机电一体第9章机械电子系统的网络监控.ppt

第九章机械电子系统的网络监控 通信技术在工业控制系统中并不是一种全新的技术 但是随着智能化仪表 特别是智能信息技术的发展 已经成为工业现场的 神经系统 是系统的重要组成部分 以一个自动制造单元为例 它包括铣床 车床等若干台机床 用机械手装卸的工件和刀具 传送系统搬运物料 控制这样一个自动制造单元的方法之一是 用一个单处理器系统控制单元内所有的机床 这种单处理器系统有以下缺点 1 计算处理任务繁重 必须使用高性能处理器 硬件费用昂贵 2 要完成多重任务 软件非常复杂 3 系统可靠性低 处理器故障会造成整个制造单元停止工作 4 软件 硬件维护费用很高 另一种可选择的控制方法是 给单元内每一台机床配置自己的局部控制系统 用一个监控系统协调各个局部控制器的功能 这些局部控制器通过数字通讯系统与监测控制器相连 监测控制器可以向每个局部控制器发布命令 并且监视各个局部控制器的工作状态 这种方案的优点是 1 每个局部控制器的工作量要比单处理器方案中控制器的工作量少得多 因为它们无需具有这么多的功能 因而硬件可以采用低费用的微处理器 2 在每个局部控制器中的软件不像在单处理器系统那样复杂 因而很容易写入并保存 3 任何一个局部控制器的失效 只对它所控制的那部分单元产生影响 然而 在一些关键环节上的故障 可能会导致整个单元停止工作 系统的可靠性可以采用容错技术来提高 如在系统的关键环节上采用双处理器冗余系统 但在使用这些技术之前必须把由此产生的费用与普通系统发生故障而引起的损失做一番权衡 上述单处理器方案是通常所指的集中处理系统 多处理器方案中 控制器分布在系统的各个接近控制作用点的位置 因而这种方法叫做分布式系统 因为许多控制器是基于微处理器技术的 分布式 这个词同时也隐含了智能的分布和处理能力的分布 一个分布式控制系统可能由多个基于微处理器的控制器和计算机组成 这些控制器或计算机能进行相互间的通信以便交换命令和信息 因此通信系统是分布式系统中不可缺少的一部分 它们的工作性能将对整个控制系统的性能产生直接影响 本章从工业控制应用出发 介绍通信系统的基本内容 9 1控制系统和通信系统的分层体系 大型或复杂的控制系统中 控制功能形成了分层体系 图9 1中所示为制造系统分层控制体系的一般结构图 图9 1制造系统分层体系 在分层体系的最上层是那些支持着制造过程整体管理功能的系统 如工作调度程序 库存控制和工作量监督系统 这些上层管理系统对下面一层的系统发出命令 同时接收关于下面一层系统的状态报告 通过这些报告得到关于整个制造过程的工作信息 必要时上层管理系统向下发出指示 改进整个系统工作状况 这一层次也与其他工程系统相联系 如计算机应用过程辅助设计系统等 下一层是监控层 其作用是对系统进行全面控制 在全自动化制造系统中 设计系统向各台机器和制造单元给出关于零件制造的各种指示 指示机器和制造单元使用何种材料 材料放在何处 怎样运送材料以及最终产品按什么次序放在什么地点 监控控制器确保把必要的控制信息传送到机器 并使产品制造过程的各个阶段得到控制和监视 体系更下一层是直接数字控制和顺序控制层 它执行的是系统的底层控制 直接数字控制指模拟变量的数字控制 如温度或位置 而顺序控制则对逻辑变量进行控制 这些变量只有开或关两个状态 两种控制方式都要用传感器测量被控量的变化 同时控制器根据这些测量信息来调整其输出控制信号 通过各种执行器使被控量达到给定值 这种类型的控制被称为闭环控制 因为信息流从控制器出发 到驱动系统的执行器 再到传感器 最终反馈到控制器 整个过程组成一个闭环 还有一种控制是开环控制 在这种情况下不测量被控变量 控制器只是简单地向执行器输出控制信号以驱动系统 在分层体系的最底层是传感器层 传感器提供了控制系统与过程之间的界面 在这里模拟量和数字量的传感器都很常见 传感器技术的发展趋势是在传感器上使用微处理器系统来提高它们的性能和功能 这样就把智能分布到控制系统与它们所控制的机器 系统或各个过程之间的各个界面 这使得许多信号处理功能在传感器层 也就是最有效的部位完成 从这个制造系统层次体系的描述中 可以看到在体系中各层次的排列次序定义了一个从高到低的命令结构和一个从低到高的信息流 在分布式系统中 数字通信系统使得这些信息在分层体系的同一层次和不同层次之间高效地传递 体系各层次不同的功能导致计算机和控制器之间传递的数据特征不同 在管理层中的信息传递通常是计算机和一些终端之间的文件传递 操作者在终端上通过通信系统与计算机联系 因此在最高层的通信系统中 传输数据的一个特征是数量大但不频繁 主要是文件形式 另一个特征是小批量较频繁的字符形式 