工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與人機(jī)界面組態(tài)課件 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線

第五章工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地域不再是影響企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重要因素，一個(gè)企業(yè)不再僅僅是一個(gè)地區(qū)的企業(yè)，一個(gè)國(guó)家的企業(yè)，而是一個(gè)全球的企業(yè)。這樣就產(chǎn)生如下的需求：一個(gè)企業(yè)中的設(shè)備可能和異地企業(yè)的設(shè)備組成制造系統(tǒng)，或者由異地企業(yè)來(lái)控制管理，所以研究設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)全球化制造的重要課題。

因此，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中十分重要和關(guān)鍵的內(nèi)容。本章我們重點(diǎn)講述現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

5.1概述

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(guò)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)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。

這項(xiàng)以智能傳感、控制、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)，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)備的深刻變革。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)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過(guò)程設(shè)備的底層。

5.1概述

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。

5.1概述

一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。

5.1概述

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開(kāi)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)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。可以說(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

5.1概述

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:FoudationFieldbus

（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、DeviceNet等。它們具有各自的特色，在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。

5.1概述

5.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

1、系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi)，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(kāi)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(kāi)放系統(tǒng)。這里的開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)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(kāi)放的，開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品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)間的信息傳送與溝通，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。

5.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

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、工程量處理與控制等功能分散到現(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)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

5.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

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)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(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)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

5.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

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)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

5.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

什么是本質(zhì)安全？

本質(zhì)安全：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)講，在特定的測(cè)試條件（包括正常操作特定故障狀況）中產(chǎn)生的火花和熱效應(yīng)不足以引起爆炸，就稱這個(gè)線路是本質(zhì)安全的。5.1.2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，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

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)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(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，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。2、節(jié)省安裝費(fèi)用。現(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?？蓲旖佣鄠€(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)控制設(shè)備時(shí)，無(wú)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5.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。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(kāi)銷。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護(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。

5.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

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(lái)集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

5.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

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)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(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)。

5.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，即FoudationFieldbus,簡(jiǎn)稱FF，這是在過(guò)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，聯(lián)合Foxboro、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，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團(tuán)于

1994年9月合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開(kāi)發(fā)出國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)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。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

基金會(huì)現(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(可加中繼器延長(zhǎng)),可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。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(wú)線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(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。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來(lái)判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。為滿足用戶需要，Honeywell、Ronan等公司已開(kāi)發(fā)出可完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開(kāi)發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，1總線已通過(guò)ａ測(cè)試和β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)。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

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)總線基金會(huì)組織實(shí)施，向世界展示了來(lái)自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，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)了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的成就與技術(shù)實(shí)力。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

2、LonWorks

LonWorks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?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達(dá)到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個(gè)8位CPU;一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問(wèn)控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)的控制與處理;第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

計(jì)量時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等;第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

LonWoeks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本(每片價(jià)格約5～9美元)，而芯片的低成本又返過(guò)來(lái)促進(jìn)了LonWorks技術(shù)的推廣應(yīng)用，形成了良好循環(huán)，據(jù)Ecelon公司的有關(guān)資料，到1996年7月，已生產(chǎn)出500萬(wàn)片神經(jīng)元芯片。

LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵(lì)各OEM開(kāi)發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù):1000多家公司已經(jīng)推出5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

了LonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組織起LonWark互操作協(xié)會(huì)，開(kāi)發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作，該公司正在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。另外，5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)暖通工程師協(xié)會(huì)ASRE定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)消費(fèi)電子制造商協(xié)會(huì)已經(jīng)通過(guò)決議，以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)制定了EIA-709標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開(kāi)發(fā)、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、控制模塊開(kāi)發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開(kāi)發(fā)、制造、推廣、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，吸引了數(shù)萬(wàn)家企業(yè)參與到這項(xiàng)工作中來(lái)，這對(duì)于一種技術(shù)的推廣、應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

3、Profibus

Profibus是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線，同時(shí)它也是IEC62026現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。ISO/OSI模型也是它的參考模型。它由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。Profibus是世界上第一個(gè)在全球范圍內(nèi)得到使用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，使用面很廣，稍后將對(duì)它作詳細(xì)介紹。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

4、DeviceNet

DeviceNet在1994年3月由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司推出，1995年成為開(kāi)放協(xié)議，首先在北美推廣。由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，逐漸在亞太地區(qū)及全世界范圍得到推廣應(yīng)用。2000年2月，DeviceNet進(jìn)入中國(guó)。2000年6月，DeviceNet成為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，2002年10月成為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。稍后將對(duì)它作詳細(xì)介紹。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

5、CAN

CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/kbps，可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。已有多家公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機(jī)上的CAN總線接口卡，具有接口簡(jiǎn)單、編程方便、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

6、HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開(kāi)發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中工業(yè)過(guò)程控制的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較好的發(fā)展。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介HART通信模型由3層組成:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術(shù)在4～20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采用Bell202國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的信號(hào)頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號(hào)傳輸頻率為1200Hz。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開(kāi)頭碼、顯示終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)終止位。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。它規(guī)定了一系列命令;按命令方式工作。它有3類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備理解、執(zhí)行的命5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

