第8講現場總線系統集成

1、第八講 現場總線系統集成,現場總線系統集成,第 一 部分 現場總線控制系統的設計和組態(tài),現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.1 現場總線控制系統設計準則--設計步驟,要制定控制方案，需要繪制P&I圖；要優(yōu)化控制策略，需要繪制組態(tài)圖；要選擇現場儀表，計算機和網絡部件，需要繪制網絡圖；要進行安裝布線，需要繪制出網絡接線圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.1 現場總線控制系統設計準則—繪制P&I圖,P&I

2、圖：過程控制管道和儀表圖（Process control diagram a piping and instrumentation drawing），用于過程控制中表示在工藝過程中的檢測和控制元件的標準設計符號；目前沒有用于現場總線控制系統設計的國際或國家標準，由于P&I圖的目的并不需要說明控制系統的接線技術、區(qū)分所用儀表類型和表示控制功能的位置，因此，ISA認為現有標準已能滿足現場總線控制系統的設計要求；,現場總線控制系統的

3、設計和組態(tài),8.1.1 現場總線控制系統設計準則--繪制P&I圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),第一個字母表示被測變量，后續(xù)字母表示儀表的功能；圓圈里的數字表示回路編號，它是按車間（區(qū)域）或工序（控制回路）進行編制的；為了說明現場總線設備之間信號傳輸是數字通信信號，可采用通信鏈的圖形符號；,8.1.1 現場總線控制系統設計準則--繪制P&I圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),鍋爐汽包水位三沖量控制P&I圖,FT

4、: 流量變送器FC: 流量控制器LT: 液位變送器FY: 流量加法器,目的：保持鍋爐汽包水位在一定范圍內。,單沖量：只有一個被控變量，即汽包水位。雙重量：增加蒸汽流量前饋。三沖量：增加給水擾動控制,8.1.1 現場總線控制系統設計準則--繪制P&I圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.1 現場總線控制系統設計準則—功能連接圖,虛線橢圓表示一臺現場總線設備,現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.1 現場總線控制系統設

5、計準則—設備接線圖,由于通信系統中要防止通信信號在端點處反射造成信號失真，并實現線路阻抗匹配，需要設置終端電阻；現場總線的電纜有一定的類型規(guī)定，對導線的線徑、特征阻抗等都有嚴格要求；一般模擬儀表系統采用標準電流（或電壓）信號，因此可以采用串聯連接，而現場總線儀表一般是并聯連接到現場總線網絡上的。,通信系統接線與一般模擬儀表系統接線的區(qū)別：,現場總線控制系統的設計和組態(tài),例：溫度和流量串級控制系統的現場總線設備接線圖(1),,機柜內,

6、電源模塊,8.1.1 現場總線控制系統設計準則—設備接線圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),例：溫度和流量串級控制系統的現場總線設備接線圖(2),,,,,8.1.1 現場總線控制系統設計準則—設備接線圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),例：溫度和流量串級控制系統的現場總線設備接線圖(3),,,,溫度檢測,溫度變送,流量變送,流量控制閥,8.1.1 現場總線控制系統設計準則—設備接線圖,現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.1 現場總線控制系

7、統的設計準則,應遵照現場總線技術的有關規(guī)范；網段中掛接的現場總線設備總數、分支電纜上掛接的設備數、主干電纜和分支電纜長度及電纜類型、電源供電容量、電壓壓降等應在現場總線規(guī)定的約束范圍內；網段上掛接的設備數與該網段的宏循環(huán)時間有關；為減少通信量、降低成本，應盡量選用功能較多的現場總線設備，同時同一控制系統中的檢測變送器、控制器和控制閥等現場總線設備宜設計在同一網段上；考慮防止過流、過壓、雷電沖擊等外圍干擾和故障；冗余系統考慮（對

8、通信系統、供電系統、鏈路主設備等）；考慮控制系統應具有一定的可擴展性；……,現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.2 現場總線控制系統的控制組態(tài),現場總線控制組態(tài)與DCS控制組態(tài)的區(qū)別DCS的控制組態(tài)結果通常直接存放在DCS的分散過程控制裝置中；DCS控制組態(tài)所使用的功能塊從數量和功能上比現場總線的多，但因制造商不同而異；在DCS控制組態(tài)中，由于存儲器容量較大，因此較少考慮功能塊數量的約束；現場總線功能塊適用面更廣，但參數設

