现场总线7章节10种现场总线标准与工业以太网.ppt
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1、现场总线7章节10种现场总线标准与工业以太网 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第1部分部分10种现场总线标准种现场总线标准按照国际电工委员会按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义,安装在制造的定义,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。根据使用场合和用途不同,现场总线又分为根据使用场合和
2、用途不同,现场总线又分为H1低速低速现场总线和现场总线和H2高速现场总线。高速现场总线。IEC/SC65C最初定义的最初定义的H1总线为用于制造或过程区总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线;线;H2总线为无需解决两线制供电、用于装置间传送总线为无需解决两线制供电、用于装置间传送信息的高速串行总线。信息的高速串行总线。H1和和H2总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统信息通信网络。信息通信网络。Type1TS61158现场总线现场总线1998年前,年前,IEC/SC65C只推荐一
3、种类型的现只推荐一种类型的现场总线,该总线主要采纳场总线,该总线主要采纳FoundationFieldbus总总线和线和WorldFIP总线基本技术,并严格按照总线基本技术,并严格按照IEC定定义制定现场总线标准。它支持各种工业领域的信义制定现场总线标准。它支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统,用于过程控制传感器、息处理、监视和控制系统,用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信,可以与工执行器和本地控制器之间的低级通信,可以与工厂自动化的厂自动化的PLC实现互连。实现互连。Type1通用现场总线网络结构通用现场总线网络结构 H1主要用于现场级,其速率为主要用于现场级,其速率为
4、31.25Kbps,负责两线制向现场仪表供电,支持带总线供,负责两线制向现场仪表供电,支持带总线供电设备的本质安全电设备的本质安全H2面向过程控制级、监控管理级面向过程控制级、监控管理级和高速工厂自动化的应用,其速和高速工厂自动化的应用,其速率为率为1,2.5和和100Mbps。TYPE2Ethernet/IP以太网工业协议是一种开放的工业网以太网工业协议是一种开放的工业网络,它使用有源星形拓扑结构,可以将络,它使用有源星形拓扑结构,可以将10Mbps和和100Mbps产品混合使用。该协议在产品混合使用。该协议在TCP/UDP/IP之上之上附加控制和信息协议(附加控制和信息协议(CIP),提供
5、一个公共的应用),提供一个公共的应用层。层。CIP的控制部分用于实时的控制部分用于实时I/O报文,其信息部分用报文,其信息部分用于报文交换。于报文交换。ControlNet和和Ethernet/IP都使用该协都使用该协议通信,分享相同的对象库、对象和设备行规,使得议通信,分享相同的对象库、对象和设备行规,使得多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用。多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用。对象的定义是严格的,在同一种网络上支持实时报文、对象的定义是严格的,在同一种网络上支持实时报文、组态和诊断。为了提高工业以太网的实时性能,组态和诊断。为了提高工业以太网的实时性能,ODVA(开放
