第4章工业控制现场总线

1、第第4章章 工业控制现场总线工业控制现场总线 通常把具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号称为数据信息数据信息。 数据通信数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。 机器可以是计算机、PLC或具有数据通信功能的其他数字设备。 4.1 数据通信基础数据通信基础 4.1.1 数字数据传输方式数字数据传输方式 1. 并行传输与串行传输并行传输与串行传输 若按照传输数据的时空顺序分类 并行传输并行传输数据在多个信道同时传输传输速度快，但成本较高，干扰大。当距离较近且要求传输速率较高时采用b7b6b5b4b3b2b1b0 串行传输串行传输数据传输按顺序逐位在一条信道上传输成本

2、低、实现容易、控制简单、可靠，但短距离速度慢。常用于远距离传输而速度要求不高的场合。b7b6b5b4b3b2b1b02. 基带串行传输与频带串行传输基带串行传输与频带串行传输 根据传输是否搬移信号的频谱，是否进行调制分类。 基带串行传输基带串行传输 对信号不做任何调制，直接按原有的脉冲形式传输。数字信号传输常采用。编码方式：NRZ，曼彻斯特码 ，差分曼彻斯特码等。曼彻斯特码曼彻斯特码具有“内含时钟”的性质，对接收端提提取位同步信号取位同步信号非常有利，而且当码元中间无跳变时，就形成违例码，这种违例的情况可形成帧标志。 频带串行传输频带串行传输 把信号调制到某一频带上传输。 用调制器把二进制信号

3、调制成模拟信号在通信线路上传输；接收端再经过解调器解调模拟信号还原为二进制信号。调制可采用：调幅、调频和调相 频带传输在同一条传输线路上可用频带分割的方法将频带划分为几个信道，同时传输多路信号。 (a) 调幅(b) 调频(c) 调相3. 异步和同步传输方式异步和同步传输方式 根据解决发送端和接收端之间的同步问题不同方式 异步传输异步传输每个字符加入起始和停止标志位。发送是独立随机的。实现简单，但传输大量数据的场合，比较浪费，效率低。 同步传输同步传输数据以帧(一组数据)为单位传输，在帧开始和结束有标志，而帧中每个字节间不附加停止位和起始位。传输效率高，但实现较为复杂，所需的软硬件价格比异步传输

4、高 。 4. 串行数据传输速率串行数据传输速率 在数据通信中，用“波特率波特率”来描述数据的传输速率。 波特率波特率：单位时间内传输的码元数，即每秒钟传送的二进制位数，其单位为bit/s或bps。 常用的单位有：kbps、Mbps和Gbps。 波特率也常叫传输率，是衡量串行数据速度快慢的重要指标。 有时也用“位周期位周期”来表示传输速率，位周期是波特率的倒数。 在串行通信中，所说的传输速率指波特率，而不是指字符速率字符速率。 两者关系： 如在某异步串行通信中，传送一个字符需12个位(1个起始位，8个数据位，2个停止位，1个校验位)，其传输速率是4800bps，每秒传输字符为4800/12=40

5、04.1.2 数据串行通信方式数据串行通信方式 数据在串行通信线路上传输有方向性 按照数据在某一时间传输的方向，可分为：单工通信单工通信：数据传输只能一个方向半双工通信半双工通信：数据可在两个方向传输，但同一时刻指限于一个方向全双工通信全双工通信：数据可在两个方向同时传输ABABAB4.1.3 OSI参考模型及网络通信协议参考模型及网络通信协议 为保证通信的正常进行，需通信各方遵守共同的协议。 网络通信协议网络通信协议也叫做通信控制规程，或称传输控制规程。通信双方在通信时需要遵循的规则和约定就是协议。 协议主要由语义、语法和定时三部分。 语义规定通信双方准备“讲什么”，亦即确定协议元素的种类；

