《物聯(lián)網(wǎng)控制基礎(chǔ)》課件第2章

第2章現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2.1現(xiàn)場(chǎng)總線基本概述2.2幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線2.3控制器局域網(wǎng)（CAN）總線技術(shù)2.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.5溫室監(jiān)測(cè)CAN總線控制系統(tǒng)

2.1現(xiàn)場(chǎng)總線基本概述

2.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生

3C（Computer，Communication，Control）技術(shù)的發(fā)展、微機(jī)化儀器儀表的成熟和廣泛應(yīng)用，徹底動(dòng)搖了自20世紀(jì)60年代以來占據(jù)過程控制領(lǐng)域的4~20毫安信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的地位，并由此產(chǎn)生了采用現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通信技術(shù)把各種各樣的微機(jī)化設(shè)備集成到一起的現(xiàn)場(chǎng)總線概念。20世紀(jì)80年代初期國(guó)外機(jī)構(gòu)就已提出現(xiàn)場(chǎng)總線的概念，但研究工作進(jìn)展緩慢，對(duì)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也未形成大的影響且沒有制定出相關(guān)的體系化標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)從1984年開始就著手制定，經(jīng)過

各方的共同努力和協(xié)商妥協(xié)，包含八種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)終于在1999年底正式通過。2003年，由IEC/5C6SC/MT9小組負(fù)責(zé)修訂的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)第3版（IEC61158ED.3）正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在新版本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了十種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)

化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)。作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)總線溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)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(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)引起了世界廣泛的關(guān)注，成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的熱點(diǎn)，開拓了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備體系構(gòu)建的新思路。縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)每一代新控制系統(tǒng)的推出都是針對(duì)老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位?，F(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外，它們將在物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)前沿的感知控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中漸漸嶄露頭角。2.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線及其控制系統(tǒng)

1.現(xiàn)場(chǎng)總線的定義

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、串行、多點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。在該定義中，首先說出了現(xiàn)場(chǎng)總線的主要使用場(chǎng)合，即制造業(yè)自動(dòng)化、批量流程控制、過程控制領(lǐng)域，當(dāng)然樓宇自動(dòng)化、智能交通、智能物流等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也是它得心應(yīng)手的應(yīng)用場(chǎng)合；其次說出了現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)線系統(tǒng)中的主要角色，即現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)裝置和控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置，這里的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或裝置肯定是智能化的，否則無法完成如此復(fù)雜的通信和控制任務(wù)，而控制室中的自動(dòng)控制裝置，更要完成對(duì)所有分散站點(diǎn)的管理和控制任務(wù)。最后說現(xiàn)場(chǎng)總線是一種通信網(wǎng)絡(luò)，有通信就必須有協(xié)議，從這個(gè)意義上講，現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)質(zhì)上是一個(gè)定義了硬件接口和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，而且該通信是數(shù)字式的、雙向傳輸?shù)?、串行的（可以進(jìn)行千米級(jí)長(zhǎng)距離的通信，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求）、多點(diǎn)的（可分散布控）。以上三點(diǎn)共同勾勒出了現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)質(zhì)。局域網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線的組網(wǎng)形式比較相似，因此我們需要重點(diǎn)區(qū)分現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)的概念。局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）是在一個(gè)局部的地理范圍內(nèi)（如學(xué)校、工廠和機(jī)關(guān)內(nèi)），一般是方圓幾千米以內(nèi)，將各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)等互相聯(lián)接起來組成的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。它可以通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)電路，與遠(yuǎn)方的局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)或處理中心相連接，構(gòu)成一個(gè)較大范圍的信息處理系統(tǒng)。局域網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)文件管理、應(yīng)用軟件共享、打印機(jī)共享、

掃描儀共享、工作組內(nèi)的日程安排、電子郵件和傳真通信服務(wù)等功能。局域網(wǎng)在嚴(yán)格意義上是封閉型的，它可以由辦公室內(nèi)幾臺(tái)甚至上千上萬臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。決定局域網(wǎng)的主要技術(shù)要素為：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸介質(zhì)與介質(zhì)訪問控制方法。表2-1將現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)進(jìn)行比較。從功能上看，現(xiàn)場(chǎng)總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上傳輸小批量的數(shù)據(jù)信息，如檢測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高；局域網(wǎng)用于連接局部區(qū)域的各臺(tái)計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)上傳輸如文本、聲音、圖像等大批量的數(shù)字信息，傳輸速率高，但實(shí)時(shí)性要求低。從實(shí)現(xiàn)方式上看，現(xiàn)場(chǎng)總線可采用各種通信介質(zhì)，如雙絞線、電

力線、光纖、無線射頻、遠(yuǎn)紅外等，實(shí)現(xiàn)成本低；局域網(wǎng)需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現(xiàn)成本高。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵意義是用新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）。集散控制系統(tǒng)的核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理，若干臺(tái)下位機(jī)分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，各上、下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對(duì)控制器處理能力和可靠性要求較高的缺陷。遺憾的是，不同的DCS廠家為了達(dá)到壟斷經(jīng)營(yíng)的目的而對(duì)其控制通信網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息共享，因此，從這個(gè)角度而言集散控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種封閉專用的、不具有可互操作性的分布式控制系統(tǒng)，且DCS造價(jià)昂貴。在這種情況下，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開放性和降低成本的迫切要求。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)正是順應(yīng)以上潮流而誕生的。FCS是工業(yè)自動(dòng)控制中的一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，它以高度智能化的智能儀表和設(shè)備為基礎(chǔ)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徹底的分散，并以這些現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量點(diǎn)、控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以總線的形式連接起來，形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。FCS的實(shí)質(zhì)是一個(gè)開放的、具有可互操作性的全分布式控制系統(tǒng)。一般來說，F(xiàn)CS由控制部分（主站）、測(cè)量部分（從站）、軟件（組態(tài)、管理等）以及網(wǎng)絡(luò)的連接及集成設(shè)備組成。

FCS一方面突破了DCS系統(tǒng)采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型的全分布式結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，它具有體系結(jié)構(gòu)開放、系統(tǒng)集成靈活方便、硬件智能化、傳輸數(shù)字化、控制計(jì)算高品質(zhì)化的特點(diǎn)。可以說，開放性、分散性與數(shù)字通信是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的最底層是Infranet控制網(wǎng)（即FCS），各控制

器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可任意選擇，可為總線型、星型、環(huán)型等；通信介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等多種形式。因此，由FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)，為用戶提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠、靈活的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。圖2-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在體系結(jié)構(gòu)上成功地實(shí)現(xiàn)了串行連接，克服了并行連接中存在的諸多問題；二是在技術(shù)上成功地解決了開放競(jìng)爭(zhēng)和設(shè)備兼容兩大難題，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化、互換性和控制系統(tǒng)的分散化。

1.現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）基礎(chǔ)性

作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中最底層的現(xiàn)場(chǎng)總線是一種能在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行的可靠的、廉價(jià)的和靈活的通信系統(tǒng)，它向下可以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表所處設(shè)備、裝備，向上可以有效地集成到

Internet或Ethernet中，構(gòu)成了工業(yè)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的最基礎(chǔ)的控制和通信環(huán)節(jié)。正是由于現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)和應(yīng)用，才使得工業(yè)、企業(yè)的信息管理、資源管理以及綜合自動(dòng)化真正達(dá)到了設(shè)備級(jí)，也正因如此才有可能真正使全方位的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

