基于GENIUS總線通訊的研究

黃月鐳 胡楠

（中海石油華鶴煤化有限公司 黑龍江省鶴崗市 154100）

Genius 總線是美國GE FANUC 自動化公司推出的一種工業(yè)控制總線，它既是I/O 總線又是通信網(wǎng)絡(luò)，非常適合大量I/O 處理和數(shù)據(jù)傳輸，可作為一個網(wǎng)絡(luò)或者一個交換實時信息的高速局域通信網(wǎng)來進行工作，對安裝在不同位置上的I/O 進行系統(tǒng)控制，可連接32 個設(shè)備,以連續(xù)通信的形式傳遞在他們之中的數(shù)據(jù)。總線上的通信信息包括輸入和輸出數(shù)據(jù)信息、全局信息和診斷的信息，該總線可實現(xiàn)同 PLC90-30、PLC 90-70、Versamax、人機接口軟件Cimplicity HMI 和Frameworx 通訊，完成數(shù)據(jù)交換工作。我公司采用GMR 系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括PLC 90-70、Versamax 具有典型的學習意義，結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

1 總線和通訊概貌

總線上連接的I/O 設(shè)備以連續(xù)通信的形式傳遞在他們之中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包括輸入和輸出數(shù)據(jù)、全局信息和診斷的信息，總線控制器由計算機控制,處理CPU 和通信總線之間的數(shù)據(jù)傳遞。外設(shè)手持監(jiān)視器提供一個方便的操作界面用于模塊設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)視和診斷。每個Genius 設(shè)備有一個定制的的集成電路通信接口，它執(zhí)行通信協(xié)定和錯誤檢查。網(wǎng)絡(luò)訪問通過令牌傳遞，運用固有令牌和快速令牌恢復(fù)運算法則。固有令牌確保設(shè)備在線或離線的轉(zhuǎn)變不擾亂其他站點的運算，循環(huán)冗余校驗為每個信息的提供高可靠度。

傳遞方法：一條總線上的通信是通過一個被稱為令牌傳遞的方法進行。設(shè)備將傳送一個固有令牌,這個令牌在從設(shè)備0 到設(shè)備31中按順序旋轉(zhuǎn)，這一個順序叫做總線掃描。如圖2，在設(shè)備31 已經(jīng)完成后，它會在總線上返回并重新開始掃描在設(shè)備0。當一個設(shè)備有令牌時，它能發(fā)送信息。

2 波特率的選擇

Genius 總線能以四個波特率之一運行：153.6Kbaud（標準），153.6Kbaud（擴展），76.8Kbaud 或38.4Kbaud。在為總線選擇波特率的時候，需遵從以下原則：

（1）在一個總線上的所有裝置一定以相同的波特率運。

（2）如果有在總線上有部分Genius 的舊產(chǎn)品( 目錄數(shù)IC660CBDnnn，IC660CBSnnn，IC660CBAnnn，IC660HHM500 或IC660CBB900),總線必須使用153.6Kbaud(標準)。

（3）如果纜線長度是在4500 和7500 英尺之間,應(yīng)選擇 38.4 Kbaud。該傳送速率最多支持16 個在線設(shè)備。

（4）如果纜線長度是在3500 和4500 英尺之間,選擇76.8 Kbaud。

（5）如果纜線長度是在2000 和3500 英尺之間,選擇153.6 Kbaud（擴展）。

（6）如果纜線長度少于2000 英尺，可用153.6Kbaud（標準）或者153.6Kbaud（擴展）。

（7）在嘈雜的環(huán)境中，選擇153.6Kbaud（擴展），因為該波特率能夠損失很少的總線掃描時間就提供了更強的抗噪性能。

3 總線通訊方式

Genius 總線提供全局數(shù)據(jù)（GLOBAL DATA）和數(shù)據(jù)報文（DATA GRAM）兩種類型的信息傳送方式，前者可自由收發(fā)數(shù)據(jù)而無需編程，后者是從總線上一臺設(shè)備送到另一臺設(shè)備依次傳送信息。

3.1 全局數(shù)據(jù)

全局數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮?shù)在Genius 總線控制器(IC697BEM731)和總線設(shè)備在傳送數(shù)據(jù)時就已經(jīng)設(shè)定完成。此端口可以配置為從任何總線控制器接收全局數(shù)據(jù)?？偩€控制器的全局數(shù)據(jù)地址和長度可設(shè)置為手動設(shè)置，也可以選擇自動配置。

如果選擇了手動配置模式，全局數(shù)據(jù)可能從%I、%Q、%G、%R、%AI 或 %AQ 內(nèi)存發(fā)送，最多可以選擇128 字字節(jié)的長度。

如果選擇自動全局數(shù)據(jù)配置，Logicmaster 90-70 程式編制軟件自動在%G 內(nèi)存中分配參考地址至全局數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)報文