6、语法规定通信双方“如何讲”，确定数据的信息格式、信号电平等；定时则包括速度匹配和排序等。 网络通信协议采用分层设计便于网间互连，各层相互独立，通过接口联系。 目前采用的网络通信协议有两类：异步通信协议异步通信协议和同步通信协议同步通信协议。同步通信协议又有面向字符面向字符和面向面向比特比特以及面向字节计数面向字节计数等。1. ISO/OSI参考模型参考模型 国际标准化组织于1979年正式颁布开放系统互联开放系统互联参考模型参考模型 ISO/OSI是信息处理领域内的最重要标准之一，为协调研制系统互连的各类标准提供共同基础，为保持所有相关标准的相容性提供了共同参考。 标准为研究、设计、实现和改造信

7、息处理系统提供了功能上和概念上的框架。 ISO/OSI的7层模型 物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层在物理链路上传输无结构比特流，参数有信号电压、比特宽度，涉及建立、维修和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能和过程特性。把一条不可靠的传输通道转变为一条可靠的通道，发送带有检查的数据块(帧)；使用差错检测和帧确认。 通过网络传输数据分组，分组可以是独立传输的(数据报)或者是通过一条预先建立的网络连接(虚电路)传输的，负责路由选择和拥挤控制。 在端点之间提供可靠的、透明的数据传输，提供端到端的错误恢复和流控制。在两个进程之间建立、维护和结

8、束连接(会话)，可以提供检查点和再启动服务、隔离服务 完成有用的数据转换，提供一个标准的应用接口和公共的通信服务。给开放系统互连OSI环境的用户提供服务，如事务服务程序、文件传送协议、网络管理 各层所共有的功能 封装过程 分段存储 连接建立 流量控制 差错控制 多路复用 7层模型只是一个参考模型层模型只是一个参考模型，并未确切描述用于各层的协议和服务，仅仅是标明每层应该做什么，解释协议相互之间应该如何相互作用。 网络中实际用到的协议并非严格按照这七层定义，而是根据实际需要。 大多现场总线的结构分层采用OSI模型的第1、2和7层。 基于以太网的TCP/IP采用了第1、2、3、4和7层。2. 异步

9、通信协议异步通信协议 异步通信指通信中两个字符之间的时间间隔不固定两个字符之间的时间间隔不固定，而在一个字符内各位时间间隔固定一个字符内各位时间间隔固定。 异步通信的信息以字符为单位以字符为单位传送，每个字符按位传输，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束。 字符由发送方异步产生，有随机性。 字符一般采用5、6、7或8位二进制编码；每个字符可能需要用10位或11位才能传送，如起始位1位；字符编码7位；奇偶校验位1位；停止位12位。 接收和发送的时钟频率略有偏差，也不会造成偏差累积而错位，加之字符间的空闲位也为偏差提供了缓冲，所以异步串行通信的可靠性较高。 字符都要用起始位和停止位作为字符开始和

10、结束的标志，接收端要采用倍频时钟对采用倍频时钟对接收到的数据同步采样接收到的数据同步采样，传送效率低。 异步通信一般用在数据速率要求不高的场合(小于19.2kbps)。要求高速传送时，一般要采用同步通信。(1) 起止式异步通信格式起止式异步通信格式 靠起始位和停止位实现字符界定或同步，故称起起止式协议止式协议 异步通信的帧格式 传送字符E的ASCII码(45H)的时序波形。起始起始位位逻辑逻辑“0”0”1位位数据数据位位逻辑逻辑“0”0”或或“1”1”5位、位、6位、位、7位、位、8位位(2) 异步通信的接收过程异步通信的接收过程 接收端以“接收时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。 以接

11、收一个字符E的ASCII码，波特率因子等于16(接收时钟周期)、正逻辑为例说明异步通信的接收过程。(3) 异步通信的发送过程异步通信的发送过程 以发送一个字符E的ASCII码为例说明异步通信的发送过程。3. 同步通信协议同步通信协议 在约定通信速率下，发送端和接收端的时钟信号始终保持一致，通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。 发送方在每次同步传送n个字节数据块前，先发送1个或2个同步字符，表示传送过程开始，接着发n个字节数据块。字符之间无空隙。 以同步字符使收发双方同步(1个同步字符是单同步，2个同步字符是双同步)，接收端从传输的信息中抽取同步信息，修正同步。 同步串行通信以帧为

