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现场总线与工业以太网应用 版权信息
- ISBN：9787030475398
- 条形码：9787030475398 ; 978-7-03-047539-8
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
现场总线与工业以太网应用 内容简介
本书首先介绍了现场总线、工业以太网的发展历程及目前市场上主流的现场总线、工业以太网协议及相关标准，并对工业通信的基础知识进行了阐述。重点介绍了Modbus、Profibus-DP、Modbus/TCP这几种现场总线及工业以太网的基本原理、产品软硬件开发过程及组网配置等内容，*后从系统角度，结合工程实例，介绍了Modbus、Profibus-DP、Modbus/TCP的组态软件接入过程。全书紧密结合国内实际应用需求，详细介绍了主流现场总线、工业以太网的开发过程及应用实例，对于本领域的技术开发、工程应用人员，有很强的的参考价值。
现场总线与工业以太网应用 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 现场总线 1
1.1.1 现场总线的基本概念 1
1.1.2 现场总线的发展历程 2
1.1.3 主流现场总线介绍 3
1.2 工业以太网 8
1.2.1 工业以太网的基本概念 8
1.2.2 工业以太网的发展历程 9
1.3 标准介绍 20
1.3.1 IEC61158 20
1.3.2 IEC62026 23
1.3.3 IEC61784 23
1.3.4 现场总线中国标准 25
1.4 现场总线与工业以太网技术的发展趋势 26
1.4.1 现场总线技术的发展趋势 26
1.4.2 工业以太网技术的发展趋势 27
第2章 工业通信基础知识 30
2.1 传输介质 30
2.1.1 有线介质 30
2.1.2 无线介质 35
2.2 数字编码方式 37
2.3 通信方式 41
2.3.1 并行通信与串行通信 41
2.3.2 同步传输与异步传输 42
2.3.3 单工、半双工与全双工通信 45
2.4 网络拓扑 46
2.4.1总线拓扑 46
2.4.2 星形拓扑 47
2.4.3 树形拓扑 48
2.4.4 环形拓扑 49
第3章 Modbus产品开发 51
3.1 基本介绍 51
3.1.1 协议介绍 51
3.1.2 模式分类 53
3.2 产品开发 59
3.2.1 硬件 59
3.2.2 软件 61
第4章 Profibus-DP产品开发 64
4.1 Profibus基本介绍 64
4.1.1 组织 64
4.1.2 通信协议 64
4.1.3 传输技术 65
4.2 Profibus-DP基本原理 66
4.2.1 基本特征 66
4.2.2 通信协议 68
4.2.3 DP报文解析 69
4.3 从站产品开发 83
4.3.1 从站分类 83
4.3.2 从站设计方案 86
4.3.3 硬件开发 87
4.3.4 软件开发 94
4.3.5 GSD文件 118
4.3.6 组网配置 121
第5章 Modbus/TCP产品开发 150
5.1 基本介绍 150
5.1.1 组织 150
5.1.2 标准 150
5.1.3 基本特征 150
5.1.4 通信协议 151
5.1.5 报文解析 151
5.2 产品开发 152
5.2.1 从站分类 152
5.2.2 从站设计方案 155
5.2.3 硬件 159
5.2.4 软件 160
5.2.5 开发过程中注意事项 167
5.2.6 报文分析 167
5.2.7 组网配置 172
第6章 组态软件及系统 184
6.1 组态软件介绍 184
6.2 三维力控软件介绍 185
6.3 组态软件开发 186
6.3.1 Modbus现场总线的组态软件接入 186
6.3.2 Profibus-DP现场总线的组态软件接入 199
6.3.3 Modbus/TCP工业以太网组态软件接入 221
6.4 现场总线控制系统实例 239
6.4.1 项目概述 239
6.4.2 项目总体设计方案 240
6.4.3 项目具体设计方案 243
6.4.4 项目实现及运行 248
参考文献 249
前言
第1章 绪论 1
1.1 现场总线 1
1.1.1 现场总线的基本概念 1
1.1.2 现场总线的发展历程 2
1.1.3 主流现场总线介绍 3
1.2 工业以太网 8
1.2.1 工业以太网的基本概念 8
1.2.2 工业以太网的发展历程 9
1.3 标准介绍 20
1.3.1 IEC61158 20
1.3.2 IEC62026 23
1.3.3 IEC61784 23
1.3.4 现场总线中国标准 25
1.4 现场总线与工业以太网技术的发展趋势 26
1.4.1 现场总线技术的发展趋势 26
1.4.2 工业以太网技术的发展趋势 27
第2章 工业通信基础知识 30
2.1 传输介质 30
2.1.1 有线介质 30
2.1.2 无线介质 35
2.2 数字编码方式 37
2.3 通信方式 41
2.3.1 并行通信与串行通信 41
2.3.2 同步传输与异步传输 42
2.3.3 单工、半双工与全双工通信 45
2.4 网络拓扑 46
2.4.1总线拓扑 46
2.4.2 星形拓扑 47
2.4.3 树形拓扑 48
2.4.4 环形拓扑 49
第3章 Modbus产品开发 51
3.1 基本介绍 51
3.1.1 协议介绍 51
3.1.2 模式分类 53
3.2 产品开发 59
3.2.1 硬件 59
3.2.2 软件 61
第4章 Profibus-DP产品开发 64
4.1 Profibus基本介绍 64
4.1.1 组织 64
4.1.2 通信协议 64
4.1.3 传输技术 65
4.2 Profibus-DP基本原理 66
4.2.1 基本特征 66
4.2.2 通信协议 68
4.2.3 DP报文解析 69
4.3 从站产品开发 83
4.3.1 从站分类 83
4.3.2 从站设计方案 86
4.3.3 硬件开发 87
4.3.4 软件开发 94
4.3.5 GSD文件 118
4.3.6 组网配置 121
第5章 Modbus/TCP产品开发 150
5.1 基本介绍 150
5.1.1 组织 150
5.1.2 标准 150
5.1.3 基本特征 150
5.1.4 通信协议 151
5.1.5 报文解析 151
5.2 产品开发 152
5.2.1 从站分类 152
5.2.2 从站设计方案 155
5.2.3 硬件 159
5.2.4 软件 160
5.2.5 开发过程中注意事项 167
5.2.6 报文分析 167
5.2.7 组网配置 172
