第1章计算机网络与现场总线概述

本章学习要求：了解：计算机网络的形成与发展掌握：计算机网络的定义、结构与组成掌握：计算机网络的拓扑构型掌握：计算机网络的分类方法掌握：现场总线的定义、工业自动化的发展掌握：现场总线的特点了解：FF总线、Profibus现场总线、CAN总线、LonWorks现场总线第一章计算机网络与现场总线概述

网络——资源流通物质网——铁路、公路、水路、航空能源网——煤炭、石油、天然气、电力信息网——书信、电报、电话、广播、电视、计算机网络

1.1计算机网络的形成与发展计算机网络的形成与发展大致经历了四个阶段：第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络雏形1946年诞生，计算机与通信没关系20世纪50年代，美国半自动地面环境防空系统60年代，美国航空公司订票系统SABRE从严格意义上讲，不能算是计算机网络。第二阶段：进行网络体系结构与协议研究，形成计算机网络(1)计算机―计算机网络:由多台计算机通过通信线路连接起来的计算机-计算机网络，每台计算机都具有自主处理能力 1969年，美国国防部高级研究计划局提供经费，提出将多个大学、公司、研究所的计算机互连。ARPA网是这一阶段计算机网络的典型代表。

第二阶段：进行网络体系结构与协议研究，形成计算机网络(2)公共数据网PDN与局部网络LN迅速发展

租用线路的方式节省铺设线路的费用 电话网——采用数字传输和报文分组交换技术 1972年，加州大学研制了Newhall环网；1974年，剑桥大学研制了CambridgeRing环网； 1976年，Xerox公司研究了总线拓扑Ethernet网。特点:各自研究的独立性和封闭性

第三阶段：加速网络体系结构与协议的国际标准化的研究与应用开放式标准化网络，从“封闭”到“开放”APRA网——因特网TCP/IP协议已成为事实上的国际标准Ethernet、TokenBus、TokenRing——Ethernet局域网操作系统第四阶段：网络计算的新时代

全球信息高速公路

计算机网络也呈现出高速化、互连范围增加、应用广泛等特点。三网融合(电信网络、有线电视网络、计算机网络）1.2计算机网络中的基本概念

1.2.1计算机网络的定义不同阶段不同定义：计算机通信网络以传输信息为主要目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合。资源共享的计算机网络以能够相互共享资源的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统的集合。1.2.2计算机网络的结构与组成

资源子网：负责信息处理 主要由主计算机系统、终端及各种软件资源与数据资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种资源和网络服务。

通信子网：负责信息传递 由网络通信处理机CCP（CommunicationControlProcessor）、通信线路与其它通信设备组成，主要完成整个网络的数据传输、存储转发等通信功能。计算机网络的结构与组成资源子网：负责信息处理 主要由主计算机系统、终端及各种软件资源与数据资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种资源和网络服务。

通信子网：负责信息传递 由网络通信处理机CCP（CommunicationControlProcessor）、通信线路与其它通信设备组成，主要完成整个网络的数据传输、存储转发等通信功能。1.2.3计算机网络的拓扑结构拓扑设计：计算机网络设计第一步，考虑计算机和终端的位置。在保证一定的响应时间、吞吐量和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路容量、连接方式与流量分配使整个网络结构合理，成本最低。拓扑学：首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。

计算机网络可按照:星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑及网形拓扑分类:1）星形拓扑星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个节点组成。中央节点负责整个网络的通信控制，可以与网络中任何节点进行通信，非中央节点的两个节点不能直接通信。

优点：中央节点可以对网络进行统一的控制和管理，只要在硬件端口数量允许和满足响应时间的条件下，增加和删除一个节点都不困难；便于维护，单个外围节点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

