《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)》 課件 項(xiàng)目三 任務(wù)1 運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

Project3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)IndustrialInternetNetworkingTechnology【項(xiàng)目情境】在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)不同的通信協(xié)議，解決各家廠商多類型的設(shè)備接入、多源數(shù)據(jù)類型解析及格式統(tǒng)一，以處理海量數(shù)據(jù)的管理及分析計(jì)算。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)任務(wù)描述：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多通信介質(zhì)和多傳輸速率的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)總線，它既能與大多數(shù)生產(chǎn)控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)，又能與企業(yè)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)相連。本任務(wù)主要圍繞PROFIBUS總線技術(shù)、CAN總線技術(shù)、Modbus總線技術(shù)等進(jìn)行介紹，為讀者具備后續(xù)運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提供配置及調(diào)試的能力。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)1.認(rèn)識(shí)PROFIBUS總線技術(shù) PROFIBUS，又稱過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線。它是面向工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個(gè)從現(xiàn)場(chǎng)傳感器直至生產(chǎn)管理層的全方位透明的網(wǎng)絡(luò)，屬于IEC國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)子集之一。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)典型PROFIBUS層次結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、車間級(jí)、管理級(jí)三級(jí)組成。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。主站負(fù)責(zé)總線通信管理及所有從站的通信，總線上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序存儲(chǔ)在主站中，并由主站執(zhí)行。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)②車間監(jiān)控層主要完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，以完成車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控。車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等，通常還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等車間級(jí)生產(chǎn)管理功能。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)③車間管理層主要實(shí)現(xiàn)車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)通過(guò)交換機(jī)、網(wǎng)橋及路由器等等以太網(wǎng)設(shè)備連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)依據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)網(wǎng)絡(luò)作為參考模型。PROFIBUS協(xié)議只使用OSI模型的第1、2、7層，其中第1層（物理層）規(guī)定了通信介質(zhì)、物理連接和電氣特性等；第2層(數(shù)據(jù)鏈路層）定義了總線傳輸協(xié)議并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；?層(應(yīng)用層)定義了應(yīng)用功能。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)PROFIBUS目前在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展為最為廣泛應(yīng)用的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，PROFIBUS主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。①工業(yè)流程控制②工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成③工業(yè)設(shè)備管理④工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控⑤工業(yè)智能管理任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)PROFIBUS的應(yīng)用范圍不僅涉及到工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的各個(gè)方面，同時(shí)還可以作為智能制造的核心組件，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，從而推動(dòng)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2.認(rèn)識(shí)CAN總線技術(shù) CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中的串行通信總線系統(tǒng)技術(shù)。CAN總線系統(tǒng)由三個(gè)主要元素組成：CAN控制器、CAN收發(fā)器和總線，其中每個(gè)組件都有著重要的作用。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)CAN控制器，CAN總線控制器是指基于CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的控制器，通常由硬件和軟件構(gòu)成?？梢钥刂艭AN端口的收/發(fā)和信號(hào)轉(zhuǎn)換，還能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點(diǎn)通信、錯(cuò)誤處理和故障保護(hù)等功能。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)CAN收發(fā)器，CAN總線收發(fā)器是用來(lái)連接信號(hào)源（例如傳感器、執(zhí)行器等）和CAN總線的物理接口，其主要作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN總線所需的差分信號(hào)。CAN總線收發(fā)器的特點(diǎn)在于其相對(duì)較少的耗電量、高速傳輸能力和強(qiáng)大的抗干擾能力。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)CAN總線，CAN總線是所有參與設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是搭建CAN總線系統(tǒng)的重要組成部分。它將獨(dú)立控制器連接在一起，建立了一個(gè)高速和可靠的數(shù)據(jù)交換的總線網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)中交換數(shù)字信號(hào)。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)CAN總線技術(shù)常用于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，具有以下方面的特點(diǎn)。①CAN總線為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，并且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。②CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最快可在134us內(nèi)得到傳輸。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)③CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。④CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播等幾種通信方式，通過(guò)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀兩種數(shù)據(jù)傳輸模式來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的高效通信，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，通信速率最高可達(dá)1Mbit/s。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)⑤CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種,而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文標(biāo)識(shí)個(gè)數(shù)幾乎不受限制。⑥CAN總線采用了差分信號(hào)傳輸和混合直流耦合等方式，從而可以加強(qiáng)抗干擾和隔離能力，同時(shí)支持多路傳輸。⑦CAN總線系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)能夠支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議和設(shè)備，具有較強(qiáng)的兼容性和集成性。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)CAN總線遵從OSI模型，按照OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN總線結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，CAN主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。①工業(yè)機(jī)器人控制②機(jī)床工具監(jiān)測(cè)③生產(chǎn)線流程控制④控制系統(tǒng)故障診斷⑤生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)3.認(rèn)識(shí)Modbus總線技術(shù)Modbus是一種串行通信協(xié)議，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò)Modbus協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間可以通信，利用Modbus總線，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以聯(lián)成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Modbus總線特點(diǎn)可基本概括如下。①標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議為開源免費(fèi)形式，可靠性良好。②Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232/485等串口，還可以在各種介質(zhì)上傳輸，如雙絞線、光纖等。③Modbus的幀格式簡(jiǎn)單，利于開發(fā)。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Modbus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過(guò)公用線路或局部專用線路連接而成。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)之中。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Modbus總線通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)Master架構(gòu)的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)是Master節(jié)點(diǎn)，其他使用Modbus總線參與通信的節(jié)點(diǎn)是Slave節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)Slave設(shè)備都有一個(gè)唯一的通信地址。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Modbus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由它發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。Modbus總線技術(shù)參數(shù)要求如下。①物理層:傳輸方式為RS485；②通信地址:0-247；③通信波特率:可設(shè)定；④通信介質(zhì):屏蔽雙絞線；⑤傳輸方式:主從半雙工方式。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Modbus應(yīng)用協(xié)議是OSI參考模型的第7層（應(yīng)用層）報(bào)文傳輸協(xié)議，該應(yīng)用協(xié)議是一種簡(jiǎn)單的客戶機(jī)/服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議?？蛻魴C(jī)能夠向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求;服務(wù)器分析請(qǐng)求，處理請(qǐng)求，向客戶機(jī)發(fā)送應(yīng)答。Modbus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層包括3個(gè)層次，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Modbus具有通信速度快、應(yīng)用廣泛、易于操作和維護(hù)等特點(diǎn)，已成為許多工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，Modbus主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。①PLC控制②傳感器、執(zhí)行器控制③電力系統(tǒng)④工業(yè)網(wǎng)絡(luò)⑤監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)1運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)綜上所述，CAN、PROFIBUS和Modbus都是在工業(yè)領(lǐng)域