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1、监控系统与现场总线监控系统与现场总线1CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线1.1.什么是现场总线什么是现场总线 n现现场场总总线线是是应应用用在在生生产产现现场场、在在微微机机化化测测量量控控制制设设备备之之间间实实现现双双向向串串行行多多节节点点数数字字通通信信的的系系统统，也也被被称称为为开开放放式式、数数字字化化、多多点点通通信信的的底底层层控控制制网络。网络。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线2CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 2. 2.现场总线的由来现场总线的由来n集集 散散 控控 制制 系系 统统 DCSDCS（ distributed distribute
2、d control control systemsystem）n 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了的单元组合式仪表，出现了集中控制室。集中控制室。n生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.020.1MPa的气压信号，的气压信号，010mA、420mA的直流电流信号，的直流电流信号，15V直流电压信号等，直流电压信号等，送往
3、集中控制室。送往集中控制室。监控系统与现场总线监控系统与现场总线3CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。直接数字控制。n但是，在但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，期存在的
4、系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换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。困难。监控系统与现场总线监控系统与现场总线4CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n新新型型的的现现场场总总线线控控制制系系统统则则突突破破了了DCSDCS系系统统中中通通信信由由专专用用网网络络的的封封闭闭系系统统来来实实现现所所造造成成的的缺缺陷陷，把把基基于于封封闭闭、专专用用的的解解决决方方案案变变成成了了基基于于公公开开化化、标
5、标准准化化的的解解决决方方案案，即即可可以以把把来来自自不不同同厂厂商商而而遵遵守守同同一一协协议议规规范范的的自自动动化化设设备备，通通过过现现场场总总线线网网络络连连接接成成系统，实现综合自动化的各种功能；系统，实现综合自动化的各种功能；n同同时时把把DCSDCS集集中中与与分分散散相相结结合合的的集集散散系系统统结结构构，变变成成了了新新型型全全分分布布式式结结构构，把把控控制制功功能能彻彻底底下下放放到到现现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。现场总线控制系统FCS(fieldbus control system)监控系统与现场总
6、线监控系统与现场总线5CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 n1983年，年，Honeywell推出了智能化仪表推出了智能化仪表Smar变送器，变送器，这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的420mA直流直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。拟信号过渡到了数字信号。 n现场总线之所以具有较高的测
7、控能力指数，一是现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于得益于仪表的微机化仪表的微机化，二是得益于，二是得益于设备的通信功设备的通信功能。能。n把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。实现其远程传送创造了条件。监控系统与现场总线监控系统与现场总线6CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线7CUMT监控系统与现
8、场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线8CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线9CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n伴伴随随着着控控制制系系统统结结构构与与测测控控仪仪表表的的更更新新换换代代，系系统统的的功功能能、性性能能也也在在不不断断完完善善与与发发展展，图图4-14-1为为各各阶阶段段测测控控仪仪表表能能力力指指数示意图。数示意图。监控系统与现场总线监控系统与现场总线10CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n它它表表明明，测测量量控控制制系系统统从从早早期期基基地地式式模模拟拟仪仪表表只只能能实实现现单单
9、点点、单单控控制制回回路路的的测测控控功功能能开开始始，逐逐渐渐发发展展到到按按装装置置或或过过程程的的多多回回路路、多多变变量量集集中中监监控控，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。n每每一一代代更更新新都都带带来来能能力力指指数数的的跃跃变变，同同时时随随着着工工具具与与功功能能开开发发的的不不断断完完善善，每每一一代代系系统统的的测测控控能能力力指指数数会会按按各各自自的的增增长长速速率率不不断断升升高高，为为生生产产过过程程的的控控制制与与管管理理提提供供更更为为完完善善的的服服务务，带带来来更更大
10、大的的经经济济效效益益。这这里里，图图4-14-1中中对对能力指数的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而已。能力指数的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而已。监控系统与现场总线监控系统与现场总线11CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线使用现场总线PROFIBUSPA的经济优势：与使用传统的4-20mA模拟信号系统比较监控系统与现场总线监控系统与现场总线12CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线4 几种有影响的现场总线技术几种有影响的现场总线技术 自自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示
11、了自己形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。继续发挥较大作用。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线13CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线(1)基金会现场总线基金会现场总线 n基基金金会会现现场场总总线线(FF(FF，Foundation Foundation Fieldbus)Fieldbus)是是在在过过程程自自动动化化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。领域得到广泛支持和具有良好发展前
12、景的技术。n其其前前身身是是以以美美国国FisherRosemountFisherRosemount公公司司为为首首，联联合合FoxboroFoxboro、横横河河、ABBABB、西西门门子子等等8080家家公公司司制制订订的的ISPISP协协议议和和以以HoneywellHoneywell公公司司为为首首，联联合合欧欧洲洲等等地地的的150150家家公公司司制制订订的的WorldFIPWorldFIP协议。协议。n屈屈于于用用户户的的压压力力，这这两两大大集集团团于于19941994年年9 9月月合合并并，成成立立了了现现场场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。总线基金会，致力
