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1、第十章,Interbus总线,第十章 Interbus总线,Interbus现场总线由Phoenix Contact公司开发。先成为德国标准DIN19258，其后又成为欧洲标准EN50524和IEC61158标准。 Interbus的应用主要在汽车制造、机械制造、水处理、隧道交通、食品、轻工、烟草、印刷等行业。,第一节 Interbus现场总线概述,Interbus是一种串行总线系统，适用于分散输入/输出以及不同类型控制系统间的数据传输。Interbus总线系统是一个数据环结构，总线适配控制板是数据环控制的中央设备。 在数据传输中，总线控制板向数据环移出返回字，此返回字经过整个数据环上所有的I
2、nterbus设备返回到总线控制板，总线控制板对返回字进行判断，正确无误后，确定输入输出数据有效。,Interbus采用ISO/OSI参考模型中的物理层、数据链路层和应用层。 Interbus网络可分为远程网络和本地网络。 Interbus采用整体帧协议方式传输循环过程数据和非循环数据，共有16个二进制过程数据同时被集成在循环协议中，应用层服务只对主站有效。 Interbus总线对单主机的远程I/O具有良好的诊断能力。,第二节 串行数据传输协议,在工业自动化系统中，许多输入和输出信号必须从变送器/执行器传输到PLC控制器/计算机上去，如果信号采用并行传输方法的话，必须连接许多导线和电缆。这种方
3、法给现场安装，以及今后的系统维修、保养带来非常大的不便。 20实际80年代以来，随着计算机和通信技术的不断发展，串行数据传输技术也渐渐地进入了工业自动化控制系统。这种传输技术可以将现场信号通过几根导线互相串接起来进行通信。因为这种串行数据传输被广泛地应用于变送器/执行器层上，所有这种方法又被称为现场总线系统。,实现现场总线系统的要求： 保证传输数据的正确性 自动诊断功能 抗干扰性强 开放性强 有媒介访问控制方法,1.传统的并联连接的变送器/执行器信号传输方法,2.串联连接的现场总线传输方法,采用串联连接的现场总线传输方法必须考虑一下几点因素： 1）现场总线传输方法必须保持数据周期性读入/写出的
4、原则。 2）由现场总线串行传输所引起的信号输入/输出延迟时间必须越小越好，以满足实时控制的要求。 对于第一个问题，在实践中往往采用主从式的串联传输方法。 现场总线的循环周期是指所有连接于总线中的模块信号输入/输出的总时间。 究竟怎样来选择总线周期时间，这也与相连接的控制层的控制器有关。 一般来说，现场总线的周期必须大大小于PLC周期（0.1-0.2倍），那么称现场总线具有实时性。,3.面向信息的传输方法,面向信息的传输方法主要用于点对点连接时大数据块的通信。这数据块也可称为信息、电报。所有需要传输的数据被“装入”信息帧里，即包含启动为、地址、控制信息、数据、数据安全信息（CRC）和结束位。,面
5、向信息的通信方法如果采用主从式总线网络结构，其传输效率比较低。 一般现场总线（变送器/执行器）层带有许多单一设备，与上位控制器相连接。这些设备带有数据一般较短，而且长度固定。例如阀门，按照十几的要求可为4位到64位，一旦安装完毕，其长度就是固定的了。而当采用面向信息的传输方法要对这些信号（阀门开和关）进行通信时，必须加上一定长度的启动、结束位、地址、控制信息、数据安全信息等帧信号。 可见，面向信息的传输方法比较适用于复杂系统之间数量大而且长度变化的信息交换。,4.面向过程数据的传输方法,变送器/执行器层的一个重要任务是通过简单、便宜的总线接口将各设备连接起来进行数据传输。面向过程数据的传输方法