9、置相對復雜。過程： 添加新網段->設置現場總線設備的地址、有關性能和參數等屬性->控制組態(tài)->下裝,現場總線控制系統的設計和組態(tài),現場總線設備庫,8.1.2 現場總線控制系統的控制組態(tài),現場總線控制系統的設計和組態(tài),控制系統功能模塊連接圖,8.1.2 現場總線控制系統的控制組態(tài),現場總線控制系統的設計和組態(tài),控制組態(tài)的內容下載,8.1.2 現場總線控制系統的控制組態(tài),現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.3

10、現場總線控制系統的工程設計—設計步驟,初步設計整個現場總線控制系統自控工程要達到的自動化水平；設備投資的費用；實現自控工程的交付期；對安全運行的考慮；對操作、維護的要求等。初步擴大設計過程控制系統的組態(tài)；工程的集成范圍；安全設計和可靠性設計；檢測系統設計、人機界面設計、對擴展的考慮等。施工圖設計，又稱詳細設計，主要包括內容有：工程集成的范圍、安全設計和可靠性的改進設計等。,現場總線控制系統的設計和組態(tài),8.1.3

11、現場總線控制系統的工程設計—設計文件,系統圖網絡/網段圖位置圖建筑物布置圖安裝圖帶控制點流程圖儀表索引/數據庫儀表數據表材料要求制造商文件網絡網段檢查圖閥門危險程度表邏輯圖功能描述/控制敘述等,現場總線系統集成,第 二 部分 現場總線控制系統的工程實現,現場總線控制系統的工程實現,8.2.1現場總線的布線和安裝—網絡組件,,主要有：中繼器(Repeater)、集線器(Hub)、交換式集線器(Switching

12、Hub)、網橋(Bridge)、路由器(Router)、網關(Gateway)等。此外還有連接器(Connector)、耦合器(Coupler)等。,8.2.1現場總線的布線和安裝,,交換機,HSE鏈路設備,現場總線控制系統的工程實現,終端器,,浪涌保護器,是一個充滿氣體的密閉管子GDT，當電壓低于閾值時，有非常高的電阻；當電壓高于閾值時，管內氣體電離并產生對地電阻非常低的通路。最大浪涌電流可達20kA,8.2.1現場總線的布線和安

13、裝,,4-20mA電流回路接線圖簡單的現場總線網絡,安裝布線,現場總線控制系統的工程實現,8.2.1現場總線的布線和安裝,,鏈接式儀表的現場總線網絡圖,現場總線控制系統的工程實現,8.2.1現場總線的布線和安裝,,中繼器,現場總線控制系統的工程實現,8.2.1現場總線的布線和安裝,,屏蔽線不應多點接地，應集中一點后再接地,現場總線控制系統的工程實現,現場總線控制系統的工程實現,8.2.1現場總線的布線和安裝,連接示意圖,現場總線

14、控制系統的設計和組態(tài),確定現場總線網段和現場總線設備（FF為例）,不同類型電纜的長度約束和線路電阻,網段的長度由電壓降和信號的質量，即衰減(Attenuation)和失真(Distortion)所限制。,8.2.1現場總線的布線和安裝,現場總線控制系統的設計和組態(tài),確定現場總線網段和現場總線設備（FF為例）例：設計某現場總線網段，它有6臺現場總線設備，幾何位置分布如下圖所示，原有電纜為D型電纜，是否可直接采用原有電纜？

15、解：總電纜長度為：165+60+35+10+10+9+6=295m，根據D型電纜允許最大長度為200m，因此不能全部采用D型電纜?？蓪⒏鞣种щ娎|換用為A型，即D型165m，A型130m： 因165/200+130/1900=0.8934<1，所以滿足約束條件。,8.2.1現場總線的布線和安裝,現場總線控制系統的設計和組態(tài),確定現場總線網段和現場總線設備（FF為例）例：設計某現場總線網段，幾何位置分布如下圖所示，擬用A型電

16、纜，供電電壓19V，供電電流350mA，每臺設備的耗電為20mA，要求供電電壓不小于9VDC，是否可行？,解：第一接線盒處電壓降為：0.02(A/臺)*14(臺)*44(歐/km)*0.5km=6.16(V)因此，第一個接線盒處的電壓為19-6.16=12.84V,8.2.1現場總線的布線和安裝,現場總線控制系統的設計和組態(tài),解：第一接線盒到第二接線盒處電壓降為： 0.02(A/臺)*8(臺)*44(歐/km)*0.4km=2.

