工業(yè)以太網(wǎng)和通信技術(shù)

1、工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 2 頁共 23 頁網(wǎng)橋只有少量的端口(如 24)； 交換機(jī)則有許多端口；許多交換機(jī)可以全雙工方式工作2.路由器（Router）一種用于連接兩個(gè)運(yùn)行相同/不同協(xié)議的 IS。是網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的重要組成部分，它相對(duì)網(wǎng)橋提供了一個(gè)更次的 LAN 互聯(lián)。路由器能根據(jù)分組類型過濾和選擇路由，支持在 LAN 段之間有多個(gè)鏈路的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某個(gè)鏈路損壞時(shí)，可選擇其他路由以及根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的情況決定路由. 總的來說，路由器與交換機(jī)的主要區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）工作層次不同最初的的交換機(jī)是工作在 OSIRM 開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈路層，也就是第二層，而路由器一開始就設(shè)計(jì)工作在 OSI

2、模型的網(wǎng)絡(luò)層。由于交換機(jī)工作在 OSI 的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），所以它的工作原理比較簡(jiǎn)單，而路由器工作在 OSI 的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），可以得到的協(xié)議信息，路由器可以做出更加智能的 轉(zhuǎn)發(fā)決www PLCworld cn（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所依據(jù)的對(duì)象不同交換機(jī)是利用物理地址或者說 MAC 地址來確定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的目的地址。而路由器則是利用不同網(wǎng)絡(luò)的 ID 號(hào)（即 IP 地址）來確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的地址。IP 地 址是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，描述的是設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)，有時(shí)這些第三層的地址也稱為協(xié)議地址或者網(wǎng)絡(luò)地址。MAC 地址通常是硬件自帶的，由網(wǎng)卡生產(chǎn)商來分配的，而 且已經(jīng)到了網(wǎng)卡中去，一般來說是不可更改的。而 IP 地

3、址則通常由網(wǎng)絡(luò)管理員或系統(tǒng)自動(dòng)分配。（3）傳統(tǒng)的交換機(jī)只能分割域，不能分割廣播域；而路由器可以分割廣播域由交換機(jī)連接的網(wǎng)段仍屬于同一個(gè)廣播域，廣播數(shù)據(jù)包會(huì)在交換機(jī)連接的所有網(wǎng)段上，在某些情況下會(huì)穿過路由器。導(dǎo)致通信擁擠和安全漏洞。連接到路由器上的網(wǎng)被分配成不同的廣播域，廣播數(shù)據(jù)雖然第三層以上交換機(jī)具有 VLAN 功能，也可以分割廣播域，但是各子廣播域之間是不能通信交流的，它 們之間的交流仍然需要路由器。（4）路由器提供了的服務(wù)路由器僅僅轉(zhuǎn)發(fā)特定地址的數(shù)據(jù)包，不傳送不支持路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳送和未知目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳送，從 而可以防止廣播風(fēng)暴。交換機(jī)一般用于 LAN-WAN 的連接，交換機(jī)歸于網(wǎng)橋

4、，是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，有些交換機(jī)也可實(shí)現(xiàn)第三層的交換。 路由器用于 WAN-WAN 之間的連接，可以解決異性網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)分組，作用于網(wǎng)絡(luò)層。他們只是從一條線路上接受輸入分組，然后向另一條線路轉(zhuǎn)發(fā)。這兩條線 路可能分屬于不同的網(wǎng)絡(luò)，并采用不同協(xié)議。相比較而言，路由器的功能較交換機(jī)要強(qiáng)大，但速度相對(duì)也慢，價(jià)格昂貴.3.網(wǎng)橋(Bridge)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,工作在數(shù)據(jù)鏈路層，將兩個(gè) LAN 連起來，根據(jù) MAC 地址來轉(zhuǎn)發(fā)幀，可以看作一個(gè)“低層的路由器”（路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址如 IP 地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)）。網(wǎng)橋通過一個(gè)通常較慢的鏈路（如線）連接兩個(gè)LAN，對(duì)本地網(wǎng)橋而言，性能比較重要，而對(duì)網(wǎng)橋而言，在

5、長(zhǎng)距離上可正常運(yùn)行是更重要的。2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 3 頁共 23 頁接收整個(gè)幀傳遞到數(shù)據(jù)鏈路層做校驗(yàn)和檢查；向下傳到物理層，以便轉(zhuǎn)發(fā)到不同的網(wǎng)絡(luò)ªLAN通信，但保持各域的；ª能互連不同的 LAN 技術(shù)ª理論上說用網(wǎng)橋建立多大的 LAN 沒有限制；路由器與網(wǎng)橋的區(qū)別4.橋路器(brouter) 可同時(shí)作為網(wǎng)橋使用的一種路由器。工作原理首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議信息投遞數(shù)據(jù)包然后用物理地址數(shù)據(jù)橋路器與路由器的區(qū)別1 如果數(shù)據(jù)庫沒有正確的邏輯地址，路由器就將包丟棄。2 橋路器能在不識(shí)別邏輯地址的情況下，改用物理地址傳送5.網(wǎng)關(guān)（G

