《現(xiàn)場總線技術(shù)綜述》PPT課件.ppt

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現(xiàn)場總線技術(shù)綜述 現(xiàn)場總線 Fieldbus 是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散 全數(shù)字化 智能 雙向 互聯(lián) 多變量 多點 多站的通信網(wǎng)絡(luò) 企業(yè)資源規(guī)劃層制造執(zhí)行層過程控制層 一 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng) 一 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)備室 監(jiān)控室 廠房 在家或在路上 辦公室 圖1 2 現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián) 采用專用網(wǎng)關(guān)將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡置入同一臺PCWEB服務(wù)器置入PLC或現(xiàn)場控制設(shè)備內(nèi) 現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別 現(xiàn)場總線主要用于對生產(chǎn) 生活設(shè)備的控制 一般局域網(wǎng)用于辦公 多媒體通信不同技術(shù)特點 控制網(wǎng) 高度實時性 安全性 可靠性 數(shù)據(jù)傳輸量小 局域網(wǎng)相反現(xiàn)場總線為全數(shù)字通信 具有開放式 全分布 互操作等特點具有越來越緊密聯(lián)系 80年代末 90年代初國際上發(fā)展形成的 用于過程自動化 制造自動化 樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò) 它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ) 溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系 它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò) 而且還是一種開放式 新型全分布控制系統(tǒng) 這項以智能傳感 控制 計算機 數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) 已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注 成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點 并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革 國際上許多實力 有影響的公司都先后在不同程度上進行了現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā) 現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層 作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò) 要求具有協(xié)議簡單 容錯能力強 安全性好 成本低的特點 具有一定的時間確定性和較高的實時性要求 還具有網(wǎng)絡(luò)負載穩(wěn)定 多數(shù)為短幀傳送 信息交換頻繁等特點 由于上述特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù) 都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色 二 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點 一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng) 也稱作FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代 把4 20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代 把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代 而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng) 一方面 突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限 采用了基于公開化 標準化的解決方案 克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷 另一方面把DCS的集中與分散相結(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 可以說 開放性 分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征 現(xiàn)場總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起 分散割據(jù)的初始階段后 盡管已有一定范圍的磋商合并 但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國際標準 其中有較強實力和影響的有 FoundationFieldbus FF LonWorks Profibus HART CAN Dupline等 它們具有各自的特色 在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢 本課程將在簡要描述現(xiàn)場總線技術(shù)特點的基礎(chǔ) 緊扣系統(tǒng)的可靠性 實用性等 介紹現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)及目前較為流行的幾種有實力的現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀 1 系統(tǒng)的開放性 開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開 各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換 現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng) 這里的開放是指對相關(guān)標準的一致 公開性 強調(diào)對標準的共識與遵從 一個開放系統(tǒng) 它可以與任何遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連 一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的 開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶 用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng) 2 互可操作性與互用性 這里的互可操作性 是指實現(xiàn)互連設(shè)備間 系統(tǒng)間的信息傳送與溝通 可實行點對點 一點對多點的數(shù)字通信 而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用 3 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測量 補償計算 工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成 僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能 并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài) 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能 使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 提高了可靠性 5 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 工作在現(xiàn)場設(shè)備前端 作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線 是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的 它可支持雙絞線 同軸電纜 光纜 射頻 紅外線 電力線等 具有較強的抗干擾能力 能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信 并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 