13、于开发出国际上统一的现场总线协议。监控系统与现场总线监控系统与现场总线14CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nH1H1的的 传传 输输 速速 率率 为为 31.25kbps31.25kbps， 通通 信信 距距 离离 可可 达达1900m(1900m(可可加加中中继继器器延延长长) )，可可支支持持总总线线供供电电，支支持本质安全防爆环境。持本质安全防爆环境。nH2H2的的传传输输速速率率可可为为1Mbps1Mbps和和2 25Mbps5Mbps两两种种，其其通通信信距距离离分分别别为为750m750m和和500m500m。物物理理传传输输介介质质可可支支持持双双绞绞线线、光光缆缆和
14、和无无线线发发射射，协协议议符符合合IECll582IECll582标标准。准。n其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。基金会现场总线分低速基金会现场总线分低速H1和高速和高速H2两种通信速率。两种通信速率。监控系统与现场总线监控系统与现场总线15CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线本质安全型电气设备的原理：本质安全型电气设备的原理：通通过过选选择择电电气气设设备备电电路路的的各各种种参参数数或或采采取取保保护护措措施施来来限限制制电电路路的的火火花花放放电电能能量量和和热热能能，使使其其在在正正常常工工作作和和规规定定的的故故障障状状态态下下，产
15、产生生的的电电火火花花的的热热效效应应均均不不能能点点燃燃周周围围环环境境的的爆爆炸炸性性混混合合物物，从从而而实实现了电气防爆。现了电气防爆。这这种种电电气气设设备备的的电电路路本本身身就就具具有有防防爆爆性性能能，也也就就是是从从“本本质质”上上就就是是安安全全的的，故故称为本质安全型（本安型）。称为本质安全型（本安型）。监控系统与现场总线监控系统与现场总线16CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线基金会现场总线的主要技术内容，包括：基金会现场总线的主要技术内容，包括： nFFFF通信协议；通信协议；n用用于于完完成成开开放放互互连连模模型型中中第第2 27 7层层通通信信协协议议的
16、的通通信信栈栈(Communication Stack)(Communication Stack)；n用用于于描描述述设设备备特特征征、参参数数、属属性性及及操操作作接接口口的的DDLDDL设设备备描描述述语语言、设备描述字典；言、设备描述字典；n用用于于实实现现测测量量、控控制制、工工程程量量转转换换等等应应用用功功能能的的功功能能块块、实实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术；现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术；n以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。监控系统与现场总线监控系统与现场总线17CUMT监控系统与现场总线监
17、控系统与现场总线(2)LonWorks n LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于于1990年正式公布而形成的。年正式公布而形成的。n它采用了它采用了ISOOSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从置，其通信速率从300bps至至15Mbps不等，直接通信距离可不等，直接通
18、信距离可达达2700m(78kbps，双绞线，双绞线)。n支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。用控制网络。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线18CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n集集成成芯芯片片中中有有3个个8位位CPU，一一个个用用于于完完成成开开放放互互连连模模型型中中第第1和和第第2层层的的功功能能，称称为为媒媒体体访访问问控控制制处处理理器器，实实现现介介质质访访问问的控制与处理。的控制与
19、处理。n第第二二个个用用于于完完成成第第36层层的的功功能能，称称为为网网络络处处理理器器，进进行行网网络络变变量量的的寻寻址址、处处理理、背背景景诊诊断断、路路径径选选择择、软软件件计计时时、网网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。n第第三三个个是是应应用用处处理理器器，执执行行操操作作系系统统服服务务与与用用户户代代码码。芯芯片片中中还还具具有有存存储储信信息息缓缓冲冲区区，以以实实现现CPU之之间间的的信信息息传传递递，并并作为网络缓冲区和应用缓冲区。作为网络缓冲区和应用缓冲区。 LonWorks技技术术所所采采用用的的LonTalk协协议
20、议被被封封装装在在称称之之为为Neuron的神经元芯片中而得以实现。的神经元芯片中而得以实现。监控系统与现场总线监控系统与现场总线19CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线(3)PROFIBUS nPROFIBUSPROFIBUS是是德德国国国国家家标标准准DINl9245DINl9245和和欧欧洲洲标标准准EN50170EN50170的的现现场场总线标准。总线标准。n由由 PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS， PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP， PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA组组 成成 了了PROFIBUSPROFIBUS系列。系列。nDPDP型
21、型用用于于分分散散外外设设间间的的高高速速数数据据传传输输，适适合合于于加加工工自自动动化化领领域的应用。域的应用。nFMSFMS意意为为现现场场信信息息规规范范，PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS适适用用于于纺纺织织、楼楼宇宇自自动动化、可编程控制器、低压开关等。化、可编程控制器、低压开关等。n而而PAPA型型则则是是用用于于过过程程自自动动化化的的总总线线类类型型，它它遵遵从从IECll582IECll582标准。标准。监控系统与现场总线监控系统与现场总线20CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n该该项项技技术术是是由由西西门门子子公公司司为为主主的的十十几几家家德德
22、国国公公司司、研研究究所所共共同推出的。同推出的。n它它采采用用了了OSIOSI模模型型的的物物理理层层、数数据据链链路路层层。FMSFMS还还采采用用了了应应用用层。层。n传传输输速速率率为为9 9，6kbps6kbps12Mbps12Mbps，最最大大传传输输距距离离在在12Mbps12Mbps时时为为lOOmlOOm，1 15Mhps5Mhps时时为为400m400m，可可用用中中继继器器延延长长至至10km10km。其其传传输输介介质质可可以以是是双双绞绞线线，也也可可以以是是光光缆缆。最最多多可可挂挂接接127127个个站站点点。可实现总线供电与本质安全防爆。可实现总线供电与本质安全
23、防爆。监控系统与现场总线监控系统与现场总线21CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线(4)CAN nCAN是控制局域网络是控制局域网络(ControlAreaNetwork)的简称，的简称，最早由德国最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。国际标准组织制订为国际标准。nCAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，只取只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。底层的
24、物理层、数据链路层和顶层的应用层。n信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps40m，直接传输，直接传输距离最远可达距离最远可达10km5kbps。可挂接设备数最多可达。可挂接设备数最多可达110个。个。 nCAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传个，因而传输时间短，受干扰的概率低。输时间短，受干扰的概率低。监控系统与现场总线监控系统与现场总线22CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线(5)HART nHART是是HighwayAddressableRemoteTransduce
