工業(yè)以太網和通信技術

1、工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 2 頁共 23 頁網橋只有少量的端口(如 24)； 交換機則有許多端口；許多交換機可以全雙工方式工作2.路由器（Router）一種用于連接兩個運行相同/不同協(xié)議的 IS。是網絡連接設備的重要組成部分，它相對網橋提供了一個更次的 LAN 互聯。路由器能根據分組類型過濾和選擇路由，支持在 LAN 段之間有多個鏈路的網絡，當某個鏈路損壞時，可選擇其他路由以及根據網絡通信的情況決定路由. 總的來說，路由器與交換機的主要區(qū)別體現在以下幾個方面：（1）工作層次不同最初的的交換機是工作在 OSIRM 開放體系結構的數據鏈路層，也就是第二層，而路由器一開始就設計工作在 OSI

2、模型的網絡層。由于交換機工作在 OSI 的第二層（數據鏈路層），所以它的工作原理比較簡單，而路由器工作在 OSI 的第三層（網絡層），可以得到的協(xié)議信息，路由器可以做出更加智能的 轉發(fā)決www PLCworld cn（2）數據轉發(fā)所依據的對象不同交換機是利用物理地址或者說 MAC 地址來確定轉發(fā)數據的目的地址。而路由器則是利用不同網絡的 ID 號（即 IP 地址）來確定數據轉發(fā)的地址。IP 地 址是在軟件中實現的，描述的是設備所在的網絡，有時這些第三層的地址也稱為協(xié)議地址或者網絡地址。MAC 地址通常是硬件自帶的，由網卡生產商來分配的，而 且已經到了網卡中去，一般來說是不可更改的。而 IP 地

3、址則通常由網絡管理員或系統(tǒng)自動分配。（3）傳統(tǒng)的交換機只能分割域，不能分割廣播域；而路由器可以分割廣播域由交換機連接的網段仍屬于同一個廣播域，廣播數據包會在交換機連接的所有網段上，在某些情況下會穿過路由器。導致通信擁擠和安全漏洞。連接到路由器上的網被分配成不同的廣播域，廣播數據雖然第三層以上交換機具有 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路由器僅僅轉發(fā)特定地址的數據包，不傳送不支持路由協(xié)議的數據包傳送和未知目標網絡數據包的傳送，從 而可以防止廣播風暴。交換機一般用于 LAN-WAN 的連接，交換機歸于網橋

4、，是數據鏈路層的設備，有些交換機也可實現第三層的交換。 路由器用于 WAN-WAN 之間的連接，可以解決異性網絡之間轉發(fā)分組，作用于網絡層。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發(fā)。這兩條線 路可能分屬于不同的網絡，并采用不同協(xié)議。相比較而言，路由器的功能較交換機要強大，但速度相對也慢，價格昂貴.3.網橋(Bridge)轉發(fā)設備,工作在數據鏈路層，將兩個 LAN 連起來，根據 MAC 地址來轉發(fā)幀，可以看作一個“低層的路由器”（路由器工作在網絡層，根據網絡地址如 IP 地址進行轉發(fā)）。網橋通過一個通常較慢的鏈路（如線）連接兩個LAN，對本地網橋而言，性能比較重要，而對網橋而言，在

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

6、ateway ）傳輸網關：在傳輸層將兩個網絡連接起來。應用網關：在應用層將某個應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 模型是設計和描述計算機網絡通信的基本框架。它描述了網絡硬件和軟件如工作，進行網絡通信。OSI Open System Interconnection的方式協(xié)同 生產廠商根據 OSI 模型的OSI 的分層結構的。應用層：應用程序網絡服務的窗口，直接支持用戶的應用程序。表示層：確定計算機之間交換數據的格式，可稱其為網絡轉換器。 會話層：不同計算機的兩個應用程序建立、使用和結束會話

7、連接。傳輸層：作用是為用戶提供于具體網絡的、有效的、可靠的端對端數據傳輸服務。網絡層：將分組從源節(jié)點傳到目的結點，網絡層的功能：路由選擇、解決擁塞、實現網絡互連數據鏈路層：向網絡層提供可靠透明的數據傳輸服務，進行差錯和流量物理層：位于 OSI 參考模型的最底層；它直接面向傳輸介質，負責在通信介質之上，為數據提供一個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)系列技術路由器網橋檢查 packet 的頭，并根據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絡層當將 packet 交給數據