这两种数据传输类型都可以认为是随机发生的 在管理层通信中没有实时过程 无需规定数据传输最大时延 在监控层中传递的数据特征与管理层类似 只是当数据被用于监控控制系统功能时具有较宽的实时性 也就是说 尽管监控层的数据被用于实时控制功能 但数据的时间依赖性并不十分严格 超过规定时限的操作将导致系统工作性能的降低 但不会引起重大的故障 数据由小批量数据传递组成 这些数据主要是测量信息 命令或状态信息 由于数字控制系统采样类型的不同 数据传递有可能是周期性的 不同层次通信系统的技术要求显然是不同的 通信系统价格与需要互相通信的设备价格的比例也是考虑的重要因素之一 小型计算机通信系统的价格比小型可编程控制器通信系统的价格要高得多 因此配置通信系统时要考虑性价比 由于大多数控制系统都采用微处理器和计算机技术 分布式控制系统的通信系统也采用了分布式计算机系统的通信技术 尤其是局域网技术 9 2数据通信基础 1 信号带宽2 信道最大数据传输率 9 2 1信号带宽和信道容量 信号带宽 在局域网络的通信线路上 数据是以电信号形式传送的 如果在传输介质上直接传送数字信号 则形成电压脉冲系列 这些信号包含的谐波分量可用傅里叶级数进行表示和分析 根据推导 近似认为 传输脉冲宽度为 的矩形脉冲所需要的带宽为 9 1 可见 带宽和脉冲宽度成反比 数字传输频率愈高 脉冲宽度就愈窄 就要求更宽的带宽 信道最大数据传输率 早在1924年 奈奎斯特就推导出非理想有限带宽无噪声信道数据传输率的表达式 信道的带宽与放大器 滤波器带宽的概念相似 是指随传输信号的频率增高 其输出幅度的衰减在允许的范围 譬如3dB 的最高频率 假定信号带宽为B 奈奎斯特定理限制的最高数据率Rb为 9 2 式中 y为被传输信号可以取值的 离散的电子级数 如果信道上传输的是二进制信号 信号电平可以取 0 和 1 两个值 则V 2 这样信道的最大传输率为Rb 2B 这个定理为估算已知带宽的信道最高速率提供了依据 信道能传输的最高速率又称为信道容量 显然 信道容量应大于被传信号的速率 9 2 2信道的主要技术指标 对通信系统的信号传输 是从数量和质量两个方面提出要求 在数量方面 以传输速率衡量传输的有效性 在质量方面 以错误率衡量传输的可靠性 1 传输速率2 出错率 传输速率 码元是对信号的物理状态如电平 脉宽 相位等进行编码所用的代码最小单位 码元速率 RB 又称信号速率 它指每秒传输的码元数 单位为 b 信息速率 Rb 指每秒传输的信息量 单位为 b s 由于二进制信号每个码元含1个比特信息 故码元速率和信息速率在数值上相等 但对于M进制 信息速率大于码元速率 两者的关系如下式所示 9 3 出错率 传输错误率也称误码率 其定义如下 误码率 Pe 指错误接收信息的码元数在传输消息的总码元数中所占的比例户 Pe 错误接收的码元数 传输的码元总数 9 4 误比特率 Pb 指错误接收的比特数占传输总比特数的比例Pe 错误接收的比特数 传输的比特总数 9 5 在实际局域网中 一般都将长信号 如一个长文件 分组按帧传送 通信中出现了差错 就用出错重发的方式进行纠正 分组过大 如有一位错 该分组就必须重发 分组过小 影响传输效率 实际上误码率P 直接影响着分组的大小 在给定的误码率下 存在着最佳的分组长度 9 2 3通信介质和通信线路的连接形式 1 信息载体2 通信线路的连接形式 信息载体 信息载体指传送信息的介质 在网络中经常使用的是有线通信 光纤 无线和卫星通信等 1 有线介质有线介质常用的有双扭线 电话线和同轴电缆 双扭线 在短距离内双扭线是便宜 简单的通信介质 缺点是传输率低和易于受外界干扰 电话线 可将现有的市话线路和长途电话线用于计算机通信 使用方便 但不适于高速大容量通信 同轴电缆 基本构造是一对导体按 同轴 的形式构成同轴线对 具有很高的抗干扰能力 适用宽带传输 有很高的通信容量 2 光纤光纤是一种新的传输介质 其通信容量比普通同轴电缆大100倍左右 受环境干扰小 保密性好 3 微波微波指1 几十吉赫兹的电波 微波通信是把微波信号当做载波使用 微波通信是一种无线电通信 不需架设明线或敷设电缆 频率很高 可同时传送大量信息 建设费比同轴电缆低 缺点是保密性差 4 卫星通信卫星通信是一种特殊的微波中继系统 由于转发站在卫星上 可克服地面通信站之间通信距离的局限 一个同步通信卫星可以覆盖地球1 3的表面 三个卫星可覆盖地球上全部通信区域 便可在地球上任意通信站间进行通信 表9 1对各种通信介质性能作了比较 通信线路的连接形式 为了适应不同的需要 各站点之间可采用如图9 2所示的几种连接方式 图9 2通信线路连接方式 1 点 点连接方式 