第9章-现场总线技术课件

测控技术与系统第九章现场总线技术2023/1/41测控技术与系统第九章现场总线技术2022/12/291本章主要内容现场总线概述1现场总线举例——MODBUS3常用通信接口简介22023/1/42本章主要内容现场总线概述1现场总线举例——M9.1现场总线概述——知识点现场总线技术的知识点：定义发展过程发展趋势优点归属范畴现场总线与ISO/OSI网络模型现场总线控制系统2023/1/439.1现场总线概述——知识点现场总线技术的知识点：20229.1.1现场总线概述——（1）定义（1）现场总线(FieldBus)的定义“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”

现场总线以串行通信方式取代传统的4～20mA的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。现场总线技术的核心是其通信协议FF的定义基本概念2023/1/449.1.1现场总线概述——（1）定义（1）现场总线(Fie9.1.2现场总线概述——（2）发展过程发展过程（2）现场总线发展过程2023/1/459.1.2现场总线概述——（2）发展过程发展（2）现场总线现状：现场总线未能形成一种统一的国际标准主要有两方面原因：一是技术方面的原因，由于现场总线是应用于现场过程控制的通信网络，涉及到许多底层设备的不同行业标准和用户习惯的继承，以及不同类型网络互连的协议制定；另一方面是商业利益，各厂家都希望自己的技术在标准中占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益，互不相让，导致了目前多种现场总线共存的局面。9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续2023/1/46现状：现场总线未能形成一种统一的国际标准9.1.2现场总线9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续现场总线标准大事记20世纪70年代：现场总线技术萌芽20世纪80年代：现场总线标准开始发展20世纪90年代初：形成几种较有影响的标准1994-1995年：现场总线基金会(FF)成立2000.1.4：IECTC65通过IEC61158决议，规定了8种现场总线国际标准，后来又由其他标准化组织通过了3种现场总线*IEC:国际电工委员会InternationalElectro-techincal

commission**FF:FieldbusFoundation2023/1/479.1.2现场总线概述——（2）发展过程续现场总线标准大事9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续国际现场总线标准2023/1/489.1.2现场总线概述——（2）发展过程续国际现场总线标准9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续12种国际现场总线标准另外一种不得不说一下的现场总线：HART总线HART总线是模拟信号标准和现场总线之间的一种过渡性协议HART总线通过在4~20mA信号上叠加交流载波信号进行数字通信，从而能在保证传统模拟信号兼容的基础上，具有现场总线的优势。HART总线还将在较长的时间广泛的存在2023/1/499.1.2现场总线概述——（2）发展过程续12种国际现场总9.1.3现场总线概述——（3）发展趋势发展趋势（3）现场总线的发展趋势与以太网的融合目前许多厂商已经开始将现场总线协议与EthernetTCP／IP协议进行整合。包括：1、ControlNet、DeviceNet和Ethernet／IP联合推出CIP(ControlandInformationProtoco1)；2、FoundationFieldbus推出HSEHigh—SpeedEthernet)；3、Profibus推出ProfiNet以太网网络供电问题2023/1/4109.1.3现场总线概述——（3）发展趋势发展（3）现场总线9.1.4现场总线概述——（4）优点优点模拟信号（4～20mA）互连的缺点：一对一结构；单向通信；抗干扰能力差

现场总线的优点：（1）结构简洁，安装维护方便：一对N结构， 双向通信，布线成本，设备管理（2）可靠性高：抗干扰能力强（3）信息集成能力强：设备信息，仪表参数，故障诊断，测控管一体化（4）互操作性和互用性：同标准仪表间（5）开放性：开放式互联网络（6）分散控制：控制功能分散到仪表，提高控制系统整体可靠性（4）现场总线的优点2023/1/4119.1.4现场总线概述——（4）优点优点模拟信号（4～209.1.5现场总线概述——（5）归属范畴归属范畴（5）现场总线的归属范畴：

现场仪表间的通信网络。

现场总线是一种设备间完整的通信通道，包括物理层、数据链路和应用层等。现场总线既有别于芯片内总线、芯片间总线、板间总线，也有别于控制系统的上层通信网络。2023/1/4129.1.5现场总线概述——（5）归属范畴归属范畴（5）现场9.1.6现场总线概述——（6）与ISO/OSI网络模型关系（6）现场总线与ISO/OSI参考模型的关系现场总线的要求：实时性，可靠性现场总线的通信协议符合ISO的OSI参考模型：通常使用其中的一、二、七层协议 用户X用户Y第七层 应用 应用第六层表示 表示第五层 会话 会话第四层 传送 传送第三层 网络 网络第二层 链接 链接第一层物理物理通信协议2023/1/4139.1.6现场总线概述——（6）与ISO/OSI网络模型关管理集中控制分散9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统现场总线技术发展带来控制系统结构的变革：现场总线控制系统(FCS：FieldbusControlSystem)控制系统的发展历史：FCS控制分散更彻底集中控制独立控制FCS系统DCS系统集中控制系统单回路控制系统（3）现场总线的发展趋势2023/1/414管理集中控制分散9.1.7现场总线概述——（7）现场总线DCS结构DCS的三级结构：现场级、控制级和监控级9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/415DCSDCS的三级结构：现场级、控制级和监控级9.1.7现FCS结构FCS的两级结构:智能现场仪表、工作站图FF现场总线控制系统结构