2）靈活性

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較如圖2-2所示。傳統(tǒng)的過程自動(dòng)控制采用一對(duì)一的設(shè)備連接，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和控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開關(guān)、電動(dòng)機(jī)之間均為一對(duì)一的物理連接，系統(tǒng)的各輸出控制回路也分別連接。這樣，一個(gè)控制系統(tǒng)的布線可能就有幾十、上百甚至上千條。這一方面增加了大量的系統(tǒng)硬件成本，同時(shí)也大大地增加了之后的施工、維護(hù)費(fèi)用和難度。另一方面，由于現(xiàn)場(chǎng)布線的復(fù)雜性，也使整個(gè)系統(tǒng)喪失了其可改變性。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，由于使用了高度智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和通信技術(shù)，在一條電纜上就能實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的傳遞，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成、施工完成后，去掉或添加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也輕而易舉。所以現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的徹底改變使得整個(gè)系統(tǒng)具有了高度的靈活性，更方便于應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)環(huán)境中，圖2-3為智能家居系統(tǒng)中的總線控制結(jié)構(gòu)。圖2-2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較(a)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(b)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-3智能家居系統(tǒng)中的總線控制結(jié)構(gòu)

3）分散性

由于在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中采用了智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，原先傳統(tǒng)控制中的某些控制、信號(hào)處理等功能都下放到了現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表中，再加上這些設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信功能，所以在多數(shù)情況下，控制系統(tǒng)的功能不依賴于控制室的計(jì)算機(jī)而直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)

1）開放性

開放性包括幾個(gè)方面：一是系統(tǒng)通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的一致性和公開性，這樣可以保證不同廠家的設(shè)備之間的互聯(lián)和替換，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開發(fā)者所做的第一件事就是致力于建立一個(gè)系統(tǒng)的工廠底層的開放系統(tǒng)；二是系統(tǒng)集成的透明性和開放性，用戶可自主地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成和重構(gòu)；三是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的公開性和公正性，用戶可以按照自己的需要，選擇不同廠家的任何符合系統(tǒng)要求的設(shè)備來組成自己的控制系統(tǒng)。

2）交互性

交互性指互操作性（Interoperability）和互換性（Interexchangability），這里也包含以下三層意思：一是指上層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間具有相互溝通的能力；二是指設(shè)備之間具有相互溝通的能力，即具有互操作性；三是指不同廠家的同類產(chǎn)品可以相互替換，即具有互換性。

3）自治性

由于將傳感測(cè)量、信號(hào)變換、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理和部分控制功能下放到了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具備了高度的智能化。除實(shí)現(xiàn)上述基本功能外，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還能隨時(shí)診斷自身的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)潛在的故障，實(shí)現(xiàn)高度的自治。

4）適應(yīng)性

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線是專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用而設(shè)計(jì)的，所以具有較強(qiáng)的抗干擾能力和極高的可靠性。在特定條件下，還可以滿足安全防爆的要求。2.1.4現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（IEC/ISA）于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。同時(shí)，世界上許多公司也推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。但各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，給實(shí)踐帶來很多不便，影響了系統(tǒng)的開放性和互操作性。經(jīng)過10年的努力，IEC相繼推出了IEC61158.2-IEC61158.6，即現(xiàn)場(chǎng)總線物理層規(guī)范、鏈路服務(wù)定義和協(xié)議規(guī)范以及應(yīng)用層服務(wù)定義和協(xié)議規(guī)范等五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

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)）以1999年年底通過的八種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158最早的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。最新的IEC61158（第四版）標(biāo)準(zhǔn)于2007年7月發(fā)布。

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。

IEC61158（第四版）標(biāo)準(zhǔn)包括的現(xiàn)場(chǎng)總線類型有：

IEC61158（FF的H1）現(xiàn)場(chǎng)總線、CIP現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、P-Net現(xiàn)場(chǎng)總線、

FFHSE現(xiàn)場(chǎng)總線、SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線、INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、FFH1以太網(wǎng)、PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、TCnet實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、EthernetPowerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、Modbus-RTPS實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、

SERCOSI、II現(xiàn)場(chǎng)總線、VNET/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線、SERCOSIII現(xiàn)場(chǎng)總線和HART現(xiàn)場(chǎng)總線。用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA（EthernetforPlantAutomation），其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范是由浙江大學(xué)中控技術(shù)有限公司、中科院沈陽自動(dòng)化所、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位聯(lián)合制定的用于工廠自動(dòng)化的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)國(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC65/SC65C投票通過，已作為公共可用規(guī)范（PublicAvailableSpecification，PAS）IEC/PAS62409標(biāo)準(zhǔn)化文件正式發(fā)布，并作為公共行規(guī)（CommonProfileFamily14，CPF14）列入正在制定的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)IEC61748-2，2005年12月正式進(jìn)入IEC61158第四版標(biāo)準(zhǔn)，成為IEC61158-314/414/514/614規(guī)范。

EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義了基于ISO/IEC8802.3、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。該規(guī)范面向控制工程的應(yīng)用實(shí)際，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)踐，形成了微網(wǎng)段化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、確定性通信調(diào)度、總線供電、分級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全控制策略、冗余管理、三級(jí)式鏈路訪問關(guān)系、基于XML的設(shè)備描述等方面的特色，并擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，基于EPA研制成功了二十多種常用儀表和兩種控制系統(tǒng)，包括壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、物位變送器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣體分析儀以及數(shù)據(jù)采集器等。EPA技術(shù)及其產(chǎn)品陸續(xù)在三十多個(gè)生產(chǎn)裝置上得到了成功的應(yīng)用。

2.2幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線

目前，國(guó)際上影響較大的現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，比較流行的主要有RS422、RS485、CAN、Ethernet/IP、ControlNet、LonWorks等。通過表2-2部分現(xiàn)場(chǎng)總線的比較可以看出各總線均有其自身的特點(diǎn)，因此，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。接下來我們將對(duì)各種總線進(jìn)行深入的講解。2.2.1RS422

RS422由RS232發(fā)展而來，克服了RS232通信距離短、速度低的缺點(diǎn)，采用差動(dòng)方式傳輸。差動(dòng)的工作方式是同速率條件下傳輸距離較遠(yuǎn)的根本原因，這正是RS422與RS232的根本區(qū)別。RS422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向。

RS422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s，其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100Kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離；只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS422需要終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗，接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。在短距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在

300米以下不需終接電阻。2.2.2RS485

RS485有兩線制和四線制兩種接線方式，四線制接線方式只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。表2-3是RS232、RS422和RS485的參數(shù)比較。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，通信協(xié)議廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。市場(chǎng)上一般的RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。

PC與智能設(shè)備通信多借助RS232、RS485、以太網(wǎng)等方式，主要取決于設(shè)備的接口規(guī)范。但RS232、RS485只能代表通信的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問，就必須自己編寫通信應(yīng)用程序，但這種程序多數(shù)都不能符合ISO/OSI的規(guī)范，只能實(shí)現(xiàn)較單一的功能，適用于單一設(shè)備類型，不具備通用性。在RS232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過兩臺(tái)，就必須使用RS485做通信介質(zhì)，設(shè)備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)主設(shè)備通常是PC，而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個(gè)主設(shè)備，其余全部是“從（Slave）”設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測(cè)、鏈路維護(hù)等問題。2.2.3CAN

