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基于f c s 的工业控制网的通信及体系研究 检测技术与自动化装置专业 硕士生：胡伟 指导老师：杨智教授 摘要 现场总线控制系统f c s 是目前控制领域最新、最先进的控制系统。现场总线国际标准 2 0 0 0 年颁布后，有力的促进了现场总线这种新的控制系统在国际上的研究和应用。基于现 场总线的工业控制网的通信及体系的研究和应用，目前主要是由国外公司主导，中国正在以 政府加企业的形式大力推进工控软件的发展，尤其是控制网络方面软件的研究和开发。 鉴于此，选择了基于f c s 的工业控制网的通信及体系为研究对象本文首先对现场总 线、现场总线控制系统、工业控制网和基于现场总线控制系统的网络体系结构进行了全面、 详细的分析和阐述。其次对工业控制网的通信进行了研究，这也是本文的重点主要是从实 际怎样搭建一个工业控制网的角度去分析和解决问题的。从网络通信的最基本的传输单 元一一帧开始展开论述的。对工业控制网层层之间的通信和同层的不同部分之间的通信不 仅给出了全面、详细的论证，而且给出了具体的工程实现方法。最后结合实际工程给出了 基于f c s 的工业网的通信及体系的实现方法。并对基于f c s 的工业控制网的通信及体系的 未来发展情况给出了展望。 关键词：现场总线现场总线控制系统f c s 网络通信体系结构以太网e t h e r n e t r e s e a r c ho nf c s - b a s e di n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e n a m e ：h uw e i s u p e r v i s o r ：y a n gz h i a b s t r a c t t h ef i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ( f c s ) i s t h em o s ta d v a n c e di nt h ed o m a i no fc o n t r o l s y s t e m s a n di tw a s a c c e l e r a t e db yt h ep r o c l a m a t i o no ff i e l d b u si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di n2 0 0 0 f o rt h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef c si sd o m i n a t e d b yf o r e i g nc o m p a n i e s c h i n e s e g o v e r n m e n ti sp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r ei nt h ew a y g o v e r n m e n t p t b sc o r p o r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h er & d o f s o t t w a r ei nc o n t r o ln e t a c c o r d i n g l y , t h eo b j e c t so f i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t h a sb e e ns e l e c t e d t h i sp a p e r , a tf i r s t ，h a sa c o m p l e t ea n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o ni nd e t a i lf o rf i e l d b u s ，f c s ，m d u s t f i a lc o n t r o ln e ta n di t s a e h i t e t u r e s e c o n d l y , t h ep a p e rf o c u s e s s o nt h er e s e a r c ho fp r a c t i c a li n d u s t r i a lc o n t r o ln e t c o m m u n i c a t i o n s t ob e g i n nw i t ht h em o s tb a s i ct r a n s m i tu n i ti nn e t - - f l a m e ，t h ep a p e rp r e s e n t s p r a c f i a l s o l u t i o n sa b o u ti n d u s t r i a lc o n t r o ln e ta f t e r d i s c u s s i n gt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n d i f f e r e n tl a y e r sa n dd i f f e r e n tp a r t si nt h es a m e l a y e r i nt h ee n d t h ep a p e r