这是在一条线路两端连接两个站的通信方式 使用的线路可以是专线 或是租用电话线 如果点 点连接是由交换设备实现的 称为交换连接方式 交换连接方式可使一个站方便灵活地与许多站建立临时的点 点连接 通信完后需拆除建立的连接 2 多点连接方式 也称分支连接 这是一种多点线路连接方式 各站都连接到一条公共通信线路的不同分支点上 这种共享信道方式 需要有占用信道进行通信的控制 3 集成连接方式 如果在距主机很远的地方 聚集了多个终端设备且都要和计算机通信 可在距这一群终端较近的地方 设置一个线路汇集站 用以把终端线路集中起来 再用一条频带很宽的高速线路传送给计算机 这种连接叫集成式连接方式 线路汇集站称为集中器 9 2 4通信信道的通信方式 根据信号在信道上传输方向 把数据通信方式分为单工通信 半双工通信和全双工通信 如图9 3所示 图9 3各种通信方式示意图 单工通信 单工通信方式使用单工通信信道 数据信号仅从一个地方传送到另一个地方 亦即信息流仅沿一个方向流动 发送站和接收站是固定分配的 无线电广播是单工通信的例子 在数据通信系统中 接收站对收到的信息进行校验 如果检出错误要求发送方重发原信息 对于正确接收的信息也要返回确认信息 因此 就必须附有一条控制倌道 传送的确认信号 请求重发信号等称为监视信号 如图中的虚线所示 半双工通信 半双工通信采用半双工信道 数据信号可以从A传送到B 也可以从B传送到A 但不能在两个方向上同时进行传输 通信的双方都具有发送器和接收器 但信道只能容纳一个方向的传输 例如二线制基带线路 由一方发送变为另一方发送必须倒换信道方向 由于半双工在通信中频繁调换信道方向 效率低 但可节省传输线路 因此在局域网中获得了广泛的应用 全双工通信 全双工通信要使用全双工信道 同一时刻能在两站间两个方向传输数据信息 它相当于把两个相反方向的单工通信信道组合在一起 因此 全双工通信一般采用四线制 全双工和半双工相比 全双工效率高 但它的结构复杂 成本也比较高 9 2 5数据传输方式和调制方式 1 数据传输方式基带传输载带传输带宽传输2 调制方式 基带传输 计算机等数字设备 都采用二进制的方波电信号形式 即 1 或 0 分别用高 或低 电平或低 或高 电平表示 人们把方波固有的频带称为基带 方波电信号称为基带信号 在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输 基带传输是一种最简单 最基本的传输方式 信源产生的数据基带信号含有从直流到高频的频率特性 如果直接传送这种基带信号 要求信道具有从直流到高频的频率特性 基带信号易于发生畸变 传输距离受到限制 微机网络多采用基带传输 如Ethernet 传输速率10Mb s 载带传输 将基带数字信号对载波进行调制 然后进行传输 且仅传送一路信号 称为载带传输 或频带传输 载带传输因一条物理信道仅传输一路信号 可认为它是一种特殊的基带传输 载带传输在工业环境局域网中主要为了提高传输的抗电磁干扰的能力 多采用调频或调相方式 在长线上传输的信号称为信道信号 利用调制器将基带数字信号变换为信道信号 接收方经解调器将信道信号再变为基带数字信号 把包含调制和解调过程的传输系统称为频带传输系统 采用频带传输可充分利用现有的公用电话线进行数据通信 带宽传输 带宽传输以电视电缆 CAW 技术为基础 把带宽为400MHz的电视电缆分割成多个子频带 这些子频带可用于模拟或数字信号的单向或双向传送 每个子频带都有各自的调制解调器 因此 宽带传输就是在单根电缆 有时用双根电缆 一根用于发送 另一根用于接收 上采用多路调制解调过程的传输 王安网 WANGNET 就是一个宽带局域网 宽带局域网不但能传输数据信息 而且能传输语音 图像信息 宽带是IEE802 4局域网所规定的介质之一 调制方式 调制可使数字基带信号变为适合于信道传送的信号 增加传输距离 调制的另一目的是便于信道复用 采用宽带技术 在同一媒介中同时传送多路信号 使信道利用率大大提高 载波可用Acos t 来表示 可使幅度A 频率 和相位 随基带信号的变化而变化 即用传送的数据信号对载波进行调制 这样调制可分为幅度调制 频率调制和相位调制 各种调制如图9 4所示 图中为二元调制 即二进制的情况 图9 4各种调制方式的调制波形 9 2 6同步方式 所谓同步 就是接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据 也就是要在时间基准上取得一致 在通信时 接收端要校准自己的时间和重复频率 以便和发送端取得一致 这一过程 称为同步过程 同步是数字通信中需要解决的一个重要问题 同步不良 将会导致通信质量下降 