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Devicenet现场总线的普及知识
点击次数:999 发布时间:2014-10-31

Devicenet现场总线的普及知识

Devicenet总线系统主要包括圆形连接器件,IO模块分线盒,内部系统等,以下科迎法小胡简单就devicenet技术知识进行整理与大家分享。

终端电阻在通信中的作用

终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中,有两种信号因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。

Devicenet现场总线

阻抗不连续,信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有,信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理,与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法,就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻,使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的,因此,在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。

引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射,主要表现在通讯线路处在空闲方式时,整个网络数据混乱。

要减弱反射信号对通讯线路的影响,通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中,对于比较小的反射信号,为简单方便,经常采用加偏置电阻的方法

devicenet总线三通

DeviceNet 网络的使用体会。

(1)DeviceNet现场总线可以节省大量费用。

从安装阶段来看,只通过一根通讯缆,就实现了对整个网上各站点供电及通讯,相对于点对点的控制方式,节省大量的电缆,桥架等。不但缩短了安装时间,而且降低了安装费用。

从控制上来看:利用网络通讯及“软”I/O方式,也节约了I/O模块和大笔资金。

如对变频器工作站,启动/停止,加速/减速等命令;电压、电流、温度等参数,都可从DeviceNet网络通讯实现,节约了I/O模块,尤其是模拟I/O模块,费用相当昂贵。

(2) 设备故障率大大降低,且诊断方便,排除迅速。

DeviceNet由于仅用一条通讯电缆控制整个设备网络,使设备故障率大大降低;各站点通讯端子支持带电热插拔,若某一站点出现问题及故障排除,不影响网上其他站点正常工作。

采用数据通讯方式来控制各站,不但极大减少了传统点对点方式的电缆数量,也使故障环节大大减少,系统稳定性进一步提高。

通过设备网使MCC的集中控制的形式十分有效,极大方便了设备故障的诊断。例如对变频器的控制,由于采用MCC及网络控制方式,一百余台变频器仅有五种典型控制电路,便于记忆及故障查找。当某台变频器发生故障时,不但可以从总控室看到报警信息,还可以从网络扫描器或变频器的人机界面上获得报警信息,方便快捷。

(3) 系统监控更加方便、智能化。

通过RSview监控界面方式,中控室可以随时访问和控制设备网上的一些站点,根据需要调整控制参数又;可以监控网上设备的工作状态,例如电机电流、温度等参数,以确保各设备正常工作。

DeviceNet网络的维护及故障处理体会:

(1) 通讯干扰问题

我厂运转调试阶段曾经发生过某些站点的状态显示(控制室RSview人机界面)与其实际工作状态有时不相一致或控制命令执行不严格现象。经诊断及分析, 我们主要采取了以下措施。

1). 检查并紧固各终端电阻,防止信号反射。

终端电阻是用来防止(降低)通讯信号反射。为检查终端电阻工作是否正常,可以在断电(只有在预防性维护或系统故障时才可以)的情况下,测量网上任何两个CAN-H(蓝色线)与 CAN-L(白色线)端子之间的电阻应在60Ω-70Ω左右即可(因我厂用的是菊花链结构)。

2).可靠连接DeviceNet网络的接地导线,消除外界噪音干扰。

为防止环流,信号电缆的屏蔽线仅能在一端接地。接地点从zui接近网络的物理中心站点处引出,以达到zui佳效果,zui大限度的消除噪音干扰.我厂的接地线是从PLC机架的扫描器站点引出的.

M12 devicenet总线插头

接地方法为:将V-与Shield及Drain与PE可靠连接

通过1),2)以上两种方法及定期PM检查就可确保网络通讯系统工作良好可靠。

此外,为确保通讯可靠,网络布线时应注意以下情况:

1).为了避免通讯电缆受动力电缆干扰,通讯缆应单独布线。若通讯缆与动力缆共用线槽时,通讯缆应穿金属屏蔽管布线。

2).站点之间相距较远或网络总距离较大时,应使用粗芯通讯电缆。

(2) 若某一站点的设备发生故障,而库存又没有同型号的备件更换,可能会造成麻烦。

若设备某站点发生故障,库存有同型号的备件,换上同型号的备件后,该站即可正常工作。若换上不同型号的备件,则该网络扫描器检测到的该物理站点(EDS)与扫描列表(Scan list)不一致.扫描器就会有报警, 该站也无法正常工作。这时,你不得不重新组态一下扫描列表再下装到扫描器,此站才能正常工作,这是一个应该注意的问题。