在Genius 總線上的任何PLC 或計算機能發(fā)送數(shù)據(jù)報文給在總線上的任何設(shè)備。不同類型CPU 提供不同的數(shù)據(jù)報文設(shè)計，如90-70 PLC 系列發(fā)送數(shù)據(jù)報文：使用COMREQ 指令發(fā)送命令到總線控制器。命令可以產(chǎn)生一個特定的報文，例如脈沖測試或者寫組態(tài)。90-70 PLC 系列接收數(shù)據(jù)報文：使用COMREQ 指令發(fā)送特定報文到總線控制器。5 系列PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)報文：發(fā)送報文到另一個5 系列PLC，使用WRITECCM 指令。5 系列PLC 接收數(shù)據(jù)報文使用ReadCCM 指令。雖然給每個處理器型態(tài)的程序規(guī)劃指令是不同的，但是操作是相似的：處理器給總線控制器傳達一個執(zhí)行信息，總線控制器自動地執(zhí)行被請求的行。

3.3 全局數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)報文選擇

數(shù)據(jù)報文和全局數(shù)據(jù)有一些不同點：

（1）全局數(shù)據(jù)可以被反復(fù)傳送。處理發(fā)送和接收設(shè)備都很簡單，不需要額外的編程來開始總線控制器和總線間的傳輸。但每個報文都需要一個程序指令來發(fā)送和接收，并且它的狀態(tài)也必須被監(jiān)控。

（2）90-30 系列PLC 只能接收全局數(shù)據(jù),不能接收數(shù)據(jù)報文。

（3）如果出現(xiàn)下面情況，考慮使用單個數(shù)據(jù)報文，而不是全局數(shù)據(jù)：

1.全局數(shù)據(jù)占用太多的應(yīng)用程序掃描時間；

2.數(shù)據(jù)不需要在每次總線掃描時發(fā)送；

3.總線上的部分CPU 而不是所有CPU 需要此數(shù)據(jù)；

4.數(shù)據(jù)必須送至6 系列或5 系列PLC 中的I/O 表內(nèi)存；

3.4 終端電阻

對于在總線上的第一個設(shè)備,屏蔽可以預(yù)留不連接。而對于在總線上的最后一個設(shè)備，需要在末端安裝終端電阻器，總線的每個終點必須連接一個與電纜類型匹配的電阻，阻抗選擇有75Ω,100Ω,120Ω 和150Ω。

4 掃描時間

總線上服務(wù)I/O 的反應(yīng)時間能確定I/O 在總線上的分布。服務(wù)響應(yīng)I/O 的一個總線控制器應(yīng)該輕負載（6 到10 個模塊），通常需要30±50ms 反應(yīng)時間的I/O 可以載入總線控制器以滿足應(yīng)用需求。對于I/O 服務(wù)時間很重要的應(yīng)用程序，可以通過增加循環(huán)中每個部分的時間，從而估算輸入到輸出的反應(yīng)時間。掃描循環(huán)路徑如圖3所示。

對于約束在相同模塊的離散輸入，反應(yīng)時間是配置的輸入濾波器時間和應(yīng)用程序的總執(zhí)行時間之和。但由于存在不同步情形，多個輸入取樣時期、總線掃描以及程序執(zhí)行可能在輸入/輸出反應(yīng)時間內(nèi)發(fā)生，所以也可以由計算來估得，系統(tǒng)掃描時間估算公式如下：

T=2×Tss+Tf+2×Tcpu+3×Tbus

式中：

Tf——輸入濾波器時間

Tss——總輸入取樣周期

Tcpu——程序執(zhí)行總時間

Tbus——總線掃描總時間

圖1：Genius I/O 總線框架結(jié)構(gòu)

圖2：令牌傳遞示例

圖3：掃描循環(huán)路徑

5 結(jié)束語

Geinus 總線技術(shù)不但優(yōu)化了自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時其合理的配置也降低了成本。運行系統(tǒng)的過程中，Genius 總結(jié)及其附屬設(shè)備很少需要故障檢修。常見故障最常見于新系統(tǒng)啟動時，其錯誤通常是由布線、地址設(shè)置或終端電阻不匹配等原因引起。Genius I/O診斷信息可以協(xié)助查看入和輸出電路以及I/O 模塊中的錯誤，軟故障可能是由過大或者過小的輸出負載、短路或者輸入超載引起。這種情況下，I/O 模塊將關(guān)閉其中錯誤電路直至該電路能成功運行。所以作為運維人員詳細了解Genius I/O 模塊、總線控制器、CPU 以及手持監(jiān)視器之間的關(guān)系十分重要，其中GMR 系統(tǒng)在工程實踐中的諸多成功應(yīng)用案例，如我公司的ESD 統(tǒng)采用GE GMR 系統(tǒng)，該系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)就采用Geinus 總線，該套系統(tǒng)共設(shè)計1500 余點，投產(chǎn)運行的5年期間安全穩(wěn)定，證明了Geinus 網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、操作簡單、維護方便等特點。