8、鏈路層時，它并不了解也不在意packet 會封裝在以太幀或token ring 幀中不知道也不在意它正從 802.x LAN 轉發(fā)到802.y LAN 的幀是否包含 IP 、IPX 或 CLNP packets。工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 4 頁共 23 頁第二章現場總線國際電工委員會 IEC61158 對現場總線（fieldbus）的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線?，F場總線系統(tǒng)的組成 硬件包括通信線（或稱通信介質（）、總線電纜）、連接在通信線上的設備（稱為總線設備或裝置、節(jié) 點、站點（主站、從站）。軟件包括以下幾部

9、分：組態(tài)工具軟件為用計算機進行設備配置、網絡 組態(tài)提供平臺并按現場總線協(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 的軟件平臺用戶程序軟件根據系統(tǒng)的工藝流程及其他要 求而編寫的 PLC（器）應用程序 設備接口通信軟件根據現場總線協(xié)議規(guī)范 而編寫的用于總線設備之間通過總線電纜進行通www PLCworld cn的軟件 設備接口通信軟件根據現場總線協(xié)議規(guī)范而編寫的用于總線設備之間通過總線電纜進行通信的軟件設備功能軟件使總線設備實現自身功能（不包括現場總線通信部分）的軟件； 組態(tài)軟件運行于計算機(通常也稱為上位機)上的

10、軟件，具有實時顯示現場設備運行狀態(tài)參數、故障信息，并進行數據、趨勢圖分析及報表打印等功能?，F場總線的技術特點 與 DCS 等相比，現場總線系統(tǒng)有以下特點：Ø 現場總線是數字通信網絡1、現場底層的變送器傳感器、執(zhí)行器、器之間的信號傳輸均用數字信號；2、中上層的器、監(jiān)視計算機等設備之間的數據傳送均用數字信號；3、各層設備之間的信息交換均用數字信號。Ø 現場總線是開放互連網絡1、現場總線標準、協(xié)議規(guī)范是公開的，所有制造商都必須遵守；2、現場總線網絡是開放的，既可實現同層網絡互連，也可實現不同層網絡互連，而不管其制造商是哪 一家；3、用戶可共享網絡?，F場總線通過一根通信線將所需的各

11、個現場設備（如變送器傳感器、執(zhí)行器、 用一根通信線直接互連 N 個現場設備，器）互相連接起來，即 1.系統(tǒng)測量與精度提高在現場總線中，各種開關量、模擬量就近轉變?yōu)閿底中盘?，所有總線設備間均采用數字信號進行通 信，避免了信號的衰減和變形，減少了傳送誤差。2.現場總線采用數字信號通信這一數字化特點，從根本上提高了系統(tǒng)的測量與精度。2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 5 頁共 23 頁第三章數據通信與計算機網絡基礎3.1數據編碼碼元是所傳輸數據的基本。用模擬信號的不同幅度、頻率、相位來表達數據的 0，1 狀態(tài)，稱為模擬數據編碼。用高低電平的矩形脈沖信號來表達數據的

12、0，1 狀態(tài)的，稱為數字數據編碼。單極性碼：信號電平是單極性的。雙極性編碼：信號電平為正、負兩種極性的。歸零碼（RZ）：歸零碼在每一位二進制信息傳輸之后均返回零電平的編碼。非歸零碼（NRZ）：非歸零碼在整個碼元時間內維持有效電平。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，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比特值的反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身。模擬數據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信號的傳輸方式3.2.1 基帶傳輸就是在數字通信的信道上直接傳送數據的基帶信號，即按數據波的原樣進行傳輸； 有任何調制，它是最基本的數據傳輸方ww式w。PLCworld cn 基帶傳輸特點： 不用調制解調器系統(tǒng)價格低廉較高的數據傳輸速率（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 載波傳輸采用數字信號對載波進行調制后實行傳輸。最基本的調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 寬帶網寬帶網與基帶網的主要區(qū)別，一

