最profibus现场总线技术培训教程

Profibus

现场总线系统www

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cn概述PROFIBUS是一种 、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在9.6kbit/s～12Mbit/s范围内选择，且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。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控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级

的分散式数字控制和现场通信网络，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。www

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cnPROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP、PROFIBUS－PA、PROFIBUS-FMS 。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行

。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。•www

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cnPORFIBUS－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。•www

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cnPROFIBUS－FMS：用于车间级 网络，是一个令牌结构、实时多主网络。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。www

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cn行规现场设备信息格式及功能描述规范称为“行规”(Profile)，行规可有效实现各种现场设备应用层互联。1、通信行规Profibus通信行规定义用户怎样通过共同的传输介质www

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cn串行地传输设备的数据。DP是使用最频繁的通信行规。2、物理行规PROFIBUS提供了三种数据传输技术（物理行规）：用于DP和FMS的RS485传输。用于PA的IEC1158－2传输。光纤：用于提高 性和增大网络距离。耦合器或

器用于各种传输技术之间的转换。3、应用行规描述与所使用的传输技术相一致的通信协议的内部活动。最重要的：PA行规。Profibus是一种多主站系统，可以实现多个控制、配置或可视化系统在一条总线上相互操作。拥有www

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cn权(令牌)的主站无需外部请求就可以发送数据。而从站是一种 设备，不享有总线访问权。从站只能对接收到的消息进行确认，或者在主站请求时进行发送。波特率支持

9.6k

至12M

。总线上最多可连接

126

个设备。Profibus

也支持广播和多点通讯。PROFIBUS

协议结构应用层包括现场总线报文规范（口(Lower

Layer

Interface

－FMS）和低层接

LLⅠ)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络作为参考模型的。第一层定义物理的传输性，第二层定义总线存取协议，第七层定义应用功能，3－6层未用。（1）PROFIBUS－DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描www

P述用户接口规定了用户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PROFIBUS－DP设备的设备行为。（2）PROFIBUS－FMS：定义了第一、二、七层，www

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cn通信服务。LLⅠ协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层

接口。（3）PROFIBUS－PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS－DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158－www

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cn2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。PROFIBUS传输技术1． 用于DP／FMS的RS－485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和

的总线协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是 双绞铜线。RS-485传输技术基本特征：条件（EMC）。（4）

站点数：每分段32个站（不带中继器），可多到126个站（带中继器）。（5）

插头连接：最好使用9针D型插头。www

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cn传输速率：9.6K

bit

/s～12M

bit/

s（1）

网络拓扑：总线型，两端有有源的总线终端电阻。（2）（3）

介质： 双绞电缆，也可取消

，取决于环境

•2． RS－485传输设备安装要点（1）

全部设备均与总线连接。（2）

每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。（3）每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须有电源。（4）

当分段站超过w3ww

P2LCw个orld

cn

时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。（注：中继器没有站地址，但被计算在每段的最多站数中）（5）

电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度及参数见书85。www

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cn（6） RS－485传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头。（7） 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带 的电缆,

可提高电磁兼容性（EMC）。（8）

如用编织线和

箔，应在两端与保接线来盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线。（9）超过500K

bit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。护接地连接，并通过尽www

P可的大面积3.用于PA的IEC1158－2传输技术（1） 数据IEC1158－2的传输技术用于PROFIBUS－PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。（2）

IEC1158－2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。传输使用固定波特率31.25kbit/s。（3） IEC1158－2技w术ww

PLCw用orldcn

于PROFIBUS－PA，其传输以下列原理为依据：①．

每段只有一个电源作为供电装置。②．

当站收发信息时，不向总线供电。③．

在稳定状态下，每个现场设备所消耗的为恒定的基本电流。④．

现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。⑤．

在主总线的两端各有一个无源的终端器。⑥．

允许使用线型、树型和星型网络。⑦．

为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。⑧．为了调制的目的，假设每个部线站至少需用10mA基本电流才能使设w备ww

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cn动。通信信号是由发送设备将电流从±9mA调至基本电流的方法产生。（4） IEC1158－2传输技术特性：①．

