第4章工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線

1、第第4章章 工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線 通常把具有一定的編碼、格式和位長(zhǎng)要求的數(shù)字信號(hào)稱為數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息。 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信就是將數(shù)據(jù)信息通過(guò)適當(dāng)?shù)膫魉途€路從一臺(tái)機(jī)器傳送到另一臺(tái)機(jī)器。 機(jī)器可以是計(jì)算機(jī)、PLC或具有數(shù)據(jù)通信功能的其他數(shù)字設(shè)備。 4.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 4.1.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式 1. 并行傳輸與串行傳輸并行傳輸與串行傳輸 若按照傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)空順序分類 并行傳輸并行傳輸數(shù)據(jù)在多個(gè)信道同時(shí)傳輸傳輸速度快，但成本較高，干擾大。當(dāng)距離較近且要求傳輸速率較高時(shí)采用b7b6b5b4b3b2b1b0 串行傳輸串行傳輸數(shù)據(jù)傳輸按順序逐位在一條信道上傳輸成本

2、低、實(shí)現(xiàn)容易、控制簡(jiǎn)單、可靠，但短距離速度慢。常用于遠(yuǎn)距離傳輸而速度要求不高的場(chǎng)合。b7b6b5b4b3b2b1b02. 基帶串行傳輸與頻帶串行傳輸基帶串行傳輸與頻帶串行傳輸 根據(jù)傳輸是否搬移信號(hào)的頻譜，是否進(jìn)行調(diào)制分類。 基帶串行傳輸基帶串行傳輸 對(duì)信號(hào)不做任何調(diào)制，直接按原有的脈沖形式傳輸。數(shù)字信號(hào)傳輸常采用。編碼方式：NRZ，曼徹斯特碼 ，差分曼徹斯特碼等。曼徹斯特碼曼徹斯特碼具有“內(nèi)含時(shí)鐘”的性質(zhì)，對(duì)接收端提提取位同步信號(hào)取位同步信號(hào)非常有利，而且當(dāng)碼元中間無(wú)跳變時(shí)，就形成違例碼，這種違例的情況可形成幀標(biāo)志。 頻帶串行傳輸頻帶串行傳輸 把信號(hào)調(diào)制到某一頻帶上傳輸。 用調(diào)制器把二進(jìn)制信號(hào)

3、調(diào)制成模擬信號(hào)在通信線路上傳輸；接收端再經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)模擬信號(hào)還原為二進(jìn)制信號(hào)。調(diào)制可采用：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相 頻帶傳輸在同一條傳輸線路上可用頻帶分割的方法將頻帶劃分為幾個(gè)信道，同時(shí)傳輸多路信號(hào)。 (a) 調(diào)幅(b) 調(diào)頻(c) 調(diào)相3. 異步和同步傳輸方式異步和同步傳輸方式 根據(jù)解決發(fā)送端和接收端之間的同步問(wèn)題不同方式 異步傳輸異步傳輸每個(gè)字符加入起始和停止標(biāo)志位。發(fā)送是獨(dú)立隨機(jī)的。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但傳輸大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)，效率低。 同步傳輸同步傳輸數(shù)據(jù)以幀(一組數(shù)據(jù))為單位傳輸，在幀開始和結(jié)束有標(biāo)志，而幀中每個(gè)字節(jié)間不附加停止位和起始位。傳輸效率高，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，所需的軟硬件價(jià)格比異步傳輸

4、高 。 4. 串行數(shù)據(jù)傳輸速率串行數(shù)據(jù)傳輸速率 在數(shù)據(jù)通信中，用“波特率波特率”來(lái)描述數(shù)據(jù)的傳輸速率。 波特率波特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)，其單位為bit/s或bps。 常用的單位有：kbps、Mbps和Gbps。 波特率也常叫傳輸率，是衡量串行數(shù)據(jù)速度快慢的重要指標(biāo)。 有時(shí)也用“位周期位周期”來(lái)表示傳輸速率，位周期是波特率的倒數(shù)。 在串行通信中，所說(shuō)的傳輸速率指波特率，而不是指字符速率字符速率。 兩者關(guān)系： 如在某異步串行通信中，傳送一個(gè)字符需12個(gè)位(1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，1個(gè)校驗(yàn)位)，其傳輸速率是4800bps，每秒傳輸字符為4800/12=40