令;第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(盡管不是全部)中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù);第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這3類命令。HART支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。按應(yīng)答應(yīng)5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為3～4次/ｓ,它還可支持兩個(gè)通信主設(shè)備?？偩€上可掛設(shè)備數(shù)多達(dá)15個(gè)，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可有

256個(gè)變量，每個(gè)信息最大可包含4個(gè)變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性，由HART基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)，來(lái)理解這些設(shè)備的5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號(hào)制，導(dǎo)致難以開(kāi)發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

7、RS-485

盡管ＲＳ-485不能稱為現(xiàn)場(chǎng)總線，但是作為現(xiàn)場(chǎng)總線的鼻祖，還有許多設(shè)備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議，而且，目前許多商業(yè)化的現(xiàn)場(chǎng)總線都是在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。采用RS-485通訊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢(shì)，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎(chǔ)的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹RS-485串行通訊協(xié)議。

5.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

5.2.1RS-485總線物理層結(jié)構(gòu)

1．RS-232、RS-422與RS-485的由來(lái)

RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來(lái)，它是為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出的。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將

傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。因此在視頻界的應(yīng)用，許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議，或公開(kāi)或廠家獨(dú)家使用。如錄像機(jī)廠家中的Sony與松下對(duì)錄像機(jī)的RS-422控制協(xié)議是有差異的，視頻服務(wù)器上的控制協(xié)議則更多了，如Louth、Odetis協(xié)議是公開(kāi)的，而ProLINK則是基于Profile上的。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

2．RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。其連接器形式如圖5.1所示。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

圖5．1RS-232DB25連接器引腳地，如從DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用DB25連接器時(shí)是2腳相對(duì)7腳（信號(hào)地）的電平。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器

輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。其有關(guān)電氣參數(shù)參見(jiàn)表5．1。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

表5．1RS-232、RS-422與RS-485電氣參數(shù)

3．RS-422與RS-485串行接口標(biāo)準(zhǔn)（1）平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖5．2所示。

圖5．2平衡傳輸示意圖5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。參見(jiàn)圖5．3。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

圖5．3傳輸電壓范圍示意圖5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

（2）RS-422電氣規(guī)定

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖5．5是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

圖5．5DB9連接器引腳

接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對(duì)單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn)。

RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS-422需要一終端電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需要終端電阻，即一般在300米以下不需終端電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

（3）RS-485電氣規(guī)定由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終端電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信；而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無(wú)論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個(gè)設(shè)備。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12kΩ，RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS-485需要2個(gè)終端電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終端電阻，即一般在300米以下不需終端電阻。終端電阻接在傳輸總線的兩端。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

4．RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)安裝注意要點(diǎn)

RS-422可支持10個(gè)節(jié)點(diǎn)，RS-485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）采用一條雙絞線電纜作總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

（2）應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過(guò)長(zhǎng)的分支線引出到總線。總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

5．RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說(shuō)明對(duì)RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終結(jié)電阻進(jìn)行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢？理論上，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難以掌握，美國(guó)MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來(lái)判5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns（24AWGPVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過(guò)16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及，RS-422在總線電纜的遠(yuǎn)端并接電阻，RS-485則應(yīng)在總線電纜的開(kāi)始和末端都需并接終端電阻。終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡(luò)中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對(duì)于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

匹配，如圖4．9所示。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。還有一種采用二極管的匹配方法，如圖4．10所示。這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號(hào)，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

4.2.2RS-485總線通訊協(xié)議

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，集散控制是目前最常用的測(cè)量控制方式。通常，一個(gè)集散控制系統(tǒng)由一個(gè)主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和一系列基于MCU的前端智能儀器（下位機(jī)）構(gòu)成，它們之間再通過(guò)一定的物理媒介連接在一起，以完成必要的通信功能。對(duì)于一個(gè)特定的測(cè)控系統(tǒng)而言，所要測(cè)控的對(duì)象和所采取的測(cè)控算法是個(gè)有個(gè)性的東西；而上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信可以看作是一系列命令流和數(shù)據(jù)流的流動(dòng)，所采用的通信協(xié)議是用來(lái)保證

傳輸過(guò)程的可靠和高效，是具有共性的，能夠也應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在集散控制系統(tǒng)中，普遍采用RS-485總線作為底層通信接口。它具有穩(wěn)定可靠、編程簡(jiǎn)單、組網(wǎng)快速、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但在協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，導(dǎo)致不同的控制系統(tǒng)常常采用不同的通信協(xié)議。因此，對(duì)于一個(gè)具體的工程應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)一種有通用性的高效可靠的協(xié)議，從而簡(jiǎn)化基于RS-485的分布式測(cè)試系統(tǒng)通信部分的設(shè)計(jì)，5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