25、r的缩写。的缩写。n最早由最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于持，于1993年成立了年成立了HART通信基金会。通信基金会。n这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发
26、展。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线23CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令：它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令：n第一类称为通用命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；这是所有设备都理解、执行的命令；n第二类称为一般行为命令，第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设所提供的功能可以在许多现场设备备(尽管不是全部尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；功能库；n第三类称为特殊设备命令，第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊
27、功能，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。的公司所独有。n在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线24CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5控制器局域网总线控制器局域网总线CAN5.1 5.1 CAN的性能特点的性能特点nCAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络。即控制器局域网络。nCANCAN最初是由德国的最初是由德国的BOSCHBOSCH公司为汽车监测、控
28、制系公司为汽车监测、控制系统而设计的。统而设计的。n世世界界上上一一些些著著名名的的汽汽车车制制造造厂厂商商，如如BENZ(奔奔驰驰)、BMW(宝宝 马马 )、 PORSCHE(保保 时时 捷捷 )、 ROLLS-ROYCE(劳劳斯斯莱莱斯斯)和和JAGUAR(美美洲洲豹豹)等等都都已已开开始始采采用用CAN总总线线来来实实现现汽汽车车内内部部控控制制系系统统与与各各检检测测和和执行机构间的数据通信。执行机构间的数据通信。监控系统与现场总线监控系统与现场总线25CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nCAN为为多多主主方方式式工工作作，网网络络上上任任一一节节点点均均可可在在任任意意时时
29、刻刻主主动动地地向向网网络络上上其其他他节节点点发发送送信信息息，而而不不分分主主从从，通通信信方方式式灵灵活活，且且无无需需站站地地址址等等节节点点信信息息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。nCAN网网络络上上的的节节点点信信息息分分成成不不同同的的优优先先级级，可可满满足足不不同同的的实实时时要要求求，高高优优先先级级的的数数据据最最多多可可在在134ms内得到传输。内得到传输。其特点可概括如下：其特点可概括如下：监控系统与现场总线监控系统与现场总线26CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nCAN采采用用非非破破坏坏性性总总线线仲仲裁裁技
30、技术术，当当多多个个节节点点同同时时向向总总线线发发送送信信息息时时，优优先先级级较较低低的的节节点点会会主主动动地地退退出出发发送送，而而最最高高优优先先级级的的节节点点可可不不受受影影响响地地继继续续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。nCAN只只需需通通过过报报文文滤滤波波即即可可实实现现点点对对点点、一一点点对对多多点点及及全全局局广广播播等等几几种种方方式式传传送送接接收收数数据据，无无需需专专门的门的“调度调度”。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线27CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nCAN上上的的节节点点数数主主要要
31、取取决决于于总总线线驱驱动动电电路路，目目前前 可可 达达 110个个 ； 报报 文文 标标 识识 符符 可可 达达 2032种种(CAN2.0A)，而而扩扩展展标标准准(CAN2.0B)的的报报文文标标识识符几乎不受限制。符几乎不受限制。n采采用用短短帧帧结结构构，传传输输时时间间短短，受受干干扰扰概概率率低低，具具有极好的检错效果。有极好的检错效果。nCAN的的每每帧帧信信息息都都有有CRC校校验验及及其其他他检检错错措措施施，保证了数据出错率极低。保证了数据出错率极低。监控系统与现场总线监控系统与现场总线28CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nCAN的的通通信信介介质质可可为为
32、双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆或或光光纤纤，选择灵活。选择灵活。nCAN节节点点在在错错误误严严重重的的情情况况下下具具有有自自动动关关闭闭输输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。监控系统与现场总线监控系统与现场总线29CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.2.1 5.2.1 CAN的一些基本概念的一些基本概念 n报文报文 总总线线上上的的信信息息以以不不同同格格式式的的报报文文发发送送，但但长长度度有有限限制制。当当总总线线开开放放时时，任任何何连连接接的的单单元元均均可可开始发送一个新报文。开始发送一个新报文。n信息路由信息路由 在
33、在CAN系系统统中中，一一个个CAN节节点点不不使使用用有有关关系系统统结结构构的的任任何何信信息息(如如站站地地址址)。这这里里包包含含一一些些重要概念：重要概念： 系统灵活性系统灵活性-节点可在不要求所有节点及其应节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下，被接于用层改变任何软件或硬件的情况下，被接于CAN网络。网络。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线30CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线报报文文通通信信-每每个个报报文文的的内内容容由由其其标标识识符符ID命命名名。ID并并不不指指出出报报文文的的目目的的，但但描描述述数数据据的的含含义义，以以便便网网络络中
34、中的的所所有有节节点点有有可可能能借借助助报报文文滤滤波波决决定定该该数数据据是是否否使它们激活。使它们激活。成成组组-由由于于采采用用了了报报文文滤滤波波，所所有有节节点点均均可可接接收收报报文文，并同时被相同的报文激活。并同时被相同的报文激活。数据相容性数据相容性-在在CAN网络内，可以确保报文同时被所网络内，可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收，因此，系统的数据相容有节点或者没有节点接收，因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的。性是借助于成组和出错处理达到的。监控系统与现场总线监控系统与现场总线31CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n位位速速率率CAN的的数数
35、据据传传输输率率在在不不同同的的系系统统中中是是不不同同的的，而而在在一一个个给给定定的的系系统统中中，此此速速度度是是唯唯一一的的，并且是固定的。并且是固定的。n优优先先权权在在总总线线访访问问期期间间，标标识识符符定定义义了了一一个个报报文文静态的优先权。静态的优先权。n远远程程数数据据请请求求通通过过发发送送一一个个远远程程帧帧，需需要要数数据据的的节节点点可可以以请请求求另另一一个个节节点点发发送送一一个个相相应应的的数数据据帧帧，该数据帧与对应的远程帧以相同标识符该数据帧与对应的远程帧以相同标识符ID命名。命名。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线32CUMT监控系统与现场总线监控