控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）最初由德國(guó)BOSCH公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)，是一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線

（FieldBus）的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網(wǎng)CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的推廣鋪平了道路。目前，控制器局域網(wǎng)已經(jīng)成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

CAN的信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，傳輸速率最高可達(dá)

10Mb/s/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5Kb/s，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，因而傳輸時(shí)間段受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，其具有的自動(dòng)關(guān)閉功能可以自動(dòng)切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的通信不受影響，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

CAN支持多種方式工作，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)和全局廣播方式發(fā)送/接收數(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，從而避免沖突?？偟膩碚f，CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-BUS上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動(dòng)重發(fā)；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可自動(dòng)退出總線；報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。2.2.4Ethernet/IP

Ethernet/IP是一個(gè)面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議，它建立在標(biāo)準(zhǔn)UDP/IP與TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備定義了一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。Ethernet/IP由ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation，開放設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供貨商協(xié)會(huì)）開發(fā)，并得到了羅克韋爾自動(dòng)化（RockwellAutomation）公司的大力支持。

Ethernet/IP以特殊的方式將以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分成預(yù)定義的設(shè)備類型，每種設(shè)備有其特別的行為。此外，Ethernet/IP設(shè)備可以用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）的隱式報(bào)文傳送基本I/O資料；用傳輸控制協(xié)議（TCP）的顯式報(bào)文上傳或下載參數(shù)、設(shè)定值、程式或配方；用主站輪詢、從站周期性更新或是狀態(tài)改變（COS）時(shí)更新的方式，方便主站監(jiān)控從站的狀態(tài)，信息會(huì)用UDP的報(bào)文送出；用一對(duì)一、一對(duì)多或是廣播的方式，透過用TCP的報(bào)文送出資料。

Ethernet/IP應(yīng)用層協(xié)議是基于控制和信息協(xié)議（CIP）層的，提供了從工業(yè)樓層到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一整套無縫整合系統(tǒng)。Ethernet/IP使用所有傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議，構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)之上，這就意味著Ethernet/IP可以和現(xiàn)在所有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備透明銜接工作。更重要的是，將Ethernet/IP建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)上，保證了前者會(huì)隨著后者技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步發(fā)展。支持Ethernet/IP的團(tuán)體正致力于編制一個(gè)綜合的穩(wěn)固的標(biāo)準(zhǔn)，Ethernet/IP上的工作正由多個(gè)經(jīng)銷商參與，包括定制規(guī)格以及在經(jīng)認(rèn)證的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面的綜合測(cè)試。

CIP數(shù)據(jù)包在通過以太網(wǎng)發(fā)送前必須經(jīng)過封裝，并根據(jù)請(qǐng)求服務(wù)類型賦予一個(gè)報(bào)文頭，這個(gè)報(bào)文頭指示了發(fā)送數(shù)據(jù)到響應(yīng)服務(wù)的重要性。通過以太網(wǎng)傳輸?shù)腃IP數(shù)據(jù)包具有特殊的以太網(wǎng)報(bào)文頭，包括一個(gè)IP頭、一個(gè)TCP頭和一個(gè)封裝頭。其中，封裝頭包括了控制命令、格式和狀態(tài)信息、同步信息等，這允許CIP數(shù)據(jù)包通過TCP或UDP傳輸并能夠由接收方

解包。相對(duì)于DeviceNet或ControlNet，這種封裝的缺點(diǎn)是協(xié)議的效率比較低，以太網(wǎng)的報(bào)文頭可能比數(shù)據(jù)本身還要長(zhǎng)，從而造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)過重的后果。因此，Ethernet/IP更適用于發(fā)送大塊的數(shù)據(jù)（如程序），而不是DeviceNet和ControlNet更擅長(zhǎng)的模擬或數(shù)字的I/O數(shù)據(jù)。Ethernet/IP的一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500B，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10/100Mb/s，因而能實(shí)現(xiàn)大

量數(shù)據(jù)的高速傳輸?；贓thernetTCP或UDP_IP的Ethernet/IP是工業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)通信的一個(gè)擴(kuò)展，Ethernet/IP的規(guī)范是公開的。除辦公環(huán)境上使用的HTTP、FTP、IMTP、SNMP的服務(wù)程序之外，Ethernet/IP還具有生產(chǎn)者/客戶服務(wù)，允許有時(shí)間要求的信息在控制器與現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。非周期性的信息數(shù)據(jù)的可靠傳輸（如程序下載、組態(tài)文件）采用TCP

技術(shù)，而有時(shí)間要求和同期性控制數(shù)據(jù)的傳輸由UDP的堆棧來處理。Ethernet/IP實(shí)時(shí)擴(kuò)展在TCP/IP之上附加了CIP，在應(yīng)用層進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)運(yùn)行應(yīng)用，其通信協(xié)議模型如圖2-4所示。圖2-4Ethernet/IP通信協(xié)議模型2.2.5ControlNet

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用不僅要求控制器和工業(yè)器件之間緊耦合，還應(yīng)有確定性和可重復(fù)性。在ControlNet出現(xiàn)以前，沒有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備或信息層能有效地實(shí)現(xiàn)這樣的功能要求。ControlNet是由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化（RockwellAutomation）公司于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基于改進(jìn)型CanBus技術(shù)，是一種符合IEC61158CIP現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的高速確定性網(wǎng)絡(luò)。作為一種高速串行通信系統(tǒng)，ControlNet以一種確定加預(yù)測(cè)的模式運(yùn)行，適用于需要實(shí)時(shí)應(yīng)用信息交換的設(shè)備之間的通信。該總線網(wǎng)絡(luò)是一種用于對(duì)信息傳輸時(shí)間有苛刻要求的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，它也允許傳輸無時(shí)間苛求的報(bào)文數(shù)據(jù)。

ControlNet可用作PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，連接傳動(dòng)裝置和串、并行設(shè)備、PC、人機(jī)界面等，還可以溝通邏輯控制和過程控制系統(tǒng)，傳輸速率為5Mb/s。ControlNet是實(shí)時(shí)的控制層網(wǎng)絡(luò)，在單一物理介質(zhì)鏈路上，可以同時(shí)支持對(duì)時(shí)間有苛刻要求的實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)的高速傳輸以及報(bào)文數(shù)據(jù)的發(fā)送，包括編程和組態(tài)數(shù)據(jù)的上載、下載以及對(duì)等信息傳遞等。在所有采用ControlNet的系統(tǒng)和應(yīng)用中，其高速的控制和數(shù)據(jù)傳輸能力提高了實(shí)時(shí)I/O的性能和對(duì)等通信的能力。

ControlNet是一種高度確定性網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗軌蚩煽康仡A(yù)報(bào)數(shù)據(jù)傳遞完成的時(shí)間。同樣，ControlNet也因?yàn)槠淇芍貜?fù)性而聞名于世，該特性保證了傳輸時(shí)間為可靠的常量，且不受網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的增加或減少的影響。這些都是保證實(shí)時(shí)可靠、高度同步和高度協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)性能的至關(guān)重要的要求。不同于其他基于雙絞線的網(wǎng)絡(luò)，ControlNet使用光纖介質(zhì)，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)30km，傳輸速率一般保持在5Mb/s，且不會(huì)隨距離的增加而減小，并可在噪聲環(huán)境中使用。這些都使得ControlNet當(dāng)之無愧地成為連接遠(yuǎn)程I/O和對(duì)等PLC主站的理想網(wǎng)絡(luò)。

