PLC 技术培训班(第5讲)现场总线介绍

1、2021-6-12 1 热热 烈烈 欢欢 迎迎 中核集团的领导和工程师们！中核集团的领导和工程师们！ 北京机械工业自动化研究所 2021-6-12 2 热热 烈烈 欢欢 迎迎 参加参加plc技术培训班的技术培训班的 全体学员！全体学员！ l北京精诚智合教学科技有限公司 2021-6-12 3 陈忠华陈忠华 教授教授 plc培训班（第培训班（第5讲）现场总线标准介绍讲）现场总线标准介绍 2021-6-12 4 1. 现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 2. 2. 现场总线技术概念现场总线技术概念 3. 3. 现场总线技术的主要特点现场总线技术的主要特点 4. 现场总线的主要优点现场总线

2、的主要优点 5. 5. 成熟的现场总线应该具有的技术特点成熟的现场总线应该具有的技术特点 6. 6. 现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响 7. 7. 使用使用profibusprofibus-dp-dp进行数据通信的实例进行数据通信的实例 2021-6-12 5 2021-6-12 6 2021-6-12 7 现场总线技术自现场总线技术自20世纪世纪80年代产生以来，一直受到人们的年代产生以来，一直受到人们的 关注，被誉为自动化控制领域的一次新的革命进入关注，被誉为自动化控制领域的一次新的革命进入90年年 代以后，现场总线技术一度成为人们研究的热点

3、代以后，现场总线技术一度成为人们研究的热点 现场总线技术的产生是由多方面因素共同作用的结果，首现场总线技术的产生是由多方面因素共同作用的结果，首 先，现场总线技术的产生反映了当时仪器仪表自身发展的先，现场总线技术的产生反映了当时仪器仪表自身发展的 需要，同时也反映了用户实现企业综合自动化，信息化的需要，同时也反映了用户实现企业综合自动化，信息化的 实际应用的要求，是工业自动化技术和仪器仪表发展的必实际应用的要求，是工业自动化技术和仪器仪表发展的必 然趋势，其次由于计算机技术，通信技术和控制技术的迅然趋势，其次由于计算机技术，通信技术和控制技术的迅 速发展，为实现上述要求提供了技术基础因此，速发

4、展，为实现上述要求提供了技术基础因此，用户的用户的 需要是产生现场总线技术的动力，而计算机，网络通信和需要是产生现场总线技术的动力，而计算机，网络通信和 自动控制三种技术的发展则为研究开发现场总线提供了技自动控制三种技术的发展则为研究开发现场总线提供了技 术基础术基础 2021-6-12 8 传统控制系统有诸多不足：控制器与现场设备之间传统控制系统有诸多不足：控制器与现场设备之间 靠靠i/oi/o连线连接，传送连线连接，传送4-20 ma4-20 ma模拟量信号或模拟量信号或24v dc24v dc 等开关量信号，并以此监控现场设备这样，控制等开关量信号，并以此监控现场设备这样，控制 器获取信

5、息量有限，大量的数据如设备参数，故障器获取信息量有限，大量的数据如设备参数，故障 及故障记录等数据很难得到底层数据不全，信息及故障记录等数据很难得到底层数据不全，信息 集成能力不强，不能完全满足自动化系统对底层数集成能力不强，不能完全满足自动化系统对底层数 据的要求；除现场设备均靠标准据的要求；除现场设备均靠标准4-20 ma4-20 ma24v dc24v dc连连 接外，系统其它软，硬件通常只能使用一家产接外，系统其它软，硬件通常只能使用一家产 品不同厂家产品之间缺乏互操作性，互换性，因品不同厂家产品之间缺乏互操作性，互换性，因 此开放性，可集成性差此开放性，可集成性差 2021-6-12

6、 9 这种系统很少留出接口允许其它厂商将自己专长的控这种系统很少留出接口允许其它厂商将自己专长的控 制技术，如控制算法，工艺流程，配方等集成到通用系制技术，如控制算法，工艺流程，配方等集成到通用系 统中去，因此，面向行业的监控系统很少；对于大范围统中去，因此，面向行业的监控系统很少；对于大范围 的分布式系统，使用大量的的分布式系统，使用大量的i/oi/o电缆，以及敷设施工，电缆，以及敷设施工， 不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性；由于现场级不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性；由于现场级 设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断，报警，记设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断，报警，记 录功能

7、不强，也很难完成现场设备的远程参数设定，修录功能不强，也很难完成现场设备的远程参数设定，修 改等参数化功能，影响了系统的可维护性等改等参数化功能，影响了系统的可维护性等 2021-6-12 10 由于大规模集成电路的发展，许多传感器，执行机构，驱动由于大规模集成电路的发展，许多传感器，执行机构，驱动 装置等现场设备智能化，即内置装置等现场设备智能化，即内置cpucpu控制器，完成诸如线性化，控制器，完成诸如线性化， 量程转换，数字滤波甚至回路调节等功能因此，对于这些智量程转换，数字滤波甚至回路调节等功能因此，对于这些智 能现场设备增加一个串行数据接口（如能现场设备增加一个串行数据接口（如rs-

