模块6 工业机器人通讯

工业机器人技术基础模块六工业机器人通讯在当今高度信息化的时代，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛的传播、交流与共享，才能产生利用价值。而通信作为传输信息的手段，伴随着计算机技术、传感技术和微电子等技术，正在向着数字化、智能化、高速化、宽带化、综合化、移动与个人化等方向飞速发展。随着工业技术的发展和工业应用的扩张，很多工业机器人只是集成工作站内的一部分，工业机器人需要与各种外部设备、传感器以及多台机器人组成的集成工作站配合使用，它们之间的协作都离不开信号的收发与传递。目录单元1通信技术基础单元2

I/O通信单元3现场总线单元4工业以太网单元1通信技术基础单元1通信技术基础通信是发送者（人或机器）和接收者之间通过某种媒介进行的信息传递。实现通信的手段有很多，例如，古战场上通过鸣金和击鼓传递作战命令，利用烽火台传递敌情，以及现代社会的电报、电话、广播、电视和计算机通信等。现代通信技术是利用电信号来传输信息的，大致分为两个阶段：第一阶段是电通信阶段，第二阶段是电子信息通讯。

1837年，美国人塞缪尔·莫尔斯制造出了世界上第一台电报机，并设计了利用“点”“划”和“间隔”将信息转换成一串或长或短的电脉冲的莫尔斯密码，如图6-1-1所示。1844年5月24日，莫尔斯在美国国会大厅向40英里（1英里=1.609344千米）以外的巴尔的摩发送了人类历史上第一封长途电报，开启了电信时代。一、通信的发展历程单元1通信技术基础

1843年，美国物理学家亚历山大·贝恩根据钟摆原理发明了传真，如图6－1－2所示。1850年，美国的弗·贝克韦尔采用“滚筒和丝杠”装置代替了亚历山大·贝恩的钟摆方式，使传真技术前进了一步。1865年，伊朗人阿巴卡捷里根据贝恩和贝克韦尔提出的原理，制造出实用的传真机，并在法国的巴黎、里昂和马赛等城市之间进行了传真通信实验。一、通信的发展历程单元1通信技术基础

1875年，亚历山大·贝尔发明了世界上第一台电话机，并于1878年在相距300千米的波士顿和纽约之间进行了首次长途电话实验，如图6－1－3所示。如今，电话已经成为人们日常生活中常见的通信方式之一。一、通信的发展历程单元1通信技术基础

1901年，意大利工程师伽利尔摩·马可尼（图6－1－4）发明了无线电设备，并从英格兰发射无线电信息越过大西洋，成功到达加拿大。一、通信的发展历程单元1通信技术基础

1946年，美国宾夕法尼亚大学的埃克特和莫希利研制出世界上第一台电子计算机ENIAC，让高速计算能力成为现实。二进制的广泛应用触发了更高级别的通信机制——“数字通信”，加速了通信技术的发展和应用。

1969年，美国数字化设备公司研制出第一台可编程控制器（PDP14），在通用汽车公司的生产线上试用后，效果显著。1971年，日本研制出第一台可编程控制器（DCS8）。1973年，德国研制出第一台可编程控制器。1974年，我国开始研制可编程控制器。1977年，我国开始在工业应用领域推广PLC。一、通信的发展历程单元1通信技术基础

1.消息本书中的消息是指通信系统传输的对象，它是信息的载体，例如语音、音乐、活动图片、文字、符号、数据等。消息可以分成两大类：连续消息和离散消息。连续消息是指消息的状态连续变化或不可数，如语音、温度数据等；离散消息则是指消息具有可数的有限个状态，例如符号、文字、数字数据等。

2.信息信息是消息中所包含的有效内容。信息与消息的关系可以这样理解：消息是信息的物理表现形式，而信息是消息的内涵。例如播报天气，语音是天气预报的表现形式，而天气情况是语音的内涵。在当今社会中，信息已成为十分宝贵的资源，如何有效而可靠地传输信息是本书研究的主要内容。二、消息、信息与信号单元1通信技术基础

