第4章-基于網(wǎng)絡(luò)的測控技術(shù)解析.ppt

第4章基于網(wǎng)絡(luò)的測控技術(shù) 主要內(nèi)容集散網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù) DCS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù) FCS 以太網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)典型應(yīng)用 重點討論DCS的MAP TOP通信協(xié)議 現(xiàn)場總線的CAN協(xié)議與FF協(xié)議 以及以太網(wǎng)的TCP IP協(xié)議 對上述三種測控系統(tǒng)組建涉及的開發(fā)組態(tài)軟件進行詳細(xì)介紹 并給出基于三種網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的典型實例 第4章基于網(wǎng)絡(luò)的測控技術(shù) 4 1 1開放系統(tǒng)互聯(lián) ISO OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型 OSI參考模型劃分原則 網(wǎng)中各結(jié)點都有相同的層次 相同的層次具有同樣的功能 同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信 每一層使用下層提供的服務(wù) 并向其上層提供服務(wù) 不同結(jié)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信 OSI參考模型的數(shù)據(jù)傳輸 4 1 1開放系統(tǒng)互聯(lián) ISO OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型 4 1 2MAP TOP通信協(xié)議 MAP規(guī)約的主要內(nèi)容 MAP規(guī)約是按照OSI七層模型的框架 從ISO及IEEE802 EIA等國際組織已有的文件和標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適的內(nèi)容之后 組合成適合于控制領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的分層協(xié)議 技術(shù)辦公系統(tǒng)協(xié)議 TOP 一種為辦公室系統(tǒng)通信定義局域網(wǎng)的一些規(guī)范和協(xié)議的開放式系統(tǒng)互聯(lián) OSI 協(xié)議 與生產(chǎn)自動化協(xié)議 MAP 相連 4 1 3通信接口 RS 232C接口RS 422 RS 423接口RS 485接口 4 1 4測控組態(tài)軟件 組態(tài) 的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)的 測控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集 SupervisoryControlandDataAcquisition SCADA 的軟件平臺工具 具有豐富的設(shè)置功能 使用方式靈活 4 2現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)測控技 FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FieldbusControlSystem FCS 借助設(shè)備 儀表的計算能力 來實現(xiàn)以往無法設(shè)想的各種復(fù)雜計算 形成真正意義上的分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的完整控制系統(tǒng) 提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性 4 2 1現(xiàn)場總線技術(shù)簡介 幾種有影響的現(xiàn)場總線 FF總線LonWorksPROFIBUSCANHARTControlNet 4 2 2CAN總線 CAN總線幀結(jié)構(gòu) 4 2 2CAN總線 CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計 軟件設(shè)計的關(guān)鍵是通信程序的編寫 通信程序主要包括初始化子程序 發(fā)送子程序和接收子程序三個部分 4 2 3FF總線 FF總線的通信參考模型 4 2 3FF總線 FF總線通信協(xié)議 4 2 3FF總線 FF總線通信控制器基金會現(xiàn)場總線通信圓卡 4 2 3FF總線 主CPU主CPU負(fù)責(zé)實現(xiàn)基金會現(xiàn)場總線的高層協(xié)議 即第2 7 8層 FF通信控制器主要功能是減輕主CPU通信工作的負(fù)擔(dān) 完成總線信號的發(fā)送和接收 串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼 幀檢驗序列的生成和驗證 信息幀的打包和解包等功能 4 2 3FF總線 媒體連接單元MAU接收和發(fā)送符合FF規(guī)范的物理信號 包括對通信控制器傳來的信號限制頻帶 向總線上耦合信號波形 接收總線上耦合的信號波形 對接收波形的濾波和預(yù)處理等 MAU的功能是執(zhí)行通信控制器的TTL電平信號與現(xiàn)場總線物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栔g的轉(zhuǎn)換 具體電路根據(jù)所采用的物理介質(zhì)的不同而不同 4 2 3FF總線 基金會現(xiàn)場總線通信控制器的功能總線信號的接收和發(fā)送通信控制器需根據(jù)基金會現(xiàn)場總線的物理層標(biāo)準(zhǔn) 正確地實現(xiàn)總線信號的接收和發(fā)送 串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼發(fā)送方必須采用數(shù)據(jù)編碼的方式 將時鐘信息隱藏在數(shù)據(jù)中發(fā)送出去 接收方對接收到的信號解碼 從中還原出時鐘信號 以達(dá)到接送雙方同步 4 2 3FF總線 信息幀的打包和解包通信控制器在接收到來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)包后 需加上前導(dǎo)碼 幀前定界碼和幀尾定界碼才能用于傳輸 幀校驗序列的生成和驗證在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中 通信控制器一邊發(fā)送數(shù)據(jù) 一邊對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的CRC計算處理 直到本幀的最后一位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢 4 2 3FF總線 自動地址識別 接收數(shù)據(jù)時 通信控制器能對接收信息中的地址進行識別 驗證本站點是否需要使用這些信息 如果需要使用 則將數(shù)據(jù)接收完 然后交給主CPU 否則放棄本幀數(shù)據(jù) 