工业上的几种通讯协议.docx
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每个仪表都有自己独特的通讯协议,常见的有modbus通讯协议、RS-232通讯协议、RS-485通讯协议、HART通讯协议等等,那么这些通讯协议究竟是怎么工作的,有哪些优缺点呢?
本文将重点介绍目前常见的几种通讯协议!
帮助仪表人学习。
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。
常用的仪表通讯协议有:
·modbus通讯协议
·RS-232通讯协议
·RS-485通讯协议
·HART通讯协议。
·MPI通信
·串口通信
·PROFIBUS通信
·工业以太网
·ASI通信
·PPI通信
·远程无线通信
·TCP
·UDP
·S7
·profibus
·pofinet
·MPI
·PPI
·Profibus-DP
·Devicenet
·Ethernet
Modbus通讯协议1
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。
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,可以使一个主站对应多个从站进行双向通信。
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-从方式,主站发出数据请求消息,从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求;主站也可以直接发消息修改从站的数据,实现双向读写。
主/从原理
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。
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
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
RS-232通讯协议2
RS-232是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)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。
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。
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。
“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。
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接口定义(9芯)
RS-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(-)
12~17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
23~24未定义
25接收返回(-)
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”。
25针串口通信接线方法
RS-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)。
RS-485通讯协议3
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的电气特性:
逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)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。
传播速率:
RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
RS-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。
波特率:
1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、125K
通信接口方式:
RS485接口:
异步,半双工,串行
数据格式:
1位起始位、8位数据位、1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
当与现场总线适配器PROFIBUS连接时采用默认数据格式。
RS-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。
9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:
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。
HART协议4
HART(HighwayAddressableRemoteTransducer),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
·4~20mA模拟信号+数字控制信号(FSK技术)
·支持双绞线全数字通信,可构成15个站网络
·支持OSI开放体系结构,1、2、7、层
通信模型:
物理层:
基于Bell202通信标准的FSK技术,基本内容:
波特率 1200bps (速度较慢)
逻辑1