3.信号信号是消息的传输载体。在电信系统中，传输的是电信号。为了将各种消息（如一幅图片）通过线路传输，必须首先将消息转变成电信号（如电压、电流、电磁波等），也就是把消息载荷在电信号的某个参量（如正弦波的幅度、频率或相位，脉冲波的幅度、宽度或位置）上。由于消息可以分为两大类，所以信号也相应分为两大类：模拟信号和数字信号。（1）模拟信号：载荷消息的信号参量取值是连续（不可数、无穷多）的，如电话机送出的语音信号，其电压瞬时值是随时间连续变化的。模拟信号有时也称连续信号，连续的含义是指信号载荷的参数连续变化，在某一取值范围内可以取无穷多个值，但不一定在时间上连续。（2）数字信号：载荷消息的信号参量只有有限个取值，如电报机、计算机输出的信号。最典型的数字信号是只有两种取值的信号。二、消息、信息与信号单元1通信技术基础消息与电信号之间的转换通常由各种传感器来实现。例如，话筒（声音传感器）把声波转变成音频电信号，摄像机把图像转变成视频电信号，热敏电阻（温度传感器）把温度转变成电信号等。综上所述，消息、信息和信号三者之间既有联系又有不同，即：消息是信息的物理形式，信息是消息的有效内容，信号是信息的传输载体。基于对上述内容的理解，电信就是利用电信号传输信息。二、消息、信息与信号单元1通信技术基础通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。对于电通信来说，首先要把消息转变成电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接收设备对接收信号作相应的处理后，送给信宿再转换为原来的消息。这个过程可用图6－1－5所示的通信系统一般模型来概括。三、通信系统的一般模型单元1通信技术基础（一）信源信源的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒（声音→音频信号）、摄像机（图像→视频信号）；数字信源则输出离散的数字信号，如电传机（键盘字符→数字信号）；计算机等各种数字终端。模拟信源送出的信号经数字化处理后也可转为数字信号。（二）发送设备发送设备的作用是产生适合在信道中传输的信号，使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。发送设备涵盖的内容很多，包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程，对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。三、通信系统的一般模型单元1通信技术基础（三）信道信道是一种物理媒质，用于把来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。有线信道和无线信道均有多种物理媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。图6－1－5中的噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。噪声通常是随机的、形式多样的，它的出现会干扰正常信号的传输。（四）接收设备接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。三、通信系统的一般模型单元1通信技术基础（五）信宿信宿是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。图6－1－5概括地描述了一个通信系统的组成，反映了通信系统的共性。根据研究的对象以及所关注的问题不同，图6－1－5中各方框的内容和作用将有所不同，相应有不同形式的、更具体的通信模型。通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。三、通信系统的一般模型目录单元1通信技术基础单元2

I/O通信单元3现场总线单元4工业以太网单元2

I/O通信单元2

I/O通信

I/O（Input/Output）即输入输出端口，控制计算机通过I/O接口发送或接收信号的行为叫作I/O通信。机器人可通过I/O接口与外部设备进行交互，具体可分为数字量交互和模拟量交互。机器人拥有丰富的I/O通信接口，可以轻松地与周边设备进行通信。RS232通信、OPCserver、SocketMessage是与PC通信时的通信协议，DeviceNet、Profibus、ProfibusDP、PROFINET、EtherNetIP则是不同厂商推出的现场总线协议。一、I/O通信简介单元2

I/O通信由于数字信号是用两种相反的物理状态来表示0和1的，故其抵抗材料本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号强很多，但为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰的能力就越强，传输的距离也就越远。在现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，几乎复杂的信号处理都离不开数字信号。或者说，只要能把解决问题的方法用数学公式表示，就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。（一）便于加密处理信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。（二）便于存储、处理和交换数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。二、I/O数字通信的特点单元2

I/O通信（三）设备便于集成化、微型化数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。（四）便于构成综合业务数字网采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。（五）占用信道频带较宽一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz。随着宽频带信道（光缆、数字微波）的大量利用（一对光缆可开通几千路电话）以及数字信号处理技术的发展（可将一路数字电话的数码率由64kB/s压缩到32kB/s甚至更低的数码率），数字电话的带宽问题已不是主要问题了。由以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。二、I/O数字通信的特点单元2

I/O通信数字信号是指自变量和因变量均是离散的信号。这种信号的自变量用整数表示，因变量也用有限数字中的一个数字来表示。例如，PLC数字输出端口要么是高电平，要么是低电平，这两种情况可以用0和1表示（图6－2－1）。在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示，即0或1。它的值是通过中央值来判断的，在中央值以下规定为0，以上规定为1。三、数字信号单元2

I/O通信用1个二进制位表达信息时，它能表达两种信号。若将多个数字信号组合，能表达的信号数量将呈现指数级（n个数字量信号组合可表示2n个信号），如图6－2－2所示。例如，2个数字量信号组合可以表示4种信号，它们是00、10、01和11。3个数字信号组合可以表示8种信号，它们是000、100、010、001、110、101、011、111。这种表达方法类似于数学中的排列组合。四、组信号单元2

I/O通信模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等。模拟信号波形在时间上是连续的（连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值），因此它是连续信号，如图6－2－3所示。模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号，虽然其波形在时间上是离散的，但信号的幅度仍然是连续的，所以仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。五、模拟信号单元2

I/O通信常见的抽样信号是周期矩形脉冲和周期冲击脉冲抽样。模拟信号在整个时间轴上都是有定义的，在“没有幅值”的区域的意义是幅值为零；而离散时间信号只在离散时刻上才有定义，其他区域没有定义，和幅值为零是不同的概念。这两种信号在时间轴上看起来很相似，其实是以不同系统为基础的两种有本质区别的信号。直观地说，离散时间信号的横轴已经不代表时间了。模拟信号可进行数字化处理，如图6－2－4所示。五、模拟信号目录单元1通信技术基础单元2

