第1章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線概述

本章學(xué)習(xí)要求：了解：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展掌握：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義、結(jié)構(gòu)與組成掌握：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)型掌握：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類方法掌握：現(xiàn)場總線的定義、工業(yè)自動化的發(fā)展掌握：現(xiàn)場總線的特點(diǎn)了解：FF總線、Profibus現(xiàn)場總線、CAN總線、LonWorks現(xiàn)場總線第一章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線概述

網(wǎng)絡(luò)——資源流通物質(zhì)網(wǎng)——鐵路、公路、水路、航空能源網(wǎng)——煤炭、石油、天然氣、電力信息網(wǎng)——書信、電報、電話、廣播、電視、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

1.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：第一階段：計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，形成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)雛形1946年誕生，計算機(jī)與通信沒關(guān)系20世紀(jì)50年代，美國半自動地面環(huán)境防空系統(tǒng)60年代，美國航空公司訂票系統(tǒng)SABRE從嚴(yán)格意義上講，不能算是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。第二階段：進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議研究，形成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(1)計算機(jī)―計算機(jī)網(wǎng)絡(luò):由多臺計算機(jī)通過通信線路連接起來的計算機(jī)-計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，每臺計算機(jī)都具有自主處理能力 1969年，美國國防部高級研究計劃局提供經(jīng)費(fèi)，提出將多個大學(xué)、公司、研究所的計算機(jī)互連。ARPA網(wǎng)是這一階段計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的典型代表。

第二階段：進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議研究，形成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(2)公共數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN與局部網(wǎng)絡(luò)LN迅速發(fā)展

租用線路的方式節(jié)省鋪設(shè)線路的費(fèi)用 電話網(wǎng)——采用數(shù)字傳輸和報文分組交換技術(shù) 1972年，加州大學(xué)研制了Newhall環(huán)網(wǎng)；1974年，劍橋大學(xué)研制了CambridgeRing環(huán)網(wǎng)； 1976年，Xerox公司研究了總線拓?fù)銭thernet網(wǎng)。特點(diǎn):各自研究的獨(dú)立性和封閉性

第三階段：加速網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)化的研究與應(yīng)用開放式標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)，從“封閉”到“開放”APRA網(wǎng)——因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議已成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)Ethernet、TokenBus、TokenRing——Ethernet局域網(wǎng)操作系統(tǒng)第四階段：網(wǎng)絡(luò)計算的新時代

全球信息高速公路

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也呈現(xiàn)出高速化、互連范圍增加、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。三網(wǎng)融合(電信網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）1.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的基本概念

1.2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義不同階段不同定義：計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)以傳輸信息為主要目的，用通信線路將多個計算機(jī)連接起來的計算機(jī)系統(tǒng)的集合。資源共享的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以能夠相互共享資源的方式連接起來，并且各自具備獨(dú)立功能的計算機(jī)系統(tǒng)的集合。1.2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與組成

資源子網(wǎng)：負(fù)責(zé)信息處理 主要由主計算機(jī)系統(tǒng)、終端及各種軟件資源與數(shù)據(jù)資源組成，負(fù)責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種資源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

通信子網(wǎng)：負(fù)責(zé)信息傳遞 由網(wǎng)絡(luò)通信處理機(jī)CCP（CommunicationControlProcessor）、通信線路與其它通信設(shè)備組成，主要完成整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸、存儲轉(zhuǎn)發(fā)等通信功能。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與組成資源子網(wǎng)：負(fù)責(zé)信息處理 主要由主計算機(jī)系統(tǒng)、終端及各種軟件資源與數(shù)據(jù)資源組成，負(fù)責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種資源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

