1、北京天地玛珂电液控制系统有限公司“无人化”项目部 王凯“工业自动化通信技术工业自动化通信技术”培训培训提纲提纲通信技术基础工业自动化通信技术工业自动化系统1.1.通信技术基础通信技术基础从烽火告急到无线宽带1.1.通信技术基础通信技术基础古代的通信方法 光-视觉：烽火，火炬 声波：击鼓鸣金 信鸽、旗语 1.1.通信技术基础通信技术基础18世纪以来的通信方法 1837年,Samuel Morse 发明电报 1876年,Alexander Graham Bell 发明电话 1895年,Guglielmo Marconi 发明无线电 1906年,电子管的发明使模拟通信得到发展 20世纪50年代、60
2、年代,半导体和集成电路的发展使数字通信得到发展 1945年,第一台电子计算机的问世到80年代计算机的飞速发展使数据通信成为可能 1963年,第一次实现同步卫星通信 20世纪70年代,光导纤维的发明实现了光纤通信 1974年,美国Bell实验室提出蜂窝移动通信概念1.1.通信技术基础通信技术基础通信：传递信息的手段，将信息从发送器传送到接收器1.1.通信技术基础通信技术基础通信系统的一般组成 信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类
3、。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。1.1.通信技术基础通信技术基础模拟信号和数字信号 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：(a)话音信号 (b)抽样信号图1 模拟信号1.1.通信技术基础通信技术基础模拟信号和数字信号 数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：(a)二进制信号 (b)2PSK信号图2 数字信号1.1.通信技术基础通信技术基础通信系统的分类 按信号特征分类：模拟通信系统：电话、工业电视、广播、对讲机数字
4、通信系统：手机、互联网、IP电话、数字电视1.1.通信技术基础通信技术基础通信系统的分类 按通信业务分类：电报通信系统电话通信系统数据通信系统图像通信系统1.1.通信技术基础通信技术基础通信系统的分类 按调制方式分类：基带传输系统：串口通信、以太网带通（调制）传输系统：光纤通信、宽带通信、电力线通信 调制传输系统：模拟调制（调幅、调频）数字调制（2ASK幅移键控、2FSK频移键控、2PSK相移键控）t1.1.通信技术基础通信技术基础通信系统的分类 按传输媒介分类：有线通信系统无线通信系统 按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用 1.1.通
5、信技术基础通信技术基础并行传输和串行传输 并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要 n 条通信线路，成本较高 1.1.通信技术基础通信技术基础并行传输和串行传输 串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输 优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用 缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施1.1.通信技术基础通信技术基础异步通信与同步通信串行通信中，接收方和发送方应使用相同的传输速率。但由于双方使用的传输速率存在微小的误差，会形成累积误差而使发送和接收的数据造
6、成错位，使接收方收到错误的信息。为了解决这一问题，需要使发送过程和接收过程同步。按同步的方式不同，串行通信分为异步通信和同步通信。异步通信的字符信息格式如图，每发送1个字符（数据），由1位“起始位”开始，接着是78位“数据位”，然后是1位“奇偶校验位”（也可以没有），最后是12位“停止位”。双方对格式和传输速率约定相同。1.1.通信技术基础通信技术基础异步通信与同步通信接收方在收到停止位与起始位之间的下降沿时，将它作为接收的起点，在每一个时钟脉冲（代表1位）的中间接收信息。由于接收的位数不多，即使双方的时钟频率有微小的误差，其累积误差也不会过大而造成错位。数据位后的“奇偶校验位”用来检测接收到
7、的数据是否出错。奇偶校验分为“奇校验（Odd）”和“偶校验（Even）”，也可选择“不校验（None）”。奇偶校验是指把发送方发送的每一个字符中数据位（包括校验位）中“1”的个数的奇偶性与接收方接收到的每一个字符的奇偶性进行比较，如一致表示正确，不一致即表示接收到的数据有错误。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术从底层到高层，分工合作2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术工业控制网络是一种把整个工厂中各个生产流程和自动化控制系统通过各种通信设备组织为一个整体的一种通信网络。在这个通信网络中，可有各种不同结构、遵守各种不同通信协议的通信系统存在，其中主要是工业以太网和工业现场总线。