g i v e sp r a c t i c a lw a yo f i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t sc o m m u n i c a t i o n sa n da r c h i t e c t u r ew h i c hc o n t a c t sf a c t u a l p r o j e c t s ，a n dt e l l s w h a tw i l lh a p p e ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：f i e l d b u s f e i l d b u sc o n t r o ls y s t e m sc o m m u n i c a t i o n a r c h i t e c t u r e n e t w o r ke t h e r n e t u 薹! 壁三些丝型堕望笪墨堡墨里窒 一 1 1 现场总线发展 第1 章引言 控制系统从2 0 世纪4 0 年代电气化时代3 1 5 p s i 标准气动信号，到2 0 世纪6 0 年代电 予时代4 2 0 咄标准d c 直流信号，出现模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统和 数字化及计算机控制d d c ( d i r e c td a t ac o n t r 0 1 ) 系统，形成了工业化时代自动控制系统。 7 0 年代d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和p l c ( p r o g r a u 吼a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 系统的出现，标志着自动化时代自动控制系统到来。8 0 年代工业现场总线的出现和应用， 尤其是2 0 0 0 年国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s o n ) 通过 i e c l l 5 8 现场总线标准，使工业控制系统进入了信息控制系统时代“”“1 。 上世纪6 0 年代随着计算机技术发展，开始出现了总线的概念。总线一词，源于计算机 技术。总线是各种信号线集合( 包括地址、数据、控制、电源等) ，是各种信息传输通路， 有汇总涵义。微软百科词典定义总线为：计算机系统中各部件之间用于数据传输一组硬件 连线( 导线) 。可见总线是用来解决设备接口通用性和统一性，使整个系统具有统一性并 且方便管理以达到提高系统性能的日的。 8 0 年代中期，美国r o s e m o u n t 公司开发了一种可寻址远程传感器( h a r t ) 通信协议。 它采用在4 2 0 m a 模拟量上叠加一种频率信号的调制解调方式传输信号，属于模拟系统向 数字系统转变过程中的过渡产品，并且采用双绞线实现信号传输。h a r t 协议是真正工业现 场总线的雏形。随后出现了m o d b u s 、a n y b u s 、c a n 、p r o f i b u s 、f i e l d b u s 、w o r l d f i p 、p - n e t 、 l o n w o r k s 、i n t e r b u s 、d n e t 、c n e t 、l i g h t b u s 、m o d b u s 、c c l i n k 等等l5 1 7 1 工业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。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式全数字通讯。 现场总线是将自动化最底层现场控制器和现场智能仪表设备互连实现实时控制通讯的 网络，遵循i s o o s i 国际标准化组织开放系统互连参考模型( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z a t i o n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) 的全部或部分通讯协议。 国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 2 0 0 0 年通过 6 11 5 8 号决议，给出了现场总线的标准定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室 内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信数据总线“”“1 1 1 2 1 。 图1 1 给出了传统控制系统和现场总线控制系统在连接方法上的区别。 图1 1 两种控制系统比较 从图可以看出现场总线控制系统和传统控制系统相比较在连接上可以节约电缆成本， 在远程控制上表现更突出。采用现场总线其突出优点还表现在：安装方便易于扩展，只需 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 把相应增加设备加在现场总线上即可，不用另行和控制器之间拉线；维护也简单，从控制 器上或上层监控设备上监控软件即可发现出故障的设备；可以更好满足控制系统信息化一 搜集更多、更好、更实时生产过程信息的要求：不仅可以显示开关量而且可以完成报警、 趋势等功能；具有可互操作、开放的网络将现场的各种控制器、仪表设备互连，构成现场 总线控制系统：同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装和维护费用。 