現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)

1、第1章　工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ),1.1 工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 1.2 工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)連接及傳輸介質(zhì) 1.3 網(wǎng)絡(luò)互連參考模型和規(guī)范,,1.1.1 工業(yè)自動化技術(shù)及發(fā)展趨勢1.1.2　控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的演變1.1.3　工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò),1.1 工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述,,,,工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展形成的自控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。,

2、1.1　工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述,企業(yè)信息系統(tǒng)的發(fā)展對工業(yè)數(shù)據(jù)通信的開放性、對底層控制網(wǎng)絡(luò)的功能及性能都提出了更高的要求。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正是在這種形勢下逐漸發(fā)展形成的。,隨著自動控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息集成系統(tǒng)正在迅速壯大，將覆蓋從現(xiàn)場控制到監(jiān)控、市場、經(jīng)營管理的各個(gè)層次以及從原料采購、生產(chǎn)加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，并將一直延伸到成品儲運(yùn)銷售乃至世界各地市場的供需鏈全過程，以適應(yīng)企業(yè)管理控制一體化的應(yīng)用需

3、求。,,,,1.1.1　工業(yè)自動化技術(shù)及發(fā)展趨勢 工業(yè)控制自動化技術(shù)是工業(yè)自動化的核心，它是一種運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其它信息技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術(shù)，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。 工業(yè)控制自動化技術(shù)作為20世紀(jì)現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。雖然自動化系統(tǒng)本身并

4、不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的提升作用。目前，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。,工業(yè)控制自動化主要包含三個(gè)層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。在傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)中，基礎(chǔ)自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由價(jià)格昂貴的過程計(jì)算機(jī)或小型機(jī)組成。 然而，自20世紀(jì)90年代以來，由于PC-based的工業(yè)計(jì)算機(jī)（簡稱

5、工業(yè)PC）的發(fā)展，以工業(yè)PC、I/O裝置、監(jiān)控裝置、控制網(wǎng)絡(luò)組成的PC-based的自動化系統(tǒng)得到了迅速普及，成為實(shí)現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑。 工業(yè)PC是基于商用微型計(jì)算機(jī)或個(gè)人電腦，并采用了總線式結(jié)構(gòu)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱和工業(yè)級元器件等諸多滿足工業(yè)控制需求的實(shí)用技術(shù)。以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)是：開放的結(jié)構(gòu)，用戶可以選擇來自,1、 以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化已成為主流,不同廠商的不同產(chǎn)品，為

6、應(yīng)用提供更大的系統(tǒng)柔性，便于系統(tǒng)集成；PC工控機(jī)的軟硬件豐富，用戶可以得到更高性價(jià)比的產(chǎn)品；提供有力、柔性的聯(lián)網(wǎng)能力，可以使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)和網(wǎng)卡；能運(yùn)行復(fù)雜任務(wù)（如趨勢分析），并且可基于多種平臺運(yùn)行，如windows NT、windows CE和Linux等。目前，我國的許多大企業(yè)已拆除了原來DCS或單回路數(shù)字式調(diào)節(jié)器，而改用工業(yè)PC來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法，獲得了良好效果。2、 PLC（可編程序控制器）得到了廣泛

7、的應(yīng)用 PLC是由器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，初期主要代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面，后來，隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC在技術(shù)上和功能上發(fā)生了極大的變化。在邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值計(jì)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能；,增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了順序控制和過程控制的結(jié)合；運(yùn)算速度得到提高，新型PLC的CPU在能力已經(jīng)趕上了工業(yè)控制機(jī)；開發(fā)了具有智能I/O模塊；通信功能實(shí)現(xiàn)

8、了PLC之間、PLC與上位機(jī)之間以及PLC與其他智能設(shè)備間的通信，由此發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)，也可構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。PLC這些性能特點(diǎn)使其在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)代PLC的發(fā)展有兩個(gè)重要趨勢：其一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面發(fā)展。具體有以下幾個(gè)方面： （1）大型網(wǎng)絡(luò)化。主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些

9、功能。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強(qiáng)是PLC發(fā)展的一個(gè)重要方面，向下可將多個(gè)PLC、I/O框架相連；向上可與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動化控制系統(tǒng)。,（2）多功能。隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信處理和故障診斷等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。 （3）高可靠性。由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用和

10、并行工作、多數(shù)表決的工作方式。即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅(jiān)固、全封閉的模板依然能正常工作。在操作運(yùn)行過程中，有些PLC的模板還可熱插拔。3、面向測控管一體化設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)，也稱為分布式控制系統(tǒng)或分散式控制系統(tǒng)（DCS），它采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級組成，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示，而操作管理和控制相對分散，是一種配置靈活、組態(tài)方便、具有高可靠性的控制