ControlNet協(xié)議的制定參照了OSI的七層協(xié)議模型中的第一、二、三、四、七層，它既考慮了網(wǎng)絡(luò)的效率和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，精簡(jiǎn)了完整的七層結(jié)構(gòu)，又兼顧到協(xié)議技術(shù)的向前兼容性和功能完整性。與一般的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議相比，ControlNet協(xié)議增加了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，這對(duì)于與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

的互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)的橋接功能有很大支持，更有利于大范圍的組網(wǎng)應(yīng)用。

ControlNet總線技術(shù)的特點(diǎn)如下：

(1)在單根電纜上支持兩種信息傳輸，即對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格苛求和對(duì)時(shí)間無苛求的信息發(fā)送和程序上、下載；

(2)采用新的通信模式，以生產(chǎn)者/客戶的模式取代了傳統(tǒng)的源/目的的模式，同時(shí)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而且允許同一時(shí)間與多個(gè)設(shè)備通信；

(3)可使用同軸電纜，長(zhǎng)度達(dá)6km，可尋址節(jié)點(diǎn)多達(dá)99個(gè)，兩節(jié)點(diǎn)間的最長(zhǎng)距離達(dá)1km；

(4)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用總線型、樹形和星形；

(5)安裝簡(jiǎn)單，拓展方便，介質(zhì)冗余，本質(zhì)安全，診斷功能良好，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。2.2.6LonWorks

LonWorks是美國(guó)Echelon公司于1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，最初主要用于樓宇自動(dòng)化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)。LonWorks支持多種物理介質(zhì)，有雙絞線、光纖、同軸電纜、電力線載波、無線通信等，并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)形式靈活。它采用了與OSI參考模型相似的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)了完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議，節(jié)點(diǎn)間可以對(duì)等通信。

Neuron芯片中有三個(gè)八位的CPU，第一個(gè)用于完成開放互聯(lián)模型中第一、二層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理；第二個(gè)用于完成第三、四、五、六層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計(jì)量、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有儲(chǔ)存信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)，如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KBRAM和2KBE2PROM。

LonWorks技術(shù)的不斷推廣促進(jìn)了神經(jīng)元芯片的低成本化，而芯片的低成本又反過來促進(jìn)了LonWorks技術(shù)的推廣與應(yīng)用，兩者形成了良性循環(huán)。此外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片業(yè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。LonWorks技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決方法，正在被越來越多的廠商、用戶、集成商以及技術(shù)人員所認(rèn)同。由于對(duì)等性、平坦性、開放性、可互操作性等特點(diǎn)，它可在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。LonWorks網(wǎng)絡(luò)提出了一些非常簡(jiǎn)單的主張：控制系統(tǒng)基本上可以不考慮應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)比非網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)更加強(qiáng)大、靈活，且易可擴(kuò)展；從長(zhǎng)期考慮，網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)可比非網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)節(jié)約更多的成本。2.2.7EIB

EIB（EuropeanInstallationBus）是電氣布線領(lǐng)域使用最多的行業(yè)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。1990年5月，110多個(gè)歐洲電氣制造商聯(lián)合成立了EuropeanInstallationBusAssociation，總

部設(shè)于比利時(shí)的布魯塞爾，并制訂了歐洲安裝總線規(guī)范EuropeanInstallationBus。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在德國(guó)的商業(yè)功能建筑和大型超市中，大約30%的樓宇都不同程度地安裝了EIB系統(tǒng)，

而在計(jì)劃建造的樓宇中，這一比例則達(dá)到了60%。鑒于其優(yōu)秀的表現(xiàn)，該協(xié)議已被美國(guó)消費(fèi)電子制造商協(xié)會(huì)（CEMA）吸收作為家庭網(wǎng)絡(luò)EIA-776標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，EIB不僅成為事實(shí)上的歐洲規(guī)范，并在2000年在IEC國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大會(huì)上被提名為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一。

EIB是一種標(biāo)準(zhǔn)的總線控制系統(tǒng)，控制方式為對(duì)等控制，不同于傳統(tǒng)的主從控制方式，總線采用四芯屏蔽雙絞線，其中兩芯為總線使用，另外兩芯備用。所有元件均采用24伏直流工作電源，24伏直流供電與電信號(hào)復(fù)用總線。

EIB的元器件均為模塊化元件，主要分為驅(qū)動(dòng)器和探測(cè)器兩類，驅(qū)動(dòng)器為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)化的元件，采用標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌的安裝方式，探測(cè)器采用標(biāo)準(zhǔn)表面齊平安裝方式。驅(qū)動(dòng)器和探測(cè)器可分散安裝在建筑物的不同區(qū)域，然后使用總線將所有的元件連接起來。每個(gè)元件內(nèi)均有內(nèi)置的微處理器與存儲(chǔ)器，故這些元器件可分別獨(dú)立工作，任何一個(gè)元件的損壞都不會(huì)影響系統(tǒng)其他部分的獨(dú)立工作，因此具有高度的安全性。

EIB的通信協(xié)議遵循OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）模型，提供了OSI模型所定義的全部七層服務(wù)。由于開關(guān)信號(hào)的隨機(jī)性，EIB采用了CSMA/CD（具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問），通過這種總線訪問技術(shù)，在多個(gè)總線元件同時(shí)發(fā)送信號(hào)時(shí)不會(huì)發(fā)生信號(hào)丟失，并且EIB有自己的優(yōu)先權(quán)定義以保證信號(hào)能夠按照一定的次序傳送。

EIB最大的特點(diǎn)是通過單一多芯電纜替代了傳統(tǒng)分離的控制電纜和電力電纜，并確保各開關(guān)之間可以互傳控制指令，因此總線電纜可以以線形、樹形或星形方式鋪設(shè)，方便擴(kuò)容與改裝。EIB系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是支線（Line），一條支線可

以接64個(gè)元件，通過線路耦合器（LineCoupler）最多可以

將15條支線連接為一個(gè)區(qū)域（Area），而通過干線耦合器（BackboneLineCoupler）可以將15個(gè)區(qū)域連接成一個(gè)最大的系統(tǒng)。因此，EIB系統(tǒng)最多可以容納高達(dá)14400個(gè)元件，而可控制的用電設(shè)備點(diǎn)數(shù)更是驚人。事實(shí)上，如果某一條線路需要連接更多的元件的話，還可以通過連接線路中繼器（LineRepeater）的方式再多連接192個(gè)總線元件。根據(jù)EIB標(biāo)準(zhǔn)，

