S800输入、输出子系统

S800输入、输出子系统
S800 Input/Output Slave System
S800 I/O子系统是为ABB不同系列控制器提供输入、输出通道，并相对独立的一个子系统。

这一系统相应的模件等设备，可划分成多个不同的I/O站，并经过通讯接口与控制器通讯，为控制器提供有效的通道，进而形成完整的控制环境。

在用户需要用S800 I/O类产品构成完整的控制系统时，可利用以下条件：
∙可选择、配置运算容量足够大和兼顾安全特性的系统控制器；
∙可根据控制器配置的网络接口选配相应的网络结构及部件；
∙可配置与网络结构配套的就地站需要的现场总线通讯接口；
∙可用S800 I/O组成控制器需要的基本站结构；
∙可在I/O模件的配置大于基本站结构时，用扩展手段增加I/O能力；
这就意味着，用户可根据自己的需要和条件来选择、配置一个具有足够能力的控制结构。

该控制结构一般包括：控制器、控制器与I/O间的通讯网络及接口、通道模件、现场的安装端子等一系列系统的设备。

控制器经过准确的组态可进行包括：数据采集，回路、顺序、分批等不同过程控制功能。

控制器所具有的网络通讯接口又成为现场网络中的主接口与各个S800 I/O 站通讯，保证通讯方式的一致性和管理数据的传输等工作。

S800 I/O子系统将根据物理位置、通道容量、系统能力、信号类型要求等多个因素组成相应的S800 I/O站，加入到以控制器为核心的控制环境中来，承担现场信号的转换、处理等工作。

每一个站将通过网络与控制器建立起完整的数据交换通道。

这些通道就是系统必备的控制网络。

控制网络是各种过程控制信息流动的集合地。

它们都带有各自的功能和特点。

而这些功能就是我们描述的网络或通讯技术。

一. S800 I/O子系统的网络及设备
我们把控制器与S800 I/O间的一级网络称之为现场网络或现场总线。

我们把一个站内I/O模件与现场总线通讯接口间的网络称之为模件总线。

现在ABB的控制器与S800 I/O子系统间的连接，就通过的是一条具有较好开放性和标准化的网络拓扑即现场总线Fieldbus结构。

一个I/O站的模件总线是已经预制好了通讯网络，除非站扩展时需增加设备。

为了更有效地理解S800 I/O子系统使用的现场总线，我们在这里将首先介绍一些有关现场总线的基本情况。

1. 现场总线技术的应用
现场总线是在生产现场，智能设备间实现双向、串行、多节点数字通讯的一个新型的网络结构及系统。

这一系统也被称之为开放、多点通讯的控制网络。

该网络按照公开、规范的协议运行，实现就地智能设备间和现场设备与监控计算机间数据传输及信息交换的功能。

它把单个分散的智能设备变成相应的网络节点，以现场总线为纽带把它们连接成一个相互沟通讯息，共同完成过程控制任务的网络结构与控制系统。

现场总线是20世纪80年代中期发展起来的一个新的网络类型。

它一诞生就受到广大用户及控制系统厂家的极大关注。

因为它是一种采用全数字化通讯，结构更加分散，可靠性更容易获得的系统，是过程控制网络的一个重要发展方向。

现场总线设计的初衷是要解决现场变送器的网络化连接问题。

随着微处理器更为广泛的应用，CPU进入现场变送器的设想成为现实。

这就为现场设备的数字化、智能化，系统连接的网络化奠定了基础。

而现场总线这一网络结构，就成了控制系统一种理想的选择。

在过程自动化现场使用现场总线不仅解决了就地数字化的传输问题，而且把现场施工、安装费用、对现场设备的调整、维护等各种复杂的管理趋于简单化、条理化，使过程控制的现场问题更加容易解决，并且同时把过程控制的管理水平向前推进了一大步。