6、ateway ）傳輸網(wǎng)關(guān)：在傳輸層將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來。應(yīng)用網(wǎng)關(guān)：在應(yīng)用層將某個(gè)應(yīng)用的兩部分連接起來。www PLCworld cn二 開放式系統(tǒng)互連參考模型（OSI） ISO 于 1978 年提出了 OSI 模型。OSI 模型是設(shè)計(jì)和描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的基本框架。它描述了網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件如工作，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。OSI Open System Interconnection的方式協(xié)同 生產(chǎn)廠商根據(jù) OSI 模型的OSI 的分層結(jié)構(gòu)的。應(yīng)用層：應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的窗口，直接支持用戶的應(yīng)用程序。表示層：確定計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)的格式，可稱其為網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器。 會(huì)話層：不同計(jì)算機(jī)的兩個(gè)應(yīng)用程序建立、使用和結(jié)束會(huì)話

7、連接。傳輸層：作用是為用戶提供于具體網(wǎng)絡(luò)的、有效的、可靠的端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層：將分組從源節(jié)點(diǎn)傳到目的結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層的功能：路由選擇、解決擁塞、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連數(shù)據(jù)鏈路層：向網(wǎng)絡(luò)層提供可靠透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，進(jìn)行差錯(cuò)和流量物理層：位于 OSI 參考模型的最底層；它直接面向傳輸介質(zhì)，負(fù)責(zé)在通信介質(zhì)之上，為數(shù)據(jù)提供一個(gè)傳輸原始比特流的物理連接。物理層協(xié)議為建立、維持和拆除物理連接規(guī)定了機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)路由器網(wǎng)橋檢查 packet 的頭，并根據(jù)頭包含的地址作出路由決策僅檢查幀頭，并acket；查或修改幀包含的網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)將 packet 交給數(shù)據(jù)

8、鏈路層時(shí)，它并不了解也不在意packet 會(huì)封裝在以太幀或token ring 幀中不知道也不在意它正從 802.x LAN 轉(zhuǎn)發(fā)到802.y LAN 的幀是否包含 IP 、IPX 或 CLNP packets。工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 4 頁共 23 頁第二章現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際電工委員會(huì) IEC61158 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的組成 硬件包括通信線（或稱通信介質(zhì)（）、總線電纜）、連接在通信線上的設(shè)備（稱為總線設(shè)備或裝置、節(jié) 點(diǎn)、站點(diǎn)（主站、從站）。軟件包括以下幾部

9、分：組態(tài)工具軟件為用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò) 組態(tài)提供平臺(tái)并按現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議/規(guī)范（Protocol Specification）與組態(tài)通信軟件交換信息的工具軟 件；器編程軟件為用戶程序提供編程環(huán)境 的軟件平臺(tái)用戶程序軟件根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程及其他要 求而編寫的 PLC（器）應(yīng)用程序 設(shè)備接口通信軟件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議規(guī)范 而編寫的用于總線設(shè)備之間通過總線電纜進(jìn)行通www PLCworld cn的軟件 設(shè)備接口通信軟件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議規(guī)范而編寫的用于總線設(shè)備之間通過總線電纜進(jìn)行通信的軟件設(shè)備功能軟件使總線設(shè)備實(shí)現(xiàn)自身功能（不包括現(xiàn)場(chǎng)總線通信部分）的軟件； 組態(tài)軟件運(yùn)行于計(jì)算機(jī)(通常也稱為上位機(jī))上的

10、軟件，具有實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、故障信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖分析及報(bào)表打印等功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn) 與 DCS 等相比，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：Ø 現(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)1、現(xiàn)場(chǎng)底層的變送器傳感器、執(zhí)行器、器之間的信號(hào)傳輸均用數(shù)字信號(hào)；2、中上層的器、監(jiān)視計(jì)算機(jī)等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送均用數(shù)字信號(hào)；3、各層設(shè)備之間的信息交換均用數(shù)字信號(hào)。Ø 現(xiàn)場(chǎng)總線是開放互連網(wǎng)絡(luò)1、現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議規(guī)范是公開的，所有制造商都必須遵守；2、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是開放的，既可實(shí)現(xiàn)同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可實(shí)現(xiàn)不同層網(wǎng)絡(luò)互連，而不管其制造商是哪 一家；3、用戶可共享網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線通過一根通信線將所需的各

