(丹麦Process Data公司支持) 技术报告 现场总线 现场总线 现场总线

Type 5
Type 6 Type 7 Type 8

FF HSE(即原FF的H2,Fisher-Rosemount公司支持)
SwiftNet(美国波音公司支持) WorldFIP(法国Alstom公司支持) INTERBUS(德国Phoenix Contact公司支持)

现场总线
现场总线 现场总线 现场总线

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另外,IEC TC17B通过的3种现场总线国际标准为: SDS(Smart Distributed System) DeviceNet AS-I(Actuator Sensor-Interface) 除此之外,还有ISO 11898的CAN(Control Area Network)。
中国推出的现场总线标准为EPA(Ethernet Plant Automation),正在积极工作,希望成为未来的国际标准。 工业以太网的引入成为新的热点。工业以太网正在工业自 动化和过程控制市场上迅速增长,几乎所有远程I/O接口技 术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口,如 Siemens、Rockwell、GE Fanuc等,他们销售各自的PLC 产品,但同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的 接口。 从美国VDC公司调查结果也可以看出,在今后3年,以太网 的市场占有率将达到20%以上。FF现场总线正在开发高速 以太网,这无疑大大加强了以太网在工业领域的地位。

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8.1.5 现场总线网络的实现
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现场总线的基础是数字通信,通信就必须有协议,从这个 意义上讲,现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议 的标准。国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI) 协议,是为计算机互联网而制定的七层参考模型,它对任 何网络都是适用的,只要网络中所要处理的要素是通过共 同的路径进行通信。 目前,各个公司生产的现场总线产品没有一个统一的协议 标准,但是各公司在制定自己的通信协议时,都参考OSI七 层协议标准,且大多采用了其中的第1层、第2层和第7层, 即物理层、数据链路层和应用层,并增设了第8层,即用户 层。 1.物理层 物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的 电气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码 方式:Manchester和NRZ,前者同步性好,但频带利用率 低,后者刚好相反。Manchester编码采用基带传输,而 NRZ编码采用频带传输。

调制方式主要有CPFSK和COFSK。 ? 现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。 ? 2.数据链路层 ? 数据链路层又分为两个子层,即介质访问控制层(MAC) 和逻辑链路控制层(LLC)。MAC功能是对传输介质传送 的信号进行发送和接收控制,而LLC层则是对数据链进行 控制,保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的 设备可以是主站,也可以是从站,主站有控制收发数据的 权力,而从站则只有响应主站访问的权力。 ? 关于MAC层,目前有三种协议: (1)集中式轮询协议 ? 其基本原理是网络中有主站,主站周期性地轮询各个节点, 被轮询的节点允许与其他节点通信。 (2)令牌总线协议 ? 这是一种多主站协议,主站之间以令牌传送协议进行工作, 持有令牌的站可以轮询其他站。 (3)总线仲裁协议 ? 其机理类似于多机系统中并行总线的管理机制。
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3.应用层 应用层可以分为两个子层,上面子层是应用服务层(FMS 层),它为用户提供服务;下面子层是现场总线存取层 (FAS层),它实现数据链路层的连接。 应用层的功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量 的访问。它为用户应用提供接口,定义了如何应用读、写、 中断和操作信息及命令,同时定义了信息、句法(包括请 求、执行及响应信息)的格式和内容。应用层的管理功能 在初始化期间初始化网络,指定标记和地址。同时按计划 配置应用层,也对网络进行控制,统计失败和检测新加入 或退出网络的装置。 4.用户层 用户层是现场总线标准在OSI模型之外新增加的一层,是现 场总线控制系统开放与可互操作性的关键。 用户层定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装 置分派信息的方法,即规定了供用户组态的标准“功能模 块”。事实上,各厂家生产的产品实现功能块的程序可能 完全不同,但对功能块特性描述、参数设定及相互连接的 方法是公开统一的。信息在功能块内经过处理后输出,用 户

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对功能块的工作就是选择“设定特征”及“设定参数”, 并将其连接起来。功能块除了输入输出信号外,还输出表 征该信号状态的信号。

8.1.6 现场总线技术的发展趋势
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发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点, 国际上现场总线的研究、开发,使测控系统冲破了长期封 闭系统的禁锢,走上开放发展的征程,这对我国现场总线 控制系统的发展是个极好的机会,也是一次严峻的挑战。 现场总线技术是控制、计算机、通信技术的交叉与集成, 涉及的内容十分广泛,应不失时机地抓好我国现场总线技 术与产品的研究与开发。 自动化系统的网络化是发展的大趋势,现场总线技术受计 算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月 异,发展十分迅猛,一些具有重大影响的网络新技术必将 进一步融合到现场总线技术之中,这些具有发展前景的现 场总线技术有:

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智能仪表与网络设备开发的软硬件技术; 组态技术,包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等; 网络管理技术,包括网络管理软件、网络数据操作与传输; 人机接口、软件技术; 现场总线系统集成技术。 现场总线属于尚在发展的技术,我国在这一技术领域还刚 刚起步。了解国际上该项技术的现状与发展动向,对我国 相关行业的发展,对自动化技术、设备的更新,无疑具有 重要的作用。 总体说来,自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的 方向前进,这一发展趋势是肯定的。既然是总线,就要向 着趋于开放统一的方向发展,成为大家都遵守的标准规范, 但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛,几乎覆盖了 所有连续、离散工业领域,如过程自动化、制造加工自动 化、楼宇自动化、家庭自动化等等。

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大千世界,众多领域,需求各异,一个现场总线体系下可 能不止容纳单一的标准。另外,从以上介绍也可以看出, 几大技术均具有自己的特点,已在不同应用领域形成了自 己的优势。加上商业利益的驱使,它们都正在十分激烈的 市场竞争中求得发展。 有理由认为:在从现在起的未来10年内,可能出现几大总 线标准共存,甚至在一个现场总线系统内,几种总线标准 的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。

8.2 现场总线与企业网络
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企业网络主要由处理企业管理与决策信息的信息网络和处 理企业现场实时测控信息的控制网络两部分组成。信息网 络处于企业的上层,处理大量的、变化和多样的信息,具 有高速、综合的特点;控制网络采用现场总线技术,处于 企业的底层,处理实时的、现场传感器和执行器等设备的 现场信息,具有协议简单、安全可靠、容错性强及低成本 等特点。

8.2.1 企业网络
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企业网络一般是指在一个企业范围内将信号检测、数据传 输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起, 将企业范围内的网络、计算、存储等资源连接在一起,提 供企业内的信息共享、员工间的便捷通信和企业外部的信 息访问,提供面向客户的企业信息查询及业务伙伴间的信 息交流等多方面功能的一个计算机网络。 企业网能够实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控 制、经营决策,并能够访问企业外部的信息资源,使得企 业的各项事务能协调运作,从而实现企业集成管理和控制 的一种网络环境。 企业网络是众多新技术的综合应用的结果。企业网络在技 术上涉及到其集成和实现,在应用上要考虑企业网络本身, 而且要考虑企业网络周围的环境。企业网络组成技术和企 业网络实现技术是支撑构成企业网络应用的基础。 企业网络的结构如图8-2所示。

商业战略 企业资源计划 信息网络

生产系统

控制网络 控制系统

控制系统

控制系统

图8-2 企业网络结构

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企业网络组成技术包括:计算机技术,数据库技术,网络 与通信技术,控制技术,现场总线技术,多媒体技术和管 理技术。 企业网络实现技术包括:局域网,广域网,网络互连,系 统集成,Internet,Intranet和Extranet。

8.2.2 企业网络技术
1.企业网络技术的需求 ? 目前,企业网络已渗透到国民经济的各个领域,对企业的 产业结构、产品结构、经营管理、服务方式等带来了革命 性的影响,并成为衡量一个企业科技水平和综合力量的重 要指标。企业网络的应用不仅可以改造传统产业,提高产 品的附加值,而且对推动企业的发展,促进产业经济信息 化也将起到关键性的作用。 ? 2.企业网络的特性 ? 企业网络具有四种特性。 (1)范围确定性 ? 企业网络是在有关企业范围内为实现企业的集成管理和控 制而建成的网络环境,具有特定的地域和服务范围,并能 实现从现场实时控制到管理决策支持的功能。 (2)集成性 ? 企业网络通过对计算机技术、信息与通信技术和控制技术 等技术的集成,达到了现场信号监测、数据处理、实时控
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制到信息管理、经营决策等功能上的集成,从而构成了企 业信息基础设施的基本骨架。 (3)安全性 ? 企业网络区别于Internet和其他网络。它作为相对独立单位 的某个企业的内部网络,在企业信息保密和防止外部入侵 方面要求高度的安全性,要确保企业能通过企业网络获取 外部信息和发布内部公开信息,相对独立和安全地处理内 部事务。 (4)相对开放性 ? 企业网络是连接企业各部门的桥梁和纽带,它是一个广域 网,并与Internet连通,以实现企业对外联系的职能。 ? 3.企业信息化与自动化的层次模型 ? 企业信息化与自动化的典型三层模型是:信息层、自动化 层和设备层。 (1)设备层 ? 设备层的设备种类繁多,有传感器、启动器、驱动器、I/O 部件、变送器、执行机构、变换器、阀门等。设备的多样 性要求设备层满足开放性要求,各厂商遵循公认的标准,
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保证产品满足标准化;来自不同厂家的设备在功能上可用 相同功能的同类设备互换,实现可互换性;不同厂家的设 备可以相互通信,在多厂家的环境中完成功能,实现可互 操作性。 (2)自动化层 ? 自动化层实现控制系统的网络化,控制网络遵循开放的体 系结构与协议;对设备层的开放性,允许符合开放标准的 设备方便地接入;对信息层的开放性,允许与信息层互连、 互通、互操作。 ? 自动化层控制网络的出现与发展,为实现自动化层开放性 策略打下了良好的基础。 (3)信息层 ? 信息层较好地实现开放性策略,各类局域网满足IEEE 802
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标准,信息网络的互连遵循TCP/IP协议。

8.2.3 企业网络的体系结构
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根据计算机集成制造系统CIM-OSA模型和PUDU模型,企 业的控制管理层次大致可分为5层,如图8-3所示。
VAX (mainframe)
Workstation VAX Workstation PC PLC,CNC PC μP,μC 现场总线 控制系统

公司管理 工厂管理层 监控层

WAN

LAN

现场层或单元控制层 设备,传感器-执行器层

图8-3 企业的控制管理层次

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1.体系结构 应用需求的提高和相关技术的发展,要求企业网络能同时 处理数据、声音、图像、视频等多媒体信息,满足企业从 管理决策到现场控制自上而下的应用需求,实现对多种媒 体、多种功能的集成。 企业网络的结构按功能可分为信息网络和控制网络上下两 层,其体系结构如图8-4所示。
数据库
服务器

工作站

信息网络

协议转换网关

控制网络

PLC

DCS

智能变送器

智能执行器

图8-4 企业网络的体系结构

(1)信息网络 ? 信息网络位于企业网络的上层,是企业数据共享和传输的 载体。 (2)控制网络 ? 控制网络位于企业网的下层,与信息网络紧密地集成在一 起,服从信息网络的操作,同时又具有独立性和完整性。 它的实现既可以用工业以太网,也可以采用自动化领域的 新技术——现场总线技术,或者工业以太网与现场总线技 术的结合。 (3)信息网络与控制网络互连的逻辑结构 ? 传统的企业模型具有分层结构,然而随着信息网络技术的 不断发展,企业为适应日益激烈的市场竞争的需要,已提 出分布化、扁平化和智能化的要求。 ? 信息网络和控制网络互连主要基于以下目的: ? 将测控网络连接到更大的网络系统中,如Intranet, Extranet和Internet。 ? 提高生产效率和控制质量,减少停机维护和维修的时间。 ? 实现集中管理和高层监控。

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实现远程异地诊断和维护。 利用更为及时的信息,提高控制管理及决策的水平。 信息网络与控制网络互连的逻辑结构如图8-5所示。
信息收集 信 息 网 络 监控和配置信息 连 接 层 监控和配置信息 信息收集 控 制 网 络

图8-5 信息网络与控制网络互连的逻辑结构

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2.控制网络系统与信息管理系统的关系 控制网络系统与信息管理系统的关系如图8-6所示。

数据组织 知识发现

系统维护
信息管理系统 生产监控 资源调度 优化决策 信号监控 信息收集 状态监视 控制网络系统 运行控制

局部优化
系统协调

图8-6 控制网络系统与信息管理系统的关系

8.2.4 企业网络的实现
1.企业网络的建立 ? 企业网络的建立有以下几种方式: ? 将信息网络与自动化层的控制网络统一组网,融为一体, 然后通过路由器(R)与设备层的现场总线控制网络进行互 连,从而形成一体化的工业企业网,如图8-7所示。 ? 各现场设备的控制功能由嵌入式系统实现,嵌入式系统通 过网络接口接入控制网络。该控制网络与信息网络统一构 建,从而形成一体化的工业企业网络,如图8-8所示。 ? 将现场总线控制网络与Intranet集成,如图8-9所示。 ? 其中主要涉及以下技术。 (1)客户-服务器模式 ? 客户-服务器模式是分布式应用程序之间通信的一种有效方 式,通常服务器和客户运行于通过某种网络互连的不同平 台之上,运行在服务器上的进程为发出请求的客户进程提 供所需信息。在企业网络中,现场总线与信息网络在物理 上的连接使其可作为整个网络的一个节点加入到客户-服务 器模式之中,并服从客户-服务器模式的技术规范。
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(2)动态浏览器技术 ? 浏览器是Internet和Intranet中最有代表性的应用之一,它 以HTTP协议和HTML语言为通用标准,以超文本界面的形 式极大地方便了人们在Internet和Intranet上查找和提取有 用信息。使用动态浏览器技术(Dynamic Browser),可 以把现场设备的运行状况通过浏览器的方式动态地展现在 处于监控站位置的操作员面前。 (3)动态数据库技术 ? 动态数据库是动态浏览器的前提和基础,动态数据库根据 现场信息动态地修改自身数据,时刻保持与现场的同步, 与之相对应,便需要一个动态数据库管理系统(Dynamic Data Base Management System,DDBMS)对其提供管 理。 (4)Java技术 ? Java是1995年由Sun公司开发而成的新一代编程语言,经 过几年的发展,随着JavaOS、Java芯片、Java卡和嵌入 式Java等新概念的出现,Java将以一种平台、一种计算模 式影响诸多领域。就控制领域而言,因为Java最初就是为 控制电视、烤面包箱等家用电器开发的,这就决定它在控 制领域也会得到一定程度的应用。

