工业测控计算机网络技术

第六章工业测控计算机网络技术

6.1计算机网络概述

6.1.1计算机网络的形成与发展

纵观计算机网络的形成与发展历史，我们大致可以将它划分为四个阶段：

第一阶段可以追溯到50年代。那时，人们开始将彼此独立发展的计算机技

术

的

第二阶段60年代。典型代表是美国的ARPANET,RPANET是计算机网络

鹦鹫心对促进网络技术的发展起到了重要

第三阶段70年代中期。70年代中期国际上各种广域网、局域网发展十分迅

融燃陶嚼蹦麴懒愉鬻

大量的工作,对网络理论体系的形成与网络技术的发展起到了重要的作用。

第四阶90年代。90年代网络技术最富有挑战性的话题是Internet技术。

Internet作为世界性的信息网络，正在当今经济、文化、科学研究、教育与人

类社会生活等方面发挥着越来越重要的作用。

6.1.2计算机网络的定义

定义：凡将地理位置不同、具有独立功能的多个

计算机系统用通信设备和线路连接起来，由功能完

善的网络软件实现网络资源共享的系统称为计算机

网络。

计算机网络既可以用通信线路将几台计算机系统

连成简单的网络，实现信息的收集、分配、传输和处

理，也可以将数百台计算机系统，用数千公里的通信

线路连成全国或全球通信网，以实现资源共享。

6.1.3计算机网络的分类

■计算机网络的分类方法可以是多样的.其

中最主要的两种方法是

■•根据网络所使用的传输技术分类；

■•根据网络的覆盖范围与规模分类。

■L根据网络传输技术进行分类

■网络所采用的传输技术决定了网络的主要技术特点，

因此根据网络所采用的传输技术对网络进行划分是一种很

重要的方法。

■(1)广播式网络(BroadcastNetworks)

■在广播式网络中，所有连网计算机都共享一个公共通信

信道。当一台计算机利用共享通信信道发送数据（报文分

组）时，所有其它的计算机都会“收听”到这个分组。由

于发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的

计算机将检查目的地址是否是与本节点地址相同。如果和

接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分

组，否则丢弃该分组。

■在广播信道中，由于信道共享可能引起信道访问冲突，

因此信道访问控制是要解决的关键问题。

■(2)点到点式网络(Point・to・PointNetworks)

■与广播网络相反，在点到点式网络中，每条

物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间

没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输

就要通过中间节点的接收、存储、转发，直至目

的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可

能是复杂的，因此从源节点到目的节点可能存在

多条路由。决定分组从通信子网的源节点到达目

的节点的路由需要有路由选择算法。

■采用分组存储转发与路由选择是点到点式网

络与广播式网络的重要区别之一。

2.根据网络的覆盖范围进行分类

■计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可

以很好地反映不同类型网络的技术特征。由于网络覆

盖的地理范围不同，它们所采用的传输技术也就不同,

因而形成了不同的网络技术特点与网络服务功能。

■按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为

■,局域网LAN(LocalAreaNetwork)

■,城域网MAN(MetropolitantAreaNetwork)

■,广域网WAN(WideAreaNetwork)

■(1)局域网LAN(LocalAreaNetwork)

■局域网用于将有限范围内(如一个实验室、一幢大楼、

一个校园)的各种计算机、终端与外部设备互连成网。局

域网按照采用的技术、应用范围和协议标淮的不同可以分

为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用

日益广泛。

■局域网的特点是组建方便、使用灵活，是计算机网络

中最活跃的领域之一。随着社会信息化的不断发展，为了

更好地发挥网络作用，局域网也可以连接到公共网或广域

网上。例如，一个学校的校园网就可以连接到Internet这种

广域网上，这样校园网上的用户可以享用广域网上提供的

许多资源，也可以和广域网上的用户通信。

■(2)城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)

城市地区网络常简称为城域网。城域网是介

于广域网与局城网之间的一种高速网络。城域网

设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、

机关、公司的多个局域网互连的需求，以实现大

量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信

息的传输功能。

■(3)广域网WAN(WideAreaNetwork)