DeviceNet网络调试 

现场的所有传感器,执行器都连接在DeviceNet上,DeviceNet硬件连接是否正确,关系到整个控制系统能否正常工作。DeviceNet硬件连接有以下几点需要特别注意: 

(1)DeviceNet每个通道zui多能连接64个站,每个站点地址不能重复,波特率为125k时,通讯距离zui长为500米。

(2)DeviceNet网络首末两端需安装终端电阻。 

(3)DeviceNet通讯电缆有五芯导线组成。无色为屏蔽地,红色为 24VDC,黑色为0VDC,蓝色为CANH,白色为CANH。五芯导线连接要牢国,正确。 

(4)DeviceNet有且只能有一点接地。

7/8 devicenet总线插头提高多机数据采集系统的通信可靠性

随着微控制器在数据采集系统应用的不断深入,单独一个采集器已远远达不到实际要求,越来越多的系统要求多个采集器在不同地理位置同时采集多个数据,然后由一个主处理器进行集中处理。在多机系统中,一个作为主机,其他并行进行数据采集的所有处理机作为从机。主机主要负责接收从机采集的数据,按照一定策略对从机进行参数设定,然后对从机采集的数据进行处理、存储、打印、显示或传输等。各从机主要进行数据的采集并将采集的数据准确有效地传送给主机。主机与从机之间数据通信的可靠性,将直接影响着整个系统的可靠性,因此研究多机系统的通信可靠性具有现实意义。

民用产品应具备zui高性价比,也就是说,在保证性能满足要求的前题下,以zui低成本构造实用系统。在设计并行多机数据采集系统时,通信方式的选择决定系统的成本。由于EIARS-485采用平衡发送和差分接收方式实现通信,抗共模干扰能力极强,接收灵敏度也很高。本文以远程多机抄表系统为例,从几个方面讨论如何提高基于廉价的半双工RS-485多机系统通信可靠性问题。

1 多机数据采集系统的构成

多机数据采集系统由一个主机和多个数据采集器(分机)构成。各采集器以微控制器为核心构成采集单元,负责信息的采集、故障的检测(包括断线和短路检测)等,通过RS-485总线与主机连接,将采集的数据传送到主机,主机负责信息处理。主机与各采集器的连接方式如图1所示。  

多机数据采集系统的连接以EIA RS-485总线标准构成的总线型拓扑网络结构为基础。EIARS-485是继RS-232,RS-422等串行总线标准之后极为的总线标准之一,其总线主要靠差分方式传送数据,传输媒质采用双绞线,zui大共模电压+12 V,zui小共模电压-7 V,差分输入电压范围-7~+12 V,接收器输入灵敏度±200 mV,接收器输入阻抗大于12 kΩ,要用于远距离数据传输。

典型的半双工RS-485结构如图2所示,半双工485芯片除了电源外有两个控制端和DE,TTL(CMOS)数据接收端RO和发送端DI,以及一对RS-485信号端A和B(A,B对应差分信号+、-端)。 

当且DE=0时,485芯片处于数据接收状态,此时信号通过传输线差分信号到达A端和B端,经转换后变成TTL(CMOS)信号到达RO端;当=1且DE=1时,485芯片处于数据发送状态,使TTL(CMOS)信号经驱动器平衡后变成差分信号送A端和B端;当且DE=0时,R和D全部关闭处于高阻状态;当=0且DE=1时,R和D同时打开,这对半双工接口是不允许的。发送时,当DI=1时,内部驱动电路使A线的电压比B线高(发送逻辑1);当DI=0时,内部驱动电路使A线的电压比B线低(发送逻辑0)。接收时,如果A线电压高于B线至少200 mV,则接收电路使RO为高电平(接收到逻辑1);如果A线电压低于B线至少200 mV,则接收电路使RO为低电平(接收到逻辑0)。

2 提高通信可靠性的硬件措施

2.1 网络拓扑的正确连接

网络连接方式有多种形式,而RS-485网络拓扑一般采用总线型拓扑结构。如果连接方法不当,会随着通信距离的延长或通信速率的提高,信号在各支路末端反射后与原信号叠加,造成信号质量下降。此外,错误的连接方法会使总线特性阻抗的连续性受到破坏,在阻抗不连续点也会发生信号的反射。对远程抄表系统进行实际布线后,试运行系统就发现过此类问题,有时电缆走向不好,会出现通信异常。