第6章 组态软件及系统 184
6.1 组态软件介绍 184
6.2 三维力控软件介绍 185
6.3 组态软件开发 186
6.3.1 Modbus现场总线的组态软件接入 186
6.3.2 Profibus-DP现场总线的组态软件接入 199
6.3.3 Modbus/TCP工业以太网组态软件接入 221
6.4 现场总线控制系统实例 239
6.4.1 项目概述 239
6.4.2 项目总体设计方案 240
6.4.3 项目具体设计方案 243
6.4.4 项目实现及运行 248
参考文献 249
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现场总线与工业以太网应用 节选
第1章 绪论 1.1现场总线 20世纪80年代中期产生的现场总线，主要特征是以全数字、双向传输、多分支结构的通信控制总线连接智能现场设备，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化方向发展，从而使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。如果说计算机网络把人类引进了信息时代，那么现场总线则让自动控制系统加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 1.1.1现场总线的基本概念 关于现场总线的定义有很多种。它原本是指现场设备之间公用的信号传输线。后来又被定义为一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。具体来说，它以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。随着技术内容的不断发展和更新，现场总线已经成为控制网络技术的代名词。它使自控设备连接为控制网络，并与计算机网络沟通连接，使控制网络成为信息网络的重要组成部分。 现场总线系统既是一个开放的数据通信系统、网络系统，又是一个可以由现场设备实现完整控制功能的全分布控制系统。它作为现场设备之间信息沟通交换的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为实现各种测量控制功能的自动化系统，实现如PID控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容的综合技术［1，2］。现场总线的主要特点如下： （1）开放性。现场总线为开放式互联网络，其技术和标准都是公开的，所有制造商都必须遵循。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，能与不同的控制系统形成互连。 （2）布线简单。现场总线的*大革命是布线方式的革命。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，因此*小化的布线方式和*大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大降低。 （3）实时性。现场总线的实时性是为了满足现场控制和现场数据采集的要求。在确保数据传输可靠性和稳定性的前提下，现场总线应具备较高的传输速率和传输效率。 （4）可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，现场设备内部功能加强，设备之间连线减少，这都减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。而且，现场总线一般都具有一定的抗干扰能力，同时具备一定的诊断能力，可*大限度地保护整个系统，并快速地查找、更换故障节点［2］。 1.1.2现场总线的发展历程 20世纪50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的是直接安装在生产设备上、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 在过程控制领域，从20世纪50年代至今，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，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0～10mA、4～20mA的直流电流信号，1～5V直流电压信号等，送往集中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统［3］。 传统模拟控制系统采用一对一的物理连接，即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，信号传输的抗干扰能力也较差，于是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系统（DDC）。由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室几乎所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统。但由于当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受。 随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与计算机网络系统得到了迅速发展，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中分散相结合的集散控制系统（DCS）。在DCS中，测量变送仪表一般为模拟仪表，它属于模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在DCS形成的过程中，由于设备之间采用传统的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自成体系的封闭式集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为了“信息孤岛”。再者，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，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大困难。 要实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就要构建运行在生产现场、性能可靠、造价低廉的工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，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驱动下应运而生的。