第一章工业数据通信和控制网络技术基础

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1、目目 录录第第1 1章工业数据通信和控制网络技术基础章工业数据通信和控制网络技术基础 1.11.1 工业数据通信和控制网络技术概述工业数据通信和控制网络技术概述 1.1.1 1.1.1 工业自动化技术及发展趋势工业自动化技术及发展趋势 1.1.21.1.2控制系统体系结构的演变控制系统体系结构的演变 1.1.31.1.3工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络 1.2 1.2 工业数据通信和控制网络连接及传输介质工业数据通信和控制网络连接及传输介质 1.2.11.2.1计算机局域网及其拓扑结构计算机局域网及其拓扑结构 1.2.21.2.2网络的传输介质及特性网络的传输介质及特性 1.2.3

2、1.2.3信号的传输和编码技术信号的传输和编码技术 1.2.41.2.4介质访问控制方式介质访问控制方式 1.31.3网络互连参考模型和规范网络互连参考模型和规范 1.3.11.3.1基本概念基本概念 1.3.21.3.2网络互连参考模型网络互连参考模型 1.3.31.3.3网络互连规范网络互连规范 习题习题 参考文献参考文献第第2 2章章 基金会现场总线基金会现场总线2.1 2.1 概述概述 2.1.12.1.1基金会现场总线发展背景、特点及应用情况基金会现场总线发展背景、特点及应用情况 2.1.22.1.2一个典型的工程实例一个典型的工程实例 2.1.32.1.3技术分析技术分析2.2 2

3、.2 基金会现场总线网络设备与安装基金会现场总线网络设备与安装 2.2.12.2.1网络拓扑结构网络拓扑结构 2.2.2 2.2.2 主要连接件和接口设备主要连接件和接口设备 2.2.3 2.2.3 电缆、布线和电源（安装调试）电缆、布线和电源（安装调试）2.2.4 2.2.4 基金会现场总线设备的本质安全基金会现场总线设备的本质安全2.3 2.3 基金会现场总线组态基础基金会现场总线组态基础 2.3.1 2.3.1 基本概念基本概念 2.3.2 2.3.2 系统管理和网络管理系统管理和网络管理 2.3.3 2.3.3 基金会现场总线的编程语言基金会现场总线的编程语言 2.3.4 2.3.4

4、链路活动调度执行组态链路活动调度执行组态2.4 2.4 基金会现场总线仪表及应用基金会现场总线仪表及应用 2.4.12.4.1基金会现场总线仪表简介基金会现场总线仪表简介 2.4.22.4.2现场仪表功能块及常用参数现场仪表功能块及常用参数 2.4.32.4.3功能块的组态功能块的组态 2.4.4 2.4.4 一个典型的控制系统组态一个典型的控制系统组态 2.4.5 2.4.5 基金会现场总线工程与设计基金会现场总线工程与设计习题习题参考文献参考文献第第3 3章章 ProfiBusProfiBus通讯技术通讯技术 3.1 ProfiBus3.1 ProfiBus通讯简介通讯简介3.2 3.2

5、掌握掌握S7-300PLCS7-300PLC的的ProfiBusProfiBus通讯方法通讯方法 3.2.1 3.2.1 直接利用直接利用I/OI/O口实现小于口实现小于4 4个字节直接个字节直接ProfiBusProfiBus通信通信 3.2.2 3.2.2 系统功能系统功能SFC14SFC14、SFC15SFC15的的ProfiBusProfiBus通信应用通信应用 3.2.3 3.2.3 通过通过CP342-5CP342-5实现实现ProfiBusProfiBus通讯通讯3.3 3.3 实训十四：多个实训十四：多个S7-300S7-300之间的之间的ProfiBUSProfiBUS通信实

6、现通信实现 3 3.3 3.1 1 资源需求资源需求 3 3.3 3.2 2 硬件连接硬件连接 3.3.3 3.3.3 网络组态及参数设置网络组态及参数设置习题习题参考文献参考文献第第4 4 章章 CANCAN总线总线4.14.1概述概述 4.1.1 CAN4.1.1 CAN工作原理、特点工作原理、特点 4.1.2 4.1.2 发展背景及应用情况发展背景及应用情况 4.1.3 4.1.3 一个典型的工程实例一个典型的工程实例4.2 CAN4.2 CAN的的物理层的的物理层 4.2.1 CAN4.2.1 CAN的网络拓扑的网络拓扑 4.2.2 CAN4.2.2 CAN的媒体连接的媒体连接4.3

