001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线技术概述
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• 总线主设备(bus master)
– 有能力掌管总线通信权的设备叫做总线主设备 – 在一条总线段上可连接多个主设备 – 某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设
备的功能
• 总线从设备(bus slaver)
– 没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、对 查询作出相应响应的设备称为总线从设备。
– 如ASI（Actuator Sensor Interface，执行器传感器接 口）总线
• 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度 一般为几个到几十个字节
– 如CAN（Control Area Network）总线
• 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度 可达到几百个字节，可支持分包传送。
– 互可操作性： • 互连设备间的信息传送与沟通； • 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换
– 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 • 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间 的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。
– 环境适应性 • 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、 抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力 支持总线供电等
001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线 技术概述
控制网络与现场总线
ALLE NBRADLE Y
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图1.1 简单 控制网络 v 示意图
控制网络在企业网络系统中的地位与作用
频移键控调制信号
Interbus
在物理连接方式属于直线总线，数据传输 属于数据环的方式 总线最多带有64个节点,每个节点的输入、 输出数据为16位 覆盖距离最远可达12.5公里 典型传输速率为500Kbps 物理信号连接遵循EIA－485标准 采用单总帧结构,数据帧中有效位的比率高
Sensoplex
图1.5 控制系统组成环节之间的网络连接
生产过程
执行器m 测量变送n … 执行器1 …
测量变送1
控制器1
现场总线网络
图1.6 网络化控制系统与传统控制系统的结构比较 网络化连接
传统控制系统的一对一连接
网络化连接
AI
PID
Multi-Controllers AO
AO
PID
AI
1.1.5 早期的现场总线技术
制一体化创造了条件
网络集成式控制系统
减少了接线与安装
4-20 mA
IS
IS
IS
IS
IS
Fieldbus
传统的4-20 mA仪表接线方式, 对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线
多台设备可以共用一个本安栅，一对接线
1999 User Training 2
© 1999 Fieldbus Foundation
• 早期(80年代)出现至今还在应用的几种现场总线
Genius I/O
➢ 在PLC之间、PLC与人机界面之间传递数 据信息
➢ 令牌总线,采用分支受限制的总线拓扑； ➢ 网段节点数32个；每个节点的输入、输出
均为1024位， ➢ 传输距离约1000米/传输速率153.6K
时;2250米/传输速率38.4K时； ➢ 屏蔽双绞线，光缆； ➢ 采用FSK （Frequency-shift keying）
控制网络与计算机网络的区别
• 网络节点
– 计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端 – 控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、
开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、 单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设 备
• 工作环境
– 计算机网络：办公室 – 控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、
网络化控制系统的特点
• 结构上形成设备的网络式连接
– 节省大量线缆、槽架、连接件； – 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 – 增加现场控制设备无需增设新的电缆
• 实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了 操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件
– 无人值守机站
• 将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统 • 支持总线供电 • 为自动化系统与其它信息系统的沟通，实现企业的管理控
– 如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器
• 数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)
– 产生数据的数据源设备或数据用户设备 – DTE一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连
接在传输介质上。
通信设备
• 现场设备 (Fieldbus device)
– 泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备 – 既具备某种测量控制功能（DTE），也具有数据通信的能力（DCE）
• 早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、 执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上， 例如PLC或者是工业计算机。
– 对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与 数值，
– 控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门 等。
• 第一个设备层现场总线：
– 上世纪70年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出 了第一个设备层现场总线系统。
– 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus
• 传感器总线、设备总线可统称为现场总线
现场总线网络化控制系统
图1.4 单回路控制系统框图
给 定 值
控 制 器
执 行 器
被 控 过 程被 控 参 数
测 量 变 送
Network-based control system
– 从设备也被称之为基本设备
通信设备
• 终端器（terminator）
– 在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发 生信号反射的电子器件。
– 不同类型现场总线终端器的结构和参数有所区别。 有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容 组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。
• 中继器(repeater)
据、测控参数值、操作指令等
报文与协议
• 协议(protocol)
– 指一套事先约定好的、共同遵守的规约
• 通信协议（Communication Protocol）
– 规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何时进行以 及通信如何进行等内容的一组规则。
– 参与通信的各方需要根据通信协议控制数据通信过程， 理解通信报文中数据的含义
P-Net
用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环 境控制等 可以形成网络结构较为复杂的系统 EIA-485标准，屏蔽双绞线 传输速率为76.8Kbps 最大传输距离为1200m 每段最多可以连接125个设备。 每帧数据为56位，当数据大于56位时将自动分割 成几个连续的帧来传输。 P-Net采用分段结构的多主网络系统,网络中可以 连接多至32个主节点。
1.2 现场总线系统的特点
➢总线式连接－－结构特点
➢开放性 ➢互可操作性 ➢通信的确定性与实时性 ➢环境适应性 ➢数字与智能化（现场设备的
智能与功能自治性）
技术 特点
1.3 以现场总线为基础的企业网络系统
• 控制网络在企业网络系统中的地位与作 用
• 控制网络面临的问题 • 控制网络与上层网络的连接方式
– 控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道， 实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。
• 工业数据通信网络的规模
– 三、两个数据节点的简单系统 – 成千上万台设备的复杂网络
• 一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点 • 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备
图1.2 基于现场总线的数据通信系统示例
监控 计算机
传输介质
温度测 量值
报文
接收设备
一组 程序
现场总线
温度变 送器
协议
发送设备
通信设备
• 发送器（transmitter）
– 数据通信过程中将通信信号发送到传输介质 （总线）上的发送电路
• 接收器(receiver)
– 数据通信过程中从传输介质（总线）上接收通 信信号的接收电路
• 收发器(transceiver)
• 总线协议(Bus Protocol)
– 总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则 – 是一套事先规定的、必须共同遵守的规约
图1.3 现场总线数据通信系统示例
PLC
现场 总线
现场设备1 现场设备2
现场设备n
传感器总线、设备总线和现场总线
• 传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只 有几个数据位或十几位
最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。 工作环境靠近电磁场,抗噪声、抗电磁干扰方面的能力 很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好 Sensoplex系统采用主从结构； 连接采用75欧姆同轴电缆； 使用FSK频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; 节点总数为32/64/120个 每个节点的数据输入、输出位均为8位。 主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继 器可使该距离增加至400米。 传输速度为187K
–广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以 至农、林、牧、渔等各行各业。
工业数据通信系统
• 工业数据通信
– 在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、 以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。
– 工业数据通信: • 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 • 它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信
– 将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电 路元件进行发送和接收信号的电子装置
– 现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器
通信设备
• 数据通信设备DCE（Data Communication Equipment)
– 将数据转换为对应的通信信号并发送到传输介质上的 电路设备，以及把从传输介质上接收到的通信信号转 换为数据的电路设备。
震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求
控制网络与计算机网络的区别
• 任务
–计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有 人参与。
–控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。 许多情况下要求自动完成
• 特点
–实时性 –可靠性的要求高 –数据帧包含的字节数少
• 控制网络是一类特殊的网络
扩大了操作视野
控制系统网络 控制器
远程输入/输出 子系统
控制器
控制系统网络
现场总线
传统 4-20 mA
现场总线
只能看到 I/O 子系统 视野可以扩展到现场仪表
控制系统对网络的要求
• 开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性
– 开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商 设备互连为系统
• 开放总线的典型范例CAN – 有公开统一的技术规范 – 多个芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitachi
– 开放性促进了该技术的发展与推广应用
新型控制系统结构— 网络化控制系统
• 控制系统的结构变迁 – 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 –集散控制系统 DCS – 网络化现场控制系统FCS
– 将输入端口接收到的通信信号在整形放大后，转发 到输出端口下游节点的有源设备。
– 中继器可增加总线的传输距离和挂接现场设备节点 的数量
报文与协议
• 报文（message）
– 泛指通信过程中传送的信息，包括文本、 命令、参数值、图片、声音等
– 报文属于通信系统中的软件 – 现场总线系统中的报文信息包括原始数
图1.7 P-Net多主网络系统
早期总线技术小结
• 从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。 – 它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环 境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都 具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。
• 早期总线技术的缺点 – 大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生 产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短
• 工业数据通信的内容
– 生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置 – 开关状态、报警状态 – 设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息 – 系统组态、参数修改信息等
工业数据通信系统
• 工业数据通信的网络结构
– 传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点 布线传送模拟信号
– 现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开 关、按钮、控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传 输介质，成为数字信息的公共传输通道
– 有能力掌管总线通信权的设备叫做总线主设备 – 在一条总线段上可连接多个主设备 – 某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设
备的功能
• 总线从设备(bus slaver)
– 没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、对 查询作出相应响应的设备称为总线从设备。
– 如ASI（Actuator Sensor Interface，执行器传感器接 口）总线
• 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度 一般为几个到几十个字节
– 如CAN（Control Area Network）总线
• 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度 可达到几百个字节，可支持分包传送。
– 互可操作性： • 互连设备间的信息传送与沟通； • 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换
– 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 • 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间 的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。
– 环境适应性 • 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、 抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力 支持总线供电等
001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线 技术概述
控制网络与现场总线
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图1.1 简单 控制网络 v 示意图
控制网络在企业网络系统中的地位与作用
频移键控调制信号
Interbus
在物理连接方式属于直线总线，数据传输 属于数据环的方式 总线最多带有64个节点,每个节点的输入、 输出数据为16位 覆盖距离最远可达12.5公里 典型传输速率为500Kbps 物理信号连接遵循EIA－485标准 采用单总帧结构,数据帧中有效位的比率高
Sensoplex
图1.5 控制系统组成环节之间的网络连接
生产过程
执行器m 测量变送n … 执行器1 …
测量变送1
控制器1
现场总线网络
图1.6 网络化控制系统与传统控制系统的结构比较 网络化连接
传统控制系统的一对一连接
网络化连接
AI
PID
Multi-Controllers AO
AO
PID
AI
1.1.5 早期的现场总线技术
制一体化创造了条件
网络集成式控制系统
减少了接线与安装
4-20 mA
IS
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IS
Fieldbus
传统的4-20 mA仪表接线方式, 对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线
多台设备可以共用一个本安栅，一对接线
1999 User Training 2
© 1999 Fieldbus Foundation
• 早期(80年代)出现至今还在应用的几种现场总线
Genius I/O
➢ 在PLC之间、PLC与人机界面之间传递数 据信息
➢ 令牌总线,采用分支受限制的总线拓扑； ➢ 网段节点数32个；每个节点的输入、输出
均为1024位， ➢ 传输距离约1000米/传输速率153.6K
时;2250米/传输速率38.4K时； ➢ 屏蔽双绞线，光缆； ➢ 采用FSK （Frequency-shift keying）
控制网络与计算机网络的区别
• 网络节点
– 计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端 – 控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、
开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、 单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设 备
• 工作环境
– 计算机网络：办公室 – 控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、
网络化控制系统的特点
• 结构上形成设备的网络式连接
– 节省大量线缆、槽架、连接件； – 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 – 增加现场控制设备无需增设新的电缆
• 实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了 操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件
– 无人值守机站
• 将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统 • 支持总线供电 • 为自动化系统与其它信息系统的沟通，实现企业的管理控
– 如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器
• 数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)
– 产生数据的数据源设备或数据用户设备 – DTE一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连
接在传输介质上。
通信设备
• 现场设备 (Fieldbus device)
– 泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备 – 既具备某种测量控制功能（DTE），也具有数据通信的能力（DCE）
• 早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、 执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上， 例如PLC或者是工业计算机。
– 对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与 数值，
– 控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门 等。
• 第一个设备层现场总线：
– 上世纪70年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出 了第一个设备层现场总线系统。
– 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus
• 传感器总线、设备总线可统称为现场总线
现场总线网络化控制系统
图1.4 单回路控制系统框图
给 定 值
控 制 器
执 行 器
被 控 过 程被 控 参 数
测 量 变 送
Network-based control system
– 从设备也被称之为基本设备
通信设备
• 终端器（terminator）
– 在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发 生信号反射的电子器件。
– 不同类型现场总线终端器的结构和参数有所区别。 有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容 组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。
• 中继器(repeater)
据、测控参数值、操作指令等
报文与协议
• 协议(protocol)
– 指一套事先约定好的、共同遵守的规约
• 通信协议（Communication Protocol）
– 规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何时进行以 及通信如何进行等内容的一组规则。
– 参与通信的各方需要根据通信协议控制数据通信过程， 理解通信报文中数据的含义
P-Net
用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环 境控制等 可以形成网络结构较为复杂的系统 EIA-485标准，屏蔽双绞线 传输速率为76.8Kbps 最大传输距离为1200m 每段最多可以连接125个设备。 每帧数据为56位，当数据大于56位时将自动分割 成几个连续的帧来传输。 P-Net采用分段结构的多主网络系统,网络中可以 连接多至32个主节点。
1.2 现场总线系统的特点
➢总线式连接－－结构特点
➢开放性 ➢互可操作性 ➢通信的确定性与实时性 ➢环境适应性 ➢数字与智能化（现场设备的
智能与功能自治性）
技术 特点
1.3 以现场总线为基础的企业网络系统
• 控制网络在企业网络系统中的地位与作 用
• 控制网络面临的问题 • 控制网络与上层网络的连接方式
– 控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道， 实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。
• 工业数据通信网络的规模
– 三、两个数据节点的简单系统 – 成千上万台设备的复杂网络
• 一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点 • 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备
图1.2 基于现场总线的数据通信系统示例
监控 计算机
传输介质
温度测 量值
报文
接收设备
一组 程序
现场总线
温度变 送器
协议
发送设备
通信设备
• 发送器（transmitter）
– 数据通信过程中将通信信号发送到传输介质 （总线）上的发送电路
• 接收器(receiver)
– 数据通信过程中从传输介质（总线）上接收通 信信号的接收电路
• 收发器(transceiver)
• 总线协议(Bus Protocol)
– 总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则 – 是一套事先规定的、必须共同遵守的规约
图1.3 现场总线数据通信系统示例
PLC
现场 总线
现场设备1 现场设备2
现场设备n
传感器总线、设备总线和现场总线
• 传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只 有几个数据位或十几位
最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。 工作环境靠近电磁场,抗噪声、抗电磁干扰方面的能力 很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好 Sensoplex系统采用主从结构； 连接采用75欧姆同轴电缆； 使用FSK频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; 节点总数为32/64/120个 每个节点的数据输入、输出位均为8位。 主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继 器可使该距离增加至400米。 传输速度为187K
–广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以 至农、林、牧、渔等各行各业。
工业数据通信系统
• 工业数据通信
– 在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、 以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。
– 工业数据通信: • 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 • 它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信
– 将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电 路元件进行发送和接收信号的电子装置
– 现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器
通信设备
• 数据通信设备DCE（Data Communication Equipment)
– 将数据转换为对应的通信信号并发送到传输介质上的 电路设备，以及把从传输介质上接收到的通信信号转 换为数据的电路设备。
震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求
控制网络与计算机网络的区别
• 任务
–计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有 人参与。
–控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。 许多情况下要求自动完成
• 特点
–实时性 –可靠性的要求高 –数据帧包含的字节数少
• 控制网络是一类特殊的网络
扩大了操作视野
控制系统网络 控制器
远程输入/输出 子系统
控制器
控制系统网络
现场总线
传统 4-20 mA
现场总线
只能看到 I/O 子系统 视野可以扩展到现场仪表
控制系统对网络的要求
• 开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性
– 开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商 设备互连为系统
• 开放总线的典型范例CAN – 有公开统一的技术规范 – 多个芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitachi
– 开放性促进了该技术的发展与推广应用
新型控制系统结构— 网络化控制系统
• 控制系统的结构变迁 – 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 –集散控制系统 DCS – 网络化现场控制系统FCS
– 将输入端口接收到的通信信号在整形放大后，转发 到输出端口下游节点的有源设备。
– 中继器可增加总线的传输距离和挂接现场设备节点 的数量
报文与协议
• 报文（message）
– 泛指通信过程中传送的信息，包括文本、 命令、参数值、图片、声音等
– 报文属于通信系统中的软件 – 现场总线系统中的报文信息包括原始数
图1.7 P-Net多主网络系统
早期总线技术小结
• 从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。 – 它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环 境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都 具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。
• 早期总线技术的缺点 – 大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生 产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短
• 工业数据通信的内容
– 生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置 – 开关状态、报警状态 – 设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息 – 系统组态、参数修改信息等
工业数据通信系统
• 工业数据通信的网络结构
– 传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点 布线传送模拟信号
– 现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开 关、按钮、控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传 输介质，成为数字信息的公共传输通道