第1章 工业通信概论

1、工业通信网络技术和应用工业通信网络技术和应用现场总线现场总线主讲：莫太平主讲：莫太平2 2/37/37 前置课程：数据通信基础、计算机网络等前置课程：数据通信基础、计算机网络等 教材教材: :许勇许勇- -工业通信技术工业通信技术- -原理与应用，西安电子原理与应用，西安电子科技大学出版社，科技大学出版社，20122012 参考教材参考教材: :许勇许勇- -工业通信技术工业通信技术- -原理与应用，中国原理与应用，中国电力出版社，电力出版社，2008.92008.9 参考教材：阳宪惠参考教材：阳宪惠- -网络化控制系统网络化控制系统- -现场总线技现场总线技术，清华大学出版社，术，清华大学出

2、版社，2009.52009.5 Email: Email: Telephone: 229-1208Telephone: 229-1208教材及参考资料教材及参考资料3 3/37/37主要教学内容和学时分配主要教学内容和学时分配第第1 1章章 工业通信概论工业通信概论第第2 2章章 数据通信原理及基础数据通信原理及基础第第3 3章章 总线接口技术介绍总线接口技术介绍第第4 4章章 工控机与测控仪器接口总线工控机与测控仪器接口总线第第5 5章章 工业通信常用技术工业通信常用技术第第6 6章章 常用的工业现场总线常用的工业现场总线第第7 7

3、章章 CAN BusCAN Bus和汽车网络和汽车网络第第8 8章章 工业以太网技术及应用工业以太网技术及应用4 4/37/37客观事物的特征通过一定物质载体 形式的反映请大家列举一些工作生活关于信息的例子什么是信息？什么是信息？5 5/37/37消息信息是有价值的，消息却不一定有价值信息需要捕捉，需要挖掘，需要经营信息信息和消息信息和消息信息可以度量信息可以度量6 6/37/37信息的量化信息的量化信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。消息中信息量是消息出现概率的函数。)(xPII P(x)越小，I越大； P(x) 1，I 0 。)(log)(1logxPxpIaa香农提出计算公司（等概率

4、情况）a=2， 比特（比特（bit）a=10，哈特莱，哈特莱a=e，奈特（，奈特（nat）bit15 . 01log2I如开关电路有开和关两个状态：，7 7/37/37工业数据通信工业数据通信）通讯是信息的交换。随着工业系统走向分布化和通讯是信息的交换。随着工业系统走向分布化和网络化，通信技术和网络技术成为工业自动化技网络化，通信技术和网络技术成为工业自动化技术的核心内容之一。工厂生产管理系统和生产控术的核心内容之一。工厂生产管理系统和生产控制单元之间，控制器与各种生产设备之间的信息制单元之间，控制器与各种生产设备之间的信息流通道成为工业企业的命脉。对通信和数据传输流通道成为工业企业的命脉。对

5、通信和数据传输的理解也是我们学习理解生产系统的基础一部分的理解也是我们学习理解生产系统的基础一部分。工业数据通信系统：工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息在生产设备之间传递数字信息, ,的局域网的局域网， 是生产企业的底层网络。是生产企业的底层网络。第第1 1章章 工业通信概述工业通信概述8 8/37/37 生产控制系统要素：生产控制系统要素： （1 1）认识需要控制的对象（过程），即）认识需要控制的对象（过程），即“读读” （2 2）对对象施加作用，）对对象施加作用，“写写”，和，和 （3 3）决定施加作用的方式、时间和内容。对于计算机）决定施加作用的方式、时间和内容。对于计算机控制

6、系统来说，即控制系统来说，即“算算”； （4 4）随着控制系统的分布化，控制单元之间的数据传）随着控制系统的分布化，控制单元之间的数据传输也成为要素，即输也成为要素，即通讯通讯。 计算机控制系统就是计算机控制系统就是一个人们设计和实现的，在人和一个人们设计和实现的，在人和控制对象间的完成控制对象间的完成“读读”“”“算算”“”“写写”和通讯任务的和通讯任务的代理系统代理系统（agentagent）。）。系统远程系统远程控制命令控制命令第第1 1章章 工业通信概述工业通信概述9 9/37/37 几个术语几个术语： （1 1）实时实时：所谓：所谓“实时实时”，是指对输入信息以足够快，是指对输入信息

