工业以太网和通信技术

1、工业以太网与PLC 通信技术第 2 页共 23 页网桥只有少量的端口(如 24)； 交换机则有许多端口；许多交换机可以全双工方式工作2.路由器（Router）一种用于连接两个运行相同/不同协议的 IS。是网络连接设备的重要组成部分，它相对网桥提供了一个更次的 LAN 互联。路由器能根据分组类型过滤和选择路由，支持在 LAN 段之间有多个链路的网络，当某个链路损坏时，可选择其他路由以及根据网络通信的情况决定路由. 总的来说，路由器与交换机的主要区别体现在以下几个方面：（1）工作层次不同最初的的交换机是工作在 OSIRM 开放体系结构的数据链路层，也就是第二层，而路由器一开始就设计工作在 OSI

2、模型的网络层。由于交换机工作在 OSI 的第二层（数据链路层），所以它的工作原理比较简单，而路由器工作在 OSI 的第三层（网络层），可以得到的协议信息，路由器可以做出更加智能的 转发决www PLCworld cn（2）数据转发所依据的对象不同交换机是利用物理地址或者说 MAC 地址来确定转发数据的目的地址。而路由器则是利用不同网络的 ID 号（即 IP 地址）来确定数据转发的地址。IP 地 址是在软件中实现的，描述的是设备所在的网络，有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。MAC 地址通常是硬件自带的，由网卡生产商来分配的，而 且已经到了网卡中去，一般来说是不可更改的。而 IP 地

3、址则通常由网络管理员或系统自动分配。（3）传统的交换机只能分割域，不能分割广播域；而路由器可以分割广播域由交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上，在某些情况下会穿过路由器。导致通信拥挤和安全漏洞。连接到路由器上的网被分配成不同的广播域，广播数据虽然第三层以上交换机具有 VLAN 功能，也可以分割广播域，但是各子广播域之间是不能通信交流的，它 们之间的交流仍然需要路由器。（4）路由器提供了的服务路由器仅仅转发特定地址的数据包，不传送不支持路由协议的数据包传送和未知目标网络数据包的传送，从 而可以防止广播风暴。交换机一般用于 LAN-WAN 的连接，交换机归于网桥

4、，是数据链路层的设备，有些交换机也可实现第三层的交换。 路由器用于 WAN-WAN 之间的连接，可以解决异性网络之间转发分组，作用于网络层。他们只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发。这两条线 路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对也慢，价格昂贵.3.网桥(Bridge)转发设备,工作在数据链路层，将两个 LAN 连起来，根据 MAC 地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如 IP 地址进行转发）。网桥通过一个通常较慢的链路（如线）连接两个LAN，对本地网桥而言，性能比较重要，而对网桥而言，在

5、长距离上可正常运行是更重要的。2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 3 页共 23 页接收整个帧传递到数据链路层做校验和检查；向下传到物理层，以便转发到不同的网络ªLAN通信，但保持各域的；ª能互连不同的 LAN 技术ª理论上说用网桥建立多大的 LAN 没有限制；路由器与网桥的区别4.桥路器(brouter) 可同时作为网桥使用的一种路由器。工作原理首先根据网络协议信息投递数据包然后用物理地址数据桥路器与路由器的区别1 如果数据库没有正确的逻辑地址，路由器就将包丢弃。2 桥路器能在不识别逻辑地址的情况下，改用物理地址传送5.网关（G

6、ateway ）传输网关：在传输层将两个网络连接起来。应用网关：在应用层将某个应用的两部分连接起来。www PLCworld cn二 开放式系统互连参考模型（OSI） ISO 于 1978 年提出了 OSI 模型。OSI 模型是设计和描述计算机网络通信的基本框架。它描述了网络硬件和软件如工作，进行网络通信。OSI Open System Interconnection的方式协同 生产厂商根据 OSI 模型的OSI 的分层结构的。应用层：应用程序网络服务的窗口，直接支持用户的应用程序。表示层：确定计算机之间交换数据的格式，可称其为网络转换器。 会话层：不同计算机的两个应用程序建立、使用和结束会话