11、個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如變送器傳感器、執(zhí)行器、 用一根通信線直接互連 N 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，器）互相連接起來，即 1.系統(tǒng)測(cè)量與精度提高在現(xiàn)場(chǎng)總線中，各種開關(guān)量、模擬量就近轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，所有總線設(shè)備間均采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通 信，避免了信號(hào)的衰減和變形，減少了傳送誤差。2.現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字信號(hào)通信這一數(shù)字化特點(diǎn)，從根本上提高了系統(tǒng)的測(cè)量與精度。2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 5 頁共 23 頁第三章數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)3.1數(shù)據(jù)編碼碼元是所傳輸數(shù)據(jù)的基本。用模擬信號(hào)的不同幅度、頻率、相位來表達(dá)數(shù)據(jù)的 0，1 狀態(tài)，稱為模擬數(shù)據(jù)編碼。用高低電平的矩形脈沖信號(hào)來表達(dá)數(shù)據(jù)的

12、0，1 狀態(tài)的，稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼。單極性碼：信號(hào)電平是單極性的。雙極性編碼：信號(hào)電平為正、負(fù)兩種極性的。歸零碼（RZ）：歸零碼在每一位二進(jìn)制信息傳輸之后均返回零電平的編碼。非歸零碼（NRZ）：非歸零碼在整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)維持有效電平。差分碼：差分碼用電平的變化與否來代表邏輯“1”和“0”。 變化為“1” ，不變化為“0” 。曼徹斯特編碼（Manchester Encoding） 碼元本為兩半，前半個(gè)時(shí)間段所傳信號(hào)是該時(shí)間段傳送比特值的反碼，后半個(gè)時(shí)間段傳送的是比特值本身。模擬數(shù)據(jù)編碼的三種編碼方法：幅度鍵控 ASK（amplitude-shift keying） 頻移鍵控 FSK（frequenc

13、y-shift keying） 相移鍵控 PSK（phase-shift keying）3.2信號(hào)的傳輸方式3.2.1 基帶傳輸就是在數(shù)字通信的信道上直接傳送數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)，即按數(shù)據(jù)波的原樣進(jìn)行傳輸； 有任何調(diào)制，它是最基本的數(shù)據(jù)傳輸方ww式w。PLCworld cn 基帶傳輸特點(diǎn)： 不用調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)價(jià)格低廉較高的數(shù)據(jù)傳輸速率（一般為 1Mb/s10 Mb/s） 傳輸距離一般不超過 25km半雙工方式或方式3.2.2 載波傳輸采用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制后實(shí)行傳輸。最基本的調(diào)制方式有上述的幅度鍵控 ASK、頻移鍵控 FSK、相移鍵控 PSK 三種。3.3.3 寬帶網(wǎng)寬帶網(wǎng)與基帶網(wǎng)的主要區(qū)別，一

14、是數(shù)據(jù)傳輸速率不同，基帶網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率范圍為 010 Mb/s，寬帶網(wǎng)可達(dá) 0400 Mb/s； 二是寬帶網(wǎng)可劃分為多條基帶信道，提供良好的通信路徑3.3.4 異步傳輸模式 ATMATM（asynchronous transfer mode）是實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)。速率可達(dá) 155 Mb/s 到 2.4Gb/s，也有25 Mb/s 和 50 Mb/s 的 ATM 技術(shù)，可適用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。3.3 通信方式.3.1通信（simplex communication），就是指?jìng)魉偷男畔⑹冀K是一個(gè)方向，而不進(jìn)行與此相反方向的傳送。 通信線路一般采用二線制。3.3.2 半雙工通信（half-dupl

15、ex communication）半雙工通信是指信息流可在兩個(gè)方向上傳輸，但同一時(shí)刻只限于一個(gè)方向傳輸 。3.3.3 全雙工通信（full Duplex communication）2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 6 頁共 23 頁能同時(shí)作雙向通信。通信效率高，簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高3.4網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(b)樹形(a)星形(c)環(huán)形(f)完整形(d)總線形(e)不規(guī)則形圖 2-5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.5 網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實(shí)際傳送信息的載體。 線Ø 同軸電纜：物理特性：同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、外層、絕緣層及

16、外部保護(hù)層組成。軸介質(zhì)的特性參數(shù)由內(nèi)、外導(dǎo)體及絕緣層的電參數(shù)和機(jī)械 傳輸特性：基帶同軸電纜一般僅用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)傳輸。決定。www PLCworld cn1. 寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復(fù)用方法，支持多路傳輸。2. 只用于一條通信信道的高速數(shù)字通信，此時(shí)稱之為單通道寬帶連通性：支持點(diǎn)-點(diǎn)連接，也支持多點(diǎn)連接。寬帶同軸電纜可支持?jǐn)?shù)千臺(tái)設(shè)備的連接；基帶同軸電纜 可支持?jǐn)?shù)百臺(tái)設(shè)備的連接。性：它的結(jié)構(gòu)使得它的能力較強(qiáng)。地理范圍：基帶同軸電纜最大距離限制在幾公里范圍內(nèi)，而寬帶同軸電纜最大距離可達(dá)幾十公里。Ø 雙絞線：雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的兩根或四根絕緣線組成。一對(duì)線可以作為一條通信線路