36、系统与现场总线n多多主主站站当当总总线线开开放放时时，任任何何单单元元均均可可开开始始发发送送报报文文，发送具有最高优先权报文的单元，以赢得总线访问权。发送具有最高优先权报文的单元，以赢得总线访问权。n仲仲裁裁当当总总线线开开放放时时，任任何何单单元元均均可可开开始始发发送送报报文文，若若同同时时有有两两个个或或更更多多的的单单元元开开始始发发送送，总总线线访访问问冲冲突突运运用逐位仲裁规则，借助标识符用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。解决。 这这种种仲仲裁裁规规则则可可以以使使信信息息和和时时间间均均无无损损失失。若若具具有有相相同同标标识识符符的的一一个个数数据据帧帧和和一一个个远远程程
37、帧帧同同时时发发送送，数据帧优先于远程帧。数据帧优先于远程帧。监控系统与现场总线监控系统与现场总线33CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n检测错误的措施包括：检测错误的措施包括： 发送自检、发送自检、 循环冗余校验、循环冗余校验、 位填充、位填充、 报文格式检查。报文格式检查。 错误检测具有如下特性：错误检测具有如下特性： 所有全局性错误均可被检测；所有全局性错误均可被检测； 发送器的所有局部错误均可被检测；发送器的所有局部错误均可被检测； 报文中的多至报文中的多至5个随机分布错误均可被检测；个随机分布错误均可被检测； 报文中长度小于报文中长度小于15的突发性错误均可被检测；的突发性
38、错误均可被检测； 报文中任何奇数个错误均可被检测。报文中任何奇数个错误均可被检测。n安安全全性性 为为获获得得尽尽可可能能高高的的数数据据传传送送安安全全性性，在在每每个个CAN节节点中均设有错误检测、标定和自检的强有力措施。点中均设有错误检测、标定和自检的强有力措施。监控系统与现场总线监控系统与现场总线34CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n出出错错标标注注和和恢恢复复时时间间已已损损报报文文由由检检出出错错误误的的任任何何节节点点进进行行标标注注。这这样样的的报报文文将将失失效效，并并自自动动进进行行重重发发送送。如如果果不不存存在在新新的的错错误误，自自检检出出错错误误至至下下
39、一一个个报报文文开开始始发送的恢复时间最多为发送的恢复时间最多为29个位时间。个位时间。n故故障障界界定定CAN节节点点有有能能力力识识别别永永久久性性故故障障和和短短暂暂扰扰动动，可自动关闭故障节点。可自动关闭故障节点。n连连接接CAN串串行行通通信信链链路路是是一一条条众众多多单单元元均均可可被被连连接接的的总总线线，理理论论上上，单单元元数数目目是是无无限限的的，实实际际上上，单单元元总总数受限于延迟时间和数受限于延迟时间和(或或)总线的电气负载。总线的电气负载。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线35CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n应应答答所所有有接接收收器器均均对对接
40、接收收报报文文的的相相容容性性进进行行检检查查，回回答一个相容报文，并标注一个不相容报文。答一个相容报文，并标注一个不相容报文。n睡睡眠眠方方式式及及唤唤醒醒为为降降低低系系统统功功耗耗，CAN器器件件可可被被置置于于无无任任何何内内部部活活动动的的睡睡眠眠方方式式，相相当当于于未未连连接接总总线线的的驱驱动器。动器。 睡睡眠眠状状态态借借助助任任何何总总线线激激活活或或者者系系统统的的内内部部条条件件被唤醒而告终。被唤醒而告终。监控系统与现场总线监控系统与现场总线36CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.2.2 5.2.2 CAN节点的分层结构节点的分层结构监控系统与现场总线监控系
41、统与现场总线37CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.2.3 5.2.3 报文传送及其帧结构报文传送及其帧结构 n在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。发送器。n对于发送器而言，如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器而言，如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文有效。对于发送器报文有效。如果报文受损，将允许按照优先如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞权顺序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。争，总线一旦空闲，重发送立即开始。n对于接收器而
42、言，如果直到帧结束的最后一位一直未出对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位一直未出错，则对于接收器报文有效。错，则对于接收器报文有效。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线38CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码。序列均借助位填充规则进行编码。n当发送器在发送的位流中检测到当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。码位。n数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式，不
43、进数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式，不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。进行位填充。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线39CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n报文传送由报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：种不同类型的帧表示和控制： 1 1、数据帧数据帧携带数据由发送器至接收器；携带数据由发送器至接收器； 2 2、远远程程帧帧通通过过总总线线单单元元发发送送，以以请请求求发发送送具具有有相相同同标标识识符符的数据帧；的数据帧； 3 3、出错帧出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；由检测出总线错误的任何单元发送；
44、4 4、超载帧超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。n数据帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。数据帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线40CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.2.3.1 5.2.3.1 数据帧数据帧 n数据帧由数据帧由7个不同的位场组成，个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。场、应答场和帧结束。数据场长度可为数据场长度可为0。CAN2.0A数据帧的组成如图数据帧的组成如图5-2所示。所示。 监控系统与现场总线
45、监控系统与现场总线41CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n在在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，度，具有具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩位标识符的帧称为扩展帧。展帧。标准格式和扩展格式的数据帧结构如图标准格式和扩展格式的数据帧结构如图5-3所示。所示。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线42CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n(1)帧帧起起始始(SOF)标标志志数数据据帧帧和和远远程程帧帧的的起起始始，它它仅仅由由一一个个显显位位构构成