7、连接。传输层：作用是为用户提供于具体网络的、有效的、可靠的端对端数据传输服务。网络层：将分组从源节点传到目的结点，网络层的功能：路由选择、解决拥塞、实现网络互连数据链路层：向网络层提供可靠透明的数据传输服务，进行差错和流量物理层：位于 OSI 参考模型的最底层；它直接面向传输介质，负责在通信介质之上，为数据提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层协议为建立、维持和拆除物理连接规定了机械的、电气的、功能的和规程的特性。2008-4-25电气工程专业系列技术路由器网桥检查 packet 的头，并根据头包含的地址作出路由决策仅检查帧头，并acket；查或修改帧包含的网络层当将 packet 交给数据

8、链路层时，它并不了解也不在意packet 会封装在以太帧或token ring 帧中不知道也不在意它正从 802.x LAN 转发到802.y LAN 的帧是否包含 IP 、IPX 或 CLNP packets。工业以太网与PLC 通信技术第 4 页共 23 页第二章现场总线国际电工委员会 IEC61158 对现场总线（fieldbus）的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线系统的组成 硬件包括通信线（或称通信介质（）、总线电缆）、连接在通信线上的设备（称为总线设备或装置、节 点、站点（主站、从站）。软件包括以下几部

9、分：组态工具软件为用计算机进行设备配置、网络 组态提供平台并按现场总线协议/规范（Protocol Specification）与组态通信软件交换信息的工具软 件；器编程软件为用户程序提供编程环境 的软件平台用户程序软件根据系统的工艺流程及其他要 求而编写的 PLC（器）应用程序 设备接口通信软件根据现场总线协议规范 而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通www PLCworld cn的软件 设备接口通信软件根据现场总线协议规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件设备功能软件使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件； 组态软件运行于计算机(通常也称为上位机)上的

10、软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障信息，并进行数据、趋势图分析及报表打印等功能。现场总线的技术特点 与 DCS 等相比，现场总线系统有以下特点：Ø 现场总线是数字通信网络1、现场底层的变送器传感器、执行器、器之间的信号传输均用数字信号；2、中上层的器、监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；3、各层设备之间的信息交换均用数字信号。Ø 现场总线是开放互连网络1、现场总线标准、协议规范是公开的，所有制造商都必须遵守；2、现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪 一家；3、用户可共享网络。现场总线通过一根通信线将所需的各

11、个现场设备（如变送器传感器、执行器、 用一根通信线直接互连 N 个现场设备，器）互相连接起来，即 1.系统测量与精度提高在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变为数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通 信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。2.现场总线采用数字信号通信这一数字化特点，从根本上提高了系统的测量与精度。2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 5 页共 23 页第三章数据通信与计算机网络基础3.1数据编码码元是所传输数据的基本。用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的 0，1 状态，称为模拟数据编码。用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的

12、0，1 状态的，称为数字数据编码。单极性码：信号电平是单极性的。双极性编码：信号电平为正、负两种极性的。归零码（RZ）：归零码在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。非归零码（NRZ）：非归零码在整个码元时间内维持有效电平。差分码：差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。 变化为“1” ，不变化为“0” 。曼彻斯特编码（Manchester Encoding） 码元本为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。模拟数据编码的三种编码方法：幅度键控 ASK（amplitude-shift keying） 频移键控 FSK（frequenc

13、y-shift keying） 相移键控 PSK（phase-shift keying）3.2信号的传输方式3.2.1 基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输； 有任何调制，它是最基本的数据传输方ww式w。PLCworld cn 基带传输特点： 不用调制解调器系统价格低廉较高的数据传输速率（一般为 1Mb/s10 Mb/s） 传输距离一般不超过 25km半双工方式或方式3.2.2 载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅度键控 ASK、频移键控 FSK、相移键控 PSK 三种。3.3.3 宽带网宽带网与基带网的主要区别，一

14、是数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为 010 Mb/s，宽带网可达 0400 Mb/s； 二是宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径3.3.4 异步传输模式 ATMATM（asynchronous transfer mode）是实现高速网络的主要技术。速率可达 155 Mb/s 到 2.4Gb/s，也有25 Mb/s 和 50 Mb/s 的 ATM 技术，可适用于局域网和广域网。3.3 通信方式.3.1通信（simplex communication），就是指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。 通信线路一般采用二线制。3.3.2 半双工通信（half-dupl

15、ex communication）半双工通信是指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输 。3.3.3 全双工通信（full Duplex communication）2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 6 页共 23 页能同时作双向通信。通信效率高，简单，但结构较复杂，成本较高3.4网络拓扑结构(b)树形(a)星形(c)环形(f)完整形(d)总线形(e)不规则形图 2-5 网络拓扑结构3.5 网络的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。 线Ø 同轴电缆：物理特性：同轴电缆由内导体、外层、绝缘层及