17、， 各個(gè)線對(duì)螺旋排列的目的是使各線對(duì)之間的電磁干擾最小。雙絞線最普遍的應(yīng)用是語音信號(hào)的模擬傳輸。在一條雙絞線上使用頻分多路復(fù)用（multiplexing）技 術(shù)可以進(jìn)行多個(gè)音頻通道的多路復(fù)用連同性：雙絞線可以用于點(diǎn)-點(diǎn)連接，也可用于多點(diǎn)連接。地理范圍：雙絞線用作離最大為 100m性：雙絞線的中繼線時(shí)，最大距離可達(dá) 15km；用于 10Mb/s 局域網(wǎng)時(shí)，與集線器的距性取決于一相鄰線對(duì)的扭曲長(zhǎng)度及適當(dāng)?shù)摹Ｔ诘皖l傳輸時(shí)，其能力相當(dāng)于同軸電纜。在 10100 kHz 時(shí)，其能力低于同軸電纜。Ø 光導(dǎo)電纜： 物理特性：光纖是一種能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，各種制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。和可以用

18、來制造光纖，其中用超高純度石英在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層包裹起來，就可以一條光纖通道，多條光纖組成一光纖電纜。目前，在試驗(yàn)室中光纖帶寬超過 50Tbps；8 ´ 2.5 Gbps，8 ´ 10 Gbps ，32 ´ 10 Gbps 的光纖傳輸已經(jīng)實(shí)用；2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 7 頁共 23 頁光纖分類：?jiǎn)文９饫w和多模光纖； 傳輸特性：光導(dǎo)通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號(hào)。光纖傳輸速率可達(dá)幾千 Mbps。單模光纖是指光纖的光信號(hào)僅與光纖軸成單個(gè)可分辨角度的單光纖傳輸， 而多模光纖的光信號(hào)與光纖

19、軸成多個(gè)可分辨角度的多光線傳輸。單模光纖性能優(yōu)于多模光纖。連通性：普遍采用點(diǎn)-點(diǎn)方式，在某些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中也采用多點(diǎn)連接方式 。地理范圍：光纖信號(hào)衰減極小，它可以在 68km 距離內(nèi)不使用中繼器，實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。性：.光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長(zhǎng)距離、高速率傳輸中保持低誤碼率。 雙絞線典型的誤碼率在 10-510-6 之間，基帶同軸電纜為 10-7，寬帶同軸電纜為 10-9，光纖誤碼率可以低于 10-10。光纖傳輸?shù)陌踩耘c性極好。Ø 無線：微波通信：微波通信工作頻率為 1091010Hz，局域網(wǎng)絡(luò)可直接利用微波收發(fā)機(jī)進(jìn)行通信，或作中繼接力，擴(kuò)大傳輸距離。紅

20、外通信：工作頻率為 10111014Hz，通過或接收信號(hào)調(diào)制的非相干紅外線，即可形成一條通信鏈路。只要收發(fā)機(jī)處在視線內(nèi)，就可以準(zhǔn)確地進(jìn)行通信，方向性很強(qiáng)，幾乎不受干擾。 激光通信：工作頻率為 10141015Hz，用調(diào)制解調(diào)的相干激光，實(shí)現(xiàn)激光通信。通信 ：通信可以看成是一種特殊的微波通信系統(tǒng) 傳輸介質(zhì)的特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信質(zhì)量影響很大，這些特性主要是： 物理特性：傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述；傳輸特性：傳輸介質(zhì)傳送數(shù)字或模擬信號(hào)以及調(diào)制技術(shù)、傳輸容量、傳輸?shù)念l率范圍；通特性：點(diǎn)-點(diǎn)或多點(diǎn)連接； 地理范圍：傳輸介質(zhì)最大傳輸距離；www PLCworld cn 性：傳輸介質(zhì)防止噪聲與電磁干擾對(duì)傳輸數(shù)據(jù)

21、影響的能力； 相對(duì)價(jià)格：器件、安裝與維護(hù)費(fèi)用2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 8 頁共 23 頁第四章PROFIBUS技術(shù)簡(jiǎn)介 綜述（1） PROFIBUS 是一種開放式不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。 PROFIBUS 是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)的分散式數(shù)字和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng) 絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。（2）PROFIBUS 由三個(gè)兼容部分組成，即 PROFIBUSDP（Decentraliz