现场总线最直观的特点之一，就是使用两根导线连接多台智能设备，获得诸如电源、数据的传输路径等。

由于该网络结构采用了最少的通讯介质来连接最多的数字设备，所以就需要采取相应的措施来保证数据的正常传输。

而采取的措施就包括了：通讯协议、传输技术、安全校验等一系列通讯问题。

1.1 采用现场总线可获得以下特点：
现场总线技术概括起来具有以下四大特征：
✩该网络结构具有较好的开放性
系统开放是指对相关标准的一致性、公开性，更强调对采用该标准的认同、共识和遵从。

通过系统的开放，使每一结构与世界上任何遵守该相同标准的设备完成相应的连接而不需转换。

用户就可以按照自己对不同厂家产品的选择，组成随意的控制系统。

该网络结构使产品间具有较好的互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互连设备间的信息传送和交换特性；而互用性是指不同厂家功能近似的产品间互相替换的特性。

通过这一特性，用户就可获得更大的产品选择空间。

该网络为现场设备的智能化与功能自治性创造了条件
该特性的使用可使用户获得对不同现场数据采集、处理、控制功能进一步分散的结构，并可随时诊断设备的运行状况。

其结果既提高了系统的可靠性，又可简化系统就地连接等一系列现场施工问题，进而降低安装成本。

该网络对现场环境具有更广泛的适应性
现场总线是一种底层的控制网络。

它可选择双绞线、同轴电缆、光缆等具有较强抗干扰能力的通讯介质，用两根共用的数据导线连接方式，来满足如：现场设备的供电、通讯等多种实际要求。

1.2 现场总线技术的发展过程
随着计算机技术、通讯技术的发展，以及它们在过程控制领域更为广泛的应用，
同时也为获得更大的系统安全性和节省安装费用，现场设备的智能化、连接的网络化就提到了议程上来，于是世界上各个仪表制造商纷纷进行了有益的探索和开发，推出了各自的现场总线产品，形成了今日的分布格局。

1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组ISA/SP50开始制定现场总线标准；
1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究工作；
1986年，德国开始制定过程控制现场总线Process Field bus的标准简称Profibus，从此拉开了现场总线标准的制定和产品开发的序幕。

1992年，由ABB等80个厂家联合成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，在Profibus的基础上制定现场总线标准；
1993年，由Bailey等120个公司成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）组织，以法国FIP为基础制定现场总线标准；
1994年，ISP和 World FIP的北美部分合并，成立了一个现场总线基金会（Fieldbus Foundation）简称FF，推动了现场总线标准的制定及产品的开发；
1996年第一季度，基金会颁布了低速总线标准及安装示范，将不同符合FF规范的产品互连成一个网络。

此时，低速网络步入了实际应用的阶段；
1.3 目前所具有的现场总线类型
由于历史的原因，现在的现场总线还没有一个统一的总线标准，这就造成了多种通讯方式都称之为现场总线的现状。

目前，现场总线产品主要集中在这几种类型上，即：
∙ Profibus
∙ Foundation fieldbus
∙ CAN Bus
∙ Lon Works Bus
∙ Hart Bus
以上的每一种总线都有它的推崇者、制做者和使用者，这就形成了各种总线平行发展的局面。