控制网络

信息网络

企业网络

现场总线控制网络

图8-7 通过互连构建一体化的企业网络

信息网络 控制网络 企业网络

嵌入式系统

图8-8 通过控制网络构建一体化的企业网络

监控站

动态浏览器

控制 信息 控制 信息

现场 信息 动态数据库

控制 信息

现场 信息

现场测控装置

图8-9 现场总线控制网络与Intranet集成

2.分布式控制网络平台 (1)分布式控制网络技术的目标 ? 分布式控制网络技术的目标如下: ? 屏蔽各种现场总线控制网络之间的差异,实现各现场总线 控制网络透明地互连,使现场总线之间的通信及其现场设
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备之间的通信畅通无阻。 ? 实现分布式控制网络接入系统与设备的协同工作,构筑一 个开放式的控制网络。 ? 实现控制网络与信息网络的无缝集成,建立一体化的企业 网络。 (2)分布式控制网络的结构 ? 主从式结构控制网络的不足之处是:增加了系统的复杂性 和额外的资源开销;通信控制器一般为专用控制器,不具 备开放性系统的基本条件;控制网络的层次结构使网络间 通信受到限制。为了克服主从式控制网络结构的不足,可 以采用一种分布式控制网络结构,如图8-10所示。 ? 该分布式控制网络的上层一般为WAN、LAN、 Internet/Intranet,下层的现场总线/以太控制网络通过IP路 由器与上层网络连接。 ? 分布式控制网络的软件分层结构如图8-11所示。

服务器

工作站

Internet/ Intranet LAN WAN

路由器

现场总线控制网络

路由器

图8-10 分布式控制网络结构

全局控制服务器 设备描述 数据 Web 数据处理 文件 服务站 管理 工具

控制客户机 监督 操作 维护 TCP/IP 网络接口

IP路由器

路由选择
协议转换 现场总线/以太控制网络通信协议 通信协议

控制节点

应用程序 过程I/O

图8-11 分布式控制网络的软件分层结构

8.2.5 企业网络Intranet
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随着越来越激烈的企业间竞争,企业必须进行全面的策划, 加强扩大企业内部、企业合作伙伴以及企业与市场间的信 息通信,以实现正确、迅速的经营决策。Intranet的出现保 证了按需要及时发送信息,保证信息最新并正确有效,而 且便于企业对内部信息进行管理维护,从而使跨地区协同 工作成为现实。 1.Intranet的定义 Intranet是Internal Internet的缩写,是应用Internet中的 Web浏览器、Web服务器、HTML、HTTP、TCP/IP网络协 议和防火墙等先进技术,建立供企业内部进行信息访问的 独立网络。 2.Intranet的特征 Intranet是一种内部网络,它采用Internet、万维网的标准 和基础设施,并通过防火墙(Firewall)与Internet相隔离。 Intranet只是进一步扩展企业现有的网络设施,而不是抛弃 原有系统,各公司只要在基于TCP/IP协议的网络基础上, 利用Web服务器软件、浏览器软件、公共网关接口(CGI) 和防火墙等,就能建立起Intranet,并同时与Internet相连。

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Intranet最大的特征就是安全性,具有开放性、跨平台兼容 性、可联机共享多媒体信息、投资少、回收快等特点,因 而受到世界上许多企业的重视。

8.2.6 信息网络与控制网络
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1.信息网络与控制网络的区别 信息网络与控制网络的主要区别如下: ① 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控 制系统最基本的要求。一般来说,过程控制系统的响应时 间要求为0.01s~0.5s,制造自动化系统的响应时间要求为 0.5s~2.0s,信息网络的响应时间要求为2.0s~6.0s。在信息 网络的大部分使用中实时性是忽略的。 ② 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 控制网络应具有在高温、潮湿、震动、腐蚀、电磁干扰等 工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力, 并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在易燃易爆场 合,控制网络还具有本质安全性能。

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③ 在企业自动化系统中,由于分散的单一用户要借助控制 网络进入某个系统,通信方式多使用广播或组播方式;在 信息网络中某个自主系统与另一个自主系统一般都使用一 对一通信方式。 ④ 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的 互操作问题。 2.信息网络与控制网络的互连 只要给智能设备进行IP地址编址,并安装上Web服务器, 便可以获得测量控制设备的参数,人们也就可以通过 Internet与智能设备进行交互。 在计算机网络技术的推动下,控制系统向开放性、智能化 与网络化方向发展,产生了控制网络Infranet。在此之前, 基于Web的信息网络Intranet成为企业内部信息网的主流。 相对而言,控制网络是一个新技术,其相关技术还正在发 展中。 3.信息网络与控制网络的集成 控制网络与信息网络集成的目标是实现管理与控制一体化 的、统一的、集成的企业网络。企业要实现高效率、高效 益、高柔性,必须有一个高效的、统一的企业网络支持。

8.3 现场总线简介
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目前,国际上影响较大的现场总线有40多种,比较流行的 主要有FF、PROFIBUS、CAN、DeviceNet、LonWorks、 CC-Link等现场总线。

8.3.1 基金会现场总线(FF)
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基金会现场总线,即Foundation Fieldbus,简称FF,是在 过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。 其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首,联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议, 以及以Honeywell公司为首、联合欧洲等地的150家公司制 订的WorldFIP协议。 屈于用户的压力,这两大集团于1994年9月合并,成立了 现场总线基金会,致力于开发出国际上统一的现场总线协 议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层、 数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用 层上增加了用户层。

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基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的 传输速率为31.25kbps,通信距离可达1900m(可加中继器 延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2的 传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种,其通信距离为750m和 500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协 议符合IEC1158-2标准。 为满足用户需要,Honeywell、Ronan等公司已开发出可完 成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片,许多仪表公 司已开发出符合FF协议的产品。

8.3.2 PROFIBUS
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PROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准 EN50170的现场总线,ISO/OSI模型也是它的参考模型。 由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA组 成了PROFIBUS系列。 DP型用于分散外设间的高速传输,适合于加工自动化领域 的应用。 FMS为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程 控制器、低压开关等一般自动化。

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PA型则是用于过程自动化的总线类型,它遵从IEC1158-2 标准。 该项技术是以西门子公司为主的十几家德国公司、研究所 共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。 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。 主站具有对总线的控制权,可主动发送信息。 对多主站系统来说,主站之间采用令牌方式传递信息,得 到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权, 并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。 按PROFIBUS的通信规范,令牌在主站之间按地址顺序, 沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时,可以按主-从 方式,向从站发送或索取信息,实现点对点通信。主站可 采取对所有站点广播(不要求应答),或有选择地向一组 站点广播。 PROFIBUS的传输速率为9.6kbps~12Mbps,最大传输距 离在9.6kbps时为1200m,1.5Mbps时为200m,可用中继 器延长至10km。其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆, 最多可挂接127个站点。

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PROFIBUS与以太网相结合,产生了PROFInet技术,取代 了PROFIBUS-FMS的位置。1997年7月在北京成立了我国 的PROFIBUS专业委员会(CPO),挂靠在中国机电一体 化技术和应用协会。PROFIBUS现场总线已于2001年成为 我国的机械行业标准JB/T 10308.3-2001《测量和控制数字 数据通信工业控制系统用现场总线第3部分:PROFIBUS规 范》,2002年3月1日开始实施。

8.3.3 CAN
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CAN是控制器局域网Controller Area Network的简称,最 早由德国BOSCH公司提出,用于汽车内部测量与执行部件 之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订 为国际标准,得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、 NEC等公司的支持,已广泛应用在离散控制领域。 CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基 础上的,不过,其模型结构只有3层,只取OSI的物理层、 数据链路层和应用层。其信号传输介质为双绞线,通信速 率最高可达1Mbps/40m,直接传输距离最远可达 10km/5kbps,可挂接设备最多可达110个。

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CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个, 因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时, 具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系,使总线 上的其他节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力。 CAN支持多主方式工作,网络上任何节点均可在任意时刻 主动向其他节点发送信息,支持点对点、一点对多点和全 局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术,当出现 几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继 续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避 免了总线冲突。 已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片,如 Intel公司的82527,Motorola公司的MC68HC908AZ60Z, Philips公司的SJA1000等。还有插在PC机上的CAN总线适 配器,具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优 点。

8.3.4 DeviceNet
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DeviceNet是一种低成本的通信连接,它将工业设备连接到 网络,从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet又是一种简单 的网络解决方案,在提供多供货商同类部件间的可互换性 的同时,减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。 DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信,而且同 时提供了相当重要的设备级诊断功能,这是通过硬接线I/O 接口很难实现的。 DeviceNet是一个开放式网络标准。规范和协议都是开放的, 厂商将设备连接到系统时,无需购买硬件、软件或许可权。 任何人都能以少量的复制成本从开放式DeviceNet供货商协 会(ODVA)获得DeviceNet规范。任何制造DeviceNet产 品的公司都可以加入ODVA,并参加对DeviceNet规范进行 增补的技术工作组。 在现代的控制系统中,不仅要求现场设备完成本地的控制、 监视、诊断等任务,还要能通过网络与其他控制设备及 PLC进行对等通信,因此现场设备多设计成内置智能式。 基于这样的现状,美国Rockwell Automation公司于1994年 推出了DeviceNet网络,实现低成本高性能的工业设备的网 络互连。

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DeviceNet价格低、效率高,特别适用于制造业、工业控制、 电力系统等行业的自动化,适合于制造系统的信息化。 2000年2月上海电器科学研究所与ODVA签署合作协议,共 同筹建ODVA China,目的是把DeviceNet这一先进技术引 入中国,促进我国自动化和现场总线技术的发展。 2002年10月8日,DeviceNet现场总线被批准为国家标准。 DeviceNet中国国家标准编号为GB/T18858.3-2002,名称为 《低压开关设备和控制设备 控制器——设备接口(CDI) 第3部分:DeviceNet》。该标准于2003年4月1日开始实施。

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8.3.5 LonWorks LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术,它是由美

国Echelon公司推出并由它们与Motorola、Toshiba公司共同 倡导,于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型 的全部七层通信协议,采用了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,其通信速率从 300bps至1.5Mbps不等,直接通信距离可达到2700m (78kbps,双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射 频、红外线、电源线等多种通信介质,被誉为通用控制网络。

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LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron 的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU,一个用 于完成开放互连模型中第1~2层的功能,称为媒体访问控制 处理器,实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第 3~6层的功能,称为网络处理器,进行网络变量的寻址、处 理、背景诊断、函数路径选择、软件计量、网络管理,并 负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器, 执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓 冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和 应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片 MC143120E2就包含了2KB RAM和2KB EEPROM。 Echelon公司又成功推出PL3120和PL3150电力线智能收发 器,它将一个神经元处理器核心和一个电力线收发器集成 在一起,特别适用于家用电器、音响/视频、照明、家热/制 冷、安防、计量表和灌溉等领域。 另外,在开发智能通信接口、智能传感器方面,LonWorks 神经元芯片也具有独特的优势。 LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASHRE定为建 筑自动化协议BACnet的一个标准。美国消费电子制造商协 会已经通过决议,以LonWorks技术为基础制定了EIA-709

标准。这样,LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片 设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最 终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、 推广、应用体系结构,吸引了数万家企业参与到这项工作 中来,这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。

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8.3.6 CC-Link

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在1996年11月,以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家 设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了现 场总线CC-Link,第一次正式向市场推出了CC-Link这一全 新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。并于1997年获 得日本电机工业会(JEMA)颁发的杰出技术成就奖。 CC-Link是Control & Communication Link(控制与通信链 路系统)的简称。即:在工控系统中,可以将控制和信息 数据同时以10Mbps高速传输的现场网络。CC-Link具有性 能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。作 为开放式现场总线,CC-Link是惟一起源于亚洲地区的总线 系统,CC-Link的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯。 1998年,汽车行业的马自达、五十铃、雅马哈、通用、铃

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木等也成为了CC-Link的用户,而且CC-Link迅速进入中国 市场。1999年,销售业绩已17万个节点,2001年达到了72 万个节点,到2001年累计量达到了150万个节点,其增长 势头迅猛,在亚洲市场占有份额超过15%(据美国工控专 用调查机构ABC调查)。 CC-Link是一个技术先进、性能卓越、应用广泛、使用简单、 成本较低的开放式现场总线,其技术发展和应用有着广阔 的前景。