11、系統(tǒng)，,其特點(diǎn)可總結(jié)為：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。 DCS正朝著綜合性、開放性發(fā)展。工廠自動化要求加強(qiáng)各種設(shè)備（計(jì)算機(jī)、DCS、單回路調(diào)節(jié)器、PLC等）之間的通信能力以便構(gòu)成大系統(tǒng)。開放性的結(jié)構(gòu)將方便地與管理的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。同時(shí)在大型DCS進(jìn)一步完善和提高的同時(shí)，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼

12、出現(xiàn)，如智能變送器、可編程調(diào)節(jié)器、智能PID、自整定控制、智能人機(jī)接口，以至于智能DCS。總的發(fā)展趨勢可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）各制造廠商都“開放性”上下功夫，力求使自已的DCS與其他廠商的產(chǎn)品很容易地聯(lián)網(wǎng)；,（2）大力發(fā)展和完善DCS的通信功能，并將生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)連接在一起，形成測控管理一體的系統(tǒng)產(chǎn)品；（3）高度重視系統(tǒng)的可靠性，在軟件的設(shè)計(jì)中采用容錯(cuò)技術(shù)；（4）在控制功能中，不斷引進(jìn)各種先進(jìn)控制理論，以提高

13、系統(tǒng)的控制性能，如自整定、自適應(yīng)、最優(yōu)、模糊控制等；（5）在系統(tǒng)規(guī)模的結(jié)構(gòu)上，形成由小到大的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同規(guī)模的需求；（6）發(fā)展以先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的DCS控制結(jié)構(gòu)，向低成本綜合化自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展。4、 大力發(fā)展和采用現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點(diǎn)的通信總線。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種具有開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的新型自動化控制系統(tǒng)。,現(xiàn)場總線技術(shù)的采

14、用帶來了工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的革命。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線技術(shù)使得從智能傳感器到智能調(diào)節(jié)閥的信號一直保持?jǐn)?shù)字化，從而極大地提高了抗干擾能力。 利用雙絞線作為現(xiàn)場總線，既能傳輸現(xiàn)場總線上儀表設(shè)備與上位機(jī)的通信信號，還能為現(xiàn)場總線上的智能傳感器/變送器、智能執(zhí)行器、可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器等裝置供電?，F(xiàn)場總線是一種開放式的互聯(lián)網(wǎng)，它可與同層網(wǎng)

15、絡(luò)相連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)相連，只要配有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化總線接口并遵守相關(guān)通信協(xié)議的智能設(shè)備和儀表，都能并列地接入現(xiàn)場總線。 開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，由于具有降低成本、組合擴(kuò)展容易、安裝及維護(hù)簡便等顯著優(yōu)點(diǎn)，從問世開始就在生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域引起極大的關(guān)注。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是繼DCS之后控制系統(tǒng)的又一次重大的變革，必將成為工業(yè)自動化的發(fā)展主流，會對工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。5、大力研究和發(fā)展智

16、能控制系統(tǒng) 理論上，工業(yè)自動化中工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，而實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)由于各種因素的影響，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)，為了提高控制性能，整個(gè)控制系統(tǒng)會變得極其復(fù)雜，增加了設(shè)備的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了自動控制向更高的層次發(fā)展，即智能控制。 智能控制是模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，能學(xué)習(xí)、存儲和運(yùn)用知識，能在邏輯推理和知識推理的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息處理，能對復(fù)雜

17、系統(tǒng)進(jìn)行有效的全局性控制，能自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程。,智能控制系統(tǒng)的研究范圍很廣泛，普遍認(rèn)為模糊邏輯控制、專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三種典型的智能控制。此外，還有分級遞階智能控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等，有關(guān)智能控制系統(tǒng)方面的內(nèi)容，讀者可參考相關(guān)的書籍加以學(xué)習(xí)。1.1.2　控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的演變1、控制系統(tǒng)的發(fā)展過程 在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，同

18、時(shí)也代表著技術(shù)的進(jìn)步和效能的提高。工業(yè)控制系統(tǒng)在其發(fā)展過程中大致可劃分為以下幾個(gè)階段： （1）初級控制系統(tǒng)　 20世紀(jì)50年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，各類檢測、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，生產(chǎn)設(shè)備以機(jī)械設(shè)備為主，所用的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有簡單測控功能的基地式儀表，信號基本上都是在本儀表內(nèi),（2）模擬儀表控制系統(tǒng)　 隨著測量技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，操作人員需要了解和掌握更多的現(xiàn)場參數(shù)與信息