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术产物。它把 微处理器置入现场自控设备、使设备具有计算和通信能力，这一方面提高了信号测量、控 制和传输的精度，同时为丰富控制信息内容，实现其远程传送创造了条件“”“1 。 1 2 论文主要研究内容 本文主要是对基于f c s 工业控制网的通信和体系进行了探询。 1 首先明确定义一一什么是现场总线、f c s 、工业控制网，即三者标准定义是什么。其 中现场总线国际电工协会i e c 已有标准定义，而f c s 和工业控制网目前还没有国际标准组 织给出标准的定义。本文希望给出后两者较合理的诠释。其次对各种现场总线之间的性能 进行了比较，以便在实际工程选型中能有依据。 2 基于f c s 工业控制网的通信及体系。首先从网络通信最基本单元一一帧开始，从帧 结构上分析开来。其次是基于f c s 工业控制网软件设计的分析和实现，从两个方面即工业 控制网各层之间通信的分析和实现及同一层的各个部分之问通信的分析和实现。最后介绍 了工业控制网从硬件搭配进行了分析并给出实现方法。 3 一个实际应用基于f c s 工业控制网的工程设计。怎样用基于f c s 的工业控制网去解 决实际的工程问题。 4 现场总线、工业控制网的发展展望。对各种现场总线的发展趋势和基于f c s 工业控 制网的总体发展趋势作了展望。 2 基于f c s 工业控口网通信及体系研究 第2 章现场总线控制系统f c s 原理 2 1 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线控制系统f c s 是顺应智能现场仪表而发展起来。它初衷是用数字通讯代替4 2 0 m a 模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化( 仪表调校、控制组态、 诊断、报警、记录) 的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。 现场总线控制系统f c s 是在分散控制系统d c s 基础上发展起来。相对于后者它具有开 放性和可互操作性、彻底分散性、低成本特性。 关于现场总线控制系统f c s 现在还没有国际权威机构给出确切的定义。几乎每一种现 场总线都有对应的控制系统，尤其是现在常用的现场总线和国际电工委员会i e c 与2 0 0 0 年初6 1 1 5 8 号决议通过的8 种现场总线都有自己相应总线控制系统。 现场总线控制系统f c s 简言之即以现场总线为基础全数字控制系统。本文主要从以下 几个方面进行阐述。 2 1 1 通信协议 首先分析现场总线通信协议，其通信协议模型结构如图2 1 所示： 图2 1 现场总线通信模型 可见，现场总线主要采用了o s i i s o 七层模型中的三层，即物理层、数据链路层、应 用层，另外4 层没有用。而现场总线控制系统f c s 通信协议表示方法如图2 2 所示。是在 在o s i i s o 七层模型基础上增加一层用户行规层。 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 图2 3 是i e c 6 1 1 5 8 中的一种p r o f i b u s 协议结构。( 本文如没特别说明，现场总线和现 场总线控制系统f c s 指的都是i e c 6 1 1 5 8 国际标准中规定8 种现场总线和对应的控制系统) 图2 3p r o f i b u s 协议分层结构 可见现场总线控制系统f c s 是在现场总线定义通信协议基础上增加了一层行规，这样 便构成了现场总线控制系统f c s “”哪“。 这里看到的仅是现场总线控制系统f c s 总线类型的核心一总线协议每种现场总线 通信协议分层方法基本都是相同，按着相同的分层方法进行分层。但没有两种现场总线存在 两层或两层以上是完全相同这是各种现场总线相区别的原因所在，即由于它们总线网络协 议不同决定了不同总线类型简而言之，不同通信规则决定了不同的总线类型。不同总线类 型就决定了不同总线控制系统。 为了便于理解，以f f 为例介绍i s o o s i 七层模型中现场总线所用到的三层。 物理层并不是指连接设备间具体物理设备或具体传输媒体，而是指在物理媒体之上为 上层提供传输比特流物理连接。它是通过物理连接在数据链路实体之间提供透明位流传输； 它提供机械、电器、功能性和规程性功能，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物 理连接。定义了所用导线媒体类型和导线上传输速度。 数据链路层是基于物理层服务，提供透明和可靠数据传输基本服务。完成物理寻址、 网络拓扑结构、差错识别、帧有序传输和流量控制等功能。现场总线实时通信主要由数据 链路层提供。这里所说实时性( t i m ec r i t i c a l ) 就是提供“时间窗”，在该时间窗内要完 成某个指定级别确定度一个或多个动作。国际电工委员会i e c 为了满足实时性要求定义了 i e c 6 1 1 5 8 3 和i e c 6 1 1 5 8 4 。数据链路层采用了全新数据链路层服务定义和数据链路层规 范。