一條總線的最大長(zhǎng)度為1000米。

EIB系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，安裝方便，易于維護(hù)，節(jié)省大截面線材消耗量，可降低建筑開發(fā)商的投資成本和維修管理費(fèi)用，縮短安裝工期，提高投資回報(bào)率；運(yùn)用了先進(jìn)的微電子技術(shù)，不但可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)、雙點(diǎn)、多點(diǎn)、區(qū)域、群組控制、場(chǎng)景設(shè)置、定時(shí)開關(guān)、亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、紅外線探測(cè)、集中監(jiān)控、遙控等多種控制任務(wù)，并且可以優(yōu)化能源的利用，節(jié)約能源，降低運(yùn)行費(fèi)用；能滿足多種用戶對(duì)不同環(huán)境功能的要求,電氣安裝總線是開放式、大跨度的框架結(jié)構(gòu)，允許用戶迅速而方便地改變建筑物的使用功能或重新規(guī)劃建筑平面；可以滿足建筑經(jīng)濟(jì)型運(yùn)行的要求，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行與管理的必要條件，同時(shí)也可以大量減少管理與維護(hù)人員，降低管理費(fèi)用，提高勞動(dòng)效率，并提高管理水平；現(xiàn)代化建筑有多種報(bào)警措施及安全服務(wù)，各系統(tǒng)間互相結(jié)合，并以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形式實(shí)現(xiàn)，在緊急突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，能作出迅速果斷的處理，為建筑的安全提供了可靠的保障；通過弱電控制強(qiáng)電，人體接觸的控制設(shè)備均為24V安全電壓，保證了建筑的安全和可靠。2.2.8InterBus

InterBus總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國(guó)的PhoenixContact公司。InterBus是一個(gè)傳感器/調(diào)節(jié)器總線系統(tǒng)，特別適用于工業(yè)控制，能夠提供從控制級(jí)設(shè)備至底層限定開關(guān)的一致性網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。InterBus作為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛地應(yīng)用于制造行業(yè)和機(jī)器加工行業(yè)中，用于連接傳感器/執(zhí)行器的信號(hào)到計(jì)算機(jī)控制站，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。

InterBus總線包括遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)和本地總線網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)傳送相同的信號(hào)但電平不同。遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS485傳輸，網(wǎng)絡(luò)自身不供電，采用全雙工

方式進(jìn)行通信，通信速率為500kb/s。本地總線網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上的總線終端（BUSTerminal，BT)上的BK模塊負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

InterBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線形、樹形、星形，而且最多允許有16級(jí)的嵌套連接方式，其物理傳輸介質(zhì)包括雙絞線、光線和紅外線等。InterBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)最多

允許接入512個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，其中254個(gè)依賴于遠(yuǎn)程總線。現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間的最大距離為400m，若采用同軸電纜則最大距離可達(dá)12.8km。InterBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)采用非仲裁通信方式，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的錯(cuò)誤檢查采用16位CRC碼校驗(yàn)方式。

InterBus總線技術(shù)能夠滿足三個(gè)要求，即信號(hào)迅速采集、通信安全可靠以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和啟動(dòng)系統(tǒng)同步性。信號(hào)迅速采集，即要求采用開發(fā)簡(jiǎn)單并具有恒定周期的信號(hào)采集方式，InterBus技術(shù)通過簡(jiǎn)單、方便的診斷功能和開放性的系統(tǒng)特點(diǎn)，正好能滿足這個(gè)要求；同時(shí)InterBus采用點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方法，以保證最高的傳輸效率，而不必采用快的傳輸速率，這將使得產(chǎn)生的InterBus總線的模塊接口簡(jiǎn)單、方便，可靠性高；獨(dú)特的InterBus總線的集總幀（Summationframe）協(xié)議方法使得傳輸周期能夠按實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

InterBus定義了OSI七層協(xié)議模型中的第一、二、七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）和應(yīng)用層。其中，為了提高傳輸效率，數(shù)據(jù)鏈路層由媒體訪問控制（MAC）、基本鏈路層（BLL）和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路（PDL）三個(gè)子層構(gòu)成，該數(shù)據(jù)鏈路層產(chǎn)生了等時(shí)（Isochrones）、集總幀（Summationframe）傳輸協(xié)議。2.2.9PROFIBUS

1987年德國(guó)聯(lián)邦科技部集中了13家公司的五個(gè)研究所的力量，按ISO/OSI參考模型制訂了現(xiàn)場(chǎng)總線的德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS，其主要支持者是德國(guó)西門子公司，并于1991年在德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245中發(fā)布，開始只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS，1994年又推出了PROFIBUS-PA，它引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)的物理層（IEC1158-2，1993年通過），從而可以在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域（EX）內(nèi)連接本質(zhì)安全型通過總線饋電的現(xiàn)場(chǎng)儀表，這使得PROFIBUS更加完善。PROFIBUS已于1996年3月15日被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170-2。

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。主站具有對(duì)總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)于多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)。按PROFIBUS的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí)，可以按主/從方式向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。主站可采用對(duì)所有站點(diǎn)廣播（不要求應(yīng)答），或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。

PROFIBUS為多主從結(jié)構(gòu)，可方便地構(gòu)成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)。針對(duì)不同的控制場(chǎng)合，它分為三個(gè)系列：通用自動(dòng)化PROFIBUS-FMS總線、工業(yè)自動(dòng)化PROFIBUS-DP總線和過程自動(dòng)化PROFIBUS-PA總線，以適應(yīng)于高速和時(shí)間苛求的數(shù)據(jù)傳輸以及大范圍的復(fù)雜通信場(chǎng)合。

(1)PROFIBUS-DP適用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。它以德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN1924的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達(dá)到的目標(biāo)對(duì)通信功能加以擴(kuò)充,傳輸速率可達(dá)12Mb/s，其設(shè)計(jì)宗旨在用于設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳送。中央控制器（PLC/PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等）進(jìn)行通信，同這些分散的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換多是周期性的。使用PROFIBUS-DP可以取代24伏直流或4~20毫安信號(hào)傳輸。（2）PROFIBUS-PA適用于安全性要求較高的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2（物理層）規(guī)定的通信規(guī)程。PROFIBUS-PA的過程自動(dòng)化解決方案中PA將自動(dòng)化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（壓力、溫度和液體變送器等）連接起來，節(jié)約成本，并提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性，因此PA適用于化工、石油、冶金等行業(yè)的過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本征安全一直是工程網(wǎng)絡(luò)在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)首先需要考慮的問題，否則，網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)得再完善也無法在化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)使用。目前，各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中考慮本征安全特性的成熟解決方案可以說都是PROFIBUS-PA，它只需要一條雙絞線就可傳送信息并向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，由于總線的操作電源來自單一的供電設(shè)備，也就不需要絕緣裝置和隔離裝備，設(shè)備在操作過程中進(jìn)行維修、接通或斷開，即使在潛在的爆炸區(qū)也不會(huì)影響到其他站點(diǎn)。使用分段式渦合器，PROFIBUS-PA

可以很方便地集成到PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)上，并且經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷功能對(duì)故障進(jìn)行快速的定位。診斷信息在總線上傳達(dá)、輸出并由主站采集。診斷信息分為三級(jí)：本站診斷操作、模塊診斷操作和通道診斷操作。（3）PROFIBUS-FMS旨在解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，采用令牌結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。FMS提供大量的通信服務(wù)，用以完成以中等傳輸速率進(jìn)行的循環(huán)信息交換，它考慮的主要是系統(tǒng)的功能而不是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用中通常要求的是隨即的信息交換（如改變?cè)O(shè)定參數(shù)等）。FMS服務(wù)可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。FMS提供上下文環(huán)境管理、變量的存取、定義域管理、程序調(diào)用管理、事件管理、對(duì)VFD（VirtualFieldDevice）的支持以及對(duì)象字典管理等服務(wù)功能，同時(shí)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或有選擇地廣播通信、帶可調(diào)監(jiān)視時(shí)間間隔的自動(dòng)連接、當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸和光纖傳輸。RS485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)，這種技術(shù)通常被稱為H2，采用的電纜是屏蔽雙絞線，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖蟻碚f它屬于線性總線，網(wǎng)絡(luò)兩端帶有有源的總線終端電阻。PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可以使用光纖進(jìn)行傳輸，以增加傳輸距離和提高抗干擾性；可使用總線轉(zhuǎn)換器將RS485電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖信號(hào)，即可在同一系統(tǒng)上采用RS485傳輸和光纖傳輸。2.2.10PROFINET