I/O通信单元3现场总线单元4工业以太网单元3现场总线单元3现场总线现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线因其简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现场总线是自动化领域中的底层数据通信网络。简单来说，现场总线就是以数字通信替代了传统420mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响，主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。一、现场总线概述单元3现场总线（一）现场总线的产生在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着420mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统（DCS）。在分布式控制系统中，各微处理器被指定一组特定任务，通信则由一个带有附属“网关”的专有网络提供，网关的程序大部分是由用户编写的。随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正和自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告和趋势图等功能。通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试的记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在本地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。另外，从实际应用的角度，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。一、现场总线概述单元3现场总线（二）现场总线的现状现场总线就是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准化的数字式通信链路，可进行全数字化、双向、多站总线式的信息数字通信，实现相互操作以及数据共享。现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。现场总线通信协议的基本要求是响应速度和操作可预测性的最优化。现场总线是一个低层次的网络协议，在其之上还允许有上级的监控和管理网络，负责文件传送等工作。现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台，基于现场总线的分布式控制系统（FCS）将是继DCS后的又一代控制系统。现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。另外，按照IEC对现场总线（Fieldbus）一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由EC/C65负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC65/WG6定义的。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，架设了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系，它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式控制系统。这项以智能传感、控制、计算机和数据通信为主要内容的综合技术，已成为自动化技术发展的热点，并将引起自动化系统结构与设备的深刻变革。一、现场总线概述单元3现场总线（三）现场总线的未来趋势发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点，现场总线的研究、开发使测控系统冲破了封闭系统的长期禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机和通信技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。当代网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有智能仪表与网络设备开发的软硬件技术、组态技术（包括网络拓扑结构、网络设备和网络互联等）、网络管理技术（包括网络管理软件、网络数据操作与传输）、人机接口与软件技术、现场总线系统集成技术。一、现场总线概述单元3现场总线现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。总体来说，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化和家庭自动化等，因此，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势，它们都力求在十分激烈的市场竞争中寻求发展。有理由认为，在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内存在几种总线标准的设备通过路由网关互联以实现信息共享的局面。一、现场总线概述单元3现场总线（四）现场总线的功能由于标准实质上并未统一，所以对现场总线也有不同的定义，但现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面。

1.现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互联的通信网络。

2.现场设备互联现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互联。传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。一、现场总线概述单元3现场总线

3.互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，连接来自不同制造商的产品是不可避免的。用户不希望由于选用不同的产品而在硬件或软件上花很大力气，而希望选用性价比最优的产品并将其集成在一起，实现“即接即用”，这需要对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。现场设备互联是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。

4.分散功能块

FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有PID控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，从而实现彻底的分散控制。一、现场总线概述单元3现场总线

5.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获取电力，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准，现场总线设备也不例外。

6.开放式互联网络现场总线为开放式互联网络，它既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络互联十分简便，用户不必在硬件或软件上花太多气力就可以通过网络对现场设备和功能块实行统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。一、现场总线概述单元3现场总线（一）现场总线的特点

1.系统的开放性开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互联并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。一个具有总线功能的网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权力交给了用户，用户可按自己的需要把来自不同供应商的产品组成任意大小的系统。

2.可操作性与互用性这里的可操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、点对多点的数字通信。互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。二、现场总线的技术特点单元3现场总线

3.现场设备的智能化与功能自治性现场总线将传感测量、补偿计算、工程量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。

4.系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

5.对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线及电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全防爆等要求。二、现场总线的技术特点单元3现场总线（二）现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出诸多优越性。

1.节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及复杂接线，还可以用工控PC作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资。由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

2.节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双纹线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒和桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无须增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料显示，该方法可节约安装费用60%以上。二、现场总线的技术特点单元3现场总线

3.节约维护开销由于现场控制设备具有自诊断与处理简单故障的能力，可通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，让用户查询所有设备的运行、诊断、维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，从而缩短了维护时间，且由于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。

4.用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品而局限了设备的选择范围，不会因不兼容的协议、接口而一筹莫展，从而让系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

5.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，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，亦减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，还具有设计简单、易于重构等优点。二、现场总线的技术特点单元3现场总线为了实现不同设备之间的互联操作与数据交换，国际标准化组织ISO/TC97于1978年建立了“开放系统互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型的建议草案，并于1983年成为正式的国际标准。ISO74于1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充，形成了为实现开放系统互联所建立的分层模型，简称OSI参考模型。这是为异种计算机互联提供了一个共同基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供了共同的参考。“开放”并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手段，而是对标准的认同。一个系统是开放系统，是指它可以与世界上任一遵守相同标准的其他系统互联通信。

OSI参考模型是在博采众长的基础上形成的系统互联技术，它促进了数据通信与计算机网络的发展。OSI参考模型提供了概念性和功能性结构，将开放系统的通信功能划分为7个层次，各层的协议细节由各层独立进行，一旦引入新技术或提出新的业务要求，就可以把因功能扩充、变更所带来的影响限制在直接有关的层内，而不必改动全部协议。OSI参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较大时分层处理，每层只对相邻的上下层定义接口。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线