8.4 CAN现场总线
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早在20世纪80年代初,德国的BOSCH公司就提出了用 CAN(Controller Area Network)控制器局域网络来解决 汽车内部的复杂硬信号接线。目前,其应用范围已不再局 限于汽车工业,而向过程控制、纺织机械、农用机械、机 器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN总 线以其独特的设计,低成本、高可靠性、实时性、抗干扰 能力强等特点得到了广泛的应用。 1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具、数据信息

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交换、高速通信控制器局域网国际标准ISO 11898 CAN高 速应用标准,ISO 11519 CAN低速应用标准,这为控制器 局域网的标准化、规范化铺平了道路。CAN具有如下特点: CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可以在任意时刻 主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从,通信方 式灵活,且无需站地址等节点信息。 CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的 实时要求,高优先级的数据最多可在134μs内得到传输。 CAN采用非破坏性总线仲裁技术。 CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全 局广播等几种方式传送接收数据,无需专门的“调度”。 CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下); 通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。 CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110 个;报文标识符可达2032种(CAN2.0A),而扩展标准 (CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,具有极好的 检错效果。

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CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,保证了数 据出错率极低。 CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以 使总线上其他节点的操作不受影响。

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8.4.1 CAN的技术规范

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控制器局域网(CAN)为串行通信协议,能有效地支持具 有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广, 从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。在汽 车电子行业里,使用CAN连接发动机控制单元、传感器、 防刹车系统等等,其传输速度可达1Mbps。同时,可以将 CAN安装在卡车本体的电子控制系统里,诸如车灯组、电 气车窗等等,用以代替接线配线装置。 制订技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立 兼容性。可是,兼容性有不同的方面,比如电气特性和数 据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现柔韧性, CAN被细分为以下不同的层次: CAN对象层(the object layer)

CAN传输层(the transfer layer) ? 物理层(the physical layer) ? 对象层和传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层 的服务和功能。对象层的作用范围包括: ? 查找被发送的报文。 ? 确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文。 ? 为应用层相关硬件提供接口。 ? 1.CAN的基本概念 (1)报文 ? 总线上的信息以不同格式的报文发送,但长度有限制。当 总线开放时,任何连接的单元均可开始发送一个新报文。 (2)位速率 ? CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的,而在一个给 定的系统中,此速度是唯一的,并且是固定的。 (3)优先权 ? 在总线访问期间,标识符定义了一个报文静态的优先权。 (4)远程数据请求
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通过发送一个远程帧,需要数据的节点可以请求另一个节 点发送一个相应的数据帧,该数据帧与对应的远程帧以相 同标识符ID命名。 (5)多主站 ? 当总线开放时,任何单元均可开始发送报文,发送具有最 高优先权报文的单元,以赢得总线访问权。 (6)仲裁 ? 当总线开放时,任何单元均可开始发送报文,若同时有两 个或更多的单元开始发送,总线访问冲突运用逐位仲裁规 则,借助标识符ID解决。 (7)故障界定 ? CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动,可自动关闭 故障节点。 (8)连接 ? CAN串行通信链路是一条众多单元均可被连接的总线,理 论上,单元数目是无限的,实际上,单元总数受限于延迟 时间和(或)总线的电气负载。 (9)总线数值表示
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总线上具有两种互补逻辑数值:显性电平和隐性电平。在 显性位与隐性位同时发送期间总线上数值将是显性位。 (10)应答 ? 所有接收器均对接收报文的相容性进行检查,应答一个相 容报文,并标注一个不相容报文。 ? 2.报文传送和帧结构 ? 对于报文发送器和接收器,报文的实际有效时刻是不同的。 对于发送器而言,如果直到帧结束末尾一直未出错,则对 于发送器报文有效。如果报文受损,将允许按照优先权顺 序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞争,总 线一旦空闲,重发送立即开始。对于接收器而言,如果直 到帧结束的最后一位一直未出错,则对于接收器报文有效。 ? 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列 均借助位填充规则进行编码。当发送器在发送的位流中检 测到5位连续的相同数值时,将自动地在实际发送的位流中 插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格 式,不进行填充,出错帧和超载帧同样是固定格式,也不 进行位填充。 ? 位填充方法如图8-12所示。
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未填充位流 填充位流 其中:xyz∈{0,1}

100000xyz 1000001xyz

011111xyz 0111110xyz

图8-12 位填充

报文中的位流按照非归零(NRZ)码方法编码,这意味着 一个完整位的位电平要么是显性,要么是隐性。 ? 报文传送由4种不同类型的帧表示和控制: ? 数据帧携带数据由发送器至接收器; ? 远程帧通过总线单元发送,以请求发送具有相同标识符的 数据帧; ? 出错帧由检测出总线错误的任何单元发送; ? 超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。 ? 数据帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。 (1)数据帧 ? 数据帧由7个不同的位场组成,即帧起始、仲裁场、控制
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场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据场 长度可为0。CAN2.0A数据帧的组成如图8-13所示。
帧间空间
数据帧 帧间空间 或超载帧 仲裁场 控制场 数据场 CRC场 帧结束

帧起始

ACK场

图8-13 数据帧组成

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在CAN 2.0B中存在两种不同的帧格式,其主要区 别在于标识符的长度,具有11位标识符的帧称为 标准帧,而包括29位标识符的帧称为扩展帧。标 准格式和扩展格式的数据帧结构如图8-14所示。

标准格式 S O F

仲裁场

控制场 R I r T D R E 0 D L C

数据场

11位标识符

扩展格式

仲裁场

控制场 D L C

数据场

S R r r S I 11位标识符 R D 18位标识符 T O R1 0 R E F

图8-14 标准格式和扩展格式数据帧

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为使控制器设计相对简单,并不要求执行完全的扩展格式, 但必须不加限制地执行标准格式。 ① 帧起始(SOF) 标志数据帧和远程帧的起始,它仅由一个显性位构成。只 有在总线处于空闲状态时,才允许站开始发送。所有站都 必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。 ② 仲裁场 由标识符和远程发送请求(RTR)组成。仲裁场如图8-15 所示。

帧间空间

帧起始

仲裁场

控制场

标识符

RTR位

图8-15 仲裁场组成

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对于CAN 2.0B标准,标识符的长度为11位,这些位以从高 位到低位的顺序发送,最低位为ID.0,其中最高7位 (ID.10~ID.4)不能全为隐性位。 ③ 控制场 由6位组成,如图8-16所示。
仲裁场 控制场 数据场或CRC场

r1

r0

DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 数据长度码

保留位

图8-16 控制场组成

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④ 数据场 由数据帧中被发送的数据组成,它可包括0~8个字节,每个 字节8位。首先发送的是最高有效位。 ⑤ CRC场 包括CRC序列,后随CRC界定符。CRC场结构如图8-17所 示。
CRC场

ACK场

CRC序列

CRC界定符

图8-17 CRC场结构

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CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成,最适用于 位数小于127(BCH码)的帧。 ⑥ 应答场(ACR) 为两位,包括应答间隙和应答界定符,如图8-18所示。

CRC场

ACK场

帧结束

ACK间隙

ACK界定符

图8-18 应答场组成

⑦ 帧结束 ? 每个数据帧和远程帧均由7个隐性位组成的标志序列界定。 (2)远程帧 ? 激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化 各自源节点数据的发送。远程帧由6个不同分位场组成:帧 起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。 ? 同数据帧相反,远程帧的RTR位是隐性位。远程帧不存在 数据场。DLC的数据值是独立的,它可以是0~8中的任何数 值。远程帧的组成如图8-19所示。
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帧间空间

远程帧

帧间空间 或超载帧

仲裁场 帧起始

控制场

CRC场

帧结束 ACK场

图8-19 远程帧组成

(3)出错帧 ? 出错帧由两个不同场组成,第一个场由来自各帧的错误标 志叠加得到,后随的第二个场是出错界定符。出错帧的组 成如图8-20所示。
数据帧
错误标志 错误标志叠加 出错帧

帧间空间 或超载帧 错误界定符

图8-20 出错帧组成

为了正确地终止出错帧,一种“错误认可”节点可以使总 线处于空闲状态至少三位时间(如果错误认可接收器存在 本地错误),因而总线不允许被加载至100%。 (4)超载帧 ? 超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定符,如图8-21 所示。
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帧结束或 超载帧 帧间空间 或超载帧 超载界定符 错误界定符 超载标志

超载标志叠加

超载界定符

图8-21 超载帧组成

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存在两种导致发送超载标志的超载条件:一个是要求延迟 下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件;另一个是在 间歇场检测到显性位。

(5)帧间空间 ? 数据帧和远程帧同前面的帧相同,不管是何种帧(数据帧、 远程帧、出错帧或超载帧)均以称之为帧间空间的位场分 开。相反,在超载帧和出错帧前面没有帧间空间,并且多 个超载帧前面也不被帧间空间分隔。 ? 帧间空间包括间歇场和总线空闲场,对于前面已经发送报 文的“错误认可”站还有暂停发送场。对于非“错误认可” 或已经完成前面报文的接收器,其帧间空间如图8-22所示。
帧 帧间空间 帧

间歇场

总线空闲

图8-22 非“错误认可”帧间空间

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对于已经完成前面报文发送的“错误认可”站,其帧间空 间如图8-23所示。
帧 帧间空间 间歇场 暂停发送场 总线空闲 帧

图8-23 “错误认可”帧间空间

8.4.2 CAN通信控制器SJA1000
SJA1000是一种独立控制器,用于汽车和一般工业环境中 的局域网络控制。它是PHILIPS公司的PCA82C200 CAN控 制器(Basic CAN)的替代产品。而且,它增加了一种新的 工作模式(Peli CAN),这种模式支持具有很多新特点的 CAN 2.0B协议。 ? 1.内部结构 ? SJA1000 CAN控制器主要由以下几部分构成。 (1)接口管理逻辑(IML) ? 接口管理逻辑解释来自CPU的命令,控制CAN寄存器的寻 址,向主控制器提供中断信息和状态信息。 (2)发送缓冲器(TXB) ? 发送缓冲器是CPU和BSP(位流处理器)之间的接口,能 够存储发送到CAN网络上的完整报文。缓冲器长13个字节, 由CPU写入,BSP读出。 (3)接收缓冲器(RXB,RXFIFO) ? 接收缓冲器是接收过滤器和CPU之间的接口,用来接收 CAN总线上的报文,并储存接收到的报文。接收缓冲器
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(RXB,13个字节)作为接收FIFO(RXFIFO,长64字节) 的一个窗口,可被CPU访问。 ? CPU在此FIFO的支持下,可以在处理报文的时候接收其它 报文。 (4)接收过滤器(ACF) ? 接收过滤器把它其中的数据和接收的标识符相比较,以决 定是否接收报文。在纯粹的接收测试中,所有的报文都保 存在RXFIFO中。 (5)位流处理器(BSP) ? 位流处理器是一个在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间 控制数据流的序列发生器。它还执行错误检测、仲裁、总 线填充和错误处理。 (6)位时序逻辑(BTL) ? 位时序逻辑监视串行CAN总线,并处理与总线有关的位定 时。 (7)错误管理逻辑(EML) ? EML负责传送层中调制器的错误界定。它接收BSP的出错 报告,并将错误统计数字通知BSP和IML。

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2.引脚介绍 SJA1000为28引脚DIP和SO封装,引脚如图8-24所示。
AD6 AD7 ALE/AS CS RD WR CLKOUT VSS1 XTAL1 XTAL2 MODE VDD3 TX0 TX1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 VDD1 VSS2 RX1 RX0 VDD2 RST INT VSS3

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引脚功能介绍如下: AD7~AD0:地址/数据复用总线。 ALE/AS:ALE输入信号(Intel模式),AS输入信号 (Motorola模式)。 CS:片选输入,低电平允许访问SJA1000。

图8-24 SJA1000引脚图

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RD:微控制器的信号(Intel模式)或E使能信号 (Motorola模式)。 WR:微控制器的信号(Intel模式)或信号(Motorola模 式)。 CLKOUT:SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信 号。 VSS1:接地端。 XTAL1:振荡器放大电路输入,外部振荡信号由此输入。 XTAL2:振荡器放大电路输出,使用外部振荡信号时,此 引脚必须保持开路。 MODE:模式选择输入。1=Intel模式,0=Motorola模式。 VDD3:输出驱动的5V电压源。 TX0:由输出驱动器0到物理线路的输出端。 TX1:由输出驱动器1到物理线路的输出端。 VSS3:输出驱动器接地端。 INT:中断输出,用于中断微控制器。 RST:复位输入。 VDD2:输入比较器的5V电压源。

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RX0,RX1:由物理总线到SJA1000输入比较器的输入端。 VSS2:输入比较器的接地端。 VDD1:逻辑电路的5V电压源。 3.Basic CAN地址分配 SJA1000对微控制器而言是内存管理的I/O器件。两器件的独 立操作是通过像RAM一样的片内寄存器修正来实现的。 SJA1000的地址区包括控制段和报文缓冲器。控制段在初始 化加载时,是可被编程来配置通信参数的(如位定时等)。 微控制器也是通过这个段来控制CAN总线上的通信的。 应发送的报文写入发送缓冲器。成功接收报文后,微控制器 从接收缓冲器中读出接收的报文,然后释放空间以便下一次 使用。 微控制器和SJA1000之间状态、控制和命令信号的交换都是 在控制段中完成的。 初始化加载后,寄存器的接收代码、接收屏蔽、总线定时寄 存器0和1以及输出控制就不能改变了。只有控制寄存器的复 位位被置高时,才可以访问这些寄存器。 在以下两种不同的模式中访问寄存器是不同的:

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复位模式 工作模式 当硬件复位或控制器掉电时会自动进入复位模式。 工作模式是通过置位控制寄存器的复位请求位激活的。 Basic CAN地址分配如表8-1所示。
表8-1 Basic CAN地址分配表
段 CAN地址 读 0 1 2 3 4 控制 5 6 7 8 9 控制 (FFH) 状态 中断 (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) 测试 工作模式 写 控制 命令 状态 中断 接收代码 接收屏蔽 总线定时0 总线定时1 输出控制 测试 读 控制 (FFH) 复位模式 写 控制 命令 接收代码 接收屏蔽 总线定时0 总线定时1 输出控制 测试

表8-1 Basic CAN地址分配表(续1)
CAN地址 读 10 工作模式 写 读 (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) (FFH) 复位模式 写 -

标识符(10~3) 标识符(10~3) 标识符(2~0) RTR和DLC 数据字节1 数据字节2 数据字节3 数据字节4 数据字节5 数据字节6 数据字节7 数据字节8 标识符(2~0) RTR和DLC 数据字节1 数据字节2 数据字节3 数据字节4 数据字节5 数据字节6 数据字节7 数据字节8

11 12 发送缓冲器 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 接收缓冲器

标识符(10~3) 标识符(10~3) 标识符(10~3) 标识符(10~3) 标识符(2~0) RTR和DLC 数据字节1 标识符(2~0) RTR和DLC 数据字节1 标识符(2~0) RTR和DLC 数据字节1 标识符(2~0) RTR和DLC 数据字节1

23
24 25 26

数据字节2
数据字节3 数据字节4 数据字节5

数据字节2
数据字节3 数据字节4 数据字节5

数据字节2
数据字节3 数据字节4 数据字节5

数据字节2
数据字节3 数据字节4 数据字节5

表8-1 Basic CAN地址分配表(续2)
CAN地址 读 27 接收缓冲器 28 29 30 31 数据字节6 数据字节7 数据字节8 (FFH) 时钟分频器 工作模式 写 数据字节6 数据字节7 数据字节8 时钟分频器 读 数据字节6 数据字节7 数据字节8 (FFH) 时钟分频器 复位模式 写 数据字节6 数据字节7 数据字节8 时钟分频器

5.控制段 (1)控制寄存器(CR) ? 控制寄存器的内容是用于改变CAN控制器的状态。这些位 可以被微控制器置位或复位,微控制器可以对控制寄存器 进行读/写操作。控制寄存器各位的功能如表8-2所示。
?

表8-2 控制寄存器(地址0)
位 CR.7 CR.6 CR.5 CR.4 符号 OIE 名称 超载中断使能 值 功能 保留 保留 保留 使能;如果数据超载位置位,微控制器接收一个超 载中断信号(见状态寄存器) 禁止;微控制器不从SJA1000接收超载中断信号 使能;如果出错或总线状态改变,微控制器接收一 个错误中断信号(见状态寄存器) 禁止;微控制器不从SJA1000接收错误中断信号 使能;当报文被成功发送或发送缓冲器可再次被访 问时(例如,一个夭折发送命令后),SJA1000向 微控制器发出一次发送中断信号 禁止;SJA1000不向微控制器发送中断信号 使能;报文被无错误接收时,SJA1000向微控制器 发出一次中断信号 禁止;SJA1000不向微控制器发送中断信号 常态;SJA1000检测到复位请求后,忽略当前发送/ 接收的报文,进入复位模式 非常态;复位请求位接收到一个下降沿后, SJA1000回到工作模式

1
0

CR.3

EIE

错误中断使能

1 0 1 0

CR.2

ETI

发送中断使能

CR.1

RIE

接收中断使能

1
0 1

CR.0

RR

复位请求

0

(2)命令寄存器(CMR) ? 命令位初始化SJA1000传输层上的动作。命令寄存器对微 控制器来说是只写存储器。命令寄存器各位的功能如表8-3 所示。
表8-3 命令寄存器(地址1)
值 1 0 CMR.3 CDO 清除超载状态 1 0 CMR.2 RRB 释放接收缓冲器 1 0 位 CMR.7 CMR.6 CMR.5 CMR.4 符号 GTS 名称 睡眠 功能 保留 保留 保留 睡眠;如果没有CAN中断等待和总线活动, SJA1000进入睡眠模式 唤醒;SJA1000正常工作模式 清除;清除数据超载状态位 无作用 释放;接收缓冲器中存放报文的内存空间将被释放

无作用
常态;如果不是在处理过程中,等待处理的发送请 求将忽略 非常态;无作用 常态;报文被发送 非常态;无作用

CMR.1

AT

夭折发送

1 0

CMR.0

TR

发送请求

1 0

(3)状态寄存器(SR) ? 状态寄存器的内容反映了SJA1000的状态。状态寄存器对 微控制器来说是只读存储器,各位的功能如表8-4所示。
表8-4 状态寄存器(地址2)
位 SR.7 符号 BS 名称 总线状态 0 1 SR.6 ES 出错状态 0 1 SR.5 TS 发送状态 0 1 SR.4 RS 接收状态 0 1 SR.3 TCS 发送完毕状态 0 1 值 1 功能 总线关闭;SJA1000退出总线活动总线 开启;SJA1000进入总线活动 出错;至少出现一个错误计数器满或超过CPU报警限制 正常;两个错误计数器都在报警限制以下 发送;SJA1000正在传送报文 空闲;没有要发送的报文 接收;SJA1000正在接收报文空闲; 没有正在接收的报文 完成;最近一次发送请求被成功处理 未完成;当前发送请求未处理完毕 释放;CPU可以向发送缓冲器写报文 锁定;CPU不能访问发送缓冲器;有报文正在等待发送或正 在发送

SR.2

TBS

发送缓冲器状态
0 1

超载;报文丢失,因为RXFIFO中没有足够的空间来存储它
未超载;自从最后一次清除数据超载命令执行,无数据超载 发生 满;RXFIFO中有可用报文 空;无可用报文

SR.1

DOS

数据超载状态 0 1

SR.0

RBS

接收缓冲状态 0

(4)中断寄存器(IR) ? 中断寄存器允许识别中断源。各位的功能如表8-5所示。
表8-5 中断寄存器(地址3)

IR.7 IR.6 IR.5 IR.4

符号
WUI

名称
唤醒中断


1

功能
保留 保留 保留 置位;退出睡眠模式时此位被置位

0
IR.3 DOI 数据超载中断 1 0 IR.2 EI 错误中断 1 0 IR.1 TI 发送中断 1 0 IR.0 RI 接收中断 1

复位;微控制器的任何读访问将清除此位
置位;当数据超载中断使能位被置为1时,数据超 载状态位由低到高的跳变,将其置位 复位;微控制器的任何读访问将清除此位 置位;错误中断使能时,错误状态位或总线状态位 的变化会置位此位 复位;微控制器的任何读访问将清除此位 置位;发送缓冲器状态从低到高的跳变(释放)和 发送中断使能时,此位被置位 复位;微控制器的任何读访问将清除此位 置位;当接收FIFO不空和接收中断使能时置位此 位 复位;微控制器的任何读访问将清除此位

0

关于Peli CAN模式的以上四个寄存器的介绍从略。 (5)验收代码寄存器(ACR) ? 复位请求位被置高(当前)时,这个寄存器是可以访问(读 /写)的。 ? 验收代码位(AC.7~AC.0)和报文标识符的高8位 (ID.10~ID.3)必须相等,或者验收屏蔽位(AM.7~AM.0) 的所有位为1。即如果满足以下方程的描述,则予以接收。 ? [(ID.10~ID.3)≡(AC.7~AC.0)]∨(AM.7~AM.0)≡11111111 ? 验收代码寄存器各位功能如表8-6所示。
?
表8-6 验收代码寄存器(地址4)
BIT7 AC.7 BIT6 AC.6 BIT5 AC.5 BIT4 AC.4 BIT3 AC.3 BIT2 AC.2 BIT1 AC.1 BIT0 AC.0

(6)验收屏蔽寄存器(AMR) ? 当AM.i=0时,是“相关的”; ? 当AM.i=1时,是“无关的” (i=0,1,…,7)。 ? 验收屏蔽寄存器各位的功能如表8-7所示。

表8-7 验收屏蔽寄存器(地址5)
BIT7 AM.7 BIT6 AM.6 BIT5 AM.5 BIT4 AM.4 BIT3 AM.3 BIT2 AM.2 BIT1 AM.1 BIT0 AM.0

(7)总线定时寄存器0(BTR0) ? 总线定时寄存器0定义了波特率预分频器(BRP)和同步跳 转宽度(SJW)的值。复位模式有效时这个寄存器是可以被 访问(读/写)的。 ? 总线定时寄存器0各位的功能如表8-8所示。
表8-8 总线定时寄存器(地址6)
BIT7 SJW.7 BIT6 SJW.6 BIT5 SJW.5 BIT4 SJW.4 BIT3 SJW.3 BIT2 SJW.2 BIT1 SJW.1 BIT0 SJW.0

?
?

① 波特率预分频器(BRP) CAN系统时钟tSCL的周期是可编程的,而且决定了各自的位 定时。CAN系统时钟由如下公式计算:

tSCL=2×tSCL×(32×BRP.5+16×BRP.4+8×BRP.3+4×BR P.2+2×BRP.1+BRP.0+1) ? 这里tSCL=XTAL的频率周期=1/fXTAL。 ? ② 同步跳转宽度(SJW) ? 为了补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相位偏移, 任何总线控制器必须在当前传送的相关信号边沿重新同步。 tSJW=tSCL×(2×SJW.1+SJW.0+1) (8)总线定时寄存器1(BTR1) ? 总线定时寄存器1定义了每个位周期的宽度、采样点的位置 和在每个采样点的采样数目。在复位模式中,这个寄存器 可以被读/写访问。 ? 总线定时寄存器1各位的功能如表8-9所示。
表8-9 总线定时寄存器1(地址7)
BIT7 SAM BIT6 TSEG2.2 BIT5 TSEG2.1 BIT4 TSEG2.0 BIT3 TSEG1.3 BIT2 TSEG1.2 BIT1 TSEG1.1 BIT0 TSEG1.0

? ?

?
? ?

① 采样(SAM) SAM=1:总线采样三次;建议在低/中速总线(A和B级) 上使用,这对过滤总线上的尖峰信号是有效的。 SAM=0:总线采样一次;建议使用在高速总线上(SAE C 级)。 ② 时间段1(TSEG1)和时间段2(TSEG2) (TSEG1)和(TSEG2)决定了每一位的时钟数目和采样 点的位置,这里: tSYNCSEG=1×tSCL

tTSEG1=tSCL×(8×TSEG1.3+4×TSEG1.2+2×TSEG1.1+T SEG1.0+1) tTSEG2=tSCL×(4×TSEG2.2+2×TSEG2.1+TSEG2.1+1) (9)输出控制寄存器(OCR) ? 输出控制寄存器实现了由软件控制建立输出驱动器的不同 配置。在复位模式中此寄存器可被读/写访问。 (10)时钟分频寄存器(CDR) ? 时钟分频寄存器为微控制器控制CLKOUT的频率并屏蔽

CLKOUT引脚。 ? 6.发送缓冲区 ? 发送缓冲区的全部内容如表8-10所示。
表8-10 发送缓冲区
位 区 CAN地址 名称 7 6 5 4 3 2 1 0 标识符 字节1 标识符 字节2 TX数据1 TX数据2 TX数据3 TX数据4 TX数据5 TX数据6 TX数据7

10
描述符 11 12 13 14 15 16 17 18

ID10
ID2

ID9
ID1

ID8
ID0

ID7
RTR

ID6
DLC.3

ID5
DLC.2

ID4
DLC.1

ID3
DLC.0

发送数据字节1 发送数据字节2 发送数据字节3 发送数据字节4 发送数据字节5 发送数据字节6 发送数据字节7

19

TX数据8

发送数据字节8

? ?

7.接收缓冲区 接收缓冲区的全部列表和发送缓冲区类似。接收缓冲区是 RXFIFO中可访问的部分,位于CAN地址的20~29之间。

8.4.3 PCA82C250/251 CAN收发器
?

?

?

PCA82C250/251收发器是协议控制器和物理传输线路之间 的接口。此器件对总线提供差动发送能力,对CAN控制器 提供差动接收能力,可以在汽车和一般的工业应用上使用。 1.引脚介绍 PCA82C250/251为8引脚DIP和SO两种封装,引脚如图825所示。
TXD GND Vcc RXD 1 2 3 4 8 7 6 5 Rs CANH CANL Vref

图8-25 PCA82C250/251引脚图

? ? ?

?
? ? ? ? ? ?

引脚介绍如下: TXD:发送数据输入 GND:地 Vcc:电源电压4.5V~5.5V RXD:接收数据输出 Vref:参考电压输出 CANL:低电平CAN电压输入/输出 CANH:高电平CAN电压输入/输出 Rs:斜率电阻输入

? ?