19、，制定滿足要求的操作控制系統(tǒng)。于是，在60年代至70年代后期，先后出現(xiàn)了以電子管、晶體管、集成電路為核心的氣動和電動單元組合式儀表兩大系列。它們分別以壓縮空氣和直流電源作為動力，用于對防爆要求較高的化工生產(chǎn)和其他行業(yè)，防爆等級為本質(zhì)安全型，并以氣壓信號0.02 MPa～0.1MPa，直流電流信號0 mA～10mA、4 mA～20mA，直流電壓信號0 V～5V，1V～5V等作為儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號，在儀表內(nèi)部實(shí)行電壓并聯(lián)傳輸，外部實(shí)行電流串聯(lián)傳

20、輸，以減小傳輸過程的干擾。,起作用（主要是顯示功能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，各測控點(diǎn)為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢來了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況。此階段的控制系統(tǒng)均簡單、初級控制系統(tǒng)。,（3）集中式數(shù)字控制系統(tǒng)　 80年代初，計(jì)算機(jī)、微處理器和并行處理技術(shù)的發(fā)展，使得領(lǐng)先一對一物理連接的模擬信號系統(tǒng)在速度和數(shù)量上越來越無法滿足大型、復(fù)雜系統(tǒng)的需求，模擬信號的抗干擾能力也相對較差，人們開始使

21、用數(shù)字信號代替模擬信號，并研制出直接數(shù)字控制系統(tǒng)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替控制室內(nèi)的儀表來完成控制系統(tǒng)功能。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，人們總是用一臺計(jì)算機(jī)取代控制室的所有儀表，于是出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。這樣，解決了信號傳輸及抗干擾問題。,電動單元儀表通常以雙絞線為傳輸介質(zhì)，信號被送到集中控制室（通常稱為儀表室或機(jī)房）后，操作人員可以坐在控制室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程中各處的生產(chǎn)參數(shù)并了解整個(gè)生產(chǎn)過程。由于單元組合儀表具有統(tǒng)一的輸入輸出信號標(biāo)準(zhǔn)，在此階段

22、自動化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要，由各種功能單元進(jìn)行組合，完成各種相對復(fù)雜的控制。,由于當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)的可靠性還不夠高，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)某種故障，就會造成系統(tǒng)崩潰、所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)停產(chǎn)的嚴(yán)重局面。由于工業(yè)生產(chǎn)很難接受這種危險(xiǎn)高度集中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用受到一定的限制。 （4）集散控制系統(tǒng)（DCS）　 隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高和價(jià)格的下降，自控領(lǐng)域又出現(xiàn)了新型控制方案——集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制（PL

23、C）以及多臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成，當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，其他計(jì)算機(jī)立即接替該計(jì)算機(jī)的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)被分散到多臺計(jì)算機(jī)承擔(dān)，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，它被工業(yè)生產(chǎn)過程廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采用的DCS系統(tǒng)。在DCS系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制器多為數(shù)字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。,這種系統(tǒng)與模擬式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相比較，在功能、性能、可

24、靠性上都有了很大的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受早期計(jì)算機(jī)發(fā)展的影響，各廠家的產(chǎn)品自成封閉體系，即使同一種協(xié)議下仍然存在不同廠家的設(shè)備有不同的信號傳輸方式且不能互連的現(xiàn)象，因此實(shí)現(xiàn)互換與互操作有一定的局限性。 （5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、

25、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把DCS集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。,現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控性能，一是得益于儀表的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化。 把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，另一方面豐富了測控信息的內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。

26、在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計(jì)算、通信能力，在現(xiàn)場就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 此外還可借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段與其它網(wǎng)段進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動控制，如操作在幾百公里之外的電氣開關(guān)、進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定等。系統(tǒng)還可提供如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障診斷信息等，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這在傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

27、與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的區(qū)別如圖1.1所示。,圖1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的比較2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn) 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。也有將現(xiàn)場總線定義為,,應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在智能測控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。也稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的低成本底層控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面，一是在體系結(jié)構(gòu)上成功實(shí)現(xiàn)了串行連接，一

28、舉克服并行連接的許多不足。二是在技術(shù)層面上成功解決了開放競爭和設(shè)備兼容兩大難題，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備智能化和控制系統(tǒng)分散化兩大目標(biāo)。（1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) ①基礎(chǔ)性。在企業(yè)實(shí)施信息集成、實(shí)現(xiàn)綜合自動化的進(jìn)程中，作為廠底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線是一種能在現(xiàn)場環(huán)境運(yùn)行的可靠、實(shí)時(shí)、廉價(jià)、靈活的通信系統(tǒng)，能夠有效地集成到TCP/IP信息網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線是企業(yè)強(qiáng)有力的控制和通信的基礎(chǔ)設(shè)施。 ②靈活性?，F(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形