8、232/485rs-232/485）是非常方）是非常方 便的有了这样的接口控制器就可以按其规定协议，通过串行便的有了这样的接口控制器就可以按其规定协议，通过串行 通信方式（而不是通信方式（而不是i/oi/o方式）完成对现场设备的监控如果设方式）完成对现场设备的监控如果设 想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口，并具有统一的想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口，并具有统一的 通信协议，控制器只需一根通信电缆就可与分散的现场设备连通信协议，控制器只需一根通信电缆就可与分散的现场设备连 接，采用数字通信方式，完成对所有现场设备的监控和信息集接，采用数字通信方式，完成对所有现场设备的监控和信息集

9、 成，这就是现场总线技术的初始想法成，这就是现场总线技术的初始想法 2021-6-12 11 随着控制，计算机，通信，网络等技术的发随着控制，计算机，通信，网络等技术的发 展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工 厂的现场设备层到控制，管理的各个层次，厂的现场设备层到控制，管理的各个层次， 覆盖从工段，车间，工厂，企业乃至世界各覆盖从工段，车间，工厂，企业乃至世界各 地的市场信息技术的飞速发展，引起了自地的市场信息技术的飞速发展，引起了自 动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成 自动化系统为基础的企业信息系统现场总自动化

10、系统为基础的企业信息系统现场总 线就是顺应这一形式发展起来的新技术线就是顺应这一形式发展起来的新技术 2021-6-12 12 20 20世纪末，世界最重大的变化是全球市场的逐步世纪末，世界最重大的变化是全球市场的逐步 形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高，形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高， 更新换代快处于全球市场之中的工业生产必须加更新换代快处于全球市场之中的工业生产必须加 快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间 t t，改善质量，改善质量q q，降低成本，降低成本c c，并不断完善售前售后，并不断完善售前售后 服务服务s s

11、，才能在剧烈的竞争之中立于不败之地追，才能在剧烈的竞争之中立于不败之地追 求完善的求完善的t.q.c.s是一个永无止境的过程，它能不是一个永无止境的过程，它能不 断地促进技术进步与管理改革为了适应市场竞争断地促进技术进步与管理改革为了适应市场竞争 需要，在追求需要，在追求tqcstqcs的过程中逐渐形成了计算机集成的过程中逐渐形成了计算机集成 制造系统制造系统cims 2021-6-12 13 它采用系统集成，信息集成的观点来组织工业生它采用系统集成，信息集成的观点来组织工业生 产把市场，生产计划，制造过程，企业管理，售后服产把市场，生产计划，制造过程，企业管理，售后服 务看做要统一考虑的生产

12、过程，并采用计算机，自动化，务看做要统一考虑的生产过程，并采用计算机，自动化， 通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产 加工，管理决策等由于它把整个生产过程看做是信息加工，管理决策等由于它把整个生产过程看做是信息 的采集，传送及加工处理的过程，因而信息技术成为工的采集，传送及加工处理的过程，因而信息技术成为工 业生产制造过程的重要因素综合自动化就是在信息采业生产制造过程的重要因素综合自动化就是在信息采 集，加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息集，加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息 集成，在集成信息的基础上进一步优化生产

13、与操作，增集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，增 加产量，改善加产量，改善t.q.c.s提高企业的市场应变能力和竞争提高企业的市场应变能力和竞争 能力能力 2021-6-12 14 随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与 计算机网络系统得到迅速发展据统计，过去二十年中，计算机网络系统得到迅速发展据统计，过去二十年中， 计算机和通信的年增长率不低于计算机和通信的年增长率不低于25%25%，使计算机集成制造，使计算机集成制造 系统的实施具备了良好的物质基础但处于企业生产过程系统的实施具备了良好的物质基础但处于企业生产过程 底层的测

14、控自动化系统，要与外界交换信息要实现整个底层的测控自动化系统，要与外界交换信息要实现整个 生产过程的信息集成，要实现综合自动化，就必须设计出生产过程的信息集成，要实现综合自动化，就必须设计出 一种能在工业现场环境运行的，性能可靠，造价低廉的通一种能在工业现场环境运行的，性能可靠，造价低廉的通 信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信， 形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产 现场与外界的信息交换现场总线就是在这种背景下产生现场与外界的信息交换现场总线就是在这种背景下产生

15、的的 2021-6-12 15 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量现场总线是应用在生产现场，在微机化测量 控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的 系统，也被称为开放式，数字化，多点通信的系统，也被称为开放式，数字化，多点通信的 底层控制网络它把单个分散的测量控制设备底层控制网络它把单个分散的测量控制设备 变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连 接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的 网络系统与控制系统网络系统与控制系统 2021-6-12 16 根据国际电工委员会（

16、根据国际电工委员会（ieciec）的定义，现场总线是）的定义，现场总线是安安 装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自 动化控制装置系统之间的一种串行，数字式，多点动化控制装置系统之间的一种串行，数字式，多点 通信的数据总线通信的数据总线或者说，现场总线是以单个分散或者说，现场总线是以单个分散 的数字化，智能化的测量和控制设备作为网络节点，的数字化，智能化的测量和控制设备作为网络节点， 用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控 制功能的网络系统与控制系统其中，生产过程制功能的网络系统与控制系统其