14、是數據傳輸速率不同，基帶網的數據速率范圍為 010 Mb/s，寬帶網可達 0400 Mb/s； 二是寬帶網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）是實現高速網絡的主要技術。速率可達 155 Mb/s 到 2.4Gb/s，也有25 Mb/s 和 50 Mb/s 的 ATM 技術，可適用于局域網和廣域網。3.3 通信方式.3.1通信（simplex communication），就是指傳送的信息始終是一個方向，而不進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方向上傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳輸 。3.3.3 全雙工通信（full Duplex communication）2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 6 頁共 23 頁能同時作雙向通信。通信效率高，簡單，但結構較復雜，成本較高3.4網絡拓撲結構(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 網絡拓撲結構3.5 網絡的傳輸介質傳輸介質是網絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。 線Ø 同軸電纜：物理特性：同軸電纜由內導體、外層、絕緣層及

16、外部保護層組成。軸介質的特性參數由內、外導體及絕緣層的電參數和機械 傳輸特性：基帶同軸電纜一般僅用于數字數據信號傳輸。決定。www PLCworld cn1. 寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復用方法，支持多路傳輸。2. 只用于一條通信信道的高速數字通信，此時稱之為單通道寬帶連通性：支持點-點連接，也支持多點連接。寬帶同軸電纜可支持數千臺設備的連接；基帶同軸電纜 可支持數百臺設備的連接。性：它的結構使得它的能力較強。地理范圍：基帶同軸電纜最大距離限制在幾公里范圍內，而寬帶同軸電纜最大距離可達幾十公里。Ø 雙絞線：雙絞線由按規(guī)則螺旋結構排列的兩根或四根絕緣線組成。一對線可以作為一條通信線路

17、， 各個線對螺旋排列的目的是使各線對之間的電磁干擾最小。雙絞線最普遍的應用是語音信號的模擬傳輸。在一條雙絞線上使用頻分多路復用（multiplexing）技 術可以進行多個音頻通道的多路復用連同性：雙絞線可以用于點-點連接，也可用于多點連接。地理范圍：雙絞線用作離最大為 100m性：雙絞線的中繼線時，最大距離可達 15km；用于 10Mb/s 局域網時，與集線器的距性取決于一相鄰線對的扭曲長度及適當的。在低頻傳輸時，其能力相當于同軸電纜。在 10100 kHz 時，其能力低于同軸電纜。Ø 光導電纜： 物理特性：光纖是一種能傳導光波的介質，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 的光纖傳輸已經實用；2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 7 頁共 23 頁光纖分類：單模光纖和多模光纖； 傳輸特性：光導通過內部的全反射來傳輸一束經過編碼的光信號。光纖傳輸速率可達幾千 Mbps。單模光纖是指光纖的光信號僅與光纖軸成單個可分辨角度的單光纖傳輸， 而多模光纖的光信號與光纖

19、軸成多個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-點方式，在某些實驗系統(tǒng)中也采用多點連接方式 。地理范圍：光纖信號衰減極小，它可以在 68km 距離內不使用中繼器，實現高速率數據傳輸。性：.光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長距離、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。光纖傳輸的安全性與性極好。Ø 無線：微波通信：微波通信工作頻率為 1091010Hz，局域網絡可直接利用微波收發(fā)機進行通信，或作中繼接力，擴大傳輸距離。紅

20、外通信：工作頻率為 10111014Hz，通過或接收信號調制的非相干紅外線，即可形成一條通信鏈路。只要收發(fā)機處在視線內，就可以準確地進行通信，方向性很強，幾乎不受干擾。 激光通信：工作頻率為 10141015Hz，用調制解調的相干激光，實現激光通信。通信 ：通信可以看成是一種特殊的微波通信系統(tǒng) 傳輸介質的特性對網絡中數據通信質量影響很大，這些特性主要是： 物理特性：傳輸介質物理結構的描述；傳輸特性：傳輸介質傳送數字或模擬信號以及調制技術、傳輸容量、傳輸的頻率范圍；通特性：點-點或多點連接； 地理范圍：傳輸介質最大傳輸距離；www PLCworld cn 性：傳輸介質防止噪聲與電磁干擾對傳輸數據