7、以足够快的速度进行处理。的速度进行处理。 “ “硬实时硬实时(hard real-time)(hard real-time)”和和“软实时软实时 ( soft real-time)”( soft real-time)” 。在硬实时系统中，。在硬实时系统中，要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。软实时系统仅要求事件响应是实时的，事件的处理。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不限定任务必须在多长时间内完成。并不限定任务必须在多长时间内完成。 工业控制系统对数据传输的实时性要求依赖于特定的工业控制系统对数据传输的实时性要求依赖于特定

8、的应用。比如：应用。比如： 化工热化控制须有秒级的响应时间；化工热化控制须有秒级的响应时间； 过程控制和监控系统需要过程控制和监控系统需要100ms100ms的响应时间；的响应时间； 基于可编程控制器基于可编程控制器PLCPLC（Programmable Logic Programmable Logic ControllerController）的机械控制系统需要）的机械控制系统需要10ms10ms的响应时间；的响应时间； 多轴协同动态高速运动控制系统实时性要求在多轴协同动态高速运动控制系统实时性要求在1ms1ms以内以内。第第1 1章章 工业通信概述工业通信概述1010/37/37 （2 2

9、）“在线在线”方式和方式和“离线离线”方式方式： 在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是通过中间记录介和计算机相连，且不受计算机控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱质，靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。机方式。 工业控制信号有周期性实时数据、非周期性实时数据和软工业控制信号有周期性实时数据、非周期性实时数据和软实时数据等。实时数据等。 周期性

10、实时数据和非周期性实时数据必须严格在规定时间周期性实时数据和非周期性实时数据必须严格在规定时间内响应，否则将导致设备误操作，甚至整个控制系统崩溃内响应，否则将导致设备误操作，甚至整个控制系统崩溃。软实时数据是的传输延时虽然不会造成灾难性的损失，。软实时数据是的传输延时虽然不会造成灾难性的损失，但同样威胁系统的正常运行。但同样威胁系统的正常运行。 一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。系统必定是在线系统。第第1 1章章 工业通信概述工业通信概述1111/37/37 工业工业通信通信应该满足的要求应该满足的要求 1

11、1）可靠性高：平均无故障工作时间）可靠性高：平均无故障工作时间MTBFMTBF（Mean Time Mean Time Between Failure)Between Failure)可可达到几万小时，尽量缩短故障修达到几万小时，尽量缩短故障修复时间复时间MTTRMTTR（Mean Time To Repair)Mean Time To Repair) ； 2 2）实时性好：系统实时响应控制对象各种参数的变化）实时性好：系统实时响应控制对象各种参数的变化； 3 3）环境适应性强：工业现场环境恶劣，电磁干扰严重）环境适应性强：工业现场环境恶劣，电磁干扰严重。因此要求工控系统具有很强的环境适应能力

12、；防尘。因此要求工控系统具有很强的环境适应能力；防尘、防腐蚀、防振动冲击；具有较好的电磁兼容性和高、防腐蚀、防振动冲击；具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力；抗干扰能力； 4 4）输入输出配套较好：具有丰富的多种功能的过程输）输入输出配套较好：具有丰富的多种功能的过程输入和输出入和输出手段：手段：模拟量、开关量、脉冲量、频率量等模拟量、开关量、脉冲量、频率量等。有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型。有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理；各类热电偶，热电阻信号输入调理；电压信号调理；各类热电偶，热电阻信号输入调理；电压电流信号输入和输出信号的调理等；电流信号输入和输出信号的