17、中，生产过程 应包括断续生产过程和连续生产过程现场设备仪应包括断续生产过程和连续生产过程现场设备仪 表指位于现场层的传感器，驱动器执行机构等设表指位于现场层的传感器，驱动器执行机构等设 备因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集备因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集 成的数字化网络技术成的数字化网络技术 2021-6-12 17 (1) (1) 现场总线使用数字化通信信号取代传统的现场总线使用数字化通信信号取代传统的4-20 4-20 mama 模拟信号，可用一条通信电缆将控制器与现场设模拟信号，可用一条通信电缆将控制器与现场设 备连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要备连接，使

18、用数字化通信完成底层设备通信及控制要 求求 (2) (2) 现场总线要求现场设备数字化，智能化，因此，现场总线要求现场设备数字化，智能化，因此， 现场设备是带有串行通信接口的智能化设备现场设备是带有串行通信接口的智能化设备 (3) (3) 现场总线系统中的控制器可从现场设备获取大现场总线系统中的控制器可从现场设备获取大 量信息，可实现设备状态，故障，参数信息传送，可量信息，可实现设备状态，故障，参数信息传送，可 完成设备远程控制，参数化及故障诊断工作完成设备远程控制，参数化及故障诊断工作 2021-6-12 18 (4) (4) 现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸，现场总线是计算机网络通信

19、向现场级的延伸， 现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自 控系统与设备加入工厂信息网络，完成了企业信控系统与设备加入工厂信息网络，完成了企业信 息系统的覆盖范围一直延伸到生产现场的要求息系统的覆盖范围一直延伸到生产现场的要求 (5) (5) 现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键 技术，要成功地实施技术，要成功地实施cims,cims,各层次的信息集成及支各层次的信息集成及支 撑技术（计算机网络问题）就必须得到解决现撑技术（计算机网络问题）就必须得到解决现 场总线是工厂计算机网络到现场设备的延伸，是场总线是

20、工厂计算机网络到现场设备的延伸，是 支撑现场级与车间级信息集成的技术基础支撑现场级与车间级信息集成的技术基础 2021-6-12 19 (1) (1)基于现场总线的自动化监控系统增强了现场级信息集成基于现场总线的自动化监控系统增强了现场级信息集成 能力，现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更能力，现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更 好地满足工厂自动化及好地满足工厂自动化及cimscims系统的信息集成要求，系统除系统的信息集成要求，系统除 完成远程控制，还可完成远程参数化工作完成远程控制，还可完成远程参数化工作 (2)(2)开放式，互操作性，互换性，可集成性，不同厂家产品开放式

21、，互操作性，互换性，可集成性，不同厂家产品 只要使用同一总线标准，就具有互操作性，互换性，因此只要使用同一总线标准，就具有互操作性，互换性，因此 设备具有很好的可集成性系统为开放式，允许其它厂商设备具有很好的可集成性系统为开放式，允许其它厂商 将自己专长的控制技术集成到通用系统中去，因此，市场将自己专长的控制技术集成到通用系统中去，因此，市场 上将会出现许多面向行业特点的监控系统上将会出现许多面向行业特点的监控系统 2021-6-12 20 (3)(3)系统可靠性高，可维护性好，基于现场总线的自动系统可靠性高，可维护性好，基于现场总线的自动 化监控系统采用总线连接方式替代一对一的化监控系统采用

22、总线连接方式替代一对一的i/oi/o连接，连接， 对于大规模对于大规模i/oi/o系统来说，减少了由接线点造成的不可系统来说，减少了由接线点造成的不可 靠因素同时系统具有现场级设备的在线故障诊断，报靠因素同时系统具有现场级设备的在线故障诊断，报 警，记录功能，可完成现场设备的远程参数设定，修改警，记录功能，可完成现场设备的远程参数设定，修改 等参数化工作，也增强了系统的可维护性等参数化工作，也增强了系统的可维护性 (4)(4)节省成本，对大范围，大规模节省成本，对大范围，大规模i/oi/o的分布式系统来说，的分布式系统来说， 省去了大量的电缆费用，省去了大量的电缆费用，i/oi/o模块及电缆的

23、敷设工程费模块及电缆的敷设工程费 用，降低了系统及工程成本用，降低了系统及工程成本 2021-6-12 21 目前，国际上流行的现场总线技术有很多，但一目前，国际上流行的现场总线技术有很多，但一 种成熟的现场总线技术应该包括以下特点：种成熟的现场总线技术应该包括以下特点： (1)(1)现场总线组织：一个由产品制造商，系统集现场总线组织：一个由产品制造商，系统集 成商，研究院所组成的企业组织联盟，负责管理成商，研究院所组成的企业组织联盟，负责管理 现场总线的技术标准，研发，市场拓展，技术信现场总线的技术标准，研发，市场拓展，技术信 息交流，产品技术认证等工作息交流，产品技术认证等工作 (2)(2