7、CAN4.3 CAN协议规范协议规范 4.3.1 4.3.1 基本术语基本术语 4.3.2 CAN4.3.2 CAN的报文及结构的报文及结构 4.3.3 CAN4.3.3 CAN的位仲裁技术的位仲裁技术4.4 4.4 典型典型CANCAN总线器件及应用总线器件及应用 4.4.1 SJA1000 CAN4.4.1 SJA1000 CAN控制器控制器 4.4.2 PCA82C250 CAN 4.4.2 PCA82C250 CAN 收发器收发器 4.4.3 CAN BUS4.4.3 CAN BUS节点设计举例节点设计举例习题习题参考文献参考文献第第5 5章章 工业以太网工业以太网5.15.1概述概述

8、 5.1.1 5.1.1 工业以太网发展背景及应用情况工业以太网发展背景及应用情况 5.1.2 5.1.2 工业以太网的主要技术工业以太网的主要技术 5.1.35.1.3几种典型的工业以太网简介几种典型的工业以太网简介5.25.2典型的工业以太网实时通讯技术典型的工业以太网实时通讯技术 5.2.1 PROFInet5.2.1 PROFInet的实时通讯解决方案的实时通讯解决方案 5.2.2 Powerlink5.2.2 Powerlink的实时通讯解决方案的实时通讯解决方案 5.2.3 EPA5.2.3 EPA的实时通讯解决方案的实时通讯解决方案5.3 5.3 基于基于S7-300PLCS7-

9、300PLC的工业以太网通信的工业以太网通信 5.3.1 5.3.1 西门子工业以太网硬件基本情况西门子工业以太网硬件基本情况 5.3.2 5.3.2 西门子支持的网络协议和服务西门子支持的网络协议和服务 5.3.3 S7-300PLC5.3.3 S7-300PLC进行工业以太网通信所需的硬件与软件进行工业以太网通信所需的硬件与软件 5.3.4 S7-300PLC5.3.4 S7-300PLC利用利用S5S5兼容的通信协议进行工业以太网通信兼容的通信协议进行工业以太网通信 5.3.5 S7-300PLC5.3.5 S7-300PLC利用利用S7S7通信协议进行工业以太网通信通信协议进行工业以太

10、网通信5.4 5.4 基于以太网和嵌入式基于以太网和嵌入式Web ServerWeb Server的控制器开发的控制器开发 5.4.1 5.4.1 基于以太网和嵌入式基于以太网和嵌入式Web ServerWeb Server的控制器硬件组成的控制器硬件组成 5.4.2 Modbus/UDP5.4.2 Modbus/UDP主主-从通讯程序设计从通讯程序设计 5.4.35.4.3嵌入式嵌入式Web ServerWeb Server及表单程序设计及表单程序设计习题习题参考文献参考文献第第1 1章工业数据通信和控制网络章工业数据通信和控制网络技术基础技术基础 1.1 1.1 工业数据通信和控制网络技术

11、概述工业数据通信和控制网络技术概述 1.2 1.2 工业数据通信和控制网络连接及传输工业数据通信和控制网络连接及传输介质介质 1.3 1.3 网络互连参考模型和规范网络互连参考模型和规范 1.1.1 1.1.1 工业自动化技术及发展趋势工业自动化技术及发展趋势1.1.21.1.2控制系统体系结构的演变控制系统体系结构的演变1.1.31.1.3工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络1.1 1.1 工业数据通信和控制网络技术概述工业数据通信和控制网络技术概述 工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与

12、自控技术结合的产物。网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。1.11.1工业数据通信和控制网络技术概述工业数据通信和控制网络技术概述 企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求。工业数据通信与控制网络的功能及性能都提出了更高的要求。工业数据通信与控制网络技术正是在这种形势下逐渐发展形成的。制网络技术正是在这种形势下逐渐发展形成的。随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市的信息

13、集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从原料采购、生产加工的各个环场、经营管理的各个层次以及从原料采购、生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。1.1.11.1.1工业自动化技术及发展趋势工业自动化技术及发展趋势 工业控制自动化技术是工业自动化的核心，它是一种运工业控制自动化技术是工业自动化的核心，它是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生用控制理论、仪器仪表、计算机和

14、其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为工业控制自动化技术作为2020世纪现代制造领域中最重要世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的系统本身并不直接创

15、造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。化和集成化方向发展。工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。在传统的自动化系统中，基础自动化动化和过程自动化。在传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被部分基本被PLCPLC和和DCSDCS所垄断，过程自动化和管理自动化部所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由价格昂贵

16、的过程计算机或小型机组成。分主要是由价格昂贵的过程计算机或小型机组成。然而，自然而，自2020世纪世纪9090年代以来，由于年代以来，由于PC-basedPC-based的工业计的工业计算机（简称工业算机（简称工业PCPC）的发展，以工业）的发展，以工业PCPC、I/OI/O装置、监控装装置、监控装置、控制网络组成的置、控制网络组成的PC-basedPC-based的自动化系统得到了迅速普的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。工业工业PCPC是基于商用微型计算机或个人电脑，并采用了是基于商用微型计算机或个人电脑，并采用了总线式结