不过我们相信该项技术总归有一天形成一个统一的标准，做到真正的技术共享、资源共享。

2. 有关现场总线技术的介绍
为了更有效地理解现场总线，在这里我们以Profibus为例介绍现场总线相应的技术和特征。

Profibus是Process fieldbus的缩写。

它是一种国际性具有开放特征的现场总线标准即EN50.170欧洲标准。

Profibus采用的是总线拓扑。

网络上的通讯设备都被分成主、从类站点。

它既采用点对点方式传播数据，也采用广播方式交换信息。

2.1 Profibus现场总线的协议结构
该总线根据应用特点可分成三个兼容的版本：
∙ Profibus－DP
∙ Profibus －FMS
∙ Profibus－PA
在以上三个兼容的版本，DP和FMS版本可在相同的总线上操作。

这三个版本基本各占有一个应用的方面，如：
Profibus－DP：它是一经过优化的高速、廉价的通讯连接结构，主要负责控制器与分散I/O间连接和数据交换。

另外，它还具有即插即用的特性。

根据ISO7498国际标准，以及以开放系统互连网络OSI为参考模式，该方式仅使用了第一物理层、第二数据链路层和用户接口；而第三至七层该方式没有对其进行描述。

Profibus －FMS：它的主要功能是完成车间级通用的控制任务。

也就是说，它能够完成监控设备间数据的交换和通讯，如：PLC、PC等设备的连接。

另外，它还可以采用循环和非循环的通讯方式操作。

根据ISO7498国际标准，以及以开放系统互连网络OSI为参考模式，该方式定义了第一物理层、第二数据链路层和第七应用层。

在应用层包括了现场总线信息规范FMS和底层接口LLI等。

Profibus－PA：它是一专业的控制网络。

其运行方式与 Profibus－DP基本一致（扩展DP），但是对信号的传送使用了符合IEC1158-2标准的本安方式。

根据ISO7498国际标准，以及以开放系统互连网络OSI为参考模式，该方式仅使用了第一物理层、第二数据链路层和用户接口；而第三至七层该方式没有对其进行定义。

2.2 Profibus的传输技术
现场总线的应用在很大程度上取决于对传送技术的选择。

而对其选择需考虑的因素可包括除传送的可靠性、传送距离、传送速度外，还需考虑操作的方便与否及网络结构的费用等。

在实际应用中，数据和电源的传送都必须在同一根电缆上进
行，这就使单一的传送技术满足不了实际的应用。

为能够更好地使用现场总线，该总线提供了三种可选择的方案即：
－DP和FMS的RS-485传送；
－PA的IEC1158-2的传送；
－光纤传送（FO）；
∙ DP、FMS的RS485传送
RS485方案适于既需高速传送而需要设施简单及便宜的应用领域。