PROFINET由PROFIBUS國(guó)際組織（PROFIBUSInternational，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形之外的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有

投資。

PROFINET支持從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到工廠管理層通信的連續(xù)性，從而增加了生產(chǎn)過程的透明度，優(yōu)化了公司的系統(tǒng)運(yùn)作。作為開放和透明的概念，PROFINET也適用于Ethernet和任何其他

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之間的通信，可實(shí)現(xiàn)與其他現(xiàn)場(chǎng)總線的無縫集成。PROFINET同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，提供了獨(dú)立于制造商的通信、自動(dòng)化和工程模型，將通信系統(tǒng)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)。

1.PROFINET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PROFINET提供標(biāo)準(zhǔn)化的獨(dú)立于制造商的工程接口，它能夠方便地把各個(gè)制造商的設(shè)備和組件集成到單一系統(tǒng)中。設(shè)備之間的通信鏈接以圖形形式組態(tài)，無需編程。PROFINET最早建立自動(dòng)化工程系統(tǒng)與微軟操作系統(tǒng)及其軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)，使自動(dòng)化行業(yè)的工程應(yīng)用能夠被WindowsNT/2000所接受，將工程系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)以及Windows操作系統(tǒng)結(jié)合為一個(gè)整體，如圖2-5所示。圖2-5PROFINET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PROFINET包括八大主要模塊，分別為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)集成與信息安全、故障安全和過程自動(dòng)化。同時(shí)，PROFINET也實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到管理層的縱向通信集成，一方面，方便管理層獲取現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)；另一方面，原本在管理層存在的數(shù)據(jù)安全性問題也延伸到了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。為了保證現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)的安全，PROFINET提供了特有的安全機(jī)制，通過使用專用安全模塊，可以保護(hù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)最小化。PROFINET是一個(gè)整體的解決方案，其通信協(xié)議模型如圖2-6所示。圖2-6PROFINET的通信協(xié)議模型在PROFINET的通信協(xié)議模型中，RT（實(shí)時(shí)）通道能夠?qū)崿F(xiàn)高性能傳輸循環(huán)數(shù)據(jù)和時(shí)間控制信號(hào)、警報(bào)信號(hào)；IRT（同步實(shí)時(shí)）通道能夠?qū)崿F(xiàn)等時(shí)同步方式下的數(shù)據(jù)高性能傳輸；PROFINET使用了TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，并符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化體系，覆蓋了自動(dòng)化技術(shù)的所有要求，能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線的無縫集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一條總線電纜中完成，IT服務(wù)和TCP/IP開放性沒有任何限制，它是用于所有客戶從高性能到等時(shí)同步可以伸縮的實(shí)時(shí)通信需要的統(tǒng)一的通信。從圖2-6中可以看出，PROFINET提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類實(shí)時(shí)通信通道。標(biāo)準(zhǔn)通信通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實(shí)時(shí)通信通道，主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)，各種已驗(yàn)證的IT技術(shù)都可以使用（HTTP、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的時(shí)候，可以使用這些IT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)加強(qiáng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，這意味著在調(diào)試和維護(hù)中可以節(jié)省成本。

RT通道是軟實(shí)時(shí)SRT（SoftwareRT）方案，主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制信號(hào)與報(bào)警信號(hào)等，它跳過第三層和第四層，提供精確的通信能力。為了優(yōu)化通信功能，PROFINET根據(jù)IEEE802.1P定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，最多可用七級(jí)。IRT采用了同步實(shí)時(shí)的ASIC芯片解決方案，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間，特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時(shí)同步傳輸以及快速的時(shí)鐘同步運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。在實(shí)時(shí)通道中，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時(shí)間窗，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時(shí)間用來傳遞標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)，兩種不同類型的數(shù)據(jù)就可以同時(shí)在PROFINET上傳遞，而且不會(huì)互相干擾。通過獨(dú)立的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道，保證對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠控制。

PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線支持開放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ牛@種通信建立在普遍使用的EthernetTCP/IP基礎(chǔ)上，優(yōu)化的通信機(jī)制還可以滿足實(shí)時(shí)通信的要求。PROFINET的對(duì)象模型如圖2-7所示。圖2-7PROFINET的對(duì)象模型基于對(duì)象應(yīng)用的DCOM（DistributedComponentObjectModel，分布式對(duì)象模型）通信協(xié)議是通過該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立的，以對(duì)象的形式表示的PROFINET組件根據(jù)對(duì)象協(xié)議交換其自動(dòng)化數(shù)據(jù)。自動(dòng)化對(duì)象即COM對(duì)象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線上?；顒?dòng)連接控制對(duì)象（ACCO）確保已組態(tài)的互相連接的設(shè)備間通信關(guān)系的建立和數(shù)據(jù)交換。傳輸本身是由事件控制的，ACCO也負(fù)責(zé)故障后的恢復(fù)，包括質(zhì)量代碼和時(shí)間標(biāo)記的傳輸、連接的監(jiān)視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測(cè)試和診斷。在實(shí)時(shí)對(duì)象模型中，物理設(shè)備（PhysicalDevice）即硬件設(shè)備，允許接入一個(gè)或多個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)物理設(shè)備包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備（LogicalDevice），但每個(gè)邏輯設(shè)備只能表示一個(gè)軟件。邏輯設(shè)備可以作為執(zhí)行器、傳感器、控制器的組成部分，通過OLE自動(dòng)控制的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。物理設(shè)備通過標(biāo)簽或者索引來識(shí)別邏輯設(shè)備，通過活動(dòng)連接控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制對(duì)象之間的連接。擴(kuò)展邏輯設(shè)備（ExtendedLogicalDevice）對(duì)象或者其他對(duì)象用來實(shí)現(xiàn)不同制造商生產(chǎn)的邏輯設(shè)備之間的互聯(lián)，并且實(shí)現(xiàn)通用對(duì)象模型中的所有附加服務(wù)。

2.PROFINET的實(shí)時(shí)通信

1)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，其響應(yīng)時(shí)間約為100ms的量級(jí)。TCP/IP只提供了基礎(chǔ)通信，用于以太網(wǎng)設(shè)備通過面向連接和安全的傳輸通道在本地分布式網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在較高層上則需要其他的協(xié)議和規(guī)范（也稱為應(yīng)用層協(xié)議），而不是TCP或UDP。那么，在設(shè)備上使用相同的應(yīng)用層協(xié)議時(shí)，只能保證互操作性。典型的應(yīng)用協(xié)議有HTTP、SNMP和DHCP等。