PCA82C250/251收发器是协议控制器和物理传输线路之间 的接口。如在ISO11898标准中描述的,它们可以用高达 1Mbit/s的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。 2.应用电路 PCA82C250/251收发器的典型应用如图8-26所示。

SJA1000 CAN控制器 TX0 TX1 VDD 390Ω VDD RX0 RX1

6.8kΩ
390Ω

3.6kΩ 100nF

6N137

6N137

390Ω 100nF 390Ω +5V TXD RXD Vref RS VCC PCA82C250 CANH CANL GND +5V 100nF Rext +5V

120Ω

CANBUS

120Ω

图8-26 PCA82C250/251应用电路

8.4.4 CAN应用节点设计
1.硬件电路 ? 通过SJA1000 CAN通信控制器设计的CAN应用节点电路如 图8-27所示。 ? 在图8-27中,IMP708为复位电路,当按下按键S时,为手 动复位。 ? 2.程序设计 ? CAN应用节点的程序设计主要分为三部分:初始化子程序、 发送子程序、接收子程序。 (1)CAN初始化程序 ? ① 程序流程图 ? CAN初始化子程序流程图如图8-28所示。
?

AT89S52 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 RXD TXD INT1 P34 P35

RST P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20

SJA1000 CS Vss1 Vss2 Vss3 NC MODE RST VDD3 VDD2 VDD1 +5V +5V +

IMP708
RESET MR RESET Vcc GND NC PFI PFO 0.1μF 22pF fosc2 16MHz 22pF NC +5V 10kΩ TX0 10kΩ +5V +5V 4.7kΩ RX1 4.7kΩ +5V 0.1μF PCA82C250 TXD Rs GND CANH Vcc CANL Vref RXD CANH 120Ω NC CANL +5V 0.1μF S

CLKOUT AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 RD WR ALE INT XTAL1

10μF

P00 P01 P02 P03 P04 P05 Vcc P06 GND P07 RD 18pF×2 WR XTAL1 ALE fosc1 12MHz XTAL2 INT0

XTAL2 TX1

+5V 10kΩ 10kΩ

RX0

EA

+5V

图8-27 CAN应用节点电路

开始 置复位请求为高 (置CR.0为1) 置验收码寄存器ACR 置验收屏蔽寄存器AMR (决定节点号) 总线定时设置 设置总线定时寄存器0 (BTR0) 设置总线定时寄存器1 (BTR1) 决定位周期 设置输出控制寄存器 OCR(FAH) (定义总线驱动特性) 设置时钟分频寄存器 CDR 设置CAN工作模式 和时钟分频 开放中断源定时 再同步置CR.0为0

返回

图8-28 CAN初始化子程序流程图

?
?

② 程序清单 CAN初始化子程序清单如下:
NODE NBTR0 NBTR1 TXBF RXBF CNTR COMD EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU 30H 31H 32H 40H 41H 0BF00H 0BF01H ;节点号缓冲区 ;总线定时寄存器0缓冲区 ;总线定时寄存器1缓冲区 ;RAM内发送缓冲区 ;RAM内接收缓冲区 ;控制寄存器 ;命令寄存器

STUS
INTR ACOD ACMK BTR0 BTR1 OCTR MODE RXR TXR

EQU
EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU

0BF02H
0BF03H 0BF04H 0BF05H 0BF06H 0BF07H 0BF08H 0BF1FH 0BF14H 0BF0AH

;状态寄存器
;中断寄存器 ;接收码寄存器 ;接收码屏蔽寄存器 ;总线定时寄存器0 ;总线定时寄存器1 ;输出控制寄存器 ;时钟驱动寄存器 ;接收缓存器 ;发送缓冲器

?

?

入口条件:将本节点号存入NODE单元 波特率控制字存入NBTR0和NBTR1单元 出口条件:无
CANI: MOV MOV DPTR,#CNTR A, #01H ;写控制寄存器 ;置复位请求为高

MOVX
CANI1: MOVX JNB MOV MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVX

@DPTR,A
A , @DPTR ACC.0, CANI1 DPTR, #ACODA A, NODE @DPTR,A DPTR,#ACMK A,# 00H @DPTR, A DPTR, # BTR0 A, NBTR0 @DPTR, A DPTR, # BTR1 A, NBTR1 @DPTR,A ;写总线定时寄存器1 ;写总线定时寄存器0 ;设置波特率 ;写接收码屏蔽寄存器 ;写接收码寄存器 ;设置节点号 ;判复位请求有效

MOV MOV MOVX MOV MOV

DPTR,#OCTR A,#0FAH @DPTR,A DPTR,MODE A , #00H

;写输出控制寄存器

;写时钟分频寄存器 ;将CAN工作模式设为 ;Basic CAN模式时钟2分频

MOVX MOV MOV MOVX RET

@DPTR,A DPTR,#CNTR A, #0EH @DPTR,A ;写控制寄存器 ;开放中断源

(2)CAN接收子程序 ? ① 程序流程图 ? CAN接收子程序流程图如图8-29所示。

开始

读状态寄存器位SR.0 N SR.0=1? Y 将接收缓冲区的(20~29)内容读 入CPU的RAM区并作处理 将命令寄存器CMR.2置1 释放接收缓冲区 读状态寄存器SR.1 SR.1=1? Y

N 读状态寄存器SR.7判别总线是否 打开并作相应的处理 读SR.6判是否有错误 计数器警告并作处理

清SR.1

做数据溢出处理

返回

图8-29 CAN接收子程序流程图

? ? ? ?

② 程序清单 CAN接收子程序清单如下: 入口条件:无 出口条件:接收的描述符、数据长度及数据放在RXBF开 始的缓冲区中
CANR0: MOV DPTR,#STUS ;读状态寄存器判接收缓冲区满

MOVX
JNB CANR1: MOV MOV MOVX MOV INC INC MOVX MOV MOV CANR2: INC INC MOVX

A,@DPTR
ACC.0,CANR0 DPTR,#RXR R0,#RXBF A, @DPTR @R0,A R0 DPTR A, @DPTR @R0, A B,A DPTR R0 A,@ DPTR ;将接收的数据放在CPU RAM区

MOV DJNZ MOV MOV MOVX MOV

@R0, A B,CANR2 DPTR ,#COMD A ,#04H @DPTR,A DPTR,#STUS ;读状态寄存器 ;接收完毕释放状态缓冲区

MOVX
JB JB JB SJMP

A,@DPTR
ACC.1,DATAOVER ACC.7,BUSWRONG ACC.6,CNTWRONG RECEEND ;判数据溢出 ;判总线状态 ;判错误计数器状态

DATAOVER: 做相应的数据溢出错误处理 SJMP BUSWRONG: RECEEND

做总线错误处理
SJMP CNTWRONG: 做计数错误处理 RECEEND: RET RECEEND

(3)CAN发送子程序 ? ① 程序流程图
?

CAN发送子程序流程图如图8-30所示。
开始

读状态寄存器位SR.2 N SR.2=1? Y 向发送缓冲区地址10、11填入 描述符计数长度 将要发送的数据写入 发送缓冲区12~19 置命令寄存器 CMR.0=1 (请求发送) 返回

图8-30 CAN发送子程序流程图

? ? ?

?

② 程序清单 CAN发送子程序清单如下: 入口条件:将要发送的描述符存入TXBF 将要发送的数据长度存入TXBF+1 将要发送的数据存入TXBF+2开始的单元 出口条件:无
TXSB: MOV MOVX JNB MOV MOV TX1: MOV MOVX INC INC MOV MOVX MOV TX2: INC DPTR,#STUS A,@DPTR ACC.2,TXSB R1,#TXBF DPTR,#TXR A, @R1 @DPTR ,A R1 DPTR A, @R1 @DPTR, A B,A R1 ;向发送缓冲区11填入数据长度 ;向发送缓冲区10填入标识符 ;读状态寄存器 ;判发送缓冲区状态

INC MOV MOVX DJNZ MOV MOV MOVX RET

DPTR A, @R1 @DPTR, A B,TX2 DPTR,#COMD A,#01H @DPTR, A ;置COMR.0为1请求发送 ;向发送缓冲区12-19送数据

8.4.5 基于CAN现场总线的SCADA系统结构
? ?

基于CAN现场总线的数据采集与监控(SCADA)系统结 构如图8-31所示。 在图8-31中,该系统主要由上位计算机及监控软件、基于 PCI总线的CAN智能网络通信适配器及与其相配套的设备 驱动程序(WDM)、FBC2000现场控制单元和基于CAN 现场总线的FBCAN系列智能测控模块等设备单元构成。

控制室PC机 上位机监控软件 设备驱动程序WDM CAN智能网络通信适配器 CANH 120Ω CANL

120Ω

FBC2000 现场控制单元 AB CB DB

FBCAN-8AI

FBCAN-8DO FBCAN-3TC

FBCAN-PID



MCU BUS

模拟量 输入模块

开关量 输出模块

热电偶 输入模块

PID 调节模块

其它 功能模块

扩展 模块

… 扩展 模块

图8-31 基于CAN现场总线的SCADA系统结构图

8.5 PROFIBUS-DP现场总线
?

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PROFIBUS(PROCESS FIELDBUS的缩写)是由Siemens 等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生 产商的现场总线标准。先后成为德国和欧洲的现场总线标准 (DIN19245和EN50170),并于2000年成为IEC61158国 际现场总线标准之一,2001年成为我国的机械行业标准 JB/T10308.3-2001。 1995年成立了PROFIBUS用户组织,该组织遍布世界各地。 1997年我国成立了PROFIBUS专业委员会CPO(Chinese PROFIBUS User Organization)。

8.5.1 PROFIBUS概述
? ?

PROFIBUS由以下三个兼容部分组成。 PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高速数据传输, 它以DIN19245的第一部分为基础,根据其所需要达到的目 标对通信功能加以扩充,DP的传输速率可达12Mbps,一般 构成单主站系统,主站、从站间采用循环数据传输方式。

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?

?

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它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输。在这一级, 中央控制器(如PLC/PC)通过高速串行线同分散的现场 设备(如I/O、驱动器、阀门等)进行通信,同这些分散的 设备进行数据交换多数是周期性的。 PROFIBUS-PA:对于安全性要求较高的场合,制定了 PROFIBUS-PA协议,这由DIN19245的第四部分描述。 PA具有本质安全特性,它实现了IEC1158-2规定的通信规 程。 PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案,PA 将自动化系统和过程控制系统与现场设备,如压力、温度 和液位变送器等连接起来,代替了4~20mA模拟信号传输 技术,在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和 维修等方面可节约成本40%之多,并大大提高了系统功能 和安全可靠性,因此PA尤其适用于石油、化工、冶金等行 业的过程自动化控制系统。 PROFIBUS-FMS:它的设计是旨在解决车间一级通用性通

? ?

?

?
? ? ? ?

信任务,FMS提供大量的通信服务,用以完成以中等传输 速率进行的循环和非循环的通信任务。 为了满足苛刻的实时要求,PROFIBUS协议具有如下特点: (1)不支持长信息段>235B(实际最大长度为255B,数 据最大长度244B,典型长度120B)。 (2)不支持短信息组块功能。由许多短信息组成的长信息 包不符合短信息的要求,因此,PROFIBUS不提供这一功 能(实际使用中可通过应用层或用户层的制定或扩展来克 服这一约束)。 (3)本规范不提供由网络层支持运行的功能。 (4)除规定的最小组态外,根据应用需求可以建立任意的 服务子集。这对小系统(如传感器等)尤其重要。 (5)其他功能是可选的,如口令保护方法等。 (6)网络拓扑是总线形,两端带终端器或不带终端器。 (7)介质、距离、站点数取决于信号特性,如对屏蔽双绞 线,单段长度小于或等于1.2km,不带中继器,每段32个

? ? ? ?

?

?

站点。(网络规模:双绞线,最大长度9.6km;光纤,最 大长度90km;最大站数,127个) (8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度,从9.6kbps到 12Mbps不等。 (9)在传输时,使用半双工,异步,滑差(Slipe)保护 同步(无位填充)。 (10)报文数据的完整性,用海明距离HD=4,同步滑差 检查和特殊序列,以避免数据的丢失和增加。 (11)地址定义范围为:0~127(对广播和群播而言, 127是全局地址),对区域地址、段地址的服务存取地址 (服务存取点LSAP)的地址扩展,每个6bit。 (12)使用两类站:主站(主动站,具有总线存取控制权) 和从站(被动站,没有总线存取控制权)。如果对实时性 要求不苛刻,最多可用32个主站,总站数可达127个。 (13)总线存取基于混合、分散、集中三种方式:主站间 用令牌传输,主站与从站之间用主—从方式。令牌在由主

站组成的逻辑令牌环中循环。如果系统中仅有一主站,则 不需要令牌传输。这是一个单主站—多从站的系统。最小 的系统配置由一个主站和一个从站或两个主站组成。 (14)数据传输服务有两类: ? 非循环的: 有/无应答要求的发送数据; 有应答要求的发送和请求数据。 ? 循环的(轮询): 有应答要求的发送和请求数据。 ? PROFIBUS广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和 楼宇、交通、电力等其它自动化领域,PROFIBUS的典型 应用如图8-32所示。

工厂管理系统

工厂管理级
MMS,TCP/IP Backbone

总线循环 时间 <1 000 ms 网关 车间级

CNC

PC

PROFIBUS-FMS 总线循环 时间 <100 ms

PC

PLC

PLS

现场级 PROFIBUS-DP 总线循环 时间 <10 ms PROFIBUS-PA

现场 设备

远程 I/O设备

M 传感器 传动装置 变送器

现场 设备

图8-32 PROFIBUS的典型应用

8.5.2 PROFIBUS-DP的通信模型
1. PROFIBUS-DP的物理层 ? PROFIBUS-DP的物理层支持屏蔽双绞线和光纤电缆两种 传输介质。 (1)DP(RS-485)的物理层 ? 对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说,PROFIBUS的物理层 (第1层)实现对称的数据传输,符合EIA RS-485标准 (也称为H2)。一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆,段 的两端各有一个终端器,如图8-33所示。
?
VP(6) RS-485段 390Ω B 220Ω A 390Ω DGND(5) 390Ω VP(6) 390Ω

220Ω



最多32个站 DGND(5)

图8-33 RS-485总线段的结构

? ?