甚至不能工作 同步主要分位同步和字符同步 1 位同步 外同步法 自同步法 2 字符同步 起止式 同步制 外同步法 所谓外同步法 就是接收端的时钟定时信号是由对方送来的 而不是从数据信号中提取出来的 这种同步方法是在发送数据之前 向接收端发送一串同步时钟脉冲 接收端按照该时钟脉冲频率 调整接收时序 并把接收时的时钟重复频率锁定在接收的同步频率上 以便接收数据信息时 也能用同步频率的时钟作为外同步信号接收数据 外同步法的同步接收过程分两步 首先校准同步 然后用校准后产生的同步信号作为定时信号接收数据信息 自同步法 自同步法是从数据信息波形本身提取同步信号的方法 在编码器中 相位编码 或称相位调制 的脉冲信号以调相方法进行传输就是自同步的例子 按这种方法 每位二进制信息在位周期中间必须改变相位 并规定 0 或 1 信息时编码输出信号先负后正 或先正后负 而 1 或 0 信息时是先正后负 或先负后正 这种每位都有电平变化的编码称为曼彻斯特码 如图所示 图9 5一种调相制编码 起止式 起止式也叫字符的异步制 采用异步制 每个字符都按照一个独立的整体进行发送 也就是说 一个字符的最后一位到下一个字符的第一位之间所经历的时间可以任意变化 实际上 发送端可以在任何时刻异步地发送字符 为了识别字符或进行字符同步 在每个发送的字符前后各加一位或多位信息 以表示一个字符的开始和结束 上图示出了一个5单位异步制传送的例子 每5位构成一个字符 由1位逻辑 厂的位领先 由1 5单位的止位 逻辑上是 0 跟在其后 线路无信号时处于高电平 逻辑 0 一旦检出负电平信号 起位 即表示一个字符开始 字符异步制同样可用于7单位 8单位编码 起位一般为1位 止位可以是1位 1 5位和2位 异步制实现起来容易 发送端时钟的漂移不会积累 对发送和接收设备要求低 或者说异步制传送可靠性高 但异步制冗余位多 传送效率低 常用于低速线路上的通信 同步制 字符的同步制是在传送字符时没有任何附加位而连续发送的一种方法 字符间隔时间为零 或者说字符间的时间和一个字符内两个相邻位之间的时间是一样的 同步制对于面向成组传送的字符提供了更高的线路利用率 字符同步制传送时间图如图9 7所示 同步制虽然有效 但对串行通信链路两端都要增加要求 发送端必须按照串行线路所要求的速率供给字符 接收端按此速率从线路上得到信息 字符间的任何停顿都会使接收端接收的下面字符失去同步 9 3数据通信网络体系结构 机械电子系统的分布式系统中 各个微处理器系统自身内部仍采用总线连接 而处理器之间或计算机系统之间的信息交换则需要数据通信网络来支持 分布式系统中各处理器的地理分布范围是较小的 小到一部机械手的指关节之间 大到一座建筑物内或数平方公里内几座近邻建筑物之间 这一范围恰好是局域网络的工作范围 数据通信网络硬件包括 服务器或计算机系统及各种终端设备 通信控制装置 如调制解调器 网桥 网关 路由器等 网络存储设备 如磁盘阵列 通信介质 如电缆 光导纤维等 数据通信网络软件包括 网络协议软件 网络通信软件 网络操作系统软件 网络应用软件等 9 3 1资源共享 所谓资源是指在有限时间内能被用户利用的设备 包括硬设备和软设备 例如通信道是一种资源 它的资源量是用单位时间内传输的位数 b s 又如中央处理器是一种资源 其资源容量是单位时间内操作的次数 所谓用户是指要求使用资源处理 发送或接收信息的任何实体 可以是应用程序 文件包 终端操作员 数据库管理系统等 用户对通信网络资源需求有以下特点 1 难以预知用户需要网络资源的确切时刻 2 难以预知用户占用网络资源的时间 3 每一个用户占用网络资源的时间不多 4 用户一旦需要占用网络资源 希望尽快得到服务 9 3 2开放系统互连模型 两个实体要进行通信 它们必须拥有共同语言 还要遵从互相都能接受的规则 这些规则的集合称为协议 协议就是两个实体间控制数据交换的规则的集合 协议的关键成分是 1 语法 syntax 包括数据格式 编码及信号电平等 2 语义 sentics 包括用于协调和差错处理的控制信息 3 定时关系 timing 包括信息传输的请求与应答 速度匹配和传输顺序等 4 时序配合 实现这样一套规则的算法十分复杂 为了简化协议的实现 便于应用 可用结构式的方法分层实现 较低级别的 较原始的功能在低级别的实体上实现 并向较高级别的实体提供服务 每一个级别上的规则保证同级别的各实体之间有共同的语法和语义以及共同的信息传递速率和顺序 每一级别上的实体之间传递信息都必须由各自的下一级实体提供服务 协议要确定信息报文的经由路径 要规定将报文如何拆成较小的固定长度的文件包 再拆成数据帧 最后按二进制位放入介质 