24、)现场总线标准：一部无知识产权保护，开放的现场总线标准：一部无知识产权保护，开放的 现场总线技术标准现场总线技术标准 2021-6-12 22 (3) (3)现场总线产品：有一批产品制造商开发并生产出相现场总线产品：有一批产品制造商开发并生产出相 当数量和品种的现场总线产品，供用户选择使用当数量和品种的现场总线产品，供用户选择使用 （4 4）现场总线认证：有独立于产品制造业的产品测）现场总线认证：有独立于产品制造业的产品测 试认证机构，负责产品的技术标准测试认证工作，试认证机构，负责产品的技术标准测试认证工作， 以保证现场总线技术产品的标准一致性和可互换性以保证现场总线技术产品的标准一致性和可

25、互换性 (5)(5)现场总线工程研究：有一批系统集成商针对行业现场总线工程研究：有一批系统集成商针对行业 应用，给出基于现场总线的自动化系统解决方案，并应用，给出基于现场总线的自动化系统解决方案，并 可完成工程实施可完成工程实施 2021-6-12 23 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一， 被誉为自动化的计算机局域网，它导致了传统控制被誉为自动化的计算机局域网，它导致了传统控制 系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布 控制系统现场总线控制系统控制系统现场总线控制系统fcsfcs，最终将取代传

26、，最终将取代传 统的统的dcsdcs它的出现，标志着工业控制技术领域又它的出现，标志着工业控制技术领域又 一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要 影响其深度与广度将超过历史上的任何一次，将影响其深度与广度将超过历史上的任何一次，将 开创自动化的新纪元开创自动化的新纪元 2021-6-12 24 (1)(1)现场总线技术是实现现场级设备数字化现场总线技术是实现现场级设备数字化 通信的一种工业现场层网络通信技术，计算通信的一种工业现场层网络通信技术，计算 机网络及信息集成技术在自动化领域发展的机网络及信息集成技术在自动化领域发展的 必然结果：是一次

27、工业现场级设备通信的数必然结果：是一次工业现场级设备通信的数 字化变革，正像计算机网络给社会经济带来字化变革，正像计算机网络给社会经济带来 巨大变化一样，现场总线技术将给自动化领巨大变化一样，现场总线技术将给自动化领 域带来一场深刻的革命域带来一场深刻的革命 2021-6-12 25 (2) (2)现场总线技术以其开放性为重要特点，为现场总线技术以其开放性为重要特点，为 自动化领域带来全新的技术概念现场总线技自动化领域带来全新的技术概念现场总线技 术打破了自动化领域被少数几个国际性大公司术打破了自动化领域被少数几个国际性大公司 垄断的局面，使众多中，小企业有机会参与技垄断的局面，使众多中，小企

28、业有机会参与技 术及市场竞争自动化产品，市场，及产业格术及市场竞争自动化产品，市场，及产业格 局将发生巨大变化，以技术为核心，具有技术局将发生巨大变化，以技术为核心，具有技术 创新活力的企业在自动化产业中将占有重要位创新活力的企业在自动化产业中将占有重要位 置置 2021-6-12 26 (3) (3)以现场总线技术，自动化技术，计算机网络及信息集以现场总线技术，自动化技术，计算机网络及信息集 成技术，计算机软件技术为核心，推出基于现场总线技术成技术，计算机软件技术为核心，推出基于现场总线技术 的先进控制系统平台不局限于工业自动化领域的先进控制系统平台不局限于工业自动化领域 , ,可广泛可广泛

29、 应用于市政建设，交通运输，能源电力，环保工程，智能应用于市政建设，交通运输，能源电力，环保工程，智能 楼宇及住宅小区的自动化控制及监控系统楼宇及住宅小区的自动化控制及监控系统 现场总线技术促进与该系统平台相关的技术研究，产品开发现场总线技术促进与该系统平台相关的技术研究，产品开发 及相关产业的发展，如现场总线技术及工业控制网络技术及相关产业的发展，如现场总线技术及工业控制网络技术 和产品，计算机网络及信息技术和软件产品，自动化及机和产品，计算机网络及信息技术和软件产品，自动化及机 电一体化技术和智能仪器仪表产品带出一个以相关高新电一体化技术和智能仪器仪表产品带出一个以相关高新 技术为核心的自

30、动化技术产业群体技术为核心的自动化技术产业群体 2021-6-12 27 (4) (4) 现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸， 是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础基于现场总是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础基于现场总 线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控 系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层， 使企业信息系统的覆盖范围一直延伸到生产现场使企业信息系统的覆盖范围一直延伸到生产现场 从工厂底层自动化及信息集成技术角

31、度看，现场总线技术不从工厂底层自动化及信息集成技术角度看，现场总线技术不 是一项单纯的以芯片换电缆的技术，是计算机及其数字化是一项单纯的以芯片换电缆的技术，是计算机及其数字化 通信技术向工厂底层，即设备层的延伸，是工厂底层通信通信技术向工厂底层，即设备层的延伸，是工厂底层通信 技术的一次数字化革命是实现全厂自动化及技术的一次数字化革命是实现全厂自动化及cimscims系统的系统的 基础现场总线技术的发展，使传统系统结构发生变革，基础现场总线技术的发展，使传统系统结构发生变革， 并带来传统系统无法比拟的优异特性并带来传统系统无法比拟的优异特性 2021-6-12 28 (5) 现场总线技术将使自