5、04.1.2 數(shù)據(jù)串行通信方式數(shù)據(jù)串行通信方式 數(shù)據(jù)在串行通信線路上傳輸有方向性 按照數(shù)據(jù)在某一時(shí)間傳輸?shù)姆较?，可分為：?jiǎn)喂ねㄐ艈喂ねㄐ牛簲?shù)據(jù)傳輸只能一個(gè)方向半雙工通信半雙工通信：數(shù)據(jù)可在兩個(gè)方向傳輸，但同一時(shí)刻指限于一個(gè)方向全雙工通信全雙工通信：數(shù)據(jù)可在兩個(gè)方向同時(shí)傳輸ABABAB4.1.3 OSI參考模型及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議參考模型及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 為保證通信的正常進(jìn)行，需通信各方遵守共同的協(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議也叫做通信控制規(guī)程，或稱傳輸控制規(guī)程。通信雙方在通信時(shí)需要遵循的規(guī)則和約定就是協(xié)議。 協(xié)議主要由語(yǔ)義、語(yǔ)法和定時(shí)三部分。 語(yǔ)義規(guī)定通信雙方準(zhǔn)備“講什么”，亦即確定協(xié)議元素的種類；

6、語(yǔ)法規(guī)定通信雙方“如何講”，確定數(shù)據(jù)的信息格式、信號(hào)電平等；定時(shí)則包括速度匹配和排序等。 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用分層設(shè)計(jì)便于網(wǎng)間互連，各層相互獨(dú)立，通過(guò)接口聯(lián)系。 目前采用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有兩類：異步通信協(xié)議異步通信協(xié)議和同步通信協(xié)議同步通信協(xié)議。同步通信協(xié)議又有面向字符面向字符和面向面向比特比特以及面向字節(jié)計(jì)數(shù)面向字節(jié)計(jì)數(shù)等。1. ISO/OSI參考模型參考模型 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1979年正式頒布開放系統(tǒng)互聯(lián)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型參考模型 ISO/OSI是信息處理領(lǐng)域內(nèi)的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一，為協(xié)調(diào)研制系統(tǒng)互連的各類標(biāo)準(zhǔn)提供共同基礎(chǔ)，為保持所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相容性提供了共同參考。 標(biāo)準(zhǔn)為研究、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和改造信

7、息處理系統(tǒng)提供了功能上和概念上的框架。 ISO/OSI的7層模型 物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)輸層運(yùn)輸層會(huì)話層會(huì)話層表示層表示層應(yīng)用層應(yīng)用層在物理鏈路上傳輸無(wú)結(jié)構(gòu)比特流，參數(shù)有信號(hào)電壓、比特寬度，涉及建立、維修和拆除物理鏈路所需的機(jī)械的、電氣的、功能和過(guò)程特性。把一條不可靠的傳輸通道轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l可靠的通道，發(fā)送帶有檢查的數(shù)據(jù)塊(幀)；使用差錯(cuò)檢測(cè)和幀確認(rèn)。 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組，分組可以是獨(dú)立傳輸?shù)?數(shù)據(jù)報(bào))或者是通過(guò)一條預(yù)先建立的網(wǎng)絡(luò)連接(虛電路)傳輸?shù)?，?fù)責(zé)路由選擇和擁擠控制。 在端點(diǎn)之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳輸，提供端到端的錯(cuò)誤恢復(fù)和流控制。在兩個(gè)進(jìn)程之間建立、維護(hù)和結(jié)

8、束連接(會(huì)話)，可以提供檢查點(diǎn)和再啟動(dòng)服務(wù)、隔離服務(wù) 完成有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口和公共的通信服務(wù)。給開放系統(tǒng)互連OSI環(huán)境的用戶提供服務(wù)，如事務(wù)服務(wù)程序、文件傳送協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理 各層所共有的功能 封裝過(guò)程 分段存儲(chǔ) 連接建立 流量控制 差錯(cuò)控制 多路復(fù)用 7層模型只是一個(gè)參考模型層模型只是一個(gè)參考模型，并未確切描述用于各層的協(xié)議和服務(wù)，僅僅是標(biāo)明每層應(yīng)該做什么，解釋協(xié)議相互之間應(yīng)該如何相互作用。 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際用到的協(xié)議并非嚴(yán)格按照這七層定義，而是根據(jù)實(shí)際需要。 大多現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)分層采用OSI模型的第1、2和7層。 基于以太網(wǎng)的TCP/IP采用了第1、2、3、4和7層。2. 異步

