模塊6 工業(yè)機器人通訊

工業(yè)機器人技術基礎模塊六工業(yè)機器人通訊在當今高度信息化的時代，信息和通信已成為現(xiàn)代社會的“命脈”。信息作為一種資源，只有通過廣泛的傳播、交流與共享，才能產(chǎn)生利用價值。而通信作為傳輸信息的手段，伴隨著計算機技術、傳感技術和微電子等技術，正在向著數(shù)字化、智能化、高速化、寬帶化、綜合化、移動與個人化等方向飛速發(fā)展。隨著工業(yè)技術的發(fā)展和工業(yè)應用的擴張，很多工業(yè)機器人只是集成工作站內(nèi)的一部分，工業(yè)機器人需要與各種外部設備、傳感器以及多臺機器人組成的集成工作站配合使用，它們之間的協(xié)作都離不開信號的收發(fā)與傳遞。目錄單元1通信技術基礎單元2

I/O通信單元3現(xiàn)場總線單元4工業(yè)以太網(wǎng)單元1通信技術基礎單元1通信技術基礎通信是發(fā)送者（人或機器）和接收者之間通過某種媒介進行的信息傳遞。實現(xiàn)通信的手段有很多，例如，古戰(zhàn)場上通過鳴金和擊鼓傳遞作戰(zhàn)命令，利用烽火臺傳遞敵情，以及現(xiàn)代社會的電報、電話、廣播、電視和計算機通信等?，F(xiàn)代通信技術是利用電信號來傳輸信息的，大致分為兩個階段：第一階段是電通信階段，第二階段是電子信息通訊。

1837年，美國人塞繆爾·莫爾斯制造出了世界上第一臺電報機，并設計了利用“點”“劃”和“間隔”將信息轉(zhuǎn)換成一串或長或短的電脈沖的莫爾斯密碼，如圖6-1-1所示。1844年5月24日，莫爾斯在美國國會大廳向40英里（1英里=1.609344千米）以外的巴爾的摩發(fā)送了人類歷史上第一封長途電報，開啟了電信時代。一、通信的發(fā)展歷程單元1通信技術基礎

1843年，美國物理學家亞歷山大·貝恩根據(jù)鐘擺原理發(fā)明了傳真，如圖6－1－2所示。1850年，美國的弗·貝克韋爾采用“滾筒和絲杠”裝置代替了亞歷山大·貝恩的鐘擺方式，使傳真技術前進了一步。1865年，伊朗人阿巴卡捷里根據(jù)貝恩和貝克韋爾提出的原理，制造出實用的傳真機，并在法國的巴黎、里昂和馬賽等城市之間進行了傳真通信實驗。一、通信的發(fā)展歷程單元1通信技術基礎

1875年，亞歷山大·貝爾發(fā)明了世界上第一臺電話機，并于1878年在相距300千米的波士頓和紐約之間進行了首次長途電話實驗，如圖6－1－3所示。如今，電話已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷耐ㄐ欧绞街?。一、通信的發(fā)展歷程單元1通信技術基礎

1901年，意大利工程師伽利爾摩·馬可尼（圖6－1－4）發(fā)明了無線電設備，并從英格蘭發(fā)射無線電信息越過大西洋，成功到達加拿大。一、通信的發(fā)展歷程單元1通信技術基礎

1946年，美國賓夕法尼亞大學的?？颂睾湍＠兄瞥鍪澜缟系谝慌_電子計算機ENIAC，讓高速計算能力成為現(xiàn)實。二進制的廣泛應用觸發(fā)了更高級別的通信機制——“數(shù)字通信”，加速了通信技術的發(fā)展和應用。

1969年，美國數(shù)字化設備公司研制出第一臺可編程控制器（PDP14），在通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用后，效果顯著。1971年，日本研制出第一臺可編程控制器（DCS8）。1973年，德國研制出第一臺可編程控制器。1974年，我國開始研制可編程控制器。1977年，我國開始在工業(yè)應用領域推廣PLC。一、通信的發(fā)展歷程單元1通信技術基礎

1.消息本書中的消息是指通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶ο?，它是信息的載體，例如語音、音樂、活動圖片、文字、符號、數(shù)據(jù)等。消息可以分成兩大類：連續(xù)消息和離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或不可數(shù)，如語音、溫度數(shù)據(jù)等；離散消息則是指消息具有可數(shù)的有限個狀態(tài)，例如符號、文字、數(shù)字數(shù)據(jù)等。

2.信息信息是消息中所包含的有效內(nèi)容。信息與消息的關系可以這樣理解：消息是信息的物理表現(xiàn)形式，而信息是消息的內(nèi)涵。例如播報天氣，語音是天氣預報的表現(xiàn)形式，而天氣情況是語音的內(nèi)涵。在當今社會中，信息已成為十分寶貴的資源，如何有效而可靠地傳輸信息是本書研究的主要內(nèi)容。二、消息、信息與信號單元1通信技術基礎

3.信號信號是消息的傳輸載體。在電信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖请娦盘?。為了將各種消息（如一幅圖片）通過線路傳輸，必須首先將消息轉(zhuǎn)變成電信號（如電壓、電流、電磁波等），也就是把消息載荷在電信號的某個參量（如正弦波的幅度、頻率或相位，脈沖波的幅度、寬度或位置）上。由于消息可以分為兩大類，所以信號也相應分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號。（1）模擬信號：載荷消息的信號參量取值是連續(xù)（不可數(shù)、無窮多）的，如電話機送出的語音信號，其電壓瞬時值是隨時間連續(xù)變化的。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，連續(xù)的含義是指信號載荷的參數(shù)連續(xù)變化，在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，但不一定在時間上連續(xù)。（2）數(shù)字信號：載荷消息的信號參量只有有限個取值，如電報機、計算機輸出的信號。最典型的數(shù)字信號是只有兩種取值的信號。二、消息、信息與信號單元1通信技術基礎消息與電信號之間的轉(zhuǎn)換通常由各種傳感器來實現(xiàn)。例如，話筒（聲音傳感器）把聲波轉(zhuǎn)變成音頻電信號，攝像機把圖像轉(zhuǎn)變成視頻電信號，熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電信號等。綜上所述，消息、信息和信號三者之間既有聯(lián)系又有不同，即：消息是信息的物理形式，信息是消息的有效內(nèi)容，信號是信息的傳輸載體?；趯ι鲜鰞?nèi)容的理解，電信就是利用電信號傳輸信息。二、消息、信息與信號單元1通信技術基礎通信的目的是傳輸信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源發(fā)送到一個或多個目的地。對于電通信來說，首先要把消息轉(zhuǎn)變成電信號，然后經(jīng)過發(fā)送設備，將信號送入信道，在接收端利用接收設備對接收信號作相應的處理后，送給信宿再轉(zhuǎn)換為原來的消息。這個過程可用圖6－1－5所示的通信系統(tǒng)一般模型來概括。三、通信系統(tǒng)的一般模型單元1通信技術基礎（一）信源信源的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。根據(jù)消息的種類不同，信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源輸出連續(xù)的模擬信號，如話筒（聲音→音頻信號）、攝像機（圖像→視頻信號）；數(shù)字信源則輸出離散的數(shù)字信號，如電傳機（鍵盤字符→數(shù)字信號）；計算機等各種數(shù)字終端。模擬信源送出的信號經(jīng)數(shù)字化處理后也可轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。（二）發(fā)送設備發(fā)送設備的作用是產(chǎn)生適合在信道中傳輸?shù)男盘?，使發(fā)送信號的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干擾的能力，并且具有足夠的功率以滿足遠距離傳輸?shù)男枰?。發(fā)送設備涵蓋的內(nèi)容很多，包含變換、放大、濾波、編碼、調(diào)制等過程，對于多路傳輸系統(tǒng)，發(fā)送設備中還包括多路復用器。三、通信系統(tǒng)的一般模型單元1通信技術基礎（三）信道信道是一種物理媒質(zhì)，用于把來自發(fā)送設備的信號傳送到接收端。在無線信道中，信道可以是自由空間；在有線信道中，可以是明線、電纜和光纖。有線信道和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。信道既給信號以通路，也會對信號產(chǎn)生各種干擾和噪聲。信道的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關系到通信的質(zhì)量。圖6－1－5中的噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機的、形式多樣的，它的出現(xiàn)會干擾正常信號的傳輸。（四）接收設備接收設備的功能是將信號放大和反變換（如譯碼、解調(diào)等），其目的是從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。對于多路復用信號，接收設備中還包括解除多路復用，實現(xiàn)正確分路的功能。此外，它還要盡可能減小在傳輸過程中噪聲與干擾所帶來的影響。三、通信系統(tǒng)的一般模型單元1通信技術基礎（五）信宿信宿是傳送消息的目的地，其功能與信源相反，即把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器等。圖6－1－5概括地描述了一個通信系統(tǒng)的組成，反映了通信系統(tǒng)的共性。根據(jù)研究的對象以及所關注的問題不同，圖6－1－5中各方框的內(nèi)容和作用將有所不同，相應有不同形式的、更具體的通信模型。通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可以把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。三、通信系統(tǒng)的一般模型目錄單元1通信技術基礎單元2