9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/416FCSFCS的两级结构:智能现场仪表、工作站图FF现场总线FCS的优势DCS：三级结构（现场仪表、控制站和操作站）FCS：两级结构（智能现场仪表、工作站）完成转变的两个关键因素：

现场总线和智能仪表控制站的功能分散到智能仪表中，可靠性更高9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/417FCSDCS：三级结构（现场仪表、控制站和操作站）控制站的功现状DCS和FCS的应用现状：二者现阶段共存，共同发展DCS系统也扩展了现场总线接口，可以和部分现场总线设备互连一些现场总线设备除具有现场总线接口外，也具有4~20mA模拟信号标准9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/418现状DCS和FCS的应用现状：二者现阶段共存，共同发展9.19.2常用通信接口简介（1）通信接口的基本概念：

一般电子仪表电路系统的数字电路系统为TTL电平或CMOS电平。在通信系统中，为了提高通信抗干扰性，一般具有特殊的电平设计和编码规则。通信接口即指完成一般电路系统与特定通信标准间的电平或（和）逻辑转换。2023/1/4199.2常用通信接口简介（1）通信接口的基本概念：2022/9.2常用通信接口简介这里补充介绍比较常用的两个物理层协议：RS232和RS485RS232和RS485都是：美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，规定了其机械、电气、功能和过程特性2023/1/4209.2常用通信接口简介这里补充介绍比较常用的两个物理层协议9.2常用通信接口简介二者的差别：RS232是：异步通信接口，点对点，短距离(15m)RS485是：半双工，1对N，长距离（1200m）造成这种差别的主要原因是二者信号驱动和接收的方式不同2023/1/4219.2常用通信接口简介二者的差别：2022/12/29219.2常用通信接口简介单端驱动单端接收RS232平衡驱动差分接收RS485负逻辑2023/1/4229.2常用通信接口简介单端驱动单端接收RS232平衡驱动差9.2常用通信接口简介RS232电平转换

由于RS232和RS485的标准电平和TTL(CMOS)电平不同，所以微机内部系统与RS232和RS485连接需要进行电平转换！RS232电平转换芯片2023/1/4239.2常用通信接口简介RS232电平转换RS232电平转换9.2常用通信接口简介终端电阻使能端RS485电平转换

问：当总线上有两个以上设备使能发送会发生什么情况？2023/1/4249.2常用通信接口简介终端电阻RS485电平转换问：2029.2常用通信接口简介单片机的串口结构和操作单片机的串口包括RXD、TXD和信号地三线，可以在电平转换后用RS232的三线连接方式和PC机进行通信。单片机的串行通信通常是用硬件实现的。

发送数据时：向串行寄存器送入数据后，硬件即可按照设定的数据格式和波特率串行发送数据。

接收数据时：硬件自动接收串行数据，接收完一个数据后，将产生中断或设置相应的数据就绪标志。

※单片机中通常不设计接收和发送缓冲区，所以当接收到的数据不能及时处理的话，数据将会丢失。

2023/1/4259.2常用通信接口简介单片机的串口结构和操作9.2常用通信接口简介PC机的串口结构和操作1、PC机串口结构：

PC机的串口包括有RS232的电平转换电路，其串口输出即RS232标准。用串行接口芯片实现串行通信的协议，一般具有有接收缓冲区和发送缓冲区。2、PC机串口操作：主要工作都是在软件编程里。在windows下可以有多种编程手段：文件读取法、串口控件、多线程设计等。基本的操作方式可以采用查询方式或者消息驱动方式(事件驱动方式)。

※需要注意的是，和其他软件编程不同的是，串口的数据发送和接收都是需要一定的时间的。2023/1/4269.2常用通信接口简介PC机的串口结构和操作1、PC机串口9.2常用通信接口简介PC机通过RS232和RS485和仪表互连RS232互连RS485互连2023/1/4279.2常用通信接口简介PC机通过RS232和RS485和仪9.4MODBUS总线介绍--主要内容一、概述二、Modbus应用协议规范