22、ed Periphery）PROFIBUSPA Process Automation ）PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。（3） PROFIBUSDP: 是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)系統(tǒng)與分散式 IO 的通信。使用 PROFIBUSDP 可取24VDC 或 420mA 信號(hào)傳輸。（4）PORFIBUSPA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。（5）PROFIBUSFMS：用于車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。（6）PROFIBUS 是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與的現(xiàn)場(chǎng)總

23、線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)的分散式數(shù)字和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化www PLCworld cn行的解決方案。（7）與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS 的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) EN50170 作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域 包括制造過程和自動(dòng)化等。PROFIBUS 開放性和不依賴確認(rèn)，在德國(guó)和歐洲市 場(chǎng)中 PROFIBUS于廠商的通信的設(shè)想，已在 10 多萬應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)超過 40。PROFIBUS 有國(guó)際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并 能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新和

24、技術(shù)服務(wù)。（ 8 ） PROFIBUS 協(xié) 議 結(jié) 構(gòu) 是 根 據(jù) ISO7498 國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn) ， 以 開 放 式 系 統(tǒng) 互 聯(lián) 網(wǎng) 絡(luò) （ Open System Interconnection-SIO）作為參考模型的。該模型共有七層。（1） PROFIBUSDP：定義了第一二層和用戶接口。第三到七層 未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同 PROFIBUSDP 設(shè)備的設(shè)備行為。（2） PROFIBUSFMS：定義了第一二七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口(

25、Lower Layer Interface LL)。FMS 包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)的通信服務(wù)。LL協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層接口。（3） PROFIBUSPA：PA 的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的 PROFIBUSDP 協(xié)議。另外，PA 還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的 PA 行規(guī)。根據(jù) IEC11582 標(biāo) 準(zhǔn)，PA 的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在 DP 上擴(kuò)展 PA 網(wǎng)絡(luò)。層為數(shù)據(jù)鏈 路層，第三六層末使用，第七層為應(yīng)用層。注：第一層為物理層，第二二 PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA 適用于 PROFIBUS 的過程自動(dòng)

26、化。PA 將自動(dòng)化系統(tǒng)和過程系統(tǒng)與、溫度和液位變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來，PA 可用來替代 4-20mA 的模擬技術(shù)。PROFIBUS-PA 具有如下特性：(1) 適合過程自動(dòng)化應(yīng)用的行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互換性。(2) 增加和去除總線站點(diǎn)，即使在本征安全地區(qū)也影響到其它站。2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 9 頁共 23 頁(3) 在過程自動(dòng)化的 PROFIBUS-PA 段與制造業(yè)自動(dòng)化的 PROFIBUS-DP 總線段之間通過藕合器連接，并使可實(shí)現(xiàn)兩(4)(5)2.1的透明通信。使用與 IEC1158-2 技術(shù)相同的雙絞線完成供電和數(shù)據(jù)傳送。在潛

27、在的區(qū)可使用防爆型"本征安全"或"非本征安全"。PROFIBUS-PA 傳輸協(xié)議PROFIBUS-PA 采用 PROFIBUS-DP 的基本功能來傳送測(cè)量值和狀態(tài)。并用擴(kuò)展的 PROFIBUS-DP 功能來制訂現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備 操作。PROFIBUS-PA 第一層采用 IEC1158-2 技術(shù)，第二層和第一層之間的接口在DIN19245 系列標(biāo)準(zhǔn)的第四部分作出了規(guī)定。2.2 PROFIBUS-PA 設(shè)備行規(guī)PROFIBUS-PA 行規(guī)保證了不同廠商所生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互換性和互操作性，它是 PROFIBUS-PA 的一個(gè)組成部分。PA 行規(guī)的任務(wù)是

28、選用各種類型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備真正需要通信的功能，并提供這些設(shè)備功能和設(shè)備行為的一切必要規(guī)格。目前，PA 行規(guī)已對(duì)所有通用的測(cè)量變送器和其它選擇的一些設(shè)備類型作了具體規(guī)定，這些設(shè)備如：·····測(cè)、液位、溫度和流量的變送器數(shù)字量輸入和輸出模擬量輸入和輸出閥門三PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS 的設(shè)計(jì)旨在解決車間級(jí)通信。在這一層，可編程序器（如 PLC、PC 機(jī)等）之間需要比現(xiàn)場(chǎng)層更大量的數(shù)據(jù)傳送，但通信的實(shí)時(shí)性要求低于現(xiàn)場(chǎng)層。3.1 PROFIBUS-FMS 應(yīng)用層供了供用戶使用的通信服務(wù)。這些服務(wù)w包ww括PL 用層包括下列兩部分：變c