2）實(shí)時(shí)通信

生產(chǎn)裝備內(nèi)對(duì)時(shí)間有苛刻要求的過程數(shù)據(jù)傳輸采用實(shí)時(shí)通道。在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)時(shí)應(yīng)用需要刷新，響應(yīng)時(shí)間范圍在5~10ms內(nèi)。經(jīng)驗(yàn)指出，與設(shè)備中的處理時(shí)間相比，快速（100Mb/s）或更高速率的以太網(wǎng)線路上的傳輸時(shí)間是可以忽略不計(jì)的。在提供者的應(yīng)用中可提供數(shù)據(jù)的時(shí)間是不受通信影響的。這就是說，在刷新時(shí)間以及實(shí)時(shí)響應(yīng)中，任何重大的改進(jìn)主要通過發(fā)布者和使用者通信棧的優(yōu)化來達(dá)成。

PROFINET中的實(shí)時(shí)通信通道就是為了能滿足自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)要求，此通道基于以太網(wǎng)。此解決方案顯著地減少了通信棧所占用的運(yùn)行時(shí)間，從而提高了過程數(shù)據(jù)刷新速率方面的性能。PROFINET使用快速以太網(wǎng)，快速以太網(wǎng)中已集成全雙工模式的切換技術(shù)，并已進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。在PROFINET中通過優(yōu)先級(jí)優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，不僅使得控制器中的通信棧最小化，而且也對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行了優(yōu)化。為了能在這些情況下達(dá)到一種最佳效果，在PROFINET中按照IEEE802.1Q將這些數(shù)據(jù)包區(qū)分優(yōu)先級(jí)，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流則由網(wǎng)絡(luò)組件依據(jù)此優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。優(yōu)先級(jí)6（Priority6）是用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)，由此也就確保了對(duì)其他應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)處理。

3）同步實(shí)時(shí)通信

實(shí)時(shí)通道RT解決方案對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用要求刷新速率為1ms，在100個(gè)節(jié)點(diǎn)的連續(xù)循環(huán)中抖動(dòng)精度為1μm。為了滿足這些需求，PROFINET在快速以太網(wǎng)的第二層協(xié)議上定義了時(shí)間間隔控制的傳輸方法IRT。通過具備上述精度的參與設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)組件和PROFINET設(shè)備）的時(shí)間同步化，可在網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定時(shí)間片，在此時(shí)間間隔內(nèi)傳輸自動(dòng)化任務(wù)所必需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通信循環(huán)被分成兩個(gè)部分，即時(shí)間確定性部分和開放性部分。循環(huán)的實(shí)時(shí)報(bào)文在時(shí)間確定性通道中傳輸，而TCP/IP報(bào)文則在開放性通道中傳輸。這種處理方法可與高速公路相媲美，最左邊的車道總是為時(shí)間要求最緊迫的車輛（實(shí)時(shí)通信）而保留的，由此防止其他車道上的用戶（TCP/IP通信）占用此車道，甚至在右邊車道交通擁塞的情況下也絕不能影響時(shí)間要求緊迫的車輛的通過。等時(shí)同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)基于硬件，這樣在獲得所要求的順序精度的同時(shí)也解放了承擔(dān)PROFINET設(shè)備通信任務(wù)的處理器，從而免除了煩瑣的計(jì)算，為自動(dòng)化任務(wù)提供解決方案。

3.PROFINET系統(tǒng)集成

PROFINET系統(tǒng)集成如圖2-8所示。

PROFINET節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過MicrosoftDCOM實(shí)現(xiàn)的，通過以太網(wǎng)TCP/IP傳輸和尋址。PROFINET不需要考慮下層的總線系統(tǒng)而直接運(yùn)用TCP/IP或UDP/IP作為通信接口，盡管可以使用不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，但PROFINET為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度,采用了以太網(wǎng)連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。PROFINET可以通過代理服務(wù)器（Proxy）很容易地實(shí)現(xiàn)與PROFIBUS或者其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的集成。圖2-8PROFINET系統(tǒng)集成

PROFINET為集成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)提供了兩個(gè)解決方案。

（1）現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通過代理服務(wù)器集成的每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備代表一個(gè)獨(dú)立的PROFINET組件。通過代理服務(wù)器規(guī)范，PROFINET提供一個(gè)從已有的工廠單元到新安裝的工廠單元完全透明的轉(zhuǎn)換；

（2）現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用集成的每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線段代表一個(gè)自成體系的組件，而這種組件又稱為PROFINET中的設(shè)備，它使別的現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUSDP）處于PROFINET系統(tǒng)的較低級(jí)別。因此，低級(jí)別現(xiàn)場(chǎng)總線功能以代理服務(wù)器的組件形式得以實(shí)現(xiàn)。2.2.11FF

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（FoundationFieldbuse）以ISO/OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)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。FF是一種全數(shù)字、雙向傳輸、多點(diǎn)通信且由總線供電，用于連接智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的通信鏈路。現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)于1994年成立，旨在形成專一的、國(guó)際性的、有互操作性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)以符合最新自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展要求，并提供教育、互操作性測(cè)試、一致性測(cè)試、測(cè)試工具、研發(fā)支持軟件和試驗(yàn)協(xié)助等工作?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)是一個(gè)國(guó)際性的組織，有120多個(gè)成員，包括了全球主要的過程控制產(chǎn)品的供應(yīng)商，基金會(huì)成員所生產(chǎn)的變送器、DCS系統(tǒng)、執(zhí)行器、流量?jī)x表等產(chǎn)品占世界市場(chǎng)的90％?；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31.25Kb/s，通信距離可達(dá)1900米（可加中繼器延長(zhǎng)），可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率有1Mb/s和2.5Mb/s兩種，其通信距離分別為750米和500米。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負(fù)跳變。正跳變代表0，負(fù)跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。

為了滿足用戶的需要，Honeywell、Ronan等公司開發(fā)出可完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司開發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品。FF將ISO/OSI七層參考模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，再加上用戶層形成四層結(jié)構(gòu)。FF的關(guān)鍵特點(diǎn)是在應(yīng)用層上增加了一個(gè)內(nèi)容廣泛的應(yīng)用層，這在其他總線中并未出現(xiàn)。用戶層用于組成用戶所需的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。另外，功能塊將控制功能進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)封裝，如模擬輸入、模擬輸出、PID控制等。功能塊可根據(jù)需要內(nèi)置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)所希望的功能。功能塊的設(shè)計(jì)使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、連接及操作非常容易。設(shè)備描述以及設(shè)備描述語言由設(shè)備供應(yīng)商提供。一旦設(shè)備描述上載到主機(jī)系統(tǒng)后，系統(tǒng)及所有的其他設(shè)備就能識(shí)別出該設(shè)備的所有性能。由于有了用戶層，F(xiàn)F就可以充分地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可互操作性。2.2.12P-NET

P-NET的設(shè)想出現(xiàn)于1983年的丹麥，由Proces-DataA/S公司研究并開發(fā)，是一種全世界通用的開放型標(biāo)準(zhǔn)化總線。由于PNET采用通用的硬件和軟件，所以它的改進(jìn)與升級(jí)都比較快，其中有些性能超過了PROFIBUS，例如虛擬令牌傳遞與PROFIBUS的實(shí)際報(bào)文信息傳遞相比，可以節(jié)省很多信道

容量。

1.P－NET的主要特點(diǎn)