8、工业以太网Industrial Ethernet 按IEEE 802.3标准建立的开放的通信系统，用于传输大量数据，可与远程网络连接工业现场总线Field Bus按现场总线标准建立的开放的通信系统，用于现场控制和数据交换点到点通信用于2个点之间的通信，如PLC与PLC、PLC与PC、PLC与人机接口、打印机、条码扫描器、读卡器等设备连接。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术现场总线Field Bus串行通信接口：RS232C、RS422、RS485（1）RS-232C由美国EIC（电子工业联合会）于1969年公布的通信协议。该协议规定采用负逻辑，用-15-5V表示逻辑“1”，+5+15
9、V表示逻辑“0”。使用9针和25针DB型连接器。当通信距离较近时通信双方可直接连接。最简单的情况，在通信中不需要控制联络信号，只需要3根线（发送线、接收线、信号地）便可实现全双工异步串行通信。广泛地用于计算机与终端或外设之间的近距离通信。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术（1）RS-232CRS-232C采用共地传送方式，容易引起共模干扰。RS-232C最大通信距离为15m，最高传输速率为19.2kbit/s，只能进行一对一的通信。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术（2）RS-422它采用平衡驱动、差分接收电路(见图)，共模信号可以互相抵消。它从根本上取消了信号地线，从而消
10、除了由公共地线引入的干扰。平衡驱动器相当于2个单端驱动器，其输入信号相同，2个输出信号互为反相信号。最大传输速率为10M Bit/S（此时允许的最大通信距离为12m）。最大通信距离为1200m（此时的最大传输速率为100 Kbit/s）。一台驱动器可以连接10台接收器。用于计算机与终端或外设之间的远距离通信。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术（3）RS-422RS-422是全双工操作，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收。数据通过4根导线传送（4线操作）。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术（3）RS-485RS485是RS-422A的变形，RS-485为半双工，只有一对平衡
11、差分信号线，不能同时发送和接收。使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统。为半双工2线操作，一对平衡差分信号线不能同时发送和接收。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术Modbus协议RS485，电气物理接口规范；Modbus，应用层协议，主要包括功能码服务规定、请求/应答事务处理规范2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术Modbus协议Modbus帧简单协议数据单元（PDU）在PDU基础上引入附加字段，应用数据单元（ADU）功能码向服务器指示将执行哪种操作2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术Modbus协议Modbus事务操作在同一时间，总线上
12、只能有一个主站，和一个或多个从站，Modbus通信总是由主站发起，当从站没有收到来自主站的请求时，不会发送数据，从站之间不能相互通信。2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术 功能码（十六进制）数据访问比特访问内部比特或物理线圈读线圈0101写单个线圈0505写多个线圈150F16比特访问内部存储器或物理输出存储器读保持寄存器0303写单个寄存器0606写多个寄存器1610Modbus协议Modbus功能码2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术Modbus协议Modbus请求访问设备存储器2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术Modbus协议在不同的物理链路上Modbus 应用