I/O通信單元3現(xiàn)場總線單元4工業(yè)以太網(wǎng)單元2

I/O通信單元2

I/O通信

I/O（Input/Output）即輸入輸出端口，控制計算機通過I/O接口發(fā)送或接收信號的行為叫作I/O通信。機器人可通過I/O接口與外部設備進行交互，具體可分為數(shù)字量交互和模擬量交互。機器人擁有豐富的I/O通信接口，可以輕松地與周邊設備進行通信。RS232通信、OPCserver、SocketMessage是與PC通信時的通信協(xié)議，DeviceNet、Profibus、ProfibusDP、PROFINET、EtherNetIP則是不同廠商推出的現(xiàn)場總線協(xié)議。一、I/O通信簡介單元2

I/O通信由于數(shù)字信號是用兩種相反的物理狀態(tài)來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強很多，但為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾的能力就越強，傳輸?shù)木嚯x也就越遠。在現(xiàn)代技術的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復雜的信號處理都離不開數(shù)字信號?；蛘哒f，只要能把解決問題的方法用數(shù)學公式表示，就能用計算機來處理代表物理量的數(shù)字信號。（一）便于加密處理信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹碓街匾?，?shù)字通信的加密處理比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經(jīng)過數(shù)字變換后的信號可用簡單的數(shù)字邏輯運算進行加密、解密處理。（二）便于存儲、處理和交換數(shù)字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便于與計算機聯(lián)網(wǎng)，也便于用計算機對數(shù)字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護實現(xiàn)自動化、智能化。二、I/O數(shù)字通信的特點單元2

I/O通信（三）設備便于集成化、微型化數(shù)字通信采用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，因此體積小、功耗低。（四）便于構成綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)采用數(shù)字傳輸方式，可以通過程控數(shù)字交換設備進行數(shù)字交換，以實現(xiàn)傳輸和交換的綜合。另外，電話業(yè)務和各種非話業(yè)務都可以實現(xiàn)數(shù)字化，構成綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)。（五）占用信道頻帶較寬一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz。隨著寬頻帶信道（光纜、數(shù)字微波）的大量利用（一對光纜可開通幾千路電話）以及數(shù)字信號處理技術的發(fā)展（可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由64kB/s壓縮到32kB/s甚至更低的數(shù)碼率），數(shù)字電話的帶寬問題已不是主要問題了。由以上介紹可知，數(shù)字通信具有很多優(yōu)點，所以各國都在積極發(fā)展數(shù)字通信。我國數(shù)字通信得到迅速發(fā)展，正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進。二、I/O數(shù)字通信的特點單元2

I/O通信數(shù)字信號是指自變量和因變量均是離散的信號。這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量也用有限數(shù)字中的一個數(shù)字來表示。例如，PLC數(shù)字輸出端口要么是高電平，要么是低電平，這兩種情況可以用0和1表示（圖6－2－1）。在計算機中，數(shù)字信號的大小常用有限位的二進制數(shù)表示，即0或1。它的值是通過中央值來判斷的，在中央值以下規(guī)定為0，以上規(guī)定為1。三、數(shù)字信號單元2

I/O通信用1個二進制位表達信息時，它能表達兩種信號。若將多個數(shù)字信號組合，能表達的信號數(shù)量將呈現(xiàn)指數(shù)級（n個數(shù)字量信號組合可表示2n個信號），如圖6－2－2所示。例如，2個數(shù)字量信號組合可以表示4種信號，它們是00、10、01和11。3個數(shù)字信號組合可以表示8種信號，它們是000、100、010、001、110、101、011、111。這種表達方法類似于數(shù)學中的排列組合。四、組信號單元2

I/O通信模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號，或在一段連續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號，如溫度、濕度、壓力、長度、電流、電壓等。模擬信號波形在時間上是連續(xù)的（連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無限多個數(shù)值），因此它是連續(xù)信號，如圖6－2－3所示。模擬信號按一定的時間間隔T抽樣后的抽樣信號，雖然其波形在時間上是離散的，但信號的幅度仍然是連續(xù)的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電視信號都是模擬信號。五、模擬信號單元2

I/O通信常見的抽樣信號是周期矩形脈沖和周期沖擊脈沖抽樣。模擬信號在整個時間軸上都是有定義的，在“沒有幅值”的區(qū)域的意義是幅值為零；而離散時間信號只在離散時刻上才有定義，其他區(qū)域沒有定義，和幅值為零是不同的概念。這兩種信號在時間軸上看起來很相似，其實是以不同系統(tǒng)為基礎的兩種有本質(zhì)區(qū)別的信號。直觀地說，離散時間信號的橫軸已經(jīng)不代表時間了。模擬信號可進行數(shù)字化處理，如圖6－2－4所示。五、模擬信號目錄單元1通信技術基礎單元2