17、816(V) 因此，第二個接線盒處的電壓為12.84-2.816=10.024(V) 第二接線盒到8臺設備的電壓降為0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第二接線盒連接的8臺設備處電壓為10.024-0.0088=10.0152(V) 第一接線盒到6臺設備的電壓降為0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第一接線盒連接的6臺設備處電壓為12.84-0.0088=12.8312(V) 因此，各

18、設備的供電電壓都大于9V，且電纜總長為 500+400+10*6+10*8=1040m<1900m。因此本方案可行。,8.2.1現場總線的布線和安裝,8.2.2 本安型現場總線控制系統的工程實現,,本質安全現場總線控制系統的實現有兩種辦法：使用總線隔離柵或本安電源調整器。,安全柵等效電路,電源調整器隔離安全柵電路,現場總線控制系統的工程實現,,8.2.2 本安型現場總線控制系統的工程實現,現場總線控制系統的工程實現,,電源調整

19、器,8.2.2 本安型現場總線控制系統的工程實現,現場總線控制系統的工程實現,現場總線系統集成,第 三 部分 工業(yè)以太網技術,工業(yè)以太網技術,8.3.1以太網在工業(yè)自動化領域應用受限的原因,,以太網采用CSMA/CD碰撞檢測方式，在網絡負荷較重(大于40%)時，網絡的確定性未能滿足工業(yè)控制的實時要求；以太網所用的接插件、集線器、交換機和電纜是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)控制的實時要求；在工廠環(huán)境中，以太網抗干擾能力較差。若用于危

20、險場合，以太網不具備本質安全性能；以太網還不具備通過信號線向現場儀表供電的功能。,工業(yè)以太網技術,8.3.2 工業(yè)以太網與其他控制網絡相比較的優(yōu)勢,,工業(yè)以太網可以滿足控制系統各個層次的要求，使企業(yè)信息網絡與控制網絡得以統一；設備成本下降；用戶擁有成本下降；以太網易于與Internet集成。,工業(yè)以太網技術,8.3.3 以太網作為現場總線技術的技術優(yōu)勢,,采用以太網作為現場總線，可以保證現場總線技術的可持續(xù)性發(fā)展；以太網受到廣

21、泛的開發(fā)技術支持；由于以太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，有廣泛的硬件產品可供選擇，價格十分低廉；由于以太網已使用多年，具有大量的軟件資源；如果采用以太網作為現場總線技術，可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術的發(fā)展主流之外，可以實現自動化控制領域的徹底開放。,工業(yè)以太網技術,8.3.4 工業(yè)以太網技術應解決的問題,,通信實時性問題；對環(huán)境的適應性與可靠性問題；總線供電問題；本質安全問題；,工業(yè)以太網技術,8.3.5 工業(yè)

22、以太網非確定性問題的緩解措施,,提高通信速率10Mb/s -> 100Mb/s ->1Gb/s控制網絡負荷在網絡設計時控制各網段的負荷量，合理分布各現場設備的節(jié)點位置，以減少沖突的發(fā)生采用以太網的全雙工交換技術采用交換式以太網技術采用交換機將網絡切分成多個網段，在網段分配合理的情況下，由于網段上多數的數據不需要經過主干網傳輸，只在本地網絡傳輸的數據不占用其它網段的帶寬。,工業(yè)以太網技術,8.3.6 實時以太網,,

23、PROFINET,Modbus/TCP,EtherNet/IP,Powerlink,EtherCAT,實時以太網種類 IEC61784-2中的11種實時以太網：EtherNet/IP, Profinet, Interbus, EtherCAT, EPA,…幾種實時以太網的通信參考模型比較,工業(yè)以太網技術,工業(yè)以太網的開發(fā)情況和發(fā)展趨勢,,工業(yè)以太網技術,,RT-CSMA/CD協議網絡節(jié)點分為實時節(jié)點和非實時節(jié)點，分別遵循RT