17、构、工业标准机箱和工业级元器件等诸多满足工总线式结构、工业标准机箱和工业级元器件等诸多满足工业控制需求的实用技术。以工业业控制需求的实用技术。以工业PCPC为基础的低成本工业控为基础的低成本工业控制自动化系统的特点是：制自动化系统的特点是：开放的结构，用户可以选择来自开放的结构，用户可以选择来自 1 1、以工业以工业PCPC为基础的低成本工业控制自动化已成为主流为基础的低成本工业控制自动化已成为主流不同厂商的不同产品，为应用提供更大的系统柔性，便于不同厂商的不同产品，为应用提供更大的系统柔性，便于系统集成；系统集成；PCPC工控机的软硬件丰富，用户可以得到更高性工控机的软硬件丰富，用户可以得到

18、更高性价比的产品；提供有力、柔性的联网能力，可以使用标准价比的产品；提供有力、柔性的联网能力，可以使用标准TCP/IPTCP/IP以太网和网卡；能运行复杂任务（如趋势分析），以太网和网卡；能运行复杂任务（如趋势分析），并且可基于多种平台运行，如并且可基于多种平台运行，如windows NTwindows NT、windows CEwindows CE和和LinuxLinux等。目前，我国的许多大企业已拆除了原来等。目前，我国的许多大企业已拆除了原来DCSDCS或单或单回路数字式调节器，而改用工业回路数字式调节器，而改用工业PCPC来组成控制系统，并采来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良

19、好效果。用模糊控制算法，获得了良好效果。2 2、PLCPLC（可编程序控制器）得到了广泛的应用（可编程序控制器）得到了广泛的应用 PLCPLC是由器逻辑控制系统发展而来的，初期主要代替继是由器逻辑控制系统发展而来的，初期主要代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面，后来，随着电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面，后来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展，术的发展，PLCPLC在技术上和功能上发生了极大的变化。在技术上和功能上发生了极大的变化。在逻在逻辑运算的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能；辑运算的基础上

20、，增加了数值计算、闭环调节等功能；增加了模拟量和增加了模拟量和PIDPID调节等功能模块，实现了顺序控制和过程调节等功能模块，实现了顺序控制和过程控制的结合；运算速度得到提高，新型控制的结合；运算速度得到提高，新型PLCPLC的的CPUCPU在能力已经在能力已经赶上了工业控制机；开发了具有智能赶上了工业控制机；开发了具有智能I/OI/O模块；通信功能实现模块；通信功能实现了了PLCPLC之间、之间、PLCPLC与上位机之间以及与上位机之间以及PLCPLC与其他智能设备间的通与其他智能设备间的通信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制系信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制

21、系统。统。PLCPLC这些性能特点使其在工业控制自动化领域中得到了广这些性能特点使其在工业控制自动化领域中得到了广泛的应用。泛的应用。现代现代PLCPLC的发展有两个重要趋势：其一是向体积更小、速的发展有两个重要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面：具体有以下几个方面：（1 1）大型网络化。主要是朝）大型网络化。主要是朝DCSDCS方向发展，使其具有方向发展，使其具有DCSDCS系

22、系统的一些功能。网络化和通信能力强是统的一些功能。网络化和通信能力强是PLCPLC发展的一个重要方发展的一个重要方面，向下可将多个面，向下可将多个PLCPLC、I/OI/O框架相连；向上可与工业计算机、框架相连；向上可与工业计算机、以太网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。以太网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。（2 2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使PLCPLC控制领域更加宽广。控制领域更加宽广。（3 3）高可靠性。由于控制系统的可

23、靠性日益受到人们的重）高可靠性。由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。在操的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。在操作运行过程中，有些作运行过程中，有些PLCPLC的模板还可热插拔。的模板还可热插拔。3 3、面向测控管一体化设计的集

24、散控制系统、面向测控管一体化设计的集散控制系统 集散控制系统，也称为分布式控制系统或分散式控制系集散控制系统，也称为分布式控制系统或分散式控制系统（统（DCSDCS），它采用了标准化、模块化和系列化的设计，由），它采用了标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成，以通信网络为过程控制级、控制管理级和生产管理级组成，以通信网络为纽带，对数据进行集中显示，而操作管理和控制相对分散，纽带，对数据进行集中显示，而操作管理和控制相对分散，是一种配置灵活、组态方便、具有高可靠性的控制系统，是一种配置灵活、组态方便、具有高可靠性的控制系统，其特点可总结为：分散控制、集中操作、分级

25、管理、分而自其特点可总结为：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。治和综合协调。DCSDCS正朝着综合性、开放性发展。工厂自动化要求加强正朝着综合性、开放性发展。工厂自动化要求加强各种设备（计算机、各种设备（计算机、DCSDCS、单回路调节器、单回路调节器、PLCPLC等）之间的通等）之间的通信能力以便构成大系统。开放性的结构将方便地与管理的上信能力以便构成大系统。开放性的结构将方便地与管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成制造系统。同时在位计算机进行数据交换，实现计算机集成制造系统。同时在大型大型DCSDCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统。进一步完善和提高的同