21、影響的能力； 相對價格：器件、安裝與維護費用2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 8 頁共 23 頁第四章PROFIBUS技術簡介 綜述（1） PROFIBUS 是一種開放式不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化流程工業(yè)自動化和樓宇交通電力等其他領域自動化。 PROFIBUS 是一種用于工廠自動化車間級和現場設備層數據通信與的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級的分散式數字和現場通信網 絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。（2）PROFIBUS 由三個兼容部分組成，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，用于設備級系統(tǒng)與分散式 IO 的通信。使用 PROFIBUSDP 可取24VDC 或 420mA 信號傳輸。（4）PORFIBUSPA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。（5）PROFIBUSFMS：用于車間級網絡，是一個令牌結構實時多主網絡。（6）PROFIBUS 是一種用于工廠自動化車間級和現場設備層數據通信與的現場總

23、線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級的分散式數字和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化www PLCworld cn行的解決方案。（7）與其它現場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS 的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準 EN50170 作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域 包括制造過程和自動化等。PROFIBUS 開放性和不依賴確認，在德國和歐洲市 場中 PROFIBUS于廠商的通信的設想，已在 10 多萬應用中得以實現。市場占開放性工業(yè)現場總線系統(tǒng)的市場超過 40。PROFIBUS 有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優(yōu)勢并 能提供廣泛的優(yōu)質新和

24、技術服務。（ 8 ） PROFIBUS 協(xié) 議 結 構 是 根 據 ISO7498 國 際 標 準 ， 以 開 放 式 系 統(tǒng) 互 聯 網 絡 （ 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)以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同 PROFIBUSDP 設備的設備行為。（2） PROFIBUSFMS：定義了第一二七層，應用層包括現場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口(

25、Lower Layer Interface LL)。FMS 包括了應用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強的通信服務。LL協(xié)調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層接口。（3） PROFIBUSPA：PA 的數據傳輸采用擴展的 PROFIBUSDP 協(xié)議。另外，PA 還描述了現場設備行為的 PA 行規(guī)。根據 IEC11582 標 準，PA 的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在 DP 上擴展 PA 網絡。層為數據鏈 路層，第三六層末使用，第七層為應用層。注：第一層為物理層，第二二 PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA 適用于 PROFIBUS 的過程自動

26、化。PA 將自動化系統(tǒng)和過程系統(tǒng)與、溫度和液位變送器等現場設備連接起來，PA 可用來替代 4-20mA 的模擬技術。PROFIBUS-PA 具有如下特性：(1) 適合過程自動化應用的行規(guī)使不同廠家生產的現場設備具有互換性。(2) 增加和去除總線站點，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)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 9 頁共 23 頁(3) 在過程自動化的 PROFIBUS-PA 段與制造業(yè)自動化的 PROFIBUS-DP 總線段之間通過藕合器連接，并使可實現兩(4)(5)2.1的透明通信。使用與 IEC1158-2 技術相同的雙絞線完成供電和數據傳送。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量值和狀態(tài)。并用擴展的 PROFIBUS-DP 功能來制訂現場設備的參數和進行設備 操作。PROFIBUS-PA 第一層采用 IEC1158-2 技術，第二層和第一層之間的接口在DIN19245 系列標準的第四部分作出了規(guī)定。2.2 PROFIBUS-PA 設備行規(guī)PROFIBUS-PA 行規(guī)保證了不同廠商所生產的現場設備的互換性和互操作性，它是 PROFIBUS-PA 的一個組成部分。PA 行規(guī)的任務是