数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。②．

传输速率：31.25K

bit /s，电压式。③．

数据可靠性：前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差。中继器：最多可www

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cn展至4台④． 电缆：双绞线， 式或非 式。⑤．

电源供电：可选附件，通过数据线。⑥．

防爆型：能进行本征及非本征安全操作。⑦．

拓扑：线型或树型，或两者相结合。⑧． 站数：每段最多32个，总数最多为126个。⑨．4．IEC1。158传输设备安装要点（1）分段耦合器将IEC1158－2传输技术总线段与RS－485传输技术总线段连接。耦合器使RS－485信号与IEC1158－2信号相适配。它们为现场设备的 电源供电，供电装置可限制IEC1158－2总线的电流和电压。（2）PROFIBUS－PA的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合。（3）现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。（4）建议使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。①．

电缆设计：双绞线

电缆②． 导线面积（额定值）：0.8mm2(AWG18)③． 回路电阻（直流）：44Ω／Km④．

阻抗（31.25千赫时）：100Ω±20％⑤． 39千赫时波形衰减：3dB/Km⑥．

电容不平衡度：2nF/Kmwww

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cn（5）主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R＝100Ω，C＝1цF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。（6） 连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性， 供电装置电源也要受到限制www

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cn（7）线路最长长度的确定，根据经验先计算一下电流的需要，根据表3－18选用一种供电电源单元，再从表3－19中根据所选择的电缆类型得到总线长度。总电流：连接在所选总线段中的现场设备的设备基本电流总和以及为每个总线段留用的9mA电流。（8）外接电源：如果外接电源设备，根据EN500200标准带有适当的

装置，将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。5.光纤传输技术（1）PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体,以增加高速传输的距离。（2）可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料情况下使用，另一种璃纤维导体，供距离小于1公里米情况下使用。（3）总线段可采用星形或环型结构。允许冗余（4）许多厂商提供 总线插头(耦合器)可将RS－485信号转换成导体信号或将光纤导体信号转成RS-485信号。纤维导体，供距离小于wwwPROFIBUS总线存取协议1、 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存取控制（Medium

Control

-

MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。3、PROFIBUS协议的设计要满足介质控制的两个基本要求：①．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够的时间来完成通信任务。DataAwcwwLink

- FDL）。介质

s•②．在复杂的程序控制器和简单的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www

P之进行。5LCwo、rld间cn•主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个信息。因此，可能有主站均可向从站发送或以下三种系统配置：①．纯主－从系统②．纯主－主系统③．混合系统6、以一个由３个主站、７个从站构成的PROFIBUS系统为例：３个主站之间构成令牌逻辑环。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

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cn9、PROFIBUS在第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点 逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及群播功能。广播通信是指一个主动站向所有其他站发送无需应答的报文；群播是指一个主动站向一个预先确定的站发送无需应答的报文。7、在总线系统初建时，主站介质存取控制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。www

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cnDP通信行规PROFIBUS-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发送输出信息。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处www行组态、

和

。1、基本功能(1)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。(2)

总线存取控制机制：各主站间令牌传递，主站与从站间为主—从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主—从设备）数为126。(3)通信：点对点（用户数据传送）或群播（控制指令）。循环主—从用户数据传送和非循环主—主数据传送。(4)运行模式：运行、清除、停止。(5)同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定（冻结）模式：输入同步。(6)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wwwP活解除激活。DP从站组态的检查。强大的 功能，三级 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244字节。可进行编程、组态、DP主站（DPM1）是的设备。第一类可编程序控制器，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。(7)可靠性和保护机制：所有信息的传输按

距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog

Timer），检查所属主站的故障。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www

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cnDP主站（DPM2）是PROFIBUS-DP技术简介PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传输。主站周期地

从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主www

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cn站(PLC)程序循环时间短，除周期性用户数据传输外，PROFlBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、

和

处理。1)各主站间为令牌传输，主站与从站间为主-从传输;2)支持单主或多主系统;3)主-从设备，总线上最多站点数为126www

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cnl.PROFIBUS-DP的基本功能(1)传输技术1)RS-485双绞线或光缆2)波特率从9.6kbit/s-l2Mbit/s(2)总线存取(3)功能1)DP主站和DP从站间的循环用户数据传输;2)各DP从站的动态激活和撤消;3)DP从站组态的检查;