OSI参考模型通信功能的7个层次从连接物理介质的层次开始，分别赋予1，2，…，7层的顺序编号，相应地称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI参考模型如图6－3－1所示。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线

OSI模型的分层原则为:根据不同层次作抽象分层；每层应当实现一个定义明确的功能；每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准；各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量；层次应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大。下面将从最下层开始，依次讨论OSI参考模型的各层。请注意，OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容，因为它并未确切地描述用于各层的协议和服务，仅仅是告诉我们每层应该做什么。不过，ISO已经为各层制定了标准，它们并不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。（一）物理层物理层涉及通信在信道上传输的原始比特流。物理层在设计上必须保证一方发出二进制“1”时，另一方收到的也是“1”而不是“0”。这里的典型问题是用多少伏特电压表示“1”，多少伏特电压表示“0”；一个比特持续多少微秒；传输是否在两个方向上同时进行；最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；网络接插件有多少针以及各针的用途。这里的设计主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线（二）数据链路层数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。发送方把输入数据分装在数据帧里（典型的帧为几百字节或几千字节），按顺序传送各帧，并处理接收方回送的确认帧。因为物理层仅用于接收和传送比特流，并不关心它的意义和结构，所以只能依赖各链路层来产生和识别帧边界，可以通过在帧的前面和后面附加特殊的二进制编码模式来达到这一目的，如果这些二进制编码偶然在数据中出现，则必须采取特殊措施以避免混淆。传输线路上突发的噪声干扰可能把帧完全破坏掉。在这种情况下，发送方机器上的数据链路软件必须重传该帧。然而，相同帧的多次重传也可能使接收方收到重复帧，比如接收方给发送方的确认丟失以后，就可能收到重复帧。数据链路层要解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。数据链路层可能向网络层提供几类不同的服务，每一类都有不同的服务质量和价格。数据链路层要解决的另一个问题（在大多数层上也存在）是防止高速的发送方数据把低速的接收方“淹没”。因此需要有某种流量调节机制，使发送方知道当前接收方还有多少缓存空间。通常流量调节和出错处理同时完成。如果线路能用于双向传输数据，数据链路软件还必须解决新的麻烦，即从A到B数据帧的确认帧将同从B到A的数据帧争夺线路的使用权。对此所采取的借道就是一种巧妙的方法，将在后文中进行讨论。广播式网络在数据链路层还要处理新的问题，即如何控制对共享信道的访问，数据链路层的一个特殊的子层——介质访问子层，就是专门处理这个问题的。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线（三）网络层网络层关系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。路由既可以选用网络中固定的静态路由表，几乎保持不变，也可以在每一次会话开始时决定（例如通过终端对话决定），还可以根据当前网络的负载状况，灵活地为每一个分组决定路由。如果在子网中同时出现过多的分组，它们将相互阻塞通路，形成瓶颈。此类拥塞控制属于网络层的范围。因为拥有子网的人总是希望他们提供的子网服务能得到报酬，所以网络层常常设有记账功能。最低限度下，软件必须对每一个顾客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数，以便于生成账单。当分组跨越国界时，由于双方税率可能不同，记账更加复杂。当分组不得不跨越一个网络以到达目的地时，新的问题又会产生：第二个网络的寻址方法可能和第一个网络完全不同；第二个网络可能由于分组太长而无法接收；两个网络使用的协议也可能不同等。网络层必须解决这些问题，以便异种网络能够兼容互联。在广播网络中，选择路由问题很简单，因此网络层很弱甚至不存在。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线（四）传输层传输层的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把数据分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误，而且这些任务都必须高效率地完成。从某种意义上讲，传输层使会话层不受硬件技术变化的影响。通常，会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个独立的网络连接。如果传输连接需要较高的信息吞吐量，传输层也可以为之创建多个网络连接，让数据在这些网络连接上分流，以提高吞吐量。另一方面，如果创建或维持一个网络连接不合算，传输层可以将几个传输连接复用到一个网络连接上，以降低费用。在任何情况下，都要求传输层能使多路复用对会话层透明。传输层也要决定向会话层，最终向网络用户提供什么样的服务。最流行的传输连接是一条无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道。但是，有的传输服务不能保证依传输次序的独立报文传输和多目标报文广播。采用哪种服务是在建立连接时确定的。传输层是真正的从源到目标“端到端”的层。也就是说，源端机上的某程序，利用报文头和控制报文与目标机上的类似程序进行对话。在传输层以下的各层中，协议是每台机器与和它直接相邻的机器间的协议，而不是最终的源端机与目标机之间的协议，在它们中间可能还有多个路由器。图631说明了这种区别：1～3层是链接起来的，4～7层是端到端的。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线很多主机有多道程序在运行，这意味着这些主机有多条连接进出，因此需要有某种方式来区别报文属于哪条连接。识别这些连接的信息可以放入传输层的报文头。除了将几个报文流多路复用到一条通道上，传输层还必须解决跨网络连接的建立和拆除。这需要某种命名机制，使机器内的进程可以讲明它希望与谁对话。另外，还需要一种机制以调节通信量，使高速主机不会发生过快向低速主机传输数据的现象。这样的机制称为流量控制，在传输层（同样在其他层）中扮演着关键角色。主机之间的流量控制和路由器之间的流量控制不同，尽管后文中将看到类似的原理对二者都适用。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线（五）会话层会话层允许不同机器上的用户建立会话关系。会话层允许进行类似传输层的普通数据的传输，并提供了对某些应用有用的增强服务会话，也可用于远程登录到分时系统或在两台机器间传递文件。会话层的服务之一是管理对话。会话层允许信息同时双向传输，或任一时刻只能单向传输。若属于后者，则类似于单线铁路，会话层将记录此时该轮到哪一方了。