实验表明,正确的连接方法是用单一且连续的总线将各个节点串接起来,如图3(a)所示的三种连接中,均为总线型的串接方式,且所有相邻结点(圆圈标注)之间均具有圆滑过渡,没有突变,因此大大减少了不连续的反射。而图3(b)所示的三种连接中的前两种为星型连接且有突变,后一种尽管为总线型,但节点与总线连接有突变极易产生反射,因此为错误连接方式。

2.2 总线终端阻抗的匹配

总线终端匹配的目的是减少总线反射引起的干扰以增加可靠性。当总线终端电阻等于特性阻抗(匹配)时,线路上没有任何反射,在不同电缆延时时间其终端电压等于发送端电压;在总线终端电阻小于特性阻抗情况下,电流到达末端时,部分初始电压在通过终端电阻时下降,剩下的部分反射回去,这样驱动器(485发送端)每反射部分电压,接收器的电压就上升一次,直到达到zui终值。如果终端短路,当电流到达末端时没有负载,也就没有电压,所有电压将全部反射回到驱动器,这样,电场崩溃,磁场增加,引入了电流,极大干扰了数据的传送;当总线终端电阻大于特性阻抗时,部分初始电流在终端电阻中流动,剩余部分电流被反射回到驱动器,驱动器将该部分电流再次反射到接收端,这样就削弱了终端电压,反射电流会来回反射多次,幅度越来越小,zui后电流才稳定到一个zui终值,影响了数据的稳定。

如果接收器得到了减少的电压,则它的输入可能下降到低于485标准规定的阀值200 mV,使接收端接收到错误的数据。如果接收器得到一个较高的电压,485接口输入端的晶体管可能饱和,降低了对信号的反应速度。在极端情况下,不匹配将导致很大反射甚至毁坏485芯片。

也就是说,如果终端阻抗与特性阻抗不匹配,将会严重干扰传输的数据。由上可知,为了数据通信的可靠,在网络两个极端位置的A、B两端各接一个与传输线匹配相当的电阻,如图1中所示的RT。典型双绞线的特性阻抗约120Ω,匹配电阻也应选择120Ω。

2.3 接口引出线的正确连接

RS-485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线,引出线过长时由于信号在引出线中的反射,也会影响总线上的信号质量,系统所能允许的引出线长度和信号的转换时间、数据速率有关。用经验公式可以来估算引出线的zui大长度:Lmax=其中tDR,tDF分别表示驱动器的上升时间(DI数据端从10%到90%)和下降时间(DI数据端从90%到10%)。

可以看出,减缓信号的前后沿斜率有利于降低对引出线长度的要求,改善信号质量,同时,还使信号中的高频成分降低,减少电磁辐射,但这种做法限制了数据传输速率。由此看来,在选择接口器件时,并不是速率越高越好,在满足系统通信速度要求的前题下,选择zui低速度的485接口器件。在选定接口器件之后,从总线到每个节点的引出线长度不能超过Lmax值,使引线反射信号对总线信号的影响降到zui低程度。

2.4 对接口失效的保护

2.4.1 对开路失效的保护

正常情况下,在规定的电缆长度(1 200 m)接收有效信号A,B两端电压差的值不小于200mV,接收数据准确无误。当A,B电压在±200 mV中间时,接收器输出状态不确定,即所谓的“失效”。由于串行异步通信接口(UART)以一个前导“0”触发一次接收动作,所以接收器的不定态就会使UART错误地接收数据,这是系统所不允许的。为解决失效问题,当总线空闲或开路时都有可能出现两线电压差低于200 mV的情况,因此,必须采取一定措施避免接收器处于不定态。

开路失效保护的方法是给总线加偏置电阻,即当总线空闲或开路时,利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的电压值(|差分电压AB|>200 mV)。偏置电阻的大小取决于总线上的匹配电阻及所允许的zui小差分电压,保证在开路时A与B之间有稳定的超过200 mV的偏置电压。由于多机系统中仅用一套总线,因此仅在主机485接口的A,B端连接偏置电阻即可,如图1中的R。假设偏置电阻为R,匹配电阻为RT(多机系统中仅有两个RT,相当于并联),则A,B间的电位差为可见,如果要求可靠性提高,ΔVAB就应增大,R就必须减小,这样系统功耗随即增大,因此应根据实际应用系统选择适当的R值。通常R为470~680Ω为宜。