12、单位传输，每帧由5部分组成：标志区标志区、地址区地址区、控制区控制区、信息信息区区和和帧校验区帧校验区。 同步通信过程中要求在传输线路上始终保同步通信过程中要求在传输线路上始终保持连续的字符位流持连续的字符位流，若发送端没有数据传输，则线路上要用专用的“空闲”字符或同步字符填充。 同步通信传送信息位数几乎不受限制，一同步通信传送信息位数几乎不受限制，一次通信传的数据有几十到几千字节，通信次通信传的数据有几十到几千字节，通信效率高。效率高。 但要求在通信中保持精确的同步时钟，发但要求在通信中保持精确的同步时钟，发送器和接收器比较复杂，成本较高，一般送器和接收器比较复杂，成本较高，一般用于传送速率

13、要求较高的场合；用于传送速率要求较高的场合； 传输的信息中不能有同步字符出现，透明传输的信息中不能有同步字符出现，透明性较差。性较差。 同步通信协议有：面向字符的同步协议面向字符的同步协议：单同步、双同步、外同步等；面向位的同步协议面向位的同步协议面向字节计数的同步协议面向字节计数的同步协议4.1.4 通信传输介质通信传输介质 传输介质传输介质：网络中连接收发两方的物理通道。 同轴电缆 双绞线 光纤 无线4.1.5 网络拓扑结构网络拓扑结构 从网络拓扑学的观点看，网络由一组节点和连接节点的链路组成。 网络中节点的互连模式叫网络拓扑结构星形结构 树形结构 环形结构 总线型结构网状结构4.1.6

14、介质访问控制介质访问控制 介质访问控制是指在节点对网络通道的占有通信权的管理与控制。 介质访问控制方式 载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突监测方式冲突监测方式(CSMA/CD)令牌环方式令牌环方式(Token Ring) 令牌总线方式令牌总线方式(Token Bus) 4.2 工业网络常用标准串行通信接口工业网络常用标准串行通信接口 在工业网络控制系统中常用的标准串行通信接口有RS-232C、RS-422、RS-485。 RS-232C、RS-422与RS-485标准，最初都是由美国电子工业协会(EIA)制订并发布的，作为工业标准，以保证不同厂家产品兼容。 由于EIA提出的建议标准都是以“

15、RS”作为前缀，所以习惯仍然以RS作前缀称谓。 RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议，对应OSI模型中物理层的电气特性部分，用户可以建立自己的高层通信协议。 4.2.1 RS-232C串行通信接口串行通信接口 RS-232C定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按位串行传输的接口信息、接口的电气特性和机械特性、信号功能及传送过程。1. RS-232C的接口信号线的功能的接口信号线的功能 RS-232C标准接口有25线。 必须有2根数据传输线，一根用于发送数据，另一根用于接收数据。同时有一根信号地线(公共端) 。 其它为

16、控制线，用于建立和保持计算机与终端的通信。 RS-232C最常用的DB25型连接器的9条引线的信号。 DTE数据发送数据发送DTE数据接收数据接收信号公共地信号公共地2. RS-232C的信号电平的信号电平 RS-232C标准规定不同信号采用不同电平。 数据线TXD和RXD，采用负逻辑：+3+12V为高电平，代表逻辑为高电平，代表逻辑“0” ；-3-12V为低电平，代表逻辑为低电平，代表逻辑“1”。 控制线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等，采用正逻辑：+3+12V代表逻辑“1”；-3-12V代表逻辑“0”。 终端设备串行通信接口不满足RS-232C电平标准要进行转换。单片机UART是T

17、TL接口(高电平3.65V，低电平0V2.4V)。使用单片机进行RS-232串行通信时，需采用转换芯片完成TTL与RS-232的电平和逻辑转换。 RS-232TTL3. RS-232C的数据格式的数据格式 数据是以串行方式传输 起始位，5、6、7或8位数据代码，由LSB到MSB，奇偶校验位，停止位(1、1.5或2位)。 每位持续时间决定传输速率，常用位速率为1200、1800、2400、3600、4800和9600bps。 在20kbps下，可以传输15m距离。 4. RS-232C接口的机械特性接口的机械特性 25线信号里只有9线是有用的，故常用DB9接头。 一些设备进行RS-232C串行通