26、时，发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智能可编程调节器、智能PIDPID、自整定控制、智能人机接口，以、自整定控制、智能人机接口，以至于智能至于智能DCSDCS。总的发展趋势可体现在以下几个方面：。总的发展趋势可体现在以下几个方面：（1 1）各制造厂商都）各制造厂商都“开放性开放性”上下功夫，力求使自已的上下功夫，力求使自已的DCSDCS与其他厂商的产品很容易地联网；与其他厂商的产品

27、很容易地联网；（2 2）大力发展和完善）大力发展和完善DCSDCS的通信功能，并将生产过程控制系的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产品；品；（3 3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；术；（4 4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；（5 5）在系统规模的结构上，形成由小到大

28、的产品，以适应）在系统规模的结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求；不同规模的需求；（6 6）发展以先进网络通信技术为基础的）发展以先进网络通信技术为基础的DCSDCS控制结构，向低控制结构，向低成本综合化自动化系统的方向发展。成本综合化自动化系统的方向发展。4 4、大力发展和采用现场总线技术大力发展和采用现场总线技术 现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型线技术可实现一种

29、具有开放式、数字化和网络化结构的新型自动化控制系统。自动化控制系统。现场总线技术的采用带来了工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术的采用带来了工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现仪表的智能化、控制功能分散化、现场总线技术可以促进现仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。现场总线技术使得从智能传感器到智能调节阀的信号一直保现场总线技术使得从智能传感器到智能调节阀的信号一直保持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。利用双绞线作为现场总线，既能传输现场总线

30、上仪表设利用双绞线作为现场总线，既能传输现场总线上仪表设备与上位机的通信信号，还能为现场总线上的智能传感器备与上位机的通信信号，还能为现场总线上的智能传感器/变送器、智能执行器、可编程控制器、可编程调节器等装置变送器、智能执行器、可编程控制器、可编程调节器等装置供电。现场总线是一种开放式的互联网，它可与同层网络相供电。现场总线是一种开放式的互联网，它可与同层网络相连，也可与不同层网络相连，只要配有统一的标准数字化总连，也可与不同层网络相连，只要配有统一的标准数字化总线接口并遵守相关通信协议的智能设备和仪表，都能并列地线接口并遵守相关通信协议的智能设备和仪表，都能并列地接入现场总线。接入现场总线

31、。开放式、数字化和网络化结构的现场总线控制系统，由开放式、数字化和网络化结构的现场总线控制系统，由于具有降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便等显著优于具有降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便等显著优点，从问世开始就在生产过程自动化领域引起极大的关注。点，从问世开始就在生产过程自动化领域引起极大的关注。现场总线控制系统是继现场总线控制系统是继DCSDCS之后控制系统的又一次重大的变革，之后控制系统的又一次重大的变革，必将成为工业自动化的发展主流，会对工业自动化领域的发必将成为工业自动化的发展主流，会对工业自动化领域的发展产生极其深远的影响。展产生极其深远的影响。5 5、大力研究和发展智能控制

32、系统、大力研究和发展智能控制系统 理论上，工业自动化中工业控制系统的设计和分析是建立理论上，工业自动化中工业控制系统的设计和分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实际应用的控制系统由在精确的系统数学模型基础上的，而实际应用的控制系统由于各种因素的影响，无法获得精确的数学模型，同时，为了于各种因素的影响，无法获得精确的数学模型，同时，为了提高控制性能，整个控制系统会变得极其复杂，增加了设备提高控制性能，整个控制系统会变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出现和发展，促的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出现和发展，促进了自动控制向更高的层次发展，即智能控制。进了自动

33、控制向更高的层次发展，即智能控制。智能控制是模拟人类学习和自适应的能力，能学习、存储智能控制是模拟人类学习和自适应的能力，能学习、存储和运用知识，能在逻辑推理和知识推理的基础上进行信息处和运用知识，能在逻辑推理和知识推理的基础上进行信息处理，能对复杂系统进行有效的全局性控制，能自主地驱动智理，能对复杂系统进行有效的全局性控制，能自主地驱动智能机器实现其目标的过程。能机器实现其目标的过程。智能控制系统的研究范围很广泛，普遍认为模糊逻辑控制、智能控制系统的研究范围很广泛，普遍认为模糊逻辑控制、专家控制和神经网络控制是三种典型的智能控制。此外，还专家控制和神经网络控制是三种典型的智能控制。此外，还有