缺点是：对中央节点的要求较高，负担很重，而且风险集中，一旦中央节点发生故障，整个网络都会受到影响，甚至瘫痪2）总线拓扑

所有节点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，它是一个能被总线上所有节点所使用的公共信道。

总线:公共传输媒体因此同一时刻只能由一个节点发送数据，这就要求有一定的控制策略来保证各个站点能有序交替地占有总线。优点是：结构简单，各个节点的通信负担均衡，总线一般是无源的，可靠性较高，易于扩充，增加或减少用户比较方便，总线上的所有站点相当于串接在一条线路上，相比之下，网络需要的电缆数量较少。缺点是：信号传输中会衰减传输的距离有限；一旦某一节点出现故障，隔离较困难；由于需要进行媒体访问控制和地址识别，因此会有一些额外的软硬件开销。3）环形拓扑

每一个节点都有输入端口和输出端口，节点间通过线路首尾相接，组成一个闭合的环路。每个节点能够接收从一端链路传来的数据，并以同样的速率串行地把该数据沿环送到另一端链路上，数据一般以一个方向传输。共享环路信道，需要分布式控制策略进行媒体访问控制。4）树形拓扑

整个网络形状如同一棵倒置的树，顶端相当于树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。每一节点只能和它的根节点或子节点直接通信，同一层次的节点间不能直接通信，各个层次上的根节点（或父节点）负责与其子节点间的通信控制。5）网形拓扑又称无规则网，每个节点都通过多条线路与网中的其它节点连接。这种结构具有很高的可靠性，缺点是结构复杂，成本较高，节点必须具有路由选择算法和流量控制。

1.2.4计算机网络的分类

按拓扑结构按网络的分布范围分类按网络的交换方式分类

按用途按传输介质按网络信道带宽按网络技术

星形、总线、环形、树形、网形等网络广域网、局域网和城域网电路交换网、报文交换网和报文分组交换网

公共网、科研网、企业网、商业网等现场总线区别于一般的局域网，对实时性、确定性、抗干扰要求高。1.3工业自动化的发展及现场总线的产生

1.3.1现场总线的定义

应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统之后的一种新型网络集成式全分布控制系统。

工业控制网络的一个示例IPCPLC变频器变频器温度压力流量电磁阀调节器EthernetCAN总线（Profibus总线）人机界面总线1.3.2工业自动化的发展(5个阶段）

1.20世纪50年代以前，是人工控制阶段。2.20世纪50年代为模拟控制阶段。3.20世纪60年代~70年代中期，工业控制系统开始进入集中式数字控制阶段。（DDC，集中型计算机控制、分层计算机控制）4.20世纪70年代中期，工业控制系统进入集散型控制系统（DCS）阶段。（DISTRIBUTED分布式的）DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制功能分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。它是一个集中与分散相结合的系统，它吸收了分散仪表控制系统和集中式计算机控制系统的优点，将当时的微处理器、计算机数字通信网络等技术应用到工业控制领域。集散型控制系统中仍有不足：信息化问题，数字化问题，互换性与互操作问题。工业自动化的发展(5个阶段）

5.现场总线的概念是1982年首先由欧洲提出的。随后，北美与南美也都投入巨大的人力、物力开展研究工作。现场总线控制系统的全分布、全数字、全开放特性解决了集散型控制系统中存在的不足。

现场总线控制系统把集散型控制系统中的集中与分散相结合的概念变成了新型的全分布式测控系统。

工业控制系统发展具有以下4个特点：

1.计算机技术在控制系统中越来越重要

2.信息的集成程度越来越高

3.控制功能越来越“接近”现场工业控制系统发展具有以下4个特点：4.现场仪表的测控能力越来越强

1.3.3现场总线控制系统的特点

现场设备具有智能和自治的特点，而不仅仅是测量单元或执行单元

提高了系统的精度和自诊断功能

控制周期从每秒调节2~5次增加到10~20次；控制精度可以从DCS的±0.5%提高到±0.1%降低了设计、安装的软硬件费用和系统的维护费用组态和修改容易

工业控制网络的一个示例IPCPLC变频器变频器温度压力流量电磁阀调节器EthernetCAN总线（Profibus总线）人机界面总线传统布线线与现场总线布线的比较传统的机柜布线现场总线布线1.4几种现场总线技术简介