三、Modbus协议在串行链路上的实现四、Modbus协议在TCP/IP简介2023/1/4289.4MODBUS总线介绍--主要内容一、概述2022/1一、概述1979年Modicon公司(现法国Schneider的一部分)提出的Modbus，最初作为工业串行链路的事实标准1997年Schneider电气在TCP/IP上实现Modbus协议Modbus和ModbusTCP/IP也被IEC61158国际标准承认为一种现场总线2004年Modbus作为我国国家标准：国家标准GB/T19582-2008

“基于Modbus协议的工业自动化网络规范”

2023/1/429一、概述1979年Modicon公司(现法国Sch一、概述IANA委员会给施耐德电气公司分配了已为大家熟知的TCP502端口，以专为Modbus协议保留，Modbus协议现在已经成为Internet标准。ModbusTCP/IP是唯一个被分配到互联网端口的工业以太网23-Telnet远程登录协议

21-FTP文件传输协议

161-SNMP简单网络管理协议

25-SMTP简单邮件传输协议

53-DNS域名解析服务

110-POP3邮局协议

80-HTTP超文本传输协议

67-BOOTPS引导程序协议服务器

502-ModbusMODBUSTCP端口

IANA:TheInternetAssignedNumbersAuthority互联网数字分配机构

2023/1/430一、概述IANA委员会给施耐德电气公司分配了已为大Modbus协议应用层协议Modbus

Plus协议

Modbus应用层协议，以及物理层和链路层的完整协议ModbusTCP/IP协议基于TCP/IP的MODBUS协议Modbus技术规范组成2023/1/431Modbus协议Modbus技术规范组成2022/12/2PLCcontrolModbus应用层报文传输协议

Modbus协议为应用层报文传输协议，仅定义了通讯消息结构，一个Modbus信息桢包括从机地址、功能码、数据区和数据校验码。可使用RS232、RS422和RS485端口，可以使用光纤、无线等媒质实现通讯，广泛应用在智能设备之间进行主、从方式通讯。

Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络地址、路由路径及错误检测的方法。2023/1/432PLCModbus应用层报文传输协议2022/12ModbusPlus

ModbusPlus是一种典型的令牌环网，完整定义了通讯协议、网络结构、连接电缆（或者光缆）等方面的性能指标。网络中的设备通过“令牌”的方式实现数据的交换，严格定义了令牌的传递方式，数据校验以及通讯端口等方面的技术参数。

Modbusplus总线协议是一种异步半双工通讯的对等网络协议，物理接口为RS485，通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤。在链路层，Modbusplus采用IEEE802.2逻辑链路控制协议和IEEE802.4令牌总线媒体访问控制协议。在应用层，Modbusplus采用Modbus的通讯协议，主要包括寄存器读写、开关量I/O等命令。Modbus协议在Modbusplus网络中使用时，要将传递的信息的内容进行相应的封装，封装格式有两种ASCII和RTU。

Modbusplus可以采用双电缆结构，允许Modbusplus在两条独立的电缆上通讯，实现网络通讯线路的冗余备份，适合高可靠性的应用场合。2023/1/433ModbusPlus2022/12/2933ModbusTCP/IP

由于Modbus主机/从机通信机理能很好地满足确定性的要求，非常适合以太网中的客户机/服务器的通信机理。1996年施耐德公司推出了基于以太网TCP/IP的Modbus协议，即为ModbusTCP/IP协议，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的解决方案。施耐德公司的“透明工厂”就是基于ModbusTCP/IP技术。目前ModbusTCP/IP已作为现场总线使用，在PLC设备中也内置网页服务器，使以太网的远程I/O设备具备了在网上浏览该远程I/O状态的功能。在设备层、控制层和信息层中都可以采用ModbusTCP/IP技术，能在监控室或远程浏览连接到网络的所有设备和智能传感器。由于以太网已得到广泛地应用，技术成熟，设备成本低，使系统具有可延伸性、灵活性和高性能价格比等特点。2023/1/434ModbusTCP/IP2022/12/2934Modbus通信栈Modbus应用层协议2023/1/435Modbus通信栈Modbus应用层协议2022/12/29Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议客户机能够向服务器发送请求服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答1.Modbus应用协议2023/1/436Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议1.Modbu通用Modbus帧结构－－协议数据单元(PDU)Modbus是一个可选择部分使用的协议

服务器可执行部分Modbus协议Modbus由公共功能码和用户定义的功能码组成Modbus应用协议使用功能码列表读或写数据，或者在远程服务器上进行远程处理读/写寄存器列表，读/写比特列表诊断，标识