由于現(xiàn)場總線的以上特點 特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化 使控制系統(tǒng)的設(shè)計 安裝 投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護 都體現(xiàn)出優(yōu)越性 1 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感 控制 報警和計算功能 因而可減少變送器的數(shù)量 不再需要單獨的控制器 計算單元等 也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理 轉(zhuǎn)換 隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線 還可以用工控PC機作為操作站 從而節(jié)省了一大筆硬件投資 由于控制設(shè)備的減少 還可減少控制室的占地面積 2 節(jié)省安裝費用 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單 由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備 因而電纜 端子 槽盒 橋架的用量大大減少 連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少 當需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時 無需增設(shè)新的電纜 可就近連接在原有的電纜上 既節(jié)省了投資 也減少了設(shè)計 安裝的工作量 據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料 可節(jié)約安裝費用60 以上 3 節(jié)省維護開銷 由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力 并通過數(shù)字通訊將相關(guān)診斷維護信息送往控制室 用戶可以查詢所有設(shè)備的運行 診斷維護信息 以便早期分析故障原因并快速排除 縮短了維護停工時間 同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化 連線簡單而減少了維護工作量 4 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán) 用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng) 避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被 框死 了設(shè)備的選擇范圍 不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議 接口而一籌莫展 使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中 5 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性 由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化 數(shù)字化 與模擬信號相比 它從根本上提高了測量與控制的準確度 減少了傳送誤差 同時 由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化 設(shè)備與連線減少 現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強 減少了信號的往返傳輸 提高了系統(tǒng)的工作可靠性 此外 由于它的設(shè)備標準化和功能模塊化 因而還具有設(shè)計簡單 易于重構(gòu)等優(yōu)點 回顧 現(xiàn)場總線 Fieldbus是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散 全數(shù)字化 智能 雙向 互聯(lián) 多變量 多點 多站的通信網(wǎng)絡(luò) 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)企業(yè)資源規(guī)劃層 制造執(zhí)行層 過程控制層現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別1 應(yīng)用環(huán)境不同2 不同技術(shù)特點現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)1 2 3 回顧 80年代末 90年代初國際上發(fā)展形成的 用于過程自動化 制造自動化 樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò) 它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ) 溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系 第五代控制系統(tǒng) 1 2 3 4 5 現(xiàn)場總線技術(shù)特點1 系統(tǒng)的開放性2 互可操作性與互用性3 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性5 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性優(yōu)點 1 節(jié)省硬件數(shù)量與投資2 節(jié)省安裝費用3 節(jié)省維護開銷4 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)5 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性 三 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn) 現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)是數(shù)字通信 通信則必須有協(xié)議 從這個意義上說 現(xiàn)場總線就是一個定義了硬件借口和通信協(xié)議的標準 ISOOSI 7層現(xiàn)場總線多數(shù)采用了1 2 7層 并增設(shè)用戶層 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn) 1 物理層 定義信號的編碼與傳送方式 傳送介質(zhì) 接口的電氣及機械特性 信號傳輸速率等 2 數(shù)據(jù)鏈路層 加強物理層傳輸原始比特的功能 使之對網(wǎng)絡(luò)上層顯現(xiàn)出一條無錯線路 3 應(yīng)用層 為用戶應(yīng)用提供接口 功能是進行現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問 4 用戶層 定義了從現(xiàn)場裝置中讀 寫信息和向網(wǎng)絡(luò)中其他裝置分派信息的方法 即規(guī)定了供用戶組態(tài)的標準 功能模塊 特性描述 參數(shù)設(shè)定 相互連接的方法一致 四 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀 1 多種總線共存現(xiàn)場總線國際標準IEC61158中采用了8種類型 FF的H1 ControlNet ProfiBus P Net FF的HSE SwiftNet WorldFIP INTERBUS 四 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀 市場還有其他一些現(xiàn)場總線 據(jù)統(tǒng)計世界市場對各種現(xiàn)場總線的需求的實際額為 過程自動化15 FF PROFIBUS PA WorldFIP 醫(yī)藥領(lǐng)域18 FF PROFIBUS PA WorldFIP 加工制造15 交通運輸15 PROFIBUS DP DeviceNet 航空 國防34 PROFIBUS FMS LonWorks DeviceNet ControlNet 農(nóng)業(yè) 未統(tǒng)計 P NET CAN PROFIBUS PA DP DeviceNet ControlNet 樓宇 未統(tǒng)計 LonWorks PROFIBUS PA DP DeviceNet 2 各種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域3 各種總線各有其國際組織4 每種總線均有其支持背景5 設(shè)備制造商參加多個總線組織6 多種總線均作為國家和地區(qū)標準7 協(xié)調(diào)共存8 工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域 五 現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢 1 