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第七章 电器智能化网络

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第七章 电器智能化网络

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  1. 第七章 电器智能化网络 本章主要内容和要求: • 数字通信基础知识 • 了解常用的现场总线的知识 • 掌握Profibus相关知识 • 了解电器智能化网络的结构与设计 • 掌握软件测试的方法 课件部分摘自:wang yong hua ,现场总线技术及应用教程

  2. 7.0 数字通信基础知识 • 数字通信系统的主要性能指标 • 数字信号的传输方式 • 数字通信网络传输介质 • OSI参考模型的功能划分

  3. 7.1 现场总线 7.1.1 现场总线的产生背景 (1)技术进步的要求 对生产过程及设备信息的实时性、信息量、速度、精确性等要求的提高和改善。 (2)技术基础:3C 电子计算机(Computer)技术、控制(Control)技术和通信(Communication)技术的发展。

  4. 7.1.2 现场总线及现场总线控制系统的定义 国际电工委员会在IEC61158中给现场总线的定义:安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。 主要角色 总线技术 使用场合

  5. 现场总线控制系统的定义 • 定义:基于现场总线技术的全数字式的控制系统称为现场总线控制系统,即FCS(Fieldbus Control System)。 • 组成:一般来说FCS由控制部分(主站)、测量部分(从站)、软件(组态、管理等)以及网络连接及集成设备组成。 • IEC61158中没有对FCS下一个明确的定义。

  6. 7.1.3 现场总线的特点 • 1、总体概述 • 现场总线的特点主要体现在两方面: • 实现串行连接,克服并行连接的许多不足。 • 解决开放竞争和设备兼容两大难题,实现了现场设备的高度智能化、互换性和控制系统的分散化。

  7. 2、现场总线的结构特点 • 基础性 构成最基础的控制和通信环节。 • 灵活性 很容易去掉或增加一个或几个现场设备。 • 分散性 彻底的分散控制。

  8. 3、现场总线的优点 • 节约硬件数量与投资 • 节省安装费用

  9. 7.1.4 现场总线的国际标准及其制定过程 • 1、现场总线战争 在上个世纪九十年代,围绕着现场总线标准的竞争有时也称为“现场总线战争”(fieldbus wars)。 • 2、工作组组成 • 早在1985年开始标准化工作,该标准由为国际测量与控制学会,简称仍为ISA制订。 • 标准号及名称:该标准号为IEC现场总线国际标准:IEC61158,其标题是“用于测量和控制的数字数据通信-用于工业控制系统的现场总线”。

  10. 3、 技术报告的形成 • 现场总线物理层规范IEC61158.2在1993年才成为国际标准,1998年才形成了一个FDIS(Final International Standards)标准,即IEC61158技术报告。 • 技术报告的主要内容以及和OSI对应关系 。

  11. 4、投票过程及结果 • 过程: • 在1998年9月投票决定现场总线的标准时,无果而终。 • 在1999年12月通过了一个妥协性的方案,8种现场总线一起成为IEC61158中的标准,IEC在2000年1月4日公布了这8种现场总线。

  12. 结果 • Type 1 IEC技术报告(即FF的H1); • Type 2 ControlNet (美国Rockwell公司支持); • Type 3 PROFIBUS (德国Siemens公司支持); • Type 4 P-net (丹麦Process Data公司支持) • Type 5 FF HSE(High Speed Ethernet) (即原FF的H2,Fisher-Rosemount公司支持); • Type 6 SwiftNet (美国Boeing公司支持); • Type 7 World FIP (法国Alstom公司支持); • Type 8 Interbus (德国Phoenix Contact公司支持); 在2000年底又对IEC61158作了补充,除了对以上8种现场总线的细节内容作了调整和补充外,最显著的变化就是又增加了2种类型作为IEC61158的标准,它们是: • Type 9 FF FMS (美国Fisher-Rosemount公司支持); • Type 10 PROFINET(德国Siemens公司支持); • 现在:Type11~Type20

  13. IEC62026 • IEC TC17B制定的另一个非常重要的标准IEC 62026 是关于低压开关装置和控制装置用控制电路装置和切换单元(Control circuit devices and switching elements for low-voltage switchgear and controlgear)的现场总线标准,其中汇集了多种现场总线。它的各部分分别是: • 第一部分 通用要求( General requirements)。 • 第二部分 执行器、传感器接口( Actuator sensor interface ),即AS-I总线。是最简单的总线。是目前最受欢迎的总线之一。 • 第三部分DeviceNet。这是基于CAN的总线。 • 第四部分LonTalk。LonTalk是LonWorks(Local Operating NetWorks)总线的通信协议。这是一种拥有OSI全部七层协议的总线。这种总线在构成网络时特别方便。