ADU:应用数据单元PDU:协议数据单元2023/1/437通用Modbus帧结构－－协议数据单元(PDU)ModbuModbus事务处理(无差错)当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）对于一个正常响应来说，服务器仅复制原始功能码2023/1/438Modbus事务处理(无差错)当服务器对客户机响应时，它使用Modbus事务处理(异常响应)SM6对于异常响应，服务器将原始功能码的最高有效位设置逻辑1后返回异常码指示差错类型2023/1/439Modbus事务处理(异常响应)SM6对于异常响应，服务器将Modbus最初在串行链路上的实现（最大RS485ADU=256字节）限制了ModbusPDU的长度。因此，对串行链路通信来说，ModbusPDU=256-服务器地址（1字节）-CRC（2字节）＝253字节。从而：RS232/RS485ADU=253字节+服务器地址(1字节)+CRC(2字节)=256字节。TCPModbusADU=253字节+MBAP(7字节)=260字节。ModbusPDU长度2023/1/440Modbus最初在串行链路上的实现（最大RS485ADU=2ModbusPDU结构Modbus请求PDUmb_req_pdu={function_code,request_data},

function_code-[1字节]Modbus功能码

request_data-[n字节]Modbus响应PDUmb_rsp_pdu={function_code,response_data},

function_code-[1字节]Modbus功能码

response_data-[n字节]Modbus异常响应PDUmb_excep_rsp_pdu={function_code,exception_code},

function_code-[1字节]Modbus功能码+0x80exception_code–[1字节]2023/1/441ModbusPDU结构Modbus请求PDU2022/12Modbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的四个基本表为：Modbus

数据模型基本表对象类型访问类型注释离散量输入单个位只读I/O系统可提供这种类型数据线圈单个位读写通过应用程序可改变这种类型数据输入寄存器16位字只读I/O系统可提供这种类型数据保持寄存器16位字读写通过应用程序可改变这种类型数据2023/1/442Modbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的MModbus公共功能码的定义

功能码

码子码（十六进制）

数据访问

位访问物理离散量输入读离散量输入02

02内部位或物理线圈读线圈01

01写单个线圈05

05写多线圈15

0F

16位访问输入寄存器读输入寄存器04

04内部寄存器或物理输出寄存器读保持寄存器03

03写单寄存器06

06写多寄存器16

10读/写多寄存器23

17屏蔽写寄存器22

16读FIFO队列24

18文件记录访问读文件记录20614写文件记录21615

诊

断读异常状态07

诊断0800-18

获得通信事件计数器11

OB获得通信事件记录12

0C报告从站ID17

11读设备识别码43142B其它封装接口传输43

2B2023/1/443Modbus公共功能码的定义

功能码

码子码（十六进制）

Modbus功能码应用实例(1)读线圈01(0x01)请求响应*N＝寄存器的数量/8，如果余数不等于0，那么N=N+1错误功能码1字节0x01起始地址2字节0x0000至0xFFFF线圈数量2字节1至2000（0x7D0）功能码1字节0x01字节计数1字节N*线圈状态n字节n＝N或N+1功能码1字节功能码＋0x80异常码1字节01或02或03或042023/1/444Modbus功能码应用实例(1)读线圈01(0x01)请读多个寄存器03(0x03)请求

响应*N＝寄存器数量错误功能码1字节0x03起始地址2字节0x0000至0xFFFF寄存器数量2字节1至125（0x7D）功能码1字节0x03字节数1字节2×N*寄存器值N*×2字节

差错码1字节0x83异常码1字节01或02或03或04Modbus功能码应用实例(2)2023/1/445读多个寄存器03(0x03)请求

响应*N＝寄存器数量功能码Modbus功能码应用实例(3)写多个寄存器16(0x10)请求*N＝寄存器数量响应错误功能码1字节0x10起始地址2字节0x0000至0xFFFF寄存器数量2字节0x0001至0x0078字节计数1字节2×N*寄存器值N*×2字节值功能码1字节0x10起始地址2字节0x0000至0xFFFF寄存器数量2字节1至123（0x7B）差错码1字节0x90异常码1字节01或02或03或042023/1/446Modbus功能码应用实例(3)写多个寄存器16(0x10)Modbus协议在串行链路上的实现

主要介绍Modbus协议在串行标准如RS232、RS485上的实现规范层ISO/OSI模型

7应用层Modbus应用协议6表示层空5会话层空4传输层空3网络层空2数据链路层Modbus串行链路协议

1物理层EIA/TIA-485(或

EIA/TIA232)Modbus协议在串行链路上的实现2023/1/447Modbus协议在串行链路上的实现层ISO/OS串行链路上的Modbus帧结构Modbus串行链路协议是一个主/从协议网络上的每个从站必须有唯一的地址（从1到247）从站地址用于寻址从站设备，由主站发起地址0:用于广播模式，不需要响应RS-485和RS-232定义了标准的物理端口，提高互可操作性两种模式：ASCII码模式和RTU模式2023/1/448串行链路上的Modbus帧结构Modbus串行链路协议是一个Modbus串行传输模式–ASCII模式报文必须以“:”开始报文必须以“LF－CR”结束（换行-回车键码）数据用十六进制ASCII码值表示使用LRC进行差错校验Modbus串行传输模式–ASCII模式2023/1/449Modbus串行传输模式–ASCII模式报文必须以“:”Modbus串行传输模式–RTU模式Modbus串行传输模式–RTU模式从站