它作为现场设备之间互连的控制网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，克服了DCS中采用专用网络所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把DCS的模拟数字混合系统结构，变成了新型的全分布式网络系统结构，为彻底打破自动化系统的信息孤岛僵局创造了条件。 现场总线系统的现场设备在不同程度上都具有数字计算和数字通信能力。借助现场设备的计算、通信能力，在现场就可进行多种复杂的控制计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。可借助现场总线控制网络，以及与之有通信连接的其他网络，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开关等；还可提供传统仪表所不能提供的如设备资源、阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态［4，5］。 1.1.3主流现场总线介绍 近年来，欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力，研究开发现场总线技术，出现了百花齐放、兴盛发展的态势。据说，世界上已出现各式各样的现场总线100多种，其中宣称为开放型现场总线的就有40多种［6］。有些已经在特定的应用领域显示了各自的特点和优势，表现了较强的生命力。比较流行的主要有基金会现场总线（FF）、过程现场总线（Profibus）、设备网（DeviceNet）、LonWorks等现场总线。 1.基金会现场总线 基金会现场总线（foundationfieldbus，FF）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxbooro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议，以及以Honeywell公司为首、联合欧洲等地的150家公司制定的WorldFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbit/s，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本征安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbit/s和2.5Mbit/s两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。 基金会现场总线的物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变或是负跳变。正跳变代表“0”，负跳变代表“1”，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。 为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，H1总线已通过α测试和ρ测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。H2总线标准也已形成。1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为7段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力［7-9］。 2.过程现场总线 Profibus（processfieldbus）是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，根据应用特点，主要分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三种类型。 DP型总线用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用；FMS型总线为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化；而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。Profibus采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准**部分的子集。DP型隐去了第3～7层，增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层作为标准的第二部分，PA型的传输技术遵从IEC1158-2（H1）标准，可实现总线供电与本征安全防爆。 Profibus支持单主站、多主站系统，主站有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个预定时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中循环一周的*长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站通过令牌得到控制权后，按主从方式与从站交互数据，实现点对点通信。主站向所有站点广播信息，或有选择地向一组站点广播，而从站并不需要应答［10-12］。 3.设备网在 现代的控制系统中，不仅要求现场设备完成本地的控制、监视、诊断等任务，还要能通过网络与其他控制设备及PLC进行对等通信，因此现场设备多设计成内置智能式。基于这样的现状，美国RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet网络，实现低成本高性能的工业设备的网络互连。 DeviceNet是一种低成本的通信连接，它将工业设备连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet又是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间可互换性的同时，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，同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的［13，14］。
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