Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

12.11.2023

Размер:

20.13 Mб

Скачать

☆

1 / 541 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.Н. Лыков, Р.В. Катаев

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

вкачестве учебного пособия

Вдвух частях

Часть 2 Сети автоматизации

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2017

УДК 621.391 Л94

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Н.М. Труфанова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, доцент Г.А. Сторожев (ООО «Тяжпромэлектропроект Пермь», г. Пермь)

Лыков, А.Н.

Л94 Микропроцессорные средстваавтоматизации энергетических систем : учеб. пособие : в 2 ч. / А.Н. Лыков, Р.В. Катаев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017.

ISBN 978-5-398-01730-4

Ч. 2: Сети автоматизации. – 532 с. ISBN 978-5-398-01743-4

Рассмотрены сети автоматизации в АСУТП и АСУП, в том числе технологии Ethernet, Industrial Ethernet, Modbus, Profibus, Foundation, CAN и др. Описаны их достоинства и недостатки.

Предназначено для студентов дневного и заочного отделения по направлению подготовки 15.03.04 (220700) «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для инженернотехнических работников в области автоматизации и распределенных систем управления.

УДК 621.391

ISBN 978-5-398-01743-4 (ч. 2)	© ПНИПУ, 2017
ISBN 978-5-398-01730-4

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................	7
ГЛАВА1. ПОНЯТИЕОСЕТЯХАВТОМАТИЗАЦИИ.....................................	20
1.1. Необходимость применения сетей автоматизации ...............................	20
1.1.1. Сокращение числа контактных соединений ................................	23
1.1.2. Сокращение числа плат ввода-вывода..........................................	26
1.1.3. Сокращение соединительной проводки........................................	29
1.1.4. Сокращение числа датчиков..........................................................	29
1.1.5. Экономия места в щитовой............................................................	30
1.1.6. Итоговое сокращение затрат..........................................................	30
1.2. История развития Fieldbus .......................................................................	40
1.3. Закрытые и открытые системы................................................................	44
1.4. Модель взаимосвязи открытых систем...................................................	56
1.5. Основные сетевые топологии..................................................................	61
1.6. Методы доступа к линии связи ...............................................................	63
1.7. Физический уровень передачи данных...................................................	68
1.7.1. Последовательный интерфейс RS-232..........................................	70
1.7.2. Интерфейс физического уровня RS-485 .......................................	70
1.7.3. Интерфейс «токовая петля» ..........................................................	87
1.7.4. Стандарты физического уровня ISO 11898 и ISO 11519-2
в протоколе СAN.......................................................................................	93
1.7.5. Стандарт IEC 1158-2 в протоколах Foundation и Profibus PA.....	100
1.8. Среды передачи.......................................................................................	104
1.8.1. Кабельные оптоволоконные каналы связи.................................	108
1.8.2. Беспроводные каналы передачи данных....................................	113
1.9. Основные критерии выбора сети ..........................................................	116
ГЛАВА2. ETHERNET ИСТЕКПРОТОКОЛОВТСР/IP
КАКБАЗАДЛЯСЕТЕЙАВТОМАТИЗАЦИИВЕРХНЕГОУРОВНЯ........	119
2.1. Развитие Ethernet.....................................................................................	119
2.2. Стандартный фрейм Ethernet .................................................................	120
2.3. MAC-адрес...............................................................................................	122
2.4. Функции для Ethernet-устройств...........................................................	123

2.5. Сетевые и транспортные протоколы....................................................	125
2.5.1. Интернет-протокол IP..................................................................	125
2.5.2. Формат IP-адреса..........................................................................	127
2.5.3. Классы IP-адресов........................................................................	129
2.5.4. Протокол управления передачей TCP .......................................	134
2.5.5. Протокол дейтаграмм UDP/IP.....................................................	135
2.5.6. Socket-интерфейс..........................................................................	137
2.5.7. Протоколы сетевого уровня ARP, RARP, ICMP .......................	137
2.6. Технология Industrial Ethernet...............................................................	140
2.6.1. Стандарт Profinet ..........................................................................	161
2.6.2. Стандарт Ethernet/IP.....................................................................	168
2.6.3. Стандарт EtherCAT ......................................................................	168
2.6.4. Протокол Ethernet Powerlink .......................................................	173
2.6.5. Интерфейс SERCOS III................................................................	176
2.6.6. Стандарт LAN LXI .......................................................................	177
2.6.7. Технология Modbus TСP ............................................................	179
ГЛАВА3. ШИНЫНИЗОВОЙАВТОМАТИКИТИПА
MASTER – SLAVE ..................................................................................................	183
3.1. HART-протокол......................................................................................	183
3.2. AS-интерфейс.........................................................................................	190
3.3. Шина М-bus ............................................................................................	195
3.4. Interbus-S .................................................................................................	196
ГЛАВА4. ПРОТОКОЛMODBUS .......................................................................	201
4.1. История и поддержка протокола Modbus............................................	201
4.2. Общая характеристика Modbus ............................................................	203
4.3. Кадры передачи......................................................................................	208
4.3.1. Режимы ASCII и RTU ..................................................................	208
4.3.2. Структура кадра сообщения в режиме ASCII ...........................	210
4.3.3. Структура кадра сообщения в режиме RTU..............................	212
4.3.4. Распределение регистров Modbus ..............................................	213
4.3.5. Коды функций ..............................................................................	214
4.3.6. Содержание полей данных..........................................................	217
4.3.7. Описание форматов команд........................................................	217
4.4. Контроль ошибок...................................................................................	227
4.5. Моdbus TCP и мост MB-7188E1/E2 .....................................................	231