16、外部保护层组成。轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数和机械 传输特性：基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。决定。www PLCworld cn1. 宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，支持多路传输。2. 只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单通道宽带连通性：支持点-点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接；基带同轴电缆 可支持数百台设备的连接。性：它的结构使得它的能力较强。地理范围：基带同轴电缆最大距离限制在几公里范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里。Ø 双绞线：双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。一对线可以作为一条通信线路

17、， 各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用（multiplexing）技 术可以进行多个音频通道的多路复用连同性：双绞线可以用于点-点连接，也可用于多点连接。地理范围：双绞线用作离最大为 100m性：双绞线的中继线时，最大距离可达 15km；用于 10Mb/s 局域网时，与集线器的距性取决于一相邻线对的扭曲长度及适当的。在低频传输时，其能力相当于同轴电缆。在 10100 kHz 时，其能力低于同轴电缆。Ø 光导电缆： 物理特性：光纤是一种能传导光波的介质，各种制作的光纤可以得到最低的传输损耗。和可以用

18、来制造光纤，其中用超高纯度石英在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以一条光纤通道，多条光纤组成一光纤电缆。目前，在试验室中光纤带宽超过 50Tbps；8 ´ 2.5 Gbps，8 ´ 10 Gbps ，32 ´ 10 Gbps 的光纤传输已经实用；2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 7 页共 23 页光纤分类：单模光纤和多模光纤； 传输特性：光导通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光纤传输速率可达几千 Mbps。单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输， 而多模光纤的光信号与光纤

19、轴成多个可分辨角度的多光线传输。单模光纤性能优于多模光纤。连通性：普遍采用点-点方式，在某些实验系统中也采用多点连接方式 。地理范围：光纤信号衰减极小，它可以在 68km 距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。性：.光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率。 双绞线典型的误码率在 10-510-6 之间，基带同轴电缆为 10-7，宽带同轴电缆为 10-9，光纤误码率可以低于 10-10。光纤传输的安全性与性极好。Ø 无线：微波通信：微波通信工作频率为 1091010Hz，局域网络可直接利用微波收发机进行通信，或作中继接力，扩大传输距离。红

20、外通信：工作频率为 10111014Hz，通过或接收信号调制的非相干红外线，即可形成一条通信链路。只要收发机处在视线内，就可以准确地进行通信，方向性很强，几乎不受干扰。 激光通信：工作频率为 10141015Hz，用调制解调的相干激光，实现激光通信。通信 ：通信可以看成是一种特殊的微波通信系统 传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大，这些特性主要是： 物理特性：传输介质物理结构的描述；传输特性：传输介质传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；通特性：点-点或多点连接； 地理范围：传输介质最大传输距离；www PLCworld cn 性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据

21、影响的能力； 相对价格：器件、安装与维护费用2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 8 页共 23 页第四章PROFIBUS技术简介 综述（1） PROFIBUS 是一种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。 PROFIBUS 是一种用于工厂自动化车间级和现场设备层数据通信与的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级的分散式数字和现场通信网 络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。（2）PROFIBUS 由三个兼容部分组成，即 PROFIBUSDP（Decentraliz

22、ed Periphery）PROFIBUSPA Process Automation ）PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。（3） PROFIBUSDP: 是一种高速低成本通信，用于设备级系统与分散式 IO 的通信。使用 PROFIBUSDP 可取24VDC 或 420mA 信号传输。（4）PORFIBUSPA：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。（5）PROFIBUSFMS：用于车间级网络，是一个令牌结构实时多主网络。（6）PROFIBUS 是一种用于工厂自动化车间级和现场设备层数据通信与的现场总

23、线技术。可实现现场设备层到车间级的分散式数字和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化www PLCworld cn行的解决方案。（7）与其它现场总线系统相比，PROFIBUS 的最大优点在于具有稳定的国际标准 EN50170 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域 包括制造过程和自动化等。PROFIBUS 开放性和不依赖确认，在德国和欧洲市 场中 PROFIBUS于厂商的通信的设想，已在 10 多万应用中得以实现。市场占开放性工业现场总线系统的市场超过 40。PROFIBUS 有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并 能提供广泛的优质新和