9、通信協(xié)議異步通信協(xié)議 異步通信指通信中兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔不固定兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔不固定，而在一個(gè)字符內(nèi)各位時(shí)間間隔固定一個(gè)字符內(nèi)各位時(shí)間間隔固定。 異步通信的信息以字符為單位以字符為單位傳送，每個(gè)字符按位傳輸，總是以“起始位”開始，以“停止位”結(jié)束。 字符由發(fā)送方異步產(chǎn)生，有隨機(jī)性。 字符一般采用5、6、7或8位二進(jìn)制編碼；每個(gè)字符可能需要用10位或11位才能傳送，如起始位1位；字符編碼7位；奇偶校驗(yàn)位1位；停止位12位。 接收和發(fā)送的時(shí)鐘頻率略有偏差，也不會(huì)造成偏差累積而錯(cuò)位，加之字符間的空閑位也為偏差提供了緩沖，所以異步串行通信的可靠性較高。 字符都要用起始位和停止位作為字符開始和

10、結(jié)束的標(biāo)志，接收端要采用倍頻時(shí)鐘對(duì)采用倍頻時(shí)鐘對(duì)接收到的數(shù)據(jù)同步采樣接收到的數(shù)據(jù)同步采樣，傳送效率低。 異步通信一般用在數(shù)據(jù)速率要求不高的場(chǎng)合(小于19.2kbps)。要求高速傳送時(shí)，一般要采用同步通信。(1) 起止式異步通信格式起止式異步通信格式 靠起始位和停止位實(shí)現(xiàn)字符界定或同步，故稱起起止式協(xié)議止式協(xié)議 異步通信的幀格式 傳送字符E的ASCII碼(45H)的時(shí)序波形。起始起始位位邏輯邏輯“0”0”1位位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)位位邏輯邏輯“0”0”或或“1”1”5位、位、6位、位、7位、位、8位位(2) 異步通信的接收過(guò)程異步通信的接收過(guò)程 接收端以“接收時(shí)鐘”和“波特率因子”決定一位的時(shí)間長(zhǎng)度。 以接

11、收一個(gè)字符E的ASCII碼，波特率因子等于16(接收時(shí)鐘周期)、正邏輯為例說(shuō)明異步通信的接收過(guò)程。(3) 異步通信的發(fā)送過(guò)程異步通信的發(fā)送過(guò)程 以發(fā)送一個(gè)字符E的ASCII碼為例說(shuō)明異步通信的發(fā)送過(guò)程。3. 同步通信協(xié)議同步通信協(xié)議 在約定通信速率下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號(hào)始終保持一致，通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)具有完全一致的定時(shí)關(guān)系。 發(fā)送方在每次同步傳送n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)塊前，先發(fā)送1個(gè)或2個(gè)同步字符，表示傳送過(guò)程開始，接著發(fā)n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)塊。字符之間無(wú)空隙。 以同步字符使收發(fā)雙方同步(1個(gè)同步字符是單同步，2個(gè)同步字符是雙同步)，接收端從傳輸?shù)男畔⒅谐槿⊥叫畔?，修正同步?同步串行通信以幀為

12、單位傳輸，每幀由5部分組成：標(biāo)志區(qū)標(biāo)志區(qū)、地址區(qū)地址區(qū)、控制區(qū)控制區(qū)、信息信息區(qū)區(qū)和和幀校驗(yàn)區(qū)幀校驗(yàn)區(qū)。 同步通信過(guò)程中要求在傳輸線路上始終保同步通信過(guò)程中要求在傳輸線路上始終保持連續(xù)的字符位流持連續(xù)的字符位流，若發(fā)送端沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，則線路上要用專用的“空閑”字符或同步字符填充。 同步通信傳送信息位數(shù)幾乎不受限制，一同步通信傳送信息位數(shù)幾乎不受限制，一次通信傳的數(shù)據(jù)有幾十到幾千字節(jié)，通信次通信傳的數(shù)據(jù)有幾十到幾千字節(jié)，通信效率高。效率高。 但要求在通信中保持精確的同步時(shí)鐘，發(fā)但要求在通信中保持精確的同步時(shí)鐘，發(fā)送器和接收器比較復(fù)雜，成本較高，一般送器和接收器比較復(fù)雜，成本較高，一般用于傳送速率