13、层在 TCP/IP 上的 Modbus 映射TCP/IPIETF RFC 793IPIETF RFC 791Ethernet II/802.3IEEE 802.2以太网物理层TIA/EIA-232-F串行链路主站/从站TIA/EIA-485-AModbus 协议在 TCP/IP 上的实现指南Modbus应用协议规范Modbus 协议在串行链路上的实现指南应用层数据链路层物理层网络层传输层会话层表示层2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术数据单元层功能主机层数据(Data)7.应用层与应用程序接口，提供常用网络应用服务6.表示层处理数据表示形式，加密和解密，把机器相关的数据转换成独立于机器
14、的数据5.会话层建立、维护和管理应用间会话(Session)段(Segments)或报文(Message)4.传输层Reliable delivery of packets between points on a network.控制数据流量，进行调试及错误处理，确保可靠通信媒介层包(Packet)/数据报(Datagram)3.网络层寻址、路由、传输数据报，通过网络拥塞程度、服务质量、发送优先权等来决定节点间的最佳通信路径帧(Frame)2.数据链路层管理物理层的位数据，处理数据受损、丢失甚至重复传输错误等问题位(Bit)1.物理层定义电子及物理设备规范，例如针脚、电压、线缆等；控制信号的发
15、送和接收OSIOSI参考模型参考模型2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术CAN总线一种串行数据通信协议，包括了物理层和数据链路层可以多主方式工作，不分主从网络节点（信息）可以分成不同的优先级，满足不同实时要求采用非破坏性仲裁总线结构机制，解决两个节点同时发送信息的问题节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术CAN帧Start of FrameIdentifier11 bitsID10RTRIDEID0RB0DLC3DLC0Reserved Bits4 bitsDataLengthCodeCRC15 bitsDelACKDel仲裁段12控
16、制段6数据段8N(0 N 8)CRC段15AckField2End ofFrame700 0011 1 1 1 1 1 1帧帧用途1.数据帧用于一个节点传送信息到其他任一或所有节点2.远程帧用于一个节点主动要求其它节点发送信息3.错误帧如果节点在接收过程中检测到错误，它就会发送一个错误帧4.过载帧当一个节点正忙于处理接收的信息，可以通知其它节点暂缓发送报文5.帧间隔帧与帧之间的间隔2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术数据单元层功能主机层数据(Data)7.应用层与应用程序接口，提供常用网络应用服务6.表示层处理数据表示形式，加密和解密，把机器相关的数据转换成独立于机器的数据5.会话层建
17、立、维护和管理应用间会话(Session)段(Segments)或报文(Message)4.传输层Reliable delivery of packets between points on a network.控制数据流量，进行调试及错误处理，确保可靠通信媒介层包(Packet)/数据报(Datagram)3.网络层寻址、路由、传输数据报，通过网络拥塞程度、服务质量、发送优先权等来决定节点间的最佳通信路径帧(Frame)2.数据链路层管理物理层的位数据，处理数据受损、丢失甚至重复传输错误等问题位(Bit)1.物理层定义电子及物理设备规范，例如针脚、电压、线缆等；控制信号的发送和接收OSIOS
18、I参考模型参考模型2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术工业以太网标准通道，100ms TCP/IP 和 UDP/IPn参数和配置n诊断数据n网络协商数据通道实时通道 RT，10msn高性能周期用户数据传输n事件驱动消息/报警实时通道 IRT，1msn同步用户数据传输n抖动误差 1sec实时性RTIRTReal-time 1Ethernet(以太网)TCP/UDP PROFINET 应用nIT应用举例n HTTPn SNMPn DHCP.标准数据过程数据IP 23123PROFINET PROFINET 原理原理应用层数据链路层物理层网络层传输层会话层表示层2.2.工业自动化通信技术工业
19、自动化通信技术工业以太网Modbus 应用层在 TCP/IP 上的 Modbus 映射TCP/IPIETF RFC 793IPIETF RFC 791Ethernet II/802.3IEEE 802.2以太网物理层TIA/EIA-232-F串行链路主站/从站TIA/EIA-485-AModbus 协议在 TCP/IP 上的实现指南Modbus应用协议规范Modbus 协议在串行链路上的实现指南Modbus TCP Modbus TCP 原理原理应用层数据链路层物理层网络层传输层会话层表示层2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术工业以太网 EtherNet/IP EtherNet/IP
