基于网络的测控技术

第4章基于网络的测控技术主要内容集散网络测控技术（DCS）现场总线网络测控技术（FCS）以太网络测控技术典型应用重点讨论DCS的MAP/TOP通信协议、现场总线的CAN协议与FF协议、以及以太网的TCP/IP协议，对上述三种测控系统组建涉及的开发组态软件进行详细介绍，并给出基于三种网络测控系统的典型实例。第4章基于网络的测控技术4.1.1开放系统互联（ISO/OSI）标准模型OSI参考模型划分原则：①网中各结点都有相同的层次，相同的层次具有同样的功能；①同一结点内相邻层之间通过接口通信；②每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；③不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。OSI参考模型的数据传输发送方应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层接收方应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机A主机B4.1.1开放系统互联（ISO/OSI）标准模型4.1.2MAP/TOP通信协议1.MAP规约的主要内容MAP规约是按照OSI七层模型的框架，从ISO及IEEE802，EIA等国际组织已有的文件和标准中选择合适的内容之后，组合成适合于控制领域中网络互联的分层协议。2.技术办公系统协议（TOP）一种为办公室系统通信定义局域网的一些规范和协议的开放式系统互联（OSI）协议，与生产自动化协议（MAP）相连。4.1.3通信接口1.RS-232C接口2.RS-422、RS-423接口3.RS-485接口4.1.4测控组态软件“组态”的概念是伴随着集散型控制系统的出现的。测控组态软件是面向监控与数据采集（SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置功能，使用方式灵活。4.2现场总线网络测控技（FCS）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）借助设备、仪表的计算能力，来实现以往无法设想的各种复杂计算，形成真正意义上的分散在生产现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。4.2.1现场总线技术简介几种有影响的现场总线FF总线LonWorksPROFIBUSCANHARTControlNet4.2.2CAN总线1.CAN总线帧结构帧间空间帧间空间帧起始仲裁场控制场数据场应答场帧结束或超载帧数据帧CRC场4.2.2CAN总线2.CAN总线系统的设计控制计算机CAN接口CAN接口测控设备1#CAN接口测控设备n#120欧120欧......软件设计的关键是通信程序的编写。通信程序主要包括初始化子程序、发送子程序和接收子程序三个部分。4.2.3FF总线1.FF总线的通信参考模型应用层会话层表示层传输层总线报文规范子层网络层数据链路层物理层总线访问子层数据链路层物理层通信栈物理层OSI模型用户应用应用层用户层现场总线模型4.2.3FF总线2.FF总线通信协议物理层DLL数据链路层FAS总线访问子层FMS总线报文规范用户应用用户数据FMS协议控制用户数据编码FAS协议控制FMS协议数据DLL协议控制FAS协议数据帧校验前导码帧前定界码帧结束码DLL协议数据PCI40-251PCI1FASSDU4-205PCI5-15DLSDU5-256FCS21*1phSDU8-2731*当采用中继器时前导码可多于1字节4.2.3FF总线3.FF总线通信控制器①基金会现场总线通信圆卡FF通信控制器媒体链接单元主CPU发送数据接收数据发送数据现场总线4.2.3FF总线主CPU主CPU负责实现基金会现场总线的高层协议，即第2，7，8层。FF通信控制器主要功能是减轻主CPU通信工作的负担，完成总线信号的发送和接收，串行数据的编码和解码，帧检验序列的生成和验证，信息帧的打包和解包等功能。4.2.3FF总线媒体连接单元MAU接收和发送符合FF规范的物理信号，包括对通信控制器传来的信号限制频带，向总线上耦合信号波形，接收总线上耦合的信号波形，对接收波形的滤波和预处理等。MAU的功能是执行通信控制器的TTL电平信号与现场总线物理介质上传输的信号之间的转换，具体电路根据所采用的物理介质的不同而不同。4.2.3FF总线②基金会现场总线通信控制器的功能总线信号的接收和发送通信控制器需根据基金会现场总线的物理层标准，正确地实现总线信号的接收和发送。串行数据的编码和解码发送方必须采用数据编码的方式，将时钟信息隐藏在数据中发送出去；接收方对接收到的信号解码，从中还原出时钟信号，以达到接送双方同步。4.2.3FF总线信息帧的打包和解包通信控制器在接收到来自数据链路层的数据包后，需加上前导码、帧前定界码和帧尾定界码才能用于传输；帧校验序列的生成和验证在数据发送过程中，通信控制器一边发送数据，一边对发送的数据进行相应的CRC计算处理，直到本帧的最后一位数据发送完毕。4.2.3FF总线自动地址识别接收数据时，通信控制器能对接收信息中的地址进行识别，验证本站点是否需要使用这些信息。如果需要使用，则将数据接收完，然后交给主CPU；否则放弃本帧数据，接着侦听下一帧数据。4.2.4测控系统组态1.控制策略图形组态的功能提供多种控制器件库、图形控制和功能软件，可组态各种显示与控制功能，创建画面和信息并将其与输入点连接，以图形形式显示系统操作状态。4.2.4测控系统组态2.控制算法组态的实现用功能块法组态的一个典型的PID控制回路如图CESTAISUBPIDAOCEST为常数设定，AI为模拟量输入，SUB为减法运算器，PID为控制算法，AO为模拟量输出。4.2.4测控系统组态2.控制算法组态的实现控制策略图形组态调试、监视、仿真系统控制功能算法模块编译系统目标文件运行环境现场总线4.2.4测控系统组态3.测控组态系统测控组态系统是用于工业自动化和过程监视与控制的应用测控软件，它为自动化工程提供人机接口或SCADA系统。