CAN总线

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网络）最早由德国BOSCH公司推出，最初用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信的总线。CAN总线仅仅定义了物理层、数据链路层，基于CAN的这两层协议又开发出了新的总线协议：如DeviceNet、SDS、CANopen等。CAN总线是最早进入我国的现场总线，目前已经广泛应用于国内自动化的各个领域。几种现场总线技术简介基金会现场总线FFFF（FieldbusFoundation）既是现场总线基金会的简称，又是它推出的基金会现场总线的简称。FF支持者主要是流程工业中极具影响的仪表和执行器生产厂商，在化工、电力等连续生产过程中经验丰富，因此，FF在过程自动化领域的优势十分明显。但由于FF产品价格昂贵，在国内的技术支持难以满足用户的要求，整个应用水平低于最初估计的情况。几种现场总线技术简介Profibus现场总线

Profibus由西门子公司在1987年推出，后来移交给Profibus用户组织（现为PI，ProfibusInternational）管理。Profibus早期标准包含ProfibusFMS、ProfibusDP、ProfibusPA三个子集。后来，Profibus与以太网相结合，提出了ProfiNet解决方案，并逐渐取代了ProfibusFMS的位置。Profibus现场总线PROFIBUS—DP:（DecentralizedPeriphery）：DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。PROFIBUS－FMS:（FieldbusMessageSpecification）：FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PROFIBUS－PA:(ProcessAutomation)PA用于过程自动化的总线类型.几种现场总线技术简介DeviceNet

DeviceNet总线技术是在CAN技术上发展起来的，是一种低成本的设备层网络技术，定义了应用层、收发器和传输介质，使得在通信方面更加完善。DeviceNet总线技术由美国Rockwell公司研制开发，后交由ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation）管理，它负责DeviceNet规范的管理、修订、完善和发行。几种现场总线技术简介ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出，并于1997年转让给控制网国际组织CI（ControlNetInternational）。它是一种具有高速、高度确定性和可重复性的网络，总线上可以传输具有严格时间要求的信息和无严格时间要求的信息，采用生产者/消费者的通信模式。在Rockwell推出的工业自动化三层体系结构中ControlNet对应于控制层，与设备层和信息层对应的分别是DeviceNet和EtherNetIP。几种现场总线技术简介

WorldFIPWorldFIP是成立于1987年的WorldFIP协会制定并大力推广的现场总线，它先成为法国标准，后来又成为欧洲标准，既可用于离散制造业自动化，又可用于过程自动化领域。在WorldFIP中，传感器/执行器称为0级设备，PLC/控制器称为1级设备。WorldFIP多应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输和过程自动化等领域。

几种现场总线技术简介

P-Net

P-Net现场总线于1983年由丹麦Proces-Data公司提出，后得到P-Net（ProcessautomationNET）用户组织的支持。它的电气规范基于RS485标准，只提供了一种传输速率。P-Net结构简单，对从站的通信程序需几千字节的编码，易于开发和转化。其应用领域主要集中在奶制品、啤酒、食品、饲养等与农业自动化相关的行业。几种现场总线技术简介

LonWorks是美国ECHELON公司1991年推出的局部操作网络。LonTalk是LONWORKS使用的开放式通信协议，LonMark是为了解决LONWORKS产品的互操作性而成立的用户标准化组织。LonTalk协议遵循ISO/OSI参考模型，提供了OSI所定义的全部七层服务，这是LONWORKS的显著特点。LonWorks在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统等方面具有极大的市场份额。

几种现场总线技术简介AS-I（Actuator-Sensor-Interface，执行器-传感器-接口）等总线也有较大的影响。1.5现场总线的标准

最早成为国际标准的现场总线是CAN总线，但它是关于道路交通运输工具方面的国际标准-ISO11898，在车辆、运输工具等方面的影响力更大。工业控制领域的现场总线标准主要是指国际电工委员会指定的两个协议簇IEC61158和IEC62026。2002年6月已进行了两次大范围的修改，根据最新的IEC/T65文件，该标准目前包括十种技术类型：现场总线的标准l

IEC技术报告l

ControlNetl

Profibusl

P-Netl

FFHSEl

SwiffNetl

WorldFIPl

Interbusl

FFAppl