發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣為注的焦點課題 國際上現(xiàn)場總線的研究 開發(fā) 使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮 走上開放發(fā)展的征程 2 具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有 智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù) 組態(tài)技術(shù) 包括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 網(wǎng)段互連等 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)管理軟件 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸 人機接口 軟件技術(shù) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù) 3 自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前 這一發(fā)展趨勢是肯定的 4 在從現(xiàn)在起的未來10年內(nèi) 可能出現(xiàn)幾大總線標準共存 甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi) 幾種總線標準的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實現(xiàn)信息共享的局面 5 在連續(xù)過程自動化領(lǐng)域內(nèi) 今后10年內(nèi) FF PROFIBUS PA總線將成為主流發(fā)展趨勢 LonWorks將成為有力的競爭對手 HART作為過渡性產(chǎn)品也能有一定的市場 這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā) 其用戶層的各種功能是專業(yè)連續(xù)過程設(shè)計的 而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境 如支持總線供電 可滿足本質(zhì)安全防爆要求等 四 典型現(xiàn)場總線簡介 1 基金會現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線 即FoudationFieldbus 簡稱FF 這是在過程自動化領(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Fisher Rousemount公司為首 聯(lián)合Foxboro 橫河 ABB 西門子等80家公司制訂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WordFIP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 它以ISO OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ) 取其物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次 并在應(yīng)用層上增加了用戶層 基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率 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的傳輸速率為1Mbps和2 5Mbps兩種 其通信距離為750m和500m 物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線 光纜和無線發(fā)射 協(xié)議符合IEC1158 2標準 其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼 每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變 或是負跳變 正跳變代表0 負跳變代表1 從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息 以保持發(fā)送雙方的時間同步 接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的 1 0 狀態(tài) 也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位 為滿足用戶需要 Honeywell Ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片 許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品 1總線已通過 測試和 測試 完成了由13個不同廠商提供設(shè)備而組成的FF現(xiàn)場總線工廠試驗系統(tǒng) 2總線標準也已經(jīng)形成 1996年10月 在芝加哥舉行的ISA96展覽會上 由現(xiàn)場總線基金會組織實施 向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品 并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的FF展品 用醒目的橙紅色電纜 互連為七段現(xiàn)場總線演示系統(tǒng) 各展臺現(xiàn)場設(shè)備之間可實地進行現(xiàn)場互操作 展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的成就與技術(shù)實力 2 CANCAN是控制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork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 得到了Motorola Intel Philips Siemens NEC等公司的支持 已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域 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 不過 其模型結(jié)構(gòu)只有3層 只取OSI底層的物理層 數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層 其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線 通信速率最高可達1Mbps 40m 直接傳輸距離最遠可達10km 5kbps 可掛接設(shè)備最多可達110個 CAN的信號傳輸采用短幀結(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 當節(jié)點嚴重錯誤時 具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系 使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響 具有較強的抗干擾能力 CAN支持多主方式工作 網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息 支持點對點 一點對多點和全局廣播方式接收 發(fā)送數(shù)據(jù) 它采用總線仲裁技術(shù) 當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時 優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù) 而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送 從而避免了總線沖突 已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片 如Intel公司的82527 Motorola公司MC68HC908AZ60Z Philips公司的SJA1000等 還有插在PC機上的CAN總線接口卡 具有接口簡單 編程方便 開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點 3 DeviceNet Devicenet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN ControllerAreaNetwork 技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò) 最初由美國Rockwell公司開發(fā)應(yīng)用 Devicenet是一種低成本的通訊總線 它將工業(yè)設(shè)備 如 限位開關(guān) 光電傳感器 閥組 馬達啟動器 過程傳感器 條形碼讀取器 變頻驅(qū)動器 面板顯示器和操作員接口 連接到網(wǎng)絡(luò) 從而消除了昂貴的硬接線成本 直接互連性改善了設(shè)備間的通訊 