29、式，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)、重組和擴(kuò)容更加靈活簡便。,,傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的并行連線，按控制分別進(jìn)行連接，如圖1.1所示。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達(dá)之間均為一對一的物理連接，每個(gè)裝置需單獨(dú)使用一條線，因此形成了龐大的線束。由于現(xiàn)場布線的復(fù)雜性，因此傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就需一次性規(guī)劃好布線的數(shù)量和走向，一旦實(shí)施就具有剛性，不便于調(diào)整和維護(hù)，增大了投入的門檻，不利于滾動

30、發(fā)展。 ③現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、I/O模塊和通信模塊移置到現(xiàn)場設(shè)備中，使現(xiàn)場設(shè)備能夠在一條總線上串行連接起來直接傳送信號，完成控制功能，如圖1.1（b）所示。這樣一來，系統(tǒng)布線就由幾十條、上百條甚至于上千條簡化為一條，不僅簡化了設(shè)計(jì)施工，方便了修理維護(hù)，也降低了系統(tǒng)投入的門檻，大大提高了可靠性和靈活性。因?yàn)樵鰷p現(xiàn)場設(shè)備只需,,,直接將設(shè)備掛上總或?qū)⒃O(shè)備從總線取下即可，不必

31、另行布線。 ④分散性。由于現(xiàn)場總線中智能現(xiàn)場設(shè)備具有高度的自治性，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表而直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。另外，由于現(xiàn)場設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，這使得把不同網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場設(shè)備和不同地理范圍中的現(xiàn)場設(shè)備組成一個(gè)控制系統(tǒng)成為可能。因此，現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，具有高度的分散性。 ⑤經(jīng)濟(jì)性。由于現(xiàn)場總線通信用數(shù)字信號替代了模擬信號，因而可通過復(fù)用技術(shù)在一條總

32、線上傳輸多個(gè)信號，同時(shí)還可在這條總線上為現(xiàn)場設(shè)備供電，原來的大量集中式I/O部件均可省去。這就為簡化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，節(jié)約硬件設(shè)備和連接電纜提供了可能，并將各種安裝和維護(hù)費(fèi)用降至最低。,另外，由于投入門檻的降低和重構(gòu)靈活性的提高，使得現(xiàn)場總線的資產(chǎn)投入不會產(chǎn)生沉淀而浪費(fèi)，大大提高了經(jīng)濟(jì)性。最后，由于現(xiàn)場設(shè)備的開放性，設(shè)備價(jià)格不會被廠家壟斷；由于現(xiàn)場設(shè)備的互換性，備品庫也可大大降低。（2）現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn) ①開放性?，F(xiàn)場總線的

33、開放性有幾層含義。一是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和公開性。一致開放的標(biāo)準(zhǔn)有利于不同廠家設(shè)備之間的互連與替換。二是系統(tǒng)集成的透明性和開放性，用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成和重構(gòu)的能力大大提高。三是產(chǎn)品競爭的公正性和公開性，用戶可按自己的需要和評價(jià)，選用不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 ②交互性?，F(xiàn)場總線設(shè)備的交互性有幾層含義。一是指上層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通的能力。二是指現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通能力，也就是具有互操作性。三是指不同廠家的

34、同類設(shè)備可以相互替換，也就是具有互換性。,④適應(yīng)性。安裝在工業(yè)生產(chǎn)第一線的現(xiàn)場總線是專為惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)的，對現(xiàn)場環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。具有防電、防磁、防潮和較強(qiáng)的抗干擾能力，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，可支持多種通信介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纜、 射頻、 紅外線、 電力線等。,③自治性。由于智能儀表將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能下載到現(xiàn)場設(shè)備中完成，因此一臺單獨(dú)的現(xiàn)場設(shè)備即具有自動控制的基本功能，可以隨時(shí)診斷自己的運(yùn)行狀況

35、，實(shí)現(xiàn)功能的自治。,3、典型現(xiàn)場總線簡介,自20世紀(jì)80年代中期以來，世界上有許多企業(yè)、集團(tuán)和國家開展現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的研究，并出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。這些現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)都各有其自己的特點(diǎn)，并在特定范圍內(nèi)產(chǎn)生了非常大的影響，也顯示出了較強(qiáng)的生命力。,（1）基金會現(xiàn)場總線（FF） 基金會現(xiàn)場總線是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxbor

36、o、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。,1994年9月兩大集團(tuán)合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，總部設(shè)在美國德克薩斯洲的奧斯汀，該基金會聚焦了世界著名儀表、DCS和自動化設(shè)備制造商、研究機(jī)構(gòu)和最終用戶。由于這些公司是該領(lǐng)域自控設(shè)備的主要供應(yīng)商，對工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，也具備足以左右該領(lǐng)域現(xiàn)場自控設(shè)備發(fā)展方向的能力，因此該基金會自成立以來