1.令牌管理有些协议保证双方不能同时进行同样的操作，这一点很重要。为了管理这些活动，会话层提供了令牌，令牌可以在会话双方之间交换，只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作。

2.同步如果网络平均每小时出现一次大故障，而两台计算机之间要进行长达两小时的文件传输该怎么办呢？如果不作处理，每一次传输中途失败后，都不得不重新传输这个文件，而当网络再次出现故障时，又可能半途而废了。为了解决这个问题，会话层提供了一种方法，即在数据流中插入检查点，这样在每次网络崩溃后仅需要重传最后一个检查点以后的数据。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线（六）表示层表示层用于完成某些特定的功能。由于这些功能常被请求，因此人们希望找到通用的解决办法，而不是让每个用户来实现。值得一提的是，表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是所传输的信息的语法和语义。表示层服务的一个典型例子是用一种大家一致同意的标准方法对数据进行编码。大多数用户程序之间并不是交换随机的比特流，而是诸如人名、日期、货币数量和发票之类的信息，这些对象是用字符串、整型、浮点数的形式，以及几种简单类型组成的数据结构来表示的。不同的机器用不同的代码来表示字符串（如ASCI和Unicode）、整型（如二进制反码和二进制补码）等，为了让采用不同表示法的计算机之间能进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线（七）应用层应用层包含大量人们普遍需要的协议。例如，世界上有成百种不兼容的终端型号，如果希望一个全屏幕编辑程序能工作在不同的终端类型上，而每个终端都有不同的屏幕格式、插入和删除文本的换码序列、光标移动等，其困难可想而知。解决这一问题的方法之一是定义一个抽象的网络虚拟终端，让编辑程序和其他所有程序都面向该虚拟终端，并且对每一种终端类型都写一段软件代码，从而把网络虚拟终端映射到实际的终端。例如，当把虚拟终端的光标移到屏幕左上角时，该软件必须发出适当的命令使真正的终端的光标移动到同一位置。所有虚拟终端软件都位于应用层。应用层的另一个功能是文件传输。不同的文件系统有不同的文件命名原则，文本行有不同的表示方式等。不同的系统之间传输文件所需处理的各种不兼容问题，也同样属于应用层的工作。此外还有电子邮件、远程作业输入、名录查询和其他各种通用和专用的功能。三、现场总线的网络模型——OSI通信参考模型单元3现场总线现场总线设备是指连接在现场总线上的各种仪表设备。这些设备按其功能可分为变送器设备、执行器类设备、信号转换类设备、接口类设备、电源类设备和附件类设备。（一）现场总线设备的分类现场总线设备是指内置微处理器，并具有数字计算、数字通信功能的现场设备。这类现场总线设备通常被称为现场总线仪表，它们安装在现场，与现场总线连接，输入或输出现场总线信号。现场总线设备分类如下：

1.现场总线变送器类设备这是最常用的现场总线设备，这类现场总线设备用于检测生产环境的变量，并具有将过程变量信号转换为现场总线信号的功能。根据被检测过程变量的不同，现场总线变送器类设备有不同的类型。检测的过程变量有差压、压力、流量、液位、温度及成分等。

2.现场总线执行器类设备这类现场总线设备用于对生产过程进行操作和控制，也用于改变控制系统的操纵变量，具有将现场总线信号转换为执行器动作的功能。大多数这类设备带PID控制功能块。四、现场总线设备单元3现场总线

3.现场总线信号转换类设备这类现场总线设备是现场总线变送器类设备和执行器类设备的特例，主要用于原有模拟仪表的转换。

4.现场总线接口类设备这类现场总线设备用于将其他总线系统与现场总线连接，如与PCI总线、ISA总线或以太网等连接，实现与其他计算机系统的连接。最常用的现场总线接口类设备是与DCS系统输入输出总线连接的接口设备。

5.现场总线电源类设备现场总线电源类设备一般不含微处理器，但属于现场总线系统的必需设备，包括现场总线电源调整器设备、供电电源设备等。

6.现场总线附件类设备这类现场总线设备不含微处理器，属于现场总线系统的附属设备，如中继器、安全栅等。四、现场总线设备单元3现场总线（二）现场总线设备与一般智能仪表的区别现场总线设备与一般智能仪表之间的主要区别如下：