29、n 量、程序傳遞、等。PROFIBUS-FMS 應(yīng)· 現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）：描述了通信對(duì)象和應(yīng)用服務(wù)。· 低層接口(Lower Layer Interface-LLI)：FMS 服務(wù)到第二層的接口。3.2 PROFIBUS-FMS 通信模型PROFIBUS-FMS 利用通信分散的應(yīng)用過到一個(gè)共用的過程中。在應(yīng)用過程中，可用來通信的那部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備稱虛擬設(shè)備 VFD （Virtual field Device）。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與 VFD 之間設(shè)立一個(gè)通信關(guān)系表。通信關(guān)系表是VFD 通信變量的集合，如零件數(shù)、故障

30、率、停機(jī)時(shí)間等。VFD 通過通信關(guān)系表完成對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信。3.3 通信對(duì)象與通信字典（OD）(1) FMS 面向?qū)ο笸ㄐ牛_認(rèn) 5 種靜態(tài)通信對(duì)象：簡(jiǎn)單變量、數(shù)組、信對(duì)象：程序調(diào)用和變量表。、域和，還確認(rèn) 2 種動(dòng)態(tài)通(2) 每個(gè)FMS 設(shè)備的所有通信對(duì)象都填入對(duì)象字典（OD）。對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)備，OD 可以予定義，對(duì)復(fù)雜設(shè)備，OD 可以本地或通過組態(tài)加到設(shè)備中去。靜態(tài)通信對(duì)象 進(jìn)入靜態(tài)對(duì)象字典，動(dòng)態(tài)通信對(duì)象進(jìn)入動(dòng)態(tài)通信字典。每個(gè)對(duì)象均有一個(gè)唯一的索引，為避免非存取，每個(gè)通信對(duì)象可選用存取保護(hù)。3.4 PROFIBUS-FMS 服務(wù)FMS 服務(wù)項(xiàng)目是 ISO 9506 制造信息規(guī)范 MMS（M

31、anufacturing Message Specification）服務(wù)項(xiàng)目的子集。這些服務(wù)項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中已被優(yōu)化，而且還加上了通信對(duì)象的管理和網(wǎng)絡(luò)管理。PROFIBUS-FMS 提供大量的管理和服務(wù)，滿足了不同設(shè)備對(duì)通信提出的廣泛需求，服務(wù)項(xiàng)目的選用取決于特定的應(yīng)用，具體的應(yīng)用領(lǐng)域在 FMS 行規(guī)中規(guī)定。3.5 低層接口（LLI） 第七層到第二層服務(wù)的由 LLI 來解決，其主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)流和聯(lián)接監(jiān)視。用戶通過稱之為通信關(guān)2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 10 頁共 23 頁系的邏輯通道與其他應(yīng)用過程進(jìn)行通信。FMS 設(shè)備的 全部通信關(guān)系都列入通信

32、關(guān)系表 CRL(Communication Relationship List)。每個(gè)通信關(guān)系通過通信索引（CREF）來查找，CRL 中包含了 CREF 和第二層及 LLI 地址間的關(guān)系。3.6 網(wǎng)絡(luò)管理FMS 還提供網(wǎng)絡(luò)管理功能，有由現(xiàn)場(chǎng)總線管理層第七層來實(shí)現(xiàn)。其主要功能有：上、下關(guān)系管理、配置管理、故障。3.7 PROFIBUS-FMS 行規(guī)FMS 提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應(yīng)用。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，具體需要的功能范圍必須與具體應(yīng)用要求相適應(yīng)。設(shè)備的功能必須結(jié)合應(yīng)用來定義。這些 適應(yīng)性定義稱之為行規(guī)。行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能。FMS 對(duì)行規(guī)

33、做了如下規(guī)定（括號(hào)中的數(shù)字是文件編號(hào)）：···間的通信（3.002） 摟宇自動(dòng)化（3.011） 低壓開關(guān)設(shè)備（3.032）四PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地從站的輸入信息并周期地向從站輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP 還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和處理。4.1(1)(2)PROFIBUS-DP 的基本功能傳輸技術(shù)：RS-485 雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從 9.6Kbit/s 到 12Mbit/s。總線存?。焊髦?/p>

34、站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持或多?？偩€上最多站點(diǎn)（主-從設(shè)備）數(shù)為 126。：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（指w P令LC）w。orld循cn環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。(4)(5)(6)運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。同步：指令輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。功能：DP 主站和 DP 從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各 DP 從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。DP 從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級(jí)診斷信息。輸入或輸出的同步。 通過總線給 DP 從站賦予地址。通過總線對(duì) DP 主站（DPM1）進(jìn)行配置。每 DP 從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為 246 字節(jié)。