37、，工作進(jìn)展比較快，推動了現(xiàn)場總線的研究和產(chǎn)品開發(fā)。 FF是一個(gè)非商業(yè)的公正的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是,制訂統(tǒng)一的國際現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)，為世界上任何一個(gè)制造商或用戶提供現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，因而由它們所頒布的現(xiàn)場總線規(guī)范具有一定的權(quán)威性。 （2）PROFIBUS PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA組成PROFI

38、BUS現(xiàn)場總線系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出。 （3）CAN CAN是控制局域網(wǎng)（Control Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件,之

39、間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。得到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。目前，已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC908AZ60Z，Philips公司的SJA1000等，還有插在PC機(jī)上的CAN總線適配器，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

40、（4）LonWorks LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)是由美國Echelon公司推出，并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成。Echelon公司的技術(shù)策略是鼓勵(lì)OEM開發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入LonWorks技術(shù)，1000多家公司已推出了LonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組成LonMARK互操作協(xié)會，開發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。

41、,它已被廣泛應(yīng)用在 樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器等方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 （5）HART HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議為可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路通信協(xié)議。它最早由Rosemount公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持和加盟，于1993年成立了HART通

42、信基金會。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，輸入模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快的發(fā)展。 上述只簡單介紹了五種常用的現(xiàn)場總線技術(shù)，另外還有DeviceNet、ControlNet、CC-Link等多種總線技術(shù)，它們,各有其特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。由于現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，要求不同，再考慮到種總線產(chǎn)品的投資效應(yīng)和各公司的商業(yè)利益，預(yù)計(jì)在今后一段時(shí)間內(nèi)，會出現(xiàn)多種

43、總線標(biāo)準(zhǔn)共存，同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通信的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨。1.1.3　工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò) 1.工業(yè)數(shù)據(jù)通信 通信系統(tǒng)用于設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、人與人之間的信息傳遞。早期的通信系統(tǒng)可以追溯到利用烽火臺的火光與煙霧的遠(yuǎn)古時(shí)期。電的發(fā)明與使用為通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了有效的工具?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)一般都運(yùn)用電子或電力設(shè)備在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間傳遞信息。 數(shù)據(jù)通信是指

44、在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間以二進(jìn)制形式進(jìn)行信息交換的過程。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng),的出現(xiàn)，以數(shù)據(jù)交換為主的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到迅猛發(fā)展。因而數(shù)據(jù)通信在應(yīng)用中一般是指計(jì)算機(jī)通信，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與打印機(jī)等外設(shè)之間傳遞各種文件等信息。,工業(yè)數(shù)據(jù)通信傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容通常是生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)量程調(diào)校信息等。圖1.2為工業(yè)

45、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的一個(gè)簡單示例。,圖1.2而在工業(yè)生產(chǎn)過程中，除了計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備，還存在大量檢測工藝參數(shù)數(shù)值與狀態(tài)的變送器和控制生產(chǎn)過程的控制設(shè)備，在這些測量、控制設(shè)備的各功能單元之間、設(shè)備與設(shè)備之間、以及這些設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間遵照通信協(xié)議、利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)信息的過程，一般稱之為工業(yè)數(shù)據(jù)通信。,圖中溫度變送器（發(fā)送設(shè)備） 將生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行溫度測量值送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)（接收設(shè)備）。這里的報(bào)文內(nèi)容為所傳送的溫度值，中間的連接電纜為傳輸介質(zhì)，通

46、信協(xié)議則是事先以軟件形式存在于計(jì)算機(jī)和溫度變送器內(nèi)的一組程序?？梢钥闯觯c普通計(jì)算機(jī)通信、電報(bào)與話務(wù)通信既有較大區(qū)別又有密切的聯(lián)系。因而可以認(rèn)為，工業(yè)數(shù)據(jù)通信是工業(yè)自動化領(lǐng)域內(nèi)的通信技術(shù)。,,圖1.2 工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)示例,工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有些比較簡單，包括幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，有些比較復(fù)雜，包括成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，例如一個(gè)汽車組裝生產(chǎn)線可能有多達(dá)25萬個(gè)I/O點(diǎn)，石油煉制過程中的一個(gè)普通裝置也會有上千臺測量控制設(shè)備。這些節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行多點(diǎn)通信時(shí)，往往并

47、不是在每對通信節(jié)點(diǎn)間建立直達(dá)線路，而是采用網(wǎng)絡(luò)連接形式構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，于是產(chǎn)生了數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。 這種節(jié)點(diǎn)眾多的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般都采用串行通信方式。串行數(shù)據(jù)通信的最大優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)。兩根導(dǎo)線上掛接數(shù)十、上百甚至更多的傳感器、執(zhí)行器，具有安裝簡單、通信方便的優(yōu)點(diǎn)。這兩根實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信的導(dǎo)線就稱之為總線。總線上除了傳輸測量控制的數(shù)值外，還可以傳輸設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)調(diào)整和故障診斷等信息。,2．控制網(wǎng)絡(luò)（1）控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線 工業(yè)數(shù)據(jù)