13、要求較高的場(chǎng)合；用于傳送速率要求較高的場(chǎng)合； 傳輸?shù)男畔⒅胁荒苡型阶址霈F(xiàn)，透明傳輸?shù)男畔⒅胁荒苡型阶址霈F(xiàn)，透明性較差。性較差。 同步通信協(xié)議有：面向字符的同步協(xié)議面向字符的同步協(xié)議：?jiǎn)瓮?、雙同步、外同步等；面向位的同步協(xié)議面向位的同步協(xié)議面向字節(jié)計(jì)數(shù)的同步協(xié)議面向字節(jié)計(jì)數(shù)的同步協(xié)議4.1.4 通信傳輸介質(zhì)通信傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)：網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)兩方的物理通道。 同軸電纜 雙絞線 光纖 無(wú)線4.1.5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)看，網(wǎng)絡(luò)由一組節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的鏈路組成。 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的互連模式叫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形結(jié)構(gòu) 樹形結(jié)構(gòu) 環(huán)形結(jié)構(gòu) 總線型結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4.1.6

14、介質(zhì)訪問(wèn)控制介質(zhì)訪問(wèn)控制 介質(zhì)訪問(wèn)控制是指在節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通道的占有通信權(quán)的管理與控制。 介質(zhì)訪問(wèn)控制方式 載波偵聽多路訪問(wèn)載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突監(jiān)測(cè)方式?jīng)_突監(jiān)測(cè)方式(CSMA/CD)令牌環(huán)方式令牌環(huán)方式(Token Ring) 令牌總線方式令牌總線方式(Token Bus) 4.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)常用標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口工業(yè)網(wǎng)絡(luò)常用標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中常用的標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口有RS-232C、RS-422、RS-485。 RS-232C、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制訂并發(fā)布的，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品兼容。 由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“

15、RS”作為前綴，所以習(xí)慣仍然以RS作前綴稱謂。 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，不涉及接插件、電纜或協(xié)議，對(duì)應(yīng)OSI模型中物理層的電氣特性部分，用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。 4.2.1 RS-232C串行通信接口串行通信接口 RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)間按位串行傳輸?shù)慕涌谛畔?、接口的電氣特性和機(jī)械特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。1. RS-232C的接口信號(hào)線的功能的接口信號(hào)線的功能 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口有25線。 必須有2根數(shù)據(jù)傳輸線，一根用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一根用于接收數(shù)據(jù)。同時(shí)有一根信號(hào)地線(公共端) 。 其它為

16、控制線，用于建立和保持計(jì)算機(jī)與終端的通信。 RS-232C最常用的DB25型連接器的9條引線的信號(hào)。 DTE數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送DTE數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接收信號(hào)公共地信號(hào)公共地2. RS-232C的信號(hào)電平的信號(hào)電平 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同信號(hào)采用不同電平。 數(shù)據(jù)線TXD和RXD，采用負(fù)邏輯：+3+12V為高電平，代表邏輯為高電平，代表邏輯“0” ；-3-12V為低電平，代表邏輯為低電平，代表邏輯“1”。 控制線RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等，采用正邏輯：+3+12V代表邏輯“1”；-3-12V代表邏輯“0”。 終端設(shè)備串行通信接口不滿足RS-232C電平標(biāo)準(zhǔn)要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。單片機(jī)UART是T

17、TL接口(高電平3.65V，低電平0V2.4V)。使用單片機(jī)進(jìn)行RS-232串行通信時(shí)，需采用轉(zhuǎn)換芯片完成TTL與RS-232的電平和邏輯轉(zhuǎn)換。 RS-232TTL3. RS-232C的數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)格式 數(shù)據(jù)是以串行方式傳輸 起始位，5、6、7或8位數(shù)據(jù)代碼，由LSB到MSB，奇偶校驗(yàn)位，停止位(1、1.5或2位)。 每位持續(xù)時(shí)間決定傳輸速率，常用位速率為1200、1800、2400、3600、4800和9600bps。 在20kbps下，可以傳輸15m距離。 4. RS-232C接口的機(jī)械特性接口的機(jī)械特性 25線信號(hào)里只有9線是有用的，故常用DB9接頭。 一些設(shè)備進(jìn)行RS-232C串行通