① 传输程序 用于PROFIBUS RS-485的传输程序是以半双工、异步、无 间隙同步为基础的。数据的发送用NRZ(不归零)编码,即 1个字符帧为11位(bit),如图8-34所示。
位含义 0 MSB 20 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 LSB 27 b8 p 1

LSB最低有效位 起始 (“0”信号)

信息位 (“0”或“1”信 停止位 MSB最高有效位(“1”信号) 号) 奇偶校验位 (“0”或“1”信 号)

图8-34 PROFIBUS UART 数据帧

?

在传输期间,二进制“1”对应于RXD/TXD-P (Receive/Transmit-Data-P)线上的正电位,而在 RXD/TXD-N线上则相反。各报文间的空闲(idle)状态对应 于二进制“1”信号,如图8-35所示。

B 导线

二进制信号 A导线

1

0

1

1

0

1

图8-35 用NRZ传输时的信号形状

? ?

? ? ?

② 总线连接 国际性的PROFIBUS标准EN 50170推荐使用9针D型连接 器用于总线站与总线的相互连接。D型连接器的插座与总 线站相连接,而D型连接器的插头与总线电缆相连接。 9针D型连接器的针脚分配如表8-11所示。 ③ 总线终端器 当总线系统运行的传输速率大于1.5Mbps时,由于所连接 站的电容性负载而引起导线反射,因此必须使用附加有轴 向电感的总线连接插头,如图8-36所示。

表8-11 9针D型连接器的针脚分配

引脚号 1 2 3 4 5 6

信号名称 SHIELD M24 CNTR-P DGND VP

设计含义 屏蔽或功能地24V 输出电压的地(辅助电源) 方向控制信号P 数据基准电位(地) 供电电压-正

RXD/TXD-P 接收/发送数据-正, B线

7
8 9

P24
CMTR-N

正24V输出电压(辅助电源)
方向控制信号N

RXD/TXD-N 接收/发送数据-负,A线

① 该类信号是强制性的,它们必须使用。

VP(6) L1 110nH B 总线导线 A L3 110nH L2 110nH 390Ω

B
总线导线 A TxD/RxD-N(8) TxD/RxD-P(3) 220Ω L4 110nH

390Ω
DGND(5) 总线驱动器 站

图8-36 传输速率大于1.5Mbps的连接结构

RS-485总线驱动器可采用SN75176,当通信速率超过 1.5Mbps时,应当选用高速型总线驱动器,如 SN75ALS1176等。 (2)DP(光纤电缆)的物理层 ? PROFIBUS第1层的另一种类型是以PNO(PROFIBUS用 户组织)的导则“用于PROFIBUS的光纤传输技术,版本 1.1,1993年7月版”为基础的,它通过光纤导体中光的传 输来传送数据。光纤电缆允许PROFIBUS系统站之间的距 离最大到15km。 ? 2. PROFIBUS-DP的数据链路层(FDL) ? 根据OSI参考模型,数据链路层规定总线存取控制、数据安 全性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS-DP中,数 据链路层(第2层)称为FDL层(现场总线数据链路层)。 ? 3. PROFIBUS-DP的用户层 ? 用户层包括DDLM和用户接口/用户等,它们在通信中实现 各种应用功能。
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8.5.3 PROFIBUS-DP的总线设备类型
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PROFIBUS-DP协议是为自动化制造工厂中分散的I/O设备 和现场设备所需要的高速数据通信而设计的。典型的DP配 置是单主站结构,如图8-37所示。
令牌 DP主站(1类)

总线

DP从站(被动站)

图8-37 DP单主站结构

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DP主站与DP从站间的一个报文循环由DP主站发出的请求 帧(轮询报文)和由DP从站返回的有关应答或响应帧组成。 1.DP主站(1类) 1类DP主站循环地与DP从站交换用户数据。 2.DP从站 DP从站只与装载此从站的参数并组态它的DP主站交换用户 数据。DP从站可以向此主站报告本地诊断中断和过程中断。 3.DP主站(2类) 2类DP从站是编程装置,诊断和管理设备。 4.DP组合设备 可以将1类DP主站、2类DP主站和DP从站组合在一个硬件 模块中形成一个DP组合设备。实际上,这样的设备是很常 见的。

8.5.4 设备数据库文件(GSD)
对一种设备类型的特性GSD以一种准确定义的格式给出其 全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种 设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户,这 种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP设 备的设备数据库文件,并用在组态总线系统时自动使用这 些信息。 ? GSD分为以下三部分。 (1)总体说明 ? 包括厂商和设备名称、软硬件版本情况、支持的波特率、 可能的监控时间间隔及总线插头的信号分配。 (2)DP主设备相关规格 ? 包括所有只适用于DP主设备的参数(例如可连接的从设备 的最多参数或加载和卸载能力)。从设备没有这些规定。 ? (3)从设备的相关规格
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包括与从设备有关的所有规定(例如I/O通道的数量和类型、 诊断测试的规格及I/O数据的一致性信息)。 所有PROFIBUS-DP设备的GSD文件均按PROFIBUS标准 进行了符合性试验,在PROFIBUS用户组织的网站中有 GSD库。 厂商必须为每种DP从设备类型和每种1类DP主设备类型向 PROFIBUS用户组织申请标识号,各地区办事处均可领取 申请表格。

8.6 PROFIBUS-DP通信网络
8.6.1 PROFIBUS-DP从站和主站的实现
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PROFRIBUS-DP协议的实现有两种方式:一种通过软件实 现,原则上只要微处理器或微控制器配有内部或外部的异 步串行通信接口(UART),PROFIBUS-DP协议在任何微 处理器或微控制器上都可以实现。但是,如果协议的传输 速率超过500kbps时,则应当使用ASIC通信控制器。

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采用何种方式,主要取决于现场设备的复杂程度、需要的 性能和功能。 1. 简单DP从站的实现 这是最简单的协议实现方式。在单片中包括了协议的全部 功能,不需要任何微处理器或软件,只需外加总线接口驱 动装置、晶振和电力电子。如西门子的SPM2 ASIC或 Delta-t的IXI芯片,使用这些ASIC芯片只受I/O数据位数多 少的限制。 2. 智能化DP从站的实现 在这个方式中,PROFIBUS协议的关键时间部分由协议芯 片实现,其余部分由微控制器的软件完成。目前所提供的 智能化从站设备所用通信控制器有Siemens公司的SPC3和 SPC4,Delta-t公司的IXI和IAM公司的PBS。这些ASIC芯 片提供的接口是通用性的,可以与8位或16位微处理器和微 控制器直接连接。MOTOROLA及其它公司还提供了微处理 器内集成PROFIBUS-DP协议的芯片。 3. 复杂DP主站的实现 在这个方式中,PROFIBUS-DP协议的关键部分由通信控 制器实现,其余部分由微处理器或微控制器的软件完成。

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目前主站通信控制器有Siemens公司的ASPC2,Delta-t公 司的IXI和IAM公司的PBM,这些芯片均可以与各种通用的 微处理器和微控制器接口。

8.6.2 从站通信控制器SPC3
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1. SPC3功能简介 SPC3为PROFIBUS智能从站提供了廉价的配置方案,与 SPC2相比,SPC3存储器内部管理和组织有所改进,并支 持PROFIBUS-DP。 SPC3内部集成了1.5KB的双口RAM作为SPC3与软件/程序 的接口。 整个RAM被分为192段,每段8字节。用户寻址由内部MS (Microsequencer)通过基址指针(Base-Pointer)来实 现。基址指针可位于存储器的任何段。所以,任何缓存都 必须位于段首。 总线接口是一参数化的8位同步/异步接口,可使用各种Intel 和Motorola处理器/微处理器。用户可通过11位地址总线直 接访问1.5KB的双口RAM或参数存储器。

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处理器上电后,程序参数(站地址、控制位等)必须传送 到参数寄存器和方式寄存器。 任何时候状态寄存器都能监视MAC的状态。 各种事件(诊断、错误等)都能进入中断寄存器,通过屏 蔽寄存器使能,然后通过响应寄存器响应。SPC3有一个共 同的中断输出。 看门狗定时器有3种状态Baud_Search、Baud_Control、 Dp_Control。 微顺序控制器(MS)控制整个处理过程。 程序参数(缓存器指针、缓存器长度、站地址等)和数据 缓存器包含在内部1.5KB双口RAM中。 在UART中,并行、串行数据相互转换,SPC3能自动调整 波特率。 空闲定时器(Idle Timer)直接控制串行总线的时序。 2. SPC3引脚介绍 SPC3为44引脚PQFP封装,引脚说明如表8-12所示。

表8-12 SPC3引脚说明
引脚 1 引脚名称 XCS 片选 描述 源/目的 CPU

C32方式: 接VDD
C165方式:片选信号

2 3 4 5 6 7 8 9

XWR/E_Clock DIVIDER XRD/R_W CLK VSS CLKOUT2/4 XINT/MOT X/INT

写信号/EI_CLOCK 对Motorola总线时序 设置CLKOUT2/4的分频系数 低电平表示4分频 读信号/Read_Write Motorola 时钟脉冲输入 地

(80C165)CPU

CPU 系统

2或4分频时钟脉冲输出
<log> 0=Intel接口 <log> 1=Motorola接口 中断

系统、CPU 系统 CPU,中断控制

10
11 12 13

AB10
DB0 DB1 XDATAEXCH XREADY/XDT ACK

地址总线
数据总线

C32方式:<log>0 C165方式:地址总线 C32方式:数据/地址复用 C165方式:数据/地址分离 CPU,存储器 LED

PROFIBUS-DP的数据交换状态

14

外部CPU的准备好信号

系统,CPU

表8-12 SPC3引脚说明 (续1)
引脚 15 引脚名称 DB2 描述 数据 总线 C32方式:数据地址复用 C165方式:数据地址分离 地 电源 源/目的 CPU 存储器

16 17
18 19 20 21 22 23 24 25

DB3 VSS
VDD DB4 DB5 DB6 DB7 MODE ALE/AS AB9

数据 总线

C32方式:数据地址复用 C165方式:数据地址分离

CPU 存储器

<log> 0=80 c166数据地址总线分离;准备信号 <log> 1=80 c32数据地址总线复用;固定定时 地址锁存使能 地址总线 C32方式:ALE C165方式:<LOG>0 C32方式:<LOG>0 C165方式:地址总线

系统 CPU (80C32 ) CPU(C165 ) 存储器

26
27 28 29 30

TXD
RTS VSS AB8 RXD 地址总线

串行发送端口
请求发送 地 C32方式:<LOG>0 C165方式:地址总线 串行接收端口

RS-485发送器
RS-485发送器

RS-485接收器

表8-12 SPC3引脚说明(续2)
引脚 引脚名称 描述 源/目的

31
32 33 34 35

AB7
AB6 XCTS XTEST0 XTEST1

地址总线
地址总线 清除发送<LOG>0=发送使能 必须接VDD 必须接VDD

系统,CPU
系统, CPU FSK Modem

36
37 38 39 40

RESET
AB4 VSS VDD AB3

接CPU RESET 输入
地址总线 地 电源 地址总线 系统, CPU 系统, CPU

41
42 43 44

AB2
AB5 AB1 AB0

地址总线
地址总线 地址总线 地址总线

系统, CPU
系统, CPU 系统, CPU 系统, CPU

注意: 1)所有以X开头的信号低电平有效 2)VDD=+5V,VSS=GND

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3. PROFIBUS-DP的 RS-485传输接口电路 PROFIBUS 接口数据通过RS-485传输,SPC3通过RTS、 TXD、RXD引脚与电流隔离接口驱动器相连。PROFIBUSDP的RS-485传输接口电路如图8-38所示。 PROFIBUS接口是一带有下列引脚的9针D型接插件,引脚 定义如下: 引脚1:Free 引脚2:Free 引脚3:B线 引脚4:请求发送(RTS) 引脚5:5V地(M5) 引脚6:5V电源(P5) 引脚7:Free 引脚8:A线 引脚9:Free 必须使用屏蔽线连接接插件,根据DIN 19245, Free pin可 选用。如果使用,必须符合DIN192453标准。

SPC3/ASPC2 300Ω RTS 300Ω CTS P5 M

HCPL-0601 1 2 3 4 8 7 6 5 680Ω×2

2P5

74HC132 &

65ALS1176 1 8 7 6 5

2P5 100kΩ 4 8 RTS

M
20kΩ HCPL-7721 1 2 0.01μF 3 4 M HCPL-7721 P5 0.01μF RXD 1 2 3 4 M 8 7 6 5 8 7 6 5

2M

300Ω

2 3 4

100kΩ

A线 3 B线 1 2 5

P5
TXD

2P5 2P5 680Ω 0.01μF 2M 2P5 2M 1.2kΩ 2P5 0.01μF 2M

2M

6 2P5 7 9

2M

图8-38 PROFIBUS-DP的RS-485传输接口电路

在图8-38中,M、2M为不同的电源地,P5、2P5为两组不 共地的+5V电源。74HC132为施密特与非门。 ? 4. PROFIBUS-DP从站的状态机制 ? PROFIBUS-DP从站的状态机制很好地说明了DP从站是如 何工作的。 (1) Power _On(通电) ? 仅在Power _On状态,从站接收二类主站的 Set_Slave_Add报文以改变从站地址,从站应具有非易失 性存储器从站存储地址。 (2) Wait_Prm(等待参数化) ? 内部启动后,从站期望一参数化报文或Get_Cfg报文。此时, 从站排斥其它形式的报文或拒绝处理,此时数据通信不能 进行。 ? 参数化报文至少含有根据标准要求的信息(如标识号、同 步、锁定能力等),此外,它还含有与用户有关的参数数 据并由用户定义这些数据。 (3)Wait_Cfg(等待组态) ? 组态报文中规定输入输出字节数,在每次报文循环中,主 站告知从站有多少I/O字节要交换。此外,可应用Get_Cfg
?