48、通信是由早期的通信系統(tǒng)演化而來，但控制網(wǎng)絡(luò)卻是近年發(fā)展形成的。應(yīng)該說，工業(yè)數(shù)據(jù)通信是控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和支撐條件，是控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成部分。在這個(gè)意義上也可以把工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)一并稱為控制網(wǎng)絡(luò)。它是在現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，具有比現(xiàn)場總線一詞更寬更深的技術(shù)內(nèi)涵。 作為當(dāng)今工業(yè)自動化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)，“現(xiàn)場總線”一詞已經(jīng)為業(yè)內(nèi)人士廣泛認(rèn)知，成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)的代名詞。但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展和內(nèi)容的不斷豐富，各種

49、控制、應(yīng)用功能與功能塊、控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等內(nèi)容的不斷擴(kuò)充，現(xiàn)場總線已經(jīng)超出了原有的定位范圍，不再只是通信標(biāo)準(zhǔn)與通信技術(shù)，而成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。,與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合使控制網(wǎng)絡(luò)又進(jìn)一步拓寬了視野和作用范圍，不再受限于局域網(wǎng)。此時(shí)，現(xiàn)場總線一詞已難以完整地表達(dá)控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)今的技術(shù)內(nèi)涵。但畢竟現(xiàn)場總線已經(jīng)成為這一領(lǐng)域人們熟知的代名詞，在某些應(yīng)用場合也能很好的體現(xiàn)其技術(shù)內(nèi)容，因而這里對它們不作具體區(qū)別。 控制網(wǎng)絡(luò)的定義可簡單的概

50、括為將多個(gè)分散在生產(chǎn)現(xiàn)場，具有數(shù)字通信能力的測量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，以現(xiàn)場總線作為通信連接的紐帶，把現(xiàn)場控制設(shè)備連接成為可以相互溝通信息，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。簡單控制網(wǎng)絡(luò)的示意圖可參見圖1.1(b)所示。 它既是一個(gè)位于生產(chǎn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)在各控制設(shè)備之間構(gòu)筑起溝通數(shù)據(jù)信息的通道，在現(xiàn)場的多個(gè)測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場控制設(shè)備與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)通信，又是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為支撐的

51、控制系統(tǒng)，依靠網(wǎng)絡(luò)在傳感,測量、控制計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器等功能模塊之間傳遞輸入輸出信號，構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，完成自動控制的各項(xiàng)任務(wù)。 從圖中可以看出，控制網(wǎng)絡(luò)的組成成員比較復(fù)雜。除了普通的計(jì)算機(jī)、工作站、打印機(jī)、顯示終端之外，大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是各種可編程控制器、開關(guān)、馬達(dá)、變送器、閥門、按鈕等。其中大部分節(jié)點(diǎn)的智能程序遠(yuǎn)不及計(jì)算機(jī)，有的現(xiàn)場控制設(shè)備內(nèi)嵌有CPU其他專用芯片，有的只是功能相當(dāng)簡單的非智能設(shè)備?？刂凭W(wǎng)絡(luò)是一類特殊的網(wǎng)

52、絡(luò)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于離散、連續(xù)制造業(yè)，交通、樓宇、家電、以至農(nóng)、林、牧、漁等各行各業(yè)。 （2）控制網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位、作用及特點(diǎn) 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)按功能分為信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)上、下兩層，其體系結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。,圖1.3 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),,信息網(wǎng)絡(luò)位于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的上層，是企業(yè)數(shù)據(jù)共享和傳輸?shù)妮d體。它主要完成現(xiàn)場信息的集中顯示、操作、組態(tài)、過程優(yōu)化計(jì)算和參數(shù)修改，并擔(dān)負(fù)著包括工程技術(shù)、經(jīng)營、商務(wù)和人力等方面的總體協(xié)調(diào)

53、和管理工作。 控制網(wǎng)絡(luò)位于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的下層，由HART、PROFIBUS等現(xiàn)場總線網(wǎng)段組成，與信息網(wǎng)絡(luò)緊密地集成在一起，服從信息網(wǎng)絡(luò)的操作，同時(shí)又具有獨(dú)立性和完整性。它的實(shí)現(xiàn)既可以采用工業(yè)以太網(wǎng)，也可以采用現(xiàn)場總線技術(shù)，或者工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)合。其作用是把工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)參數(shù)送到信息網(wǎng)絡(luò)中，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和顯示。 控制網(wǎng)絡(luò)相對于信息網(wǎng)絡(luò)而言主要有如下特點(diǎn)： ?　控制網(wǎng)