既能夠保證通信的穩(wěn)定可靠，又能夠把精力集中到測(cè)控系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)上。通信協(xié)議的設(shè)計(jì)通常采用分層的結(jié)構(gòu)，如ISO的OSI參考模型。這里也采用分層的結(jié)構(gòu)來(lái)描述自定義的基于RS-485總線的通信協(xié)議，如圖4．15所示。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

圖4．15基于RS-485自定義協(xié)議的分層模型

圖4．15中，物理層是利用物理媒介實(shí)現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程，提供用于建立、保持和斷開(kāi)物理連接的機(jī)械的、電氣的、功能的和過(guò)程的條件；數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)墓δ?；?yīng)用層針對(duì)不同的應(yīng)用，利用鏈路層提供的服務(wù)，完成不同通信節(jié)點(diǎn)之間的通信。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

下面結(jié)合某一層討論這種自定義協(xié)議的具體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹如何實(shí)現(xiàn)可靠高效的通信，如何處理通信中錯(cuò)誤，如何編程實(shí)現(xiàn)。1．物理層協(xié)議設(shè)計(jì)

RS-485通信網(wǎng)絡(luò)是一種總線式的結(jié)構(gòu)，如圖4．16所示。上位機(jī)（以PC為例）和下位機(jī)（以基于MCS-51的智能儀器為例）都掛在通信總線上，物理層的通信協(xié)議由RS-485標(biāo)準(zhǔn)和MCS-51的多機(jī)通信方式共同決定。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

圖4．16RS-485通信接口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)EIARS-485標(biāo)準(zhǔn)5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

（1）MCS-51串口的多機(jī)通信方式MCS-51具有多機(jī)通信功能。當(dāng)串口以方式2（或方式3）接收時(shí)，若SM2（多機(jī)控制位）為1，這時(shí)只接收第9位為1的串行數(shù)據(jù)（把第9位為1的串行字節(jié)稱為地址，把第9位為0的串行字節(jié)稱為數(shù)據(jù)）；當(dāng)SM2=0時(shí)，不論第9位為何值都接收。這種功能使得基于MCS-51的智能儀器能夠方便地通過(guò)RS-485接口芯片組成網(wǎng)絡(luò)。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

（2）物理層的功能物理層要完成發(fā)送及接收字節(jié)流的任務(wù)，但對(duì)傳輸過(guò)程的可靠性不做出保證，而由高層協(xié)議來(lái)保證。物理層為鏈路層提供接口（以子程序的形式來(lái)描述），包括Send子程序（功能為發(fā)送一個(gè)字節(jié)）及Receive子程序（功能為接收一個(gè)字節(jié)）。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)送程序比較簡(jiǎn)單，接收程序的流程如圖4．17所示（以MCS-51為例）。采用循環(huán)查詢RI標(biāo)志位的方式，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（即在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)）實(shí)現(xiàn)一個(gè)字節(jié)的接收。規(guī)定時(shí)間的長(zhǎng)短由循環(huán)次數(shù)決定。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未收到，則視為通信失敗。

5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

圖4．17接收程序的流程5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層的基本通信單位是幀，幀結(jié)構(gòu)如圖4．18所示。

圖4．18數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)*幀長(zhǎng)度域?yàn)槊恳粠牡谝粋€(gè)字節(jié)，用來(lái)說(shuō)明幀體的長(zhǎng)度。

*冗余幀長(zhǎng)度域是可選的，它是幀長(zhǎng)度域的重復(fù)，5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

可以用來(lái)檢查在傳輸過(guò)程中幀長(zhǎng)度域是否存在傳輸錯(cuò)誤。

*幀體域用來(lái)封裝來(lái)自上層（應(yīng)用層）的數(shù)據(jù)報(bào)，長(zhǎng)度是1～255B，鏈路層對(duì)這一部分不做處理，由應(yīng)用層處理。鏈路層可以采用如下方法進(jìn)行差錯(cuò)處理。首先，幀長(zhǎng)度域的引入可以方便程序的設(shè)計(jì)，同時(shí)也能夠起到一定的檢查錯(cuò)誤的功能，可以發(fā)現(xiàn)傳輸過(guò)程中丟失字節(jié)的錯(cuò)誤，并且丟棄緩沖區(qū)接收錯(cuò)誤5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

的字節(jié)。其次，可以采用冗余字節(jié)的方法，對(duì)關(guān)鍵字節(jié)（幀長(zhǎng)度）發(fā)送兩次，只有接收到的兩個(gè)幀長(zhǎng)度字節(jié)一致時(shí)才認(rèn)為接收到的是正確的。此外，對(duì)發(fā)送的每個(gè)字節(jié)可以采用CRC校驗(yàn)等方法進(jìn)行校驗(yàn)。鏈路層向上層（應(yīng)用層）提供的接口（以子程序的形式來(lái)描述）為SendFrame（功能是發(fā)送一幀）和ReceiveFrame（功能是接收一幀），程序流程如圖4．19所示，其中利用了下層（物理層）提供的接口。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