还要防止在通信道上发生两个或两个以上文件包 数据帧或二进制位冲突 如图9 8所示 用户实体1和用户实体2使用通信网络交换信息 图9 8通信协议分层概念 两用户实体按应用层协议访问各自的网络服务实体 两个网络服务实体之间要有一个进程协议 这一进程协议要处理诸如信息流控制和差错控制之类的事务 网络服务实体把从用户实体得到的报文依更低一级的接口协议向下传送给传输系统 传输系统内也分若干层 直到在最基本的物理连接层上传输信号电平 可见 每一个实体在一定层次上与另一个对等层次上的实体在逻辑上交换报文信息 物理交换是在最低层进行的 对等层次上有对等的协议 上下相邻不同层之间也有接口协议 如图9 9所示 图9 9协议分层结构 这一分层的概念是采用结构式协议设计时必须遵循的 国际标准化组织 ISO 提出一个7层的协议模型 为异种计算机和处理器之间连接通信提供了基础 这个模型称为开放系统互连 OSI 模型 OSI模型定义了一组7个层次 并规定了每一层所完成的任务 层次的划分是从逻辑上将功能分层 使每一层的功能相对简单 易于实现 易于管理 这个模型并不是任何具体的功能实现方案描述 而是一种抽象结构 不同的计算机系统或处理器系统相同层的实体称为同等层实体 同等层实体之间通信由该层的协议管理 相邻层的接口协议定义了层间操作和下一层向上一层提供的服务 修改某一层的功能并不影响其他层 上层实体无需知道下层实体的协议 只需知道本层与相邻层之间的接口协议 即 向下看是透明的 好像同等层实体之间在 直接 交换报文信息 OSI模型见图9 10 各层的功能简述如下 图9 10OSI模型 应用层 OSI模型最高层 供两个应用进程之间的通信 进程可以是应用程序 如事务处理程序 网络管理或操作员命令等 表达层 为应用层提供服务 解释要交换数据的意义 它包括结构性数据的输入 交换 显示和控制 在这一层要完成数据转换 格式化和文本压缩 会话层 在两个表达层实体之间建立 维持 结束 恢复会话 控制和管理表达层进程的方式可以是单工 半双工和双工 传递层 承担会话层实体之间透明的数据传递 就是说 会话层实体不必考虑数据传递的具体方法 这一层向每一个应用层实体分配惟一的地址 在传递层还要设法以最优的方式传递数据报文 包括错误恢复和数据流控制 网络层 控制报文分组传递的操作 包括路径选择 信道拥挤冲突管理 网际互连等 这些操作对上层是透明的 网络层依传送层的要求提供服务 向传送层报告未恢复的差错 数据链路层 在网络层实体之间建立数据传送过程 进行数据链路流通控制和顺序控制 检测并校正物理链路的差错 物理层 规定通信介质 连接装置的机械 电气功能及规程性特性 以便在数据链路实体之间建立 维护和拆除物理连接链路 信息发送方最高层实体把要发送的一批数据组织成报文 报文送至网络层时 在网络层中按网络层协议格式分解成若干数据包 在数据链层又按该层协议格式把数据包分解成数据帧 最后在物理层按物理协议把数据帧的帧头 帧尾及数据二进制位传人介质 信息接收方各层则反过来 逐层把数据依格式组合起来 直至恢复报文 应用层用户实体要传送的数据在送入应用层时要加上某些控制信息 这些信息放在要传送的数据报文前面 称为报头 每经过一层 都要加上相应层的报头 显然层次越多 数据报文的报头越长 传递中识别 判读环节也越复杂 在许多应用领域 如微型计算机或微处理器之间的通信 并不需要用到全部7层协议 为了简化通信系统 降低费用 20世纪70年代出现了局部网络 局部区域网 localareanetworks LAN 随着微型计算机的飞速发展而迅速发展进来 已有200多种LAN产品 9 4局域网 局域网是把较小地理区域内的各种数据通信设备连在一起的通信网络 局部网有三个特点 1 局域网只有OSI低三层的功能 2 数据通信设备指计算机 终端 工作站 传真机 各种外围设备 3 较小地理区域 可以是一个或一群建筑物内 电缆长度不超过25km 局域网络的传输介质采用双扭线 同轴线或光导纤维 最大传输速率可达10Mb s 数据传输采用串行方式 传输前后的串饼转换由界面装置完成 接入局域网的设备数目约几百部 局域网技术主要解决以下几方面的问题 1 传输介质和介质与设备接口的特性及其选用 2 数据传输控制机制 3 数据传输协议和相应的网络软件 4 连接各设备的拓扑结构 9 4 1局部网络的拓扑结构 在计算机通信网络中 把每台计算机 处理器或数据通讯设备作为一个节点 用通信介质连接这些节点构成的图形称为网络的拓扑结构 结点也称为站点 点 点通信网络可以有星形 环形 总线形等 如图9 11所示 图9 11局域网络拓扑结构 每一种拓扑结构都有优缺点 适用于不同的目的 每一种拓扑结构中的介质访问控制算法不同 