20、原理原理Ethernet(IEEE 802.3)应用层CIP设备描述数据链路层物理层网络层传输层会话层表示层Ethernet CSMA/CD(IEEE 802.3)Internet ProtocolUDPTCPCIP 协议封装协议封装CIP 报文路由，连接管理报文路由，连接管理CIP 数据管理服务数据管理服务显式报文，显式报文，IO报文报文CIP 应用层应用层应用对象库应用对象库电机电机阀门阀门驱动器驱动器控制器控制器其他其他CIP以太网2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术设备号，对象号，实设备号，对象号，实例号，属性号例号，属性号支架#1支
21、架#2支架#3地址#4传感器#5采煤机压力#1左滚筒右滚筒牵引电流电流温度CIP CIP 对象模型对象模型2.2.工业自动化通信技术工业自动化通信技术几种工业以太网技术比较协议协议EtherNet/IPPROFINETModbusTCP性能性能实时性较好，适用于实时控制实时性好，适用于实时控制实时性差，不适用于实时控制兼容性兼容性基于以太网需要专用路由器基于以太网大范围组网大范围组网能力能力有有无技术实施难度技术实施难度设备接口需要改造、开发难度高设备、网络均需要改造、开发难度高简单、无需改造可用资源可用资源芯片、模块、网关、协议栈支持芯片、模块、网关、协议栈支持所有设备均具有该接口通讯模式通
22、讯模式点对点、广播、双点对点、广播、双向向点对点、广播、点对点、广播、双向双向点对点、查询查询-响响应应组织组织ODAV组织组织、Rockwell、施耐德PROFIBUS组织、西门子ODVA组织组织、广泛支持3.3.工业自动化系统工业自动化系统大工业时代的神经网络3.3.工业自动化系统工业自动化系统3.3.工业自动化系统工业自动化系统1现场设备层 主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。一般采用现场总线。2控制层 又称为车间监控层，用来完成车间主生产设备之间的连接，实现车间级设备的监控。车间级监控包括生产设备状态的在线监
23、控、设备故障报警及维护等。通常还具有生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。3.信息层 将车间数据集成到工厂管理层。信息层控制层现场设备层3.3.工业自动化系统工业自动化系统OPC出现之前软件驱动程序 显示请求 趋势请求 报表请求 软件驱动程序软件驱动程序软件驱动程序3.3.工业自动化系统工业自动化系统图形用户界面上层软件需要为不同的总线编写各自驱动程序，因而需要得到底层设备制造商的支持或则正好相反，底层设备制造上提供设备时，同时提供上层软件的驱动程序页描述过程数据库页逻辑显示操作数据采集现场总线 1现场总线2驱动程序总线类型 2总线类型 1I/O 设备3.3.工业自动化系统工业自动化系统OP
24、C出现 以前，上层应用需要为每种不同的设备（控制系统、智能设备）开发新的驱动程序,现在工业界定义了信息交换的标准,基于 Microsoft 的 OLE,称 OPC(OLE for Process Control）每个设备供应商可以随同他们的设备提交一个 OPC Server.OPC client 访问 OPC Server 获取数据，用于HMI、SCADA 等显示请求趋势请求报表请求OPC clientOPC clientOPC client软件驱动程序 OPC serverOPC serverOPC serverOPC server软件驱动程序软件驱动程序软件驱动程序3.3.工业自动化系统工
25、业自动化系统 OPC 基于 Microsoft 技术，各种应用可以通过 OPC 访问数据3.3.工业自动化系统工业自动化系统网络controller developmentOPCserverController_1Controller_2AI 输入到:IXD.11.2.1MW%1003电机速度MW%1004温度.symbols上载符号标ReadItem(OPC:Controller1:Program2.MotorSpeed)Get(192.162.0.2),MW%1003)Return(MW%1003,112)Value:112Controller_1.Program2Program 2cod
26、e内存标记:MW%1003OPC 应用3.3.工业自动化系统工业自动化系统 OPC server 就像一个目录：根就是“Server”，分枝是“组”，叶是“Item”RandomRead ErrorSaw-toothed Waves Square Waves Triangle Waves Write Error Ramp1Ramp2Ramp4TAGTAGTAG每个Item都被定义到某个组中,如 Saw-toothed Waves.Ramp2Simulator分层结构方便浏览时从众多的标签中区分出来Tag 名北京天地玛珂电液控制系统有限公司“无人化”项目部 王凯“工业自动化通信技术工业自动化通信技术”培训培训