28、選用各種類型現場設備真正需要通信的功能，并提供這些設備功能和設備行為的一切必要規(guī)格。目前，PA 行規(guī)已對所有通用的測量變送器和其它選擇的一些設備類型作了具體規(guī)定，這些設備如：·····測、液位、溫度和流量的變送器數字量輸入和輸出模擬量輸入和輸出閥門三PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS 的設計旨在解決車間級通信。在這一層，可編程序器（如 PLC、PC 機等）之間需要比現場層更大量的數據傳送，但通信的實時性要求低于現場層。3.1 PROFIBUS-FMS 應用層供了供用戶使用的通信服務。這些服務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· 現場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）：描述了通信對象和應用服務。· 低層接口(Lower Layer Interface-LLI)：FMS 服務到第二層的接口。3.2 PROFIBUS-FMS 通信模型PROFIBUS-FMS 利用通信分散的應用過到一個共用的過程中。在應用過程中，可用來通信的那部分現場設備稱虛擬設備 VFD （Virtual field Device）。在實際現場設備與 VFD 之間設立一個通信關系表。通信關系表是VFD 通信變量的集合，如零件數、故障

30、率、停機時間等。VFD 通過通信關系表完成對實際現場設備的通信。3.3 通信對象與通信字典（OD）(1) FMS 面向對象通信，它確認 5 種靜態(tài)通信對象：簡單變量、數組、信對象：程序調用和變量表。、域和，還確認 2 種動態(tài)通(2) 每個FMS 設備的所有通信對象都填入對象字典（OD）。對簡單設備，OD 可以予定義，對復雜設備，OD 可以本地或通過組態(tài)加到設備中去。靜態(tài)通信對象 進入靜態(tài)對象字典，動態(tài)通信對象進入動態(tài)通信字典。每個對象均有一個唯一的索引，為避免非存取，每個通信對象可選用存取保護。3.4 PROFIBUS-FMS 服務FMS 服務項目是 ISO 9506 制造信息規(guī)范 MMS（M

31、anufacturing Message Specification）服務項目的子集。這些服務項目在現場總線應用中已被優(yōu)化，而且還加上了通信對象的管理和網絡管理。PROFIBUS-FMS 提供大量的管理和服務，滿足了不同設備對通信提出的廣泛需求，服務項目的選用取決于特定的應用，具體的應用領域在 FMS 行規(guī)中規(guī)定。3.5 低層接口（LLI） 第七層到第二層服務的由 LLI 來解決，其主要任務包括數據流和聯接監(jiān)視。用戶通過稱之為通信關2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 10 頁共 23 頁系的邏輯通道與其他應用過程進行通信。FMS 設備的 全部通信關系都列入通信

32、關系表 CRL(Communication Relationship List)。每個通信關系通過通信索引（CREF）來查找，CRL 中包含了 CREF 和第二層及 LLI 地址間的關系。3.6 網絡管理FMS 還提供網絡管理功能，有由現場總線管理層第七層來實現。其主要功能有：上、下關系管理、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用。在不同的應用領域中，具體需要的功能范圍必須與具體應用要求相適應。設備的功能必須結合應用來定義。這些 適應性定義稱之為行規(guī)。行規(guī)提供了設備的可互換性，保證不同廠商生產的設備具有相同的通信功能。FMS 對行規(guī)

33、做了如下規(guī)定（括號中的數字是文件編號）：···間的通信（3.002） 摟宇自動化（3.011） 低壓開關設備（3.032）四PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 用于現場層的高速數據傳送。主站周期地從站的輸入信息并周期地向從站輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP 還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和處理。4.1(1)(2)PROFIBUS-DP 的基本功能傳輸技術：RS-485 雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從 9.6Kbit/s 到 12Mbit/s?？偩€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。總線上最多站點（主-從設備）數為 126。：點對點（用戶數據傳送）或廣播（指w P令LC）w。orld循cn環(huán)主-從用戶數據傳送和非循環(huán)主-主數據傳送。(4)(5)(6)運行模式：運行、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)用戶數據傳送。各 DP 從站的動態(tài)激活和可激活。DP 從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。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 DP 主站（DPM1）進行配置。每 DP 從站的輸入和輸出數據最大為 246 字節(jié)。

35、(7) 可靠性和保護機制：所有信息的傳輸按海明距離 HD=4 進行。DP 從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對 DP 從站的輸入/輸出進行存取保護。DP 主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監(jiān)視。(8) 設備類型：第二類 DP 主站（DPM2）是可進行編程、組態(tài)、診斷的設備。第一類 DP 主站（DPM1）是可編程序器，如 PLC、PC 等。DP 從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅動器、閥門等。4.2 PROFIBUS-DP 基本特征(1) 速率：在一個有著 32 個站點的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP 對所有站點傳送 512 bit/s 輸入和 512 bit/s 輸出，在