地址功能码数据CRC1字节1字节0至252字节2字节CRC高位CRC低位2023/1/450Modbus串行传输模式–RTU模式Modbus串行传输Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的应用一、基于Modbus的通信协议打开通信协议文档2023/1/451Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的应用二、RTU协议数据帧收发的实现方法2023/1/452Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的应用二、RTU协议数据帧收发的实现方法

其关键点有：

a）接收时，至少需要一个定时器用于判别数据帧间的时间

b）发送时，要保证发送数据字节间的连续性2023/1/453Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的应用二、RTU协议数据帧收发的实现方法

其关键点有：

a）接收时，至少需要一个定时器用于判别数据帧间的时间

b）发送时，要保证发送数据字节间的连续性2023/1/454Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的应用二、RTU协议数据帧收发的实现方法

具体实现：为保证接收和发送数据的实时性，串行口操作采用中断方式

Modbus数据帧的打包和解包在主程序中进行。通信程序：communication.c2023/1/455Modbus协议的应用举例Modbus在舰船温度巡检系统上的本章小结小结现场总线的概念和特点；现场总线的发展历程现场总线控制系统和DCS系统的比较现场总线控制系统的特点举例：MODBUS现场总线系统2023/1/456本章小结小结现场总线的概念和特点；2022/12/2956ThankYou!2023/1/457ThankYou!2022/12/2957测控技术与系统第九章现场总线技术2023/1/458测控技术与系统第九章现场总线技术2022/12/291本章主要内容现场总线概述1现场总线举例——MODBUS3常用通信接口简介22023/1/459本章主要内容现场总线概述1现场总线举例——M9.1现场总线概述——知识点现场总线技术的知识点：定义发展过程发展趋势优点归属范畴现场总线与ISO/OSI网络模型现场总线控制系统2023/1/4609.1现场总线概述——知识点现场总线技术的知识点：20229.1.1现场总线概述——（1）定义（1）现场总线(FieldBus)的定义“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”

现场总线以串行通信方式取代传统的4～20mA的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。现场总线技术的核心是其通信协议FF的定义基本概念2023/1/4619.1.1现场总线概述——（1）定义（1）现场总线(Fie9.1.2现场总线概述——（2）发展过程发展过程（2）现场总线发展过程2023/1/4629.1.2现场总线概述——（2）发展过程发展（2）现场总线现状：现场总线未能形成一种统一的国际标准主要有两方面原因：一是技术方面的原因，由于现场总线是应用于现场过程控制的通信网络，涉及到许多底层设备的不同行业标准和用户习惯的继承，以及不同类型网络互连的协议制定；另一方面是商业利益，各厂家都希望自己的技术在标准中占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益，互不相让，导致了目前多种现场总线共存的局面。9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续2023/1/463现状：现场总线未能形成一种统一的国际标准9.1.2现场总线9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续现场总线标准大事记20世纪70年代：现场总线技术萌芽20世纪80年代：现场总线标准开始发展20世纪90年代初：形成几种较有影响的标准1994-1995年：现场总线基金会(FF)成立2000.1.4：IECTC65通过IEC61158决议，规定了8种现场总线国际标准，后来又由其他标准化组织通过了3种现场总线*IEC:国际电工委员会InternationalElectro-techincal

commission**FF:FieldbusFoundation2023/1/4649.1.2现场总线概述——（2）发展过程续现场总线标准大事9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续国际现场总线标准2023/1/4659.1.2现场总线概述——（2）发展过程续国际现场总线标准9.1.2现场总线概述——（2）发展过程续12种国际现场总线标准另外一种不得不说一下的现场总线：HART总线HART总线是模拟信号标准和现场总线之间的一种过渡性协议HART总线通过在4~20mA信号上叠加交流载波信号进行数字通信，从而能在保证传统模拟信号兼容的基础上，具有现场总线的优势。HART总线还将在较长的时间广泛的存在2023/1/4669.1.2现场总线概述——（2）发展过程续12种国际现场总9.1.3现场总线概述——（3）发展趋势发展趋势（3）现场总线的发展趋势与以太网的融合目前许多厂商已经开始将现场总线协议与EthernetTCP／IP协议进行整合。包括：1、ControlNet、DeviceNet和Ethernet／IP联合推出CIP(ControlandInformationProtoco1)；2、FoundationFieldbus推出HSEHigh—SpeedEthernet)；3、Profibus推出ProfiNet以太网网络供电问题2023/1/4679.1.3现场总线概述——（3）发展趋势发展（3）现场总线9.1.4现场总线概述——（4）优点优点模拟信号（4～20mA）互连的缺点：一对一结构；单向通信；抗干扰能力差