24、技术服务。（ 8 ） PROFIBUS 协 议 结 构 是 根 据 ISO7498 国 际 标 准 ， 以 开 放 式 系 统 互 联 网 络 （ Open System Interconnection-SIO）作为参考模型的。该模型共有七层。（1） PROFIBUSDP：定义了第一二层和用户接口。第三到七层 未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同 PROFIBUSDP 设备的设备行为。（2） PROFIBUSFMS：定义了第一二七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低层接口(

25、Lower Layer Interface LL)。FMS 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强的通信服务。LL协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层接口。（3） PROFIBUSPA：PA 的数据传输采用扩展的 PROFIBUSDP 协议。另外，PA 还描述了现场设备行为的 PA 行规。根据 IEC11582 标 准，PA 的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在 DP 上扩展 PA 网络。层为数据链 路层，第三六层末使用，第七层为应用层。注：第一层为物理层，第二二 PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA 适用于 PROFIBUS 的过程自动

26、化。PA 将自动化系统和过程系统与、温度和液位变送器等现场设备连接起来，PA 可用来替代 4-20mA 的模拟技术。PROFIBUS-PA 具有如下特性：(1) 适合过程自动化应用的行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。(2) 增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也影响到其它站。2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 9 页共 23 页(3) 在过程自动化的 PROFIBUS-PA 段与制造业自动化的 PROFIBUS-DP 总线段之间通过藕合器连接，并使可实现两(4)(5)2.1的透明通信。使用与 IEC1158-2 技术相同的双绞线完成供电和数据传送。在潜

27、在的区可使用防爆型"本征安全"或"非本征安全"。PROFIBUS-PA 传输协议PROFIBUS-PA 采用 PROFIBUS-DP 的基本功能来传送测量值和状态。并用扩展的 PROFIBUS-DP 功能来制订现场设备的参数和进行设备 操作。PROFIBUS-PA 第一层采用 IEC1158-2 技术，第二层和第一层之间的接口在DIN19245 系列标准的第四部分作出了规定。2.2 PROFIBUS-PA 设备行规PROFIBUS-PA 行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是 PROFIBUS-PA 的一个组成部分。PA 行规的任务是

28、选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。目前，PA 行规已对所有通用的测量变送器和其它选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如：·····测、液位、温度和流量的变送器数字量输入和输出模拟量输入和输出阀门三PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS 的设计旨在解决车间级通信。在这一层，可编程序器（如 PLC、PC 机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。3.1 PROFIBUS-FMS 应用层供了供用户使用的通信服务。这些服务w包ww括PL 用层包括下列两部分：变c

29、n 量、程序传递、等。PROFIBUS-FMS 应· 现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS）：描述了通信对象和应用服务。· 低层接口(Lower Layer Interface-LLI)：FMS 服务到第二层的接口。3.2 PROFIBUS-FMS 通信模型PROFIBUS-FMS 利用通信分散的应用过到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备 VFD （Virtual field Device）。在实际现场设备与 VFD 之间设立一个通信关系表。通信关系表是VFD 通信变量的集合，如零件数、故障

30、率、停机时间等。VFD 通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。3.3 通信对象与通信字典（OD）(1) FMS 面向对象通信，它确认 5 种静态通信对象：简单变量、数组、信对象：程序调用和变量表。、域和，还确认 2 种动态通(2) 每个FMS 设备的所有通信对象都填入对象字典（OD）。对简单设备，OD 可以予定义，对复杂设备，OD 可以本地或通过组态加到设备中去。静态通信对象 进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非存取，每个通信对象可选用存取保护。3.4 PROFIBUS-FMS 服务FMS 服务项目是 ISO 9506 制造信息规范 MMS（M

31、anufacturing Message Specification）服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，而且还加上了通信对象的管理和网络管理。PROFIBUS-FMS 提供大量的管理和服务，满足了不同设备对通信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的应用，具体的应用领域在 FMS 行规中规定。3.5 低层接口（LLI） 第七层到第二层服务的由 LLI 来解决，其主要任务包括数据流和联接监视。用户通过称之为通信关2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 10 页共 23 页系的逻辑通道与其他应用过程进行通信。FMS 设备的 全部通信关系都列入通信

32、关系表 CRL(Communication Relationship List)。每个通信关系通过通信索引（CREF）来查找，CRL 中包含了 CREF 和第二层及 LLI 地址间的关系。3.6 网络管理FMS 还提供网络管理功能，有由现场总线管理层第七层来实现。其主要功能有：上、下关系管理、配置管理、故障。3.7 PROFIBUS-FMS 行规FMS 提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用。在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求相适应。设备的功能必须结合应用来定义。这些 适应性定义称之为行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。FMS 对行规

