仪表通讯协议分类.pptx

仪表通讯协议分类及其特点学习课件主讲人：东油什么是通讯协议o通讯协议又称通信规程，是指通讯双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。通讯协议分类o常用的仪表通讯协议有：nmodbus通讯协议nRS-232通讯协议nRS-485通讯协议nHART通讯协议。第一讲Modbus协议Modbus协议 Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。由于modbus协议是完全公开透明的，所需的软硬件又非常简单，这就使它成为了一种通用的工业标准。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。Modbus通讯协议o特点 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。modbus通讯方式 modbus通讯协议是一种主从式异步半双工通信协议，采用主从式通讯结构，可以使一个主站主站对应多个从站从站进行双向通信。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。Modbus协议o Modbus协议包括ASCII、RTU等通讯方式，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用主主-从从方式，主站主站发出数据请求消息，从站从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站主站以响应请求；主站主站也可以直接发消息修改从站从站的数据，实现双向读写。主/从原理Modbus协议 当在一Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。Modbus协议 当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。Modbus协议o Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某从站点断开后（如故障或关机），主端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。Modbus与OSI参考模型Modbus之ASCII通讯方式地址码：从站的地址（8位）功能码：主站发送，告诉从站执行功能（8位）数据区：具体数据内容（N*8位）校验码：LRC校验（8位）起始位：用“：”号，（3AH）（ASCII为58）停止位：用“CR”（0DH），“LF”（0AH）数据位内容由程序编写，所有信息通讯均用数据位内容由程序编写，所有信息通讯均用ASCIIASCII码形式发送和接收。码形式发送和接收。起始位地址码功能码数据区校验码停止位数据帧数据帧广播模式（只用于写操作）非广播模式Modbus之RTU通讯方式地址码、功能码、数据区与ASCII通讯相同。校验码：CRC校验（16位）起始位：无字符，保持无信号时间大于10ms。停止位：无字符，保持无信号时间大于10ms。数据内容由通讯程序编写，所有的信息均用数据内容由通讯程序编写，所有的信息均用十六进制形式发送和接收。十六进制形式发送和接收。起始位地址码功能码数据区校验码停止位第二讲RS-232通讯协议RS-232通讯协议oRS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号通常。RS-232 接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。RS-232接口RS-232通讯协议oRS-232标准设有25条信号线和9条信号线两种，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232通讯协议o传输速率 RS-232标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特率。RS-232通讯协议o远程通信连接数据终端 RS-232标准最初是远程通信连接数据终端设备（DTE）数据通信设备（DCE）而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。RS-232通讯协议o“发送”和“接收”RS-232标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。RS-232通讯协议o电气特性 EIA-RS-232 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+3+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通ON状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V RS-232通讯协议oRS-232接口定义（9芯）RS-232通讯协议oRS-232接口定义(25芯)1 频蔽地线 2 发送数据 TXD 3 接收数据 RXD 4 请求发送RTS 5 允许发送 CTS 6 数据准备好 DSR 7 信号地 SG 8 载波检测 DCD 9 发送返回(+)10 未定义 11 数据发送(-)1217 未定义 18 数据接收(+)19 未定义 20 数据终端准备好 DTR 21 未定义 22 振铃 RI 2324 未定义 25 接收返回(-)RS-232通讯协议o RS-232串口通信接线方法（三线制）串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接。9针D型串口：2“RXD”，3“TXD”，5“逻辑地”。o25针串口通信接线方法RS-232通讯协议oRS-232缺点 （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率20Kbps。（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺（实际15米）。第三讲RS-485通讯协议RS-485通讯协议o诞生 RS-485标准是在RS232的基础上发展来的，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。