13、调理等；第第1 1章章 工业通信概述工业通信概述1212/37/37 5 5）系统扩充性好：）系统扩充性好： 随着工厂自动化水平的提高，控随着工厂自动化水平的提高，控制规模也在不断扩大，因此工控系统要有灵活的扩充制规模也在不断扩大，因此工控系统要有灵活的扩充性；性； 6 6）系统开放性：要求工控系统在主系统接口、网络通）系统开放性：要求工控系统在主系统接口、网络通信、软件兼容及升级等方面，以便于扩充、连接；信、软件兼容及升级等方面，以便于扩充、连接； 7 7）控制软件包功能强；）控制软件包功能强； 8 8）系统通信功能强：具有串行通信、网络通信功能；）系统通信功能强：具有串行通信、网络通信功能

14、； 9 9）后备措施齐全：包括供电后备、存储器信息保护、）后备措施齐全：包括供电后备、存储器信息保护、手动自动操作切换、紧急事故处理装置等；手动自动操作切换、紧急事故处理装置等； 1010）具有冗余性：在可靠性要求更高的场合，要求有）具有冗余性：在可靠性要求更高的场合，要求有双机工作及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双双机工作及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供电系统、双电源等，具有双机切换功能网通信、双供电系统、双电源等，具有双机切换功能、双机监视软件等，以确保系统长期不间断地运行。、双机监视软件等，以确保系统长期不间断地运行。第第1 1章章 工业通信概述工业通信概述1313

15、/37/37早期发展历史早期发展历史早期工业通信通过连线在测控设备之间传递信息，传感器早期工业通信通过连线在测控设备之间传递信息，传感器、按钮、执行机构等连接、按钮、执行机构等连接z z控制器上。控制器上。最最早早的测控设备主要是气动、电动单元组合式仪表和集中的测控设备主要是气动、电动单元组合式仪表和集中控制室，全模拟式仪表将传感器信号进行调理放大后，经控制室，全模拟式仪表将传感器信号进行调理放大后，经过过V/IV/I电路转换，输出电路转换，输出420mA420mA或或05V05V的模拟信号。的模拟信号。1919世纪中已经出现了基于世纪中已经出现了基于5 513psi13psi气动信号标准的气

16、动控气动信号标准的气动控制系统制系统PCSPCS（Pneumatic Control SystemPneumatic Control System）2020世纪世纪5050年代，基于年代，基于0 010mA10mA或或4 420mA20mA的电流模拟信号的电流模拟信号 得得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来；到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来； 7070年代，数字计算机年代，数字计算机出现出现，产生了，产生了“集中控制集中控制”的中央控的中央控制计算机系统制计算机系统。信号传输系统大部分依然沿用信号传输系统大部分依然沿用4 420mA20mA的模的模拟信拟信 号，集中控制系统发

17、展为分布式控制系统（号，集中控制系统发展为分布式控制系统（DCSDCS，Distributed Control SystemDistributed Control System）。数字传输信号逐步取代）。数字传输信号逐步取代模拟传输信号，数字通信网络延伸到工业过程现场。模拟传输信号，数字通信网络延伸到工业过程现场。工业通信系统的发展工业通信系统的发展1414/37/372. 2. 工业数据通信工业数据通信工业数据通信就是在设备功能单元间、设备间遵照通信协议，利用数工业数据通信就是在设备功能单元间、设备间遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据信息的过程。据传输技术传递数据信息的过程。198319

18、83年，年，HoneywellHoneywell推出了智能化仪表（推出了智能化仪表（SmarSmar变送器），带芯片，增加变送器），带芯片，增加了计算功能；还在了计算功能；还在4 420mA20mA直流信号上迭加了数字信号，由模拟信号过直流信号上迭加了数字信号，由模拟信号过渡到数字信号。在智能仪表，过程变量经调理放大、渡到数字信号。在智能仪表，过程变量经调理放大、A/DA/D采样，转换为采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过D/AD/A、V/IV/I等电路，等电路，仍然以仍然以4 420mA20mA或或0 05V5V