54、絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)的最基本要求。一般來說，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.01～0.5s，制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.5～2.0s，信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間要求為2.0～6.0s。在信息網(wǎng)絡(luò)的大部分使用中實(shí)時(shí)性是忽略的。,?　控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有高溫、潮濕、震動、腐蝕、電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長時(shí)間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干

55、擾。在易燃易爆場合，控制網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有本質(zhì)安全性能。 ?　控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中的互操作問題。,1.2工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)連接及傳輸介質(zhì),1.2.1　計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1.2.2　網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)及特性 1.2.3　信號的傳輸和編碼技術(shù),1.2.1 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),1．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)（1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)相互滲透

56、、相互促進(jìn)的產(chǎn)物，誕生于20世紀(jì)60年代，它的發(fā)展過程經(jīng)歷了一個(gè)從簡單到復(fù)雜、從單機(jī)到多機(jī)的演變過程，即從最初為了解決遠(yuǎn)程計(jì)算、信息的收集和處理而出現(xiàn)的單機(jī)多終端遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)系統(tǒng)開始，逐步形成了將多臺具有自主處理能力的中心計(jì)算機(jī)相互連接起來，實(shí)現(xiàn)以資源共享為目的的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，最后發(fā)展到現(xiàn)代具有統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)并遵循國際標(biāo)準(zhǔn)的開放式、標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 人們從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的這幾個(gè)發(fā)展階段中，把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念歸納為：

57、用通信手段將空間上分散的、具有獨(dú)立處理能力,的多臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)起來，按照某種按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以進(jìn)行信息交換、實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)同工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集合。由此可見，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念主要包含了以下幾個(gè)方面的含義： ①計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)必須是兩臺或兩臺以上的具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集合。其中具有獨(dú)立處理能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指每個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能獨(dú)立工作，能夠自我處理數(shù)據(jù)，而無需其他的系統(tǒng)幫助，它們之間不存在主從關(guān)系。

58、 ②網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在空間是分散的，既有可能在同一張桌子上，一棟樓宇中，也有可能處于不同的城市、不同的大陸。 ③網(wǎng)絡(luò)中的多臺計(jì)算機(jī)必須通過物理介質(zhì)連接起來。這些物理介質(zhì)可以是銅線、光纖等“有線”介質(zhì)，也可以是微波、紅外線或衛(wèi)星等“無線”介質(zhì)。,④網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間要進(jìn)行信息交換，必須遵守某種約定和規(guī)則，這些約定和規(guī)則被稱為協(xié)議。協(xié)議可以由硬件或軟件來完成。 ⑤網(wǎng)絡(luò)中多臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互接

59、的結(jié)果是完成數(shù)據(jù)交換，目的是為了實(shí)現(xiàn)信息資源的共享以及不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間的相互操作以完成工作協(xié)同和應(yīng)用集成。（2）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享，為了實(shí)現(xiàn)這兩大基本功能，它的組成從邏輯功能上可以分成兩部分：由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)（HOST）構(gòu)成的資源子網(wǎng)以及由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信的通信處理機(jī)（IMP）構(gòu)成的通信子網(wǎng)。典型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成如圖1.4所示 。,圖1.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成,,①通信子

60、網(wǎng)：通信子網(wǎng)主要提供網(wǎng)絡(luò)的通信功能。由通信控制處理機(jī)、通信線路和其他通信設(shè)備組成。對于不同類型的網(wǎng)絡(luò)，其通信子網(wǎng)的物理組成也不相同。比如在局域網(wǎng)中，其通信子網(wǎng)主要由物理傳輸介質(zhì)、集線器（它用于連接多條傳輸介質(zhì)，不具有數(shù)據(jù)傳遞功能）以及主機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口板（網(wǎng)卡）組成，而在廣域網(wǎng)，除物理傳輸介質(zhì)和主機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口板（網(wǎng)卡）外，還必須有轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)（如交換機(jī)、路由器等）以傳遞信息。 ②資源子網(wǎng)：資源子網(wǎng)承擔(dān)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，

61、并向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)資源與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，一般由主機(jī)系統(tǒng)（服務(wù)器）、終端（客戶機(jī)）、相關(guān)的外部設(shè)備和各種軟硬件資源、數(shù)據(jù)資源等組成。（3）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類的標(biāo)準(zhǔn)很多，如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用協(xié)議、組建屬性等。,但是這些標(biāo)準(zhǔn)只能反映網(wǎng)絡(luò)某方面的特征，而最能反映網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本質(zhì)特征的分類標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)的地理分布距離和覆蓋范圍，按照該標(biāo)準(zhǔn)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可分為局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）。這也是目前最常用的分類