1.一般智能仪表通常不具有通信功能，或不能用现场总线通信；而现场总线设备则采用现场总线实现数据通信。

2.一般智能仪表没有节点地址，在使用时也不存在寻址问题；而现场总线设备具有唯一的节点地址，这是在仪表出厂时就设置好的。

3.一般智能仪表的组态既可以从上位机下装，也可通过手握式编程器实现；现场总线设备通常由资源块、转换器块和相关功能块组成，它的组态通常由上位机下装实现。四、现场总线设备单元3现场总线（三）现场总线设备的特点

1.全数字现场总线设备是全数字式仪表，采用全数字通信，它的输入输出信号是现场总线信号。

2.精度高现场总线设备减少了数字量与模拟量之间的转换环节，消除了仪表本身的转换误差，提高了仪表的测量精度。

3.多变量测量一般仪表只能测量一个过程变量，而现场总线设备可同时测量多个过程变量。

4.多变量传送现场总线设备可输出多个信号并同时传输。

5.抗干扰能力强因为现场总线设备采用全数字通信，所以一般的电磁干扰对其影响不大，加上现场总线通信采用循环冗余码检验、重发等抗干扰机制，信号传输的误码率大大降低，提高了仪表的抗干扰能力。四、现场总线设备单元3现场总线

6.数据信息量大现场总线设备可同时传输多个信号和多种类型的信号。

7.计算和控制功能强现场总线设备可内置各种计算和控制功能块，进而可实现所需的计算或控制功能，缩短了传输延迟，提高了控制系统的稳定性。

8.分散控制现场总线设备将控制分散到现场，从而使危险被分散。

9.改善控制系统控制品质现场总线执行器采用前向补偿环节实现对被控对象的非线性补偿，从根本上解决了阀门定位器采用反馈凸轮引入的串级副环非线性和不稳定问题。因此，它不仅可以补偿被控对象的非线性特性，还可以解决压降比造成的非线性问题。四、现场总线设备单元3现场总线

10.机电一体化现场总线设备是机电一体化产品，它将控制和管理集成，将机电仪表集成，因此，最终的产品更简单，性能更可靠，管理更方便，运行更稳定。

11.标准化现场总线设备采用标准通信协议、标准功能块和对象字典等，降低了设计、安装和维护人员的培训成本，便于过程操作、组态操作和维修操作。

12.互操作性互操作性是不同制造商的产品可互相操作而不影响其功能的性能。

13.综合成本降低现场总线设备可检测多个过程变量，并可带多个计算或控制功能块，可传送多个变量，它不需要信号转换和隔离等措施，而且减少了电缆数量和安装费用，减少了机柜、接插件和电缆桥架等安装空间和部件，降低了设计成本和调试成本。四、现场总线设备单元3现场总线（一）CAN

CAN是控制器局域网的简称，最早由德国BOSCH公司提出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens和NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。

CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI的物理层、数据链路层和应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbits（传输距离为40m），直接传输距离最远可达10km（传输速率为5kb/s），可挂接设备最多可达110个。五、常见总线类型单元3现场总线

CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，自动关闭功能可切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息。

CAN支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免总线冲突。已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信控制器，如Intel公司的82527、NXP公司的SJA100、Microchip公司的MCP2515等。还有插在PC上的CAN总线适配器，具有接口简单、编程方便及开发系统价格便宜等优点。五、常见总线类型单元3现场总线（二）DeviceNet在现代的控制系统中，不仅要求现场设备完成本地的控制、监视和诊断等任务，还要能通过网络与其他控制设备及PLC进行对等通信，因此现场设备多设计成内置智能式。基于这样的现状，美国RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet网络，很好地实现了低成本、高性能的工业设备的网络互联。

DeviceNet是一种低成本的通信连接，它将工业设备连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet又是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互联性不仅改善了设备间的通信，而且提供了相当重要的设备级诊断功能，这是I/O接口很难实现的。

DeviceNet是一个开放式网络标准，规范和协议都是开放的，厂商将设备连接到系统时无须购买硬件、软件或许可权。任何人都能以少量的复制成本从开放式DeviceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范，任何制造DeviceNet产品的公司都可以加入ODVA，并参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。五、常见总线类型单元3现场总线

DeviceNet规范的购买者将得到一份不受限制的、真正免费的DeviceNet产品开发许可。寻求开发帮助的公司可以通过任何渠道购买使其工作简易化的样本源代码、开发工具包和各种开发服务。

DeviceNet具有如下特点：

1.DeviceNet基于CAN总线技术，它可连接开关、光电传感器、阀组、电动机启动器、过程传感器、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125～500kb/s，每个网络的最大节点数是64个，干线长度为100～500m。五、常见总线类型单元3现场总线