并同時提供了相當重要的設(shè)備級診斷功能 這是通過硬接線I O接口很難實現(xiàn)的 DeviceNet Devicenet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)標準 規(guī)范和協(xié)議都是開放的 供貨商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時 無需為硬件 軟件或授權(quán)付費 任何對DeviceNet技術(shù)感興趣的組織或個人都可以從開放式DeciceNet供貨商協(xié)會 ODVA 獲得DeviceNet規(guī)范 并可以加入ODVA 參加對DeviceNet規(guī)范進行增補的技術(shù)工作組 Devicenet的許多特性沿襲于CAN 4 LonWorksLonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù) 它是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉 東芝公司共同倡導(dǎo) 于1990年正式公布而形成的 它采用了ISO OSI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 通訊速率從300bps至1 5Mbps不等 直接通信距離可達到2700m 78kbps 雙絞線 支持雙絞線 同軸電纜 光纖 射頻 紅外線 電源線等多種通信介質(zhì) 并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品 被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò) LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現(xiàn) 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 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3 6層的功能 稱為網(wǎng)絡(luò)處理器 進行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址 處理 背景診斷 函數(shù)路徑選擇 軟件計量 網(wǎng)絡(luò)管理 并負責(zé)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) 如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM LonWorks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本 每片價格約5 9美元 而芯片的低成本又返過來促進了LonWorks技術(shù)的推廣應(yīng) 形成了良好循環(huán) 據(jù)Ecelon公司的有關(guān)資料 到1996年7月 已生產(chǎn)出500萬片神經(jīng)元芯片 LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵各OEM開發(fā)商運用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片 開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品 據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù) 1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品 并進一步組織起LonWork互操作協(xié)會 開發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品 它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化 家庭自動化 保安系統(tǒng) 辦公設(shè)備 運輸設(shè)備 工業(yè)過程控制等行業(yè) 為支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作 該公司正在開發(fā)各種網(wǎng)關(guān) 以便將LonWorks與以太網(wǎng) FF Modbus DeviceNet Profibus Serplex等互連為系統(tǒng) 另外 在開發(fā)智能通信接口 智能傳感器方面 LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢 LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會ASRE定為建筑自動化協(xié)議BACnet的一個標準 根據(jù)剛剛收到的消息 美國消費電子制造商協(xié)會已經(jīng)通過決議 以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)制定了EIA 709標準 這樣 LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開發(fā) 芯片設(shè)計 芯片制造 控制模塊開發(fā)制造 OEM控制產(chǎn)品 最終控制產(chǎn)品 分銷 系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā) 制造 推廣 應(yīng)用體系結(jié)構(gòu) 吸引了數(shù)萬家企業(yè)參與到這項工作中來 這對于一種技術(shù)的推廣 應(yīng)用有很大的促進作用 回顧 ISOOSI 7層1 2 7層 并增設(shè)用戶層 現(xiàn)場總線現(xiàn)狀 1 2 3 4 5 6 7 8現(xiàn)場總線國際標準IEC61158 FF的H1 ControlNet ProfiBus P Net FF的HSE SwiftNet WorldFIP INTERBUS 回顧 典型現(xiàn)場總線簡介 FF 基金會現(xiàn)場總線 即FoudationFieldbusISP WordFIP物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 應(yīng)用層 用戶層 H1 31 25Kbps 1900m 可支持總線供電 可支持本質(zhì)安全H2 1Mbps 2 5Mbps 750m 500m 傳輸信號采用曼徹斯特編碼 CAN 控制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork最早應(yīng)用于汽車行業(yè) 現(xiàn)廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 應(yīng)用層1Mbps 40m 最遠可達10km 5kbps 可掛接設(shè)備最多可達110個短幀結(jié)構(gòu) 具有自動關(guān)閉功能 具有較強的抗干擾能力 支持多主方式通信芯片 回顧 典型現(xiàn)場總線簡介 DeviceNet 基于CAN它將工業(yè)設(shè)備限位開關(guān) 光電傳感器 閥組 馬達啟動器 過程傳感器 條形碼讀取器 變頻驅(qū)動器 面板顯示器等設(shè)備級診斷功能LonWorks Ecelon公司 層結(jié)構(gòu)從300bps至1 5Mbps 直接通信距離可達到2700m 78kbps 雙絞線 支持本安防爆LonTalk協(xié)議 Neuron芯片 3個8位CPU 媒體訪問控制處理器 網(wǎng)絡(luò)處理器 應(yīng)用處理器美國暖通工程師協(xié)會ASRE定為建筑自動化協(xié)議BACnet的一個標準 美國消費電子制造商協(xié)會 EIA 709標準 5 ProfibusProfibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現(xiàn)場總線 ISO OSI模型也是它的參考模型 由Profibus Dp Profibus FMS Profibus PA組成了Profibus系列 DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸 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 適用于紡織 樓宇自動化 可編程控制器 低壓開關(guān)等一般自動化 而PA型則是用于過程自動化的總線類型 它遵從IEC1158 2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 由這兩部分形成了其標準第一部分的子集 DP型隱去了3 7層 而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口 FMS型只隱去第3 6層 采用了應(yīng)用層 作為標準的第二部分 PA型的標準目前還處于制定過程之中 其傳輸技術(shù)遵從IEC1158 2 1 標準 可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆 Porfibus支持主 從系統(tǒng) 