62、標(biāo)準(zhǔn)。 ①廣域網(wǎng)（WAN）　廣域網(wǎng)（WAN ，Wide Area Network）也稱遠(yuǎn)程網(wǎng)，它所覆蓋的地理范圍從幾十千米到幾萬米，覆蓋一個(gè)地區(qū)、國家，甚至延伸至全世界。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的初期，就是以廣域網(wǎng)的面目出現(xiàn)的，局域網(wǎng)和城域網(wǎng)都是在廣域網(wǎng)技術(shù)之后出現(xiàn)的。因此目前有很多針對廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，如ISO的OSI/RM，X.25，TCP/IP 等。 ②城域網(wǎng)（MAN）　城域網(wǎng)（MAN ，Metrop

63、olitan Area Network），又稱為城市地區(qū)網(wǎng)。即它的覆蓋范圍一般是一個(gè)城市。,城域網(wǎng)是介于廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的一種大范圍的高速網(wǎng)絡(luò)。城域網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是滿足幾十千米范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)連網(wǎng)需求，實(shí)現(xiàn)大量用戶，多種信息（數(shù)據(jù)、聲音、圖像等）傳輸?shù)木C合性信息網(wǎng)絡(luò)。目前城域網(wǎng)已經(jīng)制定出了一些完備的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，如分布式隊(duì)列總線、光纖分布式數(shù)據(jù)接口及交換多兆位數(shù)據(jù)服務(wù)。其中，光纖分布式數(shù)據(jù)接口已得到大量應(yīng)用。 ③局

64、域網(wǎng)（LAN）　局域網(wǎng)（LAN， Local Area Network）的作用范圍一般限于幾千米，用于將較小范圍的（如一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，一棟大樓，整個(gè)校園等）的各種計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備互連成網(wǎng)。局域網(wǎng)的作用范圍小，入網(wǎng)設(shè)備便宜，網(wǎng)絡(luò)管理簡單，再加上微機(jī)的日益普及，局域網(wǎng)成為發(fā)展最迅猛，應(yīng)用最廣泛的一種廉價(jià)網(wǎng)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最活躍的領(lǐng)域之一。它有自己獨(dú)特的一套網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和體系結(jié)構(gòu)。比如著名的以太網(wǎng)和IEEE制定的IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)。

65、 對于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而言，決定其特性的三要素是：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹鬏斀橘|(zhì)、介質(zhì)訪問控制方法。,2．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過通信線路連接所形成的幾何形狀。即將工作站、服務(wù)器等設(shè)備抽象為點(diǎn)，將通信線路抽象為線而形成的一個(gè)幾何圖形。借用數(shù)學(xué)上的拓?fù)鋵W(xué)理論來研究這種幾何圖形，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、功能、費(fèi)用、可靠性等方面有著重要的意義。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有許多種，最常見的有總線形、星形和樹形、環(huán)形以及網(wǎng)狀形等4種基本結(jié)構(gòu)

66、。 （1）總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，傳輸介質(zhì)是一條總線，各結(jié)點(diǎn)通過接口電路接入總線。結(jié)點(diǎn)接入比較容易，結(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸可以是點(diǎn)對點(diǎn)方式，也可以是廣播方式，即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)發(fā)信時(shí)所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)均可收信。如圖1.5所示。,總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)相對簡單，連網(wǎng)成本低，靈活，網(wǎng)絡(luò)中增加或減少節(jié)點(diǎn)都比較方便，并且在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能夠提供較高的傳輸速度。然而，由于單

67、信道的限制，一個(gè)總線型網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的速度就越慢，網(wǎng)絡(luò)性能下降的越劇烈。,同時(shí)所有設(shè)備共享一條通信線路，一次只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，需要采取某種存取控制方式，以確定可以發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。另外，總線形網(wǎng)絡(luò)具有較差的容錯(cuò)能力，這是因?yàn)榭偩€上的某個(gè)中斷或缺陷將影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，幾乎沒有一個(gè)規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)行在一個(gè)單純的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的，它基本上已被星形網(wǎng)所取代。 （2）星形和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

68、在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)站通過點(diǎn)-點(diǎn)連接到中央節(jié)點(diǎn)，任何兩站之間通信都通過中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，如圖1.6所示。一個(gè)站要傳送數(shù)據(jù)，首先向中央節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求，要求與目的站建立連接。連接建立后，該站才向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)。 這種拓?fù)洳捎眉惺酵ㄐ趴刂撇呗?，所有通信均由中央?jié)點(diǎn)控制，中央節(jié)點(diǎn)必須建立和維持許多并行數(shù)據(jù)通路，因此中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)顯得非常復(fù)雜，而每個(gè)站點(diǎn)的通信處理負(fù)擔(dān)很小，只需滿足點(diǎn)-點(diǎn)鏈路的簡單通信要求。,星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是管理維護(hù)