32、动化和自动控制领域产生重大现场总线技术将使自动化和自动控制领域产生重大 变化如传统的信号制，将由变化如传统的信号制，将由4-29ma4-29ma模拟信号制转换为模拟信号制转换为 双向数字通信的现场总线信号制双向数字通信的现场总线信号制: :自动控制系统的体系自动控制系统的体系 结构，将由模拟与数字的分散型系统（结构，将由模拟与数字的分散型系统（dcsdcs）转换为全）转换为全 数字现场总线控制系统（数字现场总线控制系统（fcsfcs）进而，自动控制系统）进而，自动控制系统 的设计方法和安装调试方式也将发生重大的变化；现行的设计方法和安装调试方式也将发生重大的变化；现行 的现场设备和仪表的产品结

33、构将发生重大变革；现场总的现场设备和仪表的产品结构将发生重大变革；现场总 线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成为线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成为 企业信息网络的底层从而为实现企业信息集成和企业企业信息网络的底层从而为实现企业信息集成和企业 综合自动化提供了可行的基础综合自动化提供了可行的基础 2021-6-12 29 经过国际协商，专家们认识到，以一种现场总线技术适经过国际协商，专家们认识到，以一种现场总线技术适 应各行各业的自动化需求是不现实的。最后通过协商，应各行各业的自动化需求是不现实的。最后通过协商， 妥协，于妥协，于19991999年底年底iec tc 65

34、(iec tc 65(负责工业测量和控制的第负责工业测量和控制的第 6565标准化委员会标准化委员会) )通过了包含通过了包含8 8种类型的现场总线的种类型的现场总线的iec iec 6115861158作为现场总线国际标准，并于作为现场总线国际标准，并于20002000年正式发年正式发 布此国际标准（布此国际标准（20002000）所包含的）所包含的8 8种类型的现场总线种类型的现场总线 分别为：分别为： 2021-6-12 30 类型类型1 iec1 iec技术报告（以技术报告（以 ffff的的h1h1为原型）为原型） 类型类型2 control-net(2 control-net(美国美

35、国rockwellrockwell公司支持公司支持) ) 类型类型3 profibus3 profibus ( (德国西门子公司支持德国西门子公司支持) ) 类型类型4 p-net (4 p-net (丹麦丹麦process datsprocess dats 公司支持公司支持) ) 类型类型5 ff hse (5 ff hse (即原即原 ff ff 的的h2 fisher-rosemounth2 fisher-rosemount公公 司支持司支持) ) 类型类型6 swift net (6 swift net (美国波音公司支持美国波音公司支持) ) 类型类型7 world fip (7 w

36、orld fip (法国法国alstomalstom公司支持公司支持) ) 类型类型8 interbus8 interbus ( (德国德国phoenix contactphoenix contact公司支持公司支持) ) 2021-6-12 31 由于由于20002000年年iec 61158 iec 61158 标准的发布比较仓促，又由于标准的发布比较仓促，又由于 现场总线技术的发展必须满足用户的新要求，于是，在现场总线技术的发展必须满足用户的新要求，于是，在 此后各类型总线协议的提出者又分别做了修改，完善和此后各类型总线协议的提出者又分别做了修改，完善和 补充，现在已进入第三版根据最新的

37、补充，现在已进入第三版根据最新的iec/tc65ciec/tc65c文件，文件， 该标准目前包括该标准目前包括1010种协议类型：除以上所说的种协议类型：除以上所说的8 8种外，种外， 增加了：增加了： 类型类型9:ff 9:ff 应用层应用层 类型类型10: profinet10: profinet( (工业以太网工业以太网) ) 2021-6-12 32 1987年德国工业界开始起动了年德国工业界开始起动了profibusprofibus联合开发项目。联合开发项目。 由这个联合体开发的规则和标准成为德国的工业标准，由这个联合体开发的规则和标准成为德国的工业标准， 即即din e 19245

38、2 profibus标准。并于标准。并于1996年，德国的国年，德国的国 家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准en 50170。 （2000年年3月，月，profibusprofibus标准被批准为国际现场总线标准标准被批准为国际现场总线标准 iec 61158的组成部分的组成部分type）。）。 iso/osi模型模型 profibus利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以 国际国际iso（国际标准组织）的（国际标准组织）的osi（开放系统互连）参考（开放系统互连）参考 模型为基础。图模型为基础。图5.1