24、-CSMA/CD和CSMA/CD協議以網絡上相距最遠的兩個節(jié)點之間信號傳遲延時間的2倍作為最小競爭時隙，發(fā)送數據時先偵聽信道，若在一個最小競爭時隙中沒有檢測到沖突，則獲得訪問控制權，發(fā)送數據包；非實時節(jié)點檢測到沖突時停止發(fā)送，退出競爭；實時節(jié)點檢測到沖突時，發(fā)送長度不小于最小競爭時隙的競爭信號；,8.3.7 實時以太網的媒體訪問控制,工業(yè)以太網技術,,確定性分時調度，將通信過程劃分為若干個循環(huán)，每個循環(huán)分為4個時段起始時段：進

25、行必要的準備和時鐘同步；周期性通信時段：用于保證周期性實時數據的傳輸。在該周期中為各節(jié)點安排好各自的微時隙進行各自的通信。非周期性通信的異步時段：為普通TCP/IP數據包提供通過競爭傳輸非實時數據的機會。保留時段：用于發(fā)布時鐘，控制時鐘同步。,8.3.7 實時以太網的媒體訪問控制,工業(yè)以太網技術,8.3.8 IEEE 1588精確時間同步協議(PTP),,時鐘偏移量與傳輸延遲的測量過程,測量主時鐘和從時鐘之間的時差，即測量時鐘偏移

26、值；測量傳輸延遲,TS1 - TM1 = Δt1 = tdelay + toffset,TM3 - TS3 = Δt2 = tdelay - toffset,toffset = (Δt1 - Δt2)/2,工業(yè)以太網技術,8.3.8 IEEE 1588精確時間同步協議,,普通時鐘與邊界時鐘,PROFINET,PROFInet概念模型,8.3.9 PROFINET,PROFINET,PROFInet部件模型,1、工藝模塊

27、PROFInet定義了功能術語，如“機械”、“電氣/電子”和 “控制邏輯/軟件”，從而形成一種工藝模塊。2、PROFInet部件 PROFInet部件代表系統范圍工程設計中的一種工藝模塊，它將其自動化功能封裝在一個軟件部件內。3、使用XML的部件描述 在PROFInet中XML部件文件包含以下數據：作為一個庫元素的部件描述、硬件描述、軟件功能描述、部件項目的存取地點。PROFInet以DCOM作為設備之間的公

28、共應用協議。4、實時通信 在PROFInet中規(guī)定了優(yōu)化的實時通信通道-軟件實時通道（SRT通道）5、部件對象模型（COM） PROFInet對象是為自動化應用定做的COM對象。COM對象基本由接口和實現兩部分組成。6、運行期和工程設計中的自動化對象,8.3.9 PROFINET,PROFINET_實時通訊,實時，Real-time (RT) 使用標準組件性能類似于當前現場總線技術，如PROFIBUS

29、典型應用：工廠自動化等時同步實時，Isochronous Real-time (IRT) 確定性的通訊響應時間 <1ms, 抖動誤差 <1µs 典型應用：運動控制,兩種實時模式可同時使用,8.3.9 PROFINET,PROFINET_實時通訊,通訊性能,通訊速率和抖動誤差決定網絡上的數據傳輸質量,PROFINET_實時通訊,相同的通訊結構和快速響應時間同一電纜上完成時實性和IT技術的統一

30、 覆蓋不同要求的實時性通訊應用 TCP/IP通訊,PROFINET實時通訊技術,PROFINET_實時通訊,高性能來自最小化堆棧過程時間,8.3.9 PROFINET,PROFINET 的時間槽分配,PROFINET _運動控制,,,,,,TCP/IP,HOV車道為RT保留的專用車道（

31、資源）保障實時與通信量（網絡負載）無關對訪問不加限制 (TCP/IP, IT, ….),等時同步實時（ IRT ）原理,PROFINET_分散的現場設備,從 PROFIBUS 到 PROFINET的集成,在集成現有的現場總線技術的開放環(huán)境可有效保護用戶的現有投資,PROFINET_分散的現場設備,PROFINET的各種節(jié)點,Ethernet for Plant Automation標準是一種用于工業(yè)自動化系統的實時動態(tài)網絡通訊協議；

