工业通信网络busreview课件

工业通信网络与技术

Homeworks许勇xuy@工业常用的通信应用系统中，重要的是物理层、链路层和应用层。请：简单讲述这三层协议的功能，举例说明其具体实现方法。注：1)最好结合自己的课程设计等；2)至少1页； 3）签名加完成时间戳（timestamp):M:D:H:M:S.1。

工业通信网络的三层协议CAN通信应用技术的链路层非常重要。请：1）作图解释CAN帧组成结构和这些结构的作用；2）描述CAN总线的无冲突仲裁。注：签名加完成时间戳（timestamp):M:D:H:M:S.2。CAN总线的帧结构和无冲突仲裁工业通信网络与技术

复习许勇xuy@What？工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息,工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。也是工业控制内的局域网，是生产企业的底层网络；Why？自动化系统“读”“算”“写”和“连”；How?协议体系：层次-设备-算法。Chapter1概述OSI、TCP/IP，FF通信模型之间的比较工业通信系统协议模型现场总线一般都是作为工业局域网应用的，在常用的现场总线技术中，重要的是物理层、链路层和应用层，有时候还有用户层。-物理层：比特流的产生和处理，包括信号电平、编码方式、硬件接口和比特流同步问题；-数据链路层：数据流产生即成帧方式，或数据流结构，检错重传机制，流量控制机制以及信道接入控制方式等等；应用层：如何生成和使用数据；用户层：功能块（设备）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）工业通信系统系统特点工业自动控制网络通信技术需要考虑：（1）传输及时性和系统实时性：比较制造化系统响应时间要求在0.01～0.5s，过程控制系统响应时间为0.5～2s。而信息网络响应时间是2～6s。显然，工业通信网络的实时性要求高。（2）高可靠性：环境恶劣下工业生产现场的通信网络必须适应环境，包括电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）、气候环境适应性（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，应有本质安全的性能。（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，强调互操作性，在ISO/OSI参考模型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来保证开放性通信。（4）总线供电：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护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。（5）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、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工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。（6）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（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。（7）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向控制器传送，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速现场总线网络（如Profibus、Can、DeviceNet等）组成，而正在向高速网络发展。1）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。2）采用统一的标准，同标准下不同厂家产品相互兼容，整个系统具有开放性，便于操作、维护和扩展。当然，在这一点上，工业以太网表现最显著。3）控制功能下放在现场仪表，控制室内装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。4）硬件相对简化，初期系统投资相对较低，同时，现场总线可提供来自现场仪表的设备管理数据作为维护的参考，将非正常停工损失降为最低。5）采用功能块方式组态，已有大量可满足过程控制的功能模块，如输入、输出、PID调节等，一些模块还具有报警功能。6）采用完全分散的数据库概念，只使用一个数据库，任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。这样，便不会产生重复的、不一致的数据库。FCS的特征源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号第2章数据通信原理及基础

为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。通信系统：硬件（信道+结点/设备）；软件（通信协议）信号和信号传输数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)模拟传输和数字传输所使用的技术话音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制1）2）3）1)使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术：幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）相移键控PSK（PhaseShiftKeying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波信号S(t)=Acos(ωt+φ)

S(t)的参量包括：幅度A、频率ω

、初相位φ调制就是要使A、ω

或φ随数字基带信号的变化而变化ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和100110100010ASKFSKPSK2)数字编码10110011100

时钟NRZManchester差分Manchester3）使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（脉码调制,PulseCodedModulation）。脉码调制（PCM）的原理