純主站系統(tǒng) 多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式 主站具有對總線的控制權(quán) 可主動發(fā)送信息 對多主站系統(tǒng)來說 主站之間采用令牌方式傳遞信息 得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán) 并事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間 按Profibus的通信規(guī)范 令牌在主站之間按地址編號順序 沿上行方向進行傳遞 主站在得到控制權(quán)時 可以按主 從方式 向從站發(fā)送或索取信息 實現(xiàn)點對點通信 主站可采取對所有站點廣播 不要求應(yīng)答 或有選擇地向一組站點廣播 Profibus的傳輸速率為9 6K 12Mbps 最大傳輸距離為1200m 1 5Mbps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 6 HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫 最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80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高速通道的開放通信協(xié)議 其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信 屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品 因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力 得到了較好的發(fā)展 HART通信模型由3層組成 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 物理層采用FSK FrequencyShiftKeying 技術(shù)在4 20mA模擬信號上迭加一個頻率信號 頻率信號采用Bell202國際標準 數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps 邏輯 0 的信號頻率為2200Hz 邏輯 1 的信號傳輸頻率為1200Hz 數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式 其信息構(gòu)成包括開頭碼 顯示終端與現(xiàn)場設(shè)備地址 字節(jié)數(shù) 現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài) 數(shù)據(jù) 奇偶校驗等 其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個起始位 8個數(shù)據(jù)位 1個奇偶校驗位 1個終止位 應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實現(xiàn) 即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息 它規(guī)定了一系列命令 按命令方式工作 它有3類命令 第一類稱為通用命令 這是所有設(shè)備理解 執(zhí)行的命令 第二類稱為一般行為命令 它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?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這3類命令 HART支持點對點主從應(yīng)答方式和多點廣播方式 按應(yīng)答應(yīng)方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為2 3次 按廣播方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為3 4次 它還可支持兩個通信主設(shè)備 總線上可掛設(shè)備數(shù)多達15個 每個現(xiàn)場設(shè)備可有256個變量 每個信息最大可含4個變量 最大傳輸距離3000m HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL 現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設(shè)備特性 由HART基金會負責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典 主設(shè)備運用DDL技術(shù) 來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口 但由于這種模擬數(shù)字混信號制 導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片 HART能利用總線供電 可滿足本安防爆要求 7 其他 INTERBUS 德國Phoenix 汽車 煙草 倉儲等行業(yè) 1 2 7 INTERBUSCLUBCC LINK 日本三菱 汽車等行業(yè) 符合亞洲人思維 CLPAControlNet 美國Rockwell 交通運輸 汽車 冶金 石油化工等行業(yè) 控制網(wǎng)國際組織CIWorldFIP P Net SwiftNet AS i FF時間分布確定的通信用戶層 功能塊 控制功能分布到現(xiàn)場設(shè)備用于互操作的DD與行規(guī)文件高速數(shù)據(jù)通信總線為HSE SlowSpeedH1 HighSpeedHSE LinkDevice SlowSpeedH1 FoundationFieldbus PROFIBUS簡單 快速通信機制通信冗余支持 高速DP 用于互操作的GSD與行規(guī)文件FISCO認證標準用于IS標準設(shè)計高速數(shù)據(jù)總線支持RS485或F O技術(shù) GenericDiagram PROFIBUSFIELDBUS CAN DeviceNet SDS ASI bus Interbus S FF PROFIBUSPA WorldFIP P Net LON ControlNet FastFF HighspeedPROFIBUS ControlNet TCPIP EthernetFastFF Sensors simpleswitchesetc 各總線應(yīng)用層分析 FoundationFieldbus標準H1用于過程自動化儀表HSE用于高速通信設(shè)備ProfibusPA DP標準PA用于過程自動化儀表DP用于高速通信設(shè)備LonWorks 工廠電氣設(shè)備LVMCC INSUM2gatewaytoDP MODBUS MV HVMCC ABB過程自動化總線市場定位 支持 您選擇的現(xiàn)場總線協(xié)議統(tǒng)一的編程體系廣泛自由的產(chǎn)品選擇系統(tǒng)全局數(shù)據(jù)一致性資產(chǎn)優(yōu)化管理完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) YourfieldbusVantagePoint 現(xiàn)場總線策略 FieldIT 全方位的標準總線智能設(shè)備 Pressure Flow Level Temperature Positioners Actuators Valves Controllers Recorders FieldIT 設(shè)備總覽 HART PROFIBUSPA PROFIBUSDP FIELDBUSFOUNDATION Temperature TF02 202 Temperature TF12 212 Flow MagXE XM Vortex Swirl V A UltraSonic MassMeter1210 TRIOMASS Pressure P DP 600 T AF800MultivariableMV2000T Positioner TZID Fcomp PH TB82PH Actuator RemoteI O S900 Ex HandTerminalHTT04 ModulatingContrac Pressure P DP 600 T Flow Flow COPAXE XM Vortex Swirl TRIOMASS Pressure P DP 600 T AF800MultivariableMV2000TLevel MultiBarrier MB204Positioner TZID F COPAXE XM MAGXE Vortex Swirl TRIOMASS Controllers Recorders Protronic Digitric PointMaster LineMaster Actuatorson off Contracmodulating Ontrac RemoteI O S900 Ex MultiBarrier MB204 Configurationtools PCbased SMARTVISION Configurationtool Configurationtool PCbased SMARTVISION PCbased