32、 2001年 10月 由浙江大學牽頭，以浙大中控為主，清華大學、大連理工大學、中科院沈陽自動化所、重慶郵電學院等單位聯合承擔國家“863”計劃CIMS主題重點課題“基于高速以太網技術的現場總線控制設備”，開始制定EPA標準； 2005年 12月 EPA被正式列入現場總線國際標準IEC 61158（第四版）中的第十四類型，并列為與IEC 61158相配套的實時以太網應用行規(guī)國際標準IEC 61784-2中的第十四應用行規(guī)簇。,8.3.

33、9 EPA,EPA通信模型,EPA套接字映射實體,未使用,IT應用協議,EPA應用實體,ISO/IEC 8802-3/IEEE 802.11/IEEE802.15 物理層,表示層,會話層,傳輸層,網絡層,數據鏈路層,物理層,用戶層,ISO/IEC 8802-3/IEEE 802.11/IEEE802.15 MAC,EPA通信調度管理實體,IP (ARP、RARP、ICMP、IGMP),UDP,TCP,應用層,EPA功能塊應用進程,非實時

34、應用進程,8.3.9 EPA,EPA通信模型,8.3.9 EPA,確定性通信調度方案在EPA 網段的一個微網段內, 所有EPA 設備的通信均是按周期進行的, 完成一個通信周期所需的時間T 稱為一個巡回周期。一個巡回周期分為二個階段, 其中第一個階段為周期報文傳輸階段Tp, 第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn 。,8.3.9 EPA,報文的發(fā)送過程一個 微網段內, EPA 設備發(fā)送報文的時間以其巡回周期開始時的“零”時間為時間基準,

35、 并為每個EPA 設備發(fā)送周期報文定義了偏移量。在一個通訊巡回周期內, 一個EPA 設備在偏移量時刻發(fā)送一個或多個周期報文。隨后, 該設備向本微網段廣播非周期報文聲明消息, 說明有無非周期報文發(fā)送, 如有, 則按本地的一個非周期報文的優(yōu)先級以及本地IP 地址等信息通知其它設備。在Tn 階段, 每個設備根據在Tp 階段接收到的其它設備非周期聲明信息, 根據優(yōu)先級、IP地址、剩余時間等按規(guī)則發(fā)送非周期報文。,8.3.9 EPA,8.3

36、.9 EPA,兩EPA設備間通信模型,8.3.9 EPA,EPA系統網絡拓撲結構,8.3.9 EPA,EPA系統網絡拓撲結構,現場總線系統集成,第 四 部分 工業(yè)網絡集成技術,工業(yè)網絡集成技術,8.4.1 概述—層次結構,過程控制層PCS,制造執(zhí)行層MES,企業(yè)資源規(guī)劃層ERP,8.4.2 控制網絡與信息網絡集成的網絡互連技術,工業(yè)網絡集成技術,加入轉換接口；采用DDE技術；采用統一的協議標準；采用數據庫訪問技術；采用OP

37、C技術；,控制網絡與信息網絡的集成，可以通過以下幾種方式實現：,8.4.3 基于DDE技術的控制網絡和信息網絡的集成,工業(yè)網絡集成技術,控制網絡與信息網絡有一個共享工作站或通信處理機時，可以通過DDE技術實現數據交換；DDE：動態(tài)數據交換（Dynamic Data Exchange）；DDE是Windows環(huán)境下使用共享內存在應用程序之間傳遞數據的協議，用于完成應用程序之間的數據交換；DDE協議地址包括：應用程序、主題、條目；,8

38、.4.3 基于DDE技術的控制網絡和信息網絡的集成,工業(yè)網絡集成技術,DdeClientConv1->DdeService = "[Excel]"; DdeClientConv1->DdeTopic = "(D:\[Book1.xls]Sheet1)"; DdeClientItem1->DdeItem = "R1C1:R2C1"; DdeClien