ГЛАВА5. СТАНДАРТPROFIBUS ......................................................................	234
5.1. Краткое описание стандарта Profibus ...................................................	234
5.2. Физический уровень Profibus ................................................................	237
5.3. Протокол доступа к шине......................................................................	240
5.4. Протокол Profibus DP .............................................................................	244
5.5. Profibus FMS ............................................................................................	255
5.6. Протокол Profibus PA .............................................................................	257
5.7. Механизмы контроля ошибок в Profibus..............................................	260
5.8. Реализация протокола Profibus..............................................................	263
ГЛАВА6. ТЕХНОЛОГИЯFOUNDATION FIELDBUS ...................................	269
6.1. История Foundation Fieldbus ..................................................................	269
6.2. Поддержка Foundation Fieldbus .............................................................	271
6.3. Характерные особенности Foundation Fieldbus ...................................	272
6.4. Описание Foundation Fieldbus................................................................	284
6.4.1. Физический уровень.....................................................................	285
6.4.2. Канальный уровень DLL ..............................................................	286
6.4.3. Подуровень доступа к Fieldbus (FAS) ........................................	290
6.4.4. Спецификация сообщений Fieldbus Message Specification .......	292
6.4.5. Блоки прикладного уровня...........................................................	298
6.4.6. Управление системой...................................................................	303
6.4.7. Описание устройств......................................................................	307
6.5. Конфигурирование системы..................................................................	312
6.6. Система полевых испытаний.................................................................	313
6.6.1. Контрольно-измерительные приборы
и регулирующие устройства.............................................................	314
6.6.2. Преимущества установки, запуска и эксплуатации ............	316
6.7. Сравнение полевых шин Foundation Fieldbus и Profibus PA ..............	317
6.8. Высокоскоростной Ethernet ...................................................................	319
ГЛАВА7. CAN-СЕТЬ ............................................................................................	321
7.1. История CAN-сети .................................................................................	321
7.2. Поддержка СAN-сетей...........................................................................	324
7.3. Стандарты САN ......................................................................................	327
7.4. Краткое описание СAN-шины ..............................................................	337
7.5. Методы доступа к среде передачи........................................................	343

7.6. Кадры передачи и их характеристика..................................................	351
7.6.1. Виды кадров передачи.................................................................	351
7.6.2. Кадр данных .................................................................................	353
7.6.3. Кадр удаленного запроса данных ..............................................	357
7.6.4. Кадр ошибки ................................................................................	358
7.6.5. Кадр перегрузки ..........................................................................	359
7.6.6. Межкадровое пространство .......................................................	360
7.6.7. Кодирование битового потока ...................................................	362
7.7. Контроль ошибок...................................................................................	362
7.8. Интервал прерываний CAN-контроллеров и синхронизация ...........	368
7.9. Протоколы прикладного уровня...........................................................	372
7.9.1. CAL/CANopen...............................................................................	375
7.9.2. CAN Kingdom ...............................................................................	380
7.9.3. DeviceNet.......................................................................................	385
7.9.4. SDS.................................................................................................	389
7.9.5. Сравнение протоколов прикладного уровня. ............................	393
7.10. PC/CAN интерфейсные платы и драйверы для них .........................	395
7.11. Преимущества и недостатки CAN-сети.............................................	405
7.12. Применение САN-шины для автомобилей........................................	409
СПИСОКРЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................	417
ГЛОССАРИЙ............................................................................................................	419
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ТЕРМИНОВ,
ПРЕДСТАВЛЕННЫХ В ГЛОССАРИИ......................................................	528

ВВЕДЕНИЕ

ХХ век был отмечен бурным развитием промышленных систем на основе электричества: электростанций и сетей, электроприводов, электроники и электронных систем управления. В конце столетия появились микропроцессоры и микропроцессорные системы управления, начали широко развиваться и использоваться системы передачи цифровой информации. Автоматизированные системы управления (АСУ) проникают во все сферы жизнедеятельности человека. Они призваны облегчить его труд, расширить функциональные возможности или заменить человека полностью, если это возможно, поэтому архитектура АСУ во многом напоминает строение человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног и органов речи – исполнительные устройства, роль мозга – компьютер или контроллер. Благодаря такой аналогии архитектура АСУ становится понятной любому на интуитивном уровне. Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического сопровождения и т.п.