33、做了如下规定（括号中的数字是文件编号）：···间的通信（3.002） 搂宇自动化（3.011） 低压开关设备（3.032）四PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地从站的输入信息并周期地向从站输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和处理。4.1(1)(2)PROFIBUS-DP 的基本功能传输技术：RS-485 双绞线、双线电缆或光缆。波特率从 9.6Kbit/s 到 12Mbit/s。总线存取：各主

34、站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。支持或多。总线上最多站点（主-从设备）数为 126。：点对点（用户数据传送）或广播（指w P令LC）w。orld循cn环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。(4)(5)(6)运行模式：运行、清除、停止。同步：指令输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。功能：DP 主站和 DP 从站间的循环用户数据传送。各 DP 从站的动态激活和可激活。DP 从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。 通过总线给 DP 从站赋予地址。通过总线对 DP 主站（DPM1）进行配置。每 DP 从站的输入和输出数据最大为 246 字节。

35、(7) 可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离 HD=4 进行。DP 从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对 DP 从站的输入/输出进行存取保护。DP 主站上带可变定时器的用户数据传送监视。(8) 设备类型：第二类 DP 主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类 DP 主站（DPM1）是可编程序器，如 PLC、PC 等。DP 从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。4.2 PROFIBUS-DP 基本特征(1) 速率：在一个有着 32 个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP 对所有站点传送 512 bit/s 输入和 512 bit/s 输出，在

36、 12M bit/s 时只需 1 毫秒。(2) 诊断功能：经过扩展的 PROFIBUS-DP 诊断能能对故障进行快速集。诊断信息分三级：。诊断信息在总线上传输并由主站采···本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高、 模块诊断操作：一个站点的某具体 I/O 模块故障。通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。过低。4.3 PROFIBUS-DP 系统配置和设备类型PROFIBUS-DP站或多主站系统。在同一总线上最多可连接 126 个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输 出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个 PROF

37、IBUS-DP 系统可包括以下三种不同类型设备：(1) 一级DP 主站（DPM1）：一级 DP 主站是换信息。典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。器，它在预定的信息周期内与分散的站（如 DP 从站）交2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 11 页共 23 页(2)DP 主站（DPM2）：DP 主站是编程器、组态设备或操作面板，在 DP 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。(3)(4)DP 从站：DP 从站是进行输入和输出信息和的设备（I/O 设备、驱动器、HMI、阀门等）。站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。4.4(1)PROFIBUS

38、总线存取协议三种 PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过 OSI 参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。(2) 在 PROFIBUS 中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link-FDL）。介质存取（Medium 数据。Access Control-MAC）具体数据传输的程序，MAC 必须确保在任何一个时刻只有一个站点(3) PROFIBUS 协议的设计要满足介质存取的两个基本要求：· 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足

39、够的时间来完成通信任务。· 在复杂的程序器和简单的 I/O 设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。因此，PROFIBUS 总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。(4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在 PROFIBUS 中，令牌传递仅在各主站之间进行。(5) 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站系统配置：或信息。因此，可能有以下三种···纯主-从系统纯主-混合系统(6) 图 2-4 是一个由 3 个主站、7 个从站的 PROFIBUS 系统。3

40、个主站之间令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工 作。在这段时间内，它可依照主-从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主-主通讯关系表与所有主站通信。www PLCworld cn图 2-4：3 个主站、7 个从站的 PROFIBUS 系统(7) 在总线系统初建时，主站介质存取MAC 的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。(8) 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUS 第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。(9) PROFIBUS 第二层按照非连接的模式操作，除

41、提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 12 页共 23 页广播及有选择广播功能。4.5扩展 DP 功能: DP 扩展功能是对 DP 基本功能的补充，与 DP 基本功能兼容。4.6(1)(2)(3)DPM1 与 DP 从站间的扩展数据通信DPM1 与 DP 从站间非循环的数据传输。带 DDLM 读和 DDLM 写的非循环读/写功能，可读写从站任何希望数据。响应，DP 基本功能DP 从站用诊断信息向主站自发地传输，而新增的 DDLM-ACK 功能被用来直接响应从 DP 从站上接收的数据。(3) DPM2 与从站间的非