39、tConv1->OpenLink(); DdeClientConv1->PokeData("R1C3",Edit3->Text.c_str());,8.4.3 基于DDE技術的控制網絡和信息網絡的集成,工業(yè)網絡集成技術,集成系統架構,8.4.4 OPC技術,工業(yè)網絡集成技術,即用于過程控制的OLE技術(OLE for Process Control)；以Windows的對象鏈接和嵌入(OLE)

40、、組件對象模型(COM)、分布式COM(DCOM)技術為基礎，定義了一套標準接口，在此接口上基于PC的軟件組件能交換數據；采用客戶/服務器模式，OPC服務器是數據供應方，負責為OPC客戶提供所需的數據，OPC客戶是數據使用方，處理OPC服務器的數據；OPC的作用是在工業(yè)控制軟件中，為不同類型服務器與不同類型客戶搭建一座“橋梁”，通過它各客戶/服務器間形成即插即用的、簡單規(guī)范的鏈接關系，不同的客戶軟件能夠訪問任意的數據源。,8.4.4

41、 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,軟件結構的發(fā)展,一個應用系統是一個單獨的應用程序,組件化軟件結構：把一個龐大的應用程序分成多個模塊，每個模塊保持一定的功能獨立性。在協同工作時，通過相互之間的接口完成實際任務。,微軟提出COM (Component Object Model)，它不僅定義了組件程序之間進行交互的標準，還提供了組件程序運行所需的環(huán)境。,,,8.4.4 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,COM標準包含規(guī)范和

42、實現兩部分,規(guī)范部分定義了組件和組件之間通信的機制。這些規(guī)范不依賴特定的語言環(huán)境和操作系統；COM標準的實現部分是COM庫，為COM規(guī)范的具體實現提供了一些核心服務；在COM標準中，一個組件程序即為一個模塊，它可以是一個動態(tài)鏈接庫（DLL），稱為進程內組件，也可以是一個可執(zhí)行程序，稱為進程外組件；一個組件程序可以包含一個或多個組件對象；在程序和程序之間進行通信時，通信雙方都應該是組件對象，也叫COM對象，而組件程序（COM程序）

43、是提供COM對象的代碼載體。,8.4.4 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,COM對象,COM組件提供給客戶的是以對象形式封裝起來的實體。客戶程序與COM組件程序進行交互的實體是COM對象，它并不關心組件模塊的名稱和位置，但必須知道在和哪個COM對象進行交互；COM對象包括屬性（狀態(tài)）和方法（操作）；在COM模型中，對象本身對于客戶來說是不可見的?？蛻粽埱蠓諘r，只能通過接口進行。每一個COM對象是用一個128位的全局唯一標

44、識符來標識的。,8.4.4 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,COM接口,COM接口是包含了一組函數的數據結構，通過這組數據結構，客戶代碼可以調用組件對象的功能；,接口具有特性： 二進制特性； 接口不變性； 繼承性（擴展性）； 多態(tài)性。,COM規(guī)范要求一個COM對象如果實現了多個接口，則可以從某個接口得到該對象的任意其他接口，這是通過接口的QueryInterface()函數實現的；,8.4.4 OPC技術—COM基礎,

45、工業(yè)網絡集成技術,COM特性,語言無關性；進程透明性；,8.4.4 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,COM特性,進程透明性；,在同一機器上采用本地過程調用LPC,在不同機器上采用遠程過程調用RPC,Proxy：代理；Stub：存根,8.4.4 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,COM標準有3種通信機制用于客戶程序與COM組件之間的通信：可連接對象、數據通報機制和DCOM技術。,COM中的雙向通信機制；可連接對象的雙

46、向通信機制；DCOM技術,8.4.4 OPC技術—COM基礎,工業(yè)網絡集成技術,DCOM技術,PROFINET,代理(Proxy)與存根(Stub),8.4.4 OPC技術—COM基礎,PROFINET,8.4.4 OPC技術—COM基礎,PROFINET,8.4.4 OPC技術—OPC技術優(yōu)勢,OPC對數據源與數據用戶間連接關系的改善,開發(fā)商可以將開發(fā)驅動服務程序的大量人力與資金集中到對單一OPC接口的開發(fā)，只需開發(fā)一個高度