RS-485通讯协议oRS-485的电气特性 逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。RS-485通讯协议o传播速率 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps oRS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。o波特率1200bps、2400bps、4800bps、9600bps9600bps、19200bps、38400bps、125KRS-485通讯协议通信接口方式通信接口方式RS485接口：异步，半双工,串行数据格式数据格式1 1位起始位、位起始位、8 8位数据位、位数据位、1 1位停止位、无校验位停止位、无校验1位起始位、8位数据位、1位停止位、奇校验1位起始位、8位数据位、1位停止位、偶校验当当与现场总线适配器与现场总线适配器PROFIBUSPROFIBUS连接时采用默认连接时采用默认数据格式：见上黑粗体数据格式：见上黑粗体RS-485通讯协议oRS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米(理论上的数据，在实际操作中，极限距离仅达1200米左右），另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。RS-485RS-485接口定义接口定义 o9针型接口 RS485接口 信号含义 3 RXD-接收数据 4 RXD+接收数据 5 TXD发送数据 7 TXD-发送数据缺点o很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。第四讲HART协议HART协议o HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议o HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。协议基本情况o420mA模拟信号+数字控制信号（FSK技术）o支持双绞线全数字通信，可构成15个站网络o支持OSI开放体系结构，1、2、7、层通信模型HartHart命令命令无定仪无定仪数据链路层规范数据链路层规范BELL 202BELL 202物理层o基于基于Bell 202 Bell 202 通信标准的通信标准的FSK FSK 技术，基本内容：技术，基本内容：波特率波特率 1200bps 1200bps （速度较慢）（速度较慢）逻辑逻辑1 1200HZ1 1200HZ逻辑逻辑0 2400HZ0 2400HZ载波传输载波传输数据链路层数据链路层o通信方式：n1）主从式通信o由主设备来控制数据帧的传送o最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上n2）突发模式o 从设备定时重复发送数据帧n3）半双工通讯方式o寻址范围：0 15o当地址为0时，处于420mADC与数字通信兼容状态。o当地址为115时，则处于全数字通信状态。数据链路层数据链路层o规定通信数据的结构，每个字符由规定通信数据的结构，每个字符由11位组位组成：成：o1bit1bit起始位起始位 +8bit+8bit数据数据 +1bit+1bit奇偶校奇偶校验位验位 1bit+1bit停止位停止位最多最多 25 字节字节应用层o通用命令o对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：n读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；n读出传感器串联数目及其线制；n读出制造厂及产品型号；n读出主变量及单位；n读出电流的输出及百分比输出；n读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期等；应用层o通用命令通用命令 适用于大部分符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等：l写入阻尼时间常数；l写入变送器量程；l标定（设置零点和量程）；l微调主变量零点；l微调DAC的零点和增益；l完成自检及主机复位；应用层o特殊命令：特殊命令：仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。：l读出或写入开方小流量截断值；l启动、停止或清除累积器；l选择主变量（质量流量或密度）；l读出或写入组态信息资料；l微调传感器的标定；HART通讯模式o第一种“问答式”：2次/秒，适用于点对点，多站连接o第二种“成组模式”：3.7次/秒，只适用于点对点连接HART协议的优点o模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。o(智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器)混合 系统o支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费o通过租用电话线连接仪表，使远方的现场仪表使用相 对便宜的接口设备。o允许“问答式”及“成组模式”通信方式。o报文结构灵活、规范、一次通信可携带4个过程变量HART通信的应用通常有三种方式：o最普通的是用手持通信终端(HHT)与现场智能仪表通信。o带HART通信功能的控制室仪表，可与多台HART仪表进行通信并组态。o第三种方式是与P机或DS操作站进行通信。应用o在智能变送器与HART协议通讯器之间互联需要遵循负载电阻之和在250600 之间，太小了不能通讯，太大了变送器无法工作。实践中，一般在校验室内都至少要串接一个250 以上的标准电阻，但在现场中如果系统基本满足负载电阻要求，可以直接在控制室内接线端子上跨接HART通讯器。如图1所示。应用250 总结o由于HART仪表与原4-20mA标准的仪表具有兼容性，HART仪表的开发与应用发展迅速，特别是在设备改造中受到欢迎。oHART协议与FF等协议相比，较为简单，而且由于速度慢及低功耗的要求，数据链路层及应用层一般均由软件实现。物理层应用原有的Bell202调制解调器。o为解决不同厂家设备的互换性及互操作性问题，HART采用了设备描述语言（DDL)。