现场总线的优点：（1）结构简洁，安装维护方便：一对N结构， 双向通信，布线成本，设备管理（2）可靠性高：抗干扰能力强（3）信息集成能力强：设备信息，仪表参数，故障诊断，测控管一体化（4）互操作性和互用性：同标准仪表间（5）开放性：开放式互联网络（6）分散控制：控制功能分散到仪表，提高控制系统整体可靠性（4）现场总线的优点2023/1/4689.1.4现场总线概述——（4）优点优点模拟信号（4～209.1.5现场总线概述——（5）归属范畴归属范畴（5）现场总线的归属范畴：

现场仪表间的通信网络。

现场总线是一种设备间完整的通信通道，包括物理层、数据链路和应用层等。现场总线既有别于芯片内总线、芯片间总线、板间总线，也有别于控制系统的上层通信网络。2023/1/4699.1.5现场总线概述——（5）归属范畴归属范畴（5）现场9.1.6现场总线概述——（6）与ISO/OSI网络模型关系（6）现场总线与ISO/OSI参考模型的关系现场总线的要求：实时性，可靠性现场总线的通信协议符合ISO的OSI参考模型：通常使用其中的一、二、七层协议 用户X用户Y第七层 应用 应用第六层表示 表示第五层 会话 会话第四层 传送 传送第三层 网络 网络第二层 链接 链接第一层物理物理通信协议2023/1/4709.1.6现场总线概述——（6）与ISO/OSI网络模型关管理集中控制分散9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统现场总线技术发展带来控制系统结构的变革：现场总线控制系统(FCS：FieldbusControlSystem)控制系统的发展历史：FCS控制分散更彻底集中控制独立控制FCS系统DCS系统集中控制系统单回路控制系统（3）现场总线的发展趋势2023/1/471管理集中控制分散9.1.7现场总线概述——（7）现场总线DCS结构DCS的三级结构：现场级、控制级和监控级9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/472DCSDCS的三级结构：现场级、控制级和监控级9.1.7现FCS结构FCS的两级结构:智能现场仪表、工作站图FF现场总线控制系统结构

9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/473FCSFCS的两级结构:智能现场仪表、工作站图FF现场总线FCS的优势DCS：三级结构（现场仪表、控制站和操作站）FCS：两级结构（智能现场仪表、工作站）完成转变的两个关键因素：

现场总线和智能仪表控制站的功能分散到智能仪表中，可靠性更高9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/474FCSDCS：三级结构（现场仪表、控制站和操作站）控制站的功现状DCS和FCS的应用现状：二者现阶段共存，共同发展DCS系统也扩展了现场总线接口，可以和部分现场总线设备互连一些现场总线设备除具有现场总线接口外，也具有4~20mA模拟信号标准9.1.7现场总线概述——（7）现场总线控制系统续2023/1/475现状DCS和FCS的应用现状：二者现阶段共存，共同发展9.19.2常用通信接口简介（1）通信接口的基本概念：

一般电子仪表电路系统的数字电路系统为TTL电平或CMOS电平。在通信系统中，为了提高通信抗干扰性，一般具有特殊的电平设计和编码规则。通信接口即指完成一般电路系统与特定通信标准间的电平或（和）逻辑转换。2023/1/4769.2常用通信接口简介（1）通信接口的基本概念：2022/9.2常用通信接口简介这里补充介绍比较常用的两个物理层协议：RS232和RS485RS232和RS485都是：美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，规定了其机械、电气、功能和过程特性2023/1/4779.2常用通信接口简介这里补充介绍比较常用的两个物理层协议9.2常用通信接口简介二者的差别：RS232是：异步通信接口，点对点，短距离(15m)RS485是：半双工，1对N，长距离（1200m）造成这种差别的主要原因是二者信号驱动和接收的方式不同2023/1/4789.2常用通信接口简介二者的差别：2022/12/29219.2常用通信接口简介单端驱动单端接收RS232平衡驱动差分接收RS485负逻辑2023/1/4799.2常用通信接口简介单端驱动单端接收RS232平衡驱动差9.2常用通信接口简介RS232电平转换