报文使每一主站扫描任一从站的组态数据。从站在任何状 态都能接收Get_Cfg报文。 (4)Data_Exchange(数据交换) ? 当参数化和组态已被接收时,主站会对从站进行再次诊断, 确保它对从站的参数化和组态是正确无误的,然后进入数 据交换阶段,此时,从站能接收以下报文: ? Data_Exchange,Read_Inputs,Read_Outputs, Slave_Diag,Chk_Cfg,Set_Prm,Get_Cfg, Global_Control等。 (5) Watchdog(看门狗) ? 在参数化时,从站接收到看门狗定时器的值,如果总线拥 挤而未能触发看门狗,状态机制进入故障安全状态等待参 数化。
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8.6.3 主站通信控制器ASPC2与通信处理器
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1. ASPC2介绍 ASPC2是Siemens公司生产的主站通信控制器,该通信控 制器可以完全处理PROFIBUS EN 50170的第一层和第二

层,同时ASPC2还为PROFIBUS-DP和使用段耦合器的 PROFIBUS-PA提供一个主站。 ? ASPC2通信控制器用作一个DP主站时需要庞大的软件(约 64kB),软件使用要有许可证且需要支付费用。 ? 如此高度集成的控制芯片可以用于制造业和过程工程中。 ? 对于可编程控制器、个人计算机、电机控制器、过程控制 系统直至下面的操作员监控系统来说,ASPC2有效地减轻 了通信任务。 ? PROFIBUS ASIC可用于从站应用,链接低级设备(如:控 制器、执行器、测量变送器和分散I/O设备)。 ? 2. CP5611通信处理器 ? CP5611是Siemens公司推出的通信处理器,购买时需另附 软件使用费。用于工控机连接到PROFIBUS和SIMATIC S7 的MPI。支持PROFIBUS的主站和从站、PG/OP、S7通信。 OPC Server软件包已包含在通信软件供货,但是需要 SOFTNET支持。 (1)CP5611通信处理器主要特点
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不带有微处理器; ? 经济的PROFIBUS接口: ① 1类PROFIBUS-DP主站或2类SOFTNET-DP进行扩展; ② PROFIBUS-DP从站与SOFTNET-DP从站; ③ 带有SOFTNET S7的S7通信。 ? OPC作为标准接口; ? CP5611是基于PCI总线的PROFIBUS-DP 网络接口卡,可 以插在PC机及其兼容机的PCI总线插槽上,在PROFIBUSDP网络中作为主站或从站使用; ? 作为PC机上的编程接口,可使用NCM PC和STEP 7软件; ? 作为PC机上的监控接口,可使用WinCC,Fix,组态王, 力控等; ? 支持的通信速率最大为12Mbps; ? 设计可用于工业环境。 (2)CP5611与从站通信的过程
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当CP5611作为网络上的主站时,CP5611通过轮询方式与 从站进行通信。这就意味着主站要想和从站通信,首先发 送一个请求数据帧,从站得到请求数据帧后,向主站发送 一响应帧。请求帧包含主站给从站的输出数据,如果当前 没有输出数据,则向从站发送一空帧。从站必须向主站发 送响应帧,响应帧包含从站给主站的输入数据,如果没有 输入数据,也必须发送一空帧,才完成一次通信。通常按 地址增序轮询所有的从站,当与最后一个从站通信完以后, 接着再进行下一个周期的通信。这样就保证所有的数据 (包括输出数据,输入数据)都是最新的。 主要报文有:令牌报文,固定长度没有数据单元的报文, 固定长度带数据单元的报文,变数据长度的报文。 3.CP5613通信处理器 CP5613是Siemens公司推出的基于PCI总线的PROFIBUSDP 网络接口卡,其报价已包括软件使用费,目前,一般使 用该通信处理器。用于工控机连接到PROFIBUS,一个 PROFIBUS接口,仅支持DP主站、PG/OP、S7通信。 OPC Server软件包已包含在通信软件供货。

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CP5613通信处理器主要特点: 集成微处理器; 经由双端口RAM能最快速地访问过程数据; 由于减轻主机CPU的负载,工控机的计算性能得以提高; OPC作为标准接口,OPC Server软件包已包含在通信软件 的供货范围内; 在一个DP循环过程中,保持数据的一致性; 依靠即插即用和诊断工具,缩短调试时间; 通过等距模式支持,实现运动控制应用; 用双端口RAM,易于移植到其它操作系统; 可用于高温的工业环境。 另外,带有微处理器的通信处理器还有CP5613 FO、 CP5614、CP5614 FO。CP5613 FO用于光纤通信,其它 特点与CP5613相同。CP5614用于工控机连接到 PROFIBUS,两个PROFIBUS接口,支持DP主站和从站、 PG/OP、S7通信,OPC Server软件包已包含在通信软件 供货。CP5614 FO用于光纤通信,其它与CP5614相同。

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4. CP5511/5512通信处理器 用于带有PCMCIA插槽的编程器/便携式PC连接到 PROFIBUS和SIMATIC S7的MPI。支持PROFIBUS主站和 从站、PG/OP、S7通信。OPC Server软件包已包含在通 信软件供货,但是需要SOFTNET支持。

8.7 PROFIBUS-DP应用系统
8.7.1 PROFIBUS-DP从站的设计
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从站的设计分两种,一种就是利用现成的从站接口模块如 IM183、IM184开发,这时只要通过IM183/184上的接口开 发就行了。另一种则是利用芯片进行深层次的开发。对于 简单的开发如远程IO测控,用LSPM系列就能满足要求, 但是如果开发一个比较复杂的智能系统,那么最好选择 SPC3,下面介绍采用SPC3进行PROFIBUS-DP从站的开 发过程。 1. 硬件电路

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SPC3通过一块内置的1.5KB双口RAM与CPU接口,它支持 多种CPU,包括Intel、Siemens、Motorola等。 SPC3与AT89S52 CPU的接口电路如图8-39所示。
AT89S52 P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00 ALE WR RD INT0 P17 SPC3 AB7 AB6 74HC04 AB5 1 AB4 AB3 AB2 AB1 AB0 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 +5V

3kΩ×5 XCS MODE XTEST0 XTEST1 DIVIDER
1kΩ×4 AB8 AB9 AB10 XINT/MOT +5V VDD VSS 1kΩ XCTS

0.47μF

48MHz

CLKOUT ALE XDATAEXCH XWR XRD XREADY/XDTACK RTS XINT TXD RESET RXD CLK

65ALS1176 光 电 隔 离 驱 动 器

图8-39 SPC3与AT89S52的接口电路

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SPC3中双口RAM的地址为1000H~15FFH。 2. 软件开发 SPC3的软件开发难点是在系统初始化时对其64字节的寄存 器进行配置,这个工作必须与设备的GSD文件相符,否则 将会导致主站对从站的误操作。 在开发包4中有SPC3接口单片微控制器的C源代码(Keil C51编译器),用户只要对其做少量改动就可在项目中运 用。从站的代码共有四个文件,分别是Userspc3.c、 Dps2spc3.c、Intspc3.c、Spc3dps2.h,其中Userspc3.c是 用户接口代码,所有的工作就是找到标有example的地方 将用户自己的代码放进去,其它接口函数源文件和中断源 文件都不必改。

8.7.2 PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统设计
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1. PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统结构 PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统结构如图8-40所 示。

通信控制器 工 业 现 场 传感器 变送器 执行器 信 号 处 理 光 电 隔 离 微 控 制 器
串行E2PROM +WDT DIP设定开关

RS-485 驱动器
+5V

PROFIBUS-DP 总线

DC/DC 电源 模块

+24V GND

(其它所需电源)

图8-40 PROFIBUS-DP从站智能测控节点结构图

下面以FBPRO-8DI八路隔离型数字量输入智能节点和 FBPRO-4MV四通道隔离型毫伏信号输入智能节点为例介 绍PROFIBUS-DP从站智能测控节点系统设计。 ? 2. FBPRO-8DI八路隔离型数字量输入智能节点的系统设计 (1)硬件结构 ? FBPRO-8DI八路数字量输入智能节点的硬件框图如图8-41 所示。 ? 在该智能节点的设计中,读取数字量输入的口地址为 0DFFFH,SPC3的起始地址为1000H,设定智能节点从站 地址号的口地址为7FFFH。
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P89C51RD2 AD7~0 74HC245 B 数字 量输 入电 路 G DIR +5V 10kΩ X5045 E2PROM +WDT +5V R1 VD1 RST P10~P13 P16 译码 10kΩ A15~8 ALE RD WR

SPC3 DB7~0 AB7~5,AB3~0 AB4 ALE XRD XWR XINT RESET RTS TXD RXD 驱 动 器

1

65ALS1176

A

A13
+5V

INT0 P17

74HC245
B 译码 22pF×2 XTAL1 16MHz XTAL2 G A DIR DIP 设定开关

图8-41 FBPRO-8DI智能节点的硬件框图

(2) 软件设计 ? 从站程序包括3个部分:SPC3的初始化程序,SPC3的中 断处理程序和具体的I/O应用程序。程序采用结构化编程思 想,以便于以后的功能拓展。 ? 从站初始化阶段的顺序如图8-42所示。 ? 从站主程序流程图如图8-43所示。 ? SPC3初始化包括设置SPC3允许的中断,写入从站识别号 和地址,设置SPC3方式寄存器,设置诊断缓冲区,参数缓 冲区,配置缓冲区,地址缓冲区,初始长度,并根据以上 初始值求出各个输入输出缓冲区的指针及辅助缓冲区的起 始地址和范围。 ? 中断程序流程图如图8-44所示。 ? 当上位机向从站发送数据后,在输出缓冲器中我们可以得 到的输出数据,在SPC3中有3个输出缓冲器,通过下面的 程序段我们可以确定输出数据缓冲器的起始地址:

DP主站

DP从站在总线 上并准备好参 数分配和组态?

N

从站诊断请求(Slave_Diag) 从站诊断响应 从站参数请求(Set_Prm)

Y 分配从站参数 确认 检查组态请求(Chk_Cfg) 组态从站 确认

从站诊断请求(Slave_Diag)
DP 从 站 准 备 好数据交换?

N
从站诊断响应

Y

图8-42 从站初始化阶段的顺序

开始 CPU内部 寄存器初始化 SPC3初始化 启动SPC3

有输出 数据? Y 读输出数据 准备输入数据

上传输入数据
Y 有外部 诊断? N 写外部诊断

图8-43 主程序流程图

开始 N

A 新地址? Y 处理 N

离线状态?
Y 处理

新GC命令? Y 处理

N

WD超时?

N

Y 处理

新参数? Y 处理

N

用户时钟? Y 处理

N

新组态? Y 处理 A

N

波特率?

N

Y 处理

返回

图8-44 中断程序流程图

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更新输出数据指针,结果放到USER_OUT_PTR中
ADROUT: MOV MOVX JB JNB ANL ADD MOV CLR ADDC MOV MOVX MOV MUL MOV MOV ADDC MOV MOV ADEND: RET DPTR,#NEW_DOUT_BUFFER_CMD A,@DPTR ACC.3,ADEND ACC.2,ADEND A,#03H A,#1 AH DPL,A A A,#SPC3_HIGH DPH,A A,@DPTR B,# 08H AB R6,A A,B A,#SPC3_HIGH USER_OUT_PTR,A USER_OUT_PTR+1,R6 ;计算输出缓冲区指针

?

?