2.4.2 对接口控制失效的保护

多机系统中485接口的工作完全由微控制器控制(发送使能端和接收允许端的控制)。在半双工485接口组成的多机系统中,如果发送和接收使能控制不当或控制失灵,将严重影响多机系统的稳定性和可靠性,甚至可能使系统完全处于瘫痪状态。这是因为所有485接口都联接在同一总线上,一旦一处锁死,将使总线锁死。可靠控制的有效方法是为微控制器加看门狗电路或选择带有硬件看门狗电路的微控制器。本应用系统中采用内置E2PROM的具有SPI总线的典型看门狗芯片X5045。通过标准的SPI总线操作,微控制器在X5045设定的看门狗超时周期之内(如300 ms),给X5045一个复位看门狗定时器的选通信号,使其重新定时,不产生由于时间溢出而发出的复位控制信号。当微控制器由于某种原因死机时,由于看门狗电路得不到微控制器的选通信号,到达超时周期后即向微控制器发出复位信号,致使微控制器强行复位。微控制器复位后,检测系统运行状态,重新投入操作,使通信接口又回到正常控制中,保证系统通信的可靠性。

3 通信可靠性的软件措施

3.1 多机通信接口驱动器和接收器的初始控制

在保证上述硬件可靠性之后,对通信软件的编写也应注意若干问题,否则将严重影响通信质量。由图2所示的半双工RS-485芯片结构可以看出,其接收端和发送端均有一个控制端和DE,如果相应控制端无效,数据端将处于高阻状态。在由半双工485接口构成的多机系统中,通常采用主从式通信方式,即一个主机,其余全为从机。数据传输都是通过主机与从机交互进行的。也就是说,在某一时刻仅允许一台从机与主机通信,这时其它从机处于待命状态。因此合理适时控制相关控制端将有利于通信可靠性的提高。

主机宜采用的处理器两个I/O引脚分别控制发送和接收,这样可以全面控制接收和发送,但要  求这两个控制信号同时到达485接口的DE和引脚,不能有时间差,否则半双工工作时接口出现混乱,影响通信的可靠性。各采集器分机用一个微控制器引脚控制发送和接收,允许一个分机或节点发送就不允许其接收,反之亦然。在多机上电运行时,各分机应立即处于接收状态。为此对于上电复位后I/O引脚为高电平的微控制器来说,要控制驱动器和接收器接一反相器,这样系统复位后485使接收控制端处于有效接收状态(RE=0),避免了上电时系统总线的混乱或竞争,提高了通信可靠性。

3.2 多机通信接口收/发状态转换的控制

任何485接口均存在驱动器部分和接收器部分延时。驱动器传输延时包括驱动器上升沿时间tDR以及驱动器下降沿时间tDF、驱动器输入至输出高(低)延时tDPLH(tDPHL)、驱动器使能有效至输出高(低)延时tDZH(tDZL)、驱动器由高(低)到禁止时间tDHZ(tDLZ)、接收器传输延时包括接收器输入至输出高(低)延时tRPLH(tRPHL)、接收器使能至输出高(低)延时tRZH(tRZL)、接收器由高(低)到禁止时间tRHZ(tRLZ)、驱动器关闭至使能输出高(低)延时tDZH(SHDN)(tDZL(SHDN))以及接收器从关闭至使能输出为高(低)延时tRZH(SHDN)(tRZL(SHDN))等。如果驱动器和接收器全部关闭,则关闭需要更多时间。因此在485接口控制软件设计时,必须充分考虑这些延时对通信可靠性的影响。

主机在发送与接收的切换过程中必须保证分机有足够的准备时间(考虑器件的上述延时时间),这对于快速微控制器的程序设计尤其重要。一次传输方向的切换应考虑的总延时时间不得低于tALL所示的时间。

4 结  论

对于多机数据采集系统而言,各采集器与主机的数据通信可靠性是保证整个多机系统的关键。除  了选择总线型的网络拓扑方式、走线合理、终端匹配、接口引出线尽量短、开路失效保护以及采用配置看门狗防止控制器死机等硬件措施外,在软件方面可采取适时控制接口的发送和接收等措施,可以有效地提高数据通信的稳定性和可靠性。以上多种方法已应用到笔者开发的水量采集与远程自动抄表系统中,运行可靠,效果良好。

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