通信子網(wǎng)：負(fù)責(zé)信息傳遞 由網(wǎng)絡(luò)通信處理機(jī)CCP（CommunicationControlProcessor）、通信線路與其它通信設(shè)備組成，主要完成整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸、存儲轉(zhuǎn)發(fā)等通信功能。1.2.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計第一步，考慮計算機(jī)和終端的位置。在保證一定的響應(yīng)時間、吞吐量和可靠性的條件下，通過選擇適當(dāng)?shù)木€路、線路容量、連接方式與流量分配使整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理，成本最低。拓?fù)鋵W(xué)：首先把實(shí)體抽象成與其大小、形狀無關(guān)的點(diǎn)，將連接實(shí)體的線路抽象成線，進(jìn)而研究點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可按照:星形拓?fù)?、總線拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)?、樹形拓?fù)浼熬W(wǎng)形拓?fù)浞诸?1）星形拓?fù)湫切瓮負(fù)涫怯芍醒牍?jié)點(diǎn)和通過點(diǎn)到點(diǎn)通信鏈路接到中央節(jié)點(diǎn)的各個節(jié)點(diǎn)組成。中央節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的通信控制，可以與網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，非中央節(jié)點(diǎn)的兩個節(jié)點(diǎn)不能直接通信。

優(yōu)點(diǎn)：中央節(jié)點(diǎn)可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理，只要在硬件端口數(shù)量允許和滿足響應(yīng)時間的條件下，增加和刪除一個節(jié)點(diǎn)都不困難；便于維護(hù)，單個外圍節(jié)點(diǎn)的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)。

缺點(diǎn)是：對中央節(jié)點(diǎn)的要求較高，負(fù)擔(dān)很重，而且風(fēng)險集中，一旦中央節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡(luò)都會受到影響，甚至癱瘓2）總線拓?fù)?/p>

所有節(jié)點(diǎn)都通過相應(yīng)的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上，它是一個能被總線上所有節(jié)點(diǎn)所使用的公共信道。

總線:公共傳輸媒體因此同一時刻只能由一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這就要求有一定的控制策略來保證各個站點(diǎn)能有序交替地占有總線。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，各個節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)均衡，總線一般是無源的，可靠性較高，易于擴(kuò)充，增加或減少用戶比較方便，總線上的所有站點(diǎn)相當(dāng)于串接在一條線路上，相比之下，網(wǎng)絡(luò)需要的電纜數(shù)量較少。缺點(diǎn)是：信號傳輸中會衰減傳輸?shù)木嚯x有限；一旦某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，隔離較困難；由于需要進(jìn)行媒體訪問控制和地址識別，因此會有一些額外的軟硬件開銷。3）環(huán)形拓?fù)?/p>

每一個節(jié)點(diǎn)都有輸入端口和輸出端口，節(jié)點(diǎn)間通過線路首尾相接，組成一個閉合的環(huán)路。每個節(jié)點(diǎn)能夠接收從一端鏈路傳來的數(shù)據(jù)，并以同樣的速率串行地把該數(shù)據(jù)沿環(huán)送到另一端鏈路上，數(shù)據(jù)一般以一個方向傳輸。共享環(huán)路信道，需要分布式控制策略進(jìn)行媒體訪問控制。4）樹形拓?fù)?/p>

整個網(wǎng)絡(luò)形狀如同一棵倒置的樹，頂端相當(dāng)于樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支。每一節(jié)點(diǎn)只能和它的根節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)直接通信，同一層次的節(jié)點(diǎn)間不能直接通信，各個層次上的根節(jié)點(diǎn)（或父節(jié)點(diǎn)）負(fù)責(zé)與其子節(jié)點(diǎn)間的通信控制。5）網(wǎng)形拓?fù)溆址Q無規(guī)則網(wǎng)，每個節(jié)點(diǎn)都通過多條線路與網(wǎng)中的其它節(jié)點(diǎn)連接。這種結(jié)構(gòu)具有很高的可靠性，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，節(jié)點(diǎn)必須具有路由選擇算法和流量控制。

1.2.4計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類

按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按網(wǎng)絡(luò)的分布范圍分類按網(wǎng)絡(luò)的交換方式分類

按用途按傳輸介質(zhì)按網(wǎng)絡(luò)信道帶寬按網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

星形、總線、環(huán)形、樹形、網(wǎng)形等網(wǎng)絡(luò)廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)和城域網(wǎng)電路交換網(wǎng)、報文交換網(wǎng)和報文分組交換網(wǎng)

公共網(wǎng)、科研網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)等現(xiàn)場總線區(qū)別于一般的局域網(wǎng)，對實(shí)時性、確定性、抗干擾要求高。1.3工業(yè)自動化的發(fā)展及現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