35、(7) 可靠性和保護(hù)機(jī)制：所有信息的傳輸按海明距離 HD=4 進(jìn)行。DP 從站帶看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）。對(duì) DP 從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP 主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。(8) 設(shè)備類型：第二類 DP 主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類 DP 主站（DPM1）是可編程序器，如 PLC、PC 等。DP 從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門等。4.2 PROFIBUS-DP 基本特征(1) 速率：在一個(gè)有著 32 個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP 對(duì)所有站點(diǎn)傳送 512 bit/s 輸入和 512 bit/s 輸出，在

36、 12M bit/s 時(shí)只需 1 毫秒。(2) 診斷功能：經(jīng)過擴(kuò)展的 PROFIBUS-DP 診斷能能對(duì)故障進(jìn)行快速集。診斷信息分三級(jí)：。診斷信息在總線上傳輸并由主站采···本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、 模塊診斷操作：一個(gè)站點(diǎn)的某具體 I/O 模塊故障。通道診斷操作：一個(gè)單獨(dú)輸入/輸出位的故障。過低。4.3 PROFIBUS-DP 系統(tǒng)配置和設(shè)備類型PROFIBUS-DP站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接 126 個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸 出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè) PROF

37、IBUS-DP 系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：(1) 一級(jí)DP 主站（DPM1）：一級(jí) DP 主站是換信息。典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如 DP 從站）交2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 11 頁共 23 頁(2)DP 主站（DPM2）：DP 主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在 DP 系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。(3)(4)DP 從站：DP 從站是進(jìn)行輸入和輸出信息和的設(shè)備（I/O 設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等）。站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。4.4(1)PROFIBUS

38、總線存取協(xié)議三種 PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過 OSI 參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。(2) 在 PROFIBUS 中，第二層稱之為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link-FDL）。介質(zhì)存取（Medium 數(shù)據(jù)。Access Control-MAC）具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC 必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)(3) PROFIBUS 協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)存取的兩個(gè)基本要求：· 在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足

39、夠的時(shí)間來完成通信任務(wù)。· 在復(fù)雜的程序器和簡(jiǎn)單的 I/O 設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此，PROFIBUS 總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。(4) 令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在 PROFIBUS 中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。(5) 主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站系統(tǒng)配置：或信息。因此，可能有以下三種···純主-從系統(tǒng)純主-混合系統(tǒng)(6) 圖 2-4 是一個(gè)由 3 個(gè)主站、7 個(gè)從站的 PROFIBUS 系統(tǒng)。3

40、個(gè)主站之間令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工 作。在這段時(shí)間內(nèi)，它可依照主-從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主通訊關(guān)系表與所有主站通信。www PLCworld cn圖 2-4：3 個(gè)主站、7 個(gè)從站的 PROFIBUS 系統(tǒng)(7) 在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取MAC 的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。(8) 第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS 第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。(9) PROFIBUS 第二層按照非連接的模式操作，除

41、提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，其中包括2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 12 頁共 23 頁廣播及有選擇廣播功能。4.5擴(kuò)展 DP 功能: DP 擴(kuò)展功能是對(duì) DP 基本功能的補(bǔ)充，與 DP 基本功能兼容。4.6(1)(2)(3)DPM1 與 DP 從站間的擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信DPM1 與 DP 從站間非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。帶 DDLM 讀和 DDLM 寫的非循環(huán)讀/寫功能，可讀寫從站任何希望數(shù)據(jù)。響應(yīng)，DP 基本功能DP 從站用診斷信息向主站自發(fā)地傳輸，而新增的 DDLM-ACK 功能被用來直接響應(yīng)從 DP 從站上接收的數(shù)據(jù)。(3) DPM2 與從站間的非

42、循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。4.7 電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD） 不同廠家生產(chǎn)的 PROFIBUS集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以 GSD 文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件）方式提供這些到操作員圖 2-7 所示。的功能參數(shù)（如 I/O 點(diǎn)數(shù)、診斷 信息、波特率、時(shí)間監(jiān)視等）。標(biāo)準(zhǔn)的 GSD 數(shù)據(jù)將通信擴(kuò)大級(jí)。使用根據(jù) GSD 文件所作的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。如www PLCworld cn圖 2-7：基于 GSD 文件開放式組態(tài)GSD 文件可分為三個(gè)部分：(1)(2)(3)總規(guī)范：包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監(jiān)視時(shí)間間隔、總線插頭指定信號(hào)。與 DP 有關(guān)的規(guī)范：包括適用