3．應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)用層是協(xié)議的最高層，它的設(shè)計(jì)對(duì)于不同的應(yīng)用可以有所不同，但是也存在很多通用性的原則。應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)的格式如圖4．20所示。圖4．20應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)的結(jié)構(gòu)圖4．20應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)的結(jié)構(gòu)*類型域用來(lái)指定數(shù)據(jù)報(bào)的類型，一共可以表示256種類型，其中，0用來(lái)表示數(shù)據(jù)；其它256種用來(lái)表示命令。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

*冗余類型域是可選的，它的作用是檢查類型域在傳輸過(guò)程中是否存在錯(cuò)誤。

*數(shù)據(jù)域是通信中傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等。數(shù)據(jù)報(bào)可以分成兩類：命令型數(shù)據(jù)報(bào)（類型域不為0）和數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)報(bào)（類型域?yàn)?）。具體的命令可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)，由具體程序負(fù)責(zé)解釋。應(yīng)用層也有一定的差錯(cuò)檢查能力：首先，它引入了冗余類型字節(jié)；其次，數(shù)據(jù)域字節(jié)也可以采用CRC校驗(yàn)等方法進(jìn)行校驗(yàn)。5.2RS-485通訊協(xié)議及其總線標(biāo)準(zhǔn)

4.3Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)Profibus

是由西門子公司推出，符合德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線，是ProcessFieldBus的簡(jiǎn)稱。目前世界上許多自動(dòng)化設(shè)備制造商如西門子公司都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供Profibus

接口，Profibus

產(chǎn)品的市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，大約為40%，目前正在向歐洲以外的地區(qū)擴(kuò)展。1997年7月，ProfibusInternational在中國(guó)建立了中國(guó)Profibus

用戶協(xié)會(huì)（CPO）。2000年6月，Profibus

成為有關(guān)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況

與控制設(shè)備、控制器與電氣設(shè)備接口的IEC62026現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。Profibus

已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和樓宇自動(dòng)化。

1．Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)

Profibus

是唯一的全集成H1（過(guò)程）和H2（工廠自動(dòng)化）的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，是一種不依賴于制造商所生產(chǎn)的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。采用Profibus

標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，不同制造商所生產(chǎn)的設(shè)備不須對(duì)其接口進(jìn)行特別調(diào)整就可通信，Profibus

可用于高速并對(duì)時(shí)間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復(fù)雜通信場(chǎng)合，如圖4．21所示。圖4．21Profibus

現(xiàn)場(chǎng)總線連接示意圖

Profibus

根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個(gè)兼容版本。Profibus-DP（H2）是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)的，可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)。Profibus-FMS主要解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、傳感器和執(zhí)行器、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備等一般的自動(dòng)化控制，一般構(gòu)成實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況

Profibus-PA（H1）

是專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，提供標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，一般用于對(duì)安全性要求較高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。一般要與Profibus-FMS和Profibus-DP混合使用。

Profibus

使得分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)層到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)（令牌）時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)送信息。從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括輸入輸出設(shè)備、4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況控制器、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量變送器。它們沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向主站發(fā)送信息。2．Profibus

協(xié)議結(jié)構(gòu)和通信模型

Profibus

協(xié)議的結(jié)構(gòu)是根據(jù)開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型ISO7498制定的，Profibus

的協(xié)議結(jié)構(gòu)和Profibus

各協(xié)議層及子層的結(jié)構(gòu)如圖4．22所示。4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況圖4．22Profibus

協(xié)議結(jié)構(gòu)MBP傳輸Profibus-DP和Profibus-FMS采用了相同的媒體訪問(wèn)控制協(xié)議（第2層）和傳輸技術(shù)（第1層）。Profibus-DP使用第1、2層和用戶接口。為了獲得快速和同效率的數(shù)據(jù)傳輸，第3~7層沒(méi)有定義。直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DirectDataLinkMapper——DDLM）為用戶接口提供第2層的訪問(wèn)服務(wù)。用戶接口定義了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同Profibus-DP設(shè)備的行為，還提供了RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)。

4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況Profibus-FMS第1、2和7層均加以定義，第3~6層沒(méi)有定義。第7層由現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范（FMS）和底層接口（LowerLayerInterface——LLI）組成。Profibus-FMS包括了應(yīng)用協(xié)議，并向用戶提供了廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)，LLI協(xié)調(diào)了不同的通信關(guān)系，并向FMS提供不依賴設(shè)備第2層的訪問(wèn)方式。第2層現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路可完成總線訪問(wèn)控制和數(shù)據(jù)的可靠性，它還為Profibus-FMS提供了RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)。

4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況Profibus-PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議，另外還使用了描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA規(guī)范，根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性，并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電。使用分段式耦合器，Profibus-PA設(shè)備能很方便地集成到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上。在Profibus的層次結(jié)構(gòu)中，第1層物理層（PHY）規(guī)定了線路傳輸介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。Profibus通過(guò)采用差分電壓輸出的RS485實(shí)現(xiàn)連接。在線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜，樹(shù)型結(jié)構(gòu)還可能用到中繼器。