19、的模拟信号输出的模拟信号输出。由于采用从模拟信。由于采用从模拟信号中的过滤技术，数字信号并不会影响模拟量信号的读数。这就是号中的过滤技术，数字信号并不会影响模拟量信号的读数。这就是HARTHART协议协议能够传送数字信息的基础。能够传送数字信息的基础。智能仪表模拟信号传输精度和可靠性都不高。于是人们开始以数字通智能仪表模拟信号传输精度和可靠性都不高。于是人们开始以数字通信的方式代替模拟信号传输（如：信的方式代替模拟信号传输（如：232232）。由于对于数据链路层及其以）。由于对于数据链路层及其以上各高层协议规范没有统一定义，致使不同生产厂家的仪器仪表由于上各高层协议规范没有统一定义，致使不同生

20、产厂家的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。计算机用于工业控制后，用来连接计算机外部的系统总线也被扩展成计算机用于工业控制后，用来连接计算机外部的系统总线也被扩展成外部总线，去连接一些测控设备或仪表。最早的工业数据通信常用点外部总线，去连接一些测控设备或仪表。最早的工业数据通信常用点对点的串行通信方式，共用设备或节点，则用星型连接（工业电话线对点的串行通信方式，共用设备或节点，则用星型连接（工业电话线）。）。工业通信系统的发展工业通信系统的发展1515/37/373. 3. 工业数据通信网络工业数据通信网络现场总线

21、现场总线2020世纪世纪7070年代中的分布式控制系统（年代中的分布式控制系统（DCSDCS），可看作工业计算机网），可看作工业计算机网络雏形。早期的络雏形。早期的DCSDCS无统一网络标准。网络规模小节点不多，通信无统一网络标准。网络规模小节点不多，通信距离约在距离约在1km1km以内。主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环型以内。主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环型和总线型为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通和总线型为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通信速率在信速率在1Mb/s1Mb/s以内，节点内有以内，节点内有“通信卡通信卡”等专用网络部件。这时等专用网络部

22、件。这时的现场仪表大部分还是模拟仪表，少数专用设备有的现场仪表大部分还是模拟仪表，少数专用设备有RS-232/RS-RS-232/RS-422/RS-485422/RS-485等串口，可与之相连接。等串口，可与之相连接。随着自动化系统的发展，为完成越来越复杂的分布式生产系统的随着自动化系统的发展，为完成越来越复杂的分布式生产系统的测控，自动化测控系统对通信的质和量有了更高的要求，要求设测控，自动化测控系统对通信的质和量有了更高的要求，要求设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，这些网络的通信标准必须进行统一，能组成

23、开放互连系统系统，这些网络的通信标准必须进行统一，能组成开放互连系统，能实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。，能实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统现场总在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统现场总线就是在这样的背景下产生的。而线就是在这样的背景下产生的。而ICIC芯片的不断发展和价格的急芯片的不断发展和价格的急剧降低，为此提供了基础。剧降低，为此提供了基础。工业通信系统的发展工业通信系统的发展1616/37/37世界逐渐形成了两个现场总线集团：一个是以世界逐渐形成了两个现场总线集团：一个是以Siemen

24、sSiemens、RosemountRosemount、横河为、横河为首的首的ISPISP；另一个是由；另一个是由HoneywellHoneywell、BaileyBailey等公司牵头的等公司牵头的WorldFIPWorldFIP。ISPISP技术主要基于德国的技术主要基于德国的ProfibusProfibus标准，标准，World FIPWorld FIP基于法国基于法国FIPFIP。目标都是为。目标都是为建立一种开放性的、相互兼容的现场总线。建立一种开放性的、相互兼容的现场总线。19941994年，两大集团宣布合并，融年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会合成现场总线基金会FFFF。

25、目前市场上的现场总线有目前市场上的现场总线有200200多种，常见的有多种，常见的有4040多种现场总线，号称为开放标多种现场总线，号称为开放标准的也有二三十种。主要有准的也有二三十种。主要有FFFF、ProfibusProfibus、CANCAN、lonWorkslonWorks等，各有其领域，等，各有其领域，比如比如FFFF、Profibus-PAProfibus-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制 领领域；域；LonWorksLonWorks、Profibus-FMSProfibus-FMS、DevieceNetDevieceNe