接著偵聽下一幀數(shù)據(jù) 4 2 4測控系統(tǒng)組態(tài) 1 控制策略圖形組態(tài)的功能 提供多種控制器件庫 圖形控制和功能軟件 可組態(tài)各種顯示與控制功能 創(chuàng)建畫面和信息并將其與輸入點連接 以圖形形式顯示系統(tǒng)操作狀態(tài) 4 2 4測控系統(tǒng)組態(tài) 2 控制算法組態(tài)的實現(xiàn) 用功能塊法組態(tài)的一個典型的PID控制回路如圖 CEST為常數(shù)設(shè)定 AI為模擬量輸入 SUB為減法運算器 PID為控制算法 AO為模擬量輸出 4 2 4測控系統(tǒng)組態(tài) 2 控制算法組態(tài)的實現(xiàn) 4 2 4測控系統(tǒng)組態(tài) 3 測控組態(tài)系統(tǒng)測控組態(tài)系統(tǒng)是用于工業(yè)自動化和過程監(jiān)視與控制的應(yīng)用測控軟件 它為自動化工程提供人機接口或SCADA系統(tǒng) 通過測控組態(tài)軟件的使用 可使操作方便 并能直觀地獲取現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù) 達(dá)到實時監(jiān)視的目的 從而能夠快速地查找到遠(yuǎn)程現(xiàn)場測控設(shè)備的故障 提高勞動生產(chǎn)率 4 3 1TCP IP協(xié)議 TCP IP協(xié)議棧除了TCP IP協(xié)議外 還包括UDP Telnet FTP HTTP ICMP ARP等多個協(xié)議 在不同的層次上完成各自的功能 4 3 1TCP IP協(xié)議 1 TCP IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)分層 4 3 1TCP IP協(xié)議 2 IP協(xié)議IP提供的服務(wù)有兩個特征 無連接的服務(wù)這是IP最重要的特征 IP協(xié)議采用無連接的數(shù)據(jù)報機制 IP只負(fù)責(zé)將報文段發(fā)往相應(yīng)的目的地 而不管它是否真的能正確到達(dá) 而可靠性則是由TCP來負(fù)責(zé)的 點對點的傳送點對點通信的一個最大問題是路由選擇 4 3 1TCP IP協(xié)議 IP數(shù)據(jù)報格式 4 3 1TCP IP協(xié)議 3 傳輸控制協(xié)議TCP 4 3 1TCP IP協(xié)議 4 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP頭結(jié)構(gòu) 4 3 1TCP IP協(xié)議 TCP的主要機制包括 編號與確認(rèn)適應(yīng)性重發(fā)用窗口進行流量控制擁塞控制 三次握手 4 3 2Internet Intranet Infranet 1 InternetInternet的直接意思就是 互相連接的網(wǎng)絡(luò) Internet開始是由美國國防部資助的稱Arpanet的網(wǎng)絡(luò) 原始的Arpanet早已被擴展和替換了 現(xiàn)在由其后代Internet所取代 4 3 2Internet Intranet Infranet 2 IntranetIntranet簡介Intranet分兩種 一種是廣義上的 即在公司內(nèi)部使用的Internet技術(shù)另一種是狹義上的 即指公司內(nèi)部所使用的萬維網(wǎng) 4 3 2Internet Intranet Infranet Intranet特點采用TCP IP協(xié)議 因IP協(xié)議能妥善處理局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的通信 是Internet的通用語 采用HTML SMTP及其他公開標(biāo)準(zhǔn) 緊供單位內(nèi)部使用 安全性 4 3 2Internet Intranet Infranet 3 InfranetInfranet將為業(yè)務(wù)價值鏈帶來的好處體現(xiàn)在 客戶應(yīng)用可以向網(wǎng)絡(luò)自動請求所需的安全性 質(zhì)量和帶寬級別 提供動態(tài)保證 即按客戶應(yīng)用所需的性能和安全級別交付應(yīng)用 可使運營商在全球公網(wǎng)上支持并提供高級業(yè)務(wù)的擴展 4 3 3測控系統(tǒng)組態(tài) 1 以太網(wǎng)企業(yè)自動化測控系統(tǒng)模型 工業(yè)測控系統(tǒng)用以太網(wǎng)工廠自動化 EthernetforPlantAutomation EPA 通信標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng) 無線局域網(wǎng) 藍(lán)牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的分布式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 4 3 3測控系統(tǒng)組態(tài) EPA控制系統(tǒng)模型 4 3 3測控系統(tǒng)組態(tài) 2 以太網(wǎng)企業(yè)自動化組態(tài)軟件總體設(shè)計 4 3 4發(fā)展方向 IPv6 IPv4采用32位地址長度 只有大約43億個地址 估計在2005 2010年間將被分配完畢 而IPv6采用128位地址長度 幾乎可以不受限制地提供地址 4 3 4發(fā)展方向 IPv6 1 IPv6基本協(xié)議IPv6 InternetProtocolVersion6 的數(shù)據(jù)包頭與IPv4相比得到了大大的簡化 4 3 4發(fā)展方向 IPv6 2 IPv6地址格式 IPv6有8個字段 每個字段的最大值為16384 但在書寫時用四位的十六進制數(shù)字表示 并且字段與字段之間用 隔開 而不是原來的 4 3 4發(fā)展方向 IPv6 3 地址配置IPv6把自動將IP地址分配給用戶的功能作為標(biāo)準(zhǔn)功能 只要機器一連接上網(wǎng)絡(luò)便可自動設(shè)定地址 它有兩個優(yōu)點 一是最終用戶用不著花精力進行地址設(shè)定 二是可以大大減輕網(wǎng)絡(luò)管理者的負(fù)擔(dān) 4 3 4發(fā)展方向 IPv6 4 路由協(xié)議IPv6的路由有三種形式 4 4典型應(yīng)用 本節(jié)詳細(xì)分析作者研制開發(fā)的基于Internet的小型多功能轉(zhuǎn)子軸承遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工作原理 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖 4 4 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理 系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)采用直流電機 電機控制電路采用脈沖寬度調(diào)制 PWM 控制器 該測控系統(tǒng)功能如下 能夠同時測量多個參量 包括振動 壓力 溫度等物理量 能夠快速進行動態(tài)在線實時測量和控制 滿足網(wǎng)上遠(yuǎn)程試驗的要求 能夠?qū)崟r快速進行信號的