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1、DeviceNet现场总线协议讲解Devicenet简介: DeviceNet是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信链接，是一种低端网络系统。它将基本工业设备连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。DeviceNet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量，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。 现场总线系统的结构和技术特点 1. 现场总线的历史和发展 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格
2、的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一联机，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通讯系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通讯，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运产生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场
3、控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 由于标准实质上并未统一，所以对现场总线的定义也是各有各的定义。下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。 (l) ISA SP50中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即场地级设备)之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。 这里的现场设备指最底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。 (2)根据国际电工委员会 IEC标准和现场总线基金会 FF的定义：现场总线是
4、连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网路。现场总线的本质含义表现在以下6个方面： a)现场通讯网路：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讯网路。 b)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。 c)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
5、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，构成他所需要的控制回路。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。 d)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PlD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
6、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。 e)通讯线供电：通讯线供电方式允许现场仪表直接从通讯线上摄取能量，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。 f)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。 2. 现场总线的结构特点 现场
7、总线的网络结构现场总线网络结构是按照国际标准化组织（ ISO）制定的开放系统互连（OSI：Open System Interconnection）参考模型建立的。OSI参考模型共分七层，即物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，该标准规定了每一层的功能以及对上一层所提供的服务。从OSI模式的角度来看，现场总线将上述七层简化成三层，分别由OSI参考模式的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成。如图1-2所示。 图 1-2 现场总线的结构 现场总线主要特点是使底层的控制部件、设备更加智能化，把在传统DCS中的控制功能，下移到现场仪表。在此，现场总线的网络通讯起了重要作
8、用。现场总线结构模型现统一为层，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。省略了一般网络结构的36（表达层、会话层、传递层和网络层）. 现场总线系统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联机，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、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先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，加上现场设备具有通讯能力，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，
9、实现了彻底的分散控制。Devicenet正是目前几十种现场总线中得到广泛应用的一种。 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(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，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、数字模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 图1-3 Devicenet控制系统示意图 .Devicenet技术背景和特点 多年来，过程工业一直致力于开发一种单一的、开放的标准对现场的各类设备进行编址。标准的最初目标是用单一的数字标准取代4-20mA标准。当范围扩展到寻址复杂的、高难度的服务时
10、（如：控制器间的高速通讯、大量快速扫描设备间的时间同步）单一标准的开发变得延迟了。同时，通讯技术的成本近几年已经明显的降低，将简单设备直接连接到网络上（而不必考虑SP50现场总线）的成本由此变得经济。简单设备的这种标准要求同现存的120/220VAC和24VDC离散、硬接线I/O标准具有相同级别的互换性。Devicenet在允许多个复杂设备互连接的同时，允许简单设备的互换性。除了读取离散设备的状态外，DeviceNet还可以报告马达启动器内温度、读取负载电流、改变驱动器加减速速率、或统计前一小时通过传输带传送的包裹计数。 Devicenet的主要技术特点如下表所示 表 1-1 Devicene
11、t技术特点 . Devicenet的应用 最终用户希望获得器件级网络提供的利益，例如减少接线和增加诊断功能。到1997年底，Devicenet已有16万个以上经过验证的节点，到2000年，DeviceNet节点有可能超过300万，全部ODVA组织的218会员均是工业领域，而且只有制造业才能参加。在工业市场中，已有1498个注册的符合DeviceNet协议标准的产品。DeviceNet的应用包括：汽车，半导体芯片制造，电子产品制造，食品和饮料，批量生产化学处理，装配，包装和物料转移。 Devicenet进入中国时间不长，但是在中国已有许多应用。据Rockwell Automation市场部提供的
12、数据，上海通用汽车有一条DevicetNet的生产线，另外，生产可口可乐的上海申美饮料公司也部分采用了DeviceNet技术。相信随着DeviceNet技术的进一步完善和推广，DeviceNet有相当可观的应用前景，这也正是基于DeviceNet的智能设备和远程检测系统获得国家高技术产业化工程示范项目的原因。 Producer/Consumer网络通讯模型 1.显性报文和I/O报文（Explicit and I/O messaging） 工厂自动化网络要传送一般的计算机通讯网络中需传送的报文，同时需要传送实时的输入 /输出(I/O)控制信息及整个控制系统中各控制器互锁信息等。我们用显性报文和I
13、/O报文来分别表示。 显性报文 用来上载和下载程序，修改设备组态，记载数据日志，作趋势分析和诊断等功能，例如我们可以用显性报文对控制器中的五个定时器重写默认值或执行自测试操作。它们的结构十分灵活，数据域中带有通讯网络所采用的协议信息和要求操作服务的指令。每个节点（设备）必须解释每个显性报文，操作所请求的任务，并生成响应。为按通讯协议解释这种显性报文，在真正要用到的数据上必须有较大一块的附加量 (overhead)。这种类型的报文在数据量的大小和使用频率上都是非常不确定的。 I/O报文 在本质上是隐性的（Implicit），因而有时也称为隐性报文，它的数据域中常不包括协议信息，仅仅是实时的I/O
14、控制数据，这些数据的含义是预定义的。因而在节点中对处理这些数据所需的时间大大减小，I/O报文的一个例子是控制器将输出数据发送给一个I/O块设备（I/O Block），然后 I/O块按照它的输入数据响应给控制器。为解释这种类型的报文而必须引入的附加量(overhead)小，数据短，使用频率一致，并且需要高的性能：对I/O报文传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。 过去，用于 I/O控制的网络不能处理发送显性报文时在发送数据的时间及报文尺寸上的不定性因素。控制设备提供商不得不使用不同的网络来管理这两种不同报文类型的不同要求。 Rockwell Automation/AB公司的Dat
15、a Highway/Remote I/O网络和西门子的 Profibus FMS/ProfibusDP网络就是这种情况的表现。 吞吐量（ throughput）是来自设备的输入数据传送到需要它的所有节点和节点产生的输出数据（根据用户的逻辑程序产生）传送到需要它的所有节点的速率。节点可以是传感器、人机界面(Human-Machine Interfaces-HMI)、控制器、数据记录仪、警报监视器、起动器、变频驱动器等。吞吐量由波特率、协议效率和网络模型决定。下面我们简要讨论一下这些因素。 波特率（ Band Rate） 是把数字信号放到网上去的原始速率，通常用每秒比特位或字节表示，人们最常用波特
16、率来衡量网络的性能。实际上这是个误解，对于现在新的网络，它是影响吞吐量的三个因素中最不重要的一个。 协议效率（ protocol efficiency） 定义为数据包中有效数据位与整个包长度的比值。一般是用百分比表示，它是通讯协议中附加量的量度。虽然重要，但不如数据传送和交换的方法（网络模型）重要，如果某个特定的信息交换需要2个或多个数据包来完成，跟只需1个数据包相比，如果一个网络比另一个网络的协议效率高25%就没有任何意义了。 网络模型（ Network Model） 现今的工业自动化网络中有两种主要的网络模型，即源/目的地模型(Source/Destination)和生产者/消费者 (Producer/Customer)模型。典型的源/目的地模型的一个数据包如下所示： 源地址