PCM输出：001001100011111100001100数据传输的同步技术目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位——位同步字符——字符同步帧(Frame)——帧同步工业通信系统的可靠性工业通信系统需要满足高可靠性和安全性需求。大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。但是工业通信系统层次需要在干扰频繁的恶劣环境中工作，来自生产过程现场的模拟信号可能出错，传输中常混杂有干扰信号。可靠性要求：1）控制错误，和2）容错。即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。干扰的抑制解决噪声干扰问题的硬件方法：屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。隔离：隔离是使电路相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变压器隔离。滤波：用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。接地：“地线”指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。软件抗干扰技术数字滤波：加一段数字滤波程序，有中位值法、平均值法和限幅滤波等；软件冗余/软件陷阱“看门狗”（watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。第三章通信总线技术及应用总线的性能指标主要有下面几条：1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：在计算机总线中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33MHz，则最大数据传输速率为:(32/8)×33=132MB／s；2）总线时钟：总线中各种信号的定时基准。；3）总线宽度：总线中数据总线的数量，用Bit(位)表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分；4）信号线数：总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线；5）负载能力：总线中信号线带负载的能力。该能力强表明可接的总线板卡可多一些。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。微处理器常用串行总线：通用异步接收器传输总线UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）同步外设接口(SPI-SerialPeripheralInterface)、内部集成电路(I2C-Inter-IntegratedCircuit)。总线类型线数通信类型多主支持数据率总线上器件的数量线缆长度（米）UART2异步不支持3Kbps到4Mbps21.5@128KbpsSPI3同步不支持>1Mbps<10<3I2C2同步支持<3.4Mbps<10<3RS232C

RS232是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电子工业协会的推荐标准RS=recommendedstandard

标准规定了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间串行通信接口的物理(电平)、信号和机械连接标准常用异步串行通讯接口标准RS232C的电气标准：3V~15V:逻辑0-3V~-15V:逻辑150ft@9600bps接口标准规格RS422RS485传输模式平衡平衡差动输出（V）±2±1.5接收器敏感度（V）±0.2±0.2驱动器负载，最小（Ω）10060最大驱动器数量132最大接收器数量1032最大传输速度(bps)10M10M最大电缆长度@90Kbps(ft)40004000最大电缆长度@10Mbps(ft)5050RS422和RS4851）FireWire串行总线(IEEE

1394)IEEE一项视频传输串行接口标准。早期由苹果开发，索尼曾参与开发（6线改4线），注册为iLINK商标。2）USB：支持外接设备热插拔、同时可为外设提供电源，省去了外设自带的电源、支持同步数据传输。3）工业无线ZIGBEE-RFID4）PLC其它常用工业通讯技术计算机接口总线XT-AT-ISA-PCI-PCIe工控机与测控仪器接口总线STD总线-PC/104总线-AT96总线-VME-CompactPCI/PXI总线工控机。测量仪器接口总线第三章通信总线技术及应用1.概述现场总线应用在生产现场1、在测控设备间2实现双向3串行4多节点5数字通信6

。现场总线本质体现：现场通信网络：现场设备互联：使用不同介质把不同现场设备或仪表相联。互操作性：用户可选不同产品构成所需的控制回路。分散功能块：FCS把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,实现了分散控制。通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。开放式互联网络：可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。第四部分：常用工业现场总线基金会总线FF（FoudationFieldbus）FF前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。

ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。FF超过了现场总线范围，是一个完整的工业网络体系。

新增用户层的主要功能：定义信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定通用的功能模块集，对使用总线的用户应用进行规范。虽然协议变得复杂，但却带来设备间的可相互操作性。3）物理层：低速H1，（H2后来被HSE-HighSpeedEthernet取代）。IEC1158-2（MBP）双线信号传输技术，两种供电方式：非总线供电和总线供电。数字信号以31-25KHz的频率、0.75-1V的峰值电压被调制到9-32V直流电压上。传输信号采用曼彻斯特编码。4）数据链路层：将集中调度式通信（LAS）与令牌循环的通信控制方式（LAS管理），可保证周期性变量的准确定时传输，同时又通过令牌予每一节点设备在定周期传输的间隙时间内自主通信的权利，保证了实时性。链路主设备能够成为LAS，总线上至少有一个链路主设备，但同一时刻成为LAS的主设备只有一个。LAS的产生可以是竞标方式或组态方式。LAS通过优先级的动态管理和更新优先级来控制报文的传输5）应用层分为两个子层：FAS和FMS。前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码与解码。现场总线访问子层FAS利用数据链路层的确定性的受调度通信与不受调度的非周期型通信，为上层应用提供了三种通信模型，即客户-服务器(Client-Server)模型、发布者-预定接收者(Publisher-Subscriber)模型及源方-收存方(Source-Sink)模型。现场总线报文规范子层FMS描述用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行为等，采用“对象描述（OD-ObjectDiscription）”来说明总线上传输的数据对象的格式与意义。把对象描述收集成“对象字典”（OD-ObjectDictionary），用来解释对象。6）用户层由预先定义的标准功能块和用户自定义的柔性功能块FFB构成。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，能完成一个独立而完整的控制功能。通过功能块模型及其参数，可以组态、维护以及定制用户应用，易于实现基本的分布式控制功能。4.