6、的(开放的DeviceNet供应商协会)于供应商协会)于2003年年8月公布月公布IEEE1588“用于用于Ethernet/IP实时控制应用实时控制应用的时钟同步的时钟同步”标准。标准。Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线Type2 现场总线系统体系结构 TYPE3TYPE4通信方式采用虚拟令牌(通信方式采用虚拟令牌(Virtual Token)传递方式。)传递方式。只有主站可以拥有令牌,主站在拥有令牌时,可以向只有主站可以拥有令牌,主站在拥有令牌时,可以向从站发出一个请求,从站在从站发出一个请求,从站在390 s内访问总线,以保内访问总线,以保存在内存中的数据立即
7、返回一个响应,从而完成一次存在内存中的数据立即返回一个响应,从而完成一次通信循环。数据在内存中的存储顺序是符合通信循环。数据在内存中的存储顺序是符合FIFO机机制的每个节点含有一个通用的单芯片微处理器,可以制的每个节点含有一个通用的单芯片微处理器,可以完成测量、标定、转换和应用功能。完成测量、标定、转换和应用功能。P-NET总线的物总线的物理层采用理层采用RS-485标准,使用屏蔽双绞线通信电缆,当标准,使用屏蔽双绞线通信电缆,当通信频率为通信频率为76.8KHz时,传输距离可达到时,传输距离可达到1.2km。P-NET采用采用NRZ异步传输方式。异步传输方式。节节点点(Node):节节点点是
8、是指指连连结结到到总总线线上上的的设设备备。P-NET协协议议的的节节点点包包括括三三种种类类型型:主主站站、从从站站和和网关。网关。主主站站(Master):在在P-NET协协议议中中是是惟惟一一可可以以拥拥有有令令牌牌,并并发发出出请请求求信信息息的的节节点点,主主站站对对总总线线的的访访问问是是主主动动的的。在在主主站站获获得得总总线线令令牌牌后后允允许许在在一一定定的的时时间间内内访访问问总总线线,拥拥有有一一次次令令牌牌只只能能发发送送一一次请求,主站在使用完令牌后即将令牌传给下一个主站。次请求,主站在使用完令牌后即将令牌传给下一个主站。从从站站(Slave):在在收收到到主主站站的
9、的请请求求后后,在在一一定定的的时时间间内内返返回回相相应应的的响响应应,从从站站不不能能拥拥有有令令牌牌,对总线的访问是被动的,只有在被某个主站访问时才能占用总线返回响应。对总线的访问是被动的,只有在被某个主站访问时才能占用总线返回响应。网网关关(Gateway):是是连连接接两两个个或或更更多多段段总总线线的的设设备备。P-NET是是多多段段多多网网络络总总线线,段段与与段段之之间间以以网网关关相相连连。网网关关即即起起到到隔隔离离总总线线段段的的作作用用,又又在在段段与与段段之之间间进进行行信信息息的的传传递递,实实现现不不同同总总线线段段之之间间的通信。的通信。虚虚拟拟令令牌牌:P-N
10、ET通通信信协协议议遵遵循循虚虚拟拟令令牌牌制制传传递递方方式式。所所谓谓虚虚拟拟令令牌牌就就是是在在各各主主站站访访问问总总线线时时,并并没没有有实实际际的的令令牌牌在在各各个个主主站站之之间间传传递递,传传输输的的一一帧帧信信息息中中并并不不包包含含令令牌牌字字节节。各各主主站站对对总总线线的的访问遵循一定的时间机制,这是通过空闲总线位周期计数器和总线访问计数器来实现的。访问遵循一定的时间机制,这是通过空闲总线位周期计数器和总线访问计数器来实现的。空空闲闲总总线线位位周周期期计计数数器器(Idle Bus Bit Period Counter):空空闲闲总总线线位位周周期期计计数数器器是是
11、用用来来计计算算总总线线上上没没有有主主站站访访问问的的周周期期数数的的,它它总总是是从从40开开始始增增加加,遇遇到到一一个个空空闲闲位位周周期期,则则“空空闲闲总总线线位位周周期期计数器计数器”增加增加10,遇到主站访问总线,遇到主站访问总线,“空闲总线位周期计数器空闲总线位周期计数器”重新从重新从40开始计。开始计。总总线线访访问问计计数数器器(Bus Access Counter):总总线线访访问问计计数数器器是是用用来来纪纪录录访访问问总总线线的的主主站站的的站站号号,并并且且利利用用该该站站号号来来实实现现总总线线的的同同步步。每每次次令令牌牌从从一一个个主主站站传传给给另另一一个