34、分级递阶智能控制系统、学习控制系统等，有关智能控制有分级递阶智能控制系统、学习控制系统等，有关智能控制系统方面的内容，读者可参考相关的书籍加以学习。系统方面的内容，读者可参考相关的书籍加以学习。1.1.21.1.2控制系统体系结构的演变控制系统体系结构的演变1 1、控制系统的发展过程、控制系统的发展过程 在工业控制系统的发展过程中，每一代新的控制系统的推在工业控制系统的发展过程中，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，同时也代表着技术的进步和效能的提高。工业控制系统在其同时也代表着技术的进步和效能的提高。工

35、业控制系统在其发展过程中大致可划分为以下几个阶段：发展过程中大致可划分为以下几个阶段：（1 1）初级控制系统）初级控制系统 2020世纪世纪5050年代以前，由于工业生产规年代以前，由于工业生产规模较小，各类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设模较小，各类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现场、具备以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内 （2 2）模拟仪表控制系统）模拟仪表控制系统 随着测量技术、电子技术的发展和工业生产规模的

36、不断随着测量技术、电子技术的发展和工业生产规模的不断扩大，操作人员需要了解和掌握更多的现场参数与信息，制扩大，操作人员需要了解和掌握更多的现场参数与信息，制定满足要求的操作控制系统。于是，在定满足要求的操作控制系统。于是，在6060年代至年代至7070年代后期，年代后期，先后出现了以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电先后出现了以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电动单元组合式仪表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安

37、全型，并以气压信号防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02 MPa0.02 MPa0.1MPa0.1MPa，直流电流信号直流电流信号0 mA0 mA10mA10mA、4 mA4 mA20mA20mA，直流电压信号，直流电压信号0 V0 V5V5V，1V1V5V5V等作为仪表的标准信号，在仪表内部实行电压并等作为仪表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。起作用（主要是显示功能），一般不能传送给别的仪表或系统，起作用（主要是显示功能），一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态，无法与外界沟通

38、信息，操作人员只能通各测控点为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现场的巡检来了解生产过程的运行状况。此阶段的控过对生产现场的巡检来了解生产过程的运行状况。此阶段的控制系统均简单、初级控制系统。制系统均简单、初级控制系统。（3 3）集中式数字控制系统）集中式数字控制系统 8080年代初，计算机、微处理器和并行处理技术的发展，使年代初，计算机、微处理器和并行处理技术的发展，使得领先一对一物理连接的模拟信号系统在速度和数量上越来越得领先一对一物理连接的模拟信号系统在速度和数量上越来越无法满足大型、复杂系统的需求，模拟信号的抗干扰能力也相无法满足大型、复杂系统的需求，模拟信号的抗干扰

39、能力也相对较差，人们开始使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接对较差，人们开始使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵，人们总是用一台计算机系统功能。由于数字计算机价格昂贵，人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出现了集中式数字控制系统。这取代控制室的所有仪表，于是出现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗干扰问题样，解决了信号传输及抗干扰问题。电动单元仪表通常以双绞线为传输介质，信号被送到集中电动单元仪表通常以双绞线为传输介质，信号被送到集

40、中控制室（通常称为仪表室或机房）后，操作人员可以坐在控控制室（通常称为仪表室或机房）后，操作人员可以坐在控制室内观察生产流程中各处的生产参数并了解整个生产过程。制室内观察生产流程中各处的生产参数并了解整个生产过程。由于单元组合仪表具有统一的输入输出信号标准，在此阶段由于单元组合仪表具有统一的输入输出信号标准，在此阶段自动化系统可以根据生产需要，由各种功能单元进行组合，自动化系统可以根据生产需要，由各种功能单元进行组合，完成各种相对复杂的控制。完成各种相对复杂的控制。由于当时数字计算机的可靠性还不够高，一旦计算机出由于当时数字计算机的可靠性还不够高，一旦计算机出现某种故障，就会造成系统崩溃、所有

41、控制回路瘫痪、生产现某种故障，就会造成系统崩溃、所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面。由于工业生产很难接受这种危险高度集中停产的严重局面。由于工业生产很难接受这种危险高度集中的系统结构，使得集中控制系统的应用受到一定的限制。的系统结构，使得集中控制系统的应用受到一定的限制。（4 4）集散控制系统（）集散控制系统（DCSDCS）随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域又出随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域又出现了新型控制方案现了新型控制方案集散控制系统，它由数字调节器、可集散控制系统，它由数字调节器、可编程控制（编程控制（PLCPLC）以及多台计算机构成，当一台计算机出故）以及多台

42、计算机构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在集散系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，常运行。在集散系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。因此，避免了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正在被许多企业采它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正在被许多企业采用的用的DCSDCS系统。在系统。在DCSDCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又

43、是一种模拟数字混合系仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。统。这种系统与模拟式仪表控制系统、集中式数字控制系统相这种系统与模拟式仪表控制系统、集中式数字控制系统相比较，在功能、性能、可靠性上都有了很大的进步，可以比较，在功能、性能、可靠性上都有了很大的进步，可以实现现场装置级、车间级的优化控制。但是，在实现现场装置级、车间级的优化控制。但是，在DCS系统系统形成的过程中，由于受早期计算机发展的影响，各厂家的形成的过程中，由于受早期计算机发展的影响，各厂家的产品自成封闭体系，即使同一种协议下仍然存在不同厂家产品自成封闭体系，即使同一种协议下仍然存在不同厂家的设备有不同的信号传输