2.DeviceNet使用的通信模式是生产者/客户。该模式允许网络上的所有节点同时存取同一源数据，网络通信效率更高；由于采用多信道广播信息发送方式，各个客户可在同一时间接收到生产者所发送的数据，网络利用率亦更高。生产者客户模式与传统的“源/目的”通信模式相比，前者采用多信道广播式，网络节点同步化，网络效率高；后者采用应答式，如果要向多个设备传送信息，则需要对这些设备分别进行“呼”和“应”通信，即使是同一信息，也需要制造多个信息包，这样会增加网络的通信量，导致网络响应速度受限制，难以满足高速的、对时间苛刻的实时控制。

3.设备可互换性。各个销售商所生产的符合DeviceNet网络和行规标准的简单装置（如按钮、电动机启动器、光电传感器和限位开关等）都可以互换，为用户提供灵活性和可选择性。

4.DeviceNet网络上的设备可以随时连接或断开，而不会影响网络上其他设备的运行，方便维护和减少维修费用，也便于系统的扩充和改造。

5.DeviceNet网络上的设备安装比传统的I/O布线更加节省费用，尤其是当设备分布在几百米范围内时，更有利于降低布线安装成本。五、常见总线类型单元3现场总线

6.利用RSNetworkforDeviceNet软件可方便地对网络上的设备进行配置、测试和管理，网络上的设备以图形方式显示工作状态，一目了然。现场总线技术具有网络化、系统化、开放性的特点，需要多个企业相互支持、相互补充来构成整个网络系统。为便于技术发展和企业之间的协调，统一宣传推广技术和产品，通常每种现场总线都有一个组织来统一协调。DeviceNet总线的组织机构是“开放式设备网络供应商协会”，它是一个独立组织，管理DeviceNet技术规范，促进DeviceNet在全球的推广与应用。该机构实行会员制，会员分供货商会员和分销商会员。现有供货商会员310个，包括几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商。该机构的作用是帮助供货商会员向DeviceNet产品开发者提供技术培训、产品一致性试验工具和试验。五、常见总线类型单元3现场总线（三）PROFIBUS

PROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线，ISO/OSI模型也是它的参考模型。PROFIBUS系列由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS和PROFIBUSPA组成。

DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC11582标准。该项技术采用了OSI模型的物理层和数据链路层，由这两部分形成其标准第一部分的子集。DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；FMS型只隐去第3～6层，保留了应用层，作为标准的第二部分；PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC11582（H1）标准，可实现总线供电与本质安全防爆。五、常见总线类型单元3现场总线

PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统和多主多从混合系统等几种传输方式，主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按PROFIBUS的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主→从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可釆取对所有站点广播（不要求应答），或有选择地向一组站点广播。

PROFIBUS的传输速率为9.6kb/s～12Mb/s，最大传输距离在9.6kb/s时为1200m，1.5Mb/s时为200m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。五、常见总线类型目录单元1通信技术基础单元2

I/O通信单元3现场总线单元4工业以太网单元4工业以太网单元4工业以太网工业以太网是基于IEEE802.3标准的强大区域和单元网络。随着工业自动化系统向分布化、智能化控制方向发展，开放、透明的通信协议是必然的要求。以太网（EtherNet）具有传输速率快、低耗、易于安装、兼容性好、软硬件产品丰富和支持技术成熟等方面的优势，几乎支持所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近年来，以太网逐渐进入工业控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。一、业以太网概述单元4工业以太网（一）以太网引入工业控制领域的技术优势以太网技术引入工业控制领域，具有非常明显的技术优势。

1.以太网是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议，不同厂商的设备可以很容易实现互联。

2.以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

3.以太网软硬件成本低廉，且由于技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

4.以太网通信速率快。随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前标准以太网的通信速率为10Mb/s，100Mb/s的快速以太网已广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s的以太网也正在研究中，其速率比目前的现场总线快很多。

5.以太网可持续发展潜力大。在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展在很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络。当前信息技术与通信技术的发展更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术不断地持续向前发展。一、业以太网概述单元4工业以太网（二）以太网引入工业控制领域存在的问题以太网进入工业控制领域，同样也存在一些问题。

1.实时性问题以太网采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。一条总线上有多个节点平等竞争总线，等待总线空闲，这种方式很难满足工业控制领域对实时性的要求，这成为以太网技术进入工业控制领域的技术瓶颈。

2.对工业环境的适应性与可靠性问题以太网是按办公环境设计的，引入工业控制领域需使其具有的抗干扰能力、外观设计等符合工业现场的要求。一、业以太网概述单元4工业以太网

3.适用于工业自动化控制的应用层协议问题目前，以太网信息网络中应用层协议所定义的数据结构等特性不适用于工业控制领域现场设备之间的实时通信，因此还需定义统一的应用层规范。

4.本质安全和网络安全问题工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑安全问题。另外，工业以太网由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。