18、信，不需使用控制信号，只要3条接口线(发送数据、接收数据和信号地)即可完成传输。 使用控制信号适用于设备与Modem接口。 无握手RS-232支持点对点点对点(对等对等)、点对多点对多(一一主多从主多从) 全双工通信。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传输方式，以适应高速数据传输的需要。发送端采用差动输出，接收端采用差动输入。 传输速率可达10Mbit/s(传输距离12m)。 传输电平，正逻辑+2+6V正电压代表逻辑正电压代表逻辑“1”；-2-6V负电压代表逻辑负电压代表逻辑“0”。 采用差分方式传输，双绞线为传输介质，抗干扰能力强，传输距离长。

19、 可实现点对点点对点(对等对等)，点对多点对多(一主多从一主多从)全双工差分通信。4.2.3 RS-485串行通信接口串行通信接口 RS-485标准是RS-422标准的变形，收发共用一对差分信号。 传输速率可达10Mbit/s(传输距离12m)。 每条总线可挂接32个结点，经中继器扩展可达到128个。 传输电平，正逻辑+2+6V正电压代表逻辑正电压代表逻辑“1”；-2-6V负电压代表逻辑负电压代表逻辑“0”。 采用差分方式传输，双绞线为传输介质，抗干扰能力强，传输距离长。 可实现点对点点对点(对等对等)，点对多点对多(一主多从一主多从)，多点多点(对等对等/多主多从多主多从)半双工差分通信。

20、任何时刻，总线上最多只能有一个发送器处于发送状态，否则引起总线冲突。 有一个发送时，其余节点都应处于接收或高阻状态。 单片机进行RS-485通信时， UART的TTL电平接口要经过TTL/485转换器连接RS-485总线。4.3 工业控制现场总线工业控制现场总线 4.3.1 工业自动化的发展及现场总线的产生工业自动化的发展及现场总线的产生1.计算机网络分类计算机网络分类 计算机网络计算机网络：地理位置不同而又具有各自独立功能的多个计算机，通过通信设备和通信线路相互连接起来构成的计算机系统。 网络中计算机或交换信息的设备称为站站或结结点点。 按传输速率分类低速网：传输速率在KbpsMbps 高速

21、网：传输速率在MbpsGbps 按传输介质分类有线网：双绞线、同轴电缆和光纤无线网：微波、红外线和激光 按拓扑结构分类总线型星形环形 树形网状 按距离和覆盖面分类全域网(GAN)：范围在1000km以上 广域网(WAN)：范围几公里到几千公里 局域网(LAN)：范围几十米到几千米 2. 对工业局域网的要求对工业局域网的要求 面向工业控制的工业控制网络是一种局域网，但不同于一般局域网，有自身的特点。可靠性和可用性的要求高。 一般对网络吞吐性量要求不高，但对实时性的要求要高。网络所连接的对象、设备复杂，数量较多。工作环境一般比较恶劣。网络结点相对固定，对路由和地址的处理可适当简化。 对分布式控制系

22、统，地理位置较分散，远程通信、故障处理和维护很重要。3. 工业局域网主要技术与组成形式工业局域网主要技术与组成形式 决定局域网特性的主要技术要素有三点：网络拓扑结构传输介质介质访问控制方法 目前工业局域网主要采用星形、环形和总线形拓扑结构。 星形和主从总线形因技术成熟、简单经济，在直接控制级中广泛采用。 总线形和环形结构将成为今后工业局域网的主流拓扑结构。 在介质访问控制及通信协议方面，令牌传递方式将占主导地位。 IEEE802协议族初衷是面向办公自动化的，在工业自动化方面的考虑不够充分。使用时，须结合具体工业应用而加以修改。4. 现场总线的产生现场总线的产生 信息技术成为工业生产过程的重要因