1.3.1現(xiàn)場總線的定義

應(yīng)用在制造或過程區(qū)域現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。它也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散式控制系統(tǒng)之后的一種新型網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一個示例IPCPLC變頻器變頻器溫度壓力流量電磁閥調(diào)節(jié)器EthernetCAN總線（Profibus總線）人機(jī)界面總線1.3.2工業(yè)自動化的發(fā)展(5個階段）

1.20世紀(jì)50年代以前，是人工控制階段。2.20世紀(jì)50年代為模擬控制階段。3.20世紀(jì)60年代~70年代中期，工業(yè)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入集中式數(shù)字控制階段。（DDC，集中型計算機(jī)控制、分層計算機(jī)控制）4.20世紀(jì)70年代中期，工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)入集散型控制系統(tǒng)（DCS）階段。（DISTRIBUTED分布式的）DCS可以解釋為在模擬量回路控制較多的行業(yè)中廣泛使用的，盡量將控制功能分散,而將管理和顯示功能集中的一種自動化高技術(shù)產(chǎn)品。它是一個集中與分散相結(jié)合的系統(tǒng)，它吸收了分散儀表控制系統(tǒng)和集中式計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將當(dāng)時的微處理器、計算機(jī)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。集散型控制系統(tǒng)中仍有不足：信息化問題，數(shù)字化問題，互換性與互操作問題。工業(yè)自動化的發(fā)展(5個階段）

5.現(xiàn)場總線的概念是1982年首先由歐洲提出的。隨后，北美與南美也都投入巨大的人力、物力開展研究工作?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的全分布、全數(shù)字、全開放特性解決了集散型控制系統(tǒng)中存在的不足。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把集散型控制系統(tǒng)中的集中與分散相結(jié)合的概念變成了新型的全分布式測控系統(tǒng)。

工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展具有以下4個特點(diǎn)：

1.計算機(jī)技術(shù)在控制系統(tǒng)中越來越重要

2.信息的集成程度越來越高

3.控制功能越來越“接近”現(xiàn)場工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展具有以下4個特點(diǎn)：4.現(xiàn)場儀表的測控能力越來越強(qiáng)

1.3.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

現(xiàn)場設(shè)備具有智能和自治的特點(diǎn)，而不僅僅是測量單元或執(zhí)行單元

提高了系統(tǒng)的精度和自診斷功能

控制周期從每秒調(diào)節(jié)2~5次增加到10~20次；控制精度可以從DCS的±0.5%提高到±0.1%降低了設(shè)計、安裝的軟硬件費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用組態(tài)和修改容易

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一個示例IPCPLC變頻器變頻器溫度壓力流量電磁閥調(diào)節(jié)器EthernetCAN總線（Profibus總線）人機(jī)界面總線傳統(tǒng)布線線與現(xiàn)場總線布線的比較傳統(tǒng)的機(jī)柜布線現(xiàn)場總線布線1.4幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

CAN總線

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）最早由德國BOSCH公司推出，最初用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信的總線。CAN總線僅僅定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，基于CAN的這兩層協(xié)議又開發(fā)出了新的總線協(xié)議：如DeviceNet、SDS、CANopen等。CAN總線是最早進(jìn)入我國的現(xiàn)場總線，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)自動化的各個領(lǐng)域。幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介基金會現(xiàn)場總線FFFF（FieldbusFoundation）既是現(xiàn)場總線基金會的簡稱，又是它推出的基金會現(xiàn)場總線的簡稱。FF支持者主要是流程工業(yè)中極具影響的儀表和執(zhí)行器生產(chǎn)廠商，在化工、電力等連續(xù)生產(chǎn)過程中經(jīng)驗(yàn)豐富，因此，F(xiàn)F在過程自動化領(lǐng)域的優(yōu)勢十分明顯。但由于FF產(chǎn)品價格昂貴，在國內(nèi)的技術(shù)支持難以滿足用戶的要求，整個應(yīng)用水平低于最初估計的情況。幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介Profibus現(xiàn)場總線