SMARTVISION Positioner TZID F Configurationtool AC800Fcontrolbuilder SMARTVISION Multi variableMV2000T Temperature TF12 202 標準ProfiBus設(shè)備組態(tài)GSD文件模板技術(shù) ABB現(xiàn)場總線技術(shù) Profibus PA Profibus DP DigiTool Controller DigiVis DevicespecificDatainGSD Files 使用GSD files組態(tài) 導(dǎo)入設(shè)備GSD文件 選擇設(shè)備使用的功能塊及模塊進行I O編輯 對照手冊選擇輸入 輸出 診測變量 設(shè)備非周期參數(shù)的設(shè)定 標準ProfiBus設(shè)備的組態(tài) PROFIBUS在線設(shè)備診測 查詢掃描新設(shè)備 遠程設(shè)定設(shè)備地址 顯示總線掃描周期 現(xiàn)場總線與設(shè)備的診測 ProfiBus設(shè)備在線參數(shù)設(shè)定 傳感器參數(shù)定義 傳感器功能塊參數(shù)定義 傳感器仿真功能定義 ProfiBus組態(tài)摸板技術(shù) 提供標準用戶參數(shù)對話框提供標準用戶操作面板 摸板技術(shù)支持大量第3方設(shè)備形成標準摸板庫 模板技術(shù)支持所有標準ProfiBus設(shè)備 2 多種設(shè)備配套組態(tài)工具軟件 tool1 Standalonetooln 用戶必須熟悉使用各自工具軟件不能實現(xiàn)流程化工作無一致的質(zhì)量保證 3 大量信息傳輸 OptimizeIT EngineerIT OperateIT ControlIT 現(xiàn)場設(shè)備FieldIT 組態(tài)參數(shù)設(shè)定在線調(diào)試 操作監(jiān)控信號報警處理 過程變量值時間同步功能變量狀態(tài)信息 大量數(shù)據(jù)交換復(fù)雜的編程要求 解決方案 FDT DTM EngineerIT DTMDeviceTypeManager Theuserinterfaceisthesameforalldevicesforallsuppliersforallprotocols FDTFieldDeviceTool 對照 MS Office環(huán)境 Printer驅(qū)動 MicrosoftWindowsNovellNetware ProfibusFoundationFieldbus Device驅(qū)動 目前CBF已支持FDT DTM組態(tài) FieldDeviceTool CBF 減少項目整體費用 基于總線技術(shù)帶來的優(yōu)勢 設(shè)計 安裝 調(diào)試 工廠運行 傳統(tǒng)4 20mA 14 26 53 7 總成本 11 17 3 44 現(xiàn)場總線 25 Saving 100 調(diào)試階段 使用遠程操作進行設(shè)備測試與維護 安裝階段 簡單的布線與機柜設(shè)計 設(shè)計階段P ID流程圖設(shè)計簡化簡化設(shè)計文檔 工廠運行節(jié)省大量電源及EExi隔離器節(jié)省大量控制柜車間及電纜費用 75 Source McDermottEngineering 數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 數(shù)據(jù)通信技術(shù) 基本概念 1 總線的基本術(shù)語 1 總線 傳輸信號或信息的公共路徑 是遵循同一技術(shù)規(guī)范的連接與操作方式 總線段 一組設(shè)備通過總線連接在一起 2 總線主設(shè)備 BusMaster 命令者 3 總線從設(shè)備 BusSlaver 基本設(shè)備 4 控制信號 三種類型 控制連在總線上的設(shè)備 改變總線操作的方式 表明地址和數(shù)據(jù)的含義 5 總線協(xié)議 管理主從設(shè)備使用總線的一套規(guī)則 PROTOCOL 2 總線操作的基本內(nèi)容 1 總線操作 命令者與響應(yīng)者之間的 連接 數(shù)據(jù)傳送 脫開 2 總線傳送 命令者與響應(yīng)者之間的數(shù)據(jù)傳遞 讀 寫 操作 3 通信請求 某一設(shè)備向另一設(shè)備發(fā)出的請求信號 4 尋址 命令者與一個或多個從設(shè)備建立起連接的操作方式 物理尋址 邏輯尋址 廣播尋址 5 總線仲裁 解決沖突 裁決哪一個主設(shè)備是下一個占有總線的設(shè)備 6 總線定時 總線操作用 定時 信號進行同步 用于指明總線上的數(shù)據(jù)和地址在什么時刻是有效的 7 出錯檢測 8 容錯 通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)是傳輸信息所需的一切設(shè)備的綜合信息源 信息接收者 發(fā)送設(shè)備 接收設(shè)備 傳輸介質(zhì)單向數(shù)字通信系統(tǒng) 信息源 編碼 調(diào)制 傳輸介質(zhì) 解調(diào) 譯碼 接收者 數(shù)據(jù)編碼 碼元是傳輸數(shù)據(jù)的基本單位 二元碼 數(shù)據(jù)編碼是指通信系統(tǒng)中以何種物理信號的方式來表達數(shù)據(jù) 模擬數(shù)據(jù)編碼 用模擬信號的幅度 頻率 相位表達數(shù)據(jù) 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼 用高低電平的矩形脈沖信號表達數(shù)據(jù)基帶傳輸 采用數(shù)字數(shù)據(jù) 在基本不改變數(shù)據(jù)信號頻率的情況下 直接傳輸數(shù)據(jù)信號的傳輸方式單極性碼 雙極性碼歸零碼 非歸零碼差分碼 用電平的變化與否在代表 1 和 0 回顧 PROFIBUS SIMENSDp FMS PA 可支持總線供電 可支持本質(zhì)安全 1 2 79 6K 12Mbps 1200m 1 5Mbps時為400m 127個站點 主 從系統(tǒng) 純主站系統(tǒng) 多主多從混合系統(tǒng)令牌HART HighwayAddressableRemoteTransduer Rosemout1 2 7過渡形 FSK FrequencyShiftKeying 4 20mA模擬信號上迭加一個頻率信號15個站點 最大傳輸距離3000m 可支持總線供電 可滿足本安防爆 其他 INTERBUS CC LINK ControlNet WorldFIP P Net SwiftNet AS i 減少項目整體費用 回顧 基于總線技術(shù)帶來的優(yōu)勢 設(shè)計 安裝 調(diào)試 工廠運行 傳統(tǒng)4 20mA 14 26 53 7 總成本 11 17 3 44 現(xiàn)場總線 25 Saving 100 調(diào)試階段 使用遠程操作進行設(shè)備測試與維護 安裝階段 簡單的布線與機柜設(shè)計 設(shè)計階段P ID流程圖設(shè)計簡化簡化設(shè)計文檔 工廠運行節(jié)省大量電源及EExi隔離器節(jié)省大量控制柜車間及電纜費用 75 Source McDermottEngineering 回顧 基本概念1 總線的基本術(shù)語總線 總線主設(shè)備 總線從設(shè)備 控制信號 總線協(xié)議2 總線操作的基本內(nèi)容總線操作 總線傳送 通信請求 尋址 總線仲裁 總線定時 出錯檢測 容錯通信系統(tǒng)的組成信息源 編碼 調(diào)制 傳輸介質(zhì) 解調(diào) 譯碼 接收者數(shù)據(jù)編碼 指通信系統(tǒng)中以何種物理信號的方式來表達數(shù)據(jù) 碼元是傳輸數(shù)據(jù)的基本單位 二元碼 模擬數(shù)據(jù)編碼 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼基帶傳輸 單極性碼 雙極性碼 歸零碼 非歸零碼 差分碼 數(shù)據(jù)編碼 曼徹斯特編碼基帶信號編碼內(nèi)置時鐘信號 可自同步每位 比特 傳輸時間為等間隔時間段 傳輸時 時間段前半部分傳輸反碼 后半部分傳輸原碼 通信系統(tǒng)的性能指標 1 有效性指標 傳輸速率 頻帶利用率 協(xié)議效率 通信效率2 可靠性指標 誤碼率3 信道頻率特性4 介質(zhì)帶寬5 信道容量 某種傳輸介質(zhì)單位時間內(nèi)所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)6 信噪比 局域網(wǎng)及其拓撲結(jié)構(gòu) 將地理位置不同且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng) 通過通信設(shè)備和線路將它們連接起來 有功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 信息交換方式 控制程序和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源 硬件 軟件 信息 的共享 這樣的系統(tǒng)稱為計算機網(wǎng)絡(luò) 