•

4)强大的5)输人或输出的同步;6)通过总线给DP从站赋予地址;7)通过总线对DP主站

(DPM1)进行配置;8)每个DP从站最大为246字节的输人和输出数据。功能，三级

信息;www

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cn(4)设备类型1)第二类DP主站(DPM2):可编程、可组态、可

的设备;可编程控制器2)第一类DP主站(DPwwwMPLClworld)cn

:，如PLC、PC等;3)DP从站:带二进制或模拟输人输出的驱动器、阀门等。(5)

功能分为3类:本站

操作:

信息表示本站设备的一般操作状态，如温度过高，电压过低。www

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cn模块

操作:

信息表示一个站点的某具体I/O模块出现故障(如8位的输出模块)。通道

操作:

信息表示一个单独的输人输出位的故障

(如输出通道7短路)。(6)系统配置PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态提供了高度的灵活性。系统配置www的PLCworld

c描n述包括:站点数目、站点地址和输人输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如下图所示：www

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cn多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可DP从站的输入/输出映象，但只有DPM1主站允许对DP从站写入数据。：•www

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cn(7)运行模式1)运行:输入和输出数据的循环传输。DPM1由DP从站

输入信息并向DP从站写入输出信息。2)清除:DPM1

DP从站的输入信息，并使输出信息保持为故障-安全状态。3)停止:只能进行主-主数据传输，DPM1和DP从站之间没有数据传输。www

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cn(8)通信1)点对点(用户数据传输)或广播(控制指令)。2)循环主-从用户数据传输和非循环主-主数据传输。DPM1和DP从站之间的数据传输分为3个阶段:参数设定、组态配置、

。www

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cnDP设备之间的通信l.DP通信关系和DP通信作业的发起者：请求方，通信伙伴：响应方。l类DP主站的请求报文以第2层中的“高优先权”报文服务级别处理。www

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cn由DP从站发出的响应报文使用第2层中的“低优先权”报文服务级别。DP从站可将当前出现的

中断或状态事件通知给DP主站，通过将Data_Exchange的响应报文服务级别从"低优先权"改变为高优先权来实现。2.初始化阶段，重启动和用户数据通信DP主站检查DP从站是否在总线上DP主站通过请求从站的

数据来检查DP从站的准备情况DP主站定义DP从站的参数并组态此从站DP主站循环地与DP从站交换用户数据www

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cnDP从站初始化www

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cn(1)参数数据(Set_Prm):参数集包括预定给DP从站的重要的本地和全局参数、特征和功能。Station

Status:与从站有关的功能和设定Watchdog:(定时监视器，“看门狗”)检查DP主站的故障Ident_Number:DP从站的www

识号,由PNO在认证时规定的DP从站的标识号放在此设备的主要文件中。Group一Ident:将DP从站分组组合，以便使用Sync和Freeze控制命令。User_Prm_Data:DP从站参数数据(User_Prm_Data)为DP从站规定了有关应用数据。•（2）组态数据(Chk_Cfg)在组态数据报文中，DP主站发送标识符格式给DP从站，这些标识符格式告知DP从站要被交换的输人/输出区域的范围和结构。www

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cn这些区域(也称"模块")是按DP主站和DP从站约定的字节或字结构(标识符格式)形式定义的。标识符格式允许指定输人或输出区域，或各模块的输人和输出区域。（3）数据(Slave_Diag)在启动阶段，DP主站使用请求

数据来检查DP从站是否存在和是否准备就绪接收参数信息。由DP从站提交的数据包括符合部www

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cn

。还包括此DP从站EN50170标准的的

信息。DP从站发送

信息告知DP主站它的运行状态以及发生出错事件时出错的原因。（4）用户数据(Data_Exchange)DP从站检查从DP主站接收到的参数和组态信息，如果没有错误而且允许由DP主站请求的设定，则DP从站发送环地交换用户数据准数据报告它已为循就绪：DP主站与DP从站交换所组态的用户数据。DP从站只对由定义它的参数并组态它的l类DP主站发来的Data_Exchange请求帧报文作出反应。其他的用户数据报文均被此DP从站。www