一般从数据吞吐量 控制复杂性 配置灵活性 可靠性 费用几个方面考虑选择 各种性能都有一定的指标来衡量 上述三种拓扑结构有一个共同特点 即任意两个站点之间的路径是惟一的 星形网络中 每个系统都与中心站相连 中枢负责中继和发送信息 这种结构的布局需要比总线式或环式更多的导线 如果中枢发生故障 LAN的工作很容易完全失效 环形网络是把每两个相邻的设备连接起来 构成一个闭环 中继器负责环绕整个环的信息的运行 因而中继器也是环的物理结构的一部分 所以环形网络依赖中继器的正确操作 一旦中继器成为环的一部分 就形成了主动介质 需要采用故障保险技术绕过故障中继器以保持环的完整性 总线形的网络采用一条电缆来连接所有的系统和设备 与总线连接的一般方法是从主线向每个接口引一条分支线路 总线式结构有时也称为多站总线 总线是被动介质 任一设备的失效都不会引起其他系统和设备之间通信的中断 9 4 2局域网协议结构 图9 12局域网只实现了OSI模型中网络层 数据链路层和物理层的功能 由于局域网络的拓扑结构只有总线形 环形 星形三种 任何两部通信设备之间只有惟一路径 在网络层无需选择路径 所以不需要单独设置网络层协议 把原本由网络层负责的寻址 信道拥挤管理 差错控制等功能下放到数据链路层中 而数据链路层则分为两个子层 这就是逻辑链路控制子层 LLC 和介质访问控制子层 MAC 物理层担负的功能仍沿用OSI模型的物理层功能 于是 OSI模型最低二层就变为LAN协议结构的三层 图9 12局部网协议模型与OSI模型的比较 LAN协议结构的各层功能如下 1 逻辑链路控制层2 介质访问控制层3 物理层 逻辑链路控制层 必备功能 连接 建立和释放数据链路 将数据帧排序 控制比特流 位流 量数据帧的定界与同步 可以有的功能 提供错误报告 恢复正确数据等 介质访问控制层 主要是控制 管理对传输介质的访问 传输介质是由各个通信设备共享的 这就出现了介质争用和信道拥挤的问题 介质访问控制方法对网络的响应时间 吞吐量和效率有很大影响 不同的LAN产品采用不同的控制算法 介质访问控制协议因网络拓扑结构不同而不同 最常用的介质访问控制方法有三个 1 用于总线结构的 带有冲突检测的载波监听多重访问 算法 CSMA CD 2 用于总线结构的 令牌总线访问 算法 tokenbus 3 用于环形结构的 令牌环访问 算法 tokenring 每种介质访问控制方法都各有优缺点 且它们的优缺点又与总线的拓扑结构有关 一般从三个方面衡量介质访问控制协议的好坏 1 协议要简单 2 通道利用率要高 3 对每个站点的实体公平合理 物理层 在两个物理设备之间提供透明的二进制位流传输 在物理层要规定接插连接件的规格尺寸 引脚功能分配 信号电平 阻抗 传输速率 空间距离限制 电缆型号等机械 电气特性 还要定义二进制位流传输的操作规程 实际使用较广泛的物理层接口标准有 1 EIARS 232 C 2 EIARS 499 422 A 423 A 3 国际电报电话咨询委员会CCITT建议的X 210 如果要把局域网接人一个更大的广域网或与另一个局域网连接 LLC协议的设计也应考虑到网际互连接口协议 事实上许多LAN平面具有这种功能 随着局域网的广泛使用 其产品种类日益增加 各层协议的实现技术迫切需要标准化 并使各种数据通信设备和各种网络能够互联 国际上开展局域网络标准化研究和制定标准的机构有 1 国际电工委员会 1EC 2 欧洲计算机制造厂商协会 ECMA 3 IEEE802委员会 后两者主要致力于办公自动化方面的局域网标准化 IEC主要从事工业生产分布式控制方面的局域网标准化 IEEE802标准系列包括公共的逻辑链路控制标准 以及前三种介质访问控制标准 已广泛指导许多局域网产品的设计 并已得到ISO采纳 美国通用汽车公司建立的 制造自动化通信协议 MAP 和波音公司制定的 技术与办公通信协议 TOP 遵循了OSI模型 在链路层和物理层采用了IEEE802标准 IEEE802标准系列的细节可参阅有关专著 对于一般机械电子工程设计者来说 只需了解各种局域网络产品的用途 性能指标及所采用的标准 以便正确地选用网络产品 在由若干个单片微处理器组成的小型分布式系统中 处理器之间的通信有许多独特之处 使系统的设计具有更大的灵活性 设计者必须从物理层起深入了解各处理器之间的通信要求 9 5工业现场中的通信 现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化 多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程 是互相操作以及数据共享的公共协议 