由于RS232和RS485的标准电平和TTL(CMOS)电平不同，所以微机内部系统与RS232和RS485连接需要进行电平转换！RS232电平转换芯片2023/1/4809.2常用通信接口简介RS232电平转换RS232电平转换9.2常用通信接口简介终端电阻使能端RS485电平转换

问：当总线上有两个以上设备使能发送会发生什么情况？2023/1/4819.2常用通信接口简介终端电阻RS485电平转换问：2029.2常用通信接口简介单片机的串口结构和操作单片机的串口包括RXD、TXD和信号地三线，可以在电平转换后用RS232的三线连接方式和PC机进行通信。单片机的串行通信通常是用硬件实现的。

发送数据时：向串行寄存器送入数据后，硬件即可按照设定的数据格式和波特率串行发送数据。

接收数据时：硬件自动接收串行数据，接收完一个数据后，将产生中断或设置相应的数据就绪标志。

※单片机中通常不设计接收和发送缓冲区，所以当接收到的数据不能及时处理的话，数据将会丢失。

2023/1/4829.2常用通信接口简介单片机的串口结构和操作9.2常用通信接口简介PC机的串口结构和操作1、PC机串口结构：

PC机的串口包括有RS232的电平转换电路，其串口输出即RS232标准。用串行接口芯片实现串行通信的协议，一般具有有接收缓冲区和发送缓冲区。2、PC机串口操作：主要工作都是在软件编程里。在windows下可以有多种编程手段：文件读取法、串口控件、多线程设计等。基本的操作方式可以采用查询方式或者消息驱动方式(事件驱动方式)。

※需要注意的是，和其他软件编程不同的是，串口的数据发送和接收都是需要一定的时间的。2023/1/4839.2常用通信接口简介PC机的串口结构和操作1、PC机串口9.2常用通信接口简介PC机通过RS232和RS485和仪表互连RS232互连RS485互连2023/1/4849.2常用通信接口简介PC机通过RS232和RS485和仪9.4MODBUS总线介绍--主要内容一、概述二、Modbus应用协议规范

三、Modbus协议在串行链路上的实现四、Modbus协议在TCP/IP简介2023/1/4859.4MODBUS总线介绍--主要内容一、概述2022/1一、概述1979年Modicon公司(现法国Schneider的一部分)提出的Modbus，最初作为工业串行链路的事实标准1997年Schneider电气在TCP/IP上实现Modbus协议Modbus和ModbusTCP/IP也被IEC61158国际标准承认为一种现场总线2004年Modbus作为我国国家标准：国家标准GB/T19582-2008

“基于Modbus协议的工业自动化网络规范”

2023/1/486一、概述1979年Modicon公司(现法国Sch一、概述IANA委员会给施耐德电气公司分配了已为大家熟知的TCP502端口，以专为Modbus协议保留，Modbus协议现在已经成为Internet标准。ModbusTCP/IP是唯一个被分配到互联网端口的工业以太网23-Telnet远程登录协议

21-FTP文件传输协议

161-SNMP简单网络管理协议

25-SMTP简单邮件传输协议

53-DNS域名解析服务

110-POP3邮局协议

80-HTTP超文本传输协议

67-BOOTPS引导程序协议服务器

502-ModbusMODBUSTCP端口

IANA:TheInternetAssignedNumbersAuthority互联网数字分配机构

2023/1/487一、概述IANA委员会给施耐德电气公司分配了已为大Modbus协议应用层协议Modbus

Plus协议

Modbus应用层协议，以及物理层和链路层的完整协议ModbusTCP/IP协议基于TCP/IP的MODBUS协议Modbus技术规范组成2023/1/488Modbus协议Modbus技术规范组成2022/12/2PLCcontrolModbus应用层报文传输协议

Modbus协议为应用层报文传输协议，仅定义了通讯消息结构，一个Modbus信息桢包括从机地址、功能码、数据区和数据校验码。可使用RS232、RS422和RS485端口，可以使用光纤、无线等媒质实现通讯，广泛应用在智能设备之间进行主、从方式通讯。

Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络地址、路由路径及错误检测的方法。2023/1/489PLCModbus应用层报文传输协议2022/12ModbusPlus

ModbusPlus是一种典型的令牌环网，完整定义了通讯协议、网络结构、连接电缆（或者光缆）等方面的性能指标。网络中的设备通过“令牌”的方式实现数据的交换，严格定义了令牌的传递方式，数据校验以及通讯端口等方面的技术参数。

Modbusplus总线协议是一种异步半双工通讯的对等网络协议，物理接口为RS485，通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤。在链路层，Modbusplus采用IEEE802.2逻辑链路控制协议和IEEE802.4令牌总线媒体访问控制协议。在应用层，Modbusplus采用Modbus的通讯协议，主要包括寄存器读写、开关量I/O等命令。Modbus协议在Modbusplus网络中使用时，要将传递的信息的内容进行相应的封装，封装格式有两种ASCII和RTU。