47、優(yōu)化的、可重復使用的OPC服務器訪問底層的硬件；OPC兼容組件降低系統集成費用，用戶可把精力集中在解決有關自動化功能的實現上，縮短應用程序的開發(fā)周期。,8.4.4 OPC技術—OPC技術優(yōu)勢,OPC模式的連接示例,8.4.4 OPC技術—OPC技術優(yōu)勢,OPC規(guī)范為OPC服務器規(guī)定了兩種接口：客戶接口(CI:Custom Interface) 必須由每一個OPC服務器提供，是訪問過程變量的有效通道。自動化接口(AI:Auto

48、mation Interface)是對客戶接口的進一步封裝，面向解釋程序開發(fā)環(huán)境，是可選項。,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,自動化接口,定制接口,按照功能不同，OPC每種接口可分為3種類型：OPC報警和事件訪問接口(OPC AE)OPC歷史數據訪問接口(OPC HDA)OPC數據訪問接口(OPC DA)OPC服務器(OPC-Server)：服務供應者，通常是一個COM

49、目標，是OPC組對象的容器。OPC組(OPC-Group)：是OPC客戶使用的OPC項的邏輯結構單位。一個組可包含多個OPC項。OPC項目(OPC-Item)：通過項標識ID區(qū)分，它具有一個數值、一個狀態(tài)信息和一個時間標志。,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,OPC數據存取服務器中對象及OPC客戶的相互關系,OPC服務器對象創(chuàng)建OPC組后，將組對象的指針傳遞給客戶，由客戶直接操縱組對象。因而提高了存取速度且易于功能擴展

50、,8.4.4 OPC技術—OPC數據存取規(guī)范(定制接口),OPC服務器對象,是OPC服務器程序暴露的主要對象，客戶程序首先創(chuàng)建該對象再通過其接口完成所需的功能,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,OPC服務器必須的對象有：IUnknown 所有COM組件都必須實現的一個基本的標準接口，它為客戶程序提供了QueryInterface()的方法進行接口查詢，并且引用計數的方法決定COM對象的生存周期。IOPCServe

51、r OPC服務器對象的主要接口?？蛻舫绦蚩赏ㄟ^該接口創(chuàng)建、查詢和刪除組對象，并了解OPC服務器自身的信息。IOPCCommon 是各類OPC服務器都使用的接口，通過該接口可為某個特定的客戶/服務器對話設置和查詢本地標志。IConnectionPointContainer 是COM規(guī)范中的標準接口，用于實現服務器程序向客戶程序發(fā)送通知或事件。,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,OPC組對象,提供了一

52、種讓客戶組織數據的方法，用戶可以將與邏輯相關的一組數據作為OPC項添加到同一個組當中,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,OPC組對象IOPCItemMgt 允許客戶程序組對象添加、刪除和管理其包容的OPC項。IOPCGroupStateMgt 客戶程序通過該接口來管理整個組對象的狀態(tài)。IOPCsyncIO 客戶程序通過該接口進行同步數據存取操作。IOPCAsyncIO2 客戶程序通過該

53、接口進行異步數據存取操作，與IConnectionPointContainer接口一起使用。 和IOPCAsyncIO 客戶程序通過該接口進行異步數據存取操作。與IDataObject接口結合使用。,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,OPC項對象表示了與OPC服務器中數據的連接，包括值(Value)、品質(Quality)、時間戳(Time Stamp)三個基本屬性值的數據類型為VARIANT，表示實際的數

54、值；品質標識數值是否有效；時間戳反映從設備讀取數據的時間或者服務器刷新其數據存儲區(qū)的時間。,8.4.4 OPC技術—OPC的對象和接口,基于OPC技術的現場總線系統集成,典型ABB的AC800M系統組成,基于OPC技術的現場總線系統集成,短程無線數據通信,WWAN,WMAN,WLAN,WPAN,傳輸范圍,0.01,10,1,0. 1,100,1000,數據傳輸率（Mbps）,1 短程無線網絡標準,1 短程無線網絡標準,文本,因

55、特網/聲音,壓縮圖片,多通道數字圖像,低高,短程長程,1 短程無線網絡標準,2 無線通信的一組術語,ISM(Industrial Scientific Medical)頻段：為保證各種用途的無線通信之間互不干擾，需要對無線頻道的使用實行管理。ISM頻段位無線通信管理部門規(guī)定的一些無需獲準許就可以應用的頻段。我國目前可以使用的ISM頻段位433MHz和2.4GHz。短距離無線通信系統大多數工作在ISM頻段上。無線頻率分割：為了有效實現同