LonWorks

LonWorks（LocalOperatingNetwork）Echelon1990年12月推出。是一个开放系统，可使不同厂家生产的符合LonTalk协议的设备及产品进行互连。相比其它主流总线，Profibus下包含着几十年甚至上百年的技术和应用技术积累，FF则是很多流行技术的一次整理好更新，而LonWorks是独立全新的现场总线技术：从协议到设备，甚至核心芯片都是精心设计的结果。主要技术特点为：通信协议LonTalk符合ISO-OSI7层模型；LonTalk协议封装于专门的Neuron芯片；为总线应用提供了一套完整的开发平台，包含所有设计、配置和支持控制网元素。LonWorks技术构成1）物理层支持LonWorks通信介质可使用双绞线、电缆、光纤、电力线等；通信速率：300b/s~1.25Mb/s，130m-2700m；每帧长：0——228字节；2）介质访问控制（MAC）子层LonTalk的属于带预测的P-坚持CSMA，节点根据网络的忙碌程度确定等待时间，忙时多等，空闲时少等，以避免碰撞。LonTalk还可以提供：优先级和认证（Authentication）服务；3）LonWorks网络的节点LonWorks设备由s节点(Node)和现场设备构成，网络节点上接LonWorks网络，下接现场设备（传感器或执行器）。LonWorks控制网络中的现场控制节点有两类：直接用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器，和基于Hostbased的节点。神经元芯片（NeuronChip）Neuron具有通信和控制功能，内部有3个8位微处理器及RAM、ROM、E2PROM、和定时器/计数器等，已固化可编程的34种I/O对象和LonTalk通信协议（只有第7层需用户编程）。NeuronChip加上收发器和电源可构成一个典型现场控制节点。11个可编程的I/O引脚，可组成34种工作模式，5个通信引脚可组成3种通信模式，最高时钟10MHZ，2个16位定时器/计数器，1个48位标识符NeuronID，1个远程标识和诊断的Service引脚。

5.

Profibus技术Profibus系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域：(1）Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场设备或设备级I/O间（如驱动器、检测设备、HMI等）通信。取代24V或4～20mA的串联式信号传输；(2）Profibus-PA（ProcessAutomation）过程自动化，也可作设备层总线；(3）Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification）用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。物理层：MBP;485链路层:通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答；所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电主站从环中排除，新上电主站加入逻辑环。应用层和用户层用户层定义不同设备行为规范，行规（Profiles