26、t适用于楼宇、交通运输、农业等适用于楼宇、交通运输、农业等领域；领域；DeviceNetDeviceNet、Profibus-DPProfibus-DP适用于加工制造业。适用于加工制造业。BOSCHBOSCH的的CANCAN、ECHELONECHELON的的LonWorksLonWorks等。等。面对自动化行业千变万化的现场仪表设备，现场总线技术标准化工作至关重面对自动化行业千变万化的现场仪表设备，现场总线技术标准化工作至关重要。为此要。为此IEC61158IEC61158要制定现场总线技术标准。要制定现场总线技术标准。 1999 1999年年1212月，月，IEC61158IEC61158放

27、弃了原有设想，通过妥协方案，作为放弃了原有设想，通过妥协方案，作为IEC61158IEC61158技术标准的方案包含技术标准的方案包含Control NetControl Net、ProfibusProfibus、P-NetP-Net、FF HSEFF HSE、Swift NetSwift Net、WorldFIPWorldFIP和和InterbusInterbus等总线。自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技等总线。自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败，面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。术标准的努力失败，面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。传统现场总线都能较好

28、实现速率要求较慢的过程控制。而关键是互操作性。传统现场总线都能较好实现速率要求较慢的过程控制。而关键是互操作性。工业通信系统的发展工业通信系统的发展1717/37/37 企业自动化系统中的通信企业自动化系统中的通信（右边表示不同层次中对信息交换速度的不同要求）（右边表示不同层次中对信息交换速度的不同要求）工业通信系统工业通信系统系统特点系统特点1818/37/37 工业自动控制网络通信技术需要考虑：工业自动控制网络通信技术需要考虑： （1 1）传输及时性和系统实时性：）传输及时性和系统实时性：比较比较制造化系统响应时间要制造化系统响应时间要求在求在0.010.010.5s0.5s，过程控制系统

29、响应时间为，过程控制系统响应时间为0.50.52s2s。而信息。而信息网络响应时间是网络响应时间是2 26s6s。显然，工业通信网络的。显然，工业通信网络的实时性要实时性要求高求高。 （2 2）高可靠性：环境恶劣）高可靠性：环境恶劣下下工业生产现场的通信网络必须适工业生产现场的通信网络必须适应环境应环境，包括电磁环境适应性或电磁兼容性（包括电磁环境适应性或电磁兼容性（EMCEMC）、气候环）、气候环境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（耐冲击、境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，应有耐振动）。在易爆或可燃的场合，应有本质安全本质安全的性能

30、。的性能。 （3 3）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题，强调互操作性，在，强调互操作性，在ISO/OSI ISO/OSI 参考模型上，加了用户层，通过参考模型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（标准功能块和装置描述（DDDD）功能来）功能来保证保证开放性通信开放性通信。 （4 4）总线供电总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布

31、线成本。护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。1919/37/37 （5 5）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。这些信息几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工业现场数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工

32、业现场传输多媒体信息增加，网络传输的带宽要求也在增加。传输多媒体信息增加，网络传输的带宽要求也在增加。 （6 6）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。周）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少。（如突发事件报警、程序上下载等）较少。 （7 7）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向控制器）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向

33、控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传送。信息由现场仪表向操作站传送。 正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如速现场总线网络（如ProfibusProfibus、CanCan、DeviceNetDeviceNet等）组成，等）组成，而正在向高速网络发展。而正在向高速网络发展。2020/37/37 1 1）以双绞线、光缆或无线电等为介质，用总线方式传输数）以双绞线、光缆或无线电等为介质，用总线方式传输数字信号，减少大量导线，提高可靠性和抗干扰能力。字信号，减少大量导线，提高可靠性和抗干扰能力。 2 2）采用统一的标准，同标准下不同厂家