■广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十

公里到几千公里。广域网覆盖一个国家、地区，或横跨几

个洲，形成国际性的远程网络。广城网的通信子网主要使

用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交

换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地

区的计算机系统互连起来.达到资源共享的目的。

■广域网是从六十年代开始发展的，其典型代表是美国

国防部的ARPANET网，既现在在全世界普遍使用的

Internet网。中国公网CHINANET、国家公用信息通信网

(又名金桥网)CHINAGBN、中国教育科研计算机网

CERNET均是广域网。

6.2局域网技术概述

■621局域网的主要技术特点

■局域网主要的技术特点有以下几点:

■1.局域网覆盖有限的地理范它适用于机关、公司、校园、

军营、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设

备连网的需求；

■2.局域网具有较高数据传输速率Q0〜1000Mbps)、低误码率

的高质量数据传输环境，数据传输速率高达IGbps(lOOOMbps)

的高速局域网正在发展之中；

■3.局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展；

■4.决定局城网特性的主要技术要素有三点：网络拓扑、传输

介质与介质访问控制方法；

6.2.2局域网拓扑结构

■在研究计算机网络组成结构的时候，我们可以采用

拓扑学中一种研究与大小形状无关的点、线特性的方法，

即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器和交换机等

网络单元抽象为“结点”，把网络中的电缆等通信介质抽

象为“线”。

-这样，从拓扑学的观点看计算机网络就变成

了点和线组成的几何图形，我们称它为网络的拓

扑结构。

在局域网中的结点有两类;

■一类是只转接和交换信息的转接结点，它包括

结点交换机、集线器和终端控制器等；

■另一类是访问结点，它包括主计算机和终端

等，它们是信息交换的源结点和目标结点。

■局域网的拓扑类型较多，基本类型可以分为

以下三种：总线型、星型、环型。

1.总线型拓扑结构

总线型结构网络是将各个结点和一根总线相连。

网络中所有的结点都通过总线进行信息传输，任何

一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输，

并被总线中任何一个结点所接收。

总线型拓扑结构图

在总线型网络中，连接适配卡的是BNC连接器，T型

连接头将适配卡直接连接至同轴电缆。在电缆的两个末端

都必须有一个50。的终结器。在10Base2适配卡与电缆图中

描绘了这两个部件。

终结器吸收空闲的信号

未插入或断开的电缆没有被终止,

使网络无法正常工作

■主要特点：

■(1)网络结构简单灵活，节点的插入、删除都较方便，

因此易于网络的扩展。

■(2)可靠性较高，由于总线通常用无源工作方式，因此

任一个结点故障都不会造成整个网络的故障。

■(3)网络响应速度快，共享资源能力强，便于广播式

工作。

■(4)设备量少，价格低，安装使用方便。

■(5)故障诊断和隔离困难，网络对总线故障比较敏感。

2.星型拓扑结构

-星型结构的网络是以中央结点为中心与各个结点连接

组成的。中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通

信都要通过中间节点。

星型拓扑结构图

■主要特点:

(1)网络结构简单，便于管理，控制简单，连

网建网都容易，单个节点的故障只影响一个节点,

不会影响全网，因此容易检测和隔离故障。

(2)网络延时时间较短，误码率较低。

(3)节点间的通信必须经过中央结点进行转接,

央结点可靠性要求较高，它是全网可靠性的

O

(4)网络介质共享资源能力较差，通信线路利

用鎏丕高，星型拓扑需要大量电缆，因此布线费

用较牛

3.环型拓扑结构

环型结构中的各结点是连接在一条首尾相连的闭合环型

线路中的。环型网络中的信息传送是单向的，即沿一个方向

从一个结点传到另一个结点。由于信息按固定方向单向流动,

两个结点之间仅有一条通路，系统中无通道选择的问题。

环型拓扑结构图

■主要特点:

(1)信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有惟

一的通路，大大简化了路径选择的控制。

(2)由于信息是串行穿过多个结点环路接口，所以，当

结点过多时，影响传输的效率。

(3)环路中每一结点的收发信息均由环接口控制，控制

软件较简单。

(4)当网络固定后，其延时也确定，实时性强。

(5)在网络信息流动过程中，由于信息源结点到目的结

点都要经过环路中各中间节点，所以，任何节点的故障都

能导致环路失常，可靠性差。而且由于环路是封闭的，不

易扩展。

■这种网络结构比较适合于工厂自动化系统。

6.2.3传输介质

■传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际

传送信息的载体。局域网常用的传输介质有：

■•双绞线

■•同轴电缆

■•光纤电缆

■其余的介质还有无线电、微波和红外线等。

■1.双绞线

■双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或

八根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路,

各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电

磁干扰最小。

■采用双绞线组成星形网络参数

■最大数据传输率：1000Mbps

■序列中最多集中器数：4

■最多中继数：4

■无中继时段最大长度：100m

■2.同轴电缆

■另一种常用的传输介质是同轴电缆(CoaxialCable)。同

轴电缆中的材料是共轴的，如图所示，故同轴之名由此而

来。

绝缘材g望料管

同轴电线

■采用细同轴电缆组成总线型网络的参数

■最大数据传输率：10Mbps

■收发器之间最多中继数:4

■每段最多工作站数：30

■最多工作站数：1024

■工作站间最小距离：0.5m

■无中继时段最大长度：185m

■有中继时段最大长度：925m

■3.光纤

■光纤电缆简称为光缆，是网络传输介质中性能

最好、应用前途最广泛的一种。

图心9光缆结构与传输方式

6.2.4局域网的介质访问控制方法

■所谓介质访问控制方法是指在网络中控制多

个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法,

它是所有“共享介质”类型局域网都必须解决的

共性问题。介质访问控制方法要解决以下几个问

题：

■•该哪个节点发送数据？

■•发送时会不会出现冲突?

■•出现冲突怎么办？

I.OSI开放系统互连参考模型

■1983年国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互连参考

模型OSI(OpenSystemInterconnectionreferencemodel),见

下图。ISO将网络通信功能分成一组层次分明的分层结构、

每一层执行各自承担的任务，每一层都为高一层提供一定

的服务。数据从一个机器到另一机器之间通信是每一层将

数据和控制信息传递给紧接着它的下一层，直到最下层，

在最下层通过传输介质，实现与另一机器的物理通信。

■这样，每一层都有如下特点：

■1.任务有明确的限定

■2.对于相邻的上下层都有精确定义的接口

■3.在传递的数据包中加入每一层特有的报头(header),在

接收数据包的另一端解释并除去报头。

开放系统互连参考模型OSI

APDU

PPDU

SPDU

TPDU

报文

比特

信主机A主机B效据单位

第一层，物理层(PhysicalLayer)

■物理层的任务就是为它的上一层提供一个

物理连接，以及它们的机械、电气、功能

和过程特性。如规定使用电缆和接头的类型,

传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组

织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是

比特。

第二层，数据链路层(DataLinkLayer)

■数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无

差错的传送以帧为单位的数据。

■每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信

息。

■和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和

释放数据链路的连接。

■在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有

差错，就要通知发方重发这一帧。

第三层，网络层(NetworkLayer)

■在计算机网络中进行通信的两个计算机之

间可能会经过很多个数据链路，也可能还

要经过很多通信子网。

■网络层的任务就是选择合适的网间路由和

交换结点，确保数据及时传送。

■网络层将传输的数据组成数据包，包中封

装有网络层包头，其中含有逻辑地址信

息——源站点和目的站点地址的网络地址。

第四层，传输层(TransportLayer)

■本层的任务是根据通信子网的特性最佳的

利用网络资源，并以可靠和经济的方式，

为两个端系统(也就是源站和目的站)的

会话层之间，提供建立、维护和取消传输

连接的功能，负责可靠地传输数据。在这

一层，信息的传送单位是报文。

第五层，会话层(SessionLayer)

■在网络实体间建立、管理和终止通讯应用服务请

求和响应等会话。

■这一层也可以称为会晤层或对话层，会话层不参

与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理

在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务

器验证用户登录便是由会话层完成的。

第六层，表木层(PresentationLayer)

■这一层主要解决用户信息的语法表示问题。

■它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽

象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的

传送语法。即提供格式化的表示和转换数

据服务。

■传输数据的压缩和解压缩，加密和解密等

工作都由表示层负责。

第七层，应用层(ApplicationLayer)

■应用层是OSI环境的最高层，是网络系统与

用户的接口，可向用户提供各种直接的网

络服务，如分布数据库、分布计算、文件

传输、电子邮件、远程登录等。

7应用层—A处理网络应用

6表示层--A数据表示

5会话层一A互连主机通信

4传输层—►端到端连接

3网络层一A寻址和最短路径

2数据链路层--►接入介质

1物理层—►二进制传输

图1-27层OSI参号模型

■网络七层的底三层（物理层、数据链路层和网络

层）通常被称作媒体层，它们不为用户所见，默

默地对网络起到支撑作用，是网络工程师所研究

的对象；

■上四层（传输层、会话层、表示层和应用层）则

被称作主机层，是用户所面向和关心的内容，这

些程序常常将各层的功能综合在一起，在用户面

前形成一个整体。大家所熟悉的网上应用WWW、

FTP、TELNET等，都是这多层功能的综合。

建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所

遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议

这三个概念明确地区分开来：服务说明某一层为上一层提

供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，

而协议涉及如何实现本层的服务；这样各层之间具有很强

的独立性，互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限

制的，只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口

就可以了。网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模

块（不同层次）分担起不同的职责，从而带来如下好处：

1.在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网

络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协

议可放在多种低层协议上运行；

2.能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范

内进行，不需对整个网络动大手术;

3.便于研究和教学。

■OSI网络数据传输过程

■在数据的实际传输中，发送方将数据送到自己的应用层,

加上该层的控制信息后传给表示层；

■表示层如法炮制，再将数据加上自己的标识传给会话层;

■以此类推，每一层都在收到的数据上加上本层的控制信息

并传给下一层；

■最后到达物理层时，数据通过实际的物理介质传到接收方。

■接收端则执行与发送端相反的操作，由下往上，将逐层把

标识去掉，重新还原成最初的数据。由此可见，数据通讯

双方在对等层必须采用相同的协议，定义同一种数据标识

格式，这样才可能保证数据的正确传输而不至走形

ffi1-10与数据通ilQSI黑型的各届时.把头部和昆那加入数据中

应用展施议

表示层协议

会活层济设

传输息协议

网络曷协议

数据链路国协议

糊理层协仪

主机B蛀据单位

2.IEEE802模型与协议

IEEE（国际电气电子工程师标准组织）

于1980年2月成立了局域网标准委员会（简

称IEEE802委员会），专门从事局域网标准

化工作，并制定了IEEE802标准。它制定

了有关局域网的各种标准，这些标准目前

有许多已经被ISO采纳为国际标准。

802.10安全与Jmftf

802.1MMRUR逑、体系结构、河拈互连与网络行埋

IEEE802标准体系

由IEEE的802委员会提出的局域网标准，规定了

802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环这三种介质访

问方法的标准。它把OSI模型的最低两层分为三层，即物理

层，介质存取控制层和逻辑链路控制层。

OSI参考模型

应用层

表示层

会话层

IEEE802模型

传输层

网络层运料链路控制子层

或据链路层介质访问控制子层

物理层物理层

IEEE802模型与OSI模型的对应关系

■3种局域网介质访问控制协议802.3CSMA/CD

802.4令牌总线802.5令牌环

传统的局域网采用了“共享介质”的工作方式。

为了实现对多节点使用共享介质发送和接收数据的

控制，经过多年的研究，人们提出了很多种介质访

问控制方法。但是，目前被普遍采用并形成国际标

准的介质访问控制方法主要有以下三种：

,载波侦听存取和冲突检测存取(CSMA/CD)方法

,令牌总线(TokenBus)方法

・令牌环(TokeRing)方法

(1)802.3载波侦听存取和冲突检测存取协议

(CSMA/CD)[Ethernet,以太网协议]

■CSMA/CD(Carrysensemultipleaccess/collision

detection)协议的工作原理是：某站点想要发送数据，

■1.首先侦听信道；

■2.如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；

■3.如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，才继

续发送数据并进行冲突检测；

■4.如果站点在发送数据过程中检测到冲突(由于通道的传播延迟，

当两个站点监听到总线上没有存在信号而发送帧时，仍会发生冲突)，它

将立即停止发送数据并等待一个随机长的时间，重复上述

过程。

■CSMA/CD的发送流程可以简单地概括为四点：先听后发,

边听边发，冲突停止，随机延迟后重发。

□KU■口

采用CSMA/CD方法的总

线型局域网的工作过程

(2)802.4令牌总线TokenBus

TokenBus是一种在总线拓扑结构中利用“令牌(token)”作

为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。

在米用TokenBus方法的局域网中，在何一个节点只有在取得

勰髓能牌鬻用翻髓髓盛牌是一种特殊结构

令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。令牌

帧含有一个目的地址，接收到令牌帧的节点可以在令牌持有

曩太时间内发举丁优或多个帧。在发生以下情况时，令牌持

着节点必须交出令牌：

①该节点没有数据帧等待发送；

②该节点已发送完所有待发送的数据帧；

③令牌持有最大时间到。

NodeANodeBNodeC

NodeDNodeE

TokenBus基本工作原理

(3)802.5令牌环

■在令牌环中。节点通过环接口连接成物理环形。当环正常工

作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与节点

在环中排列的顺序相同。

令牌环基本工作过程

(3)三种介质访问控制方法的比较

■与确定型介质访问控制方法TokenBusTokenRing比较，

CSMA/CD方法有以下几个主要的特点：

■①CSMA/CD介质访问控制方法算法简单，易于实现。

目前有多种VLSI可以实现CSMA/CD方法，这对降低网络

成本、扩大应用范围是非常有利的。

■②CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞

争总线的方法，适用于办公自动化等对数据传输实时性要

求不严格的应用环境。

■③CSMA/CD在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐

率与延迟特性。但是，当网络通信负荷增大时，由于冲突

增多，网络吞吐串下降、传输延迟增加，因此CSMA/CD

方法一般用于通信负荷较轻的应用环境中。

■与随机型介质访问控制方法CSMA/CD比较，确

定型介质访问控制方法Tokenbus>TokenRing有

以下几个主要的特点：

■①Tokenbus、TokenRing网中节点两次获得令

牌之间的最大间隔时间是赢定的，因而适用于对

鳌春传桂实性要求较高的应用环境，如生产过程

控制领域。

■②Tokenbus、TokenRing在网络通信负荷较重

时春现出很好的春些密与熔低的传递延迟，因而

适用于通楮负荷较重的应用环境。

■③Tokenbus、TokenRing不足之处在于它们都

需要复杂的环维护功能，及现较困难。

6.3典型的工业控制局域网

现场总线技术概述

■6.3.1现场总线技术的产生背景

■1集中控制系统

产生于50年代末期。

■2集散控制系统(DCS)

■产生于70年代中期。

集散控制系统的典型结构

管理级

监控级

控制线

现场级

常规仪表

常规仪表

■⑴现场级

■现场级设备一般位于被控生产过程的

附近。典型的现场级设备是各类传感器、

变送器和执行器，它们将生产过程中的各

种物理量转换为电信号。例如4〜20mA的电

信号（一般变送器），送往控制站或数据采集

站，或者将控制站输出的控制量（4.2mA的

电信号）转换成机械位移带动调节机构，实

现对生产过程的控制。

■(2)控制级

■控制级主要由过程控制站和数据采集站构成

过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控室

后的电子设备室中。过程控制站接收由现场设备,

如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策

略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器

中去。过程控制站可以同时完成连续控制、顺序

控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种

控制功能。

■(3)监控级

■监控级的主要设备有运行员操作站、工程

师工作站和计算站。其中运行员操作站安

装在中央控制室，工程师工作站和计算站

一般安装在电子设备室。

■(4)管理级

■管理级包含的内容比较广泛，可能是若干个

机组的管理计算机。它所面向的使用者是厂长、

经理、总工程师、等行政管理或运行管理人员。

厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运

行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生

的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理

人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。

■集散控制系统的优缺点

■优点：

■⑴可靠性高；

■目前大多数DCS的MTBF达5万h,而MTTR—

般只有5min。高可靠性首先采用分散结构设计及硬件优化

设计，同时通信网络采取了冗余技术。

■(2)控制性能好；

■集中监控、分散控制、操作方便；

■(3)适应性和可扩展性好；

■系统采用积木式结构，具有灵活的配置，可适应不

同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流程时只

需改变系统配置和控制方案，相应使用组态软件填一

些表格即可实现。

■缺点:

■⑴单向传输；一对传输线，一台仪表，单

向在输一个信号。

■(2)精度较差；模拟信号传输不仅精度低，

而且易受干扰。

■(3)“失控”状态；操作员在控制室既不了解

现场模拟仪表工作状况调整，更不能预测

故障，导致操作员对其处于“失控”状态。

■(4)互换性差；各种协议，接口标准有各个

厂家自己制定并保密。

6.3.2现场总线的基本概念

■1.现场总线的定义

■国际电工委员会IEC(InternationalElectrotechnical

Commission)标准和现场总线基金会FF(Fieldbus

Foundation)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。

■以现场总线技术为基础的控制系统称之为现场总

线控制系统(FCS)。

■不同工业的现场设备是不大一样的。例如:

■过程工业：

■温度、压力、流量、物位、密度、Ph值变送器；调节阀

门等。它们通常是满足两线制供电和本质安全防爆的要求。

■制造工业：

■位置编码器；行程、接近、限位开关；速度与力值仪表；

操作盘；执行机构；数控中心等。

■楼宇：

■水电气表、空调、电梯、照明、消防、防盗、通信设备等。

现场总线控制系统

人/输出

团生产过程冷阳

案双传感器

图3典型现场总线结构图m

2.现场总线的技术特点

■(1)全数字通信

■现场总线系统采用完全的数字信号传输。这

种数字化的传输方式使得信号的检错、纠错机制

得以实现，因此它的抗干扰能力和鲁棒性都比较

高，传输精度也得到显著提高。

■全数字通信使得多参数传输得以实现。现场

设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设

备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态

等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的

任何智能设备

■(2)开放性

■现场总线控制系统(FCS)采用公开化的

通信协议，遵守同一通信标准的不同厂商的

设备之间可以互连及实现信息交换。用户

可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来

组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。

■⑶互操作性

■互操作性是指不同厂商的控制设备不仅

可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一

的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能

相同的设备可以互换。

■(4)灵活的网络拓扑结构

■现场总线控制系统可以根据复杂的现

场情况组成不同的网络拓扑结构，如总线型、

环型、星型和层次化网络结构等。

■⑸系统结构的高度分散性

■现场设备本身属于智能化设备,具有独立自动

控制的基本功能,从而从根本上改变了DCS的集中

与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布

式控制系统,实现了控制功能的彻底分散，提高了控

制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总

线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立

正常运行，其智能程度大大加强。

■(6)现场设备的高度智能化

■传统的DCS使用相对集中的控制站,其控制站

由CPU单元和输入/输出单元等组成。现场总线控

制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控

制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的

基本功能,如数据采集与补偿、PID运算和控制、

设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以

在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运

行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进

行定位和诊断。

■⑺对环境的高度适应性

■现场总线是专为工业现场设计的，它可

以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线

和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干

扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞

线，并允许现场设备利用数据通信线进行供

电，还能满足本质安全防爆要求。

3.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，使控制系统的设计、安装、投运到正

常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

■(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其

复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站，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，一对双绞线或

一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端

子、槽盒、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，无需增设新的电缆，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,可节约

安装费用60%以上。

■(3)节省维护开销

■由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处

理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息

送往控制室用户可以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。缩

短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线

简单而减少了维护工作量。

Net1

OnLine:TIT-123-AnalogInput-_AITnTx]

■(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被“框

死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容

的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主

动权在很大程度上掌握在用户手中。

■(5)提高了系统的准确性与可靠性

■由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟

信号相比,它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，减少了信

号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

3.现场总线的基本原理

■(1)通信协议

■目前世界上流行的各种现场总线产品的协议，

均是根据国际标准化组织ISO的开放系统互联OSI

OpenSystemInterconnection模型来制定的。OSI

是为计算机相互联网而制定的七层参考模型，包

括物理层、数据链路层、网络层、传输层、对话

层、表示层、应用层。现场总线的通信协议只是

实施了其中的二个子集，如现场总线CAN(Control

AreaNetwork)标准中只实现了OSI七层中的1、2、

7三层。

■(2)网络拓扑结构

现场总线虽然可分成总线型、环型等几种拓

扑结构，但是大部分现场总线是总线结构，这是

因线状结构具有如下优点；实现通信线供电比较

容易，解决本安防爆比较容易，可以舍去通信协

议中与路径有关的几层有利于改善实时性。

■⑶系统组成

■现场总线系统在物理上由现场设备的总线接

口与传输介质两部分组成，总线接口由微处理器

芯片及外围电路构成。现场总线使用最多的传输

介质是双绞线。还可以是用光纤等传输介质。

6.3.3现场总线的标准

■IEC61158采用的8类现场总线规范：

■类型1、IEC技术报告（即FFH1）

类型2、ControlNet（美国Rockwell公司支持）

类型3、Profibus（德HSiemens公司支持）

类型4、P-Net（丹麦ProcessData公司支持）

类型5、FFHSE（即FFH2,美国FisherRosemount

公司支持）

类型6、SwiffNet（美国Boeing公司支持）

类型7、WorldFIP（法国Alstom公司支持）

类型8、Interbus（德国PhoenixContact公司支持）

类型1IEC61158技术报告

1999年1季度出版的IEC61158TS技术规范全

面定义的现场总线称作Type1现场总线。该现场总

线的网络协议是按照ISOOSI参考模型建立的，它由

物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的

控制功能和具体应用而增加的用户层组成。由Type1

现场总线构成的系统示于图U

Elhetne*.TCP/IP

£9.示费作第

按

计

算

机

高遑酬wrHHs)HSE

小型PLC

|装就报尸钻一

由古

图1IEC推荐的现场总线控制系统体系结构ITypeI)

现场总线按照传输速率和功能又分为

H"氐速总线和高速现场总线。乩总线主要用于现

场级，其速率为3L25kbps,负责两线制向现场仪表供

电，并能支持带总线供电设备的本质安全。质总线主

要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应

用.其速率为1Mbps*2.5Mbps和100Mbps。

■类型2ControlNet

■Type2现场总线得到ControlNetInternational(CI)组

织的支持。ContrlNet的基础技术最早于1995年面

世。该总线网络是一种用于对信息传送有时间苛

刻要求的、高速确定性网络，同时，它允许传送

无时间苛求的数据。由Type2现场总线构成的系统

结构可以看出，从工厂到设备的五层结构简化为

信息层(ethernet)＞控制层(controlNet)和现场

层(deviceNet)三层结构。

C£tgrnet・)

(ConcpiZet'"),

LJT

As设器需

oP(DevicsNet'**}

图2Type2ConlrolNel现场总线体系结构

■类型3Profibus

■Type3现场总线得到Profibus用户组织PNO的支

持，德国西门子公司则是Profibus产品的主要供

应商。

■(1)PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖

于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制

造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、

电力等其他领域自动化。

■(2)PROFIBUS由三个兼容部分组成，即

PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery)、

PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)>PROFIBUS-

FMS(FieldbusMessageSpecification)。

■(3)PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于

设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用

PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。

■(4)PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传

感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全

规范。

⑸PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一

个令牌结构、实时多主网络。

图3Type3Proflbus现场总线体系结构

ProGI,U«数据链路层，砥线存取有两种方式，艮13令牌

tolcexiring\方(nitister/slaver)方-。

令牌环方式曾名够确保在——个指定的时间中贞内将趋线存

取校(令牌)给予每个主站：壬站/从站方式允许当前r拥

有令牌的主站对指定的从站进行存取。传输的巾贞格式

使用IEC87().5-1标准中规定的启始和绛止定界符.

从而保证传输数据的安全性。

令牌环

令牌传递

M：Master(activestations)主站

S：Slave(passivstaiions)从站

PROFIBUS总线存取方法

3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统

主设备间的逻辑令牌秫

主动站、上设名

从站、从设备

■PROFIBUS主要应用领域有：

■

.制造业自动化：

■汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、

纺织。

:过足控制自动化：

■石化、制药、水泥、食品、啤酒。

.电力：发电、输配电。

.楼宇：空调、风机、照明。

,铁路交通：信号系统

■类型4P-NET

■Type4现场总线是由丹麦的几家自动化系统公司、大学与

，，美国物理学会，，(APS)在丹麦联合开发的。从1983年开

始开发，主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业，现已成

为EN50170欧洲标准的第1部分。它得到P-NET(Process

automationNet)用户组织的支持，在现场大约有5000个应

用系统。

■P-NET可以用在生产过程和独立设备中。由以下典型的P.

NET应用实例可看出它目前所安装和运行的地方：奶品厂、

啤酒厂、农业环境控制、动物饲养系统、沥青和水泥生产、

发电厂、船舶发动机控制、油罐管理/报警系统、数据测

量、供水系统、楼宇自动化。典型的P-NET应用要求响应

时间以毫秒计，总线长度最长可达1km或更长一些。

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