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cnwww

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cnPROFIBUS-DP主-主之间的数据通信www

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cn(9)同步1)控制指令允许输入和输出的同步。2)同步模式:输出同步。3)锁定模式:输入同步。

om

(10)可靠性和保护机制www

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cn1)所有信息的传输在

距离HD=4进行。2)DP从站带看门狗定时器。3)DP从站的输入输出存取保护。4)DP主站上带可变定时器的用户数据传输监视。2.PROFIBUS-DP扩展功能DP扩展功能允许非循环的读写功能并中断并行于循环数据传输的应答。些

或操作员控制站

(二类主机，DPM2)。DP扩展功能可选，与DP基本功能兼容。DP扩展实现通常采用

更新的办法。非循环存取可用于某

•对从站参数和测量值PROFIBUS-PA技术简介PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案。PA将自动化系统与现场设备，例如压力、温度和液位变送器的过程控制系统www

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cn连接起来，PA可以取代4-20mA的模拟技术。PA在现场设备的规划、电缆敷设、调试、投人运行和

方面可节省成本40％以上，并可提供多功能和安全性。2.过程工业一应用领域的特殊要求:1)过程自动化独特的应用行规以及来自不同厂商的现场设备的互换性;2)增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站点;3)过程自动化中的PPOFIBUS-PA总线段和制造自动化www

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cn中的PROFIBUS-DP总线段之间通过段耦合器实现通信透明化;4)同样的两条线，基于IEC61158-2技术可进行供电和数据传输;5)在潜在的 区使用防爆型

"本质安全"或

"非本质安全"。3.PROFlBUS-PA总线的数据传输PROFIBUS-PA使用PROFIBUS-DP的基本功能传输测量值和状态，使用PROFIBUS-DP扩展功能对现场设备设置参数及操作。传输采用基于IEC6l158-2的两线技术。wwwPLCworld

cnPROFIBUS总线存取协议(第2层)和IEC6l158-9技术(第1层)之间的接口在DIN19245系列标准的第4部分中作了规定。在IEC6l158-2段传输

文被加上起始和结束界定符。PROFlBUS-PA总线的数据传输www

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cn扩展的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。主要由工程工具用于PA现场设备的操作。具有低优先权的非循环数据传输与快速循环用户数据的传输并行进行，因此在整个系统的参数化www

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cn中必须考虑附加时间。1、使用槽号和索引编址循环数据传输：－寻址：固定的输入/输出，固定的位置－编址过程：以标识为基础，标识符表示模块的类型，所有标识符一起给定一个从站的配置。非循环数据传输：寻址使用槽号和索引。槽号：模块；索引：属于此模块的数据块，最多244个字节。2、DPM1与DP从站间非循环的数据传输(1)带MSAC1读和MSAC1写的非循环读/写功能，可读写从站任何希望数据www

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cn(2)

响应，DP基本功能允许DP从站用向主站自发地传输事件，而新增的MSAC1信息-ALARM-数ACK功能被用来直接响应从DP从站上接收的据。报文不能被重写，状态报文可以重写。3、DPM2与从站间的非循环的数据传输MSAC2＿Data＿Transport：主站可以非循环地向从站读/写数据MSAC＿C2：实现非循环的数据通信连接的建立与终止

•非循环数据传输的实www

PLC现world

cn

：如：主站发送MSAC2＿Read给从站→从站接收→安排所需数据→主站发送轮询报文→未处理完→不带数据的简短确认↘处理完→MSAC2＿Read响应→数据发送数据传输是受时间

的应用行规1、PROFIBUS—PA适用于PROFIBUS的过程自动化。

PA将自动化系统和过程控制系统与压力、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：适合过程自动化应w用ww

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cn行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。增加和去除总线站点，即使在本征安全区域也不会影响到其它站。在过程自动化的PROFIBUS—PA段与制造业自动化的PROFIBUS—DP总线段之间通过耦合器连接，并使可实现两段间的透明通信。使用与IEC61158—2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。•区可使用防爆型“本征安全”(5)在潜在的或“非本征安全”。的设备参数cnPA通信特性高优先权：现场设备的被测值和状态地优先权：可视化、运行、