它的基本特
RS485传输方式操作容易，允许增加或减少站点。

在系统分布投入时，不会影响其它站点的操作。

该传输技术能够满足化工的防爆要求，并且此技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称之为H1。

∙光纤传输
在干扰较大的情况下，该总线可使用光纤导体增加传输距离。

塑料光纤距离可达 50m；玻璃光纤可在1km内使用，并且在RS485端口可将电信号转换成光信号及把光信号转换成电信号，来完成数据的传输。

2.3 Profibus总线存取协议
Profibus的三种不同版本均使用了总线存取协议，并通过OSI模式的第二层加以实现。

该层称为现场总线数据链路FDL（fieldbus data link）。

同时，在此层进行有关传输协议及报文的处理等任务，并且能够有效地保证传输的可靠性。

Profibus的介质存取控制MAC（Medium Access Control）是直接控制数据传输的一个程序。

MAC将在运行中保证任何时刻只能有一个站点在发送数据。

在总线初建时，MAC将进行站点的分配和建立逻辑环，并随时监测传输介质、接收器状态、站点地址确认、令牌错误等各项任务。

Profibus总线存取协议包括了：主站间的令牌传送方式；主、子站间的主从传输方式。

令牌Token（标记）又称为总线存取权是一种特殊报文。

令牌传送方式是一种常规和较为典型的通讯类型。

同时，也是一种涉及介质访问的控制方式。

该方式使数据传输按照一定顺序在各站点传送令牌，并且谁占有令牌谁才具有发送报文的权利，而其它站点仅能接收报文。

该协议保证了主站在一确定间隔内有效地完成通讯任务。

同时，也保证主、子间能够快速和简单完成数据的传递。

令牌传递将在每一主站间按照地址顺序依次进行传递，并且在规定的时间内周期循环。

主、从方式允许主站在得到令牌时与子站通讯。

每一主站可向子站发送或索取信息，即所谓的读（Read）和写（Write）操作。

Profibus采用了令牌传递总线方式（Token Passing Bus）。

令牌网络具有两种物理形态即：令牌环和令牌总线形式。

令牌环采用了物理、逻辑同为首尾相接的环形结构。

所需的令牌将沿着环网依次传递；而令牌总线虽然物理结构是总线，但是令牌移动的逻辑将依旧按照地址顺序循环的依次传递。

这就是所谓的逻辑环。

2.4 Profibus－DP的相关技术
Profibus－DP主要用于设备级的高速数据传送。

它使控制器通过高速串行线与分散的I/O站进行通讯。

对过程数据一般采用周期方式传送。

而对配置、诊断和报警管理等信息则采用非周期的方式传送。

控制器周期的读取I/O通道所采集的数据，同时也把输出参数写入输出通道。

该总线除提供周期的数据传送外，还具有强有力的诊断、配置等功能。

2.4.1 Profibus－DP的基本功能
在该总线上可加挂多个DP主站如控制器，多个DP从站如过程I/O通道设备。

∙ DP主站和DP从站间循环数据传送；
∙各从站的动态激活和撤销；
∙ DP从站的组态检查；
∙具有三级诊断信息；
∙输入、输出的同步；
∙给DP从站赋予地址；
∙ DP从站的数据长度为246字节；
2.4.2 Profibus－DP的运行模式
Profibus－DP的运行模式取决与主站的操作状态，它具有三种方式：∙运行方式：在该方式下，总线将循环传送过程数据包括读、写操作；
∙清除方式：在该方式下，主站可从从站读取数据，而向从站输出的参数则保持在故障－安全状态；
∙停止方式：在该方式下，仅多主站间传送数据，而主、从间没有数据传送；
2.4.3 Profibus－DP的通讯
∙站点间点对点进行用户数据传送，主站以广播方式发布控制指令；
∙循环主、从站用户数据传送，非循环主、主站数据传送；
2.4.4 Profibus－DP的数据传输
∙数据传输采用RS485双绞线或光缆传输；
∙传输速率是9.6kbps~12Mbps；
2.4.5 Profibus－DP总线存取
∙各主站间采用令牌传送，主、从站间直接主从传送；
∙支持单主站或多主站系统；
∙在主、从结构内站点最大为126；
2.4.6 Profibus－DP的诊断功能
∙本站诊断操作：该诊断信息表示本站的一般操作如温度、电压等问题；
∙模件诊断操作：该诊断信息表示某一具体模件的状态如出现故障等；
∙通道诊断操作：该诊断信息表示某一具体通道的状态如出现故障等；
2.4.7 Profibus－DP同步
∙控制指令允许输入和输出的同步；
∙同步模式：仅输出保持同步；
∙锁定模式：仅输入保持同步；
2.4.8 Profibus－DP的可靠性和保护机制
∙所有信息的传输在规定的距离内（海明距离HD＝4）；
∙ DP从站带看门狗定时器；
∙ DP从站的输入、输出存取保护；
∙ DP主站带有可变定时器的用户数据传送监视；
3. S800 I/O子系统的通讯网络
随着现场总线项技术的发展，ABB将该总线应用在控制系统内部，形成了连接过程I/O的一级网络。

用现场总线解决控制器与I/O通道间的连接与通讯。

用S800 I/O组成控制系统需要选择相应的设备如：
可按照工艺要求进行组态，完成过程数据采集及控制，启动、控制通讯网络操作的控制器。

该控制器及所属接口是现场总线网络上的主站点。

可按照配置方案组成系统，尊重通讯协议，随时进行过程数据、设备状态等类信息交换的通讯网络。

该网络包括了物理介质及相应通讯接口环境。

可按照现场信号类型选择产品，为控制器提供输入、输出通道，完成与现场设备连接的I/O模件。

由该类模件组成的站成为现场总线网络上的从站点。

由于现场总线的多样化，为使系统具有更广泛的应用机会，目前ABB的控制系统支持以下现场总线的类型：
∙ Profibus－DP
∙ Profibus－DPV1
∙ Advant Fieldbus
∙ Foundation Fieldbus
S800 I/O子系统现场总线的应用应根据不同控制器连接的通讯接口，来选择相应的就地I/O站通讯接口模件。