i e c 现场总线媒体传送机构将令牌传送灵活性和调度送取实时性结合起来，总线送取 控制可以按照用户需要实现集中或分散控制，这样数据传输有很高确定性并可设优先级， 网络时间同步小于l m s ；数据链路层还可为实体间数据交换提供连接服务和无连接服务。 应用层为用户提供各种与通信有关服务，是直接面向用户特定应用。它提供适用于应 用、应用管理和系统管理分布式信息服务。现场总线应用层主要包括：应用进程、应用进 程对象、应用实体和应用服务元素等。应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制 功能。现场总线访问子层f a s 提供发布者接收者、客户服务器和报告分发三种服务；现 场总线报文子层f m s 提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务。 用户层上功能块f b ( f u c t i o nb l o c k ) 和装置描述d d ( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) 。为了实 4 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 现过程自动化，现场总线装置使用功能块完成控制策略。i e c 成立了i e cs c 6 5 c w g 7 工作 组负责制定了标准i e c 6 11 3 1 3 ( 它提供了5 种程语言：s f c ( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t 顺序功能图) 、l d ( l a d d e rd i a g r a m 梯形图) 、f b d ( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m 功能块图) 、 s t ( s t r u c t u r e dt e x t 结构化文本) 和i l ( i n s t r u c t i o nl i s t 指令表) 。按着i e c 6 1 1 3 1 语言 规范编写程序可以把不同厂家提供的现场装置连接在同一根现场总线上。为实现互操作， 每个现场总线装置都用装置描述d d 描述功能块。共制定了a i 、a o 、d i 、d o 、p i d 等共3 2 个功能块。功能块能使常用控制功能易于设计，连接及操作，功能分散在系统或现场，功 能块将控制功能进行了标准封装，根据需要内置于现场设备，使设备达到所希望的功能。 现场总线另一重要功能是装置互操作性，即设备描述。设备描述( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) d d 它以设备描述语言( d d l ) 写成，可以把d d l 想像成仪表“驱动器”设备供应商为用户提供 的d d ，包括设备所有必要参数描述和主站所需操作步骤。一旦d d 上载到主机系统以后， 系统及其他设备就能识别出该设备所有性能。可见d d 是装置一个驱动器。由于d d 包括表 述装置通信所需所有信息，并且与主站无关，所以可使现场总线装置实现真正互操作性。 图2 4 和图2 5 是f f 现场总线控制系统的f b s 原理图和它在现场总线控制系统中的作用和 位置。 8 烈荆嘲渊 囊飘博 u 筹“阿 f 疆j 触黼 矗，t 糟 0 翻聃m u 嘲蝴 n 融w t 图2 4 功能块( f f b ) 结构图 摹岫b 姊。蚪咐喇 f 弹甜删c o 嘲叫 c c 喇hc a 晴嘲 o 纠嘲r 瓣e 掰州 翱喇b 0 纠洲 嘲轧o 嘲雕 囊麓五豳l j 蕾盥t 嘲c 喊巍_ c 啦 删b h 屯p i d 0 州 巍h 芷嘛囊蛳 o h o - 峨 睁- 翩嘲x 目皤 0 糟i “嚏删u 咐c 嘲砷翻淞n 捌i 掣州c l 憎埔w 瓣畦鼬 t h 妇嚼l i n d 翱牺搿翮 由憎棚 d 轴h 岫 黼c 州 瑚l 毒曲憧叫越t 已妇吐囊瞳监 r 抻嘲嘲蹦e 0 b 脚c 嘲i d 翱腿嘲茸知噬憎_ 种 s 彝域砖_ 攀o 门- 群 嗣嘲b _ 知啊曲i 雌r 秘蛸一c b 鞠霸自- + 翻肇蝴豳煳vo 嘲 靠喇睡畦| o n 毒w 蹦w 瓢梅融h 黼嘲 c 稿n d 酗蕾b dd h b 蝴c 科琳喇 图2 5 功能块f b 在f c s 中位置和作用 厂t 耋耋 墼 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 可以看出功能块f b 用在用户层上，可以实现p i d 、p d 控制等控制功能“”“1 。 2 1 2 信息处理现场化 现场总线控制系统的本质一一信息处理现场化。信息处理现场化，即让大量信息在现 场就得到处理。信息处理现场化依赖于数字智能现场装置。现场总线控制系统中现场装置 是随着微电子技术、控制技术等发展而出现，并伴随着现场总线技术的发展而发展。由于 现场数字化装置已可以和现场总线控制系统具有统一总线协议遵循相关通信协议，并且已 经实现了多功能智能化。这样数字化智能现场装置的应用，现场总线控制系统信息处理的 现场化就成为可能：虽然现场总线控制系统从现场得到所需要信息比以前其他种类控制系 统要多，但由于大量信息在现场就得到了处理而减少了现场装置和控制机之间往返传递信 息量，方便了网络通信。 2 1 3 开放性和可互操作性 现场总线控制系统和以前控制系统相比，突出特点表现在其开放性和可互操作性。开 放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准共识与遵从。