interlaken总线_Powerbus二总线原理

第二讲 INTERBUS介绍 　　                                     标签： 现场总线 PLC 控制器 　　第二讲 INTERBUS介绍 　　一  INTERBUS的网络结构 　　用于现代工业控制系统的开放性的现场总线INTERBUS将所有的过程外围设备与控制系统（PLC，PC控制器）统一的连接起来。通过一根串联的总线电缆使变送器，执行器，智能设备单，加工单互相构成一个网络，并与上位机，监控机连接起来。INTERBUS拓扑网络的组成参见图1。 　　
　　INTERBUS的拓扑网络是一个环形系统，所有的总线模块都主动的互相连接在一个封闭的传输回路中，每个模块接收前一个模块的信号，并送给下一个模块。与其它的环形网络不同的是在INTERBUS系统的电缆不仅包括了发送导线（前站送往后站），还有接收导线。具有全双工型传输方法INTERBUS工作方法像一个空间分布，闭环的移位寄存器。各个不同的现场设备串联一起，并与一个主站相连接。在INTERBUS系统中，总线设备是一个带有INTERBUS接口（移位寄存器）的从站，其移位寄存器的长度取决于总线设备中数据的长度，目前数据长度可从0位到512位中选择。INTERBUS拓扑除了从总线控制板引出的主干线外，并具有16分支层，这样的网络结构能满足实际应用提出的各种系统结构的要求。以主从式传输方法组成的INTERBUS系统最多可带512个总线模块，最后一个模块自行闭合整个环路。INTERBUS通信采用点对点的连接方法，其示意图参见图2。 　　
　　每个模块都有一个接收和一个发送单，这一特点对于传输的安全性来讲具有重要的作用，因为与一般的线性网络系统相反，当传输处于不定状态时，INTERBUS不会传输无定义的信息，模块中的传输关系是确定的。采用点对点的连接可省去终端电阻，这样系统的扩展性更高，灵活性更强，更适应于工况实际的需要。采用带有分支的总线终端模块既完成分层的任务，同时也提供了带INTERBUS的网络中的总线段任意关断，连接的可能性。特别对出现总线故障后进行处理的方法更加灵活，减少了系统的停机时间。 　　通过采用物理环形网络和移位寄存器的方法，总线系统不必进行设置地址和按址传输的方法，在实践工作中这就意味着INTERBUS的设备可以简单地安装，迅速地进行现场调试。对每个模块进行硬件设置地址(DIP开关)的工作被省去，这个优点特别体现在当总线模块损坏被掉换时，不用重新设址，当然也就不会发生地址重迭现象。 　　二  INTERBUS总线系统的构成 　　INTERBUS总线系统的构成参见图3。 　　
　　(1)  INTERBUS的总线控制板 　　INTERBUS的主站，又可称为总线控制板（PC控制器或PLC控制器的总线接口控制板）。它的作用是对整个INTERBUS进行控制、组态和诊断，并有一个I/O数据堆栈，保存了全部的输入/输出数据。当总线运行时，主站发出输出信号到现场外围设备，同时接收现场外围设备的输入信号。由于INTERBUS采用主从传输的方法，所以在一个INTERBUS总线系统中只有一个主站来控制整个传输环路的流程，主站有一个连接从站的接口，通过这个接口引出了整个环路。同时INTERBUS还有一个与控制器（PLC控制器、PC控制器、IPC）相配的数据信号总线或接口，这样现场总线的信号可以通过总线主站与控制器进行数据交换。INTERBUS总线系统除了主站外，还有从站（INTERBUS模块），带有INTERBUS接口的各种仪表，应用连接不同控制器的系统藕合器以及组成本地和远程总线段的终端模块。 　　(2)  总线段 　　INTERBUS总线由互相连接的总线段（最多255个段）组成。按照传输的特性，INTERBUS中有三种不同的总线段，即远程总线段、本地总线段和INTERBUS Loop段。 　　远程总线段 除了第一个远程总线段与主站相连接外，其他每个远程总线段开始于一个远程总线终端模块，总线终端模块又称中继站。一个INTERBUS总线系统可有255中继站，这个限制仅仅因为考虑INTERBUS协议长度（4096位＝256×16位）的原因。系统的总长为12.8公里。其主要的性能指标见表1。 　　