4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況

第2層數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線訪問(wèn)方法。Profibus采用一種混合訪問(wèn)方法。由于不能使所有設(shè)備在同一時(shí)刻傳輸，所以在Profibus主（Master）設(shè)備之間用令牌的方法。為使Profibus從（Slave）設(shè)備之間也能傳遞信息，從設(shè)備由主設(shè)備循環(huán)查詢。而第2層的現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路控制（FLC）子層則規(guī)定了對(duì)低層接口（LLI）有效的第2層服務(wù)，并提供服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（SAP）的管理與LLI相關(guān)的緩沖4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況

器。第1層和第2層的現(xiàn)場(chǎng)總線管理（FMA1/2）完成MAC特定的總線參數(shù)的設(shè)定和PHY的設(shè)定。FLC和LLI之間的SAP可以通過(guò)FMA1/2激活或撤銷。此外，第1層和第2層可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤事件會(huì)被傳輸?shù)礁邔樱‵MA7）。

4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況

第7層LLI子層協(xié)調(diào)了不同通信關(guān)系，將現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范（FMS）的服務(wù)映射到第2層（FLC）的服務(wù)。LLI集成了OSI七層參考模型的3~6層中的重要功能，如監(jiān)控連線和數(shù)據(jù)傳輸。此外，LLI還檢查在建立連接期間用于描述一個(gè)邏輯鏈接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽贚LI中選擇不同的連接類型，主/從連接或主/從連接。數(shù)據(jù)交換既可是循環(huán)的，也可是非循環(huán)的。而現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范（FMS）子層將用于通信管理的應(yīng)用服務(wù)和用于用戶的用4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況

戶數(shù)據(jù)（變量、域、程序、事件通告）分組。借助于此，才可能訪問(wèn)一個(gè)應(yīng)用過(guò)程的通信對(duì)象。FMS主要用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的編碼和譯碼。位于第7層之上的應(yīng)用層接口，構(gòu)成了應(yīng)用過(guò)程接口。其目的是將過(guò)程對(duì)象轉(zhuǎn)換為通信對(duì)象?，F(xiàn)場(chǎng)總線管理FMA7保證FMS和LLI子層的參數(shù)化以及總線參數(shù)向第2層（FMA1/2）的正確傳遞。某些實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)FMA7把各子層事件和錯(cuò)誤顯示給用戶。4.3.1Profibus

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概況4.3.2Profibus的物理層

1．傳輸技術(shù)由于單一的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸技術(shù)不可能滿足所有的要求，因此Profibus提供了以下三種類型：

●

RS485傳輸：針對(duì)工廠制造環(huán)境的普遍要求，適用于DP和FMS。

●

MBP(IEC1158-2)傳輸:針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化要求，具有本質(zhì)防爆性，適用于PA。

●光纖傳輸：可以增加抗干擾能力和傳輸距離。

在使用不同傳輸方式的網(wǎng)段之間要實(shí)現(xiàn)互要聯(lián)使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備。一般的網(wǎng)關(guān)設(shè)備有兩種，一是耦合器)(Couper)，可以完成對(duì)用戶透明的幀轉(zhuǎn)發(fā)，二是具有一定智能過(guò)濾功能的鏈接器（Linker),本節(jié)主要敘述各種傳輸技術(shù)。（1）DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)（H2）

RS485采用屏蔽的雙絞銅線電纜，共用一根導(dǎo)線時(shí)，適用于需要高速傳輸和設(shè)備簡(jiǎn)單而又便宜的各個(gè)領(lǐng)域。在不使用中繼器時(shí)，每段最多有324.3.2Profibus的物理層

個(gè)站；使用中繼器時(shí)最多可到127個(gè)站。傳輸速率可選用9.6kbit/s~12Mbit/s，一旦設(shè)備投入運(yùn)行，全部設(shè)備均須選用同一傳輸速率。電纜的最大長(zhǎng)度取決于傳輸速率，見(jiàn)表4．2。表4．2RS485傳輸速率與A型電纜的距離

4.3.2Profibus的物理層（2）PA的IEC1158-2的MBP傳輸技術(shù)

MBP,曼徹斯特編碼（M）、總線供電（BP)。

IEC1158-2的MBP傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)的要求，可保證本質(zhì)安全性和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電。這是一種位同步協(xié)議，可進(jìn)行無(wú)電流的連續(xù)傳輸。在不使用中繼器時(shí)，每段最多有32個(gè)站；使用中繼器時(shí)，最多可到126個(gè)站。傳輸速率為31.25kbit/s。4.3.2Profibus的物理層課堂練習(xí)MBP的曼徹斯特碼調(diào)制：對(duì)數(shù)字信號(hào)序列00110101進(jìn)行曼徹斯特編碼調(diào)制。

MBP技術(shù)的安裝要點(diǎn)：

◆每段只有一個(gè)電源作為供電裝置

◆當(dāng)站收發(fā)信息時(shí)，不向總線供電

◆每站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流

◆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的作用如同無(wú)源的電流吸收裝置

◆允許使用總線型、樹(shù)型和星形網(wǎng)絡(luò)