一個互連的自主的計算機設(shè)備集合體 拓撲結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接形式 局域網(wǎng)及其拓撲結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 可分為星形 總線形 環(huán)形 樹形等結(jié)構(gòu) 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的物理媒介 也稱為 通信媒體 點對點連接時 一條傳輸鏈路兩端連接兩個通信節(jié)點 發(fā)送設(shè)備通過適當硬件接口 編碼和信號變換等 把信號 模擬或數(shù)字的 注入到傳輸介質(zhì)中去 接收設(shè)備則以相反的過程從另一端取出信號 廣播方式連接時 同一條傳輸鏈路上連接了多臺通信設(shè)備 任何一臺設(shè)備發(fā)送的信號都可能被別的設(shè)備所接收 用于DCS計算機局域網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)有 雙絞線 同軸電纜和光纖雙絞線 由兩根絕緣銅導(dǎo)線組成 一對線作為一條通信鏈路 通常 一定數(shù)量的這樣的雙絞線捆成一電纜 外面包著硬的保護性護套 單個雙絞線的兩個導(dǎo)線絞扭 可減少雙絞線之間的電磁干擾 RJ45接口 單段最大傳輸距離100米 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 雙絞線常見的有3類線 5類線和超5類線 以及最新的6類線 前者線徑細而后者線徑粗 型號如下 1 三類線 用于語音傳輸及最高傳輸速率為10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸 2 五類線 該類電纜增加了繞線密度 外套一種高質(zhì)量的絕緣材料 用于語音傳輸和最高傳輸速率為10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸 是最常用的以太網(wǎng)電纜 3 超五類線 超5類具有衰減小 串擾少 并且性能得到很大提高 超5類線主要用于千兆位以太網(wǎng)1000Mbps 4 六類線 它提供2倍于超五類的帶寬 六類布線的傳輸性能遠遠高于超五類標準 最適用于傳輸速率高于1Gbps的應(yīng)用 同軸電纜 分內(nèi) 外兩個導(dǎo)體組成 外導(dǎo)體 是一個空心圓柱形導(dǎo)體 它包裹著一個內(nèi)心線導(dǎo)體 兩者之間是絕緣材料 同軸電纜的這種結(jié)構(gòu) 使它具有高帶寬和極好的噪聲抑制特性 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 基帶同軸電纜 如50 同軸電纜 用于基帶傳輸 寬帶同軸電纜 如75 電視天線電纜 用于寬帶傳輸 從外形和性能上說 又分為粗纜和細纜 同軸電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率 傳輸距離 可支持的節(jié)點數(shù) 抗干擾等性能優(yōu)于雙絞線 成本也高于雙絞線 但低于光纖 單段最大距離 細纜185米 粗纜500米接口 細纜 T型頭 粗纜 AUI 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 光纖 即光導(dǎo)纖維的簡稱 由內(nèi)外兩種折射率不同的材料構(gòu)成 內(nèi)層折射率高 外層折射率低 通過光的全反射進行傳輸 有多模光纖與單模光纖之分 光收發(fā)器 將光信號轉(zhuǎn)成電信號 光端機 光端盒 一個連接光纜線路和尾纖的盒子 單模 多模光纖單模光纖僅能傳輸一個模式 而多模光纖能傳輸多個模式 單段最大距離 單模 傳輸4000多米 1000 2000米 介質(zhì)訪問控制技術(shù) 各個站通過網(wǎng)絡(luò)傳送信息的基本關(guān)系 就是源 發(fā)送 站將信息送上網(wǎng)絡(luò) 然后目的 接收 站從網(wǎng)絡(luò)讀取信息 為了迅速正確地實現(xiàn)這些對網(wǎng)絡(luò)的存取訪問過程 要有合理的存取控制方法 為解決同一時間多個設(shè)備爭用傳輸介質(zhì)則需要介質(zhì)訪問技術(shù)常用的方法有 輪詢 Poll 令牌傳送 TokenPassing 帶有碰撞檢測的載波偵聽多重訪問 CSMA CD 1 輪詢 Poll 它是由主站向其他站逐個查詢 根據(jù)查詢到站的應(yīng)答信息 確定該站是否要發(fā)信 并確定是否讓其發(fā)信 這一站發(fā)送我按信息后通知主站 再繼續(xù)查詢 適用于集中控制的網(wǎng)絡(luò) 星形網(wǎng) 樹形網(wǎng) 總線網(wǎng) 在DCS中稱為1對N的控制方式 2 令牌傳送 TokenPassing 采用令牌傳送技術(shù)的有環(huán)形網(wǎng)或在邏輯序列上將節(jié)點連接成環(huán)的總線網(wǎng) 通信響應(yīng)時間具有確定性 實時性好 系統(tǒng)總的信息吞吐量大 令牌傳送為N對N通信中最好的 2 令牌傳送 TokenPassing 工作原理 環(huán)上有一個稱為令牌的信息包沿環(huán)中各節(jié)點依次傳送 該令牌有空 忙兩個狀態(tài) 在網(wǎng)絡(luò)啟動時 由指定節(jié)點產(chǎn)生一個空令牌送到網(wǎng)上傳送 對要傳送信息的節(jié)點 都要在令牌傳到自己并判斷為空時 才能把令牌置成忙 并發(fā)送含有數(shù)據(jù) 源地址 目的地址 檢錯碼的信息包 然后發(fā)送到網(wǎng)上 目的站讀取該信息包后 仍然轉(zhuǎn)發(fā)該包 再回到發(fā)送站時 才撤消該包 并把令牌置成空 并將它傳給下一節(jié)點 如果令牌丟失或信息包在環(huán)上無限制循環(huán) 則由指定的監(jiān)視節(jié)點向網(wǎng)中注入一個新令牌或?qū)⑿畔废?3 碰撞檢測的載波偵聽多重訪問 CSMA CD 網(wǎng)絡(luò)上的各個站共享一條傳輸線 就有可能發(fā)生傳輸線上的信息 碰撞 這種競爭必須用一定策略消解 首先是載波偵聽多重訪問 即 先聽后講 先進行偵聽 判斷空閑發(fā)送數(shù)據(jù) 然后等待應(yīng)答信號 但仍然有可能發(fā)生碰撞 那么還需要加上 邊聽邊說 CD 即在發(fā)數(shù)據(jù)的同時 繼續(xù)對線路進行偵聽 當發(fā)現(xiàn)聽和說的內(nèi)容不一致時 立即停止發(fā)送數(shù)據(jù) 而改發(fā)堵塞信號 等待一定時間后 再重復(fù)一邊上述過程 競爭發(fā)送 廣播式傳輸 載波偵聽 碰撞檢測 等待時機 再試發(fā)送 特點 優(yōu)點 算法簡單 成本低 可靠性高 負荷輕時延遲少 而總吞吐量也較好 負荷重時也能工作 缺點 通信延遲不確定 為檢測碰撞 要求在總線上任何位置 各站發(fā)出信號的幅度差別不能大 這在有時會增加技術(shù)難度適合突發(fā)性通信 以太網(wǎng) Ethernet 常用 計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 主機 HOST 可帶終端 節(jié)點通信鏈路節(jié)點與通信鏈路統(tǒng)稱為通信子網(wǎng)主機 終端等統(tǒng)稱為資源子網(wǎng) 計算機局域網(wǎng) 計算機網(wǎng)絡(luò)按照覆蓋地域范圍的不同分為 廣域網(wǎng) 遠程網(wǎng) 數(shù)公里以上局域網(wǎng) 局部網(wǎng) 幾米至幾千米 分布式多處理機 幾米以內(nèi) 回顧 曼徹斯特編碼通信系統(tǒng)的性能指標 有效性指標 可靠性指標 信道頻率特性 介質(zhì)帶寬 信道容量 信噪比局域網(wǎng)將地理位置不同且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng) 通過通信設(shè)備和線路將它們連接起來 有功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 信息交換方式 控制程序和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源 硬件 軟件 信息 的共享 這樣的系統(tǒng)稱為計算機網(wǎng)絡(luò) 局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 點對點 廣播方式 雙絞線 同軸電纜 光纖 回顧 介質(zhì)訪問控制技術(shù)輪詢 Poll 令牌傳送 TokenPassing 帶有碰撞檢測的載波偵聽多重訪問 CSMA CD 計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)計算機局域網(wǎng)廣域網(wǎng) 遠程網(wǎng) 局域網(wǎng) 局部網(wǎng) 分布式多處理機 幾米以內(nèi) 現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線又稱現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò) 特殊計算機網(wǎng)絡(luò) 