39、用图解说明用图解说明iso/osi通信标准模型通信标准模型. 2021-6-12 33 第一层第一层 第七层第七层 第六层第六层 第五层第五层 第四层第四层 第三层第三层 第二层第二层 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 传输层传输层 会话层会话层 表达层表达层 应用层应用层 面向网络面向网络 面向用户面向用户 2021-6-12 34 iso/osi 通信标准模型由通信标准模型由7层组织，并分成两类。一层组织，并分成两类。一 类是面向用户的第类是面向用户的第5层到第层到第7层，另一类是面向网络层，另一类是面向网络 的第的第1层到第层到第4层。第层。第1层到第层到第4层描述数据从

40、一个地层描述数据从一个地 方传输到另一个地方，而第方传输到另一个地方，而第5层到第层到第7层给用户提供层给用户提供 适当的方式去访问网络系统。适当的方式去访问网络系统。 2021-6-12 35 从图从图5.25.2可以看出可以看出 ，profibusprofibus协议采用了协议采用了iso/osi 模型中的第模型中的第1 1层、第层、第2 2层以及必要时还采用了第层以及必要时还采用了第7 7层。层。 第第1 1层和第层和第2 2层的物理介质和传输协议是依据美国标层的物理介质和传输协议是依据美国标 准准eia rs4858、国际标准、国际标准iec 870-5-13和欧洲标和欧洲标 准准en

41、 60870-5-14制定的制定的。总线存取程序、数据传。总线存取程序、数据传 输和管理服务是基于德国输和管理服务是基于德国din192415标准的第标准的第1 1到到3 3 部分和部分和iec 9556iec 9556标准制定的。管理功能（标准制定的。管理功能（fma7） 采用了采用了iso dis 7498-4（管理框架）的概念。从用（管理框架）的概念。从用 户的角度看，户的角度看，profibusprofibus提供了三种通信协议类型：提供了三种通信协议类型： dp，fms和和pa。 2021-6-12 36 profibusprofibus-dp使用了第使用了第1层、第层、第2层和用户

42、接口层。第层和用户接口层。第 3到到7层未使用，层未使用， 这种精简的结构能确保高速数据传输。采用直接数这种精简的结构能确保高速数据传输。采用直接数 据链路映象程序（据链路映象程序（ddlm）提供对第）提供对第2层的访问。在层的访问。在 用户接口中规定了用户接口中规定了profibusprofibus-dp设备的应用功能，以设备的应用功能，以 及各种类型的系统和设备的行为特性。及各种类型的系统和设备的行为特性。 这种为高速传输用户数据而优化的这种为高速传输用户数据而优化的profibus协议特别协议特别 适用于可编程序控制器与现场级分散的适用于可编程序控制器与现场级分散的i/o设备之间设备之间

43、 的通信。的通信。 2021-6-12 37 2021-6-12 38 profibus-fms使用了第使用了第1层、第层、第2层和第层和第7层。应用层（第层。应用层（第 7层）包括层）包括 fms（现场总线报文规范）和（现场总线报文规范）和lli（低层接口）。（低层接口）。fms包包 含应用协议和提供的通信服务。含应用协议和提供的通信服务。lli建立各种类型的通信建立各种类型的通信 关系，并给关系，并给fms提供不依赖于设备的对第提供不依赖于设备的对第2层的访问。层的访问。 fms处理单元级（处理单元级（plc和和pc）的数据通信。功能强大）的数据通信。功能强大 的的fms服务可在广泛的应用

44、领域内使用，并为解决复杂服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂 通信任务提供了很大的灵活性。通信任务提供了很大的灵活性。 profibus -dp和和profibus -fms使用相同的传输技术和总线使用相同的传输技术和总线 存取协议。因此，它们可以在同一根电缆上同时运行。存取协议。因此，它们可以在同一根电缆上同时运行。 2021-6-12 39 profibus -pa使用扩展的使用扩展的profibus -dp协议进行数据传输。此协议进行数据传输。此 外，它执行规定现场设备特性的外，它执行规定现场设备特性的pa设备行规。传输技术依设备行规。传输技术依 据据iec 1158-27标准，确

45、保本徵安全和通过总线对现场标准，确保本徵安全和通过总线对现场 设备供电。使用段耦合器可将设备供电。使用段耦合器可将profibus -pa设备很容易地集设备很容易地集 成到成到profibus -dp网络之中。网络之中。 profibus -pa是为过程自动化工程中的高速、可靠的通是为过程自动化工程中的高速、可靠的通 信要求而特别设计的。用信要求而特别设计的。用profibus -pa可以把传感器和执行可以把传感器和执行 机构连接到通常的现场总线段上，即使在防爆区域的传感器机构连接到通常的现场总线段上，即使在防爆区域的传感器 和执行机构也可如此。和执行机构也可如此。 2021-6-12 40

46、dp/fms（rs 485）的物理层（第一层）的物理层（第一层） 对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说，对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说，profibus的第的第 1层实现对称的数据传输，符合层实现对称的数据传输，符合eia rs 4858标准标准 （也称为（也称为h2）。一个总线段内的导线是屏蔽双绞）。一个总线段内的导线是屏蔽双绞 电缆，段的两端各有一个终端器（见图电缆，段的两端各有一个终端器（见图5.3）。传）。传 输速率从输速率从9.6 k bit/sec到到12 m bit/sec可选，所选用可选，所选用 的波特率适用于连接到总线（段）上的所有设备的波特率适用于连接到总线（段）上的所有设备。