◆為了提高可靠性，可使用冗余的總線段4.3.2Profibus的物理層本質(zhì)安全和本征安全◆在特定的總線來(lái)講，在特定的測(cè)試條件下產(chǎn)生的火花和熱效應(yīng)不足以引起爆炸，就稱這個(gè)線路是本質(zhì)安全的。◆如果整個(gè)系統(tǒng)中含有的設(shè)備都是具有本征安全性，那么這個(gè)系統(tǒng)就具有本征安全性。4.3.2Profibus的物理層（3）光纖傳輸技術(shù)在電纜干擾很大的場(chǎng)合，可使用光纖導(dǎo)體，以增大高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x，一種專用的總線插頭可將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖信號(hào)或者將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，這使得在同一系統(tǒng)中，可同時(shí)使用RS485和光纖傳輸技術(shù)。4.3.2Profibus的物理層●光纖傳輸?shù)目偩€傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是指使用的是玻璃纖維還是塑料纖維的光纜。傳輸距離取決于所使用的介質(zhì)類型。玻璃纖維可達(dá)到15km,而塑料纖維只能達(dá)到80m.●總線連接技術(shù)

◆光鏈路模塊技術(shù)

◆光鏈路插頭技術(shù)

◆集成的光纖連接技術(shù)4.3.2Profibus的物理層2．Profibus

總線訪問(wèn)協(xié)議

Profibus

的DP、FMS和PA采用單一的總線訪問(wèn)協(xié)議。在Profibus中，總線訪問(wèn)協(xié)議由第2層現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）來(lái)實(shí)現(xiàn)。媒體訪問(wèn)控制（MAC）控制了站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞颉AC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

Profibus

協(xié)議的設(shè)計(jì)旨在滿足媒體訪問(wèn)控制的基本要求。4.3.2Profibus的數(shù)據(jù)鏈路層

在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）相互通信期間，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來(lái)完成其通信任務(wù)。在復(fù)雜的控制設(shè)備和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（從站）之間周期、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信，應(yīng)盡可能地快速和簡(jiǎn)單。

4.3.2Profibus的數(shù)據(jù)鏈路層因此，Profibus

總線訪問(wèn)協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，如圖4．23

所示。圖4．23總線訪問(wèn)協(xié)議

令牌傳遞方式采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但網(wǎng)上各主站傳遞程序保證了每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)得到總線訪問(wèn)權(quán)（令牌）。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間是事先規(guī)定的。在Profibus

中，令牌傳遞僅在各主站間通信時(shí)使用。主從方式允許主站在得到總線訪問(wèn)令牌時(shí)可與從站通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息。通過(guò)這種訪問(wèn)方法，有可能實(shí)現(xiàn)下列系統(tǒng)配置：

純主——從系統(tǒng)；·純主——主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）；混合系統(tǒng)。圖4．23所示為一個(gè)由3個(gè)主站和7個(gè)從站構(gòu)成的Profibus

系統(tǒng)配置。3個(gè)主站構(gòu)成令牌邏輯環(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—從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主—z主關(guān)系與所有主站通信。令牌邏輯環(huán)是所有主站的組織鏈。按照它們的地址構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。

在這個(gè)環(huán)中，令牌（總線訪問(wèn)權(quán)）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按照次序（地址的升序）在各主站中依次傳遞。在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站媒體訪問(wèn)控制（MAC）的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配，并建立令牌邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中被排除，新上電的主站必須加入令牌邏輯環(huán)。總線訪問(wèn)控制保證令牌按地址升序依次在各主站間傳遞，各主站的令牌具體保持時(shí)間長(zhǎng)短取決于該令牌

配置的循環(huán)時(shí)間。另外，Profibus媒體訪問(wèn)控制還可監(jiān)測(cè)傳輸介質(zhì)及收發(fā)器是否有故障、檢查站點(diǎn)地址是否出錯(cuò)（如地址重復(fù)）以及令牌錯(cuò)誤（如多個(gè)令牌或令牌丟失）。第2層的另一重要任務(wù)是，保證數(shù)據(jù)的可靠性。Profibus第2層的結(jié)構(gòu)格式保證高度的數(shù)據(jù)完整性，這是依靠所有報(bào)文的海明距離HD=4以及使用特殊的起始和結(jié)束定界符、無(wú)間距的字節(jié)同步傳輸和每個(gè)

字節(jié)的奇偶校驗(yàn)來(lái)保證的。Profibus第2層按照非接連的模式操作，除提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信（廣播及有選擇廣播）功能。

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)類型和報(bào)文格式4.3.3Profibus-DP通信原理

Profibus-DP（Distributerdperipheral）用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。中央控制器（如PLC/PC）通過(guò)高速串行總線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等）進(jìn)行通信。多數(shù)據(jù)交換采用周期方式。除了周期通信方式外，智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也具有非周期性通信方式，以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。