56、一范圍內多個節(jié)點間的無線通信，必須防止通信幀在傳輸過程中的相互碰撞。無線頻率分割可將頻段的頻率帶寬分解為多個窄帶寬的子信道，各子信道的帶寬相對獨立。擴頻與解擴：擴頻指對通信信號的頻譜擴展，展寬數字信號的頻帶寬度。采用擴頻傳輸具有抗干擾能力強、可進行多址通信、安全保密、抗多徑干擾等特點。包括直接序列擴頻（DSSS）、跳頻擴頻（FHSS）等。,2 無線通信的一組術語,直接序列擴頻（DSSS）：直接利用某種寬頻偽碼實現通信信號的頻譜擴展。

57、跳頻擴頻（FHSS）：無線通信的收發(fā)雙方在通信中使用的載波頻率受某種偽隨機碼的控制而離散變化，控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使信號的發(fā)射頻率不斷以不等間隔隨機跳變。只有知道跳頻規(guī)律才能正確接收所傳輸的信息。采用跳頻通信具有信號隱蔽、不易被截獲、抗干擾能力強等優(yōu)點。接入點（AP）:一個無線節(jié)點與另一個無線節(jié)點之間的通信通常需要經過其它節(jié)點中轉。這些中轉點就是無線通信的接入點。無線漫游：終端節(jié)點通過自動發(fā)現附近信號強度最大的AP，并通

58、過該AP收發(fā)數據，與網絡保持不間斷的連接，這個過程稱為無線漫游。,3 藍牙通信的特點,工作在全球開放的2.4GHz ISM頻段； 使用跳頻頻譜擴展技術； 一臺藍牙設備可同時與其它七臺藍牙設備建立連接； 數據傳輸速率可達720kbit/s； 低功耗、通訊安全性好； 在有效范圍內可越過障礙物進行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求； 支持語音傳輸； 組網簡單方便,4 ZigBee技術,低功耗。在低耗電待機模式下，2

59、節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，在相同條件下，藍牙能工作數天，WiFi僅能工作數小時。 低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙協議的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以51的8位單片機測算，全功能的主節(jié)點需要32 kb代碼，子功能節(jié)點只需4 kb代碼。 低速率。Zigbee工作速率為20～250 kb/s，分別提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始

60、數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。 低時延：針對時延敏感應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms；,4 ZigBee技術,網絡容量大。Zigbee可采用星狀、樹狀及網狀網絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，可組成多達65536個節(jié)點的大網。 傳輸距離1

61、0-75m之間，通過增大發(fā)射功率可使連接距離更遠。安全性能高。Zigbee提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，可靈活確定其安全屬性。,4 ZigBee技術,采用直接序列擴頻技術,4 ZigBee技術,通信參考模型,4 ZigBee技術,三種類型設備協調器路由器終端設備,4 ZigBee技術,網絡拓撲結構,4 ZigBee技術應用的領域,4

62、 ZigBee技術應用的領域,工業(yè)領域：利用傳感器和ZigBee網絡，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易。例如危險化學成分的檢測，火警的早期監(jiān)測和預報，遠程抄表等。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點在低功耗和靈活的組網形式。 醫(yī)學領域：借助于各種傳感器和ZigBee網絡，準確且實時的檢測每個病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負擔，有助于醫(yī)生做出最快的反應。 智能建筑領域：借助ZigBe

63、e傳感器進行照明控制，使用傳感器檢測周圍環(huán)境，只有檢測到人來的時候才將照明開關打開。還可以通過ZigBee網絡進行集中控制。 家庭自動化領域：ZigBee可用于安全系統，溫控裝置等方面。另外將ZigBee用于遙控裝置優(yōu)點在于不像目前采用的紅外裝置那樣會受到角度的限制。而且ZigBee支持各種網絡結構，更容易擴展覆蓋范圍。同時由于ZigBee設備功耗低，電池的使用壽命也和紅外裝置差不多。在無線家庭網關的設計中，使用ZigBee于家庭內網