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

37、IBUS-DP 系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設備：(1) 一級DP 主站（DPM1）：一級 DP 主站是換信息。典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。器，它在預定的信息周期內與分散的站（如 DP 從站）交2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 11 頁共 23 頁(2)DP 主站（DPM2）：DP 主站是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在 DP 系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。(3)(4)DP 從站：DP 從站是進行輸入和輸出信息和的設備（I/O 設備、驅動器、HMI、閥門等）。站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。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（數據鏈路層）來實現的。它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。(2) 在 PROFIBUS 中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層（Fieldbus Data Link-FDL）。介質存?。∕edium 數據。Access Control-MAC）具體數據傳輸的程序，MAC 必須確保在任何一個時刻只有一個站點(3) PROFIBUS 協(xié)議的設計要滿足介質存取的兩個基本要求：· 在復雜的自動化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足

39、夠的時間來完成通信任務。· 在復雜的程序器和簡單的 I/O 設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。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主站在一個確切規(guī)定的時間內得到總線存取權（令牌）。在 PROFIBUS 中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。(5) 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個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 是一個由 3 個主站、7 個從站的 PROFIBUS 系統(tǒng)。3

40、個主站之間令牌邏輯環(huán)。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執(zhí)行主站工 作。在這段時間內，它可依照主-從通訊關系表與所有從站通信，也可依照主-主通訊關系表與所有主站通信。www PLCworld cn圖 2-4：3 個主站、7 個從站的 PROFIBUS 系統(tǒng)(7) 在總線系統(tǒng)初建時，主站介質存取MAC 的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，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是保證數據的可靠性。PROFIBUS 第二層的數據結構格式可保證數據的高度完整性。(9) PROFIBUS 第二層按照非連接的模式操作，除

41、提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信，其中包括2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 12 頁共 23 頁廣播及有選擇廣播功能。4.5擴展 DP 功能: DP 擴展功能是對 DP 基本功能的補充，與 DP 基本功能兼容。4.6(1)(2)(3)DPM1 與 DP 從站間的擴展數據通信DPM1 與 DP 從站間非循環(huán)的數據傳輸。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據。響應，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從 DP 從站上接收的數據。(3) DPM2 與從站間的非

42、循環(huán)的數據傳輸。4.7 電子設備數據文件（GSD） 不同廠家生產的 PROFIBUS集成在一起，生產廠家必須以 GSD 文件（電子設備數據庫文件）方式提供這些到操作員圖 2-7 所示。的功能參數（如 I/O 點數、診斷 信息、波特率、時間監(jiān)視等）。標準的 GSD 數據將通信擴大級。使用根據 GSD 文件所作的組態(tài)工具可將不同廠商生產的設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 文件可分為三個部分：(1)(2)(3)總規(guī)范：包括了生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監(jiān)視時間間隔、總線插頭指定信號。與 DP 有關的規(guī)范：包括適用

43、于主站的各項參數，如從站個數、上裝/下裝能力。與 DP 從站有關的規(guī)范：包括了與從站有關的一切規(guī)范，如輸入/輸出通道數、類型、診斷數據等。2.3.4 PROFIBUS-DP 行規(guī)PROFIBUS-DP 協(xié)議明確規(guī)定了用戶數據怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數據的含義是在 PROFIBUS 行規(guī)中具體說明的。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了 PROFIBUS-DP 如何用于應用領域。使用行規(guī)可使不同廠商所生產的不同設備互換使用，而工廠操作毋須關心兩者之間的差異，因為與應用有關的參數 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)，括弧中數字是文件編號：··

44、3;·NC/RC 行規(guī)（3.052） 編碼器行規(guī)（3.062） 變速傳動行規(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)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 13 頁共 23 頁第五章 現場總線 Fieldbus現場總線（Fieldbus）是 80 年代末、90 年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，了生產過程現場及設備之間及其與更高管理層次之間的。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布系統(tǒng)。這項以智能傳感、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，