一般，S800 I/O子系统通过Profibus和Advant Fieldbus（AF100）总线为控制器分配系统所需的I/O通道。

同时，S800也可以作为一个通讯链实现与ABB 的传动设备连接。

S800 I/O使用的现场总线所承载的数据类型：
∙相应的组态参数
系统的相应组态参数可通过以上的现场总线获取。

组态参数一般包括：标签名、信号范围、过滤时间等。

∙相应的通道及模件状态
模件的状态信息除可通过模件的LED显示获取外，还可通过现场总线获得。

如：模拟值的范围（0％~100％）；AI、AO的状态（AI、AO每第4个扫描周期，TC、
RTD每第10个扫描周期更新）数据等。

∙相应的过程控制数据
过程数据将在总线中周期的得到传送，并且数据的传送将通过总线主接口及总线来完成相应的管理和控制。

现场总线接口周期地扫描I/O模件，其典型的周期是4~108ms，具体的周期时间取决于模件的配置类型和数量。

3.1 S800 I/O站的配置
为构成控制系统，通常S800 I/O模件是以站方式配置的。

一个I/O站可包括：∙现场总线通讯接口Fieldbus Communication Interface（FCI）：1或2；
∙ S800 I/O模件：24个并分别进入：
1个基本簇结构；
可扩展7个I/O簇结构（容纳12个模件）；
I/O站的基本簇结构Base Cluster包括：
∙现场总线通讯接口（FCI）：1或2；
∙ S800 I/O模件：最多12个；
基本簇结构通过通讯接口模件与模件总线连接，把通讯接口与自己的I/O模件连接起来形成一个就地结构。

I/O站的扩展I/O簇结构I/O Cluster包括：
∙光纤模件总线modem：1个；
∙ S800 I/O模件：12个；
I/O簇结构是基本簇结构的扩展。

它将通过光纤模件总线Modem来实现。

实际上，由通讯接口模件的介质连接器引出的介质至一个光纤模件总线Modem连接器，光纤模件总线Modem又通过模件总线与I/O模件连接。

3.2 S800 I/O子系统的配置说明
在组成I/O站结构时，用户必须根据控制器的通讯接口，来选择相应的总线通讯接口，并且这些接口也以模件的方式进行安装和相应的连接。

其中站所选择的接口模件将与常规的I/O模件安装在一起构成站结构。

请注意控制器侧的通讯接口与I/O站侧的通讯接口一定具有相同的网络协议及连接器。

3.2.1 系统通讯接口的分布
：AF100除S800 I/O站外，还连接其它的站，此时配置的站数量就应相应地减少，并与其数量保持协调。

：没有是光纤模件总线扩展最多可带12模件；
3.2.3 S800 I/O站的配置举例
一个S800 I/O站与控制器的连接除需现场总线外，还需总线接口。

而I/O站应包括总线通讯接口模件、连接I/O模件的模件总线、经过配置的I/O模件等。

如果该站经过扩展，那么它还应包括模件总线Modem（TB820）等设备。

举例一（非冗余Profibus －DP配置）：
举例二（冗余 Profibus －DPV1配置）：
举例三（非冗余/冗余 Advant Fieldbus 配置）：
举例四（冗余Advant Fieldbus配置）：
在图中标注的Master是指总线主设备。

由于该设备可在总线上主动发起信息的传送，所以叫做总线主设备，又称为命令者。

在图中标注的Slaves是指总线子设备。

由于该设备不可能在总线上主动发起信息的传送，所以叫做总线子设备，又称为基本设备。

当控制器配置的S800 I/O模件多于12个时，就需要通过模件总线 Modem来完成扩展。

每一个模件总线Modem与该机架的模件总线连接，可再支持12个
I/O模件。

依此类推，经过多个模件总线Modem就完成了所有I/O的连接。

3.3 现场总线通讯接口Fieldbus Communication Interface（FCI）
为适应不同的控制器接口，S800 I/O子系统可配置几种不同型号，符合不同协议的通讯接口模件。