46、成。只只有有在在总总线线处处于于空空闲闲状状态态时时，才才允允许许站站开开始始发发送送。所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。n(2)仲仲裁裁场场由由标标识识符符和和远远程程发发送送请请求求位位(RTR)组组成成。仲仲裁裁场场如如图图5-4所示。所示。监控系统与现场总线监控系统与现场总线43CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n为为区区别别标标准准格格式式和和扩扩展展格格式式，将将CAN2.0A标标准准中中的的r1改改记记为为IDE位位。在在扩扩展展格格式式中中，先先发发送送基基本本ID，其其后后是是IDE位位和和SRR
47、位。扩展位。扩展ID在在SRR位后发送。（图位后发送。（图5-35-3）CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线44CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 数据字节数目数据长度码DLC3DLC2DLClDLC0012345678ddddddddrddddrrrrdddrrddrrddrdrdrdrdCAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线45CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.2.6 5.2.6 CAN总线
48、媒体装置特性总线媒体装置特性 nCAN技术规范技术规范2.0B遵循遵循ISOOSI标准模型，标准模型，分为逻辑链分为逻辑链路层和物理层。路层和物理层。n其物理层包括位编码解码、位定时及同步等内容，但对其物理层包括位编码解码、位定时及同步等内容，但对总线媒体装置，诸如驱动器接收器特性未作规定，以便总线媒体装置，诸如驱动器接收器特性未作规定，以便在具体应用中进行优化设计。在具体应用中进行优化设计。n在在1993年形成的国际标准年形成的国际标准IS011898中对基于双绞线的中对基于双绞线的CAN总线媒体装置特性做了建议。总线媒体装置特性做了建议。 CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规
49、范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线46CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nISO11898建建议议的的电电气气连连接接如如图图5-13所所示示，这这里里，将将连连接接于于总总线线的的每每个个节节点点称称为为电电子子控控制制装装置置(ECU)。总总线线每每个个末末端端均均接接有有以以RL表表示示的的抑抑制制反反射射的的终终端端负负载载电电阻阻，而而位位于于ECU内内部部的的RL应应予予取取消消。总总线线驱驱动动可可采采用用单单线线上上拉拉、单单线线下下拉拉或或双线驱动，接收采用差分比较器。双线驱动，接收采用差分比较器。CAN的性能的性能特点特点
50、CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线47CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线48CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.3 CAN总线有关器件介绍总线有关器件介绍nCAN总线的突出优点使其在各个领域的应用得到迅速发展，总线的突出优点使其在各个领域的应用得到迅速发展，这使得许多器件厂商竟相推出各种这使得许多器件厂商竟相推出各种CAN总线器件产品，已逐总线器件产品，已逐步形成系列。而丰富廉价的步
51、形成系列。而丰富廉价的CAN总线器件又进一步促进了总线器件又进一步促进了CAN总线应用的迅速推广。总线应用的迅速推广。n目前，目前，CAN已不仅是应用于某些领域的标准现场总线，它正已不仅是应用于某些领域的标准现场总线，它正在成为微控制器的系统扩展及多机通信接口。表在成为微控制器的系统扩展及多机通信接口。表5-10列出了列出了一些主要的一些主要的CAN总线产品。总线产品。 CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线49CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线制造商产品型号器件功能及特点INTEL8252682
52、5278XC196CA/CBCAN通信控制器，符合CAN2.0CAN通信控制器，符合CAB2.0B扩展的8XC196+CAN通信控制器，符合CAN2.0BPHILIPS82C200SJA10008XC5928XCE59882C15082C250P51XA-C3CAN通信控制器，符合CAN2.0ACAN通信控制器，符合通信控制器，符合CAN2.0B8XC552+CAN通信控制器，去掉了I2C，符合CAN2.0A提高了电磁兼容性的8XC592带数字及模拟I/O的CAN总线扩展器件，符合CAN2.0A高性能高性能CAN总线收发器总线收发器16位微控制器+CAN通信控制器，符合CAN2.0BMOTOR
53、OLA68HC05X4系列系列68HC05微控制器+CAN通信控制器，符合CAN2.0ASIEMENS81C9091C167CCAN通信控制器，符合CAN2.0A微控制器+CAN通信控制器，符合CAN2.0ABNEC72005CAN通信控制器，符合CAN2.0ABSILICONS19200CAN总线收发器CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线50CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.3.1 5.3.1 CAN通信控制器通信控制器SJA1000 nCAN的通信协议主要由的通信协议主要由CAN控制器完
54、成。控制器完成。nCAN控制器主要由实现控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。部分电路组成。n对于不同型号的对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现总线通信控制器，实现CAN协议部分电协议部分电路的结构和功能大都相同，而与微控制器接口部分的结构及路的结构和功能大都相同，而与微控制器接口部分的结构及方式存在一些差异。这里主要以方式存在一些差异。这里主要以PHILIPSSJA1000为代表对为代表对CAN控制器的结构、功能及应用加以介绍。控制器的结构、功能及应用加以介绍。 CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关
55、器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线51CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线CAN的性能的性能特点特点CAN的技术的技术规范规范CAN总线有总线有关器件介绍关器件介绍监控系统与现场总线监控系统与现场总线52CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线53CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线54CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线二、功能框图二、功能框图nSJA1000的功能框图，如图的功能框图，如图6-2所示。所示。 监控系统与现场总线监控系统与现场总线55CUMT监控系统与现场总
56、线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线56CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线57CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线6.3CAN通信的控制通信的控制 6.3.1控制控制SJA1000通信的基本功能和控制寄存器通信的基本功能和控制寄存器 主主控控制制器器通通过过应应用用程程序序来来设设定定SJA1000的的功功能能，因因此此我我们们将将对对SJA1000进进行行编编程程以以满满足足不不同同性性能能的的CAN总总线系统的要求。线系统的要求。主主控控制制器器通通过过寄寄存存器器（控控制制段段）和和RAM（报报文文缓缓冲冲器）与器