45、已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與的開發(fā)。現場總線設備的工作環(huán)境處于過程設備的底層，作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 :具有一定的時間確定性和較高的實時性要求,還具有網絡負載穩(wěn)定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上 述特點，現場總線系統(tǒng)從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。一般把現場總線系統(tǒng)稱為第五代系統(tǒng)，也稱作 FCS現場總線系統(tǒng)。人們一般把 50 年代前的氣動信號系統(tǒng) PCS 稱作第一代，把 420

46、mA 等電動模擬信號系統(tǒng)稱為第二代，把數字計算機集中式系統(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場總線系統(tǒng) FCS 作為新一代系統(tǒng)，一方面，了 DCS 系統(tǒng)采用通信網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把 DCS 的集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把統(tǒng)最顯著的特征。功能徹底下放到現場?？梢哉f，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系現場總線技術在歷經了群雄并起，分散割據的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未 形成完整統(tǒng)一的國際標準。其中有較強實力和影響的有dationField

47、bus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。它們具有各自的特色，在www PLCworld cn不同應用領域形成了的優(yōu)勢。本文將在簡要描述現場總線技術特點的基礎，緊扣系統(tǒng)的可靠性、實用性等，介紹現場總線網絡結構、體系結構等后闡述現場總線的發(fā)展趨勢與技術展望。一、現場總線的技術特點及目前較為流行的幾種有實力的現場總線技術的現狀，最1、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換， 現場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致、公 開性，強調對標準的共識與遵從。一個開

48、放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權利交給了用戶。用戶可按的需要和對象把來自不同供應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，是指實現互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互 用。3、現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。4、系統(tǒng)結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動的

49、基本功能，使得現場總線已一種新的全分布式系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了現有 DCS 集中與分散相結合的集散系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。5、對現場環(huán)境的適應性。工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的 用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。能力，能采二、現場總線的優(yōu)點由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統(tǒng)結構的簡化，使 產運行及其檢修維護，都體現出優(yōu)越性。系統(tǒng)的設計、安裝、投運到正常生1、節(jié)省硬件數量與投資。由于現場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種

50、傳感、和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的器、計算單元等，也不再需要 DCS 系統(tǒng)2008-4-25電氣工程專業(yè)系列技術工業(yè)以太網與PLC 通信技術第 14 頁共 23 頁的信號調理、轉換、技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控 PC 機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于設備的減少，還可減少室的占地面積。2、節(jié)省安裝費用?，F場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備， 因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安

51、裝的工作 量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用 60%以上。3、節(jié)省維護開銷。由于現場設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往室，用戶可以所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。4、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的被“框死”了設備的選擇范圍，集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。5、提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號

52、相比，它從根本上提高了測量與的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強:減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊 化，因而還具有設計簡單，易于重構等優(yōu)點。三、典型現場總線簡介1、現場總線現場總線，即 FoudationFieldbus,簡稱 FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。其前身是以美國 Fisher- Rousemount 公司為首，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，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，成立了現場總線，致力于開發(fā)出國際的現場總線協(xié)議。它以 ISO/OSI 開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為 FF 通信模型的相應層次， 并在應用層上增加了用戶層。現場總線分低速 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 1900m器延長),可支持總線供電，支持本質安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。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合 IEC1158-2 標

54、準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位數據的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表 1，從而使串行數據位流中具有足夠的，以保持雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來數據的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據數據的中心位置精確。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數據鏈路層協(xié)議的，許多儀表公司已開發(fā)出符合 FF 協(xié)議的，1 總線已通過測試和測試，完成了由 13 個不同廠商提供設備而組成的 FF 現場總線工廠試驗系統(tǒng)。2 總線標準也已經形成。1996 年 10 月，在芝加哥舉行的 ISA96 展覽會上，由現場總線組織實施，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上的 FF 展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現場總線演示系統(tǒng)，各展臺現場設備之間可實地進行現場互操作，展現了 現場總線的成就與技術實力。2、LonWorksLonWorks 是又一具有強勁實力的現場總線技術，它是由美國 Ecelon 公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，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