18、信，不需使用控制信號(hào)，只要3條接口線(發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和信號(hào)地)即可完成傳輸。 使用控制信號(hào)適用于設(shè)備與Modem接口。 無(wú)握手RS-232支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(對(duì)等對(duì)等)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)對(duì)多(一一主多從主多從) 全雙工通信。4.2.2 RS-422串行通信接口串行通信接口 RS-422串行通信接口采用平衡傳輸方式，以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰０l(fā)送端采用差動(dòng)輸出，接收端采用差動(dòng)輸入。 傳輸速率可達(dá)10Mbit/s(傳輸距離12m)。 傳輸電平，正邏輯+2+6V正電壓代表邏輯正電壓代表邏輯“1”；-2-6V負(fù)電壓代表邏輯負(fù)電壓代表邏輯“0”。 采用差分方式傳輸，雙絞線為傳輸介質(zhì)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)。

19、 可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(對(duì)等對(duì)等)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)對(duì)多(一主多從一主多從)全雙工差分通信。4.2.3 RS-485串行通信接口串行通信接口 RS-485標(biāo)準(zhǔn)是RS-422標(biāo)準(zhǔn)的變形，收發(fā)共用一對(duì)差分信號(hào)。 傳輸速率可達(dá)10Mbit/s(傳輸距離12m)。 每條總線可掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)，經(jīng)中繼器擴(kuò)展可達(dá)到128個(gè)。 傳輸電平，正邏輯+2+6V正電壓代表邏輯正電壓代表邏輯“1”；-2-6V負(fù)電壓代表邏輯負(fù)電壓代表邏輯“0”。 采用差分方式傳輸，雙絞線為傳輸介質(zhì)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)。 可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(對(duì)等對(duì)等)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)對(duì)多(一主多從一主多從)，多點(diǎn)多點(diǎn)(對(duì)等對(duì)等/多主多從多主多從)半雙工差分通信。

20、任何時(shí)刻，總線上最多只能有一個(gè)發(fā)送器處于發(fā)送狀態(tài)，否則引起總線沖突。 有一個(gè)發(fā)送時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)都應(yīng)處于接收或高阻狀態(tài)。 單片機(jī)進(jìn)行RS-485通信時(shí)， UART的TTL電平接口要經(jīng)過(guò)TTL/485轉(zhuǎn)換器連接RS-485總線。4.3 工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線 4.3.1 工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展及現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展及現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：地理位置不同而又具有各自獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)，通過(guò)通信設(shè)備和通信線路相互連接起來(lái)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)或交換信息的設(shè)備稱為站站或結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)。 按傳輸速率分類低速網(wǎng)：傳輸速率在KbpsMbps 高速

21、網(wǎng)：傳輸速率在MbpsGbps 按傳輸介質(zhì)分類有線網(wǎng)：雙絞線、同軸電纜和光纖無(wú)線網(wǎng)：微波、紅外線和激光 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類總線型星形環(huán)形 樹形網(wǎng)狀 按距離和覆蓋面分類全域網(wǎng)(GAN)：范圍在1000km以上 廣域網(wǎng)(WAN)：范圍幾公里到幾千公里 局域網(wǎng)(LAN)：范圍幾十米到幾千米 2. 對(duì)工業(yè)局域網(wǎng)的要求對(duì)工業(yè)局域網(wǎng)的要求 面向工業(yè)控制的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一種局域網(wǎng)，但不同于一般局域網(wǎng)，有自身的特點(diǎn)?？煽啃院涂捎眯缘囊蟾?。 一般對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐性量要求不高，但對(duì)實(shí)時(shí)性的要求要高。網(wǎng)絡(luò)所連接的對(duì)象、設(shè)備復(fù)雜，數(shù)量較多。工作環(huán)境一般比較惡劣。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)相對(duì)固定，對(duì)路由和地址的處理可適當(dāng)簡(jiǎn)化。 對(duì)分布式控制系

22、統(tǒng)，地理位置較分散，遠(yuǎn)程通信、故障處理和維護(hù)很重要。3. 工業(yè)局域網(wǎng)主要技術(shù)與組成形式工業(yè)局域網(wǎng)主要技術(shù)與組成形式 決定局域網(wǎng)特性的主要技術(shù)要素有三點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸介質(zhì)介質(zhì)訪問(wèn)控制方法 目前工業(yè)局域網(wǎng)主要采用星形、環(huán)形和總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 星形和主從總線形因技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，在直接控制級(jí)中廣泛采用。 總線形和環(huán)形結(jié)構(gòu)將成為今后工業(yè)局域網(wǎng)的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 在介質(zhì)訪問(wèn)控制及通信協(xié)議方面，令牌傳遞方式將占主導(dǎo)地位。 IEEE802協(xié)議族初衷是面向辦公自動(dòng)化的，在工業(yè)自動(dòng)化方面的考慮不夠充分。使用時(shí)，須結(jié)合具體工業(yè)應(yīng)用而加以修改。4. 現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生 信息技術(shù)成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的重要因