是用于完成自動化任務(wù)的網(wǎng)絡(luò) 特殊性表現(xiàn)在 設(shè)備類型 具有計算及通信能力的測控設(shè)備 性能較低信息類型 信息量低 傳輸速率低 數(shù)據(jù)幀短 實時性高 可靠性高網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù) 連接現(xiàn)場測控裝置工作環(huán)境 現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的實時性 現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不同于通用計算機網(wǎng)絡(luò)的最大特點在于實時性要求 即網(wǎng)絡(luò)需要現(xiàn)場通訊實時性的要求 在確定的時限內(nèi)完成信息的傳送 這里所說的 確定 的時限是指 無論在何種情況下 信息傳送都能在這個時限內(nèi)完成 而這個時限則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的 同步通信和異步通信 1 異步通信 每次傳送一個字符 5 8比特 每個字符前面加1位起始位 0 后面加1位校驗位和1 2位停止位 1 不傳送字符時連續(xù)傳送 1 接受器根據(jù) 1 到 0 的跳變識別起始位 確定有新的字符發(fā)送時 啟動定時器 2 同步通信 同步通信是比異步通信更有效的通信方式 在字符之間不加起始位 校驗位和停止位等 而成塊 數(shù)據(jù)禎 的傳送字符或比特流 單工通信和雙工通信 1 單工通信 數(shù)據(jù)只能沿單一方向進行發(fā)送或接收 為了保證數(shù)據(jù)正確接收提供是否重發(fā)的信息 還要有一個反向的應(yīng)答信號 2 雙工通信半雙工通信 數(shù)據(jù)可沿兩個方向交替?zhèn)魉?但同一時刻只能沿一個方向傳送 兩個方向的應(yīng)答信號使用同一信道 因此要有控制信號流向的設(shè)備 RS485 全雙工通信 在兩個方向上的數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號均可同時傳輸 有四條獨立的信道 RS422 B A B A B A 數(shù)據(jù) 應(yīng)答 應(yīng)答 應(yīng)答 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) a b c 數(shù)據(jù)傳送中的差錯控制 例如 發(fā)送端碼元序列 C 01001101011接收端碼元序列 R 01100110001錯誤碼元序列 E C R 00101011010 1 表示錯誤 0 表示正確 突發(fā)錯誤的特點 某一碼元出錯與其前后碼元有相關(guān)性 往往使錯誤成串密集的產(chǎn)生 成串的突發(fā)錯誤中第一個錯誤位到最后一個錯誤位之間的長度 中間可以有不錯的位 稱為突發(fā)長度 采取屏蔽措施 選擇合理的調(diào)制方法 如調(diào)相 提高信噪比等 可以大大降低但不能完全消除差錯 目前一般通訊電路中 傳輸率為600 2400bps之間 誤碼率為10 4 10 6 高速傳輸?shù)恼`碼率為10 2 10 4 對DCS系統(tǒng)的傳輸 誤碼率要求低于10 9 數(shù)據(jù)通信中為實現(xiàn)無差錯傳送而使用的技術(shù)稱為差錯控制 應(yīng)用抗干擾碼和糾錯 差錯噪聲 白噪聲 分子熱運動引起 隨機錯誤 沖擊噪聲 電磁干擾引起 突發(fā)錯誤 1 抗干擾編碼的基本思想 人們交談時 有時并沒有聽懂對方講話的每個字 每個名 但是卻能夠懂得對方講話的含義 因為語言中的字與字 名與名之間存在著相關(guān)性和規(guī)律性 抗干擾編碼就是基于這種思想 使原來不帶規(guī)律性或規(guī)律性不強的信息序列I 變換為帶上規(guī)律性或使其規(guī)律性加強的序列C 接收端在接收時 可利用這種規(guī)律性進行檢驗 解碼 從而發(fā)現(xiàn)錯誤 告訴發(fā)送端重發(fā) 或自行糾正錯誤 在具體編碼時 就是在原始序列I的后面 以一定的規(guī)則加入一些冗余碼元 加入的冗余碼元稱監(jiān)督碼元或校驗碼元 因此 用抗干擾編碼的方法提高數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性是以犧牲有效性作代價的 檢錯碼 指能檢查出差錯的碼 糾錯碼 不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的碼 2 差錯控制的基本方式 1 自動糾錯 方式 發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的碼 接收端收到這些碼后 通過糾錯碼譯碼器不僅能自動的發(fā)現(xiàn)錯誤 而且能自動的糾正傳輸中的錯誤 然后再把已糾正的數(shù)據(jù) 或信息 送給接收端 稱為前向糾錯 簡稱FEC 優(yōu)點 不需貯存和反饋信道 能用于單向通信 適合不延遲實時通信系統(tǒng) 缺點 編碼必須與信道的噪聲干擾情況緊密對應(yīng) 要求附加的監(jiān)督碼元多 傳輸效率低 解碼設(shè)備復(fù)雜 2 檢錯重發(fā) 方式 發(fā)送端發(fā)送能檢測差錯的碼 接收端檢驗傳輸中有無差錯產(chǎn)生 并把檢驗結(jié)果經(jīng)反饋信道送回到發(fā)送端 發(fā)送端根據(jù)反饋信息把接收端認為有錯信息再次發(fā)送 直到接收端判定無錯為止 稱為反饋重發(fā)糾錯 簡稱ARQ 優(yōu)點 比自動糾錯能力強 編碼與信道的噪聲干擾情況無關(guān) 要求附加的監(jiān)督碼元少 傳輸效率低 解碼設(shè)備簡單 缺點 需貯存器和反饋信道 只能用于雙向通信 有時需要多次重發(fā) 實時性不強 而且不論錯誤多少 一有錯就要反饋重發(fā) 效率低 3 自動糾錯與檢錯重發(fā)結(jié)合的混合糾錯方式 3 檢錯碼 糾錯碼 2 循環(huán)冗余碼 計算機網(wǎng)絡(luò)和DCS中主要應(yīng)用的抗干擾碼 A 線性碼 r個校驗碼元的每一個都是該碼字中某些信息碼元的模2和 即按照線性關(guān)系相加 這樣組成的長度為n k r的碼 稱為線性碼 表示為 n k 例如 7 3 三個信息碼元C6C5C4 四個校驗碼元C3C2C1C0 可按以下線性關(guān)系求得C3 C6 C4C2 C6 C5 C4C1 C6 C5一致檢驗方程組C0 C5 C4封閉性 許用碼字對應(yīng)位模2相加 仍為許用碼字 3 檢錯碼 糾錯碼 B 循環(huán)碼 n k 線性碼 V V0 V1 V2 VN 1 各位循環(huán)右移 仍為許用碼字 碼多項式V x 把碼字V的各位看作是一個多項式的系數(shù) 而X的冪次指出每一系數(shù)在碼字中所處的位置 即 V x Vn 1xn 1 Vn 2xn 2 V0可以證明存在g x 在 n k 循環(huán)碼中 每個碼多項式C x 都是g x 的倍式 而每個為g x 倍式且次數(shù)小于或等于 n 1 的多項式 必是一個碼多項式 生成多項式g x V x m x g x 3 檢錯碼 糾錯碼 系統(tǒng)碼 每一個碼字的前K位為信息位 后面n k位為校驗位C 系統(tǒng)循環(huán)碼的生成 用m個數(shù)據(jù)位對應(yīng)的碼多項式乘以x的 n k 次冪后 再除以生成多項式g x 模2運算 把所得余式對應(yīng)的碼字和數(shù)據(jù)碼接在一起 例 m 101 g x 1 x x x則 m x 1 x 乘以x 得到x x 除以g x 得余式 x 1 及碼多項式V X x x x 1V 1010011 2 4 6 4 6 4 3 4 2 3 檢錯碼 糾錯碼 D 循環(huán)碼檢錯 發(fā)送端把碼字發(fā)送出去 接受端把收到的信息所對應(yīng)的碼多項式除以同一個生成多項式 若能整除則無差錯 n k 循環(huán)碼可以檢查出 全部單錯 全部雙錯 全部奇數(shù)個錯全部不大于r位的突發(fā)錯 r n k 1 2 100 的r 1位突發(fā)錯 1 2 100 的多于r 1位突發(fā)錯 r 1 r 3 檢錯碼 糾錯碼 D 循環(huán)碼檢錯 常用循環(huán)冗余瑪?shù)纳啥囗検?CRC 12 X X X X X 1CRC 16 X X X 1CRC CCITT X X X 1DCS常用16位的CRC碼 12 11 3 2 16 15 2 16 12 5 例 不同編碼位數(shù)發(fā)送天氣預(yù)報的糾錯情況從表中可知 情形1用1個bit表示兩種狀態(tài) 沒有冗余狀態(tài) 因此沒有任何檢 糾錯能力 情形2用2個bit表示兩種狀態(tài)11 晴 00 雨 常把11 00稱為許用碼字 還有兩種不被使用的狀態(tài)01 10稱為禁用碼字 當許用碼字錯一位 就變成禁用碼字 因此可以判斷有一位錯了 但還是不知道到底哪位錯了 情形3用3個bit表示兩個許用碼字111 晴 000 雨 因此還有6個禁用碼字 此時當發(fā)生一位錯碼時 例如111錯成110 不僅可以檢測錯誤 而且根據(jù)最大似然法可以糾正錯誤 當發(fā)生兩位錯碼時 例如000錯成101 仍然可以檢測出有錯誤 多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用技術(shù)