　　远程总线模块除了中继站外，还有远程输入/输出模块、远程显示屏模块、远程变频器模块，以及作为INTERBUS从站的子控制系统设备，如机器人控制系统，辨识系统等。一种特殊的远程总线段称为安装远程总线段，它连接了安装总线模块，其之间的传输距离为50米。安装远程总线的模块采用混合式的电缆，除传输信号外，也传输24V（最大4.5A）的模块供电电源和模块的变送器电源。所以安装远程总线模块往往采用IP65以上的等级，其优点是直接安装在机器上或工业设备上，省去了很大一部分安装时间和安装电缆。常用的安装远程总线模块有输入/输出模块、变频器、马达启动器、阀门、编码器和检测装置等。 　　本地总线段 每个终端中继站引出一个由本地总线模块组成的本地总线段，本地总线的任务是传输短距离的信号，主要运用在控制柜或放在现场的控制盒里。那里所有的变送器/执行器的信号集中起来，并连接在本地总线模块上。因为传输距离短的原因，所以两个本地总线模块之间的信号传输采用简单的带有TTL电平的物理方法。因此每个本地总线段的最大距离是10米。两个本地模块的距离最大不能超过1.5米。本地总线段的模块供电电源由远程终端中继模块提供。本地模块只需要提供给变送器和执行器的附加电源。按照采用不同类型的本地总线模块，本地总线段主要可分ST－本地总线，INLINE－本地总线。值得一提的是INLINE模块是开放性的总线模块，通过各种总线耦合器（如Profibus耦合器、Devicenet耦合器、Canopen耦合器）与其他总线相连。一些气动阀门也可以直接与INLINE模块相连。目前INLINE模块有数字/模拟量输入输出模块、气动阀门模块及各种功能模块（如增量模块、计数模块、V24通信模块、智能式控制器模块、变频器模块），可以能构成一个用于中小型设备的独立的控制系统。 　　INTERBUS Loop段 INTERBUS Loop本地总线段是具有IP65等级的直接用于现场的本地总线段。尽管其传输的原理仍采用INTERBUS集总帧的方法，但是传输媒介是采用一根两芯无屏蔽的导线。每个Loop模块通过这根导线联成一个环路。所有的数据信号和24V的模块供电电源通过这根导线进行传输。Loop环路采用电流环的原理。由于采用电流传输的方法，所有相对于常用的电压传输方法具有更高的抗干扰能力。需传输的信号以Manchester编码的形式迭加在24V供电电源上。其总线物理媒介的传换由一个特定的终端模块实现，这根模块与INTERBUS环路中远程/本地总线段相连接。一个Loop环路可带63模块，总长为200米，每个模块之间的距离是20米。整个环路中的最大电流是1.8A。 　　根据工业控制系统以及工业现场的需要，利用以上不同的INTERBUS总线段可以构成不同的能够满足一切实际要求的现场总线网络结构。 　　(3)  数据传输媒介 　　INTERBUS的传输媒介主要有三种：铜导线传输媒介，光导线传输媒介和其他传输媒介。在一个INTERBUS总线系统中，这三种传输媒介可以混合使用，以提高构成网络的灵活性。 　　铜导线传输媒介 铜导电缆的传输媒介是INTERBUS总线系统中最常用的一种传输媒介。它由两对双绞线和一个屏蔽线组成。双绞线保证导线能在电磁场的环境下工作，导线外壳镀锌的屏蔽层保护导线的电污染。数据传输的方法采用RS485原则。因为传输采用对称的双绞线，信号采用电位差的形式，许多外部的干扰得到了补偿。 　　光导线传输媒介 INTERBUS是第一个采用光导传输技术的现场总线，早在1994年就制定了DIN19258的光导传输的补充文件，每个模块都可以方便地采用光导传输媒介。在INTERBUS总线系统中无论电导还是光导都采用全双工制，使用运用光导无需改变总线的网络结构。光导技术在INTERBUS中既可以运用在远程总线段，也可以用在本地总线段上。同时在一个系统中既可以运用电导又可以采用光导，其传换只需在模块接口上加一个光电传换器即可。传输距离的长度取决于采用光导的材料，一般塑料光导为70米，硬塑光导（HCS）为300米，玻璃光导为3000米左右。 　　其他传输媒介 如主要用在物流，高架库上的红外线传输方法（最大距离为200米）。用于汽车行业的特殊的电槽高频传输方法和用于旋转工件台、起重机、机器人等的电环式传输方法等（最大旋转转速为每分60转）。 　　