和PROFIBUS—PA传输协议PROFIBUS—PA采用PROFwwwIPLCBworldU

S—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。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www

P了体规定，这些设备如∙：测压力、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∙2、故障安全应用：PROFIsafe行规设备工程1电子设备数据文件（GSD）为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件（电子设备数据库文件）方式提供这些产品的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的GSD数据www

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cn将通信扩大到操作员控制级。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。GSD文件可分为三个部分：总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和 版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号。(2)与DP有关的规范：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上装/下装能力。(3)与DP从站有关的规范：包括了与从站有关的一数据等切规范，如输入/输出通道数、类型、。2标识号

•每个从站和一类主站都w必ww

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cn

有一个标识（ID）号。主站根据该号识别被连接的设备类型。连接到总线上的站只有在设备类型和站地址均正确的时候才可以进行用户数据传输。避免组态出错，提高可靠性。3、电子设备描述（EDD）概述Profibus现场设备的设备特性。本章内容工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念数据编码数据传输差错控制工业网络物理结构

1.网络的传输媒介2.工业通信网络的拓扑形式3.介质 控制方式2.3

开放系统互连参考模型OSI参考模型网络互连现场总线通信协议模型工业网络与通信基础知识www

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yanfen现场总线技术及应用2007.2

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工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念工业数据通信基础工业数据通信的基本任务为实现真正的企业ERP提供全生命周期的设备和现场数据。工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念工业数据通信基础工业数据通信的技术基础主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制和软硬件平台等。工业数据通信系统的基本www

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cn主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成。工业网络与通信基础知识3Copyright

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工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语数据(Data)：数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释模拟( og)数据；数字(Digital)数据。信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式模拟信号；数字信号。工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。数字信道。模拟信道。数字通信的优点仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语信道带宽（Band

Width）信道容量(Channel

capacity)工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语码元(Code

Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。数据传输速率比特率(Bit

Rate)：数据传输速率(bps，b/s)。每妙钟传递的bit数。波特率（Baud

Rate）：信号传输速率（baud）。每秒钟传递的信号脉冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数。误码率(Bit

error

rate)：信道传输的可靠性指标P=错误的位数/传输的总位数工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础数据编码为什么要进行数据编码？工业数据通信的系统的任务通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通信各方的认同。www

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工业网络通信基础数据编码编码种类不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。编码和调制用数字信号承载数字或模www

P拟LCwor数ld

cn码据——编用模拟信号承载数字或模拟数据——调制工业网络与通信基础知识9Copyright

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工业网络通信基础数据编码数字数据的数字编码定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、Manchester编码等。非归零码曼彻斯特编码工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础数据编码数字数据的调制编码定义：用模拟信号来表示数据的0、1状态。常用技术幅移键控，调幅频移键控，调频。相移键控，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。举例说明：PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)。现场总线的HART通信信号采用这种编码方式。PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础数据传输数据通信方式（数据流动方向）单工半双工全双工数据传输方式串行传输并行传输工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础数据传输数据传输方式在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就是数据通信系统中的传输同步问题。并行通信串行通信异步传输和同步传输是解决串行通信同步传输的方法。工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础数据传输数据传输方式异步传输异步传输使用的是字符同步方式。同步传输工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础数据传输数据同步方式位同步（bit

synchronous）：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。面向位块的同步传输面向字符块的同步传输www

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cn工业网络与通信基础知识15Copyright

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工业网络通信基础数据传输信号传输模式基带传输载波传输频带传输异步转移模式工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础差错控制产生差错的原因：信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射；串扰；闪电、大功率电机的启停www

P等LCwor。ld

cn线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。如何提高通信质量？采用高质量的通信线路在外部采取

措施工业网络与通信基础知识17Copyright

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工业网络通信基础差错控制如何提高通信质量？采用差错控制方法一种软的控制技术。它差错的存在，但能够发现，并设法加以纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。原理检测码纠错码工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础差错控制奇偶校验（Parity

Checking）原理举例：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010若接收方收到的字节奇偶w结ww

P果LCwor不ld

cn

正确，就可以知道传输中发生了错误。判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则 为力。工业网络与通信基础知识19Copyright