一个开放系统，是指它可 以与外界任何遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家设备 之间可实现信息交换。互操作性是指实现互连设备间、系统间信息传递与沟通；不同生产 厂家性能类似设备可实现相互替换。 f c s 和以前控制系统相比，主要区别就在于它的开放性和可互操作性。以统一标准或 约定来规范系统部件接口、外部连接和相互通信，不同厂商设备可互连、互操作，实现“即 接即用”：不同品牌同类设备可互换，实现设备供应再不需依赖于特定制造商。用户无须 购买加入系统所需硬件、软件和允许权，多厂家设备能够在单一网络上相互操作。为了实 现可互操作性，除标准功能块参数与行业定义外还使用了设备描述d d 技术。 现场总线控制系统f c s 实质是一种具有开放性、可互操作性、彻底分散的分布式控制 系统，是用开放现场总线控制通讯网络将自动化最底层现场控制器和现场智能仪表设备互 连实时网络控制系统。 2 1 4 现场总线控制系统体系结构 现场总线控制系统拓扑结构即体系结构。i e c 推荐拓扑结构是一种全数字、串行、双 向通信，用于现场设备如变送器、控制阀和控制器及小型p l c 等互联；是仪表间局域网， 以实现控制过程分散化。图2 6 是i e c 推荐的现场总线控制系统体系结构图。 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 图2 6i e c 推荐现场总线控制系统f c s 体系结构 该拓扑结构类似于总线分层结构，底层采用低速总线一- - f f h i ：高层采用高速现场总 线一- - f fh 2 。现场总线结构灵活，可采用总线形、星形、环形等。 现场总线控制系统f c s 各控制器节点下放、分散到现场，构成一种彻底的分布式控制 体系结构。网络拓扑结构任意，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线 等各种形式。f c s 形成控制网很容易与i n t r a n e t 企业内部网和i n t e r n e t 全球信息网互连， 构成一个完整企业网络三级体系结构。 2 2 常用现场总线控制系统f c s 2 0 0 0 年1 月，先后经过9 次投票表决，历时1 6 年之久i e c 6 1 1 5 8 现场总线国际标准通 过。下面简单介绍这8 种现场总线。由于目前国内外研究现状和目前国内工程实际应用情 况，还将介绍另外两种虽然没有成为现场总线国际标准。但在国内和国外，无论是研究还 是应用都很活跃两种现场总线l o n w o r k s 和c a n ，其中c a n 总线还是我国目前通过唯一国家 现场总线标准一- - d e v i c e n e t 的底层网络。目前在我国研究较热，政府也投入了大量人力 和物力是f f 相关的两种，其中政府和大研究机构主要研究去向是f fh s e 。而p r o f i b u s 由 于有s i e m e n s 强大技术和财力作后盾，加之s i e m e n s 公司在中国市场上具有传统优势一一 进入中国最早国外大公司，使得p r o f i b u s 在中国是大行其道。而中国目前公司和企业中研 究最热的是c a n 和l o n w o r k s 。 2 2 1 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 系统 f f 现场总线采用全数字、串行、双向通信协议，用于现场设备如变送器、控制阀和控 制器等的互联。根本特点是专门针对工业过程自动化而开发，在要求苛刻的使用环境、本 质安全、危险场合、多变过程以及总线供电方面，都有完善措施作保障。它的体系结构参 照i s o o s i 模型的第1 、2 、7 层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户 层。 物理层作用如2 1 1 节所述。f f 现场总线提供两种物理标准：h l 和h 2 。h 1 即1 9 9 9 年第一季度出版i e c 6 1 1 5 8t s 技术规范全面定义现场总线称作t y p e l 现场总线i e c 技术报 告。为用于过程控制的低速总线，速率为3 1 2 5 k b p s ，传输距离为2 0 0 m 、4 0 0 m 、1 2 0 0 m 和1 9 0 0 m 7 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 四种。h 2 即f fh s e ( 高速以太网h i g hs p e e de t h e r n e t ) t y p e 5 ，2 0 0 0 年3 月完成规范制定、 实验室测试和现场试验。是f f 组织负责开发，采用i t 行业高速以太网i e e e 8 0 2 3 脚示准的 高速现场总线。该总线使用框架式以太网( s h e l fe t h e r n e t ) 传输速率从l o o m b s 到1 g b s 或者更高。其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光 纤，协议符合i e c l l 5 8 2 标准，采用光纤其传输距离也可延长。 数据链路层负责实现链路活动调度l a s ( l i n ka c t i v es c h e d u l e rf u n c t i o n a l i t y ) 、数据接 收发送、活动状态响应和总线上各设备间链路时间同步等。