可以认为 现场总线是通信总线在现场设备中的延伸 允许将各种现场设备 如变送器 调节阉 基地式控制器 记录仪 显示器 PLC及手持终端和控制系统之间 通过同一总线进行双向多变量数字通讯 作为通信的应用和延伸 本节简要介绍现场总线控制系统 fieldbuscontrolsystem FCS 的相关知识 9 5 1现场总线的发展 从工业监控系统的发展史来看 20世纪曾有过三次大的变革 一次是50年代末由电动或气动单元组合仪表逐步取代旧式模拟仪表 一次是80年代从电子模拟仪表到集散系统 DCS 的转变 另一次就是始于80年代末的DCS向FCS的升级 但是 前两次变革对控制系统发展的影响远不及第三次来得深刻 FCS集智能化 数字化 信息化 网络化 微型化 分散化于一体 代表着当今自控技术发展的主流方向 最终将完全代替DCS 20世纪50年代 基于3 15psi的气动信号标准的第一代控制体系结构 直动式DDC 广泛用于过程控制系统 由于4 20mA模拟信号的使用 使得第二代控制体系结构 模拟式ACS 延续了近25年 70年代中期 由于测量 模拟和逻辑控制领域率先应用数字计算机 从而产生了第三代控制体系结构 集中式CCS 而且 用于工业过程控制仪表由原来的四线制逐渐发展成为统一的两线制4 20mA标准信号 促进了工业过程控制系统的发展 从80年代开始 微电子学的发展导致了第四代控制体系结构 集散系统DCS 的普遍应用 系统中的智能化现场设备可以直接完成许多控制功能 这也正是智能化仪表的显著特点之一 随着生产的发展 工业系统日趋复杂 需要的测控点和测控参数越来越多 现场设备与基于微处理器的控制室自动化设备间待传输的信息量急剧增加 原有的4 20mA模拟直流回路 只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数 已成为当前控制系统发展的主要瓶颈 在DCS系统形成的过程中 由于受计算机系统早期存在的系统封闭的缺陷的影响 各厂家的产品自成系统 不同厂家的设备不能互联在一起 难以实现互换与互操作 组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难 因此 DCS已经不能适应需要 IEC从1985年即开始着手制定国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准 并命名为 fieldbus 现场总线 现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由专用协议的封闭网络来实现所造成的缺陷 把基于封闭 专用的解决方案变成了基于公开化标准化的解决方案 即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备 通过现场总线网络连接成系统 实现综合自动化的各种功能 同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构 变成了新型全分布式结构 把控制功能彻底下放到现场 依靠现场智能设备实现基本控制功能 目前 现场总线的产品主要是低速总线产品 高速总线的开发相对缺乏 高速总线的设计开发将是以后发展的一大热点 而高速总线应该采用什么样的网络技术又是这一热点的核心点 9 5 2现场总线标准 可以说 协议标准是现场总线控制系统的核心 也是各个国家和组织在该领域竞争的重点 许多国际组织 如IEC 美国仪表学会 ISA ISP intemperablesystemproject IFC WormFIP FINT fieldbusinternational 等 多年来为制定现场总线标准做了大量工作 可惜的是 由于他们从各自不同的角度和利益出发 制定了不同的标准 导致了目前多种标准共存的局面 限制了现场总线的更好发展 目前 较流行的现场总线标准有CAN 控制局域网络 LONWORKS 局部操作网络 PROFIBUS 过程现场总线 HART 可寻址远程传感器数据通路 FF 基金会总线 等 表9 2对简要地对比了5种常用现场总线的性能 虽然没有统一的国际标准 但是 从技术开发和应用要求的角度看 无论是ISP WorldFIP HART还是Lonworks都将通过技术上的开发而实现与IEC ISA标准并轨 而IEC ISA也不断采用ISP和WormFIP开发成果 用于国际标准中 所以 全世界仪表行业最终统一到国际性的IEC ISA的 fieldbus 标准上来 这是一种必然的趋势 ISA和IEC提出的现场总线模型采用了ISO的OSI模型其中的第1 2 7层 又增加了一个用户层 