  14. IEC62026 • 第五部分 智能分散系统(Smart distributed system ),即SDS总线。这也是一种基于CAN的总线。 • 第六部分 串行多路控制总线(Serial Multiplexed Control Bus),即Seriples或 SMCB总线。 • 第七部分InterBus。InterBus是由InterBus-S Club支持的现场总线,这里指的是Interbus中只有一、二层的Sensor级总线——InterBus Sensor Loop。 • 最近WorldFIP也希望将它的WorldFIP IO纳入IEC 62026系列,目前正在投票表决。WorldFIP总线现在发展成WorldFIP WAY和WorldFIP IO两种,WorldFIP IO是其中的Sensor级总线。

  15. 7.1.5 现场总线的发展趋势 工程应用方面 现场总线将构成了ERP的基础。 总体发展方面 多种标准总线共存的混乱局面,可能工业以太网会最终成为一个 特定的角色,成为一种廉价的、能用于工业控制现场的总线系统。 现在的某些现场总线产品已显露出了这种趋势,比如PROFINET、 HSE等。

  16. 7.2 PROFIBUS概述 • PROFIBUS家族成员 • IEC61784“工业控制系统中与现场总线有关的连续和分散制造业中用行规(profile)集”中规定,PROFIBUS家族被定为CPF3(Communication profile family),家族3又被细分为3种类型:

  17. PROFIBUS DP DP(Decentralized Periphery)用于电气自动化和设备自动化中快速的数据交换,它具有设置简单、价格低廉、功能强大的特点。DP的基本版本是DP-V0,扩展版本是DP-V1和DP-V2。DP-V0用于第一类主站和从站之间循环数据的交换;DP-V1用于PA以及第二类主站和从站或第一类主站之间的通讯;DP-V2是为高速及高精度的运动控制设计的,用于等时同步及从站之间的通讯。DP的基本版本和扩展版本的功能均能用于PA。

  18. PROFIBUS PA PA(Process Automation)主要是为过程控制的特殊要求而设计的。它的数据传输和电源共用同一根电缆,可以用于对本质安全有要求或一般过程控制的场合。 • PROFINET PROFINET是基于PROFIBUS、Ethernet和开放式I T标准(TCP/IP、COM/DCOM)的技术,它是开放和透明的,所以它也可以集成到任何其他现场总线中,实现基于目标的高端通讯要求。

  19. PROFIBUS组成的工业网络

  20. 7.2.1 PROFIBUS的协议结构 • PROFIBUS的协议结构以ISO/OSI为参考模型,所以它的协议结构符合开放性和标准化的要求。

  21. 特点 • PROFIBUS只使用了ISO/OSI的第1层、第2层和第7层,另外外加一个用户层(Profile,即行规),这样做大大简化了协议结构,提高了数据传输效率,符合工业自动化实时性高、数据量小等特点的要求。 P197

  22. RS-485标准串行接口总线

  23. 7.3 电器智能化网络的设计与实施 7.3.1 电器智能化网络的基本要求 结构特点: • 开放性 • 现场设备的即插即用 • 能适应现场环境对传输介质和传输速率的要求

  24. 通信特点: • 数据传输要求实时性强、可靠性高 • 现场设备数据收发采用异步方式 • 一次通信过程发送数据的长度较短 • 网络中的数据基带传输

  25. 7.3.2 电器智能化局域网的结构与设计

  26. 以太网的基本性能和连接方法 • 基于以太网平台的电器智能化局域网 • 电器智能化局域网的典型工作方式和数据交换过程

  27. 7.4 电器智能化局域网的软件开发 • 软件功能和设计的基本原则 • 保证系统开放性的设计方法 • 软件的可靠性、稳定性设计 • 软件的测试

  28. 软件测试 • 定义软件测试 • 明确软件测试的准则 • 明确测试的方法 • 描述软件测试的各个阶段 • 描述各种测试阶段的测试内容 以下课件摘自:北大青鸟,软件测试培训教程

  29. 简介 • 软件测试是软件工程过程中的关键组件。 • 软件测试是软件质量保证的要素,可以将其描述为一个运行程序以检测错误(如果有)的过程。

  30. 测试的目的是什么 • 测试的目的是为了发现尽可能多的缺陷,不是为了说明软件中没有缺陷。 • 推论:成功的测试在于发现了迄今尚未发现的缺陷。所以测试人员的职责是设计这样的测试用例,它能有效地揭示潜伏在软件里的缺陷。 • 千万不要将“测试”与“演示”混为一谈。例如科研鉴定会。