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工业网络通信基础差错控制循环冗余校验（CRC,Cyclic

Redundancy

Check）一种通过多项式除法检测错误的方法。检错思想校验和计算方法若G(x)为r阶，原帧为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为m+r位，相应多项式xr

M(x)按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xr

M(x)

的位串，得出余数按模2加法把xr

M(x)

的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)T(x)

= xrM(x)

+

[

xrM(x)

MOD2 G(x)

]工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础差错控制循环冗余校验（CRC,Cyclic

Redundancy

Check）举例工业网络与通信基础知识www

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工业网络通信基础差错控制循环冗余校验（CRC,Cyclic

Redundancy

Check）请再做一个验证：传送数据为：110011多项式比特序列为：11001（最高阶为4）带有CRC检验码的接收比特序列为：1100111001其实CRC中的生成多项式w不ww

P是LCwo随rld

cn便选定的。它的结构和检错效果是要经过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式被列为了国际标准，如：CRC-12

G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1CRC-16

G(x)=x16+x15+x2+1CRC错误检测方法大约能检查出99.95%以上的错误。工业网络与通信基础知识22Copyright

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工业网络通信基础差错控制码码是一种可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。吗有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法。距离码的检错和纠错能力可以用

距离来表示，

距离越大，检错和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。距离至少应为d+1；如果需检测出d个错误，则如果要能纠正d个错误，则编码集中的 距离至少应为2d+1。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构网络的传输媒介有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质：包括无线电、微波、

、移动通信等各种通信介质。工业通信中常用的是有线传输介质。双绞线（twisted

pair)和非之分双绞线？作用？计算机局域网中经常使用的www

双PLCw绞orld

cn线有。非双绞线(STP，Shielded

Twisted

Pair)特点双绞线(UTP，Unshielded

Twisted

Pair)分类和特点工业网络与通信基础知识24Copyright

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工业网络物理结构网络的传输媒介同轴电缆(coaxial

cable)同轴电缆？同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆作用优点和缺点工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构网络的传输媒介光缆(opticalfiber)：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价格要高于塑料光纤，但其性能也高于后者。特点：依靠光波承载信息；速率高，通信容量大，

光

电转换器件的限制（＞100Gb/s）；传输损耗小，适合长距离传输；性能极好，

性好；轻便；价格高，连接不方便。工业网络与通信基础知识26Copyright

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工业网络物理结构网络的传输媒介光纤通信的原理见图，入射角∠１∠２∠３逐渐增大，∠1’∠2’是折射角，光纤通信的原

理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到∠3时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构网络的传输媒介光传输系统：光源、介质、光检测器光源:

850nm/1300nm/1500nm， 发光二极管

/

激光二极管介质:光纤光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构网络的传输媒介无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使用的不多。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构工业通信网络的拓扑形式工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。特点：通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；接入容易，扩展方便；节省电缆。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构工业通信网络的拓扑形式星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到节点，任何节点之间的通信都通过节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于节点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。特点、管理简单；个结点的通信负担很www小PLC

所以小。工业网络与通信基础知识31Copyright

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工业网络物理结构2.工业通信网络的拓扑形式从环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。特点各节点以令牌方式实现对共享介质的

控制；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重要的场合需要采环。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构3.介质

控制方式定义：在计算机网络中，不管是采用什么样的拓扑形式连接，传输介质总是作为各站点的共享资源的。将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点的用户的方法称为介质控制方法或协议。介质控制方法对网络的响应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度上取决于所选用的介质多路复用技术控制协议。www

PLCworld

cn定义：在实际的计算机网络系统中，为了有效地利用通信电路，总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路信号在单一的传输线 用单一的传输设备进行传输的技术。在远距离传输时，多路复用技术可以

电缆的安装和

费用。工业网络与通信基础知识33Copyright

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工业网络物理结构介质

控制方式多路复用技术多路复用技术种类：频分多路复用和时分多路复用。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构介质

控制方式多路复用技术频分多路复用（

Frequency

Division

Multiplexing）在物理信道能提供比单路原始信号宽得多的带宽的情况下，可以把该物理信道的总带宽分割成若干个与单路信号带宽相同（为了避免相互干扰也可以稍微宽一点）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用（FDM）。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构3. 介质控制方式多路复用技术时分多路复用（