总线访问控制采用链路活动调 度器l a s 方式，链路活动调度器拥有总线上所有设备清单，由它来掌管总线上各设备对总 线操作，设备在得到允许后，才能向总线上发送报文。l a s 工作相当复杂和完善，可参阅 参考文献【1 】来得到更详细解答，这里不再赘述。应用层和用户层作用2 1 1 节所述。 h s e 可以使用以太网现成的交换器和路由器的技术及网线和光纤等设备，连接成各种 拓扑结构和规模的网络。h s e 结构应用标准以太网协议，如t c p i p 、s n t p 、s n m p 等，并专 为多重h l 现场总线信息在主干网上的高速、高效传输而设计。它也可应用f f 标准功能块 如a i ，a o 和p i d 等，保证控制网络上各层数据表达的致性。 h s e 技术的一大特点是连接器( 1 i n k i n gd e v i c e ) 。h s e 连接器融合网桥和网关功能。连 接器可用于连接h l 现场总线各个网段，并提供对h s e 主干网的接口，其速度为l o o m b i t s 或1 g b i t s 。它的网桥功能使h 1 设备通过连接器传输接口相互连接，而不用上层系统干预。 连接在连接器上的h 1 设备可以通过h s e 主干网与连接在另一连接器上的h 1 设备通信，而 h s e 主机可以与所有连接器和设备通信。这项功能可以使关键数据提供给远方现场设备用 于监控及报表。连接器网关功能可以使h s e 网络与其他底层控制或信息网络安全相连。h s e 连接器不需要对h l 子系统进行信息解释。它的功能是集合h l 现场总线网段信息，并将h l 地址转化成i n t e r n e t 的i p 地址。对其他网络，监控和控制参数可以简单设定到标准f f 功能块或新“灵活功能块”。 灵活功能块( f f b s ) 是h s e 技术又一独特功能。f f b s 用于先进过程离散控制，并集成远 程i o 设备和子网。虽然它是h s e 的一部分，但也能应用于h 1 系统，它包括多入多出模拟 器、离散f f b s 和为特殊控制算法设计专用f f b s 。专用f f b s 用符合i e c 6 1 1 3 1 标准编程语 言编写的。它支持如获得管理数据、批处理和i o 接口界面等功能。f f b s 的使用提高了控 制功能下放的能力，而这是f f 的独特而重要的特点。h s e 连接器和现场设备组成在现场层 的简单系统，拥有批处理和逻辑控制功能。从而在许多应用中，可以不要上层控制器，降 低设备成本和空间消耗。将控制功能集成在h s e 连接器中可以使控制结构从控制室延伸到 现场。连接器通常使用于通信点密集地方，如阀门和执行器等。把控制功能通过连接器分 散到现场还可以减少集中控制中的错误和遗漏。 h s e 还支持本征安全。在危险作业区域，通过光纤将以太网与其中连接器相连，利用 连接器控制功能，可以减少现场i o 设备和控制器数量。 现场总线基金会明确表示h s e 就是一种具有控制功能的i n t e r n e t 。h s e 连接器将远端 h l 网段信息传递到以太网主干线上。这些信息通过i n t e r n e t 传到主控室，在那里操作员 可以通过网络浏览器监控生产过程。控制信息也同样可被管理系统获取。 由此可见h s e 是企业理想把控制与管理信息联系起来现场总线网络。( 分层问题下面 将讨论) 图2 7 是f f 控制系统的图示。 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 网络管理应用 网络代理 网管信息庠 系统管理痘用 管理内棱 系统管理信息库 用户屡 用户功能块应用 功能模块( f b ) 埘象字典( o d 设备描述( d d ) 象统1 j 瓣线报交规范屡f m si 译富 管理l 珑场总线接口子层f a sj管理 屡 物理鹰 通信栈o 图2 7f f 系统参考模型 2 2 2p r o f i b u s 现场总线系统 p r o f i b u s 现场总线得到p r o f i b u s 国际组织p n o 支持，德国西门子公司是p r o f i b u s 产 品主要供应商。该总线也是欧洲e n 5 0 1 7 0 标准的第二部分，从1 9 8 4 年提出了p r o f i b u s 技 术构想并开始产品研制1 9 8 7 年推出，经过尽2 0 年开发、生产和应用已形成系列产品，并 在各个自动化控制领域得到广泛应用。该总线得益与西门子s i e m e n s 公司的强大技术、产 品和资金后盾，得到了广泛应用。 通信网络体系结构共分4 级，最低一级执行器变送器级采用a s i 位总线( i e ct c l 7 b 标准) ，现场级采用p r o f i l b u s d p 和p r o f i b u s p a 现场总线，车间单元级采用p r o f i b u s f m s 总线，工厂一级使用工业e t h e r n e t 网络。 p r o f i b u s 主要应用于p l c 。产品有三类：f m s 用于主站之间通讯；d p 用于制造行业从 站之间通讯；p a 用于过程行业从站之间通讯。由于p r o f i b u s 开发生产现场总线产品的开 发时间早，限于当时计算机网络水平，大多建立在i t 网络标准基础上，随着应用领域不断 扩大和用户要求越来越高，现场总线产品只能在原有i t 协议框架上进行局部修改和补充， 以致在控制系统内增加了很多转换单元( 如各种耦合器) ，这为该产品今后进一步发展带来 了一定局限性。 