1．Profibus-DP的基本功能中央控制器（主站）周期地讀取從站的輸入信息，并周期地向從站1.Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成在同一條總線上最多可以連接126個(gè)設(shè)備（主站加從站）。由系統(tǒng)組態(tài)來(lái)定義站點(diǎn)數(shù)、站地址、輸入輸出地址、輸入輸出數(shù)據(jù)格式、診斷報(bào)文格式和所使用的參數(shù)。每個(gè)DP系統(tǒng)由不同類型的設(shè)備構(gòu)成，這些設(shè)備包括：（1）一級(jí)DP主站（DPM1）一級(jí)DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的主設(shè)備包括可編程序控制器（PLC）和個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）。DPM1有主動(dòng)的總線存取權(quán)，它可以在固定的時(shí)間讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)（輸入）和寫執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)定值（輸出）。1.Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

（2）二級(jí)DP主站（DPM2）二級(jí)DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板。它們的主要作用是系統(tǒng)維護(hù)和診斷，組態(tài)所連接的設(shè)備、設(shè)置測(cè)量值和參數(shù)，以及請(qǐng)求設(shè)備狀態(tài)。DPM2也有主動(dòng)的總線存取權(quán)。

1.Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成1.Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成（3）DP從站

DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI，閥門等），也有一些只提供輸入或輸出信息的設(shè)備。輸入和輸出信息量大小取決于設(shè)備類型，目前允許的輸入和輸出信息，最多不超過(guò)246字節(jié)。從通信的角度看，從站是被動(dòng)設(shè)備，它們僅響應(yīng)請(qǐng)求。

Profibus-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在多主站系統(tǒng)中，總線上連接好幾個(gè)主站，這些主站與各自的從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，各包括一個(gè)DPM1和它們指定的從站或作為網(wǎng)上的附加配置和診斷設(shè)備。任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入和輸出映像，但只有一個(gè)DP主站（在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)指定的DPM1）允許對(duì)DP從站寫入數(shù)據(jù)。多主站系統(tǒng)的總線循環(huán)時(shí)間要比單主站系統(tǒng)長(zhǎng)一些。

4.3.3Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)2.Profibus-DP用戶數(shù)據(jù)交換原理Profibus-DP數(shù)據(jù)鏈路層可提供以下傳輸服務(wù)。（1）發(fā)送要求帶應(yīng)答的報(bào)文。向某個(gè)從站發(fā)送報(bào)文，要求從站應(yīng)答。（2）發(fā)送不要求應(yīng)答的廣播報(bào)文2.Profibus-DP基本功能Profibus-DP基本功能有：①DP主站和DP從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳送②各DP從站的動(dòng)態(tài)激活和解除激活③檢查DP從站的組態(tài)④診斷功能⑤輸入輸出同步⑥通過(guò)總線給DP從站分配地址，保證每個(gè)從站最大為246字節(jié)的輸入輸出數(shù)據(jù)⑦通過(guò)總線對(duì)DP從站進(jìn)行配置。

（1）DP主站和DP從站間的數(shù)據(jù)傳輸一類主站和從站之間的通信包括三個(gè)階段：參數(shù)化階段、組態(tài)階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。參數(shù)化階段的主要任務(wù)：DP主站用現(xiàn)行的總線參數(shù)、監(jiān)控時(shí)間和從站的特定參數(shù)對(duì)從站進(jìn)行參數(shù)化。組態(tài)階段的任務(wù)：主站檢查已設(shè)計(jì)的組態(tài)與實(shí)際設(shè)備的組態(tài)是否相匹配，組態(tài)的參數(shù)主要包括：設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式和長(zhǎng)度以及輸入輸出數(shù)量。2.Profibus-DP基本功能

（2）控制命令一類主站除了自動(dòng)執(zhí)行與相關(guān)從站的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸外，主站還可以向單個(gè)從站、一組從站或所有從站發(fā)送控制命令。這些控制命令主要包括同步信息。2.Profibus-DP基本功能

（3）診斷功能廣泛的診斷功能可以對(duì)故障進(jìn)行快速定位。診斷報(bào)文分三級(jí)：

●與站有關(guān)的診斷。這些診斷報(bào)文涉及整個(gè)站的一般運(yùn)行狀態(tài)，如溫度過(guò)高、電壓過(guò)低等

●與模塊有關(guān)的診斷。這些診斷報(bào)文指出某個(gè)站的某個(gè)輸入輸出模塊出現(xiàn)的故障，如8位輸入輸出模塊出現(xiàn)故障。

●與通道有關(guān)的診斷。這些診斷報(bào)文指出某個(gè)輸入輸出為（通道）的故障，如輸出斷線等。2.Profibus-DP基本功能（4）安全性功能在分散控制的現(xiàn)場(chǎng)提供有效的安全功能是十分必要的，DP的安全功能主要包括如下檢查：參數(shù)化錯(cuò)誤；站脫落；傳輸介質(zhì)脫落，電磁兼容性；硬件和軟件失效等。2.Profibus-DP基本功能

（5）Profibus-DP系統(tǒng)行為

Profibus-DP的系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)是由本地或總線的配置設(shè)備所控制的，主要有以下三種狀態(tài)：