47、2021-6-12 41 profibus信号的传输程序信号的传输程序 用于用于profibus rs 485的传输程序是以半双工、异步、无间隙的传输程序是以半双工、异步、无间隙 同步为基础的。数据的发送用同步为基础的。数据的发送用nrz（不归零）编码，即（不归零）编码，即1个个 字符帧为字符帧为11位（位（bit）见图）见图5.4 。当发送位（。当发送位（bit）时，由二进）时，由二进 制制“0”到到“1”转换期间的信号形状不改变。转换期间的信号形状不改变。 在 传 输 期 间 ， 二 进 制在 传 输 期 间 ， 二 进 制 “ 1 ” 对 应 于对 应 于 r d / t d - p （

48、receive/transmit-data-p）线上的正电位，而在）线上的正电位，而在 rxd/txd-n线上则相反。各报文间的空闲（线上则相反。各报文间的空闲（idle）状态对应）状态对应 于二进制于二进制“1”信号（见图信号（见图5.5）。在专用文献中，两根）。在专用文献中，两根profibus 数据线也常称之谓数据线也常称之谓a线和线和b线。线。a线对应于线对应于rxd/txd-n信号，信号， 而而b线则对应于线则对应于rd/td-p信号。信号。 2021-6-12 42 rs485-rs485-总线段的结构总线段的结构 txd/rxd-n(8)txd/rxd-p(3) 390 欧姆欧姆

49、 390 欧姆欧姆 220 欧姆欧姆 vp(6) dgnd(5) 390 欧姆欧姆 390 欧姆欧姆 220 欧姆欧姆 vp(6) dgnd(5) 总线驱动器总线驱动器 站站 总线驱动器总线驱动器 站站 txd/rxd-n(8) txd/rxd-p(3) b a （最多32个站）（最多32个站） 2021-6-12 43 profibus信号的传输程序信号的传输程序 信息位信息位 （0或1信号）（0或1信号） b1b6b2b3b4b5b7b8p10 msb 27 lsb 20 起始位起始位 奇偶奇偶 校验位校验位 停止位停止位 位含义位含义 lsb最低有效位最低有效位msb最高有效位最高有效位

50、 图5.4 profibs uart 符号帧图5.4 profibs uart 符号帧 2021-6-12 44 profibus信号的传输程序信号的传输程序 001111 b导线b导线 a导线a导线 二进制信号二进制信号 图5.5 用nrz传输时的信号形状图5.5 用nrz传输时的信号形状 2021-6-12 45 profibusprofibus总线导线长度与波特率的关系总线导线长度与波特率的关系 对于对于profibus而言，最大允许的总线长度，亦称而言，最大允许的总线长度，亦称 为段长度，取决于所选用的传输速率（见表为段长度，取决于所选用的传输速率（见表5.1）。）。 在一个总线段中最

51、多可以运行在一个总线段中最多可以运行32个站。个站。 波特率波特率 （kbit/sec) 9.6到到187.5500150012000 段长度段长度 （m) 1000400200100 2021-6-12 46 profibusprofibus的总线终端器的总线终端器 根据根据eia rs 485标准，在数据线标准，在数据线a和和b的两端均加接总线终端的两端均加接总线终端 器。器。profibus的总线终端器包含一个下拉电阻（与数据基准电的总线终端器包含一个下拉电阻（与数据基准电 位位dgnd相连接）和一个上拉电阻（与供电正电压相连接）和一个上拉电阻（与供电正电压vp相连接）。相连接）。 当在

52、总线上没有站发送数据时，也就说在两个报文之间总线处当在总线上没有站发送数据时，也就说在两个报文之间总线处 于空闲状态时，这两个电阻确保在总线上有一个确定的空闲电于空闲状态时，这两个电阻确保在总线上有一个确定的空闲电 位。几乎在所有标准的位。几乎在所有标准的profibus总线连接器上都组合了所需要总线连接器上都组合了所需要 的总线终端器，而且可以由跳接器或开关来启动。的总线终端器，而且可以由跳接器或开关来启动。 当总线系统运行的传输速率大于当总线系统运行的传输速率大于1,500 k bit/s时，由于所连接时，由于所连接 的站的电容性负载而引起导线反射，因此必须使用附加有轴向的站的电容性负载而

53、引起导线反射，因此必须使用附加有轴向 电感的总线连接插头（见图电感的总线连接插头（见图5.6）。）。 2021-6-12 47 传输速率传输速率1500k bit/s1500k bit/s时的总线插时的总线插 头连接器和总线终端器的结构头连接器和总线终端器的结构 390 欧姆欧姆 390 欧姆欧姆 220 欧姆欧姆 vp(6) dgnd(5) txd/rxd-n(8)txd/rxd-p(3) l 110 nh b b a a 总线导线总线导线 总线导线总线导线 总线驱动器总线驱动器 站站 2021-6-12 48 现场总线数据链路（第现场总线数据链路（第2 2层）层） 根据根据osi参考模型，