57、）与SJA1000交换数据。交换数据。这这些些控控制制寄寄存存器器和和接接收收及及发发送送缓缓冲冲器器RAM的的可可寻址窗口，对主控制器而言均为外设寄存器。寻址窗口，对主控制器而言均为外设寄存器。概述概述系统构成系统构成CANCAN通信的通信的控制控制CANCAN通信的通信的应用应用监控系统与现场总线监控系统与现场总线58CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线59CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线60CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线61CUMT监控系统与现场总
58、线监控系统与现场总线(1)BasicCAN模式地址分配模式地址分配SJA1000对对微微处处理理器器而而言言是是存存储储器器寻寻址址方方式式的的I/O装装置置，由由于于寄存器的设计是按寄存器的设计是按RAM方式设计的。方式设计的。SJA1000的地址范围包括控制段和报文缓冲器。的地址范围包括控制段和报文缓冲器。在在初初始始化化时时对对控控制制段段进进行行编编程程，以以便便组组态态通通信信参参数数。位位处处理理器也是通过此段实现对器也是通过此段实现对CAN总线通信的控制。总线通信的控制。在初始化时位处理器还可对在初始化时位处理器还可对CLKOUT信号的频率进行编程。信号的频率进行编程。要要发发送
59、送的的报报文文，必必须须写写入入SJA1000的的发发送送缓缓冲冲器器；正正确确接接收收的的报报文文，微微处处理理器器可可以以从从接接收收缓缓冲冲器器中中读读取取，并并将将接接收收缓缓冲冲器器释放以备将来使用。释放以备将来使用。概述概述系统构成系统构成CANCAN通信的通信的控制控制CANCAN通信的通信的应用应用BasicCANBasicCAN模式（模式（P101P101）监控系统与现场总线监控系统与现场总线62CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线微微处处理理器器与与SJA1000的的状状态态、控控制制和和命命令令信信号号的的交交换换都都是是在在控制段完成的。控制段完成的。概述概述系
60、统构成系统构成CANCAN通信的通信的控制控制CANCAN通信的通信的应用应用监控系统与现场总线监控系统与现场总线63CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线64CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线65CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线66CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线67CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线68CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线标示符（标示符（I
61、D） 标标示示符符由由11位位组组成成（ID.10ID.0），ID.10为为最最高高位位，在在仲仲裁过程中它首先被发送到总线上。裁过程中它首先被发送到总线上。标标示示符符的的作作用用类类似似于于报报文文的的名名字字，在在接接收收端端它它被被用用来来进进行行认认可滤波；在仲裁过程中它也用来决定访问总线的优先权。可滤波；在仲裁过程中它也用来决定访问总线的优先权。标标示示符符所所代代表表的的二二进进制制数数值值越越小小，其其优优先先权权越越高高，这这是是由由于于二进制数越小，其高位的显性位就越多。二进制数越小，其高位的显性位就越多。概述概述系统构成系统构成CANCAN通信的通信的控制控制CANCAN
62、通信的通信的应用应用监控系统与现场总线监控系统与现场总线69CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线时时钟钟分分频频器器寄寄存存器器（CDR）控控制制时时钟钟输输出出脚脚CLKOUT的的输输出出频率，并且允许关断此位的输出。频率，并且允许关断此位的输出。另另外外，该该寄寄存存器器还还可可以以控控制制是是否否在在TX1上上增增加加了了一一个个接接收收中中断断脉脉冲冲、旁旁路路接接收收比比较较器器、选选择择BasicCAN还还是是PeliCAN模模式式。在在硬硬 件件 复复 位位 后后 时时 钟钟 分分 频频 数数 的的 默默 认认 值值 为为 00000101、 12分分 频频（Motoro
63、la）或为或为00000000、2分频（分频（Intel）。）。软软复复位位对对此此寄寄存存器器没没有有影影响响，保保留留位位CDR.4在在写写入入时时必必须须为为0，以便与将来的功能上保持兼容。以便与将来的功能上保持兼容。 概述概述系统构成系统构成CANCAN通信的通信的控制控制CANCAN通信的通信的应用应用(4)时钟分频器寄存器（时钟分频器寄存器（CDR）监控系统与现场总线监控系统与现场总线70CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线71CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线72CUMT监控系统与现场总线监
64、控系统与现场总线6.4CAN的通信功能的应用的通信功能的应用n通过通过CAN总线建立通信的过程：总线建立通信的过程：系统上电后系统上电后设置主控制器与设置主控制器与SJA1000相关的硬件及软件相关的硬件及软件在在SJA1000上上电电复复位位后后，设设置置CAN控控制制器器的的通通信信功功能能，包包括括方式选择、认可滤波器的设置、位定时信息等。方式选择、认可滤波器的设置、位定时信息等。在应用主程序中在应用主程序中准备要发送的数据并激活准备要发送的数据并激活SJA1000将数据发出将数据发出处理处理CAN控制器接收到的报文控制器接收到的报文处理在通信过程中发生的错误处理在通信过程中发生的错误
65、监控系统与现场总线监控系统与现场总线73CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线74CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线6.4.1初始化初始化 n SJA1000在上电或硬复拉后，必须对其初始化以便进行通信。在上电或硬复拉后，必须对其初始化以便进行通信。n而且在运行过程中还可以通过主控制器对其组态进行修改而且在运行过程中还可以通过主控制器对其组态进行修改（重新组态），在进行重新组态时，首先要进入复位状态。（重新组态），在进行重新组态时，首先要进入复位状态。n图图6-12给出了初始化程序的流程并给出了给出了初始化程序的流程并给出了8051的样本程序
66、。的样本程序。监控系统与现场总线监控系统与现场总线75CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线76CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线77CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线监控系统与现场总线78CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线ET200系列是远程I0站，为减少信号电缆的敷设，可以在设备附近根据不同的要求放置不同类型的I0站，如ET200M、ET200B、ET200X、ET200S等，ET200M适合在远程站点I0点数量较多的情况下使用，这里以ET200M为例介绍远程IO的
67、配置。主站为集成DP接口的CPU。CPU集成DP口与ET200M之间远程的通信监控系统与现场总线监控系统与现场总线79CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线1、硬件连接、硬件连接图3-1 集成DP口CPU与ET200M硬件连接监控系统与现场总线监控系统与现场总线80CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线2、资源需求、资源需求n带集成DP口的S7-300的CPU315-2DP作为主站。n从站为带I/O模块的ET200M。nMPI网卡CP5611。nProfiBus总线连接器以及电缆。nSTEP7 V5.2系统设计软件监控系统与现场总线监控系统与现场总线81CUMT监控系统与现场总线监