12、个主主站站时时“总总线线访访问问计计数数器器”都要加都要加1,访问总线的主站的站号要与总线访问计数器的值相等,否则会出现总线不同步错误。,访问总线的主站的站号要与总线访问计数器的值相等,否则会出现总线不同步错误。Tpye5FFHSE现场总线现场总线1998年年,美美国国FieldbusFoundation(FF)基基金金会会决决定定采采用用高高速速以以太太网网(HighSpeedEthernet,HSE)技技术术开开发发H2现现场场总总线线,作作为为现现场场总总线线控控制制系系统统控控制制级级以以上上通通信信网网络络的的主主干干网网,它它与与H 1现现 场场 总总 线线 整整 合合 构构 成成
13、 信信 息息 集集 成成 开开 放放 的的 体体 系系 结结 构构。HSE网网络络遵遵循循标标准准的的以以太太网网规规范范,并并根根据据过过程程控控制制的的需需要要适适当当增增加加了了一一些些功功能能,但但这这些些增增加加的的功功能能可可以以在在标标准准的的Ethernet结结构构框框架架内内无无缝缝地地进进行行操操作作,因因而而FFHSE总总线线可可以以使使用用当当前前流流行行的的商商用用(COTS)以以太太网网设设备备。100Mbps以以太太网网拓拓扑扑是是采采用用交交换换机机形形成成星星形形连连接接,这这种种交交换换机机具具有有防防火火墙墙功功能能,以以阻阻断断特特殊殊类类型型的的信信息
14、息出出入入网网络络。HSE使使用用标标准准的的IEEE802.3信信号号传传输输,标标准准的的Ethernet接接线线和和通通信信媒媒体体。设设备备和和交交换换机机之之间间距距离离,使使用用双双绞绞线线为为100米米,光光缆缆可可达达2千千米米。HSE使使用用连连接接装装置置(LD)连连接接H1子子系系统统,LD执执行行网网桥桥功功能能,它它允允许许就就地地连连在在H1网网络络上上的的各各现现场场设设备备,以以完完成成点点对对点点对对等等通通信信。HSE支支持持冗冗余余通通信信,网网络络上上的的任任何何设设备备都都能能作作冗冗余余配配置置。Type5 FF HSE现场总线体系结构现场总线体系结
15、构 FFB是柔性功能模块,用于进行复杂的批处理和混合控制应用,支持数据采集的监控,子是柔性功能模块,用于进行复杂的批处理和混合控制应用,支持数据采集的监控,子系统接口、事件顺序、多路数据采集、系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC与其它协议通信的网间连结器。与其它协议通信的网间连结器。TYPE6Type6SwiftNet现场总线由美国现场总线由美国SHIPSTAR协会主持制定,得协会主持制定,得到美国波音公司的支持,主要用于航空和航天等领域。该总线到美国波音公司的支持,主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线,协议仅包括物理层和数据是一种结构简单、实时性高的总线,协议仅
16、包括物理层和数据链路层。链路层。SwiftNet现场总线采用分层总线式拓扑结构。现场总线采用分层总线式拓扑结构。物理层传送速率为物理层传送速率为5Mbps,此时每秒传送,此时每秒传送105个不同的报文。个不同的报文。总线使用总线使用TDMA(Slottedtimedivisionmultipleaccess)槽)槽路时间片多路送取方式,提供专用高速、低抖动同步通道和按路时间片多路送取方式,提供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的分配或交换;要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的分配或交换;按要求指定的通道则适用于非调度报文。按要求指定的通道则适用于非调
17、度报文。TDMA方式是将总线方式是将总线上的时间分割为相等长度间隔,称作槽路,只有当总线上的站上的时间分割为相等长度间隔,称作槽路,只有当总线上的站分配到槽路时,它才能监听和发送。每个站还能根据所占的比分配到槽路时,它才能监听和发送。每个站还能根据所占的比例,协调总线访问、数据传输和接收数据。例,协调总线访问、数据传输和接收数据。Type 6 SwiftNet现场总线体系结构现场总线体系结构 TYPE7WorldFIP协议是协议是EN50170欧洲标准的第三部分,物理层采用欧洲标准的第三部分,物理层采用IEC61158.2标准,其产品在法国占有标准,其产品在法国占有60%市场,在欧洲占有大约市
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