44、方式且不能互连的现象，因此实的设备有不同的信号传输方式且不能互连的现象，因此实现互换与互操作有一定的局限性。现互换与互操作有一定的局限性。（5 5）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（FCSFCS）现场总线控制系统突破了现场总线控制系统突破了DCS通信由专用网络的封闭系通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制系统把

45、系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线之所以具有较高的测控性能，一是得益于仪表现场总线之所以具有较高的测控性能，一是得益于仪表的智能化，二是得益于设备的通信化。的智能化，二是得益于设备的通信化。把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，另一方面丰富了测控信息的内容，为实现其远程传送创造了另一

46、方面丰富了测控信息的内容，为实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助设备的计算、通信能力，条件。在现场总线的环境下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。的控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。此外还可借助现场总线网段与其它网段进行联网，实现此外还可借助现场总线网段与其它网段进行联网，实现异地远程自动控制，如操作在几百公里之外的电气开关、进异地远程自动控制，如操作在几百公里之外的电气开关、进行参数的设定等。系统还可提供如阀门开关动作次数、故障行参数的设定

47、等。系统还可提供如阀门开关动作次数、故障诊断信息等，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现诊断信息等，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态，这在传统仪表控制系统中是无法场和自控设备的运行状态，这在传统仪表控制系统中是无法实现的。现场总线控制系统结构与传统控制系统的区别实现的。现场总线控制系统结构与传统控制系统的区别如图如图1.1所示。所示。图图1.1 现场总线控制系统结构与传统控制系统的比较现场总线控制系统结构与传统控制系统的比较2 2、现场总线控制系统及现场总线技术的特点、现场总线控制系统及现场总线技术的特点 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双现场

48、总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。也有将现场总线定义为向传输、多分支结构的通信网络。也有将现场总线定义为应用在生产现场，在智能测控设备之间实现双向串行多节点应用在生产现场，在智能测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。也称为开放式、数字化、多点通信的低成数字通信的系统。也称为开放式、数字化、多点通信的低成本底层控制系统。现场总线的特点主要体现在两方面，一是本底层控制系统。现场总线的特点主要体现在两方面，一是在体系结构上成功实现了串行连接，一举克服并行连接的许在体系结构上成功实现了串行连接，一举克服并行连接的许多不足。二是在技术层面上成功解决了开放

49、竞争和设备兼容多不足。二是在技术层面上成功解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场设备智能化和控制系统分散化两大目两大难题，实现了现场设备智能化和控制系统分散化两大目标。标。（1 1）现场总线控制系统体系结构的特点）现场总线控制系统体系结构的特点 基础性。在企业实施信息集成、实现综合自动化的进程基础性。在企业实施信息集成、实现综合自动化的进程中，作为厂底层网络的现场总线是一种能在现场环境运行的中，作为厂底层网络的现场总线是一种能在现场环境运行的可靠、实时、廉价、灵活的通信系统，能够有效地集成到可靠、实时、廉价、灵活的通信系统，能够有效地集成到TCP/IPTCP/IP信息网络中，现场总线是企

50、业强有力的控制和通信的信息网络中，现场总线是企业强有力的控制和通信的基础设施。基础设施。灵活性。现场总线打破了传统控制系统的结构形式，使灵活性。现场总线打破了传统控制系统的结构形式，使控制系统的设计、建设、维护、重组和扩容更加灵活简便。控制系统的设计、建设、维护、重组和扩容更加灵活简便。传统模拟控制系统采用一对一的并行连线，按控制分别进行传统模拟控制系统采用一对一的并行连线，按控制分别进行连接，连接，如图如图1.11.1所示。所示。位于现场的测量变送器与位于控制室的位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、

51、马达之间均为一对一的物理连接，每个装置需单独使用一条线，因此均为一对一的物理连接，每个装置需单独使用一条线，因此形成了庞大的线束。由于现场布线的复杂性，因此传统控制形成了庞大的线束。由于现场布线的复杂性，因此传统控制系统在设计之初就需一次性规划好布线的数量和走向，一旦系统在设计之初就需一次性规划好布线的数量和走向，一旦实施就具有刚性，不便于调整和维护，增大了投入的门槛，实施就具有刚性，不便于调整和维护，增大了投入的门槛，不利于滚动发展。不利于滚动发展。现场总线系统由于采用智能现场设备，能够把传统控制现场总线系统由于采用智能现场设备，能够把传统控制系统中处于控制室的控制模块、系统中处于控制室的控