I/O通信單元3現(xiàn)場總線單元4工業(yè)以太網(wǎng)單元3現(xiàn)場總線單元3現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題?，F(xiàn)場總線因其簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視?，F(xiàn)場總線是自動化領域中的底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。簡單來說，現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)420mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的產(chǎn)生對工業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用，對國民經(jīng)濟的增長有著非常重要的影響，主要應用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、冶金、加工制造、交通運輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領域。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線（一）現(xiàn)場總線的產(chǎn)生在過程控制領域中，從20世紀50年代至今一直都在使用著420mA的模擬信號標準。20世紀70年代，數(shù)字式計算機引入到測控系統(tǒng)中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代微處理器在控制領域得到應用，微處理器被嵌入到各種儀器設備中，形成了分布式控制系統(tǒng)（DCS）。在分布式控制系統(tǒng)中，各微處理器被指定一組特定任務，通信則由一個帶有附屬“網(wǎng)關”的專有網(wǎng)絡提供，網(wǎng)關的程序大部分是由用戶編寫的。隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自校正和自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告和趨勢圖等功能。通信技術的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡技術開始廣泛應用。與此同時，基于質(zhì)量分析的維護管理、與安全相關系統(tǒng)的測試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在本地處理信息，并在必要時允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場儀表與上級控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實際應用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線（二）現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀現(xiàn)場總線就是用于現(xiàn)場智能化裝置與控制室自動化系統(tǒng)之間的一個標準化的數(shù)字式通信鏈路，可進行全數(shù)字化、雙向、多站總線式的信息數(shù)字通信，實現(xiàn)相互操作以及數(shù)據(jù)共享?，F(xiàn)場總線的主要目的是用于控制、報警和事件報告等工作?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議的基本要求是響應速度和操作可預測性的最優(yōu)化。現(xiàn)場總線是一個低層次的網(wǎng)絡協(xié)議，在其之上還允許有上級的監(jiān)控和管理網(wǎng)絡，負責文件傳送等工作?，F(xiàn)場總線為引入智能現(xiàn)場儀表提供了一個開放平臺，基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS）將是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡。另外，按照IEC對現(xiàn)場總線（Fieldbus）一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。這是由EC/C65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標準化工作的SC65/WG6定義的?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的基礎，架設了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系，它不僅是一個基層網(wǎng)絡，而且還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機和數(shù)據(jù)通信為主要內(nèi)容的綜合技術，已成為自動化技術發(fā)展的熱點，并將引起自動化系統(tǒng)結(jié)構與設備的深刻變革。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線（三）現(xiàn)場總線的未來趨勢發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為工業(yè)自動化領域廣為關注的焦點，現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)使測控系統(tǒng)沖破了封閉系統(tǒng)的長期禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對我國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個極好的機會，也是一次嚴峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場總線技術是控制、計算機和通信技術的交叉與集成，涉及的內(nèi)容十分廣泛，應不失時機地抓好我國現(xiàn)場總線技術與產(chǎn)品的研究與開發(fā)。自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術受計算機網(wǎng)絡技術的影響是十分深刻的。當代網(wǎng)絡技術日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡新技術必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術有智能儀表與網(wǎng)絡設備開發(fā)的軟硬件技術、組態(tài)技術（包括網(wǎng)絡拓撲結(jié)構、網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡互聯(lián)等）、網(wǎng)絡管理技術（包括網(wǎng)絡管理軟件、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)操作與傳輸）、人機接口與軟件技術、現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展之中的技術，我國在這一技術領域還剛剛起步，了解國際上該項技術的現(xiàn)狀與發(fā)展動向，對我國相關行業(yè)的發(fā)展，對自動化技術、設備的更新，無疑具有重要的作用。總體來說，自動化系統(tǒng)與設備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構的方向前進，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標準規(guī)范，但由于這一技術所涉及的應用領域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化和家庭自動化等，因此，一個現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標準。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術均具有自己的特點，已在不同應用領域形成了自己的優(yōu)勢，它們都力求在十分激烈的市場競爭中尋求發(fā)展。有理由認為，在從現(xiàn)在起的未來10年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)存在幾種總線標準的設備通過路由網(wǎng)關互聯(lián)以實現(xiàn)信息共享的局面。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線（四）現(xiàn)場總線的功能由于標準實質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對現(xiàn)場總線也有不同的定義，但現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下6個方面。

1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡。

2.現(xiàn)場設備互聯(lián)現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互聯(lián)。傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線

3.互操作性現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備，所以，連接來自不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望由于選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大力氣，而希望選用性價比最優(yōu)的產(chǎn)品并將其集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”，這需要對不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構成所需要的控制回路?，F(xiàn)場設備互聯(lián)是基本的要求，只有實現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。

4.分散功能塊

FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，也可以有PID控制和運算模塊，甚至有閥門特性自檢驗和自診斷功能。由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構成所需的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)徹底的分散控制。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線

5.通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取電力，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設備都必須嚴格遵循安全防爆標準，現(xiàn)場總線設備也不例外。

6.開放式互聯(lián)網(wǎng)絡現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡，它既可與同層網(wǎng)絡互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡互聯(lián)，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。不同制造商的網(wǎng)絡互聯(lián)十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力就可以通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能塊實行統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的FCS。一、現(xiàn)場總線概述單元3現(xiàn)場總線（一）現(xiàn)場總線的特點

1.系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設備之間可進行互聯(lián)并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)可以與任何遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權力交給了用戶，用戶可按自己的需要把來自不同供應商的產(chǎn)品組成任意大小的系統(tǒng)。

2.可操作性與互用性這里的可操作性是指實現(xiàn)互聯(lián)設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實現(xiàn)點對點、點對多點的數(shù)字通信?；ビ眯詣t意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。二、現(xiàn)場總線的技術特點單元3現(xiàn)場總線

3.現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性現(xiàn)場總線將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

4.系統(tǒng)結(jié)構的高度分散性由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構，提高了可靠性。

5.對現(xiàn)場環(huán)境的適應性作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線及電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足安全防爆等要求。二、現(xiàn)場總線的技術特點單元3現(xiàn)場總線（二）現(xiàn)場總線的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構的簡化，使控制系統(tǒng)從設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出諸多優(yōu)越性。

1.節(jié)省硬件數(shù)量與投資由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術等功能單元及復雜接線，還可以用工控PC作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資。由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

2.節(jié)省安裝費用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙紋線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒和橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無須增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關典型試驗工程的測算資料顯示，該方法可節(jié)約安裝費用60%以上。二、現(xiàn)場總線的技術特點單元3現(xiàn)場總線

3.節(jié)約維護開銷由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與處理簡單故障的能力，可通過數(shù)字通信將相關的診斷維護信息送往控制室，讓用戶查詢所有設備的運行、診斷、維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，從而縮短了維護時間，且由于系統(tǒng)結(jié)構簡化、連線簡單而減少了維護工作量。

4.用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)，避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而局限了設備的選擇范圍，不會因不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，從而讓系統(tǒng)集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。

5.提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構簡化，設備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，亦減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，還具有設計簡單、易于重構等優(yōu)點。二、現(xiàn)場總線的技術特點單元3現(xiàn)場總線為了實現(xiàn)不同設備之間的互聯(lián)操作與數(shù)據(jù)交換，國際標準化組織ISO/TC97于1978年建立了“開放系統(tǒng)互聯(lián)”分技術委員會，起草了開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的建議草案，并于1983年成為正式的國際標準。ISO74于1986年又對該標準進行了進一步的完善和補充，形成了為實現(xiàn)開放系統(tǒng)互聯(lián)所建立的分層模型，簡稱OSI參考模型。這是為異種計算機互聯(lián)提供了一個共同基礎和標準框架，并為保持相關標準的一致性和兼容性提供了共同的參考。“開放”并不是指對特定系統(tǒng)實現(xiàn)具體的互聯(lián)技術或手段，而是對標準的認同。一個系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任一遵守相同標準的其他系統(tǒng)互聯(lián)通信。

OSI參考模型是在博采眾長的基礎上形成的系統(tǒng)互聯(lián)技術，它促進了數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。OSI參考模型提供了概念性和功能性結(jié)構，將開放系統(tǒng)的通信功能劃分為7個層次，各層的協(xié)議細節(jié)由各層獨立進行，一旦引入新技術或提出新的業(yè)務要求，就可以把因功能擴充、變更所帶來的影響限制在直接有關的層內(nèi)，而不必改動全部協(xié)議。OSI參考模型分層的原則是將相似的功能集中在同一層內(nèi)，功能差別較大時分層處理，每層只對相鄰的上下層定義接口。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線

OSI參考模型通信功能的7個層次從連接物理介質(zhì)的層次開始，分別賦予1，2，…，7層的順序編號，相應地稱為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。OSI參考模型如圖6－3－1所示。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線

OSI模型的分層原則為:根據(jù)不同層次作抽象分層；每層應當實現(xiàn)一個定義明確的功能；每層功能的選擇應該有助于制定網(wǎng)絡協(xié)議的國際標準；各層邊界的選擇應盡量減少跨過接口的通信量；層次應足夠多，以避免不同的功能混雜在同一層中，但也不能太多，否則體系結(jié)構會過于龐大。下面將從最下層開始，依次討論OSI參考模型的各層。請注意，OSI模型本身不是網(wǎng)絡體系結(jié)構的全部內(nèi)容，因為它并未確切地描述用于各層的協(xié)議和服務，僅僅是告訴我們每層應該做什么。不過，ISO已經(jīng)為各層制定了標準，它們并不是參考模型的一部分，而是作為獨立的國際標準公布的。（一）物理層物理層涉及通信在信道上傳輸?shù)脑急忍亓鳌Ｎ锢韺釉谠O計上必須保證一方發(fā)出二進制“1”時，另一方收到的也是“1”而不是“0”。這里的典型問題是用多少伏特電壓表示“1”，多少伏特電壓表示“0”；一個比特持續(xù)多少微秒；傳輸是否在兩個方向上同時進行；最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；網(wǎng)絡接插件有多少針以及各針的用途。這里的設計主要是處理機械的、電氣的和過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質(zhì)等問題。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線（二）數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務是加強物理層傳輸原始比特的功能，使之對網(wǎng)絡層顯現(xiàn)為一條無錯線路。發(fā)送方把輸入數(shù)據(jù)分裝在數(shù)據(jù)幀里（典型的幀為幾百字節(jié)或幾千字節(jié)），按順序傳送各幀，并處理接收方回送的確認幀。因為物理層僅用于接收和傳送比特流，并不關心它的意義和結(jié)構，所以只能依賴各鏈路層來產(chǎn)生和識別幀邊界，可以通過在幀的前面和后面附加特殊的二進制編碼模式來達到這一目的，如果這些二進制編碼偶然在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，則必須采取特殊措施以避免混淆。傳輸線路上突發(fā)的噪聲干擾可能把幀完全破壞掉。在這種情況下，發(fā)送方機器上的數(shù)據(jù)鏈路軟件必須重傳該幀。然而，相同幀的多次重傳也可能使接收方收到重復幀，比如接收方給發(fā)送方的確認丟失以后，就可能收到重復幀。數(shù)據(jù)鏈路層要解決由于幀的破壞、丟失和重復所出現(xiàn)的問題。數(shù)據(jù)鏈路層可能向網(wǎng)絡層提供幾類不同的服務，每一類都有不同的服務質(zhì)量和價格。數(shù)據(jù)鏈路層要解決的另一個問題（在大多數(shù)層上也存在）是防止高速的發(fā)送方數(shù)據(jù)把低速的接收方“淹沒”。因此需要有某種流量調(diào)節(jié)機制，使發(fā)送方知道當前接收方還有多少緩存空間。通常流量調(diào)節(jié)和出錯處理同時完成。如果線路能用于雙向傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈路軟件還必須解決新的麻煩，即從A到B數(shù)據(jù)幀的確認幀將同從B到A的數(shù)據(jù)幀爭奪線路的使用權。對此所采取的借道就是一種巧妙的方法，將在后文中進行討論。廣播式網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)鏈路層還要處理新的問題，即如何控制對共享信道的訪問，數(shù)據(jù)鏈路層的一個特殊的子層——介質(zhì)訪問子層，就是專門處理這個問題的。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線（三）網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層關系到子網(wǎng)的運行控制，其中一個關鍵問題是確定分組從源端到目的端如何選擇路由。路由既可以選用網(wǎng)絡中固定的靜態(tài)路由表，幾乎保持不變，也可以在每一次會話開始時決定（例如通過終端對話決定），還可以根據(jù)當前網(wǎng)絡的負載狀況，靈活地為每一個分組決定路由。如果在子網(wǎng)中同時出現(xiàn)過多的分組，它們將相互阻塞通路，形成瓶頸。此類擁塞控制屬于網(wǎng)絡層的范圍。因為擁有子網(wǎng)的人總是希望他們提供的子網(wǎng)服務能得到報酬，所以網(wǎng)絡層常常設有記賬功能。最低限度下，軟件必須對每一個顧客究竟發(fā)送了多少分組、多少字符或多少比特進行記數(shù)，以便于生成賬單。當分組跨越國界時，由于雙方稅率可能不同，記賬更加復雜。當分組不得不跨越一個網(wǎng)絡以到達目的地時，新的問題又會產(chǎn)生：第二個網(wǎng)絡的尋址方法可能和第一個網(wǎng)絡完全不同；第二個網(wǎng)絡可能由于分組太長而無法接收；兩個網(wǎng)絡使用的協(xié)議也可能不同等。網(wǎng)絡層必須解決這些問題，以便異種網(wǎng)絡能夠兼容互聯(lián)。在廣播網(wǎng)絡中，選擇路由問題很簡單，因此網(wǎng)絡層很弱甚至不存在。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線（四）傳輸層傳輸層的基本功能是從會話層接收數(shù)據(jù)，并且在必要時把數(shù)據(jù)分成較小的單元，傳遞給網(wǎng)絡層，并確保到達對方的各段信息正確無誤，而且這些任務都必須高效率地完成。從某種意義上講，傳輸層使會話層不受硬件技術變化的影響。通常，會話層每請求建立一個傳輸連接，傳輸層就為其創(chuàng)建一個獨立的網(wǎng)絡連接。如果傳輸連接需要較高的信息吞吐量，傳輸層也可以為之創(chuàng)建多個網(wǎng)絡連接，讓數(shù)據(jù)在這些網(wǎng)絡連接上分流，以提高吞吐量。另一方面，如果創(chuàng)建或維持一個網(wǎng)絡連接不合算，傳輸層可以將幾個傳輸連接復用到一個網(wǎng)絡連接上，以降低費用。在任何情況下，都要求傳輸層能使多路復用對會話層透明。傳輸層也要決定向會話層，最終向網(wǎng)絡用戶提供什么樣的服務。最流行的傳輸連接是一條無錯的、按發(fā)送順序傳輸報文或字節(jié)的點到點的信道。但是，有的傳輸服務不能保證依傳輸次序的獨立報文傳輸和多目標報文廣播。采用哪種服務是在建立連接時確定的。傳輸層是真正的從源到目標“端到端”的層。也就是說，源端機上的某程序，利用報文頭和控制報文與目標機上的類似程序進行對話。在傳輸層以下的各層中，協(xié)議是每臺機器與和它直接相鄰的機器間的協(xié)議，而不是最終的源端機與目標機之間的協(xié)議，在它們中間可能還有多個路由器。圖631說明了這種區(qū)別：1～3層是鏈接起來的，4～7層是端到端的。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線很多主機有多道程序在運行，這意味著這些主機有多條連接進出，因此需要有某種方式來區(qū)別報文屬于哪條連接。識別這些連接的信息可以放入傳輸層的報文頭。除了將幾個報文流多路復用到一條通道上，傳輸層還必須解決跨網(wǎng)絡連接的建立和拆除。這需要某種命名機制，使機器內(nèi)的進程可以講明它希望與誰對話。另外，還需要一種機制以調(diào)節(jié)通信量，使高速主機不會發(fā)生過快向低速主機傳輸數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。這樣的機制稱為流量控制，在傳輸層（同樣在其他層）中扮演著關鍵角色。主機之間的流量控制和路由器之間的流量控制不同，盡管后文中將看到類似的原理對二者都適用。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線（五）會話層會話層允許不同機器上的用戶建立會話關系。會話層允許進行類似傳輸層的普通數(shù)據(jù)的傳輸，并提供了對某些應用有用的增強服務會話，也可用于遠程登錄到分時系統(tǒng)或在兩臺機器間傳遞文件。會話層的服務之一是管理對話。會話層允許信息同時雙向傳輸，或任一時刻只能單向傳輸。若屬于后者，則類似于單線鐵路，會話層將記錄此時該輪到哪一方了。

1.令牌管理有些協(xié)議保證雙方不能同時進行同樣的操作，這一點很重要。為了管理這些活動，會話層提供了令牌，令牌可以在會話雙方之間交換，只有持有令牌的一方可以執(zhí)行某種關鍵操作。

2.同步如果網(wǎng)絡平均每小時出現(xiàn)一次大故障，而兩臺計算機之間要進行長達兩小時的文件傳輸該怎么辦呢？如果不作處理，每一次傳輸中途失敗后，都不得不重新傳輸這個文件，而當網(wǎng)絡再次出現(xiàn)故障時，又可能半途而廢了。為了解決這個問題，會話層提供了一種方法，即在數(shù)據(jù)流中插入檢查點，這樣在每次網(wǎng)絡崩潰后僅需要重傳最后一個檢查點以后的數(shù)據(jù)。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線（六）表示層表示層用于完成某些特定的功能。由于這些功能常被請求，因此人們希望找到通用的解決辦法，而不是讓每個用戶來實現(xiàn)。值得一提的是，表示層以下的各層只關心可靠地傳輸比特流，而表示層關心的是所傳輸?shù)男畔⒌恼Z法和語義。表示層服務的一個典型例子是用一種大家一致同意的標準方法對數(shù)據(jù)進行編碼。大多數(shù)用戶程序之間并不是交換隨機的比特流，而是諸如人名、日期、貨幣數(shù)量和發(fā)票之類的信息，這些對象是用字符串、整型、浮點數(shù)的形式，以及幾種簡單類型組成的數(shù)據(jù)結(jié)構來表示的。不同的機器用不同的代碼來表示字符串（如ASCI和Unicode）、整型（如二進制反碼和二進制補碼）等，為了讓采用不同表示法的計算機之間能進行通信，交換中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構可以用抽象的方式來定義，并且使用標準的編碼方式。表示層管理這些抽象數(shù)據(jù)結(jié)構，并且在計算機內(nèi)部表示法和網(wǎng)絡的標準表示法之間進行轉(zhuǎn)換。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線（七）應用層應用層包含大量人們普遍需要的協(xié)議。例如，世界上有成百種不兼容的終端型號，如果希望一個全屏幕編輯程序能工作在不同的終端類型上，而每個終端都有不同的屏幕格式、插入和刪除文本的換碼序列、光標移動等，其困難可想而知。解決這一問題的方法之一是定義一個抽象的網(wǎng)絡虛擬終端，讓編輯程序和其他所有程序都面向該虛擬終端，并且對每一種終端類型都寫一段軟件代碼，從而把網(wǎng)絡虛擬終端映射到實際的終端。例如，當把虛擬終端的光標移到屏幕左上角時，該軟件必須發(fā)出適當?shù)拿钍拐嬲慕K端的光標移動到同一位置。所有虛擬終端軟件都位于應用層。應用層的另一個功能是文件傳輸。不同的文件系統(tǒng)有不同的文件命名原則，文本行有不同的表示方式等。不同的系統(tǒng)之間傳輸文件所需處理的各種不兼容問題，也同樣屬于應用層的工作。此外還有電子郵件、遠程作業(yè)輸入、名錄查詢和其他各種通用和專用的功能。三、現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡模型——OSI通信參考模型單元3現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線設備是指連接在現(xiàn)場總線上的各種儀表設備。這些設備按其功能可分為變送器設備、執(zhí)行器類設備、信號轉(zhuǎn)換類設備、接口類設備、電源類設備和附件類設備。（一）現(xiàn)場總線設備的分類現(xiàn)場總線設備是指內(nèi)置微處理器，并具有數(shù)字計算、數(shù)字通信功能的現(xiàn)場設備。這類現(xiàn)場總線設備通常被稱為現(xiàn)場總線儀表，它們安裝在現(xiàn)場，與現(xiàn)場總線連接，輸入或輸出現(xiàn)場總線信號?，F(xiàn)場總線設備分類如下：

1.現(xiàn)場總線變送器類設備這是最常用的現(xiàn)場總線設備，這類現(xiàn)場總線設備用于檢測生產(chǎn)環(huán)境的變量，并具有將過程變量信號轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場總線信號的功能。根據(jù)被檢測過程變量的不同，現(xiàn)場總線變送器類設備有不同的類型。檢測的過程變量有差壓、壓力、流量、液位、溫度及成分等。

2.現(xiàn)場總線執(zhí)行器類設備這類現(xiàn)場總線設備用于對生產(chǎn)過程進行操作和控制，也用于改變控制系統(tǒng)的操縱變量，具有將現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器動作的功能。大多數(shù)這類設備帶PID控制功能塊。四、現(xiàn)場總線設備單元3現(xiàn)場總線

3.現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換類設備這類現(xiàn)場總線設備是現(xiàn)場總線變送器類設備和執(zhí)行器類設備的特例，主要用于原有模擬儀表的轉(zhuǎn)換。

4.現(xiàn)場總線接口類設備這類現(xiàn)場總線設備用于將其他總線系統(tǒng)與現(xiàn)場總線連接，如與PCI總線、ISA總線或以太網(wǎng)等連接，實現(xiàn)與其他計算機系統(tǒng)的連接。最常用的現(xiàn)場總線接口類設備是與DCS系統(tǒng)輸入輸出總線連接的接口設備。

5.現(xiàn)場總線電源類設備現(xiàn)場總線電源類設備一般不含微處理器，但屬于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的必需設備，包括現(xiàn)場總線電源調(diào)整器設備、供電電源設備等。

6.現(xiàn)場總線附件類設備這類現(xiàn)場總線設備不含微處理器，屬于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的附屬設備，如中繼器、安全柵等。四、現(xiàn)場總線設備單元3現(xiàn)場總線（二）現(xiàn)場總線設備與一般智能儀表的區(qū)別現(xiàn)場總線設備與一般智能儀表之間的主要區(qū)別如下：

1.一般智能儀表通常不具有通信功能，或不能用現(xiàn)場總線通信；而現(xiàn)場總線設備則采用現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.一般智能儀表沒有節(jié)點地址，在使用時也不存在尋址問題；而現(xiàn)場總線設備具有唯一的節(jié)點地址，這是在儀表出廠時就設置好的。

3.一般智能儀表的組態(tài)既可以從上位機下裝，也可通過手握式編程器實現(xiàn)；現(xiàn)場總線設備通常由資源塊、轉(zhuǎn)換器塊和相關功能塊組成，它的組態(tài)通常由上位機下裝實現(xiàn)。四、現(xiàn)場總線設備單元3現(xiàn)場總線（三）現(xiàn)場總線設備的特點

1.全數(shù)字現(xiàn)場總線設備是全數(shù)字式儀表，采用全數(shù)字通信，它的輸入輸出信號是現(xiàn)場總線信號。

2.精度高現(xiàn)場總線設備減少了數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，消除了儀表本身的轉(zhuǎn)換誤差，提高了儀表的測量精度。

3.多變量測量一般儀表只能測量一個過程變量，而現(xiàn)場總線設備可同時測量多個過程變量。

4.多變量傳送現(xiàn)場總線設備可輸出多個信號并同時傳輸。

5.抗干擾能力強因為現(xiàn)場總線設備采用全數(shù)字通信，所以一般的電磁干擾對其影響不大，加上現(xiàn)場總線通信采用循環(huán)冗余碼檢驗、重發(fā)等抗干擾機制，信號傳輸?shù)恼`碼率大大降低，提高了儀表的抗干擾能力。四、現(xiàn)場總線設備單元3現(xiàn)場總線

6.數(shù)據(jù)信息量大現(xiàn)場總線設備可同時傳輸多個信號和多種類型的信號。

7.計算和控制功能強現(xiàn)場總線設備可內(nèi)置各種計算和控制功能塊，進而可實現(xiàn)所需的計算或控制功能，縮短了傳輸延遲，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8.分散控制現(xiàn)場總線設備將控制分散到現(xiàn)場，從而使危險被分散。

9.改善控制系統(tǒng)控制品質(zhì)現(xiàn)場總線執(zhí)行器采用前向補償環(huán)節(jié)實現(xiàn)對被控對象的非線性補償，從根本上解決了閥門定位器采用反饋凸輪引入的串級副環(huán)非線性和不穩(wěn)定問題。因此，它不僅可以補償被控對象的非線性特性，還可以解決壓降比造成的非線性問題。四、現(xiàn)場總線設備單元3現(xiàn)場總線

10.機電一體化現(xiàn)場總線設備是機電一體化產(chǎn)品，它將控制和管理集成，將機電儀表集成，因此，最終的產(chǎn)品更簡單，性能更可靠，管理更方便，運行更穩(wěn)定。

11.標準化現(xiàn)場總線設備采用標準通信協(xié)議、標準功能塊和對象字典等，降低了設計、安裝和維護人員的培訓成本，便于過程操作、組態(tài)操作和維修操作。

12.互操作性互操作性是不同制造商的產(chǎn)品可互相操作而不影響其功能的性能。

13.綜合成本降低現(xiàn)場總線設備可檢測多個過程變量，并可帶多個計算或控制功能塊，可傳送多個變量，它不需要信號轉(zhuǎn)換和隔離等措施，而且減少了電纜數(shù)量和安裝費用，減少了機柜、接插件和電纜橋架等安裝空間和部件，降低了設計成本和調(diào)試成本。四、現(xiàn)場總線設備單元3現(xiàn)場總線（一）CAN

CAN是控制器局域網(wǎng)的簡稱，最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens和NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。

CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎上的，不過，其模型結(jié)構只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達1Mbits（傳輸距離為40m），直接傳輸距離最遠可達10km（傳輸速率為5kb/s），可掛接設備最多可達110個。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線

CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，自動關閉功能可切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送信息。

CAN支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免總線沖突。已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信控制器，如Intel公司的82527、NXP公司的SJA100、Microchip公司的MCP2515等。還有插在PC上的CAN總線適配器，具有接口簡單、編程方便及開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線（二）DeviceNet在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場設備完成本地的控制、監(jiān)視和診斷等任務，還要能通過網(wǎng)絡與其他控制設備及PLC進行對等通信，因此現(xiàn)場設備多設計成內(nèi)置智能式?；谶@樣的現(xiàn)狀，美國RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網(wǎng)絡，很好地實現(xiàn)了低成本、高性能的工業(yè)設備的網(wǎng)絡互聯(lián)。

DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet又是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案，在提供多供貨商同類部件間可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設備的成本和時間。DeviceNet的直接互聯(lián)性不僅改善了設備間的通信，而且提供了相當重要的設備級診斷功能，這是I/O接口很難實現(xiàn)的。

DeviceNet是一個開放式網(wǎng)絡標準，規(guī)范和協(xié)議都是開放的，廠商將設備連接到系統(tǒng)時無須購買硬件、軟件或許可權。任何人都能以少量的復制成本從開放式DeviceNet供貨商協(xié)會（ODVA）獲得DeviceNet規(guī)范，任何制造DeviceNet產(chǎn)品的公司都可以加入ODVA，并參加對DeviceNet規(guī)范進行增補的技術工作組。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線

DeviceNet規(guī)范的購買者將得到一份不受限制的、真正免費的DeviceNet產(chǎn)品開發(fā)許可。尋求開發(fā)幫助的公司可以通過任何渠道購買使其工作簡易化的樣本源代碼、開發(fā)工具包和各種開發(fā)服務。

DeviceNet具有如下特點：

1.DeviceNet基于CAN總線技術，它可連接開關、光電傳感器、閥組、電動機啟動器、過程傳感器、變頻調(diào)速設備、固態(tài)過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為125～500kb/s，每個網(wǎng)絡的最大節(jié)點數(shù)是64個，干線長度為100～500m。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線

2.DeviceNet使用的通信模式是生產(chǎn)者/客戶。該模式允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點同時存取同一源數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡通信效率更高；由于采用多信道廣播信息發(fā)送方式，各個客戶可在同一時間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡利用率亦更高。生產(chǎn)者客戶模式與傳統(tǒng)的“源/目的”通信模式相比，前者采用多信道廣播式，網(wǎng)絡節(jié)點同步化，網(wǎng)絡效率高；后者采用應答式，如果要向多個設備傳送信息，則需要對這些設備分別進行“呼”和“應”通信，即使是同一信息，也需要制造多個信息包，這樣會增加網(wǎng)絡的通信量，導致網(wǎng)絡響應速度受限制，難以滿足高速的、對時間苛刻的實時控制。

3.設備可互換性。各個銷售商所生產(chǎn)的符合DeviceNet網(wǎng)絡和行規(guī)標準的簡單裝置（如按鈕、電動機啟動器、光電傳感器和限位開關等）都可以互換，為用戶提供靈活性和可選擇性。

4.DeviceNet網(wǎng)絡上的設備可以隨時連接或斷開，而不會影響網(wǎng)絡上其他設備的運行，方便維護和減少維修費用，也便于系統(tǒng)的擴充和改造。

5.DeviceNet網(wǎng)絡上的設備安裝比傳統(tǒng)的I/O布線更加節(jié)省費用，尤其是當設備分布在幾百米范圍內(nèi)時，更有利于降低布線安裝成本。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線

6.利用RSNetworkforDeviceNet軟件可方便地對網(wǎng)絡上的設備進行配置、測試和管理，網(wǎng)絡上的設備以圖形方式顯示工作狀態(tài)，一目了然?，F(xiàn)場總線技術具有網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化、開放性的特點，需要多個企業(yè)相互支持、相互補充來構成整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。為便于技術發(fā)展和企業(yè)之間的協(xié)調(diào)，統(tǒng)一宣傳推廣技術和產(chǎn)品，通常每種現(xiàn)場總線都有一個組織來統(tǒng)一協(xié)調(diào)。DeviceNet總線的組織機構是“開放式設備網(wǎng)絡供應商協(xié)會”，它是一個獨立組織，管理DeviceNet技術規(guī)范，促進DeviceNet在全球的推廣與應用。該機構實行會員制，會員分供貨商會員和分銷商會員。現(xiàn)有供貨商會員310個，包括幾乎所有世界著名的電器和自動化元件生產(chǎn)商。該機構的作用是幫助供貨商會員向DeviceNet產(chǎn)品開發(fā)者提供技術培訓、產(chǎn)品一致性試驗工具和試驗。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線（三）PROFIBUS

PROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線，ISO/OSI模型也是它的參考模型。PROFIBUS系列由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS和PROFIBUSPA組成。

DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化。PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC11582標準。該項技術采用了OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成其標準第一部分的子集。DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口；FMS型只隱去第3～6層，保留了應用層，作為標準的第二部分；PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC11582（H1）標準，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。五、常見總線類型單元3現(xiàn)場總線

PROFIBUS支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)和多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式，主站具有對總線的控制權，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權，并事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按PROFIBUS的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主→從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可釆取對所有站點廣播（不要求應答），或有選擇地向一組站點廣播。

PROFIBUS的傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s，最大傳輸距離在9.6kb/s時為1200m，1.5Mb/s時為200m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。五、常見總線類型目錄單元1通信技術基礎單元2

I/O通信單元3現(xiàn)場總線單元4工業(yè)以太網(wǎng)單元4工業(yè)以太網(wǎng)單元4工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3標準的強大區(qū)域和單元網(wǎng)絡。隨著工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方向發(fā)展，開放、透明的通信協(xié)議是必然的要求。以太網(wǎng)（EtherNet）具有傳輸速率快、低耗、易于安裝、兼容性好、軟硬件產(chǎn)品豐富和支持技術成熟等方面的優(yōu)勢，幾乎支持所有流行的網(wǎng)絡協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近年來，以太網(wǎng)逐漸進入工業(yè)控制領域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡技術。一、業(yè)以太網(wǎng)概述單元4工業(yè)以太網(wǎng)（一）以太網(wǎng)引入工業(yè)控制領域的技術優(yōu)勢以太網(wǎng)技術引入工業(yè)控制領域，具有非常明顯的技術優(yōu)勢。

1.以太網(wǎng)是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡，遵照網(wǎng)絡協(xié)議，不同廠商的設備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。

2.以太網(wǎng)能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡。

3.以太網(wǎng)軟硬件成本低廉，且由于技術已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶選擇。

4.以太網(wǎng)通信速率快。隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前標準以太網(wǎng)的通信速率為10Mb/s，100Mb/s的快速以太網(wǎng)已廣泛應用，千兆以太網(wǎng)技術也逐漸成熟，10Gb/s的以太網(wǎng)也正在研究中，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。

5.以太網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｔ谶@信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展在很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡。當前信息技術與通信技術的發(fā)展更加迅速，也更加成熟，保證了以太網(wǎng)技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。一、業(yè)以太網(wǎng)概述單元4工業(yè)以太網(wǎng)（二）以太網(wǎng)引入工業(yè)控制領域存在的問題以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域，同樣也存在一些問題。

1.實時性問題以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實時的。一條總線上有多個節(jié)點平等競爭總線，等待總線空閑，這種方式很難滿足工業(yè)控制領域?qū)崟r性的要求，這成為以太網(wǎng)技術進入工業(yè)控制領域的技術瓶頸。

2.對工業(yè)環(huán)境的適應性與可靠性問題以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設計的，引入工業(yè)控制領域需使其具有的抗干擾能力、外觀設計等符合工業(yè)現(xiàn)場的要求。一、業(yè)以太網(wǎng)概述單元4工業(yè)以太網(wǎng)

3.適用于工業(yè)自動化控制的應用層協(xié)議問題目前，以太網(wǎng)信息網(wǎng)絡中應用層協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構等特性不適用于工業(yè)控制領域現(xiàn)場設備之間的實時通信，因此還需定義統(tǒng)一的應用層規(guī)范。

4.本質(zhì)安全和網(wǎng)絡安全問題工業(yè)以太網(wǎng)如果用在易燃易爆的危險工作場所，必須考慮安全問題。另外，工業(yè)以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅。