该总线在中国推广组织是中国p r o f i b u s 资格中心c c p c 。网址见参考文献。 2 2 3w o r l d f i p 现场总线系统 1 9 8 7 年成立w o r d l f i p 协会制定并推广了该现场总线，是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 第三部分。 总线系统从上至下分为三级，即过程级、控制级、和监视级。它能满足用户各种需要，适 合于各种类型应用结构，集中型、分散型和主站从站模型。数据链路层采用总线裁决方式， 在任何瞬间，仅有一个站可以执行总线裁决功能，使用i d - d a t 帧在总线上广播一个标识， 连接到总线上所有站链路层同时记录一个i d d a t 帧，仅有一个站被识别为标识生产者，其 他站仅作为使用者。其他层功能基本同上2 1 1 所述。 2 2 4p - n e t 现场总线系统 p - n e t ( p r o c e s sa u t o m a t i o nn e t ) 现场总线是由丹麦p r o c e s s d a t as i k e b o r ga p s 从1 9 8 3 年开始研制一种主要用于啤酒生产业，食品加工技术，农业，养殖业等领域总线系 统。它出现早于p r o f i b u s 、w o r l d f i p 等多种总线，于1 9 9 6 年成为了欧洲标准e n5 0 1 7 0 的第一部分。p _ _ n e t 现场总线在奶制品生产，农业环境控制，水产养殖等方面应用广泛。 9 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 p - n e t 现场总线是一种多主站，多网络系统。总线采用分段结构，每个总线分段上可 以连接多个主站，主站之间通过接口实现网上互连，允许在几个总线区直接寻址而无需递 接网络结构，是一种多风格网络结构。p _ 一n e t 总线系统采用参考模型的第l 、2 、3 、4 、7 层，并利用信道结构定义用户层。网络层：实现数据链路层与服务层信息传输，并执行网 关功能。服务层：负责编制全局变量结构化信息表，即“软联结表”，用“软联结号”s w n o 来标识变量。 2 2 5c o n t r o l n e t 现场总线系统 c o n t r o l n e t 基础技术最早于1 9 9 5 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、高速确定性网络结构。同时它也允许传送无时间苛求的报文数据。从工厂到设 备层的5 层结构，即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成，可简化为信息层 ( e t h e r n e t ) 、控制层( c o n t r n e t ) 和现场层( d e v i c e n e t ) 3 层结构。 其现场层设备层d e v i c e n e t 沿用了c a n 协议标准所规定总线网络物理层和数据链路 层，定义了不同报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和故障隔离方法。而应用层规范 则是由厂商自主开发。对应于i s o 网络协议七层模型第一、二、七层。 d e v i c e n e t 沿用了c a n 的新通信模式一一生产者客户( p r o d u c e r c o n s u m e rm o d e l ) 模 式或者说生产者消费者模式。这种模式允许网络上所有节点同时从单个数据源存取相同数 据。这种模式最主要特点是增强了系统功能，提高了效率和实现精确同步。 生产者客户模式是一种全新通信模式，它完全不同于点对点传输模式和客户服务器 模式( c s ) 。点对点常用如e t h e r n e t ，可两点之间进行通信：客户服务器模式比较常用是 局域网中工作站和服务器之间通信，其相应程序分别在客户机和服务器上运行，可减少服 务器工作量和服务器瓶颈。而生产者消费者模式是d e v i c e n e t 上设备既可能是客户，也可 能是服务器，或者兼备两个角色。而每一个客户h e 务器又都可能是生产者、消费者，或者 两者皆是。典型的服务方式是服务器“消费”请求，同时“产出”响应；相应地，客户“消 费”响应，同时“产出”请求。但也存在一些独立连接，它们不属于客户或服务器，而只 是单纯生产或消费数据，分别对应了周期性或状态改变类数据传送方式源目的，这样可以 采用生产者消费者模式可显著降低带宽消耗。它是一种更为灵活高效的处理机制。 在d e v i c e n e t 上，产生数据设备提供数据，并给这些数据赋予相应标识符。需要接收 数据的设备则监听网络上所传送报文，并根据其标识符选择接收( 即“消费”) 合适报文。 按照生产者消费者模型，在网络上传送报文不一定专属于某个固定源目地，网络可以支 持多点发送，大大节约了带宽。且节点间易于同步，可获得更为精确系统性能；设备可以 实现自主通信，无需系统主站。 以生产者客户模式取代了传统源目模式它不仅支持传统点对点通讯，而且允许同时 向多个设备传递信息。生产者客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了 带宽利用率。 