68、控系统与现场总线1）、按图3-1连接CPU315C-2DP集成的DP接口与ET200M的PROFIBUS-DP接口。先用MPI电缆将MPI卡CP5611连接到CPU315-2DP的MPI接口，对CPU315-2DP进行初始化，同时对ET200M的“BUS ADDRESS”拨盘开关的PROFIBUS地址设定为4，如图3-2所示，即把数字“4”左侧对应的开关拨向右侧即可。如果设定PROFIBUS地址为6，则把“2”、“4”两个数字左侧对应的开关拨向右侧，依此类推。2）、在STEP7中新建一个“ET200M作为从站的DP通信”的项目。先插入一个S7-300站，然后双击“Hardware”选项，进人“
69、Hw config”窗口。点击“catalog”图标打开硬件目录，按硬件安装次序和订货号依次插人机架、电源、CPU等进行硬件组态，如图3-3所示。3、网络组态以及参数设置、网络组态以及参数设置图9-2 ET200M的外形图监控系统与现场总线监控系统与现场总线82CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图9-3 CPU315-2DP RPROFIBUS网络配置监控系统与现场总线监控系统与现场总线83CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线3）、插入CPU同时，弹出PROFIBUS组态界面。点击New按钮，新建PROFIBUS（1），组态PROFIBUS站地址为2。点击“Propertie
70、s”按钮组态网络属性，选择“Network Settings”，界面如图“3-4”所示，点击“OK”按钮确认，完成PROFIBUS网络创建，同时界面出现PROFIBUS网络。监控系统与现场总线监控系统与现场总线84CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图9-4 PROFIBUS-DP的“Network Settings”的参数设置监控系统与现场总线监控系统与现场总线85CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线4）、在PROFIBUS-DP选项中，通过左边的“PROFIBUS-DP”“ET200M”“IM153-1”路径，选择接口模块IM153-1，添加到PROFIBUS网络上，如图“
71、3-5所示”。 图9-5是加载IM 153-1至PROFIBUS（1）网络过程示意，定义ET200M接口模块IMl53-2的PROFIBUS站地址，组态的站地址必须与IMl53-2上拨码开关设定的站地址相同，本例中站地址为4。 然后组态ET200M上IO模块，设定I/O点的地址，ET200M的IO地址区与中央扩展的IO地址区一致，不能冲突，本例中ET200M上组态了16点输入和16点输出，开始地址为1，访问这些点时用I区和Q区，例如输入点为I1.0，第一个输出点为Q1.0，实际使用时ET200M所带的I/O模块就好象是集成在CPU 315-2DP上的一样，编程非常简单。硬件组态结果见图9-7。
72、监控系统与现场总线监控系统与现场总线86CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图9-5 加载IM 153-1至PROFIBUS（1）网络过程示意监控系统与现场总线监控系统与现场总线87CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图9-6 IM153的PROFIBUS网络参数配置监控系统与现场总线监控系统与现场总线88CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图9-7 315-2DP、ET200M的I/O模块配置监控系统与现场总线监控系统与现场总线89CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 （2 2）网络部件）网络部件 工业以太网链路模块工业以太网链路模块OLMOLM、ELMELM
73、 OLM（光链路模块）有（光链路模块）有3个个ITP接口和两个接口和两个BFOC接口。接口。ITP接口可以接口可以连接连接3个终端设备或网段，个终端设备或网段，BFOC接口可以连接两个光路设备（如接口可以连接两个光路设备（如OLM等）等），速度为，速度为10Mbit/s。 ELM（电气链路模块）有个（电气链路模块）有个ITP接口和接口和1个个AUI接口。通过接口。通过AUI接口，接口，可以将网络设备连接至可以将网络设备连接至LAN上，速度为上，速度为10Mbit/s。 工业以太网交换机工业以太网交换机工业以太网交换机工业以太网交换机OSMOSMOSMOSM、ESMESMESMESM OSM的的
74、产产品品包包括括：OSM TP62、OSM TP22、OSM ITP62、OSM ITP62-LD和和OSM BC08。从从型型号号就就可可以以确确定定OSM的的连连接接端端口口类类型型及及数数量量，如如：OSM ITP62-LD，其其中中ITP表表示示OSM上上有有ITP电电缆缆接接口口，“6”代代表表电电气气接口数量，接口数量，“2”代表光纤接口数量，代表光纤接口数量，“LD”代表长距离。代表长距离。 ESM的的产产品品包包括括：ESM TP40、ESM TP80和和ESM ITP80，命命名名规规则则和和OSM相同。相同。n5.3.1 5.3.1 西门子工业以太网硬件基本情况西门子工业以
75、太网硬件基本情况 监控系统与现场总线监控系统与现场总线90CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图图5.7OSMITP62-LD图5.8 ESM TP80图图5.9CP243-1图图5.10CP343-1图图5.11CP443-1监控系统与现场总线监控系统与现场总线91CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 （3）通信处理器）通信处理器 常常 用用 的的 工工 业业 以以 太太 网网 通通 信信 处处 理理 器器 （ CP， Communicaton Processer，通通信信处处理理单单元元），包包括括用用在在S7 PLC站站上上的的处处理理器器CP243-1系列、系列、CP3
76、43-1系列、系列、CP443-1系列等。系列等。 CP243-1是是为为S7-200系系列列PLC设设计计的的工工业业以以太太网网通通信信处处理理器器，并并且且支支持持使使用用STEP7-Micro/WIN 32软软件件，通通过过以以太太网网对对S7-200进进行行远远程程组组态态、编编程程和和诊诊断断。同同时时，S7-200也也可可以以同同S7-300、S7-400系系列列PLC进行以太网的连接。进行以太网的连接。 S7-300系系列列PLC的的以以太太网网通通信信处处理理器器是是CP343-1系系列列。按按照照所所支支持持协协议议的的不不同同，可可以以分分为为CP343-1、CP343-
77、1 ISO、CP343-1 TCP、CP343-1 IT和和CP343-1 PN。n5.3.1 5.3.1 西门子工业以太网硬件基本情况西门子工业以太网硬件基本情况 监控系统与现场总线监控系统与现场总线92CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线5.3.1 西门子工业以太网硬件基本情况 n S7-400 PLC的以太网通信处理器是的以太网通信处理器是CP443-1系列。按照系列。按照所支持协议的不同，可以分为所支持协议的不同，可以分为CP443-1、CP443-1 ISO、CP443-1 TCP和和CP443-1 IT。监控系统与现场总线监控系统与现场总线93CUMT监控系统与现场总线监控
78、系统与现场总线1 1 1 1标准通信（标准通信（标准通信（标准通信（Standard CommunicationStandard CommunicationStandard CommunicationStandard Communication）子网（子网（SubnetsSubnets）Industrial EthernetIndustrial EthernetPROFIBUSPROFIBUS服服务（ServicesServices）标准通信准通信协议MMSMAP3.0MMSMAP3.0FMSFMS表表5.2 标准通信协议标准通信协议 5.3.2 西门子支持的网络协议和服务西门子支持的网络协议
79、和服务监控系统与现场总线监控系统与现场总线94CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 MAP（Manufacturing Automation Protocol，制造业自动化，制造业自动化协议）提供协议）提供MMS服务，主要用于传输结构化的数据。服务，主要用于传输结构化的数据。MMS是一个是一个符合符合ISO/IES 9506-4的工业以太网通信标准，的工业以太网通信标准，MAP3.0的版本提供的版本提供了开放统一的通信标准，可以连接各个厂商的产品，现在很少应用。了开放统一的通信标准，可以连接各个厂商的产品，现在很少应用。 5.3.2 西门子支持的网络协议和服务西门子支持的网络协议和服务