43、于主站的各項(xiàng)參數(shù)，如從站個(gè)數(shù)、上裝/下裝能力。與 DP 從站有關(guān)的規(guī)范：包括了與從站有關(guān)的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。2.3.4 PROFIBUS-DP 行規(guī)PROFIBUS-DP 協(xié)議明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數(shù)據(jù)的含義是在 PROFIBUS 行規(guī)中具體說明的。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了 PROFIBUS-DP 如何用于應(yīng)用領(lǐng)域。使用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設(shè)備互換使用，而工廠操作毋須關(guān)心兩者之間的差異，因?yàn)榕c應(yīng)用有關(guān)的參數(shù) 含義在行規(guī)中均作了精確的規(guī)定說明。下面是 PROFIBUS-DP 行規(guī)，括弧中數(shù)字是文件編號(hào)：··

44、3;·NC/RC 行規(guī)（3.052） 編碼器行規(guī)（3.062） 變速傳動(dòng)行規(guī)（3.071）操作員和過程監(jiān)視行規(guī)（HMI）2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 13 頁共 23 頁第五章 現(xiàn)場(chǎng)總線 Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是 80 年代末、90 年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備之間及其與更高管理層次之間的。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，

45、已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻。國(guó)際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與的開發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn) :具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求,還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上 述特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代系統(tǒng)，也稱作 FCS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。人們一般把 50 年代前的氣動(dòng)信號(hào)系統(tǒng) PCS 稱作第一代，把 420

46、mA 等電動(dòng)模擬信號(hào)系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式系統(tǒng)稱為第三代，而把 70 年代中期以來的集散式分布系統(tǒng) DCS 稱作第四代?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng) FCS 作為新一代系統(tǒng)，一方面，了 DCS 系統(tǒng)采用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把 DCS 的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把統(tǒng)最顯著的特征。功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據(jù)的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未 形成完整統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中有較強(qiáng)實(shí)力和影響的有dationField

47、bus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。它們具有各自的特色，在www PLCworld cn不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了的優(yōu)勢(shì)。本文將在簡(jiǎn)要描述現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)，緊扣系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性等，介紹現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)等后闡述現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)展望。一、現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)及目前較為流行的幾種有實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀，最1、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換， 現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公 開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開

48、放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按的需要和對(duì)象把來自不同供應(yīng)商的組成大小隨意的系統(tǒng)。2、互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互 用。3、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)的

49、基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已一種新的全分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有 DCS 集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。5、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的 用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。能力，能采二、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使 產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生1、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種

50、傳感、和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的器、計(jì)算單元等，也不再需要 DCS 系統(tǒng)2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 通信技術(shù)第 14 頁共 23 頁的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控 PC 機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于設(shè)備的減少，還可減少室的占地面積。2、節(jié)省安裝費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備， 因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安

51、裝的工作 量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用 60%以上。3、節(jié)省維護(hù)開銷。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往室，用戶可以所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障并快速排除?？s短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。4、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。5、提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)

52、相比，它從根本上提高了測(cè)量與的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng):減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊 化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。三、典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介1、現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線，即 FoudationFieldbus,簡(jiǎn)稱 FF，這是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國(guó) Fisher- Rousemount 公司為首，F(xiàn)oxboro、橫河、ABB、西門子等 80 家公司制訂的 ISP 協(xié)議和以 Honeywell 公司為首，歐洲等地的150 家公司制訂的 Wo

53、rdFIP 協(xié)議。用戶的，這兩大于 1994 年 9 月合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線，致力于開發(fā)出國(guó)際的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以 ISO/OSI 開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次， 并在應(yīng)用層上增加了用戶層?，F(xiàn)場(chǎng)總線分低速 H1 和高速 H2 兩種通信速率。H1 的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達(dá) 1900m器延長(zhǎng)),可支持總線供電，支持本質(zhì)安w全ww防PL爆Cw環(huán)orld境cn 。H2 的傳輸速率為1Mbps 和 2.5Mbps 兩種，其通信距離為 750m 和 500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合 IEC1158-2 標(biāo)

54、準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼，每位數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負(fù)跳變。正跳變代表0，負(fù)跳變代表 1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的，以保持雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確。為滿足用戶需要， Honeywell、Ronan 等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的，許多儀表公司已開發(fā)出符合 FF 協(xié)議的，1 總線已通過測(cè)試和測(cè)試，完成了由 13 個(gè)不同廠商提供設(shè)備而組成的 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線工廠試驗(yàn)系統(tǒng)。2 總線標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)形成。1996 年 10 月，在芝加哥舉行的 ISA96 展覽會(huì)上，由現(xiàn)場(chǎng)總線組織實(shí)施，向世界展示了來自 40多家廠商的 70 多種符合 FF 協(xié)議的，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺(tái)上的 FF 展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場(chǎng)總線演示系統(tǒng)，各展臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)互操作，展現(xiàn)了 現(xiàn)場(chǎng)總線的成就與技術(shù)實(shí)力。2、LonWorksLonWorks 是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它是由美國(guó) Ecelon 公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向