Рассмотрим кратко составляющие АСУ. Существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.), которые преобразуют физическую величину в электрический сигнал.

Сигналы датчиков нормализуют (усиливают, приводят к стандартным диапазонам изменения, обеспечивают линейность, компенсацию погрешностей, особенно температурных). Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода, в которых встроены аналого-цифровые преобразователи (АЦП),

а также микропроцессор для линеаризации характеристик датчика

икомпенсации погрешностей аналоговой части системы. В последнее время получили распространение цифровые датчики, объединяющие в себе первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, измерительный преобразователь и АЦП. Примером могут служить датчики температуры DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor, у которых выходной сигнал является цифровым

исоответствует спецификации интерфейса 1-Wire.

Модули дискретного ввода позволяют вводить битовые сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, включения и выключения двигателей, срабатывания устройств защиты и т.д.). Устройства счетного ввода также имеют дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов. Их используют, например, для измерения скорости вращения вала электродвигателя или подсчета продукции на конвейере. Цифровые сигналы могут вводиться по дискретным вводам или шинам данных.

Промышленный компьютер (микроЭВМ или программируемый логический контроллер (ПЛК)) является «мозгом» автоматизированной системы. Он принимает сигналы датчиков через устройства ввода, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию через устройства вывода. Типовыми отличиями промышленного компьютера от офисного являются специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие винчестера, дисплея и клавиатуры или же их наличие в специализированном исполнении и с ограниченными возможностями. Контроллеры имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, они защищены от воздействия пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы вводавывода, имеют увеличенное количество различных коммуникационных портов, работают под управлением операционной системы реального времени (ОСРВ) (например, Windows CE, QNX).

Коммуникации между компьютером и устройствами вводавывода чаще выполняются через последовательные интерфейсы физического уровня RS-232, RS-485, USB, Ethernet1, оптоволоконный порт и др. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI. Достоинством плат является возможность получения высокой пропускной способности каналов ввода-вывода (свыше

10 Мбит/с).

Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы. Дискретные сигналы используются, например, для включения электродвигателей, электрических нагревателей, для управления клапанами, фрамугами, насосами и другими исполнительными устройствами.

Все устройства ввода-вывода подключаются к компьютеру через изолирующие преобразователи, обеспечивающие гальваническую развязку.

В настоящее время в АСУ происходят существенные изменения. Все датчики могут иметь цифровой выход. Исполнительные устройства могут получать цифровые задания и управляющие команды, реализовывать программы контроля и диагностики. Таким образом, для связи контроллера, датчиков и исполнительных устройств предпочтительнее цифровая информация и цифровые системы. В связи с этим возник ряд технологий производства промышленных шин для передачи цифровой информации на полевом (fiеld) уровне с возможностью значительного сокращения кабельного хозяйства.

С другой стороны, многие техногенные катастрофы последнего времени были связаны с человеческим фактором. Стремление полностью автоматизировать технологические процессы, освободить персонал от рутинного неквалифицированного труда, облегчить свободный доступ к информации во всех сферах жизни, добиться энергоэф-

1 Значения слов и выражений, выделенных полужирным шрифтом при первом упоминании в тексте, приведены в глоссарии.

фективности и качества закономерно привели к информационной революции в масштабах планеты. Такие термины, как база данных

(БД), ОРС, SCADA, Ethernet, Internet, GSM, GPRS, GPS, ГЛОНАСС,

АСКУЭ, «умные» сети, «умный» дом и множество других, знакомы сейчас не только специалистам в области сетей автоматизации (CA) и получают дальнейшее развитие.

Часть компонентов CA выходит за границы LAN-сети и переходит на уровень WAN.

Стоимость СА с использованием Internet (Intranet) каналов оказывается на порядок ниже благодаря коммутации пакетов, а не каналов, что позволяет существенно улучшить эффективность использования пропускной способности сети связи. Архитектура АСУ, использующих Internet, представлена на рис. В1.

Рис. В1. Архитектура АСУ, использующих Internet

1 / 541 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги