現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù) 第2版 課件全套 第1-10章 緒論、控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) - 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN

第1章

緒論現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，以其應(yīng)用廣泛、通信速率高、成本低廉等優(yōu)勢(shì)引入到工業(yè)控制領(lǐng)域，成為新的熱點(diǎn)。本章首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行了概述，講述了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生、現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定、現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)講述了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其通信模型、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)模型分析、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)。然后介紹了比較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線FF、CAN和CANFD、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、CC-Link、ControlNet，同時(shí)對(duì)常用的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT、SERCOS、EthernetPOWERLINK、PROFINET和EPA進(jìn)行了介紹。最后講述了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。1.1現(xiàn)場(chǎng)總線概述現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）自產(chǎn)生以來(lái)，一直是自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，各自動(dòng)化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，并在不同的領(lǐng)域和行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。按照IEC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線一詞的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。這是由IEC/TC65負(fù)責(zé)測(cè)量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的SC65/WG6定義的。1.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)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(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)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(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報(bào)告、狀態(tài)報(bào)告、趨勢(shì)圖等功能。通信技術(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，基于質(zhì)量分析的維護(hù)管理、與安全相關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔?，并在必要時(shí)允許被管理和訪問(wèn)，這些也使現(xiàn)場(chǎng)儀表與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實(shí)際應(yīng)用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生。1.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下6個(gè)方面：1.現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)用于過(guò)程以及制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)。2.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅?、變送器和?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線互連，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)。3.互操作性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類繁多，沒(méi)有任何一家制造商可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”；用戶希望對(duì)不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互操作性的含義。1.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)4.分散供能塊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(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。5.通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上攝取能量，對(duì)于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備也不例外。6．開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡(jiǎn)便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。。1.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1.現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1-1所示。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。1.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)，如運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息等，同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器件。圖1-1FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較1.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)2．現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的開(kāi)放性（2）互可操作性與互用性（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性3．現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資（2）節(jié)省安裝費(fèi)用（3）節(jié)約維護(hù)開(kāi)銷（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性1.1.4現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定數(shù)字技術(shù)的發(fā)展完全不同于模擬技術(shù)，數(shù)字技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定往往早于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)決定著新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。IECTC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測(cè)量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)）于1999年底通過(guò)的8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158最早的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。最新的IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)于2007年7月出版。IEC61158第四版由多個(gè)部分組成，主要包括以下內(nèi)容：IEC61158–1總論與導(dǎo)則IEC61158–2物理層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范IEC61158–300數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義IEC61158–400數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范IEC61158–500應(yīng)用層服務(wù)定義IEC61158–600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范1.1.4現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)包括的現(xiàn)場(chǎng)總線類型如下：Type11TCnet實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type12EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type13EthernetPowerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type14EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type15Modbus-RTPS實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type16SERCOSI、II現(xiàn)場(chǎng)總線Type17VNET/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Type18CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線Type19SERCOSIII現(xiàn)場(chǎng)總線Type20HART現(xiàn)場(chǎng)總線Type1IEC61158（FF的H1）Type2CIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type3PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線Type4P-Net現(xiàn)場(chǎng)總線Type5FFHSE現(xiàn)場(chǎng)總線Type6SwiftNet被撤銷Type7WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type8INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線Type9FFH1以太網(wǎng)Type10PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)1.1.6現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)目前，各個(gè)公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時(shí)，都參考OSI七層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，且大都采用了其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增設(shè)了第8層即用戶層。1.物理層物理層定義了信號(hào)的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機(jī)械特性、信號(hào)傳輸速率等?，F(xiàn)場(chǎng)總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。Manchester編碼采用基帶傳輸，而NRZ編碼采用頻帶傳輸。調(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK?，F(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)主要有有線電纜、光纖和無(wú)線介質(zhì)。2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個(gè)子層，即介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對(duì)傳輸介質(zhì)傳送的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對(duì)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設(shè)備上?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權(quán)利，而從站則只有響應(yīng)主站訪問(wèn)的權(quán)利。1.1.6現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)3．應(yīng)用層應(yīng)用層可以分為兩個(gè)子層，上面子層是應(yīng)用服務(wù)層（FMS層），它為用戶提供服務(wù)；下面子層是現(xiàn)場(chǎng)總線存取層（FAS層），它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。應(yīng)用層可以分為兩個(gè)子層，上面子層是應(yīng)用服務(wù)層（FMS層），它為用戶提供服務(wù)；下面子層是現(xiàn)場(chǎng)總線存取層（FAS層），它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。應(yīng)用層的功能是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場(chǎng)總線變量的訪問(wèn)。它為用戶應(yīng)用提供接口，定義了如何應(yīng)用讀、寫、中斷和操作信息及命令，同時(shí)定義了信息、句法（包括請(qǐng)求、執(zhí)行及響應(yīng)信息）的格式和內(nèi)容。應(yīng)用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡(luò)，指定標(biāo)記和地址。同時(shí)按計(jì)劃配置應(yīng)用層，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，統(tǒng)計(jì)失敗和檢測(cè)新加入或退出網(wǎng)絡(luò)的裝置。4.用戶層用戶層是現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)開(kāi)放與可互操作性的關(guān)鍵。1.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述1.2.1以太網(wǎng)技術(shù)20世紀(jì)70年代早期，國(guó)際上公認(rèn)的第一個(gè)以太網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)于Xerox公司的PaloAltoResearchCenter（PARC），它以無(wú)源電纜作為總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)，在1000m的電纜上連接了100多臺(tái)計(jì)算機(jī)，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來(lái)命名，這就是如今以太網(wǎng)的鼻祖。1.2.2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)人們習(xí)慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。按照國(guó)際電工委員會(huì)SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境、符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)、按照IEEE802.1D“媒體訪問(wèn)控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范、對(duì)其沒(méi)有進(jìn)行任何實(shí)時(shí)擴(kuò)展（extension）而實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)。以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)比較如表1-4所示。項(xiàng)目工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備商用以太網(wǎng)設(shè)備元器件工業(yè)級(jí)商用級(jí)接插件耐腐蝕、防塵、防水，如加固型RJ45、DB-9、航空插頭等一般RJ45工作電壓24VDC220VAC電源冗余雙電源一般沒(méi)有安裝方式DIN導(dǎo)軌和其他固定安裝桌面、機(jī)架等工作溫度-40

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C電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)EN50081-2（工業(yè)級(jí)EMC）EN50082-2（工業(yè)級(jí)EMC）辦公室用EMCMTBF值至少10年3~5年表1-4以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的比較1.2.2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足以下要求：⑴具有較好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動(dòng)化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時(shí)性好。⑵可靠性和容錯(cuò)性要求：既能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，又能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時(shí)間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路。⑶力求簡(jiǎn)潔：減小軟硬件開(kāi)銷，從而降低設(shè)備成本，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的健壯性。⑷環(huán)境適應(yīng)性要求：包括機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（如耐振動(dòng)、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（工作溫度要求為-40℃~85℃，至少為-20℃~70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2/EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。⑸開(kāi)放性好：由于以太網(wǎng)技術(shù)被大多數(shù)的設(shè)備制造商所支持，并且具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，系統(tǒng)集成和擴(kuò)展更加容易。⑹安全性要求：在易爆可燃的場(chǎng)合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全。⑺總線供電要求：即要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時(shí)總線供電還能減少線纜，降低成本。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總線供電進(jìn)行了規(guī)范。⑻安裝方便：適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。1.2.3工業(yè)以太網(wǎng)通信模型工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型如圖1-2所示。圖1-2工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)相比，具有以下特征：⑴通信實(shí)時(shí)性⑵環(huán)境適應(yīng)性和安全性⑶產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)⑷網(wǎng)絡(luò)可用性1.2.4工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)以太網(wǎng)發(fā)展到工業(yè)以太網(wǎng)，從技術(shù)方面來(lái)看，與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)勢(shì)：⑴應(yīng)用廣泛。⑵成本低廉。⑶通信速率高。⑷開(kāi)放性和兼容性好，易于信息集成。⑸控制算法簡(jiǎn)單。⑹軟硬件資源豐富。⑺不需要中央控制站。⑻可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆＂鸵子谂cInternet連接。1.2.5實(shí)時(shí)以太網(wǎng)根據(jù)IEC61784-2-2010標(biāo)準(zhǔn)定義，所謂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，就是根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)通信的要求和特點(diǎn)，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一些必要的措施，使之具有實(shí)時(shí)通信能力：⑴網(wǎng)絡(luò)通信在時(shí)間上的確定性，即在時(shí)間上，任務(wù)的行為可以預(yù)測(cè)；⑵實(shí)時(shí)響應(yīng)適應(yīng)外部環(huán)境的變化，包括任務(wù)的變化、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增/減、網(wǎng)絡(luò)失效診斷等；⑶減少通信處理延遲，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互在極小的通信延遲時(shí)間內(nèi)完成。2007年出版的IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和IEC61784-2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)收錄了以下十種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)和協(xié)議如表1-5所示。表1-5IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)收錄的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)名稱技術(shù)來(lái)源應(yīng)用領(lǐng)域Ethernet/IP美國(guó)Rockwell公司過(guò)程控制PROFINET德國(guó)Siemens公司過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制P-NET丹麥Process-DataA/S公司過(guò)程控制Vnet/IP日本Yokogawa橫河過(guò)程控制TC-net東芝公司過(guò)程控制EtherCAT德國(guó)Beckhoff公司運(yùn)動(dòng)控制EthernetPowerlink奧地利B&R公司運(yùn)動(dòng)控制EPA浙江大學(xué)、浙江中控公司等過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制Modbus/TCP法國(guó)Schneider-electric公司過(guò)程控制SERCOS-III德國(guó)Hilscher公司運(yùn)動(dòng)控制1.2.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)模型分析實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)采用不同的實(shí)時(shí)策略來(lái)提高實(shí)時(shí)性能，根據(jù)其提高實(shí)時(shí)性策略的不同，實(shí)現(xiàn)模型可分為3種。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模型如圖1-3所示。圖1-3實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模型1.2.7幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的比較幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的對(duì)比如表1-6所示。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCATSERCOSⅢPROFINETIRTPOWERLINKEPAEthernet/IP管理組織ETGIGSPNOEPGEPA俱樂(lè)部ODVA通信機(jī)構(gòu)主/從主/從主/從主/從C/SC/S傳輸模式全雙工全雙工半雙工半雙工全雙工全雙工實(shí)時(shí)特性100軸，響應(yīng)時(shí)間100μs8個(gè)軸，響應(yīng)時(shí)間32.5μs100軸，響應(yīng)時(shí)間1ms100軸，響應(yīng)時(shí)間1ms同步精度為μs級(jí)，通信周期為ms級(jí)1~5ms拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形、線形、環(huán)形、樹(shù)形、總線形線形、環(huán)形星形、線形星形、樹(shù)形、總線形樹(shù)形、星形星形、樹(shù)形同步方法時(shí)間片+IEEE1588主節(jié)點(diǎn)+循環(huán)周期時(shí)間槽調(diào)度+IEEE1588時(shí)間片+IEEE1588IEEE1588IEEE1588同步精度100ns<1μs1μs1μs500ns1μs表1-6幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的對(duì)比1.2.7幾種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的比較幾個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比如圖1-4所示。實(shí)驗(yàn)中有40個(gè)軸（每個(gè)軸20Byte輸入和輸出數(shù)據(jù)），50個(gè)I/O站（總計(jì)560個(gè)EtherCAT總線端子模塊），2000個(gè)數(shù)字量，200個(gè)模擬量，總線長(zhǎng)度500m。結(jié)果測(cè)試得到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間是276μs，總線負(fù)載44%，報(bào)文長(zhǎng)度122μs，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SERCOSIII、PROFINETIRT和POWERLINK。圖1-4幾個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比1.3 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)應(yīng)具有3層結(jié)構(gòu)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，從底向上依次為：過(guò)程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。圖1-5企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1．過(guò)程控制層依照現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，智能設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制等各種功能。智能轉(zhuǎn)換器對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)儀表電流電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償。此外，總線上應(yīng)有PLC接口，便于連接原有的系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，為保證節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)必須采用合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種。（1）環(huán)形網(wǎng)（2）總線網(wǎng)（3）樹(shù)形網(wǎng)（4）令牌總線網(wǎng)過(guò)程控制層通信介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無(wú)線、紅外線等各種形式。2．制造執(zhí)行層這一層從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計(jì)和下裝。1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)3．企業(yè)資源規(guī)劃層其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建一個(gè)安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。4．現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)的區(qū)別現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比，主要有以下特點(diǎn)：（1）現(xiàn)場(chǎng)總線主要用于對(duì)生產(chǎn)、生活設(shè)備的控制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)視與控制，或?qū)崿F(xiàn)“家庭自動(dòng)化”等；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有各自的技術(shù)特點(diǎn)：控制網(wǎng)絡(luò)信息/控制網(wǎng)絡(luò)最低層，要求具備高度的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)接口盡可能簡(jiǎn)單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)傳輸量一般較小；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則需要適應(yīng)大批量數(shù)據(jù)的傳輸與處理。（3）現(xiàn)場(chǎng)總線采用全數(shù)字式通信，具有開(kāi)放式、全分布、互操作性等特點(diǎn)。（4）在現(xiàn)代生產(chǎn)和社會(huì)生活中，這兩種網(wǎng)絡(luò)將具有越來(lái)越緊密的聯(lián)系。兩者的不同特點(diǎn)決定了它們的需求互補(bǔ)以及它們之間需要信息交換?？刂凭W(wǎng)絡(luò)信息與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息的結(jié)合，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，可以更好地調(diào)度和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)控制、管理、經(jīng)營(yíng)一體化創(chuàng)造了條件。1.3.2現(xiàn)場(chǎng)總線的作用現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的底層，或者說(shuō)，它是構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。而生產(chǎn)過(guò)程的控制參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)各功能層次的網(wǎng)絡(luò)類型如圖1-6所示。從圖中可以看出，除現(xiàn)場(chǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)外，上面的ERP和MES都采用以太網(wǎng)。圖1-6各功能層次的網(wǎng)絡(luò)類型1.3.3現(xiàn)場(chǎng)總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)目前，現(xiàn)場(chǎng)總線與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式一般有以下三種：一是采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上。圖1-7示出了通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的示意圖。二是將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機(jī)的PCI插槽內(nèi)，在PC機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。在圖1-8中采用現(xiàn)場(chǎng)總線的PCI卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的連接。三是將Web服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備內(nèi)，借助Web服務(wù)器和通用瀏覽工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)交互。圖1-7通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)圖1-8采用PCI卡連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)1.3.4現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)考慮的因素應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線要適合企業(yè)的需要，選擇現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)考慮以下因素：1．控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用環(huán)境，要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好。（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖菧y(cè)控?cái)?shù)據(jù)及其相關(guān)信息，因而多為短幀信息，傳輸速率低。（3）用戶從滿足應(yīng)用需要的角度去選擇、評(píng)判。2．標(biāo)準(zhǔn)支持國(guó)際、國(guó)家、地區(qū)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持的介質(zhì)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蛔畲箝L(zhǎng)度/段；本質(zhì)安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；可掛接的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；介質(zhì)冗余等。1.3.4現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)考慮的因素4．網(wǎng)絡(luò)性能傳輸速率；時(shí)間同步準(zhǔn)確度；執(zhí)行同步準(zhǔn)確度；媒體訪問(wèn)控制方式；發(fā)布/預(yù)訂接收能力；報(bào)文分段能力（報(bào)文大小限制，最大數(shù)據(jù)/報(bào)文段）；設(shè)備識(shí)別；位號(hào)名分配；節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的直接傳輸；支持多段網(wǎng)絡(luò)；可尋址的最大網(wǎng)段數(shù)。5．測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用考慮功能塊；應(yīng)用對(duì)象；設(shè)備描述。6．市場(chǎng)因素支持的介質(zhì)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；最大長(zhǎng)度/段；本質(zhì)安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；可掛接的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；介質(zhì)冗余等。7．其他因素一致性測(cè)試；互操作測(cè)試機(jī)制。1.4 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介1.4.1FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，即FoundationFieldbus，簡(jiǎn)稱FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂了ISP協(xié)議；以Honeywell公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂了WorldFIP協(xié)議。1994年9月，制訂上述兩種協(xié)議的多家公司成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開(kāi)發(fā)出國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kbit/s，通信距離可達(dá)1900m（可加中繼器延長(zhǎng)），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。1.4.2CAN和CANFDCAN是控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNetwork的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，在40m的距離時(shí)，通信速率最高可達(dá)1Mbit/s；在通信速率為5kbit/s時(shí)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。1.4.2CAN和CANFD已有多家公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信控制器，如NXP公司的SJA1000、Mirochip公司的MCP2515、內(nèi)嵌CAN通信控制器的ARM和DSP等。還有插在PC機(jī)上的CAN總線適配器，具有接口簡(jiǎn)單、編程方便、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。在汽車領(lǐng)域，隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求的增加，傳統(tǒng)的CAN總線由于帶寬的限制難以滿足這種增加的需求。當(dāng)今社會(huì)，汽車已經(jīng)成為生活中不可缺少的一部分，人們希望汽車不僅僅是一種代步工具，更希望汽車是生活及工作范圍的一種延伸。在汽車上就像呆在自己的辦公室和家里一樣，可以打電話、上網(wǎng)、娛樂(lè)和工作。因此，汽車制造商為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，將越來(lái)越多的功能集成到了汽車上。ECU（電子控制單元）大量地增加使總線負(fù)載率急劇增大，傳統(tǒng)的CAN總線越來(lái)越顯得力不從心。此外為了縮小CAN網(wǎng)絡(luò)（最大1Mbit/s）與FlexRay（最大10Mbit/s）網(wǎng)絡(luò)的帶寬差距，BOSCH公司2011年推出了CANFD（CANwithFlexibleData-Rate）方案。1.4.3DeviceNet在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及PLC進(jìn)行對(duì)等通信，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多設(shè)計(jì)成內(nèi)置智能式。基于這樣的現(xiàn)狀，美國(guó)RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet又是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過(guò)硬接線I/O接口很難實(shí)現(xiàn)的。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點(diǎn)：（1）DeviceNet基于CAN總線技術(shù)，它可連接開(kāi)關(guān)、光電傳感器、閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、過(guò)程傳感器、變頻調(diào)速設(shè)備、固態(tài)過(guò)載保護(hù)裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機(jī)界面等，傳輸速率為125~500kbit/s，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)是64個(gè)，干線長(zhǎng)度100~500m。（2）DeviceNet使用的通信模式是：生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）。該模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一源數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)通信效率更高；采用多信道廣播信息發(fā)送方式，各個(gè)客戶可在同一時(shí)間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)利用率更高。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(luò)節(jié)點(diǎn)同步化，網(wǎng)絡(luò)效率高；后者采用應(yīng)答式，如果要向多個(gè)設(shè)備傳送信息，則需要對(duì)這些設(shè)備分別進(jìn)行“呼”、“應(yīng)”通信，即使是同一信息，也需要制造多個(gè)信息包，這樣，增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度受限制，難以滿足高速的、對(duì)時(shí)間苛求的實(shí)時(shí)控制。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點(diǎn)：（3）設(shè)備可互換性。各個(gè)銷售商所生產(chǎn)的符合DeviceNet網(wǎng)絡(luò)和行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單裝置（如按鈕、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、光電傳感器、限位開(kāi)關(guān)等）都可以互換，為用戶提供靈活性和可選擇性。（4）DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以隨時(shí)連接或斷開(kāi)，而不會(huì)影響網(wǎng)上其他設(shè)備的運(yùn)行，方便維護(hù)和減少維修費(fèi)用，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和改造。（5）DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備安裝比傳統(tǒng)的I/O布線更加節(jié)省費(fèi)用，尤其是當(dāng)設(shè)備分布在幾百米范圍內(nèi)時(shí)，更有利于降低布線安裝成本。（6）利用RSNetworkforDeviceNet軟件可方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行配置、測(cè)試和管理。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備以圖形方式顯示工作狀態(tài)，一目了然。1.4.4LonWorks美國(guó)Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制網(wǎng)絡(luò)。LON（LocalOperatingNetworks）總線是該公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，Echelon公司開(kāi)發(fā)了LonWorks技術(shù)，為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)和成品化提供了一套完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其通信協(xié)議LonTalk支持OSI/RM的所有七層模型，這是LON總線最突出的特點(diǎn)。LonTalk協(xié)議通過(guò)神經(jīng)元芯片（NeuronChip）上的硬件和固件（firmware）實(shí)現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事務(wù)確認(rèn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信服務(wù)；還有一些如認(rèn)證、優(yōu)先級(jí)傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等高級(jí)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、環(huán)形和混合形，可實(shí)現(xiàn)自由組合。另外，通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等。應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工廠廠房自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程控制、樓宇及家庭自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運(yùn)輸業(yè)等，為實(shí)現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò)提供完整的解決方案。1.4.4LonWorks2005年之前，LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片（NeuronChip）。神經(jīng)元芯片主要有3120和3150兩大系列，生產(chǎn)廠家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司，后來(lái)生產(chǎn)神經(jīng)元芯片的廠家是TOSHIBA公司和美國(guó)的Cypress公司。TOSHIBA公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號(hào)為TMPN3120和TMPN3150兩個(gè)系列。TMPN3120不支持外部存儲(chǔ)器，它本身帶有EEPROM；TMPN3150支持外部存儲(chǔ)器，適合功能較為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合。Cypress公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號(hào)為CY7C53120和CY7C53150兩個(gè)系列。2005年之后，上述神經(jīng)元芯片不再給用戶供貨，Echelon公司主推FT智能收發(fā)器和Neuron處理器。2018年9月，總部位于美國(guó)加州的AdestoTechnologies（阿德斯托技術(shù)）公司收購(gòu)了Echelon公司。Adesto公司成功推出的FT6050智能收發(fā)器和Neuron6050處理器是用于現(xiàn)代化和整合智能控制網(wǎng)絡(luò)的片上系統(tǒng)。1.4.5PROFIBUSPROFIBUS是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線，ISO/OSI模型也是它的參考模型。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化。PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。1.4.5PROFIBUS該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)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，F(xiàn)MS型只隱去第3~6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2（H1）標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kbit/s~12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6kbit/s時(shí)為1200m，1.5Mbit/s時(shí)為200m，可用中繼器延長(zhǎng)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(gè)站點(diǎn)。1.4.6CC-Link在1996年11月，以三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司以“多廠家設(shè)備環(huán)境、高性能、省配線”理念開(kāi)發(fā)、公布和開(kāi)放了現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link，第一次正式向市場(chǎng)推出了CC-Link這一全新的多廠商、高性能、省配線的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。并于1997年獲得日本電機(jī)工業(yè)會(huì)（JEMA）頒發(fā)的杰出技術(shù)成就獎(jiǎng)。CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。即：在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時(shí)以10Mbit/s高速傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。CC-Link具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點(diǎn)。作為開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，CC-Link是惟一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，CC-Link的技術(shù)特點(diǎn)尤其適合亞洲人的思維習(xí)慣。1998年，汽車行業(yè)的馬自達(dá)、五十鈴、雅馬哈、通用、鈴木等也成為了CC-Link的用戶，而且CC-Link迅速進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。CC-Link是一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)單、成本較低的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其在中國(guó)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的前景。1.4.6CC-Link1.CC-Link現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的組成CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線由CC-Link、CC-Link/LT、CC-LinkSafety、CC-LinkIEControl、CC-LinkIEField、SLMP組成。CC-Link協(xié)議已經(jīng)獲得許多國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可，如：國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO15745（應(yīng)用集成框架）；IEC國(guó)際組織61784/61158（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的規(guī)定）；SEMIE54.12；中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19780；韓國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)KSBISO15745-5。1.4.6CC-Link1.CC-Link現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)⑴CC-Link是基于RS485的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。⑵CC-Link/LT是基于RS485高性能、高可靠性、省配線的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)。⑶CC-LinkSafety專門基于滿足嚴(yán)苛的安全網(wǎng)絡(luò)要求打造而成。⑷CC-LinkIEControl是基于以太網(wǎng)的千兆控制層網(wǎng)絡(luò)，采用雙工傳輸路徑，穩(wěn)定可靠。⑸CC-LinkIEField是基于以太網(wǎng)的千兆現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)。⑹SLMP可使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式跨網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫通信，使用SLMP實(shí)現(xiàn)輕松連接，若與CSP+相結(jié)合，可以延伸至生產(chǎn)管理和預(yù)測(cè)維護(hù)領(lǐng)域。CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。圖1-10CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.4.6CC-Link1.CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)CC-LinkSafety構(gòu)筑最優(yōu)化的工廠安全系統(tǒng)取得GB/Z294-2013控制與通信網(wǎng)絡(luò)CC-LinkSafety規(guī)范。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，呼吁安全網(wǎng)絡(luò)的重要性，幫助制造業(yè)構(gòu)筑工廠生產(chǎn)線的安全系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)的節(jié)省配線、提高生產(chǎn)效率、并且與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合的安全網(wǎng)絡(luò)。CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示。圖1-11CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成CC-LinkSafety的特點(diǎn)如下：①高速通信的實(shí)現(xiàn)②通信異常的檢測(cè)③原有資源的有效利用④RAS功能⑤兼容產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率化1.4.7ControlNet1.ControlNet的歷史與發(fā)展工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用不僅要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應(yīng)有確定性和可重復(fù)性。在ControlNet出現(xiàn)以前，沒(méi)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備或信息層能有效的實(shí)現(xiàn)這樣的功能要求。ControlNet是由在北美（包括美國(guó)、加拿大等）地區(qū)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中技術(shù)和市場(chǎng)占有率穩(wěn)居第一位的美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司（RockwellAutomation）于1997年推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。ControlNet是一種最現(xiàn)代化的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，它提供如下功能：（1）在同一鏈路上同時(shí)支持I/O信息，控制器實(shí)時(shí)互鎖以及對(duì)等通信報(bào)文傳送和編程操作。（2）對(duì)于離散和連續(xù)過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)合，均具有確定性和可重復(fù)性。1.4.7ControlNet2．ControlNetInternational簡(jiǎn)介為了促進(jìn)ControlNet技術(shù)的發(fā)展、推廣和應(yīng)用，1997年7月由羅克韋爾等22家公司聯(lián)合發(fā)起成立了控制網(wǎng)國(guó)際組織（ControlNetInternational-CI）。同時(shí)，羅克韋爾自動(dòng)化將ControlNet技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了CI。CI是一個(gè)為用戶和供貨廠商服務(wù)的非盈利性的獨(dú)立組織，它負(fù)責(zé)ControlNet技術(shù)規(guī)范的管理和發(fā)展，并通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件提供產(chǎn)品的一致性測(cè)試，出版ControlNet產(chǎn)品目錄，進(jìn)行ControlNet技術(shù)培訓(xùn)等，促進(jìn)世界范圍內(nèi)ControlNet技術(shù)的推廣和應(yīng)用。1.4.7ControlNet2．ControlNet簡(jiǎn)介ControlNet是一個(gè)高速的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，在同一電纜上同時(shí)支持I/O信息和報(bào)文信息（包括程序、組態(tài)、診斷等信息），集中體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制（Control）、組態(tài)（Configuration）、采集（Collect）等信息的完全支持，ControlNet基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者這一先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型為網(wǎng)絡(luò)提供更高有效性、一致性和柔韌性。ControlNet上可連接以下典型的設(shè)備：邏輯控制器（例如可編程邏輯控制器、軟控制器等）；I/O機(jī)架和其他I/O設(shè)備；人機(jī)界面設(shè)備；操作員界面設(shè)備；電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備；變頻器；機(jī)器人；氣動(dòng)閥門；過(guò)程控制設(shè)備；網(wǎng)橋/網(wǎng)關(guān)等。1.4.8AS-iAS-i（Actuator-Sensorinterface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用來(lái)在控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結(jié)構(gòu)的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場(chǎng)總線下面設(shè)備級(jí)的底層通信網(wǎng)絡(luò)。AS-i總線用于具有開(kāi)關(guān)量特征的傳感器/執(zhí)行器中，也可用于各種開(kāi)關(guān)電器中。AS-i是總線供電，即兩條傳輸線既傳輸信號(hào)，又向主站和從站提供電源。AS-i主站由帶有AS-i主機(jī)電路板的可編程序控制器（PLC）或工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）組成，它是AS-i總線的核心。AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國(guó)科技部的支持，現(xiàn)已成立了AS-i國(guó)際協(xié)會(huì)（AS-InternationalAssociation），它的任務(wù)是規(guī)劃AS-i部件的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)的定義，進(jìn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的工作，組織產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和軟件認(rèn)證，以保證AS-i產(chǎn)品的開(kāi)放性和互操作性。1.4.9P-NetP-Net現(xiàn)場(chǎng)總線由丹麥Process-DataA/S公司提出，1984年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)多主控器現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)，現(xiàn)已成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的第一部分、IEC61158類型4。P-Net采用了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器和應(yīng)用層。P-Net是一種多主控器主從式總線（每段最多可容納32個(gè)主控器），使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，采用NRZ編碼異步傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為76.8kbit/s。P-Net總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時(shí)應(yīng)用在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的幾個(gè)層次上，而各層次的運(yùn)輸速率保持一致。這樣構(gòu)成的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使各層次之間的通信不需要特殊的耦合器，幾個(gè)總線分段之間可實(shí)現(xiàn)直接尋址，它又稱為多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。P-Net總線訪問(wèn)采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問(wèn)權(quán)通過(guò)虛擬令牌在主站之間循環(huán)傳遞，即通過(guò)主站中的訪問(wèn)計(jì)數(shù)器和空閑總線位周期計(jì)數(shù)器，確定令牌的持有者和持有令牌的時(shí)間。這種基于時(shí)間的循環(huán)機(jī)制，不同于采用實(shí)報(bào)文傳遞令牌的方式，節(jié)省了主控制器的處理時(shí)間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。P-Net不采用專用芯片，它對(duì)從站的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼，因此它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)化。1.5 工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介1.5.1EtherCATEtherCAT是由德國(guó)BECKHOFF公司開(kāi)發(fā)的，并且在2003年底成立了ETG工作組（EthernetTechnologyGroup）。EtherCAT是一個(gè)可用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的超高速I/O網(wǎng)絡(luò)，它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，介質(zhì)可為雙絞線或光纖。1.5.1EtherCAT1．以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)能力一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀，進(jìn)行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已經(jīng)包含了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸采用移位同步的方法進(jìn)行，即在網(wǎng)絡(luò)的模塊中得到其相應(yīng)地址數(shù)據(jù)的同時(shí)，數(shù)據(jù)幀可以傳送到下一個(gè)設(shè)備，相當(dāng)于數(shù)據(jù)幀通過(guò)一個(gè)模塊時(shí)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，立即轉(zhuǎn)入下一個(gè)模塊。由于這種數(shù)據(jù)幀的傳送從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備延遲時(shí)間僅為微秒級(jí)，所以與其他以太網(wǎng)解決方法相比，性能比得到了提高。在網(wǎng)絡(luò)段的最后一個(gè)模塊結(jié)束了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，形成了一個(gè)邏輯和物理環(huán)形結(jié)構(gòu)。所有傳輸數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)的協(xié)議相兼容，同時(shí)采用雙工傳輸，提高了傳輸?shù)男省?.5.1EtherCAT2.EtherCAT的運(yùn)行原理EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，無(wú)需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過(guò)程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報(bào)文經(jīng)過(guò)其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報(bào)文經(jīng)過(guò)時(shí)插入至報(bào)文中。整個(gè)過(guò)程中，報(bào)文只有幾納秒的時(shí)間延遲。由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。100Mbit/sTX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可大于100Mbit/s。EtherCAT的通信協(xié)議模型如圖1-12所示。圖1-12EtherCAT通信協(xié)議模型1.5.1EtherCAT3.EtherCAT的技術(shù)特征EtherCAT是用于過(guò)程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通信均得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時(shí)，則直接采用以太網(wǎng)幀傳輸。4.EtherCAT的實(shí)施由于EtherCAT無(wú)需集線器和交換機(jī)，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費(fèi)用等設(shè)備方面的投資，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜和價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標(biāo)準(zhǔn)，使用增強(qiáng)密封保護(hù)等級(jí)的連接器。EtherCAT擁有多種機(jī)制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通信。它實(shí)現(xiàn)了安全功能，采用技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，使以太網(wǎng)技術(shù)可以向下延伸至I/O級(jí)。EtherCAT功能優(yōu)越，可以完全兼容以太網(wǎng)，可將因特網(wǎng)技術(shù)嵌入到簡(jiǎn)單設(shè)備中，并最大化地利用了以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬，是一種實(shí)時(shí)性能優(yōu)越且成本低廉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1.5.1EtherCAT5.EtherCAT的應(yīng)用機(jī)器人；機(jī)床；包裝機(jī)械；印刷機(jī)；塑料制造機(jī)器；沖壓機(jī)；半導(dǎo)體制造機(jī)器；試驗(yàn)臺(tái)；測(cè)試系統(tǒng)；抓取機(jī)器；電廠；變電站；材料處理應(yīng)用；行李運(yùn)送系統(tǒng)；舞臺(tái)控制系統(tǒng)；自動(dòng)化裝配系統(tǒng)；紙漿和造紙機(jī)；隧道控制系統(tǒng)；焊接機(jī)；起重機(jī)和升降機(jī)；農(nóng)場(chǎng)機(jī)械；海岸應(yīng)用；鋸木廠；窗戶生產(chǎn)設(shè)備；樓宇控制系統(tǒng)；鋼鐵廠；風(fēng)機(jī)；家具生產(chǎn)設(shè)備；銑床；自動(dòng)引導(dǎo)車；娛樂(lè)自動(dòng)化；制藥設(shè)備；木材加工機(jī)器；平板玻璃生產(chǎn)設(shè)備；稱重系統(tǒng)。1.5.2SERCOSSERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification，串行實(shí)時(shí)通信協(xié)議）是一種用于工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備的控制單元和數(shù)字伺服裝置之間高速串行實(shí)時(shí)通信的數(shù)字交換協(xié)議。1986年，德國(guó)電力電子協(xié)會(huì)與德國(guó)機(jī)床協(xié)會(huì)聯(lián)合召集了歐洲一些機(jī)床、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和CNC設(shè)備的主要制造商（Bosch，ABB，AMK，Banmuller，Indramat，Siemens，PacificScientific等）組成了一個(gè)聯(lián)合小組。該小組旨在開(kāi)發(fā)出一種用于數(shù)字控制器與智能驅(qū)動(dòng)器之間的開(kāi)放性通信接口，以實(shí)現(xiàn)CNC技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分離，從而使整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)能夠模塊化、可重構(gòu)與可擴(kuò)展，達(dá)到低成本、高效率、強(qiáng)適應(yīng)性地生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的目的。經(jīng)過(guò)多年的努力，此技術(shù)終于在1989年德國(guó)漢諾國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出，這標(biāo)志著SERCOS總線正式誕生。1995年，國(guó)際電工委員會(huì)把SERCOS接口采納為標(biāo)準(zhǔn)IEC61491，1998年，SERCOS接口被確定為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61491。2005年基于以太網(wǎng)的SERCOSⅢ面世，并于2007年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158/61784。迄今為止，SERCOS已發(fā)展了三代，SERCOS接口協(xié)議成為當(dāng)今唯一專門用于開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了國(guó)際大多數(shù)數(shù)控設(shè)備供應(yīng)商的認(rèn)可。1.5.2SERCOSSERCOS接口技術(shù)是構(gòu)建SERCOS通信的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)SERCOS協(xié)會(huì)組織和協(xié)調(diào)，推出了一系列SERCOS接口控制器，通過(guò)它們便能方便地在數(shù)控設(shè)備之間建立起SERCOS通信。SERCOS總線的眾多優(yōu)點(diǎn)，使得它在數(shù)控加工中心、數(shù)控機(jī)床、精密齒輪加工機(jī)械、印刷機(jī)械、裝配線和裝配機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。目前，很多廠商如西門子、倫茨等公司的伺服系統(tǒng)都具有SERCOS總線接口。國(guó)內(nèi)SERCOS接口用戶有多家，其中包括清華大學(xué)、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、華中數(shù)控集團(tuán)、北京航空航天大學(xué)、上海大眾汽車廠、上海通用汽車廠等單位。1.SERCOS總線的技術(shù)特性SERCOS總線協(xié)議具有如下技術(shù)特性：⑴標(biāo)準(zhǔn)性⑵開(kāi)放性⑶兼容性⑷實(shí)時(shí)性⑸擴(kuò)展性1.5.2SERCOS2.SERCOSIII總線⑴SERCOSIII總線概述由于SERCOSIII是SERCOSII技術(shù)的一個(gè)變革，與以太網(wǎng)結(jié)合以后，SERCOS技術(shù)已經(jīng)從專用的伺服接口向廣泛的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變。原來(lái)的優(yōu)良的實(shí)時(shí)特性仍然保持，新的協(xié)議內(nèi)容和功能擴(kuò)展了SERCOS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。SERCOSIII系統(tǒng)是基于環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。支持全雙工以太網(wǎng)的環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以處理冗余；線狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)則不能處理冗余，但在較大的系統(tǒng)中能節(jié)省很多電纜。由于是全雙工數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)在環(huán)上的一處電纜發(fā)生故障時(shí)，通信不被中斷，此時(shí)利用診斷功能可以確定故障地點(diǎn)；并且能夠在不影響其它設(shè)備正常工作的情況下得到維護(hù)。SERCOSIII不使用星狀的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)路由器或轉(zhuǎn)換器，從而可以使傳輸延時(shí)將減少到最小。SERCOSⅢ的主要特點(diǎn)：高的傳輸速率，達(dá)到全雙工100Mbit/s；采用時(shí)間槽技術(shù)避免了以太網(wǎng)的報(bào)文沖突，提高了報(bào)文的利用率；向下兼容，兼容以前SERCOS總線的所有協(xié)議；降低了硬件的成本；集成了IP協(xié)議；使從站之間可以交叉通信CC（CrossCommunication）；支持多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器的同步C2C（ControltoControl）；擴(kuò)展了對(duì)I/O等控制的支持；支持與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)的傳輸；增加了通信冗余、容錯(cuò)能力和熱插拔功能。1.5.2SERCOS2.SERCOSIII總線（2）SERCOSIII系統(tǒng)特性SERCOSIII系統(tǒng)具有如下特性：1）實(shí)時(shí)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的循環(huán)傳輸2）為集中式和分布式驅(qū)動(dòng)控制提供了很好的方案3）從站與從站（CC）或主站與主站（C2C）之間皆可以通信4）SERCOS安全5）IP通道6）SERCOSIII硬件模式和I/O1.5.3POWERLINKPOWERLINK是由奧地利B&R公司開(kāi)發(fā)的，2002年4月公布了EthernetPOWERLINK標(biāo)準(zhǔn)，其主攻方面是同步驅(qū)動(dòng)和特殊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)要求。