6、能满足这种要求。,在集总帧中，如果系统带的设备越多，传输效率就越高 在集总帧协议中，整个系统只有一个循环运行的通信帧。现场设备的地址正好对应于通信帧中的数据在协议中的物理位置。 这样我们就不用给现场设备进行地址设置了。同时其设备占有数据大多数是固定的，这样通过确定总线带设备的个数，我们就能知道协议的长度，知道协议的长度我们就能知道传输的时间，这样每个设备就能得到一个恒定的采样时间，所以可以认为集总帧具有实时性。 现场总线层一方面要求传输速度低同时又要求循环周期短，Interbus通过采样集总帧的协议，能够满足这一需要，所以在工业控制系统中得到广泛的应用。,第三节 Interbus现场总线传输方
7、法 的构成和原理,Interbus采样的传输方法核心就是上述的集总帧协议，采用集总帧协议的总线几口电路可以简单地通过移位寄存器技术来实现。 采样集总帧协议和物理环形网络，总线系统不必进行设置地址和按址传输的方法。这个有点特别体现在当总线模块损坏被换掉时。 在Interbus中，总线设备是一个带有Interbus接口（移位寄存器）的从站，其移位寄存器的长度取决于总线设备中数据的长度，目前数据长度可从0512位中选择。 Interbus的主站又称为总线控制板，其作用是对整个Interbus进行控制、组态和诊断，并有一个I/O数据堆栈，保存了全部的输入输出数据。,1.Interbus模块的建立（组成
8、）,每个模块内部都有数个数据通信的移位寄存器，其长度取决于模块上I/O数据的长度。 移位寄存器包括输入移位寄存器、输出移位寄存器、CRC移位寄存器、识别移位寄存器和控制移位寄存器。 输入移位寄存器接收从输入外围设备发出的输入信号；输出移位寄存器首先获得I/O数据堆栈的输出信号，送往一个缓冲器，然后被相应的输出外围设备所接收；CRC移位寄存器工作于传输数据检验的时候，校验数据是否正确。此外，主站为了了解总线系统组成情况，还需要一个识别移位寄存器；与识别移位寄存器并联的还有一个控制移位寄存器，主站通过它来控制各个现场总线模块的运行。,2.识别号的组成,当系统进入运行时，主站首先启动识别周期（ID周
9、期）。 识别移位寄存器的07位表示设备类型。,主站必须知道在整个Interbus系统中每个模块占有多少个数据寄存器，一个模块有不同的输入量和输出量，模块中数据寄存器的长度要取大的。识别寄存器的812位表示数据的字长。,Interbus-CLUB确定识别号的分配，如果一个设备具有Interbus的借口，那么这个设备就有一个识别号。如果有新类型的设备，必须与Interbus-CLUB联系，以得到新的识别号。 识别寄存器中的012位是通过硬件固定设置的，在总线运行中不会改变。 识别寄存器的最高1315位起总线管理作用，在总线运行时，这些位的状态反映了动态出错状况。,3.控制数据,因为集总帧协议采用全
10、双工传输方法，所以主站在识别周期中接收各总线模块识别寄存器内容的同时，主站也向从站发出控制信息。在识别周期中，控制数据被送入控制寄存器。,4.识别周期的运行方法,当系统启动时，首先主站进入识别周期，主站的选择器将各总线设备中的识别寄存器连在Interbus的环路里，所有被连接的总线模块传输它的识别码内容。 其运行步骤是：Loopbackword作为第一个信息首先被主站移位到环路里，此后主站发出控制信息，当主站发出Loopbackword的同时，各个总线模块中的识别移位寄存器也将信息送往主站。数据读入和数据写出同时进行。 在环形系统中，最后一个总线模块直接与主站的接收器相连接，这样最后一个总线模
11、块的识别寄存器的内容首先被送入主站，而第一个总线模块的识别寄存器的内容最后一个被送入主站。 识别周期一般在系统启动和系统发生错误时运行。,5.数据周期的运行方法,主站通过识别周期确定了系统组态后，数据周期进入运行状态。 数据周期也按全双工制传输方法工作。 首先主站移位Loopbackword信号到环路里，然后依序将OUT数据送出，同时接收IN数据。当主站得到Loopbackword反馈信号后，表示一个数据循环周期结束。 在数据周期开始前，输出数据紧跟在Loopbackword的后面，而在数据周期结束后，输入数据按次序地放在反馈回来的Loopbackword的前面。 Interbus免去模块硬件