在这里我们以CI830通讯接口模件为例。

CI830是一个符合Profibus －DP协议的一体化接口设备。

它是一个智能设备具有相应的CPU、ROM、RAM等部件。

CI830一边通过Profibus与控制器连接，成为Profibus－DP网络上的一个从站，为控制器连接相应的I/O模件。

另一边，CI830通过S800 I/O的模件总线与本站的 I/O模件连接，形成一个就地的通道结构。

当CI830投入运行后，它就在控制器和I/O模件间架起了一座智能的桥梁。

3.3.1 CI830的主要功能：
∙ CI830把一个从站接入Profibus网络上；
∙ CI830承担S800 I/O站模件总线主站的功能；
∙为本站确定Profibus网络上的地址；
∙监视本站的I/O模件；
∙ CI830完成输入、输出值的信号处理；
∙ CI830对模件可下装组态并进行监视；
∙ CI830从输入模件扫描动态数据，把输出动态参数传送至输出模件；
∙为I/O模件提供隔离的直流电源；
∙输出预设定Output Set as Predetermined（OSP）的控制和组态；
∙可安装至DIN标准安装架上；
在CI830 的存储区内，保存着该站内所有I/O模件的组态。

Profibus主站通过该接口连续监视I/O模件的组态。

并把这些模件的状态通告Profibus主站。

当接口模件检测到一个没有组态的I/O模件，并且在其内部装有组态时，它就会自动将组态参数下载至该模件。

同时，CI830也会自动使I/O模件投入运行。

CI830将对I/O模件的信号进行处理如：线性化、滤波等。

这说明，CI830在从 I/O模件读取数据之后，以及在把输出数据发往I/O模件前，都要进行一系列的运算。

当然，信号的处理将取决于模件的类型和它的组态。

智能I/O模件进行它自己的信号处理任务。

而CI830仅承担数据移动时的信号处理工作。

由此而减轻了CI830模件的工作负荷，使它能够有时间照顾其它本站配置的模件，完成更多的服务工作。

S800 的输出模件都具有OSP特性，这是因为模件具有OSP看门狗计时器。

当读不到它时，说明通讯发生了中断，此时将启动OSP功能。

CI830模件内也有看门狗计时器，当它消失或超时时，说明Profibus通讯出现了问题。

此时，连带的S800的输出模件的看门狗计时器也会消失或超时，这就强迫模件进入OSP操作。

3.3.2 CI830模件的结构
CI830本身就为一个模件和外部连接端子一体化的设备。

在模件上具有相应的运行状态LED，在端子部分具有Profibus网络接口、电源接口、扩展连接的接口，以及内部电源、数据传送的接口等部件。

CI830具有四个基础部件。

它们分别是：模件端子卡、电源卡、处理器卡和光电接口卡等。

正如方块图描述的那样。

∙电源卡：该卡包括隔离的电源转换器，＋5VDC的短路保护，光隔离的服务口 RS－232的接收和驱动；
∙处理器卡：该卡包括CPU、PROM、RAM、模件总线接口、 Profibus协议电路、LED显示电路、2个地址设置开关；
∙端子卡：该卡包括DIN安装架接地口、电源引入和冗余电源监视口、现场总线 D型口等；
∙光电接口卡：该卡包括光纤模件总线接口和电模件总线接口；
在CI830模件的外部提供一系列的LED和相应的连接端子。

它们包括：
∙模件具有7个LED指示模件的运行状态；
∙模件具有2个拨码器完成网络地址的设置；
∙在端子上有一个9针的D型连接器，连接控制器的CI851的TB851端子单元设备所提供的Profibus －DP网络；
∙在端子上有一个电源连接器，把外部电源模件提供的24VDC接入结构；
∙通过内部连接器把24VDC分布至相应I/O模件；
∙通过内部接口把CI830与S800的模件总线连接起来；
∙通过相应端子TB810/TB811完成与TB820模件总线Modem的连接；
3.3.4 CI830模件LED显示的信息
CI830模件上的LED将分别指示运行状态、电源状态、现场总线状态和光纤模件总线运行状态等信息。

F－LED在模件上电或出现出错时点亮。

模件在上电时进行自诊断，如果没有发现问题，F－LED将关闭。

3.3.7 CI830模件的地址拨码器
在CI830上具有2个拨码器，用来选择Profibus －DP网络站的地址。

其地址范围是0~79。

如果超出该范围CI830将进入出错状态。

每一Profibus －DP段可配置32个站。

3.3.8 CI830模件的电源连接器
CI830模件需要24VDC（19.2~30VDC）/最大1.4A。

3.4 CI830模件的动态数据交换。