三  INTERBUS的数据传输方法 　　(1)  面向信息的传输方法 　　为了克服由于采用串联传输方法引起的信号延迟时间的问题，任何总线必须找出一个尽可能高效率的协议。按照面向信息的传输方法只能在一定的条件下能满足过程数据的实时传输的要求，因为面向信息的传输方法主要用于点对点连接时大数据块的通讯。每个或多个设备同时与一个其他设备进行通讯，所有需要传输的数据被“装入”信息帧里，即包含启动位、地址、控制信息、数据、数据安全信息（CRC）和结束位，参见图4。借助于信息帧可以使每个设备知道，一个电报的开始/结束，电报的发送/接收地址，数据的正确性（通过检验CRC数据）。面向信息的通信方法如果采用主从式传输系统，则每个从站设备只能得到主站的请求时才能对传输媒介进行访问，而且还要发出相应的确认回答，这就是说，当一个主站向从站设备发出一个信息，这个从站接收到此信息后必须发送确认回答信号给主站。主从传输方法的好处是不会产生访问冲突的现象。 　　
　　面向信息的通信方法往往被用于线性拓扑的总线网络结构，即每个从站都被挂在一个传输媒介上。每个从站设备必须占有本身地址，当主站向传输总线发出信号时，通过比较主站发出的信号中含有的目标地址和从站设备的本身地址，以确定这一信号是否属于自己。主站为了能得到系统的全部信号，就必须按顺序对每个从站设备进行信息交换，即读入输入信号，发出输出信号。每个从站设备为了完成信号从主站传送到本身，并从本身送给主站一个反馈（确认）回答这个过程，需要相应的时间，这个时间称为回答时间，取决于设备本身处理信号的快慢，数据量的多少以及采用的传输速率。面向信息方式的总线系统的循环周期时间就是各个从站设备回答时间的总和。 　　以上可见，面向信息的通信方法采用线性拓扑的主从式总线网络结构，其传输效率比较低。比如说，如果我们希望读出一个输入模块上的信息，首先主站发出一个请求信号给其对应的从站设备(这个请求信号不含有实际需要的信息)，从站设备送出响应回答信号给主站，响应回答信号不仅包含了实际的输入信息，同时还包含了帧信号(控制信号)。整个传输信息中含有的实际信息，即I/O信号很少，就是说传输效率不高。为了快速传输数据，必须提高传输速率。这正是在工业实践中所不希望的。 　　因此INTERBUS采用了另外的传输协议的方法，现场总线层，即变送器/执行器层的一个重要任务是通过简单便宜的总线接口将各设备连接起来进行近似实时双工性（同时读入/写出）的数据传输，为了实现这种要求，就需要采用不同于面向信息的传输方法。面向过程数据的传输方法完全能满足变送器/执行器层的要求。一种面向过程数据的传输方法，比方INTERBUS所采用的方法，称为集总帧协议。 　　
　　(2)  面向过程数据的传输方法——集总帧协议 　　在面向过程数据的传输方法中，所有变送器和执行器的信号都被放在一个通信帧内，这个通信帧称为集总帧，其结构参见图5。在这种情况下，整个包括所有设备的系统只有一个协议，只需要一个帧信息（控制信息）。帧信息包括一个启动信息，（LOOPBACK），数据安全/结束信息。在集总帧中，如果系统带的设备越多，传输效率就越高，因为有效信息与控制信息的比例越高。 　　在集总帧协议中，整个系统只有一个循环运行的通信帧。对于主站来讲，带有I/O信息的所有设备被看作一个“逻缉”设备，现场设备的地址正好对应于通信帧中的数据在协议中的物理位置，这样我们就不需要给现场设备进行地址设置，总线的管理得到了简化。同时其设备占有数据大多数是固定的，并在运行中不会改变，所以这种协议很符合用于变送器/执行器层上设备的情况，如编码器占有24位长度，这长度在系统运行时不会改变。这样通过确定总线带设备的个数，就能知道协议的长度，通过知道协议的长度就能知道传输的时间，如果知道了传输时间，那么每个设备就能保证得到一个恒定的采样时间，所以可以认为集总帧具有实时性。 　　集总帧具有非常高的传输效率，这样尽管INTERBUS采用500K的传输速率，同样能够快速传输信息，其带来的好处不仅提高了抗干扰的能力，而且也为今后继续提高传输速率提供了广泛的余地。不同现场总线的传输效率的比较参见表2。 　　
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