2 2 6s w i f t n e t 现场总线系统 由美国s h i ps t a r 协会主持制定，得到美国波音公司支持，主要用于航空和航天等领 域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准 中没有定义应用层。 物理层传输速率为5 m b s ，总线使用槽路时间片多路存取方式t d b l i a ( s l o t t e dt i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 将总线上时间分割为相等长度间隔槽路，只用当总线上站分 配到槽路时它才能监听和发送。每个站还能根据所占比例，协调总线存取、数据传输和接 收。运用这种方式可提供专用高速、低抖动同步通道和按时间要求指定通道。专用通道适 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 用于自动状态数据分配或交换；按要求指定通道则适用于非调度报文。 2 2 7i n t e r b u s 现场总线系统 由德国p h o e m xc o n t a c t 公司开发，i n t e r b u sc l u b 俱乐部支持。它是一种串行总线系 统，适用于分散输入输出，以及不同类型控制系统间数据传输。协议包括物理层、数据链路 层和应用层，它已成为德国d i n1 9 2 5 8 标准。 i n t e r b u s 总线可构成主从式和环型拓扑网络，传输速率为5 0 0 k b s ，采用r s 一4 8 5 屏 蔽双绞线电缆作为传输介质。数据链路层采用整体帧协议( t o t a lf r a m ep r o t o c 0 1 ) 方式 传输循环过程数据和非循环数据，共有1 6 个二进制过程数据同时被集成在循环协议中：应 用层服务只对主站有效，用于实现实时数据交换、变频驱动v f d 支持、变量访问、程序调用 等1 2 个相关服务。i n t e r b u s 总线对单主机远程i o 具有良好诊断能力。 2 2 8c a n 现场总线系统 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制局域网络) ，最早由德国b o s c h 公司1 9 9 3 年推 出，用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信。其总线规范现已被i s o 国际标准组织制 订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n c e 、n e c 等公司支持，已广泛 应用在离散控制领域。c a n 型总线产品有a b 公司d e v i c e n e t 、台湾研华a d a m 数据采集产品 等。 c a n 协议也是建立在国际标准组织开放系统互连模型基础上，不过其模型结构只有3 层，只取0 s i 底层物理层、数据链路层和顶上层应用层。其信号传输介质为双绞线，通信 速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达l o k m k b p s ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。它和d e v i c e n e t d e 的关系如图2 8 所示。 d 知蝴械 曩撇 图2 8d e v i c e n e t 协议分层结构 c a n 信号传输采用短帧结构，每帧有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰概率 低。c a n 采用总线仲裁技术当节点严重错误时，具有自动关闭功能以切断优先级低节点与 总线联系，使总线上其他节点及其通信不受影响，具有较强抗干扰能力。 2 2 9 l o n w o r k s 现场总线系统 l o n w o r k s ( l o nl o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。l o n w o r k s 的全部7 层协议， 其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支 持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应本安防 凰图 、_、一ilj，-， rt，j，l 一一一 一一一 一 一一一 一一一 一一一 基于f c s 工业控制网通信及体系研究 爆产品，被誉为通用控制网络。介质访问方式为p - p c s m ( 预测p - 坚持载波监听多路复用) ， 采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通讯实时性，安全机制采用证实方式，因 此能构建大型网络控制系统。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在e c h e l o n 公司推出的称之为n e u r o n 芯 片中并得以实现。n e u r o n 神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大网络通讯处理功 能配以面向对象网络通讯方式，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，大大降低 了开发人员在构造应用网络通讯方面所需花费时间和费