42、循环的数据传输。4.7 电子设备数据文件（GSD） 不同厂家生产的 PROFIBUS集成在一起，生产厂家必须以 GSD 文件（电子设备数据库文件）方式提供这些到操作员图 2-7 所示。的功能参数（如 I/O 点数、诊断 信息、波特率、时间监视等）。标准的 GSD 数据将通信扩大级。使用根据 GSD 文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。如www PLCworld cn图 2-7：基于 GSD 文件开放式组态GSD 文件可分为三个部分：(1)(2)(3)总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号。与 DP 有关的规范：包括适用

43、于主站的各项参数，如从站个数、上装/下装能力。与 DP 从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入/输出通道数、类型、诊断数据等。2.3.4 PROFIBUS-DP 行规PROFIBUS-DP 协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在 PROFIBUS 行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了 PROFIBUS-DP 如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作毋须关心两者之间的差异，因为与应用有关的参数 含义在行规中均作了精确的规定说明。下面是 PROFIBUS-DP 行规，括弧中数字是文件编号：··

44、3;·NC/RC 行规（3.052） 编码器行规（3.062） 变速传动行规（3.071）操作员和过程监视行规（HMI）2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 13 页共 23 页第五章 现场总线 Fieldbus现场总线（Fieldbus）是 80 年代末、90 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，了生产过程现场及设备之间及其与更高管理层次之间的。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布系统。这项以智能传感、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，

45、已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上 述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。一般把现场总线系统称为第五代系统，也称作 FCS现场总线系统。人们一般把 50 年代前的气动信号系统 PCS 称作第一代，把 420

46、mA 等电动模拟信号系统称为第二代，把数字计算机集中式系统称为第三代，而把 70 年代中期以来的集散式分布系统 DCS 称作第四代。现场总线系统 FCS 作为新一代系统，一方面，了 DCS 系统采用通信网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把 DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把统最显著的特征。功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未 形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有dationField

47、bus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。它们具有各自的特色，在www PLCworld cn不同应用领域形成了的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。一、现场总线的技术特点及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最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连并实现信息交换， 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、公 开性，强调对标准的共识与遵从。一个开

48、放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按的需要和对象把来自不同供应商的组成大小随意的系统。2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而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。3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与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的

49、基本功能，使得现场总线已一种新的全分布式系统的体系结构。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。工作在现场设备前端，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、电力线等，具有较强的 用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。能力，能采二、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 产运行及其检修维护，都体现出优越性。系统的设计、安装、投运到正常生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

50、传感、和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的器、计算单元等，也不再需要 DCS 系统2008-4-25电气工程专业系列技术工业以太网与PLC 通信技术第 14 页共 23 页的信号调理、转换、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，由于设备的减少，还可减少室的占地面积。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

51、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室，用户可以所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障并快速排除。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。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被“框死”了设备的选择范围，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完全掌握在用户手中。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

52、相比，它从根本上提高了测量与的准确度，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。此外，由于它的设备标准化和功能模块 化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。三、典型现场总线简介1、现场总线现场总线，即 FoudationFieldbus,简称 FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国 Fisher- Rousemount 公司为首，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，欧洲等地的150 家公司制订的 Wo

53、rdFIP 协议。用户的，这两大于 1994 年 9 月合并，成立了现场总线，致力于开发出国际的现场总线协议。它以 ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次， 并在应用层上增加了用户层。现场总线分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率。H1 的传输速率为 3125Kbps,通信距离可达 1900m器延长),可支持总线供电，支持本质安w全ww防PL爆Cw环orld境cn 。H2 的传输速率为1Mbps 和 2.5Mbps 两种，其通信距离为 750m 和 500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合 IEC1158-2 标

54、准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表 1，从而使串行数据位流中具有足够的，以保持双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确。为满足用户需要， Honeywell、Ronan 等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的，许多仪表公司已开发出符合 FF 协议的，1 总线已通过测试和测试，完成了由 13 个不同厂商提供设备而组成的 FF 现场总线工厂试验系统。2 总线标准也已经形成。1996 年 10 月，在芝加哥举行的 ISA96 展览会上，由现场总线组织实施，向世界展示了来自 40多家厂商的 70 多种符合 FF 协议的，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的 FF 展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了 现场总线的成就与技术实力。2、LonWorksLonWorks 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国 Ecelon 公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七层通讯协议，采用了面向