80、监控系统与现场总线监控系统与现场总线95CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线3 3S7S7通信通信 S7通通信信集集成成在在每每一一个个SIMATIC S7/M7和和C7的的系系统统中中，属属于于OSI参参考考模模型型第第7层层应应用用层层的的协协议议，它它独独立立于于各各个个网网络络，可可以以应应用用于于多多种种网网络（络（MPI、PROFIBUS、工业以太网）。、工业以太网）。 S7通通信信通通过过不不断断地地重重复复接接收收数数据据来来保保证证网网络络报报文文的的正正确确。在在SIMATIC S7中中，通通过过组组态态建建立立S7连连接接来来实实现现S7通通信信，在在PC上上，S
81、7通通信信需需要要通通过过SAPI-S7借借口口函函数数或或OPC（过过程程控控制制用用对对象象链链接接与与嵌嵌入入）来实现。来实现。 在在STEP7中中，S7通通信信需需要要调调用用功功能能块块SFB（S7-400）或或FB（S7-300），最最大大的的通通信信数数据据可可以以达达64KB。对对于于S7-400，可可以以使使用用系系统统功功能能块块SFB来来实实现现S7通通信信，对对于于S7-300，可可以以调调用用相相应应得得FB功功能能块块进进行行S7通信通信. 5.3.2 西门子支持的网络协议和服务西门子支持的网络协议和服务监控系统与现场总线监控系统与现场总线96CUMT监控系统与现场
82、总线监控系统与现场总线4PG/OP通信 PG/OP通信分别是PG和OP与PLC通信来进行组态、编程、监控以及人机交互等操作的服务。图图5.12 S7-300/400 PLC5.12 S7-300/400 PLC的以太网通信的以太网通信 5.3.2 西门子支持的网络协议和服务西门子支持的网络协议和服务监控系统与现场总线监控系统与现场总线97CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 1 1硬件硬件 （1）CPU （2）CP 343-1 IT/CP 343-1 （3）PC（带网卡）（带网卡） 2 2软件软件 STEP 7 3 3PG/PC InterfacePG/PC Interface的设定的
83、设定 在在“SIMATIC Manger”界界面面中中，选选择择“Options”“Set PG/PC Interface”，进进入入“Set PG/PC Interface”界界面面，选选定定“TCP/IP（Auto）Realtek RTL8193/810”为为通通信信协协议议，见见图图5.13所示。所示。5.3.3 S7-300PLC通信所需的硬件与软件通信所需的硬件与软件监控系统与现场总线监控系统与现场总线98CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线图图5.13 “Set PG/PC Interface”5.13 “Set PG/PC Interface”界面界面5.3.3 S7-3
84、00PLC通信所需的硬件与软件通信所需的硬件与软件监控系统与现场总线监控系统与现场总线99CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线1 1TCPTCP （1 1）新建项目）新建项目 在在STEP7中中创创建建一一个个新新项项目目，取取名名为为“TCP of IE”。点点击击右右键键，再再弹弹出出的的菜菜单单中中选选择择“Insert New Object”“SIMATIC 300 Station”，插插入入一一个个300站站，取取名名为为“313C-2DP”。用用同同样样的的方方法法在在项项目目“TCP of IE”下下插插另一个另一个300站，取名为站，取名为“315-2DP”。如图。如图
85、5.14所示。所示。图图5.14 5.14 建立项目建立项目5.3.4 S7-300PLC-S5通信通信监控系统与现场总线监控系统与现场总线100CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线（2 2）硬件组态）硬件组态图图5.15 “313C-2DP”5.15 “313C-2DP”站的硬件组态站的硬件组态 首先首先对“313C-313C-2DP”2DP”站站进行硬件行硬件组态，双双击“Hardware”Hardware”进入入“HW Config”HW Config”界面。界面。在机架上加入在机架上加入CPU CPU 313C-2DP313C-2DP、SM 323SM 323和和CP CP 3
86、43-1 IT343-1 IT，如，如图5.155.15所所示：示：监控系统与现场总线监控系统与现场总线101CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线同时把同时把CPU的的MPI地址设为地址设为“4”，CP模块的模块的MPI地址设为地址设为“5”。CP 343-1 IT可以在可以在“SIMATIC 300”“CP300”“Industrial Ethernet”下找到，见图下找到，见图5.16。图图5.16 CP 343-1 IT5.16 CP 343-1 IT的硬件位置的硬件位置监控系统与现场总线监控系统与现场总线102CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线 用用同同样样的的方方法
87、法，建建立立“315-2DP”站站的的硬硬件件组组态态。CPU的的MPI地地址址设设为为“2”，CP模模块块的的MPI地地址址设设为为“3”。CP模模块块的的IP地址为：地址为：10.10.3.58，子网掩码：，子网掩码：255.255.255.192。 硬件组态好后保存编译，分别下载到两台硬件组态好后保存编译，分别下载到两台PLC中。中。 （3 3）网络参数配置）网络参数配置 在在做做工工业业以以太太网网通通信信的的项项目目时时，除除了了要要组组态态硬硬件件，还还要要进进行网络参数的配置。行网络参数的配置。 在在“SIMATIC Manger”界界面面中中点点击击“Configure Net
88、work” 键键，打打开开“NetPro”设设置置网网络络参参数数。此此时时可可以以看看到到两两台台PLC已已经经挂挂入入了了工工业业以以太太网网中中，选选中中一一CPU，点点击击鼠鼠标标右右键键，选选择择“Insert New Connection”建立新的连接，如图建立新的连接，如图5.18所示。所示。监控系统与现场总线监控系统与现场总线103CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n1.1 组态软件概述组态软件概述组态组态是伴随着计算机软硬件技术在控制领域的广泛应用而发展起来的。为了使用户在不需要编代码程序的情况下，便可生成适合自己需求的应用系统，就需要专业的编程开发人员创建良好的开
89、发环境，把软件模块化、对象化、便于工程人员调用，从而获得目标工程项目的监控和控制软件系统。这种开发环境就是“组态软件”。 工控领域常会提到组态（configuration） 工控应用软件=积木式构件+基本专业知识+简单配置和编程监控系统与现场总线监控系统与现场总线104CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n(1) InTouch：Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信，性能较差，
90、最新的InTouch9.5版已经完全基于32位的Windows平台。n(2) Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能。在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。n(3) Citech：CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似C语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于C语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。监控系统与现场总线监控系统与现场总线105CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线n压风机监控系统讲解监控系统与现场总线监控系统与现场总线106CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线nSCADA系统演示