作为第8层 所以 该模型的4个功能层分别是 物理层 数据链路层 应用层和用户层 物理层 第1层 物理层 该层规定了现场总线的传输介质 传输速率 每条线路可接仪表数量 最大传输距离 电源 连接方式及信号类型等 数据据链路层 第2层 数据据链路层 该层规定了物理层和应用层间的接口 其中包括 数据结构 传输差错控制 多主站使用的规范化等 该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完整性 应用层 第7层 应用层 它向用户提供了一个简单的接口 其中定义了读 写 解释或执行一个信息或一条命令的方法 其中很大部分是定义信息的语法 此外 应用层还定义了信息传输的方式 如 周期式 立即响应式 一次性方式及使用者请求方式等 用户层 第8层 用户层 该层定义了过程控制的基本内容 其中 包括现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其他设备间的传送方法 现场总线结构的基础是功能块 由各功能块完成数据采集 控制或输出 每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的惟一标识符 算法功能是预定义的 而数据库的内容可以通过通信或其他方法来获得 在用户层中 定义了功能块集 并实现了功能块的兼容性和互换性等方面的转换工作 控制系统结构设计 通常正是通过连接不同的功能块来实现的 现场总线的应用和研究在我国起步相对比较晚 但是 已经在协议制定和产品开发方面取得了长足进步 并于1993成为ISP的主要成员 特别是由中科院沈阳自动化研究所和中科院自动化研究所共同承担的国家 九五 科技攻关计划重点项目新一代全分布式控制系统研究与开发课题 现场总线协议栈的研究与开发 已顺利完成并通过国际权威机构的严格测试 这一成果标志着我国已掌握了FF现场总线的核心技术 并进人世界先进行列 9 5 3现场总线的典型结构 从控制系统结构发展的角度来看 从DDC到DCS再到FCS的演化过程如图9 13所示 可以看出 这是一个 分散控制 集中管理 在控制系统中不断深化的过程 图9 14给出的是一个比较典型的工厂网络结构模型 图9 13FCS的演化过程 图9 14现场总线控制系统的网络体系结构 图9 14中最底层的控制网即FCS 各控制器节点分散到现场 构成一种彻底的分布式控制体系结构 网络拓扑结构任意 可为总线形 星形 环形等 通讯介质不受限制 可用双绞线 电力线 无线 红外线等各种形式 FCS形成的控制网很容易与企业内部网Intranet和全球信息网Internet互联 构成一个完整的企业网络三级体系结构 9 5 4现场总线的特点 现场总线系统中的现场控制设备具有通信功能 便于构成工厂底层控制网络 其通信标准的公开 一致 使系统具备开放性 设备间具有互相可操作性 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性 控制功能下放到现场 使控制系统结构具备高度的分散性 现场总线使自控设备与系统步人了信息网络的行列 为其应用开拓了更为广阔的领域 与模拟回路相比 现场总线具有一系列无法比拟的优点 1 大大降低了系统的费用 仪表系统的电缆配线 安装 操作和维修等方面的费用 由于采用了现场总线 可以节约60 以上 2 可以传送多个过程变量 可以在传输过程变量的同时 将仪表的标识符和简单的诊断信息也一并传送 这样 有利于带有多变量的数字仪表 如温度 压力 pH值的数字仪表 的开发和应用 减少了系统的维护量 提高了系统的可靠性 3 提高了检测精度 现场总线的数字信号比4 20mA模拟信号的精度提高10倍 因此 可以排除在A D转换中所产生的误差 4 减少了I O装置 若平均每2 3个仪表接到一根单独的电缆上 则可以减少一半到2 3的I O卡 I O柜或I O文件等 5 增强了系统的自治性 以微处理器为基础的现场设备可以完成许多先进的功能 包括部分控制功能 这样 就可以将原来的集中的多回路或单回路控制器所完成的功能转移到现场来完成 在现场内实现一般的控制 6 采用国际性的现场总线后 可与不同厂家生产的仪表兼容 总之 现场总线是网络技术 信息技术在控制领域的体现 对现场总线的研究和应用为工业控制注入了新的活力 开辟了新的研究领域 随着计算机网络技术的进一步渗透 植根于信息网络化的现场总线技术将对控制领域产生划时代的影响 习题 1 分析不同同步方式的原理和特点 2 工业局域网的重要拓扑结构有哪些 各自的特点如何 3 总结工业监控系统的主要发展阶段和各自的特点 4 分析不同现场总线协议的特点 说明其应用范围