POWERLINK通信協(xié)議模型如圖1-13所示。圖1-13POWERLINK通信協(xié)議模型1.5.3POWERLINK1.POWERLINK通信模型POWERLINK是IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T-27960）。如圖1-14所示，POWERLINK是一個(gè)3層的通信網(wǎng)絡(luò)，它規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，這3層包含了OSI模型中規(guī)定的7層協(xié)議。圖1-14POWERLINK的OSI模型1.5.3POWERLINK1.POWERLINK通信模型如圖1-15所示，具有3層協(xié)議的POWERLINK在應(yīng)用層上可以連接各種設(shè)備，例如I/O、閥門、驅(qū)動(dòng)器等。在物理層之下連接了Ethernet控制器，用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)控制器的種類很多，不同的以太網(wǎng)控制器需要不同的驅(qū)動(dòng)程序，因此在“Ethernet控制器”和“POWERLINK傳輸”之間有一層“Ethernet驅(qū)動(dòng)器”。圖1-15POWERLINK通信模型的層次1.5.3POWERLINK2.POWERLINK網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于POWERLINK的物理層采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，因此以太網(wǎng)支持的所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)它都支持。而且可以使用HUB和Switch等標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這使得用戶可以非常靈活的組網(wǎng)，如：菊花鏈、樹(shù)型、星型、環(huán)型和其他任意組合。3.POWERLINK的功能和特點(diǎn)⑴一“網(wǎng)”到底POWERLINK物理層采用普通以太網(wǎng)的物理層，因此可以使用工廠中現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線，從機(jī)器設(shè)備的基本單元到整臺(tái)設(shè)備、生產(chǎn)線，再到辦公室，都可以使用以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)一“網(wǎng)”到底。1）多路復(fù)用POWERLINK網(wǎng)絡(luò)可以適用于各種設(shè)備，如圖1-16所示。2）大數(shù)據(jù)量通信3）故障診斷4）網(wǎng)絡(luò)配置圖1-16POWERLINK網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1.5.3POWERLINK⑵節(jié)點(diǎn)的尋址POWERLINKMAC的尋址遵循IEEE802.3，每個(gè)設(shè)備的地址都是唯一的，稱為節(jié)點(diǎn)ID。因此新增一個(gè)設(shè)備就意味著引入一個(gè)新地址。節(jié)點(diǎn)ID可以通過(guò)設(shè)備上的撥碼開(kāi)關(guān)手動(dòng)設(shè)置，也可以通過(guò)軟件設(shè)置，撥碼FF默認(rèn)為軟件配置地址。此外還有三個(gè)可選方法，POWERLINK也可以支持標(biāo)準(zhǔn)IP地址。因此，POWERLINK設(shè)備可以通過(guò)萬(wàn)維網(wǎng)隨時(shí)隨地被尋址。⑶熱插拔POWERLINK支持熱插拔，而且不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)這個(gè)屬性，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置，即可以動(dòng)態(tài)地增加或減少網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。⑷冗余POWERLINK的冗余包括3種：雙網(wǎng)冗余、環(huán)網(wǎng)冗余和多主冗余。1.5.4PROFINETPROFINET是由PROFIBUS國(guó)際組織（PROFIBUSInternational，PI）提出的基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，將工廠自動(dòng)化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機(jī)地融為一體，同時(shí)又完全保留了PROFIBUS現(xiàn)有的開(kāi)放性。PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形之外的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了減少布線費(fèi)用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便地實(shí)現(xiàn)PROFINET的安裝。特別設(shè)計(jì)的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)化，保證了不同制造商設(shè)備之間的兼容性。PROFINET滿足了實(shí)時(shí)通信的要求，可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制。PROFINET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-17所示。PROFINET是一個(gè)整體的解決方案，PROFINET的通信模型如圖1-18所示。圖1-17PROFINET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1-18PROFINET通信協(xié)議模型1.5.5EPA2004年5月，由浙江大學(xué)牽頭，重慶郵電大學(xué)作為第4核心成員制定的新一代現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)——《用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA通信標(biāo)準(zhǔn)》（簡(jiǎn)稱EPA標(biāo)準(zhǔn)）成為我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并被IEC認(rèn)可的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC/PAS62409）。EPA（EthernetforPlantAutomation）系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，它是利用ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15等協(xié)議定義的網(wǎng)絡(luò)，將分布在現(xiàn)場(chǎng)的若干個(gè)設(shè)備、小系統(tǒng)以及控制、監(jiān)視設(shè)備連接起來(lái)，使所有設(shè)備一起運(yùn)作，共同完成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和操作過(guò)程中的測(cè)量和控制。EPA系統(tǒng)可以用于工業(yè)自動(dòng)化控制環(huán)境。EPA標(biāo)準(zhǔn)定義了基于ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15以及RFC791、RFC768和RFC793等協(xié)議的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、應(yīng)用層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范以及基于XML的設(shè)備描述規(guī)范。1.5.5EPA1.EPA技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)EPA根據(jù)IEC61784-2的定義，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎(chǔ)上，進(jìn)行了針對(duì)通信確定性和實(shí)時(shí)性的技術(shù)改造，其通信協(xié)議模型如圖1-19所示。除了ISO/IEC8802-3/IEEE802.11/IEEE802.15、TCP(UDP)/IP以及IT應(yīng)用協(xié)議等組件外，EPA通信協(xié)議還包括EPA實(shí)時(shí)性通信進(jìn)程、EPA快速實(shí)時(shí)性通信進(jìn)程、EPA應(yīng)用實(shí)體和EPA通信調(diào)度管理實(shí)體。針對(duì)不同的應(yīng)用需求，EPA確定性通信協(xié)議簇中包含了以下幾個(gè)部分：⑴非實(shí)時(shí)性通信協(xié)議（N-real-time，NRT）⑵實(shí)時(shí)性通信協(xié)議（real-time，RT）⑶快速實(shí)時(shí)性通信協(xié)議（fastreal-time，F(xiàn)RT）⑷塊狀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性通信協(xié)議（blockreal-time，BRT）圖1-19EPA通信協(xié)議模型1.5.5EPA基于EPA的IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系有如下協(xié)議：⑴EPA現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議（IEC61158/Type14）在不改變以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下，定義了專利的確定性通信協(xié)議，避免工業(yè)以太網(wǎng)通信的報(bào)文碰撞，確保了通信的確定性，同時(shí)也保證了通信過(guò)程中不丟包，它是EPA標(biāo)準(zhǔn)體系的核心協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)于2007年12月14日正式發(fā)布。⑵EPA分布式冗余協(xié)議（distributedredundancyprotocol，DRP）（IEC62439-6-14）針對(duì)工業(yè)控制以及網(wǎng)絡(luò)的高可用性要求，DRP采用專利的設(shè)備并行數(shù)據(jù)傳輸管理和環(huán)網(wǎng)鏈路并行主動(dòng)故障探測(cè)與恢復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了故障的快速定位與快速恢復(fù)，保證了網(wǎng)絡(luò)的高可靠性。⑶EPA功能安全通信協(xié)議EPASafety（IEC61784-3-14）針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)通信中存在的數(shù)據(jù)破壞、重傳、丟失、插入、亂序、偽裝、超時(shí)、尋址錯(cuò)誤等風(fēng)險(xiǎn)，EPASafety功能安全通信協(xié)議采用專利的工業(yè)數(shù)據(jù)加解密方法、工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸多重風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估與復(fù)合控制技術(shù)，將通信系統(tǒng)的安全完整性水平提高到SIL3等級(jí)，并通過(guò)德國(guó)萊茵TuV的認(rèn)證。⑷EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)協(xié)議（IEC61784-2/CPF14）定義了三個(gè)應(yīng)用技術(shù)行規(guī)，即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于過(guò)程自動(dòng)化，EPA-FRT用于工業(yè)自動(dòng)化，EPA-nonRT用于一般工業(yè)場(chǎng)合。⑸EPA線纜與安裝標(biāo)準(zhǔn)（IEC61784-5-14）定義了基于EPA的工業(yè)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝和工程施工中的要求。從安裝計(jì)劃，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模設(shè)計(jì)，線纜和連接器的選擇、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、保護(hù)、路由以及具體安裝的實(shí)施等各個(gè)方面提出了明確的要求和指導(dǎo)。EPA國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)則包括《用于測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》、《EPA一致性測(cè)試規(guī)范》、《EPA互可操作測(cè)試規(guī)范》、《EPA功能塊應(yīng)用規(guī)范》、《EPA實(shí)時(shí)性能測(cè)試規(guī)范》、《EPA網(wǎng)絡(luò)安全通用技術(shù)條件》等。