5.服务质量问题随着技术的进步，工厂控制底层的信号已不局限在单纯的数字和模拟量上，还可能包括视频和音频，网络应能根据不同用户需求及不同的内容适度地保证实时性的要求。一、业以太网概述单元4工业以太网工业以太网在技术上应与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在设计时，于材质选用、产品强度、适用性以及实时性、可操作性、可靠性、抗干扰性和安全等方面必须满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，以太网技术也得到了迅速的发展：以太网传输速率的提高和交换技术的发展，给解决以太网通信的不确定性问题带来了希望，并使以太网全面应用于工业控制领域成为可能。目前，工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：（一）通信确定性与实时性工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于，它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快并满足信号的确定性。由于以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为不确定性的网络。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的不确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，以太网的通信速率从10Mb/s、100Mb/s增大到如今的1000Mb/s、10Gb/s，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞概率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使接口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞，同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上能分别同时接收和发送报文帧而不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞概率大大降低（半双工），使以太网通信确定性和实时性大大提高。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网（二）稳定性与可靠性以太网进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温和防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。为了确保网络在不间断的工业应用领域、极端条件下也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、JeterAG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上并由冗余电源供电，接插件采用牢固的DB9结构。2002年6月推出的工业以太网产品——MOXAEtherDeviceServer（工业以太网设备服务器），用于连接工业应用中具有以太网接口的工业设备（如PLC、HMI、DCS系统等）。在IEEE802.3af标准中，对EtherNet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网（三）工业以太网协议工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令执行某些控制、计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务，因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，实现互操作所需的条件。对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层，至于在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主。以太网对较高的层次如会话层、表示层和应用层等没有作技术规定，目前商用计算机设备之间是通过FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、HTTP（WWW协议）和SNMP（简单网络管理协议）等应用层协议进行信息透明访问的，但这些协议所定义的数据结构等特性不适用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在以太网+TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，并制订有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，从而形成能够被广大工控生产厂商和用户接受的应用层、用户层协议，最终创立一套开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，构成了新的工业以太网协议，如HSE、PROFINET、EtherNet/IP等。近年来，工业以太网的兴起引起了自动控制领域的重视，同时许多人担心工业以太网标准的不统一会影响其渗透到自动控制网络的应用——现场总线标准争论了10年，工业以太网标准或许也会这样。目前，IEC61158标准中有8种现场总线，这8种总线各有各的规范，互不兼容。工业以太网发展形成的4类不同协议标准，分别是由主要的现场总线生产厂商和集团支持开发的：FF和WorldFIP向FieldbusFoundationHSE发展；ControlNet和DeviceNet向EtherNet/IP发展；INTERBUS和ModBus向IDA发展；PROFIBUS向PROFINET发展。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网这四类工业以太网标准都有支持的厂商并且目前已有相应产品，一些国际组织也在积极推进以太网进入控制领域：美国电气和电子工程师协会（IEEE）正在着手制定现场总线和以太网通信的新标准，该标准将使网络能看到“对象”；工业自动化开放网络联盟（IAONA）最近与DeviceNet供应商协会（ODVA）和IDA集团就共同推进EtherNet和TCP/IP统一认识，努力建立一个统一的工业以太网环境；现场总线基金会继续推进高速以太网HSE的技术规范和应用；工业以太网协会与美国的ARC、AdvisoryGroup等单位合作，正在进行工业以太网关键技术的研究。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网（四）工业以太网的发展趋势从目前的趋势看，以太网进入工业控制领域是必然的，但会同时存在几个标准。现场总线目前处于相对稳定时期，已有的现场总线仍将存在，并非每种总线都将被工业以太网替代。伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内也不会完全统一，会同时存在多个协议和标准。由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富和应用支持技术成熟等优点，目前已在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸、直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互联和信息集成中发挥越来越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网

1.工业以太网与现场总线相结合工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工业控制专家的关注。而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。就目前而言，工业以太网全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：

(1)物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等。

(2)使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机。

(3)采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组。

(4)应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议。

(5)兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等。这方面比较典型的应用有法国施耐德公司推出的“透明工厂”的概念，即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络，并与Web功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等形成整体。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网

2.工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋以太网通信速率的提高以及全双工通信、交换技术的发展，为以太网通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。为此，国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学和重庆邮电学院等单位，重点研究以太网应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，取得了重大成果。（1）以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破：针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网①实时通信技术。采用以太网交换技术、全双工通信和流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性问题。②总线供电技术。采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。③远距离传输技术。采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。④网络安全技术。采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。⑤可靠性技术。采用分散结构化设计、EMC设计、冗余和自诊断等可靠性设计技术，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网

(2)起草了EPA国家标准：以工业现场设备间通信为目标，以工业控制工程师（包括开发和应用）为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP协议，起草了“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”（草案），并通过了由TC124组织的技术评审。

(3)开发了基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上得到成功应用：针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰及EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括基于以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器和软PLC等成果。在此基础上开发的基于EPA的分布式网络控制系统在杭州某化工厂的联碱碳化装置上得到成功应用，该系统自2003年4月投运后稳定运行至今。二、工业以太网的产生与发展单元4工业以太网

3.发展前景据美国