工業控制器區域網路

工業控制器區域網路

工業控制器區域網路(iCAN)系統全稱為“工業CAN-bus現場匯流排控制系統(IndustryCAN-busFieldbusControlSystem)”,它是一種基於CAN-bus(ControllerAreaNetwork)的現場匯流排控制系統。作為一種串列通訊技術,CAN-bus是20世紀80年代中後期適應汽車控制網路化要求而產生並迅速發展起來的,並已成為開放的國際標準通訊協定(ISO11898),在眾多領域得到了廣泛的套用。目前,有許多著名的大半導體製造商生產CAN晶片,並在工業中得到了很廣泛的套用。

工業控制器區域網路典型ican系統
工業控制器區域網路(iCAN)系統全稱為“工業CAN-bus現場匯流排控制系統(IndustryCAN-busFieldbusControlSystem)”,它是一種基於CAN-bus(ControllerAreaNetwork)的現場匯流排控制系統。作為一種串列通訊技術,CAN-bus是20世紀80年代中後期適應汽車控制網路化要求而產生並迅速發展起來的,並已成為開放的國際標準通訊協定(ISO11898),在眾多領域得到了廣泛的套用。目前,有許多著名的大半導體製造商生產CAN晶片,並在工業中得到了很廣泛的套用。

系統組成

1.主站
iCAN主站是iCAN網路中用於管理配置其它從站的設備,一個典型的iCAN系統由1個iCAN主站和多個iCAN從站組成。

iCAN主站是iCAN系統的信息處理中心,iCAN系統中的數據採集從站採集到的信號都送至主站,主站對輸入信號進行處理後,傳送相應的控制信號給特定的從站以執行控制功能。

iCAN主站是iCAN系統的控制管理中心,完成匯流排通信控制和管理、從站數據讀寫、系統配置、故障診斷等功能。

2.從站
iCAN設備由CAN-bus接口、資源節點和功能單元組成。

工業控制器區域網路CAN-bus接口
CAN-bus接口實現設備與CAN-bus網路的數據交換,接收網路中CAN報文,按照一定的規則進行處理,並傳送CAN報文到CAN-bus網路。

設備資源節點是iCAN設備與iCAN主站交換數據的緩衝區。iCAN設備對iCAN主站而言就是一些資源節點的集合。設備中不同的功能單元對應不同的資源節點,如開關量輸入/輸出單元對應於DI/DO資源節點,模擬量輸入/輸出單元對應於AI/AO資源節點。

設備功能單元包括完成信號採集與信號控制的實際套用單元及其相關的參數配置部分。設備功能單元完成實際的設備套用,如採集不同類型的輸入信號、提供各種輸出信號等。

在iCAN網路中,iCAN設備對iCAN主站而言就是一些資源節點的集合,iCAN主站與iCAN從站之間通過資源節點交換數據,iCAN設備完成資源節點數據和設備套用單元功能的映射

對於iCAN設備輸出功能單元(如開關量輸出、模擬量輸出等)的訪問,iCAN主站將要設定的值寫入設備對應的資源節點,iCAN設備從資源節點讀取數據並反映到實際的輸出功能單元。

對於iCAN設備的輸入功能單元(如開關量輸入、模擬量輸入等),iCAN設備將實際的輸入功能單元的當前值寫入對應的資源節點,iCAN主站通過讀取iCAN設備的資源節點獲取相應輸入功能模組的當前值。

系統類型

1.匯流排接口型
典型的iCAN系統使用匯流排型網路拓撲結構,iCAN網路的幹線兩端必須安裝120偶姆終端電阻,網路中節點通過支線連線到幹線上,同一匯流排上最多可連線64個iCAN節點,且每個iCAN節點的地址唯一。

工業控制器區域網路ican網路拓撲結構

iCAN節點的類型有主站和從站兩種,從站用於數據採集和執行控制功能;主站用於管理從站。同一匯流排上的iCAN節點允許構成單主站或多主站系統。

2.單主站系統
在系統運行期間,匯流排上只有一個活動的主站,該主站可以管理匯流排上的所有從站,如下圖所示。

工業控制器區域網路單主站系統

3.多主站系統
匯流排上連有多個主站。這些主站與各自的從站構成相互獨立的子系統。每個子系統包括一個主站和與其建立連線的若干從站。任何一個主站都可以與處於空閒狀態的從站建立連線,將其納入自己的子系統進行數據通信;處於連線狀態的從站不再回響其它主站的命令,直到與之建立連線的主站下線。