52、制模块、I/OI/O模块和通信模块移置到现模块和通信模块移置到现场设备中，使现场设备能够在一条总线上串行连接起来直接场设备中，使现场设备能够在一条总线上串行连接起来直接传送信号，完成控制功能，传送信号，完成控制功能，如图如图1.11.1（b b）所示。）所示。这样一来，这样一来，系统布线就由几十条、上百条甚至于上千条简化为一条，不系统布线就由几十条、上百条甚至于上千条简化为一条，不仅简化了设计施工，方便了修理维护，也降低了系统投入的仅简化了设计施工，方便了修理维护，也降低了系统投入的门槛，大大提高了可靠性和灵活性。因为增减现场设备只需门槛，大大提高了可靠性和灵活性。因为增减现场设备只需直接将设

53、备挂上总或将设备从总线取下即可，不必另行布线。直接将设备挂上总或将设备从总线取下即可，不必另行布线。分散性。由于现场总线中智能现场设备具有高度的自分散性。由于现场总线中智能现场设备具有高度的自治性，因而控制系统功能可以不依赖控制室的计算机或控制治性，因而控制系统功能可以不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。另外，由仪表而直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。另外，由于现场设备具有网络通信功能，这使得把不同网络中的现场于现场设备具有网络通信功能，这使得把不同网络中的现场设备和不同地理范围中的现场设备组成一个控制系统成为可设备和不同地理范围中的现场设备组成一个控制系

54、统成为可能。因此，现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体能。因此，现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，具有高度的分散性。系结构，具有高度的分散性。经济性。由于现场总线通信用数字信号替代了模拟信经济性。由于现场总线通信用数字信号替代了模拟信号，因而可通过复用技术在一条总线上传输多个信号，同时号，因而可通过复用技术在一条总线上传输多个信号，同时还可在这条总线上为现场设备供电，原来的大量集中式还可在这条总线上为现场设备供电，原来的大量集中式I/OI/O部件均可省去。这就为简化控制系统的体系结构，节约硬件部件均可省去。这就为简化控制系统的体系结构，节约硬件设备和连接电缆提供了可能，并

55、将各种安装和维护费用降至设备和连接电缆提供了可能，并将各种安装和维护费用降至最低。最低。另外，由于投入门槛的降低和重构灵活性的提高，使得现场另外，由于投入门槛的降低和重构灵活性的提高，使得现场总线的资产投入不会产生沉淀而浪费，大大提高了经济性。总线的资产投入不会产生沉淀而浪费，大大提高了经济性。最后，由于现场设备的开放性，设备价格不会被厂家垄断；最后，由于现场设备的开放性，设备价格不会被厂家垄断；由于现场设备的互换性，备品库也可大大降低。由于现场设备的互换性，备品库也可大大降低。（2 2）现场总线技术的特点）现场总线技术的特点 开放性。现场总线的开放性有几层含义。一是指相关开放性。现场总线的开

56、放性有几层含义。一是指相关标准的一致性和公开性。一致开放的标准有利于不同厂家设标准的一致性和公开性。一致开放的标准有利于不同厂家设备之间的互连与替换。二是系统集成的透明性和开放性，用备之间的互连与替换。二是系统集成的透明性和开放性，用户进行系统设计、集成和重构的能力大大提高。三是产品竞户进行系统设计、集成和重构的能力大大提高。三是产品竞争的公正性和公开性，用户可按自己的需要和评价，选用不争的公正性和公开性，用户可按自己的需要和评价，选用不同供应商的产品组成大小随意的系统。同供应商的产品组成大小随意的系统。交互性。现场总线设备的交互性有几层含义。一是指交互性。现场总线设备的交互性有几层含义。一是

57、指上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力。二是指现场上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力。二是指现场设备之间具有相互沟通能力，也就是具有互操作性。三是指设备之间具有相互沟通能力，也就是具有互操作性。三是指不同厂家的同类设备可以相互替换，也就是具有互换性。不同厂家的同类设备可以相互替换，也就是具有互换性。适应性。安装在工业生产第一线的现场总线是专为恶劣适应性。安装在工业生产第一线的现场总线是专为恶劣环境而设计的，对现场环境具有很强的适应性。具有防电、防环境而设计的，对现场环境具有很强的适应性。具有防电、防磁、防潮和较强的抗干扰能力，可满足本质安全防爆要求，可磁、防潮和较强的抗干扰能力，可满

58、足本质安全防爆要求，可支持多种通信介质，如双绞线、同轴电缆、光缆、支持多种通信介质，如双绞线、同轴电缆、光缆、射频、射频、红外线、红外线、电力线等。电力线等。自治性。由于智能仪表将传感测量、补偿计算、工程自治性。由于智能仪表将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能下载到现场设备中完成，因此一台单独量处理与控制等功能下载到现场设备中完成，因此一台单独的现场设备即具有自动控制的基本功能，可以随时诊断自己的现场设备即具有自动控制的基本功能，可以随时诊断自己的运行状况，实现功能的自治。的运行状况，实现功能的自治。3 3、典型现场总线简介、典型现场总线简介 自自2020世纪世纪8080年代中期以来，