23、素 要实现整个生产过程的信息集成，实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境中运行的，性能可靠、造价低廉的通信系统，实现现场自动化智能设备间数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 智能仪表智能仪表为现场总线的出现奠定了基础，数字化传输是实现全数字通信的基础。 需要一个统一标准，组成开放互连网络，可以把不同厂商提供的自动化设备互连为系统。 1984年，美国仪表协会(ISA) 开始制定现场总线标准ISA/SP50。 1985年，国际电工委员会(IEC)决定研究制定现场总线体系结构与标准。 1986年，德国开始制定PROFIBUS标准。 1992年，

24、Siemens、ABB、Yokogawa等80家公司联合成立了ISP组织，在PROFIBUS基础上制定现场总线标准。 1993年，Honeywell等为首120多家公司，成立了World FIP组织，以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。 此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线应有统一的国际标准。 但由于行业与地域发展历史、各公司集团商业利益等原因，标准化工作进展缓慢。 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了现场总线基金会，推动了现场总线标准的制定和产品开发。 1996年，现场总线基金会颁布了低速总线H1标准。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。 在今

25、后一段时间内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。 发展共同遵从的统一标准规范，真正形成发展共同遵从的统一标准规范，真正形成开放互连系统，是大势所趋。开放互连系统，是大势所趋。 现场总线是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多结点分支结构的通信链路。 是应用于工业自动化领域的众多局域网之一，也是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络。 在制造业、流程工业、交通等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。4.3.2 现场总线技术特点现场总线技术特点 1. 现场总线的技术特点现场总线的技术特点 现场通信网络现场通信网络。完全数字

26、信号传输，传输可靠、数据精度提高，测量、控制信息多参数传输。 系统的开放性、互操作性和互用性系统的开放性、互操作性和互用性。遵守同一标准的不同厂商设备可互联实现信息交换，不同生产厂商的类似设备可替换。 现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性。现场总线系统将测量、计算、处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构高度分散系统结构高度分散。由现场总线易构成分布式控制系统，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能，简化系统结构，提高可靠性。 对现场环境的高度适应性对现场环境的高度适应性。针对工业现场设计的，具有

27、较强的抗干扰能力。2. 现场总线的优点现场总线的优点 节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资 大量连接和电缆大量连接和电缆只有一根电缆只有一根电缆 节省维护开销节省维护开销 现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通讯可方便查询诊断维护信息，减少修理和维护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权 系统具有互操作性和互用性，可自由选择替换设备，使系统集成权完全掌握在用户手中。 提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性 现场总线设备的智能化、数字化，从根本上提高了测量与控制的准确度。设备连线减少，设计简单，可靠性提高。针对工业环境设计，鲁棒性强。 系

28、统结构简化系统结构简化 现场总线仪表都可组成控制回路，控制功能分散到现场仪表中，减轻了控制站负担，控制站可专职于执行复杂的高层次控制算法。3. 现场总线控制系统的结构现场总线控制系统的结构 网络硬件与现场总线产品 主控器、网络交换器、总线接口、总线模块、集线器、路由器、网关、网桥、中继器、电源、防火墙、智能化设备(开关电器、变频器、PLC、智能仪表、人机界面等)。采用工控机作为监控；人机交互接口主要是键盘、鼠标、触摸屏、打印机、各种开关、旋钮、指示灯、数码显示器、声光报警装置等。 企业现场总线网络系统 过程控制系统过程控制系统(PCS)制造执行系统制造执行系统(MES)企业资源计划企业资源计划

29、(ERP) 4.3.3 主流现场总线简介主流现场总线简介 基金会现场总线基金会现场总线(Foundation Fieldbus,FF)由现场总线基金会制定。采用OSI/ISO物理层、数据链路层和应用层，增加了用户层。低速H1，31.25kps，支持总线供电和本安防爆环境高速HSE，100Mb/s。支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质。物理层符合IEC61158-2标准标准，采用曼切斯特编码。 应用领域以过程自动化为主，比如化工、石油、污水处理等。 LonWorks现场总线现场总线由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。采用ISO/OSI模型的全部层通讯协议。