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），傳輸介質(zhì)使用屏蔽雙絞線電纜RS485，每段總線最長(zhǎng)1200米，每段最多可聯(lián)結(jié)125個(gè)設(shè)備，總線分段之

間使用中繼器，數(shù)據(jù)以NRZ編碼異步式傳輸，傳輸速率為76.8Kb/s。PNET總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)復(fù)雜工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的幾個(gè)層次上，而各層次的傳輸速率保持一致。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。任何PNET模塊，包括主站，可以與總線連接或斷開，而不影響總線的其他部分。這樣一來，模塊在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以互換，而且在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

P-NET可以將生產(chǎn)過程的各個(gè)部分，如過程控制計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器I/O模塊、小型可編程控制器等，通過共用一根雙芯電纜加以連接，如圖2-9所示。與傳統(tǒng)布線相比，

P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，它大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和安裝，減少了布線的數(shù)量和費(fèi)用，降低

了各種設(shè)備故障發(fā)生的可能性，實(shí)現(xiàn)更直接也更廣泛的使用功能。

圖2-9P-NET總線連接圖

P-NET總線訪問采用“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權(quán)通過虛擬令牌在主控器之間循環(huán)傳遞。這種令牌傳遞方式是一種基于時(shí)間的循環(huán)機(jī)制，不同于采用報(bào)文傳遞令牌的方式。

它與報(bào)文傳遞令牌方式相比節(jié)省了主控器的處理時(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)從屬器的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼。由于P－NET采用同一微處理器控制節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)和通信功能，所以它比獨(dú)立芯片/微處理器結(jié)構(gòu)節(jié)省了選擇波特率和設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址的dip開關(guān)?！靶∠到y(tǒng)，低成本”是P－NET總線的主要特征。

P-NET系統(tǒng)可用于把參數(shù)和程序下裝到模塊，從而對(duì)過程進(jìn)行控制，系統(tǒng)還可以自動(dòng)地檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和電纜的故障。與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢(shì)在于：簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與安裝；降低了電纜用量與成本；減少了安裝與維護(hù)成本；使將來系統(tǒng)的擴(kuò)展更為方便；智能化P－NET傳感器和執(zhí)行器還提供了比傳統(tǒng)線路更優(yōu)越的診斷特性。

2.P-NET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

P-NET總線系統(tǒng)采用OSI開放式系統(tǒng)互連參考模型的第一、二、三、四、七層，并利用信道結(jié)構(gòu)定義用戶層。

（1）第一層物理層。該層定義了在網(wǎng)絡(luò)上傳輸原始數(shù)據(jù)位的形式，描述了系統(tǒng)的電氣接口、波特率、線纜等。

（2）第二層數(shù)據(jù)鏈路層。該層的主要功能有：控制總線的存取；生成和識(shí)別幀界，識(shí)別節(jié)點(diǎn)地址；執(zhí)行傳輸過程中的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能；用于實(shí)現(xiàn)多主機(jī)特性，將數(shù)據(jù)整理后送入源地址或目標(biāo)地址，并進(jìn)行故障檢查。（3）第三層網(wǎng)絡(luò)層。該層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層與服務(wù)層的信息傳輸，并執(zhí)行網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)絡(luò)層就象是P－NET的郵局，根據(jù)源地址和目的地址接收和發(fā)送信息。一條信息可能被要求從一個(gè)P－NET網(wǎng)站中送出，或送入另一臺(tái)PNET服務(wù)器，或送回所要求的設(shè)備，或返回原節(jié)點(diǎn)。

（4）第四層服務(wù)層。該層完成兩個(gè)不同的任務(wù)，一是提供P-NET服務(wù)，根據(jù)程序從內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀、寫數(shù)據(jù)；二是記錄已發(fā)出請(qǐng)求正等待回應(yīng)的信息數(shù)量，當(dāng)一條請(qǐng)求得到響應(yīng)時(shí)，便被送回源地址。

3.P-NET的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線是一種多主站、多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，總線采用分段結(jié)構(gòu)，每個(gè)總線分段上可以連接多個(gè)主站，主站之間通過接口能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上互連。P－NET現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10PNET現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過去為工廠設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本思路是：先把傳感器和執(zhí)行器用一根現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來，然后將現(xiàn)場(chǎng)總線接到一個(gè)單元控制器上形成一個(gè)子系統(tǒng)，這樣許多相似的子系統(tǒng)再用一個(gè)高速的主干總線連接起來，送到一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)中做為終止。所以總線原則上分為兩個(gè)等級(jí)，一個(gè)由若干條低速的現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成，另一個(gè)由高速總線把低速總線連接起來，高速和低速總線的技術(shù)和結(jié)構(gòu)都是不同的。

P－NET打破了這兩個(gè)不同的等級(jí)而把它們平等起來，盡量減少高速、低速的等級(jí)之分。根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)，較高級(jí)上對(duì)快速數(shù)據(jù)傳輸速率的要求已經(jīng)減少，更多的智能被分散下放，采取將信息處理分散化的更加明智的辦法，就是PNET的特點(diǎn)。它可以用于全廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)層面上，按照工廠的每一個(gè)部分，把一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)分成幾個(gè)單元，使每個(gè)單元具有這樣的性質(zhì)：當(dāng)這個(gè)單元關(guān)閉時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)不受影響，程序的執(zhí)行可以分散地在每一個(gè)單元的一個(gè)或幾個(gè)處理器中獨(dú)立進(jìn)行。中的一個(gè)軟件或硬件錯(cuò)誤將不影響其他單元。在具有實(shí)分布智能的系統(tǒng)中，附加的處理能力總是可以通過附加主站的形式來實(shí)現(xiàn)，所以這樣的系統(tǒng)是可以擴(kuò)展的。在各種可行的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，只有PNET允許在幾個(gè)總線分段上直接尋址，這又稱為多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種特性是PNET協(xié)議中一

個(gè)特殊的部分，而且它可以被裝入多端口控制器的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。通信通過具有兩個(gè)或更多的P－NET接口的節(jié)點(diǎn)在不同的總線分段上直接傳輸，這意味著在一個(gè)總線分段上的任何主站可以“透明”地訪問任何其他分段上的任何節(jié)點(diǎn)，而不需要在多端口主站中有特殊的程序。把一個(gè)系統(tǒng)分割為小的部分的益處是非常明顯的，因?yàn)樗梢詫㈠e(cuò)誤產(chǎn)生的影響限制在一個(gè)單獨(dú)的分段內(nèi)，從而保證更高的系統(tǒng)安全性。不僅如此，這些多網(wǎng)絡(luò)的特性提供了一種自然的冗余，這使得整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性。2.2.13CC-Link

CC－Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，1996年11月，由以三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，在亞洲占有較大的份額，目前在歐洲和北美發(fā)展迅速。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時(shí)以10Mb/s的速率高速傳送至現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。它不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)配線復(fù)雜的問題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。

CC-Link的底層通信協(xié)議遵循RS485。CC－Link提供循環(huán)傳輸和瞬時(shí)傳輸兩種通信方式。一般情況下，CCLink主要采用廣播—輪詢（循環(huán)傳輸）的方式進(jìn)行通信，具體的方式是：主站將刷新數(shù)據(jù)（RY/RWw）發(fā)送到所有從站，與此同時(shí)輪詢從站1；從站1對(duì)主站的輪詢作出響應(yīng)（RX/RWr），同時(shí)將該