）是有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范，是对特殊应用领域中用到的非主流设备其总线参数的规范。系统的实现方案采用基础的软件协议栈和硬件ASICs(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)解决方案。有广泛的标准化组件(ProfibusASICs)如Profibus堆栈存储器，监控器和调试工具，及服务可供使用。开发人员常常使用专用的通信处理芯片，这样可以完全不考虑复杂的协议。Profibus通信协议芯片已形成广泛系列。使用这些芯片可达到快速提供产品的目的。HART可寻址远程传感高速通道HART（HighwayAddressableRemoteTransduer），最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。特点4~20mA模拟信号与数字信号双向通信兼容，在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品。采用了Bell202标准的FSK频移键控技术；•实现了4-20mA模拟信号与数字通信的兼容；•单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信距离1500m；数据链路层规定数据帧最长可达25个字节，是主从式的通讯协议；应用层规定了HART通讯命令的内容。第五部分汽车网络和CANbus控制器局域网CAN（ControlAreaNetwork）总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车控制与测试仪器间数据交换而开发的串行数据通讯协议（1986）。最早成为国际标准（ISO11898），也是目前事实上的汽车总线协议标准。国际半导体厂商开发CAN总线专用芯片的有：Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等。CAN属于总线式通讯网络。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN的物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。CAN技术基本原理示意图120ΩCAN协议模型结构只有OSI底层的物理层和数据链路层。CAN属于总线式串行通信网络通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据为多主方式工作，通信方式灵活CAN网络按节点类型分成不同的优先级CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术CAN总线的数据传递方式以报文为单位进行，短帧结构（8字节），每个报文的标志符ID起始部分有一个11位的标志符ID传输速率：可达到1Mbps/40m（5k/10km）差错控制：机制充分，可靠性高CAN总线技术的特点：物理层协议Bosch开发的CAN规范中物理层没有完整的定义，允许系统设计者为其应用优化电平和传输中介。已经创建了的CAN物理层标准有：ISO11898-2高速（传送速率1Mbit/s-最大长度40m）指定两线制差分总线。线阻抗为120Ohm，CAN_L-2V至CAN_H+7V。ISO11898-3容错(容错CAN)用于汽车车身电子设备。速率125kbit/s，共模电压范围在-2V到+7V之间。电源定义为5V。SAEJ2411单线适用于对比特率和长度要求较低的CAN网络。介质非屏蔽的单线，标称速率33.3kbit/s(高速模式83.3kbit/s)。ISO11992点对点对于带有拖车的车辆，标称数据速率125kbit/s。非屏蔽的双绞线作为总线介质。其它：对于光学介质没有规范，隐性电平用“暗”表示，显性电平用“亮”表示

数据层：CAN支持四类信息帧类型：数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。数据帧和远程帧有两种格式：2.0A和标准2.0B。两者本质的不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中，ID的长度为ll位；在2.0B类型中ID为29位。

应用层及J1939技术J1939协议具有如下特点：(1)以CAN2.0B协议为基础，物理层标准与ISO11898规范兼容并采用符合该规范的CAN控制器及收发器。通讯速率最高可达到250Kbps。终端120Ω电阻。(2)采用PDU传送信息，每个PDU相当于CAN协议中的一帧。由于每个CAN帧最多可传输8个字节数据，因此PDU的传输具有很高的实时性。(3)利用CAN2.0B扩展帧格式的29位标志符定义每一个PDU的含义以及该PDU的优先级。(4)J1939协议主要作为汽车中应用的通讯协议，对汽车中应用到的各类参数都进行了规定。参数的规定符合ISO11992标准。第六部分工业以太网

Ethernet进军工业自动化的主要动力是：①成本低；②速度的提高，因普通遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。Ethernet是世界上应用最多的网络，超过93%的网络节点为Ethernet。

以太网已成功的应用于工业自动化诸多方面，以太网技术入工业过程控制底层，即设备层，甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准？物理层：TP，Manchester编码，10M+6.4

以太网与现场总线技术的比较(1)物理层现场总线

A.传输介质：多数采用屏蔽双绞电缆（RS-485）、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。

B.插件：各种防护等级工业级的接插件。

B．线供电及本质安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。

D.编码：异步NRZ、位同步曼彻斯特编码等。

E.传输速率：9.6k~12M

以太网

A.传输介质：UTP3类线、UTP5类线、屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆,无线传输的解决方案。

B.插件：RJ45、AUI、BNC

C.总线供电及本质安全：无。

D.编码：同步、曼彻斯特编码。

E.传输速率：10M、100M数据层：载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。网桥的内部结构站表端口管理

软件网桥协议

实体端口1端口2缓存①②③网段B网段A1112①③⑤2②④⑥2站地址端口网桥网桥④⑤⑥Ethernet用于工业自动化需要解决的问题Ethernet用于工业自动化有以下4个问题需解决。

实时性问题

Ethernet如何满足现场环境问题

工业控制中使用Ethernet如何获得技术支持Ethernet与网络安全问题

以太网技术改进路线以太网全面进入工厂底