  31. 软件测试原则 2-1 • 完全测试程序是不可能的 -输入量太大 -输出结果太多 -软件实现途径太多 -软件说明书没有客观标准。从不同角度看,软件缺陷的标准不同。

  32. 软件测试原则 2-2 • 软件测试是有风险的行为 • 测试无法显示潜伏的软件缺陷 • 找到的软件缺陷越多,就说明软件缺陷越多 • 并非所有软件缺陷都能修复 • 软件测试一项讲究条理的技术专业

  33. 软件测试方法-黑盒和白盒 • 白盒测试中(有时候称为开盒测试),软件测试员可以访问程序员的代码,并通过检查代码来协助测试-可以看到盒子里面。一般在单元测试中采用白盒测试,用于测试模块中所有可能的路径、执行所有循环并测试所有逻辑表达式。 • 黑盒测试则侧重于软件的整体功能。 它不基于程序的内部结构而基于系统功能。犹如一个人站在黑盒子外面,只知道系统输入一定数据,得到一定的输出,而不必清楚这个黑盒子中进行了哪些操作和运算。

  34. 软件测试方法-静态和动态 • 静态检查 • 确保系统按照组织的标准和过程运行,主要依赖于评审和非运行的手段来检查。通常包括需求评审、设计评审、代码走查和代码检查。 • 动态检查 • 在生命周期中进行测试(运行)。通常包括单元测试、集成测试、系统测试、用户的验收测试。

  35. 静态测试 • 审查 (Inspection) -软件的一种基本测试方法,它以一系列典型问题为依据进行检测。 • 走查 (Walkthrough) -一对一的审查,比审查更加仔细。 • 回顾(Review) -以发现软件中存在的错误和缺陷为目的的一种软件测试方法,它是在软件证实执行之前完成。

  36. 静态和动态测试进行结构和功能测试

  37. 测试技术

  38. 测试内容 • 测试内容一般包含 • 接口与路径测试。 • 功能测试、健壮性测试、性能测试、用户界面测试、安全性测试、压力测试、可靠性测试、安装/反安装测试…

  39. 测试阶段对应表

  40. 接口与路径测试 3-1 • 接口测试:数据一般通过接口输入和输出,接口测试一般是白盒测试的第一步。 • 输入参数有“典型值”、“边界值”、“异常值” • 输出包括函数的返回值和输出参数。 • 实际输出与期望的输出不一致,那么说明程序有错误。 • 一个函数体内的语句可能只有十几条,但逻辑路径可能有成千上万条。所以应该根据经验选择关键的路径测试。

  41. 接口与路径测试 3-2 • 路径测试的检查表 • -数据类型、变量值、逻辑判断、循环、内存管理、文件I/O、错误处理 • 预防一些重要的路径没有被测试的措施有: • 观察是否有程序语句从来没有被执行过。 • 要特别留意函数体内的错误处理程序块。

  42. 接口与路径测试 3-3 • 接口与路径测试用例的参考模板

  43. 功能测试 3-1 • 功能测试的基本方法是构造一些合理输入(在需求范围之内),检查输出是否与期望的相同。如果两者不一致,即表明功能有误。 • 难点在于如何构造有效的输入。

  44. 功能测试 3-2 • 功能测试用例的参考模板

  45. 性能测试 3-1 • 性能测试即测试软件处理事务的速度,一是为了检验性能是否符合需求,二是为了得到某些性能数据供人们参考。 • 绝对值考虑:如数据送输速率是每秒多少比特。 “相对值”考虑:如某个软件比另一个软件快多少倍。 • 性能测试中考虑运行环境的影响:例如网络环境、计算机主频,总线结构和外部设备都可能影响软件的运行速度。

  46. 性能测试 3-2 • 性能测试的一些注意事项: • 应当编写一段程序用于计算时间以及相关数据。 • 应当测试软件在标准配置和最低配置下的性能。 • 应当关闭那些消耗内存、占用CPU的其它应用软件(如杀毒软件)。 • 应当分档记录。例如传输文件的容量从100K到1M可以分成若干等级。 • 同一种输入情况在不同的时间可能得到不同的性能数据,可以取其平均值。

  47. 性能测试 3-3 • 性能测试用例的参考模板

  48. 压力测试 2-1 • 压力测试也叫负荷测试,即获取系统能正常运行的极限状态。 • 压力测试的主要任务是:构造正确的输入,使劲折腾系统却让它刚好不瘫痪。 • 压力测试的一个变种是敏感测试。在某种情况下,微小的输入变动会导致系统的表现(如性能)发生急剧的变化。

  49. 压力测试 2-2 • 压力测试用例的参考模板