特點
1.低成本的通信鏈路
iCAN系統提供一個低成本的通信鏈路,它使用CAN-bus將工業現場設備(如感測器、儀表等)與管理設備(工控機、PLC等)連成網路,從而消除了昂貴的連線線路。

工業控制器區域網路典型ican系統

2.完整的數據採集控制解決方案
iCAN系統是一個完整的數據採集控制解決方案。它以iCAN協定、iCAN主站設備和iCAN從站設備)為核心,配套iCAN配置工具軟體、iCAN協定庫和OPC伺服器以便用戶快速套用。提供iCAN開發套件供用戶迅速入門,並提供iCAN多協定網關,供用戶兼容其它如ProfibusDeviceNetCANOpen等通信網路。
工業控制器區域網路ican系統構架

3.開放的協定
iCAN協定是一個開放式的協定,由中國廣州致遠電子有限公司開發套用,由“iCAN用戶組織”負責維護和推廣,加入“iCAN用戶組織”即可獲得iCAN協定、開發資料及專業的技術支持。
工業控制器區域網路開放的協定

4.廣泛的系統套用
iCAN系統是一個簡單、高效、易用的FCS系統,主要套用領域如下:
工廠自動化,設備自動化,水處理,工程機械,船舶,油田,煤礦………

協定

1.iCAN協定分層結構
iCAN協定全稱“IndustryCAN-busApplicationProtocol”,即工業CAN-bus套用層協定。iCAN協定沿用了CAN協定標準所規定的匯流排網路的物理層數據鏈路層,對CAN-bus報文中的幀標識符和數據域進行了重定義。iCAN協定位於OSI模型的第7層,如下圖所示。

工業控制器區域網路OSI模型

2.iCAN協定內容
iCAN協定詳細的定義了CAN-bus報文中幀標識符以及數據的分配和套用,建立了一個統一的設備模型,定義了設備的I/O資源和訪問規則,主要內容如下:
2.1 iCAN報文格式定義,規定了iCAN協定規範中使用的CAN幀類型、以及幀ID、報文數據的使用
2.2 報文傳輸協定,規定了基於iCAN協定的設備之間的通訊方式
2.3 設備的定義,設備標識、設備套用單元、設備通訊以及套用參數以及定義標準設備類型,區分網路上設備具有的不同功能或者產品類型
2.4 網路管理,規定了設備通訊監控以及錯誤管理。

3.iCAN協定特點
iCAN協定在汲取DeviceNET和CANopen協定之精粹基礎上,充分繼承和發展了基於連線和對象定址兩種核心功能。支持多種傳輸方式,包括輪詢方式狀態觸發方式以及定時循環方式,還根據國內實際情況,去掉了諸如複雜的基於對象模式、通信波特率限制等因素,以高效精煉的協定,保證了數據通信的可靠性實時性,有效降低了硬體實現成本。

基於節點地址的設備定址,iCAN網路中支持多達64個節點
支持輪詢和事件觸發通訊方式,保證了數據通信的實時性
基於資源節點的設備數據定址方式,簡化了主站和從站間數據交換方式
統一的設備模型,提高了設備的易用性和互換性
完善的網路管理,有效監控所有通信節點,保證了數據通信的可靠性

4.iCAN協定中專有名詞解釋
源節點:傳送報文的節點
目標節點:接收報文的節點
主站(主控節點、主控設備、主站):基於iCAN協定網路中的管理設備,負責管理整個網路中的通訊,可以為PC或者嵌入式設備
從站(受控節點、受控設備、從站):基於iCAN協定網路中的I/O設備單元,主站建立與從站的數據通訊,從從站獲取輸入數據,並向它分
配輸出數據
節點:iCAN網路中主站和從站
資源節點:指設備中特定的套用單元,如I/O連線埠
資源子節點:指設備中特定配置單元中的子單元,如配置資源 
MACID:MediaAcessControlID,媒體訪問控制標識。iCAN網路中節點的唯一標識。