通过测控组态软件的使用，可使操作方便，并能直观地获取现场的实时数据，达到实时监视的目的，从而能够快速地查找到远程现场测控设备的故障，提高劳动生产率。4.3.1TCP/IP协议TCP/IP协议栈除了TCP/IP协议外，还包括UDP、Telnet、FTP、HTTP、ICMP、ARP等多个协议，在不同的层次上完成各自的功能。4.3.1TCP/IP协议1.TCP/IP协议的网络分层应用层网络接口层物理层传输层网际层定义通信媒体的物理特性提供与物理层硬件的接口无连接的网际数据包传送面向连接的确保可靠传输与用户接口4.3.1TCP/IP协议2.IP协议IP提供的服务有两个特征：①无连接的服务这是IP最重要的特征。IP协议采用无连接的数据报机制，IP只负责将报文段发往相应的目的地，而不管它是否真的能正确到达.而可靠性则是由TCP来负责的。②点对点的传送点对点通信的一个最大问题是路由选择。4.3.1TCP/IP协议IP数据报格式版本首部长服务类型IP报文段总长度标志标志段偏移生存时间类型首部校验和源IP地址目的IP地址选项填充数据04816192431报头数据…...4.3.1TCP/IP协议3.传输控制协议TCP源端口目的端口序号确认序号保留校验和用户数据04101631紧急指针段头长度码位窗口4.3.1TCP/IP协议4.用户数据报协议UDP头结构两字节UDP源端口号两字节UDP目的端口号两字节校验和两字节信息长度4.3.1TCP/IP协议TCP的主要机制包括编号与确认适应性重发用窗口进行流量控制拥塞控制“三次握手”4.3.2Internet-Intranet-Infranet1.InternetInternet的直接意思就是“互相连接的网络”。Internet开始是由美国国防部资助的称Arpanet的网络，原始的Arpanet早已被扩展和替换了，现在由其后代Internet所取代。4.3.2Internet-Intranet-Infranet2.Intranet①Intranet简介Intranet分两种：一种是广义上的，即在公司内部使用的Internet技术另一种是狭义上的，即指公司内部所使用的万维网。4.3.2Internet-Intranet-Infranet②Intranet特点采用TCP/IP协议，因IP协议能妥善处理局域网与广域网的通信，是Internet的通用语；采用HTML/SMTP及其他公开标准；紧供单位内部使用；安全性。4.3.2Internet-Intranet-Infranet3.InfranetInfranet将为业务价值链带来的好处体现在：①客户应用可以向网络自动请求所需的安全性、质量和带宽级别。②提供动态保证，即按客户应用所需的性能和安全级别交付应用。③可使运营商在全球公网上支持并提供高级业务的扩展。4.3.3测控系统组态1.以太网企业自动化测控系统模型工业测控系统用以太网工厂自动化（EthernetforPlantAutomation，EPA）通信标准是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术的分布式现场总线标准。4.3.3测控系统组态EPA控制系统模型分布式控制系统基于XML的设备描述功能模块EPA通信实体EPA设备1基于XML的设备描述功能模块EPA通信实体EPA设备2基于XML的设备描述功能模块EPA通信实体EPA设备nEPA通信媒体4.3.3测控系统组态2.以太网企业自动化组态软件总体设计EPA设备管理EPA功能块配置EPA调度配置EPA编译管理EPA配置下载管理EPA应用层4.3.4发展方向（IPv6）IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005~2010年间将被分配完毕，而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。4.3.4发展方向（IPv6）1.IPv6基本协议IPv6（InternetProtocolVersion6）的数据包头与IPv4相比得到了大大的简化版本号优先级流标识报文长度下一头跳数限制源IP地址目的IP地址4.3.4发展方向（IPv6）2.IPv6地址格式IPv6有8个字段。每个字段的最大值为16384，但在书写时用四位的十六进制数字表示，并且字段与字段之间用“：”隔开，而不是原来的“.”。4.3.4发展方向（IPv6）3.地址配置IPv6把自动将IP地址分配给用户的功能作为标准功能。只要机器一连接上网络便可自动设定地址。它有两个优点：一是最终用户用不着花精力进行地址设定；二是可以大大减轻网络管理者的负担。4.3.4发展方向（IPv6）4.路由协议IPv6的路由有三种形式形式描述使用CIDR路由像Ipv4一样使用longest-prefixmatch路由使用路由头如果基于供应商选择，策略或服务质量的考虑，一个有单播地址的IPv6数据包携带路由头，那么这个数据包将顺序经过路由头中指定的各个路由器。升级Ipv4路由协议将IPv4路由协议升级，使他们能够处理IPv6地址用于单播地址unicast：OSPF，RIP-2，IS-IS，BGP4＋，…用于组播地址multicast：MOSPF，PIM，…4.4典型应用本节详细分析作者研制开发的基于Internet的小型多功能转子轴承远程测控系统的结构设计及其工作原理。系统总体结构示意图交大校园网Internet计算机笔记本电脑工作站实验服务器数据库计算机个人计算机个人计算机数据采集控制卡PWM电机控制器轴承转子试验台4.4.1系统结构和原理系统的驱动系统采用直流电机，电机控制电路采用脉冲宽度调制（PWM）控制器。该测控系统功能如下：1.能够同时测量多个参量，包括振动、压力、温度等物理量；2.能够快速进行动态在线实时测量和控制，满足网上远程试验的要求；3.能够实时快速进行信号的实时分析处理。4.4.3系统测控实例在本系统中是基于数据传输和JavaBeans组件技术实现远程测控Java程序WEB服务器数据服务器Java程序LabVIEW虚拟仪器（VI）程序多功能转子轴承试验台测控系统。实验者可以在异