Profibus由西門子公司在1987年推出，后來移交給Profibus用戶組織（現(xiàn)為PI，ProfibusInternational）管理。Profibus早期標(biāo)準(zhǔn)包含ProfibusFMS、ProfibusDP、ProfibusPA三個子集。后來，Profibus與以太網(wǎng)相結(jié)合，提出了ProfiNet解決方案，并逐漸取代了ProfibusFMS的位置。Profibus現(xiàn)場總線PROFIBUS—DP:（DecentralizedPeriphery）：DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。PROFIBUS－FMS:（FieldbusMessageSpecification）：FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PROFIBUS－PA:(ProcessAutomation)PA用于過程自動化的總線類型.幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介DeviceNet

DeviceNet總線技術(shù)是在CAN技術(shù)上發(fā)展起來的，是一種低成本的設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，定義了應(yīng)用層、收發(fā)器和傳輸介質(zhì)，使得在通信方面更加完善。DeviceNet總線技術(shù)由美國Rockwell公司研制開發(fā)，后交由ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation）管理，它負(fù)責(zé)DeviceNet規(guī)范的管理、修訂、完善和發(fā)行。幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出，并于1997年轉(zhuǎn)讓給控制網(wǎng)國際組織CI（ControlNetInternational）。它是一種具有高速、高度確定性和可重復(fù)性的網(wǎng)絡(luò)，總線上可以傳輸具有嚴(yán)格時間要求的信息和無嚴(yán)格時間要求的信息，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者的通信模式。在Rockwell推出的工業(yè)自動化三層體系結(jié)構(gòu)中ControlNet對應(yīng)于控制層，與設(shè)備層和信息層對應(yīng)的分別是DeviceNet和EtherNetIP。幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

WorldFIPWorldFIP是成立于1987年的WorldFIP協(xié)會制定并大力推廣的現(xiàn)場總線，它先成為法國標(biāo)準(zhǔn)，后來又成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，既可用于離散制造業(yè)自動化，又可用于過程自動化領(lǐng)域。在WorldFIP中，傳感器/執(zhí)行器稱為0級設(shè)備，PLC/控制器稱為1級設(shè)備。WorldFIP多應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、加工自動化、鐵路運(yùn)輸和過程自動化等領(lǐng)域。

幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

P-Net

P-Net現(xiàn)場總線于1983年由丹麥Proces-Data公司提出，后得到P-Net（ProcessautomationNET）用戶組織的支持。它的電氣規(guī)范基于RS485標(biāo)準(zhǔn)，只提供了一種傳輸速率。P-Net結(jié)構(gòu)簡單，對從站的通信程序需幾千字節(jié)的編碼，易于開發(fā)和轉(zhuǎn)化。其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在奶制品、啤酒、食品、飼養(yǎng)等與農(nóng)業(yè)自動化相關(guān)的行業(yè)。幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

LonWorks是美國ECHELON公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)。LonTalk是LONWORKS使用的開放式通信協(xié)議，LonMark是為了解決LONWORKS產(chǎn)品的互操作性而成立的用戶標(biāo)準(zhǔn)化組織。LonTalk協(xié)議遵循ISO/OSI參考模型，提供了OSI所定義的全部七層服務(wù)，這是LONWORKS的顯著特點(diǎn)。LonWorks在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)等方面具有極大的市場份額。

幾種現(xiàn)場總線技術(shù)簡介AS-I（Actuator-Sensor-Interface，執(zhí)行器-傳感器-接口）等總線也有較大的影響。1.5現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)

最早成為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線是CAN總線，但它是關(guān)于道路交通運(yùn)輸工具方面的國際標(biāo)準(zhǔn)-ISO11898，在車輛、運(yùn)輸工具等方面的影響力更大。工業(yè)控制領(lǐng)域的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)主要是指國際電工委員會指定的兩個協(xié)議簇IEC61158和IEC62026。2002年6月已進(jìn)行了兩次大范圍的修改，根據(jù)最新的IEC/T65文件，該標(biāo)準(zhǔn)目前包括十種技術(shù)類型：現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)l

IEC技術(shù)報告l

ControlNetl

Profibusl

P-Netl

FFHSEl

SwiffNetl

WorldFIPl

Interbusl

FFAppl