59、世界上有许多企业、集团和年代中期以来，世界上有许多企业、集团和国家开展现场总线标准的研究，并出现了多种有影响的现场国家开展现场总线标准的研究，并出现了多种有影响的现场总线标准。这些现场总线标准都各有其自己的特点，并在特总线标准。这些现场总线标准都各有其自己的特点，并在特定范围内产生了非常大的影响，也显示出了较强的生命力。定范围内产生了非常大的影响，也显示出了较强的生命力。（1 1）基金会现场总线（）基金会现场总线（FFFF）基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fi

60、sher-RosemountFisher-Rosemount公司为首，联合公司为首，联合FoxboroFoxboro、横河、横河、ABBABB、西门子等、西门子等8080家公司制家公司制订的订的ISPISP协议和以协议和以HoneywellHoneywell公司为首，联合欧洲等地的公司为首，联合欧洲等地的150150家公司制订的家公司制订的WordFIPWordFIP协议。协议。1994 1994年年9 9月两大集团合并，成立了现场总线基金会，总部月两大集团合并，成立了现场总线基金会，总部设在美国德克萨斯洲的奥斯汀，该基金会聚焦了世界著名仪设在美国德克萨斯洲的奥斯汀，该基金会聚焦了世界著名仪表

61、、表、DCSDCS和自动化设备制造商、研究机构和最终用户。由于和自动化设备制造商、研究机构和最终用户。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层网络这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备发展方向的能力，因此该基金会自成立以来，工作进展比较发展方向的能力，因此该基金会自成立以来，工作进展比较快，推动了现场总线的研究和产品开发。快，推动了现场总线的研究和产品开发。FFFF是一个非商业的公正的国际标准化组织，其宗旨是是一个非商业的公正的国际标准化组织，其宗旨是制订统一的国际

62、现场标准，为世界上任何一个制造商或用制订统一的国际现场标准，为世界上任何一个制造商或用户提供现场总线标准，因而由它们所颁布的现场总线规范户提供现场总线标准，因而由它们所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。具有一定的权威性。（2 2）PROFIBUSPROFIBUS PROFIBUS PROFIBUS是德国国家标准是德国国家标准DIN19245DIN19245和欧洲标准和欧洲标准EN50170EN50170的现场总线标准。它由的现场总线标准。它由PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA组成组成PR

63、OFIBUSPROFIBUS现场总线系列。现场总线系列。DPDP型用于分散外型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMSFMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而制器、低压开关等。而PAPA型则是用于过程自动化的总线类型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从型，它遵从IEC 1158-2IEC 1158-2标准。该项技术是由西门公司为主标准。该项技术是由西门公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出。的十几家德国公司、研究所共同推出。（3 3）C

64、ANCAN CAN CAN是控制局域网（是控制局域网（Control Area NetworkControl Area Network）的简称，）的简称，最早由德国最早由德国BOSCHBOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件公司推出，用于汽车内部测量与执行部件 之间的数据通信。其总线规范已被之间的数据通信。其总线规范已被ISOISO国际标准组织制订为国际标准组织制订为国际标准。得到国际标准。得到MotorolaMotorola、IntelIntel、PhilipsPhilips、SiemensSiemens、NECNEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。目前，已有多等公司的支持，已

65、广泛应用在离散控制领域。目前，已有多家公司开发生产了符合家公司开发生产了符合CANCAN协议的通信芯片，如协议的通信芯片，如IntelIntel公司的公司的8252782527，MotorolaMotorola公司的公司的MC68HC908AZ60ZMC68HC908AZ60Z，PhilipsPhilips公司的公司的SJSJA1000A1000等，还有插在等，还有插在PCPC机上的机上的CANCAN总线适配器，具有接口简单、总线适配器，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。编程方便、开发系统价格便宜等优点。（4 4）LonWorksLonWorks LonWorks LonWork

66、s现场总线技术是由美国现场总线技术是由美国EchelonEchelon公司推出，并公司推出，并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于19901990年正式公布而形成。年正式公布而形成。EchelonEchelon公司的技术策略是鼓励公司的技术策略是鼓励OEMOEM开发商运用开发商运用LonWorksLonWorks技术技术和神经芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有和神经芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有26002600多家多家公司在不同程度上卷入公司在不同程度上卷入LonWorksLonWorks技术，技术，10001000多家公司已推出多家公司已推出了了LonWorksLonWorks产品，并进一步组成产品，并进一步组成LonMARKLonMARK互操作协会，开发互操作协会，开发推广推广LonWorksLonWorks技术与产品。技术与产品。它已被广泛应用在它已被广泛应用在 楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接