23、素 要實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的信息集成，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)行的，性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化智能設(shè)備間數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。 智能儀表智能儀表為現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，數(shù)字化傳輸是實(shí)現(xiàn)全數(shù)字通信的基礎(chǔ)。 需要一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，組成開放互連網(wǎng)絡(luò)，可以把不同廠商提供的自動(dòng)化設(shè)備互連為系統(tǒng)。 1984年，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)(ISA) 開始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)ISA/SP50。 1985年，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)決定研究制定現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)。 1986年，德國(guó)開始制定PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)。 1992年，

24、Siemens、ABB、Yokogawa等80家公司聯(lián)合成立了ISP組織，在PROFIBUS基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。 1993年，Honeywell等為首120多家公司，成立了World FIP組織，以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。 此時(shí)各大公司均已清醒地認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 但由于行業(yè)與地域發(fā)展歷史、各公司集團(tuán)商業(yè)利益等原因，標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢。 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開發(fā)。 1996年，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)頒布了低速總線H1標(biāo)準(zhǔn)。 與此同時(shí)，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標(biāo)準(zhǔn)。 在今

25、后一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。 發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。開放互連系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。 現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能測(cè)量與控制設(shè)備的全數(shù)字式、雙向傳輸、具有多結(jié)點(diǎn)分支結(jié)構(gòu)的通信鏈路。 是應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的眾多局域網(wǎng)之一，也是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)。 在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn) 1. 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。完全數(shù)字

26、信號(hào)傳輸，傳輸可靠、數(shù)據(jù)精度提高，測(cè)量、控制信息多參數(shù)傳輸。 系統(tǒng)的開放性、互操作性和互用性系統(tǒng)的開放性、互操作性和互用性。遵守同一標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商設(shè)備可互聯(lián)實(shí)現(xiàn)信息交換，不同生產(chǎn)廠商的類似設(shè)備可替換。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)將測(cè)量、計(jì)算、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)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散。由現(xiàn)場(chǎng)總線易構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身便可實(shí)現(xiàn)基本控制功能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性。 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的高度適應(yīng)性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的高度適應(yīng)性。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的，具有

27、較強(qiáng)的抗干擾能力。2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省硬件數(shù)量與投資 大量連接和電纜大量連接和電纜只有一根電纜只有一根電纜 節(jié)省維護(hù)開銷節(jié)省維護(hù)開銷 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理能力，并通過(guò)數(shù)字通訊可方便查詢?cè)\斷維護(hù)信息，減少修理和維護(hù)工作量。 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán) 系統(tǒng)具有互操作性和互用性，可自由選擇替換設(shè)備，使系統(tǒng)集成權(quán)完全掌握在用戶手中。 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度。設(shè)備連線減少，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性提高。針對(duì)工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，魯棒性強(qiáng)。 系

28、統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 現(xiàn)場(chǎng)總線儀表都可組成控制回路，控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表中，減輕了控制站負(fù)擔(dān)，控制站可專職于執(zhí)行復(fù)雜的高層次控制算法。3. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)硬件與現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品 主控器、網(wǎng)絡(luò)交換器、總線接口、總線模塊、集線器、路由器、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、中繼器、電源、防火墻、智能化設(shè)備(開關(guān)電器、變頻器、PLC、智能儀表、人機(jī)界面等)。采用工控機(jī)作為監(jiān)控；人機(jī)交互接口主要是鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、打印機(jī)、各種開關(guān)、旋鈕、指示燈、數(shù)碼顯示器、聲光報(bào)警裝置等。 企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)(PCS)制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)企業(yè)資源計(jì)劃企業(yè)資源計(jì)劃

29、(ERP) 4.3.3 主流現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介主流現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus,FF)由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)制定。采用OSI/ISO物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，增加了用戶層。低速H1，31.25kps，支持總線供電和本安防爆環(huán)境高速HSE，100Mb/s。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和無(wú)線發(fā)射等傳輸介質(zhì)。物理層符合IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，采用曼切斯特編碼。 應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主，比如化工、石油、污水處理等。 LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線由美國(guó)Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。采用ISO/OSI模型的全部層通訊協(xié)議。