5.服務質(zhì)量問題隨著技術的進步，工廠控制底層的信號已不局限在單純的數(shù)字和模擬量上，還可能包括視頻和音頻，網(wǎng)絡應能根據(jù)不同用戶需求及不同的內(nèi)容適度地保證實時性的要求。一、業(yè)以太網(wǎng)概述單元4工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)在技術上應與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在設計時，于材質(zhì)選用、產(chǎn)品強度、適用性以及實時性、可操作性、可靠性、抗干擾性和安全等方面必須滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展與普及推廣，以太網(wǎng)技術也得到了迅速的發(fā)展：以太網(wǎng)傳輸速率的提高和交換技術的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)通信的不確定性問題帶來了希望，并使以太網(wǎng)全面應用于工業(yè)控制領域成為可能。目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個方面：（一）通信確定性與實時性工業(yè)控制網(wǎng)絡不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的最大特點在于，它必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸要足夠快并滿足信號的確定性。由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術難以滿足控制系統(tǒng)要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為不確定性的網(wǎng)絡。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)然而，快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的不確定性問題帶來了新的契機，使這一應用成為可能。首先，以太網(wǎng)的通信速率從10Mb/s、100Mb/s增大到如今的1000Mb/s、10Gb/s，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡碰撞概率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，交換機將網(wǎng)絡劃分為若干個網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使接口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞，同時交換機還可對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上能分別同時接收和發(fā)送報文幀而不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡上的沖突域不復存在（全雙工通信），或碰撞概率大大降低（半雙工），使以太網(wǎng)通信確定性和實時性大大提高。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)（二）穩(wěn)定性與可靠性以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫和防塵等），故商用網(wǎng)絡產(chǎn)品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。為了確保網(wǎng)絡在不間斷的工業(yè)應用領域、極端條件下也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、JeterAG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上并由冗余電源供電，接插件采用牢固的DB9結(jié)構。2002年6月推出的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品——MOXAEtherDeviceServer（工業(yè)以太網(wǎng)設備服務器），用于連接工業(yè)應用中具有以太網(wǎng)接口的工業(yè)設備（如PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等）。在IEEE802.3af標準中，對EtherNet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡技術，以此提高網(wǎng)絡的抗干擾能力和可靠性。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)（三）工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議工業(yè)自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，還是一個借助網(wǎng)絡完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令執(zhí)行某些控制、計算與操作功能，由多個網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)調(diào)完成自控任務，因而它需要在應用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)互操作所需的條件。對應于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，至于在其之上的網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主。以太網(wǎng)對較高的層次如會話層、表示層和應用層等沒有作技術規(guī)定，目前商用計算機設備之間是通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）和SNMP（簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）等應用層協(xié)議進行信息透明訪問的，但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構等特性不適用于工業(yè)過程控制領域現(xiàn)場設備之間的實時通信。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應用要求，必須在以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，并制訂有效的實時通信服務機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務，從而形成能夠被廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶接受的應用層、用戶層協(xié)議，最終創(chuàng)立一套開放的標準。為此，各現(xiàn)場總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術，以及原有的低速現(xiàn)場總線應用層協(xié)議，構成了新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如HSE、PROFINET、EtherNet/IP等。近年來，工業(yè)以太網(wǎng)的興起引起了自動控制領域的重視，同時許多人擔心工業(yè)以太網(wǎng)標準的不統(tǒng)一會影響其滲透到自動控制網(wǎng)絡的應用——現(xiàn)場總線標準爭論了10年，工業(yè)以太網(wǎng)標準或許也會這樣。目前，IEC61158標準中有8種現(xiàn)場總線，這8種總線各有各的規(guī)范，互不兼容。工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展形成的4類不同協(xié)議標準，分別是由主要的現(xiàn)場總線生產(chǎn)廠商和集團支持開發(fā)的：FF和WorldFIP向FieldbusFoundationHSE發(fā)展；ControlNet和DeviceNet向EtherNet/IP發(fā)展；INTERBUS和ModBus向IDA發(fā)展；PROFIBUS向PROFINET發(fā)展。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)這四類工業(yè)以太網(wǎng)標準都有支持的廠商并且目前已有相應產(chǎn)品，一些國際組織也在積極推進以太網(wǎng)進入控制領域：美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）正在著手制定現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信的新標準，該標準將使網(wǎng)絡能看到“對象”；工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡聯(lián)盟（IAONA）最近與DeviceNet供應商協(xié)會（ODVA）和IDA集團就共同推進EtherNet和TCP/IP統(tǒng)一認識，努力建立一個統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境；現(xiàn)場總線基金會繼續(xù)推進高速以太網(wǎng)HSE的技術規(guī)范和應用；工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會與美國的ARC、AdvisoryGroup等單位合作，正在進行工業(yè)以太網(wǎng)關鍵技術的研究。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)（四）工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢從目前的趨勢看，以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域是必然的，但會同時存在幾個標準?，F(xiàn)場總線目前處于相對穩(wěn)定時期，已有的現(xiàn)場總線仍將存在，并非每種總線都將被工業(yè)以太網(wǎng)替代。伴隨著多種現(xiàn)場總線的工業(yè)以太網(wǎng)標準在近期內(nèi)也不會完全統(tǒng)一，會同時存在多個協(xié)議和標準。由于以太網(wǎng)具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富和應用支持技術成熟等優(yōu)點，目前已在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應用，并呈現(xiàn)向下延伸、直接應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。從目前國際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展來看，工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應用，并成為事實上的標準。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備之間的互聯(lián)和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。總的來說，工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)

1.工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術的研究還只是近幾年才引起國內(nèi)外工業(yè)控制專家的關注。而現(xiàn)場總線經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在技術上日漸成熟，在市場上也開始了全面推廣，并且形成了一定的市場。就目前而言，工業(yè)以太網(wǎng)全面代替現(xiàn)場總線還存在一些問題，需要進一步深入研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的全新控制系統(tǒng)體系結(jié)構，開發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)的系列產(chǎn)品。因此，近一段時間內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展將與現(xiàn)場總線相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：

(1)物理介質(zhì)采用標準以太網(wǎng)連線，如雙絞線、光纖等。

(2)使用標準以太網(wǎng)連接設備（如交換機等），在工業(yè)現(xiàn)場使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

(3)采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組。

(4)應用層（甚至是用戶層）采用現(xiàn)場總線的應用層、用戶層協(xié)議。

(5)兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等。這方面比較典型的應用有法國施耐德公司推出的“透明工廠”的概念，即將工廠的商務網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡和現(xiàn)場級的儀表、設備網(wǎng)絡構成暢通的透明網(wǎng)絡，并與Web功能相結(jié)合，與工廠的電子商務、物資供應鏈和ERP等形成整體。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)

2.工業(yè)以太網(wǎng)技術直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信已成大勢所趨以太網(wǎng)通信速率的提高以及全雙工通信、交換技術的發(fā)展，為以太網(wǎng)通信確定性的解決提供了技術基礎，從而消除了以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信提供了技術可能。為此，國際電工委員會IEC正著手起草實時以太網(wǎng)標準，旨在推動以太網(wǎng)技術在工業(yè)控制領域的全面應用。針對這種形勢，浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學、大連理工大學和重慶郵電學院等單位，重點研究以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術，取得了重大成果。（1）以太網(wǎng)應用于現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術獲得重大突破：針對工業(yè)現(xiàn)場設備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，經(jīng)過認真細致的調(diào)研和分析，采用以下技術基本解決了以太網(wǎng)應用于現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)①實時通信技術。采用以太網(wǎng)交換技術、全雙工通信和流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實時性問題。②總線供電技術。采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。③遠距離傳輸技術。采用網(wǎng)絡分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡超小時滯中繼以及光纖等技術解決以太網(wǎng)的遠距離傳輸問題。④網(wǎng)絡安全技術。采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡隔離。⑤可靠性技術。采用分散結(jié)構化設計、EMC設計、冗余和自診斷等可靠性設計技術，提高基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場設備可靠性，經(jīng)實驗室EMC測試，設備可靠性符合工業(yè)現(xiàn)場控制要求。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)

(2)起草了EPA國家標準：以工業(yè)現(xiàn)場設備間通信為目標，以工業(yè)控制工程師（包括開發(fā)和應用）為使用對象，基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙技術+TCP/IP協(xié)議，起草了“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構和通信標準”（草案），并通過了由TC124組織的技術評審。

(3)開發(fā)了基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制設備及相關軟件原型樣機，并在化工生產(chǎn)裝置上得到成功應用：針對工業(yè)現(xiàn)場控制應用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾及EMC設計措施，開發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場控制設備，主要包括基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場設備通信模塊、變送器、執(zhí)行機構、數(shù)據(jù)采集器和軟PLC等成果。在此基礎上開發(fā)的基于EPA的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在杭州某化工廠的聯(lián)堿碳化裝置上得到成功應用，該系統(tǒng)自2003年4月投運后穩(wěn)定運行至今。二、工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展單元4工業(yè)以太網(wǎng)

3.發(fā)展前景據(jù)美國