Time

Division

Multiplexing）若传输介质能达到的位传输速率超过单一信号源所需要的数据传输率，就可以采用时分多路复用（TDM）技术。它是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地给多个信号源使用。工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构介质

控制方式多路复用技术时分多路复用（

Time

Division

Multiplexing）同步时分异步时分（统计时分工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构介质

控制方式多路复用技术时分多路复用（

Time

Division

Multiplexing）异步时分（统计时分）轮转预约争用工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构介质带控制方式检测的载波

多路

CSMA/CD载波 多路网络站点

载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应的措施，它是一种争用协议。原则：发前不足：，空闲即发，忙时等待。www

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cn带检测的载波 多路

该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为IEC802.3就是以太网标准，已在局域网中广泛使用。原则：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测， 时退避。工业网络与通信基础知识39Copyright

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工业网络物理结构介质

控制方式令牌环（Token

Ring）介质 方式定义工作过程谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。拿到令牌的站将令牌转 控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：处如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供理，同时将帧送回环中；如果地址不符合，则直接将帧送回环中。数据循环一周后由发送站回收。工业网络与通信基础知识40Copyright

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工业网络物理结构介质

控制方式令牌环（Token

Ring）介质工作过程举例方式工业网络与通信基础知识www

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工业网络物理结构介质

控制方式令牌总线（Token

Bus）介质方式定义工作过程特点因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避免了

；令牌总线的帧可以设置得很短，和CSMA/CD相比，这样减少了开销，相当于增加了网络的容量。令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如PROFIBUS。工业网络与通信基础知识www

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V2.0方式2.2

工业网络物理结构介质

控制方式令牌总线（Token

Bus）介质举例工业网络与通信基础知识www

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V2.02.3

开放系统互连参考模型OSI模型OSI的产生20世纪70年代以后，计算机应用迅猛发展，网络的发展也初现端倪；70年代中、后期，各计算机厂家先后都推出了自己的网络产品。操作平台、网络协议、硬件接口等互不兼容，限制了网络的开放、www

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cn共享，以及商业利润的提高。OSI参考模型产生过程工业网络与通信基础知识44Copyright

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开放系统互连参考模型OSI模型OSI模型OSI参考模型的出现促进了数据通信和计算机网络的发展，OSI提供了概念性和功能性的结构划分，将开放系统划分为7个层次。工业网络与通信基础知识www

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开放系统互连参考模型OSI模型分层的好处结构简单关系简化相对独立构造灵活工业网络与通信基础知识www

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V2.02.3

开放系统互连参考模型OSI模型分层的原则根据不同抽象层次的需要进行分层，即当有大量的通信任务相近的性质时，就应当设立一个相应的层次；每一层应当实现一个明确定义的功能；每一层功能的选择应当有助于制定网络协议的国际标准；层与层之间的边界应该选择www在PLC通world

过cn

边界的信息量尽量少的地方；层数应足够多但也不能太多。工业网络与通信基础知识47Copyright

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V2.02.3

开放系统互连参考模型OSI模型OSI对等通信的实质OSI参考模型 不同主机的对等层之间的直接通信。(想为什么?)，实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信。上层使用下层提供的服务——Service

user；下层向上层提供服务——Service

provider。工业网络与通信基础知识www

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开放系统互连参考模型OSI模型OSI对等通信的实质实质：对等层实体之间虚拟通信；下层向上层提供服务；实际通信在最底层完成。wwwPLCworld

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开放系统互连参考模型OSI模型协议数据单元OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,Protocol

Data

Unit)。传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层——数据段（Segment）www

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cn网络层——分组（数据报）（Packet）数据链路层——数据帧（Frame）物理层——比特（Bit）工业网络与通信基础知识50Copyright

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V2.02.3

开放系统互连参考模型OSI模型数据封装一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程成为封装。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或

…。工业网络与通信基础知识www

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V2.02.3

开放系统互连参考模型OSI模型OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。这样，数据自上而下递交www的PLCw过orldcn程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线 传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。但是，某一层只能识别由对