2023年11月6日

最全的工业控制常用接口协议大全

作者 admin

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I/O接口概念

I/O接口是一种电子电路(形式为IC芯片或接口板),由若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路组成。 它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁。 CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换需要通过接口设备来实现。 前者称为I/O接口,后者称为内存接口。 存储器通常在CPU的同步控制下工作,接口电路比较简单; 而I/O设备的种类很多,对应的接口电路也各不相同。 因此,习惯上所说的接口只是指I/O接口。

I/O接口基本功能

(1) 选择端口地址译码设备。

(2)提供I/O设备的状态信息,解码命令给CPU。

(3)时序及相应的时序控制。

(4) 为传输的数据提供缓冲,以消除计算机与外设在“时序”或数据处理速度上的差异。

(5) 提供计算机与外设之间相关信息格式的兼容性转换。提供电气适配

(6) 也可以以中断方式实现CPU与外围硬件之间的信息交换。

控制方式

(1)节目查询方式

这样CPU通过I/O命令查询指定外设的当前状态。 如果外设就绪,则输入或输出数据,否则CPU等待,循环查询。

这种方法的优点是结构简单,只需要少量的硬件电路。 缺点是由于CPU的速度远高于外设,所以通常处于等待状态,工作效率很低。

(2)中断处理方法

这样CPU就不再被动等待,而是可以执行其他程序了。 一旦外设准备好进行数据交换,它就可以向 CPU 发出服务请求。 如果CPU响应了请求,就会暂时停止当前程序的执行,转而去执行请求对应的服务程序,完成后,继续执行原来被中断的程序。

中断处理方式的优点是显而易见的。 不仅节省了CPU查询外设状态和等待外设就绪的时间,而且提高了CPU的工作效率,满足了外设的实时性要求。 但是,每个I/O设备都需要分配一个中断请求号和相应的中断服务程序。 此外,还需要一个中断控制器(I/O接口芯片)来管理I/O设备提出的中断请求,比如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。

另外,中断处理方式的缺点是每发送一个字符就必须进行一次中断,必须启动中断控制器,并且必须保留和恢复现场以继续执行原来的程序,这就占用了大量的工作,所以如果需要大量的数据交换,系统性能会很低。

(3) DMA(Direct Memory Access)传输方式

DMA最明显的特点之一就是它不使用软件,而是使用专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交换,无需CPU干预,大大提高了CPU的工作效率。

在DMA数据传输之前,DMA控制器会向CPU申请总线控制权。 如果CPU允许,它就会交出控制权。 因此,在数据交换过程中,总线控制权由DMA控制器掌握。 传输完成后,DMA 控制器将总线控制权交还给 CPU。

(4)无条件传输方式

(5) I/O通道模式

(6) I/O处理器模式

工业控制网络

工业控制网络一般是局域网,作用范围一般在几公里以内。 将分布在生产装置周围的测控设备连接成具有不同功能的自动化系统。 控制网络分布在工厂的生产车间、流水线、大棚、粮库、大坝、隧道、各种交通控制系统、建筑、军工、消防、环保检测、建筑和家居等。

工业控制网络的节点

工业控制网络的节点多为具有计算和通信能力的测量设备。 它们可能有嵌入式CPU,但功能比较简单,计算能力可能远不及普通PC,也没有键盘、显示器等人机交互界面。 有的甚至没有CPU或单片机,只有简单的通讯接口,如限位开关、感应开关等开关,光电、温度、压力、流量、液位等各种传感器和变送器。数据采集​​设备等

控制网络任务和工作环境

工业控制网络不得不面对工业生产的强电磁干扰、各种机械振动、严寒酷暑的野外工作环境。 需要控制网络来适应这种恶劣的工作环境。 此外,自控设备千差万别,往往很难实现控制网络的互联互通。

控制网络实时性要求

控制网络必须满足控制的实时性要求。 实时控制往往需要对某些变量数据进行精确的定时刷新,控制功能必须在一定的时限内完成,或者相关的控制动作必须按照[1]项规定的顺序完成。

现场接口分类

基于控制网络的这些特点,各种接口必须满足控制网络的要求。 目前工业现场有四种接口[2]:

(1) 平台相关通用协议:OPC/DDE

OPC 的提出是为了标准化不同供应商的设备和应用程序之间的软件接口,并简化它们之间的数据交换。 从而可以为用户提供独立于特定开发语言和开发环境,可以自由组合使用的过程控制软件组件产品。

(2)平台无关的通信协议:ModBus、ProfiBus

Modbus 协议是电子控制器中使用的通用语言。 通过此协议,控制器可以相互通信,并通过网络(如以太网)与其他设备通信。 它已成为通用的行业标准。 通过它,可以将不同厂家生产的控制设备连接成一个工业网络,进行集中监控。 Profibus 是一种国际性的开放式现场总线标准,不依赖于设备制造商。 Profibus 传输速度可在9.6kbaud ~ 12Mbaud 范围内选择,当总线系统启动时,连接到总线上的所有设备都应设置为相同的速度。 广泛应用于制造自动化、过程工业自动化以及建筑、交通、电力等其他领域的自动化。 Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通讯和控制的现场总线技术。

(3)平台无关的专有协议:大部分DCS协议、工业以太网协议

(4) 特殊协议:通过编程口、打印口等特殊方式获得的协议

工业传输通信协议种类繁多,主要是历史遗留和人为垄断所致。 尽管目前仍有大量的现场总线标准,但没有一个标准比工业以太网更具生命力[2]。

各种现场总线/协议/接口总结[3]

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例如:

Beckhoff 的 CX9000 可以通过总线耦合器连接到多种总线上:

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EtherCAT 可以集成多种现场总线:

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类似的扩展其他总线的物理图有:

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可以看出上面展开的几条总线是:

参考:

[1] 杨先惠. 现场总线技术及其应用[M]. 清华大学出版社,2008.

[2] 张云. 工控实时数据库接口协议研究[J]. 工控计算机, 2011(09):18-19.

[3] 工业自动化领域的各种总线+协议+规范+接口; ().

[4] 百度百科,I/O接口。