Modbusplus可以采用双电缆结构，允许Modbusplus在两条独立的电缆上通讯，实现网络通讯线路的冗余备份，适合高可靠性的应用场合。2023/1/490ModbusPlus2022/12/2933ModbusTCP/IP

由于Modbus主机/从机通信机理能很好地满足确定性的要求，非常适合以太网中的客户机/服务器的通信机理。1996年施耐德公司推出了基于以太网TCP/IP的Modbus协议，即为ModbusTCP/IP协议，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的解决方案。施耐德公司的“透明工厂”就是基于ModbusTCP/IP技术。目前ModbusTCP/IP已作为现场总线使用，在PLC设备中也内置网页服务器，使以太网的远程I/O设备具备了在网上浏览该远程I/O状态的功能。在设备层、控制层和信息层中都可以采用ModbusTCP/IP技术，能在监控室或远程浏览连接到网络的所有设备和智能传感器。由于以太网已得到广泛地应用，技术成熟，设备成本低，使系统具有可延伸性、灵活性和高性能价格比等特点。2023/1/491ModbusTCP/IP2022/12/2934Modbus通信栈Modbus应用层协议2023/1/492Modbus通信栈Modbus应用层协议2022/12/29Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议客户机能够向服务器发送请求服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答1.Modbus应用协议2023/1/493Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议1.Modbu通用Modbus帧结构－－协议数据单元(PDU)Modbus是一个可选择部分使用的协议

服务器可执行部分Modbus协议Modbus由公共功能码和用户定义的功能码组成Modbus应用协议使用功能码列表读或写数据，或者在远程服务器上进行远程处理读/写寄存器列表，读/写比特列表诊断，标识

ADU:应用数据单元PDU:协议数据单元2023/1/494通用Modbus帧结构－－协议数据单元(PDU)ModbuModbus事务处理(无差错)当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）对于一个正常响应来说，服务器仅复制原始功能码2023/1/495Modbus事务处理(无差错)当服务器对客户机响应时，它使用Modbus事务处理(异常响应)SM6对于异常响应，服务器将原始功能码的最高有效位设置逻辑1后返回异常码指示差错类型2023/1/496Modbus事务处理(异常响应)SM6对于异常响应，服务器将Modbus最初在串行链路上的实现（最大RS485ADU=256字节）限制了ModbusPDU的长度。因此，对串行链路通信来说，ModbusPDU=256-服务器地址（1字节）-CRC（2字节）＝253字节。从而：RS232/RS485ADU=253字节+服务器地址(1字节)+CRC(2字节)=256字节。TCPModbusADU=253字节+MBAP(7字节)=260字节。ModbusPDU长度2023/1/497Modbus最初在串行链路上的实现（最大RS485ADU=2ModbusPDU结构Modbus请求PDUmb_req_pdu={function_code,request_data},

function_code-[1字节]Modbus功能码

request_data-[n字节]Modbus响应PDUmb_rsp_pdu={function_code,response_data},

function_code-[1字节]Modbus功能码

response_data-[n字节]Modbus异常响应PDUmb_excep_rsp_pdu={function_code,exception_code},

function_code-[1字节]Modbus功能码+0x80exception_code–[1字节]2023/1/498ModbusPDU结构Modbus请求PDU2022/12Modbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的四个基本表为：Modbus

数据模型基本表对象类型访问类型注释离散量输入单个位只读I/O系统可提供这种类型数据线圈单个位读写通过应用程序可改变这种类型数据输入寄存器16位字只读I/O系统可提供这种类型数据保持寄存器16位字读写通过应用程序可改变这种类型数据2023/1/499Modbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的MModbus公共功能码的定义

功能码

码子码（十六进制）

数据访问

位访问物理离散量输入读离散量输入02

02内部位或物理线圈读线圈01

01写单个线圈05

05写多线圈15

0F

16位访问输入寄存器读输入寄存器04

04内部寄存器或物理输出寄存器读保持寄存器03

03写单寄存器06

06写多寄存器16

10读/写多寄存器23

17屏蔽写寄存器22

16读FIFO队列24

18文件记录访问读文件记录20614写文件记录21615

诊

断读异常状态07

诊断0800-18

获得通信事件计数器11

OB获得通信事件记录12

0C报告从站ID17

11读设备识别码43142B其它封装接口传输43

2B2023/1/4100Modbus公共功能码的定义

功能码

码子码（十六进制）

Modbus功能码应用实例(1)读线圈01(0x01)请求响应*N＝寄存器的数量/8，如果余数不等于0，那么N=N+1错误功能码