54、第参考模型，第2层规定总线存取控制、层规定总线存取控制、 数据安全性以及传输协数据安全性以及传输协 议和报文的处理。在议和报文的处理。在profibus中，第中，第2层称为层称为 fdl层（现场总线数据链路层）。层（现场总线数据链路层）。 第第2层报文格式（图层报文格式（图5.11）提供高等级的传输安）提供高等级的传输安 全性。所有报文均具有海明距离全性。所有报文均具有海明距离hd = 4。hd = 4的含意是：在数据报文中，可以检查出最多的含意是：在数据报文中，可以检查出最多3个个 同时出错的位。这一要求是通过使用国际标准同时出错的位。这一要求是通过使用国际标准 iec 870-5-1的规定

55、、选择特殊的报文起始和终的规定、选择特殊的报文起始和终 止标识符、使用无间隙同步以及使用奇偶校验位止标识符、使用无间隙同步以及使用奇偶校验位 和控制字节来实现的。可以检查出以下类型的出和控制字节来实现的。可以检查出以下类型的出 错：错： 2021-6-12 49 现场总线数据链路（第现场总线数据链路（第2 2层）层） 字符格式出错（奇偶校验，溢出，帧出错字符格式出错（奇偶校验，溢出，帧出错） 协议出错协议出错 起始和终止定界符出错起始和终止定界符出错 帧检查字节出错帧检查字节出错 报文长度出错报文长度出错 出错的报文至少要被自动地重发一次。在第出错的报文至少要被自动地重发一次。在第2 2层层

56、中，报文的重发次数最多可设定为中，报文的重发次数最多可设定为8 8（“retry”“retry”总总 线参数）。除逻辑的点对点的数据传输外，第线参数）。除逻辑的点对点的数据传输外，第2 2层层 还允许进行广播和群播通信的多点传输。还允许进行广播和群播通信的多点传输。 2021-6-12 50 在广播通信中，一个主站发送信息给所有其他在广播通信中，一个主站发送信息给所有其他 站（主站和从站）。数据的接收不需应答站（主站和从站）。数据的接收不需应答。 在群播通信中，一个主站发送信息给一组站在群播通信中，一个主站发送信息给一组站 （主站和从站）。数据的接收不需应答（主站和从站）。数据的接收不需应答。

57、 第第2层提供的数据服务列于表层提供的数据服务列于表5.5中。中。 现场总线数据链路（第现场总线数据链路（第2 2层）层） 2021-6-12 51 profibus传输服务传输服务 服务功能dppafms sda 发送数据发送数据 需要应答需要应答 有有 srd 发送和请求发送和请求 数据需要应答数据需要应答 有有有有有有 sdn 发送数据发送数据 不需要应答不需要应答 有有有有有有 csrd 循环地发送循环地发送 和请求数据和请求数据 需要应答需要应答 有有 2021-6-12 52 profibusprofibus的报文格式的报文格式 sd1 sd4 sd2 sd3da da da da

58、 sa sa sa sa fc fc fc fcs fcs fcs ed ed ed du （数据单元）（数据单元） du sc sd2lerle l=3 (固定)固定) l=11 (固定)固定) l=4到249到249 有固定信息字段长度的格式有固定信息字段长度的格式 带数据的有固定信息字段长度的格式带数据的有固定信息字段长度的格式 有可变信息字段长度的格式有可变信息字段长度的格式 令牌报文令牌报文 短应答短应答 2021-6-12 53 profibusprofibus的报文格式的报文格式 其中：其中：l 信息字段长度信息字段长度 sc（单字符）（单字符） 单字符，仅用于应答单字符，仅用于

59、应答 sd1sd4 起始字节，用于区别不同的报文格式起始字节，用于区别不同的报文格式 （起始定界符起始定界符） le/ler 长度字节，指出可变长报文中信息字段的长度长度字节，指出可变长报文中信息字段的长度 da（目的地址）（目的地址） 目的地址字节，指出将接收此信息的站目的地址字节，指出将接收此信息的站 sa（源地址）（源地址） 源地址字节，指出将发送此信息的站源地址字节，指出将发送此信息的站 fc（帧控制）（帧控制） 控制字节，包含用于此信息的服务和此信息的优先权控制字节，包含用于此信息的服务和此信息的优先权 的详细说明的详细说明 du 数据单元，包含报文的有用信息，必要时还包含扩展数据单

60、元，包含报文的有用信息，必要时还包含扩展 地址的详细说明地址的详细说明。 fcs（帧检查顺序）检查字节，包含报文检查和（不进位地加所有报文（帧检查顺序）检查字节，包含报文检查和（不进位地加所有报文 元素的和元素的和） ed（终止定界符）（终止定界符） 终止字节，指出此报文终止终止字节，指出此报文终止。 2021-6-12 54 profibusprofibus的报文格式的报文格式 profibus-dp和和profibus-pa各使用第各使用第2层服务的子层服务的子 集。例如，集。例如，profibus-dp只使用只使用srd和和sdn服务。服务。 上一层通过第上一层通过第2层的层的sap（服