擴展

iCAN系統簡單、靈活、高效,同時具有良好的擴展性。可以使用CAN-bus網橋、集線器等改變iCAN網路的拓撲結構、延長通信距離;也可以為iCAN網路增加乙太網通訊方式,使iCAN網路與管理層緊密結合;還可以連入已有的國際標準現場匯流排網路,如DeviceNET、CANOpen、Profibus等。

工業控制器區域網路網路拓撲結構擴展
網路的拓撲結構
常規的iCAN網路使用匯流排式網路拓撲結構,根據實際套用中設備的安裝和布線要求,iCAN網路可以使用CAN-bus網橋、CAN-bus集線器等擴展iCAN網路的拓撲結構。
在iCAN系統中還可以靈活地採用CAN-bus網橋設備,以滿足實際套用中設備安裝和布線要求,或者滿足網路的通訊速率、通訊距離的要求。此外iCAN網路也可以通過CAN-bus網關設備方便的與其它類型的網路互聯,例如iCAN網路與乙太網、RS232/RS485網路以及光纖網路的連線。

通訊方式擴展

工業控制器區域網路通訊方式擴展

如圖所示乙太網在工業控制系統中的套用,尤其是向底層設備網路的延伸,最大的優勢是能夠將現場的儀表、設備無縫的連線到企業的管理層,組成更加靈活的透明度更高的工業控制網路系統。iCAN網路可以通過CANET-E設備連線乙太網,通過乙太網進行遠程的監控和管理,使底層的iO設備與上層網路的連線更加緊湊。

工業控制器區域網路連線到其它現場匯流排網路

連線到其它現場匯流排網路
具有國際標準協定的現場匯流排網路具有通用、品種齊全的優點,但是價格通常比較昂貴,這時,可以使用性價比高的iCAN網路代替其部分功能,達到兼顧系統的通用性和成本的目的。
經過iGate-X網關的轉換,以DeviceNet網路為例,DeviceNet的主控設備把整個iCAN網路看成自己的一個網路從站設備,不用作任何修改就能無縫接入,iCAN網路的各種數據可以透明的交換。有了iGate-X網關,iCAN網路不再寂寞!低成本,高效能,易開發的iCAN網路將會深入自動化控制的每一個領域。
為PLC擴展iCAN系統

工業控制器區域網路為PLC擴展iCAN系統

早期的PLC控制器具有可靠、實時、易於編程的特點,但系統不易擴展,遠程聯網能力弱,也不便增加新的控制功能。iGate-X網關結合串列通訊RS232/RS422/RS485接口與現場匯流排iCAN接口,具有與三菱MITSUBSHI、西門子SIEMENS、施耐德SCHNEIDER等眾多廠商PLC通訊的能力,可將PLC控制器與先進的iCAN分散式控制網路無縫聯網,實現以PLC控制器為核心的遠距離、多節點、可變拓撲組網,滿足現代設備網隨需而變的各種套用,可以節省大量的電纜成本,降低系統的設計、施工、維護費用。PLC-iCAN網路兼容PLC控制器的優勢,廣泛適合各種不同規模的貨場、車庫、自動機械等場合,iGate-X網關後續會提供了與更多PLC廠商設備通訊的擴展接口。

如圖所示的套用實例中,三菱PLC用於智慧型車庫的控制系統,由於車庫中的感測器和控制比較分散而且距離較遠,用PLC的I/O直接控制會導致布線成本增加,PLC的I/O點數增加,施工難度加大,後期維護成本也跟著增加。更加致命的是系統的可擴展性差,不易擴展功能。而使用iCate-MT-P網關後,使用iCAN4050數字量輸入模組和iCAN2404繼電器輸入模組,即可構建簡單的iCAN網路,輕鬆地用CAN匯流排把採集點連線起來,大大節約了線材,降低施工難度和靈活性,同一台主控PLC通訊即可為PLC擴展現場匯流排控制功能。

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