●停止在這種狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?！裣谶@種狀態(tài)下，DPM1讀取DP從站的輸入信息，并使輸出信息保持故障安全狀態(tài)?！襁\(yùn)行在這種狀態(tài)下，DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，循環(huán)數(shù)據(jù)通信時(shí)，DPM1從DP從站讀取輸入信息，并向DP從站寫入輸出信息。2.Profibus-DP基本功能DPM1設(shè)備在一個(gè)預(yù)先組態(tài)的時(shí)間間隔內(nèi)以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地發(fā)送到每一個(gè)有關(guān)的DP從站。如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤（例如一個(gè)DP從站有故障），系統(tǒng)將作出反應(yīng)，它是由組態(tài)參數(shù)“自動(dòng)清除”（Auto-clean）確定的。如果此參數(shù)為真，則DPM1將所有有關(guān)的DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。如果此參數(shù)為假，則DPM1在這個(gè)DP從站出錯(cuò)地仍停留在運(yùn)行狀態(tài)，然后由用戶決定對(duì)系統(tǒng)作出反應(yīng)。

2.Profibus-DP基本功能

Profibus設(shè)備具有不同的性能特征，特征的不同在于現(xiàn)在功能（即I/0信號(hào)的數(shù)量和診斷信息）的不同或總線參數(shù)（如波特率和各種監(jiān)控時(shí)間）的不同。這些參數(shù)對(duì)每種設(shè)備類型和制造商來(lái)說(shuō)均有差別，為了達(dá)到Profibus簡(jiǎn)單的即插即用，這些均在設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件，即GSD文件中說(shuō)明。GSD是以一種準(zhǔn)確定義的格式描述的，制造商對(duì)每一種設(shè)備都有一個(gè)GSD文件。將來(lái)用配置軟件組網(wǎng)，3．設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)（德文縮略語(yǔ)為GSD）文件

如COMProfibus軟件，只要把設(shè)備的GSD文件拷貝到相應(yīng)的目錄下，就可以方便地把此設(shè)備放在網(wǎng)中。GSD文件包括以下三個(gè)部分：（1）總體說(shuō)明，包括制造商和設(shè)備名稱、軟硬件版本號(hào)、支持的波特率、可能的監(jiān)控時(shí)間間隔等。（2）DP主設(shè)備的相關(guān)規(guī)定，包括所有只適用于DP主設(shè)備的參數(shù)，例如可連接的從設(shè)備的最多臺(tái)數(shù)或加載和卸載能力等。（3）從設(shè)備的相關(guān)規(guī)定，包括與從設(shè)備有關(guān)的所有規(guī)定，如I/O通道的數(shù)據(jù)和類型、診斷測(cè)試的規(guī)格及I/O數(shù)據(jù)一致性信息等。

4.3.4Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)Profibus-FMS的設(shè)計(jì)旨在解決車間一級(jí)的通信。在這一級(jí)，可編程序控制器（PLC）與PC以FMS方式互相通信，強(qiáng)有力的FMS服務(wù)向人們提供廣泛的應(yīng)用范圍和更大的靈活性。在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，高性能的功能要求遠(yuǎn)比系統(tǒng)的快速響應(yīng)時(shí)間更顯得重要。

1．Profibus-FMS應(yīng)用層Profibus-FMS應(yīng)用層提供了用戶使用的通信服務(wù)。這些服務(wù)包括訪問(wèn)變量、程序傳遞、事件控制等。Profibus-FMS應(yīng)用層包括兩部分：現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范（FMS），描述了通信對(duì)象和應(yīng)用服務(wù)；低層接口（LLI），F(xiàn)MS服務(wù)到第二層的接口。

2．Profibus-FMS通信模型Profibus-FMS利用通信關(guān)系將分散的應(yīng)用過(guò)程統(tǒng)一到一個(gè)共用的過(guò)程中。在應(yīng)用過(guò)程中，可用來(lái)通信的那部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備稱為虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（VFD），在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與VFD之間建立一個(gè)通信關(guān)系表，VFD通過(guò)通信關(guān)系表完成對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信。通信關(guān)系表是VFD通信變量（如零件數(shù)、故障率、停機(jī)時(shí)間等）的集合。

3．通信對(duì)象與通信字典FMS面向?qū)ο笸ㄐ牛_認(rèn)五種靜態(tài)通信對(duì)象，即簡(jiǎn)單變量、數(shù)組、記錄、域和事件，還確認(rèn)兩種動(dòng)態(tài)通信對(duì)象：程序調(diào)用和變量表。每臺(tái)FMS設(shè)備的所有通信對(duì)象都填入對(duì)象字典（OD）中。對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)備，OD可以預(yù)定義，對(duì)復(fù)雜設(shè)備，OD可以本地或遠(yuǎn)程通過(guò)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)對(duì)象字典。每個(gè)對(duì)象均有一個(gè)唯一的索引，為避免非授權(quán)的訪問(wèn)，每個(gè)通信對(duì)象可選用訪問(wèn)保護(hù)。

4．Profibus-FMS服務(wù)Profibus-FMS服務(wù)項(xiàng)目是ISO9506制造信息規(guī)范（ManufacturingMessageSpecification