12、设址的工作，对实践中安装、调试和维修带来了很大的好处。,6.Interbus协议的专用信号的组成,在Interbus系统中，两个总线模块之间的数据通信是通过两根导线进行的。每个总线模块从接收到的比特流中得到一些选择，控制协议不同工作阶段的信号。这些信号通过二线以二进制比特流代码的形式传输。可分为一下几种： 总线节拍 数据 选择信号 控制信号 清零信号,7.Interbus协议的运行,Interbus系统的协议分成两个周期，数据传输周期和识别传输周期。每个周期又分成两个阶段，数据移位和数据校验阶段。 当周期类型确定后，主站开始传送数据。 数据的总长加上16位Loopbackword信号构成了传输
13、序列的总长。 在传输数据序列的时候，CR信号为LOW。如果主站得到数据序列结束的Loopbackword信号后，主站马上置CR信号为“HIGH”进入CR校验阶段。 在CR信号改变后，每个总线模块通过选择器与输出口上的CRC发生器相连接。在后续的16位总线时钟节拍时，每个总线模块仅从其输出口传输CRC清零码到下一个总线模块的输入端上。 在CRC序列阶段后，又开始一个新的数据序列阶段。,8.数据安全保护,Interbus采用了一套完整的检验方法来实现数据的完整性和传输的正确性。下面的5个方法得到了应用： 检查SL和CR信号； 检查Loopbackword信号； 检查CRC字； 监视传输时间（WAT
14、CHDOG）； 停止码信号。 Hamming-Distanz： d = e + 1 根据Hamming-Distanz计算公式d=2，我们就说奇偶校方法具有Hamming-Distanz 2。,9.系统的复位,一个工业控制系统运行的时候，操作人员应能够将系统每时每刻复原到一个预定的状态，即安全状态。系统发生故障时，也能自动地回到一个安全的位置。 为了达到这个目的，Interbus采用一个分段复原方法。 通过分段复原方法，系统不仅能回到设定值，而且还能得到出错的地点。分段复原方法是通过清零信号的不同的脉冲长短来实现。小于256s的脉冲称为短脉冲，大于25ms的脉冲称为长脉冲。 如果中断时间超过2
15、5ms，则为长清零信号，长清零信号除了具有与短清零信号同样的功能外，还将输出信号置位0。,10.Interbus系统的传输周期的时间,Interbus系统的传输时间取决于传输信息的个数。在一个固定的传输速率下，每位信息的传输都需要一定的传输时间。因为在集总帧中数据的长度是固定的，所以每个周期的传输时间也是恒定的。 传输周期的时间由下式计算： T=T数据序列+T校验序列+2T延迟时间=13*(6+n)+3mT比特+2Tph,第四节 Interbus复合式数据协议结构,Interbus的协议是根据OSI参考模型建立起来的。考虑到协议效率的因素，只采用了1、2和7层。第36层中有些功能被加在第7层中
16、了。 在第1层不仅确定了传输方法、熟虑等，而且也确定了信息流的格式。数据链路层借助于集总帧协议实现总线上数据的周期性的传输和数据的完整性与可靠性。第1层和第2层的传输方法和协议已定为德国19825、欧洲50254和国际IEC标准。紧跟在数据链路层的是在应用层的Interbus模块的数据访问，按照实际情况在应用层有2个不同的数据通道：过程数据通道和参数数据通道。 Interbus的复合式数据协议结构，是与其他总线相比较的重要区别。,第五节 Interbus的自动化控制系统,Interbus作为一种国际标准的现场总线已在工业自动化领域中得到了广泛的应用，Interbus也从单纯的现场总线技术发展到一个完整的工业自动化控制系统。形成由工业网络、IPC、PC控制系统、软件系统、I/O系统、HMI人机界面和驱动系统组成的工业自动化控制系统。 1.工业网络 Phoenix Contact的工业网络采用了Ethernet技术。 Phoenix Contact提供了一整套安装在控制柜里的Factory Line工业Ethernet模块。 以WEB技术为基础的网络管理软件Factory