1.5.5EPA2.EPA確定性通信機(jī)制為提高工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性，一般采用以下措施：提高通信速率；減少系統(tǒng)規(guī)模，控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷；采用以太網(wǎng)的全雙工交換技術(shù)；采用基于IEEE802.3p的優(yōu)先級(jí)技術(shù)。采用上述措施可以使其不確定性問(wèn)題得到相當(dāng)程度的緩解，但不能從根本上解決以太網(wǎng)通信不確定性的問(wèn)題。3.EPA-FRT強(qiáng)實(shí)時(shí)通信技術(shù)EPA-RT標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)流程控制需求制定的，其性能完全滿足流程控制對(duì)實(shí)時(shí)、確定通信的需求，但沒(méi)有考慮到其他控制領(lǐng)域的需求，如運(yùn)動(dòng)控制、飛行器姿態(tài)控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)性領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域方面，提出了比流程控制領(lǐng)域更為精確的時(shí)鐘同步要求和實(shí)時(shí)性要求，且其報(bào)文特征更為明顯。相比于流程控制領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高同步精度提出了更高的要求1.5.5EPA3.EPA-FRT強(qiáng)實(shí)時(shí)通信技術(shù)⑴高同步精度的要求。由于一個(gè)控制系統(tǒng)中存在多個(gè)伺服和多個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)，為了保證所有伺服協(xié)調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)，必須保證運(yùn)動(dòng)指令在各個(gè)伺服中同時(shí)執(zhí)行。因此高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)必須有精確的同步機(jī)制，一般要求同步偏差小于1μs。⑵強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。在帶有多個(gè)離散控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)器的控制頻率取決于通信周期。高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般要求通信周期小于1ms，周期抖動(dòng)小于1μs。EPA-RT系統(tǒng)的同步精度為微秒級(jí)，通信周期為毫秒，雖然可以滿足大多數(shù)工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用需求，但對(duì)高性能運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用卻有所不足，而EPA-FRT系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)必須滿足高性能運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的需求。4.EPA的技術(shù)特點(diǎn)EPA具有以下技術(shù)特點(diǎn)：⑴確定性通信⑵“E”網(wǎng)到底⑶互操作性⑷開(kāi)放性⑸分層的安全策略⑹冗余1.6 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備（FieldbusDevice）是指連接在現(xiàn)場(chǎng)總線上的各種儀表設(shè)備。這些設(shè)備按其功能可分為變送器設(shè)備、執(zhí)行器類設(shè)備、信號(hào)轉(zhuǎn)換類設(shè)備、接口類設(shè)備、電源類設(shè)備和附件類設(shè)備。1.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的分類與特點(diǎn)1.現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的分類現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是指內(nèi)置微處理器，并具有數(shù)字計(jì)算、數(shù)字通信功能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這類現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通常被稱為現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，它們安裝在現(xiàn)場(chǎng)，與現(xiàn)場(chǎng)總線連接，輸入或輸出現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備分類如下：（1）現(xiàn)場(chǎng)總線變送器類設(shè)備（2）現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行器類設(shè)備（3）現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)轉(zhuǎn)換類設(shè)備（4）現(xiàn)場(chǎng)總線接口類設(shè)備（5）現(xiàn)場(chǎng)總線電源類設(shè)備（6）現(xiàn)場(chǎng)總線附件類設(shè)備1.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的分類與特點(diǎn)2.現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與一般的智能儀表之間的主要區(qū)別如下：一般智能儀表通常不具有通信功能，或不能用現(xiàn)場(chǎng)總線通信；而現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備則采用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。一般智能儀表沒(méi)有節(jié)點(diǎn)地址，在使用時(shí)也不存在尋址問(wèn)題；而現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有唯一的節(jié)點(diǎn)地址，這是在儀表出廠時(shí)就設(shè)置好的。一般智能儀表的組態(tài)既可以從上位機(jī)下裝，也可通過(guò)手握式編程器實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通常由資源塊、轉(zhuǎn)換器塊和相關(guān)功能塊組成，對(duì)它的組態(tài)通常由上位機(jī)下裝實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的特點(diǎn)如下：全數(shù)字：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)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(hào)是現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)。精度高：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)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(cè)量精度。多變量測(cè)量：一般儀表只能測(cè)量一個(gè)過(guò)程變量，而現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可同時(shí)測(cè)量多個(gè)過(guò)程變量。多變量傳送：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可輸出多個(gè)信號(hào)并同時(shí)傳輸抗干擾能力強(qiáng)：因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備采用全數(shù)字通信，所以一般的電磁干擾對(duì)其影響不大，加上現(xiàn)場(chǎng)總線通信采用循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)、重發(fā)等抗干擾機(jī)制，信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率大大降低，提高了儀表的抗干擾能力。1.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的分類與特點(diǎn)2.現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與一般的智能儀表之間的主要區(qū)別如下：數(shù)據(jù)信息量大：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)和多種類型的信號(hào)。計(jì)算和控制功能強(qiáng)：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可內(nèi)置各種計(jì)算和控制功能塊，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)所需的計(jì)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。分散控制：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備將控制分散到現(xiàn)場(chǎng)，從而使危險(xiǎn)被分散?！じ纳瓶刂葡到y(tǒng)控制品質(zhì)：現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行器采用前向補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的非線性補(bǔ)償，從根本上解決了閥門定位器采用反饋凸輪引入的串級(jí)副環(huán)非線性和不穩(wěn)定問(wèn)題。因此，它不僅可以補(bǔ)償被控對(duì)象的非線性特性，還可以解決壓降比造成的非線性問(wèn)題。機(jī)電儀一體化：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是機(jī)電儀一體化產(chǎn)品，它將控制和管理集成，將機(jī)電儀表集成，因此，最終的產(chǎn)品更簡(jiǎn)單，性能更可靠，管理更方便，運(yùn)行更穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)化：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)功能塊和對(duì)象字典等，因此，降低了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)人員的培訓(xùn)費(fèi)用，便于過(guò)程操作、組態(tài)操作和維修操作。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。綜合成本降低：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可檢測(cè)多個(gè)過(guò)程變量，并可帶多個(gè)計(jì)算或控制功能塊，可傳送多個(gè)變量，它不需要信號(hào)轉(zhuǎn)換和隔離等措施，而且減少了電纜數(shù)量和安裝費(fèi)用，減少了機(jī)柜、接插件和電纜橋架等安裝空間和部件，降低了設(shè)計(jì)成本和調(diào)試成本。1.6.2現(xiàn)場(chǎng)總線差壓變送器現(xiàn)場(chǎng)總線差壓變送器是測(cè)量差壓、表壓、絕壓、液位和流量的一種智能化變送器，也是將差壓、表壓、絕壓、液位和流量等過(guò)程變量轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字通信信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。它的檢測(cè)部分采用高性能、高可靠性的壓阻式傳感器、電容式傳感器等，與一般智能變送器的檢測(cè)部分類似。現(xiàn)場(chǎng)總線差壓變送器中所采用的數(shù)字技術(shù)使用戶可以選擇各種變量的變送器功能，如檢測(cè)差壓、絕壓或流量等?，F(xiàn)場(chǎng)總線差壓變送器內(nèi)部除了有壓力或差壓檢測(cè)變送模塊外，通常還有對(duì)本體溫度的檢測(cè)變送模塊。一些變送器通常還帶有內(nèi)置的PID控制功能塊和計(jì)算功能塊，這樣就無(wú)須再添加控制裝置，使得應(yīng)用更方便，通信量減少，傳輸延遲縮短，而且成本也有所降低，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也將提高。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中還有其他一些功能塊，可以實(shí)現(xiàn)多種控制策略?；裟?/p>