有3个输入缓冲器用于数据输入,当向上位机发送数据时, 首先应该计算出输入数据缓冲器的起始地址,计算方法如 下: 更新输入数据指针,结果放到USER_IN_PTR中
ADRIN: MOV MOVX MOV MOVX RRC RRC RRC RRC ANL DPTR,#NEW_DIN_BUFFER_CMD A,@DPTR DPTR,#DIN_BUFFER_SM A,@DPTR A A A A A,#03H

CJNE
LJMP ADRIN1: ADD MOV

A,#00H, ADRIN1
INRET

A,#1EH DPL,A

CLR

A

ADDC MOV MOV MOV MUL MOV MOV ADDC MOV MOV IN RET: RET

A,#SPC3_HIGH DPH,A A,@DPTR B,# 08H AB R6,A A,B A,#SPC3_HIGH USER_IN_PTR,A USER_IN_PTR+1,R6

;计算输入缓冲区指针

8.7.3 PROFIBUS-DP主站通信程序设计
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如果已经设计好了能完成某种功能的从站,就可以编写主 站测试程序来测试从站的性能。 下面采用CP5611通信处理器,以FBPRO-8DI八路数字量 输入智能节点为例介绍PROFIBUS-DP主站通信程序设计, 编程环境使用VC++6.0。

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本程序能够完成应用程序的初始化、数据读入、数据输出 和应用程序的复位等基本操作。 PROFIBUS-DP主站通信程序设计步骤为: (1)在VC++6.0下创建一个应用程序; (2)将CP5611通信处理器提供的DPN_USER.H和 DPLIB.LIB两个文件拷贝到刚刚新建的项目根目录下,并 且添加到应用程序中; (3)在VC++6.0环境下编写通信程序。

8.8 工业以太网技术
8.8.1 工业以太网技术的发展现状
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所谓工业以太网,一般来讲是指技术上与商用以太网(即 IEEE802.3标准)兼容,但在产品设计时,在材质的选用、 产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠

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性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。 目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面。 1.通信确定性与实时性 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须 满足控制作用对实时性的要求,即信号传输要足够的快和 满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据 准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式, 网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制 的实时要求,因此传统以太网技术难以满足控制系统要求 准确定时通信的实时性要求,一直被视为非确定性的网络。 然而,快速以太网与交换式以太网技术的发展,给解决以 太网的非确定性问题带来了新的契机,使这一应用成为可 能。 2.稳定性与可靠性 Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是,它所用 的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计 的,而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流 电源输入、高温、低温、防尘等),故商用网络产品不能 应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。

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此外,在实际应用中,主干网可采用光纤传输,现场设备 的连接则可采用屏蔽双绞线,对于重要的网段还可采用冗 余网络技术,以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。 3.工业以太网协议 为满足工业现场控制系统的应用要求,必须在 Ethernet+TCP/IP协议之上,建立完整的、有效的通信服务 模型,制定有效的实时通信服务机制,协调好工业现场控 制系统中实时和非实时信息的传输服务,形成为广大工控 生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议,进而形成 开放的标准。 为此,各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系 中的高速部分,利用以太网和TCP/IP技术,以及原有的低 速现场总线应用层协议,从而构成了所谓的工业以太网协 议,如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。 从目前的趋势看,以太网进入工业控制领域是必然的,但 会同时存在几个标准。现场总线目前处于相对稳定时期, 已有的现场总线仍将存在,并非每种总线都将被工业以太 网替代。伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内 也不会完全统一,会同时存在多个协议和标准。

8.8.2 工业以太网的主要标准
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工业以太网是按照工业控制的要求,发展适当的应用层和 用户层协议,使以太网和TCP/IP技术真正能应用到控制层, 延伸至现场层,而在信息层又尽可能采用IT行业一切有效 而又最新的成果。因此,工业以太网与以太网在工业中的 应用全然不是同一个概念。 1.IDA的通信结构和通信协议 IDA(the Interface for Distributed Automation)是一种完 全建立在以太网基础上的工业以太网规范,将一种实时的 基于web的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结 合,目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案。 2.Ethernet/IP的通信结构和通信协议 ODVA除了拥有DeviceNet和ControlNet,还控制另一个总 线EtherNet/Industrial Protocol(EtherNet/IP),它把处于 应用层和用户层的DeviceNet和ControlNet的目标库CIP (Control and Information Protocol,包含了所有经典的 PLC运算)与以太网物理介质捆绑在一起。

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IDA的协议栈如图8-46所示。
应用程序 文件 传输

API(应用程序接口) IDA 的 协 议 栈 IDA目标模型 ModBus TCP P/S NDDS30 C/S 信息 BootP + DHCP

Web

eMail

HTTP Server

FTP Server

SNAP Client

选项栈

UDP IP 以太网

TCP

BootP-Bootstrap Protocol,(因特网)自引导协议 DHCP-Dynamic Host Configuration Protocol,[TCP/IP]动态主机配置协议

图8-46 IDA的协议栈

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EtherNet/IP通信协议模型如图8-47所示。
启动器 用户层 应用对象库 应用层 传输层 CIP 公共规范 气动阀 AC驱动 位置控制 其他

CIP报文;显性,I/O,路由 解包 UDP TCP

网络与数 据链路层

DeviceNet 数据链路层 (CAN)

ControlNet 数据链路层 (CTDMA)

IP 以太网数据 链路层 (CSMA/CD)

未来 扩展

物理层

DeviceNet 物理层

ControlNet 物理层

EtherNet 物理层

未来 扩展

图8-47 EtherNet/IP通信协议模型

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3.PROFInet的通信结构和通信协议 在PROFInet的第一次公布的版本中,提供了一种非确定性 的控制层的结构,有点类似于PROFIBUS网络。在 PROFInet V1.0中大大地加强了商用以太网、TCP/IP与 UDP/IP以及Microsoft的DCOM、OPC,还有XML的作用。 这样,有些背离了传统PROFIBUS的结构,但实际上很好 地嵌入了Siemens近来所采取的基于组件自动化的策略。 在2003年推出的新版本PROFInet V2.0中,将通过实时通 道(旁路掉TCP/IP协议栈)加进实时的功能。 如图8-48所示,它在数据链路层采用了旨在减小处理通信 栈所需时间的一种传输协议,从而极大地缩短了网络的刷 新时间,确保刷新时间在5~10ms。实时通道除了可进行循 环传输外,还可完成非循环(事件触发、过程数据修改、 操作指令下达等)传输。同时还要加入网络管理、web功 能,以及直接集成I/O设备等。

第7层 DCOM 第4层 第3层 TCP IP

PROFInet 实时数据

实时软件

第2层

具有标准控制的以太网数据链路层

图8-48 PROFInet V2.0的实时数据优化通信通道

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4.HSE的通信结构和通信协议 美国的FF(现场总线基金会)采用高速以太网开发FCS系 统控制级以上通信网络的主干网,控制级以下仍使用H1现 场总线,构成信息集成开放的体系结构。HSE遵循标准的 以太网规范。

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FF在其规范中规定了21种功能块,供基本过程控制和先进 过程控制使用。这些标准功能块驻留在与HSE相连的现场 设备中,只要通过组态就予以链接。为进行复杂的批处理 和混合控制等应用,FF还规定了柔性功能块,支持数据采 集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集,并可 用作与PLC和其他协议通信的网间连接器。 综上所述,我们可以得出这样一个结论:HSE工业以太网 为连续的过程控制工业和断续的制造业所需的连续实时控 制提供了各种的解决方案。它为连续过程控制系统、断续 制造的控制系统、批量控制系统以及MES、ERP等企业信 息管理系统的集成,提供了一种相当成熟的工业以太网的 标准协议。HSE的通信栈如图8-49所示。

NMA网管代理 VFD 虚拟现场设备 H1 接 口 1 H1 接 口 n

FBAP VFD 1 …

FBAP VFD n

HSE HSE SMK系 LRE 统管理 LAN冗 内核 余实体

HSE 管理 代理

OD

HSE SMIB



OD

HSE NMIB

FDA会话

FDA(现场 设备存取) 代理

SNMP

DHCP

SNTP

FMS VCRs

HSE MIB 管理 信息 库

TCP IP

UDP

IEEE 802.3介质存取控制和物理层

图8-49 HSE的通信栈

8.8.3 以太网用于工业控制需要解决的问题
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工业以太网,一般来讲技术上与商用以太网兼容,但在产 品设计时,在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满 足工业现场的需要,是一种典型的工业通信网络。与商用 以太网相比,工业以太网在以下方面具有特殊的要求: (1)要求有高实时性与良好的时间确定性。 (2)传送信息多为短帧信息,且信息交换频繁。 (3)容错能力强,可靠性、安全性好。 (4)控制网络协议简单实用,工作效率高。 (5)控制网络结构具有高度分散性。 (6)控制设备的智能化与控制功能的自治性。 (7)与信息网络之间有高效率的通信,易于实现与信息网 络的集成。 (8)设备的可靠性与环境适应性。 (9)远距离传输。 (10)总线供电。 (11)本安防爆。

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(12)网络安全性。 (13)互操作性。 工业以太网比传统的商业以太网对设备有着更为苛刻的要 求。工业以太网要求设备可以正常工作在恶劣的环境中, 而且在温度、湿度、抗干扰、电磁兼容性、机械强度等方 面,都有较高的要求。

8.8.4 以太网用于工业控制的优势
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1. 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术,受到广泛 的技术支持,最典型的以太网应用形式是 Ethernet+TCP/IP+Web。几乎所有的编程语言都支持 Ethernet的应用开发,如Java、Visual C++、Visual Basic 等。 2. 成本低廉

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由于以太网的应用最为广泛,因此受到硬件开发商与生产厂 商的高度重视与广泛支持,有多种硬件产品供用户选择。而 且由于应用广泛,硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的 价格只有PROFIBUS、FF等现场总线的十分之一,而且随着 集成电路技术的发展,其价格还会进一步下降。 3. 通信速率高 目前以太网的通信速率为10M,100M的快速以太网也开始广 泛应用,1000M以太网技术也逐渐成熟,10G以太网也正在 研究。其通信速率比目前的现场总线快得多。以太网可以满 足对带宽有更高要求的需要。 4. 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年,人们对以太网的设计、应用等多方 面有很多的经验,对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和 设计经验可以显著降低系统开发和培训费用,从而可以显著 降低系统的整体成本,并大大加快系统开发和推广速度。 5. 可持续发展能力强 由于以太网的广泛应用,它的发展一直得到广泛的重视和大 量的技术投入,形成全球性的技术支持。并且,在当前信息 瞬息万变的时代,企业的生存与发展将很大程度上依赖于一

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个快速而有效的通信管理网络,信息技术与通信技术的发 展将更加迅速,也更加成熟,由此保证了以太网技术不断 地持续向前发展。因此,工业控制网络采用以太网,就可 以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外,从 而使工业控制网络和信息网络技术互相促进,共同发展, 并保证技术上的可持续发展,在技术升级方面无需单独的 研究投入。 6. 易于实现管控一体化 易于实现控制网络与信息网络的无缝集成,建立统一的企 业网络。可实现嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感 器等方便地接入以太网络,直至与Internet相连。

8.8.5 工业以太网技术的发展趋势与前景
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由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬 件产品丰富、应用支持技术成熟等优点,目前它已经在工 业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到 了广泛应用,并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的 趋势。

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从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看,目前工业 以太网在制造执行层已得到广泛应用,并成为事实上的标 准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现 场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。 总的来说,工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个 方面。 1. 工业以太网与现场总线相结合 工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专 家的关注。而现场总线经过十几年的发展,在技术上日渐 成熟,在市场上也开始了全面推广,并且形成了一定的市 场。就目前而言,全面代替现场总线还存在一些问题,需 要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结 构,开发出基于工业以太网的系列产品。因此,近一段时 间内,工业以太网技术的发展将与现场总线相结合,具体 表现在: ① 物理介质采用标准以太网连线,如双绞线、光纤等; ② 使用标准以太网连接设备(如交换机等),在工业现场 使用工业以太网交换机; ③ 采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议 组;

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④ 应用层(甚至是用户层)采用现场总线的应用层、用户 层协议; ⑤ 兼容现有成熟的传统控制系统,如DCS、PLC等。 这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出“透明工 厂”的概念,即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场 级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络,并与Web功能 相结合,与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整 体。 2. 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成 大势所趋 随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发 展,为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础,从而 消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍, 为以太网直接应用于工业现场设备间的通信提供了技术可 能。为此,国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网 (Real-time Ethernet,RTE)标准,旨在推动以太网技术 在工业控制领域的全面应用。针对这种形势,以浙江大学、 浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理 工大学、重庆邮电学院等单位,在国家“863”计划的支持 下,开展了EPA(Ethernet for Plant Automation)技术的 研究,重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备

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间通信的关键技术,通过研究和攻关,取得了以下成果: ① 以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。 针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、 周期性较强等特点和要求,经过认真细致的调研和分析, 采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的 关键技术: 实时通信技术 其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技 术,以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件 层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通 信实时性措施,解决了以太网通信的实时性。 总线供电技术 采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术,设计了能实 现网络供电或总线供电的以太网集线器,解决了以太网总 线的供电问题。 远距离传输技术 采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继 以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。 网络安全技术

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采用控制区域微网段化,各控制区域通过具有网络隔离 和安全过滤的现场控制器与系统主干相连,实现各控制区 域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。 可靠性技术 采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠 性设计技术等,提高基于以太网技术的现场设备可靠性, 经实验室EMC测试,设备可靠性符合工业现场控制要求。 ② 起草了EPA国家标准。 以工业现场设备间通信为目标,以工业控制工程师(包 括开发和应用)为使用对象,基于以太网、无线局域网、 蓝牙技术+TCP/IP协议,起草了“用于工业测量与控制系 统的EPA系统结构和通信标准”(草案),并通过了由 TC124组织的技术评审。 ③ 开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样 机,并在化工生产装置上成功应用。针对工业现场控制应 用的特点,通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施,开 发出了基于以太网技术的现场控制设备,主要包括:基于 以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采 集器、软PLC等成果。

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3. 发展前景 据美国权威调查机构ARC(Automation Research Company)报告指出,今后Ethernet不仅继续垄断商业计 算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场,也必 将领导未来现场总线的发展,Ethernet和TCP/IP将成为器 件总线和现场总线的基础协议。美国VDC(Venture Development Corp.)调查报告也指出,Ethernet在工业控 制领域中的应用将越来越广泛,市场占有率的增长也会越 来越快。 由于以太网有“一网到底”的美景,即它可以一直延伸到 企业现场设备控制层,所以被人们普遍认为是未来控制网 络的最佳解决方案,工业以太网已成为现场总线中的主流 技术。 目前,在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作, 2001年9月,我国科技部发布了基于高速以太网技术的现 场总线设备研究项目,其目标是:攻克应用于工业控制现 场的高速以太网的关键技术,其中包括解决以太网通信的 实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问 题,同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络 化控制系统和系统软件。


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