现场总线现场总线控制系统概述

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1、现场总线控制系统概述现场总线控制系统概述0 0 绪论绪论0.1 0.1 微机测控技术主要研究对象微机测控技术主要研究对象 微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的微机测控系统。微机测控系统。 0.2 0.2 微机测控系统的组成与特点微机测控系统的组成与特点0.2.1 0.2.1 微机测控系统的一般概念微机测控系统的一般概念 微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自动测试与控制的动测

2、试与控制的系统。系统。 控制器 D/A 执行机构 被控对象 测量变送 A/D r e u c 被控量 计算机 生产过程 微机测控系统典型结构图微机测控系统的微机测控系统的工作原理工作原理可归纳为以下可归纳为以下3步：步： 实时数据采集实时数据采集：通过测量变送装置完成被控量的：通过测量变送装置完成被控量的瞬时值的检测和输入。瞬时值的检测和输入。 实时控制决策实时控制决策：对采集的数据进行分析和处理，：对采集的数据进行分析和处理，按预定的控制策略决定采取何种控制行为。按预定的控制策略决定采取何种控制行为。 实时控制输出实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发出：根据控制决策，向执行机构发出实时控

3、制信号，完成系统控制任务。实时控制信号，完成系统控制任务。实时实时的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的时间间隔内完成。时间间隔内完成。（软实时（软实时RTOSRTOS、硬实时、硬实时RTOSRTOS）在线在线是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。 0.2.20.2.2 微机测控系统的组成微机测控系统的组成 微机测控系统主要由被控对象、过程输入输出通道微机测控系统主要由被控对象、过程输入输出通道及计算机系统三部分

4、组成。及计算机系统三部分组成。 过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行机构、电气开关等装置。机构、电气开关等装置。0.2.3 0.2.3 微机测控系统的微机测控系统的软件组成软件组成 系统软件系统软件 （RTOS） 应用软件应用软件 （组态、先控）（组态、先控）0.2.4 0.2.4 微机测控系统的微机测控系统的特点特点 灵活性灵活性（规模、复杂度）（规模、复杂度） 适应性适应性（嵌入式）（嵌入式） CPU 存储器 人机接口 系统支持板 内 部 总

5、线 模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道 测量变送 执行机构 电气开关 电气开关 被控对象 计算机系统 生产过程 微机测控系统组成结构框图 0.3 0.3 微机测控系统的典型形式微机测控系统的典型形式 0.3.1 0.3.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 这种形式的系统属于开环系统，计算机按照一定的时间这种形式的系统属于开环系统，计算机按照一定的时间间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警，间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警，操作人员根据这些结果进行设定值的修改操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作。或必要的操作。 计 算

6、机 模拟量输入通道 数字量输入通道 显示器 打印机 调节器 生 产 过 程 操作指导控制系统原理图 0.3.2 0.3.2 直接数字控制系统直接数字控制系统 直接数字控制（简称直接数字控制（简称DDCDDC）系统的基本思想是：）系统的基本思想是：利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测，并利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测，并与给定值比较，然后按照预定的控制规律进行计算，与给定值比较，然后按照预定的控制规律进行计算，最后发出控制信息完成对生产过程的控制，使被控最后发出控制信息完成对生产过程的控制，使被控参数稳定在给定值上。参数稳定在给定值上。直接数字控制系统是计算机直接数字控制系统是计算

7、机在工业生产过程控制中最普遍的一种应用方式。它在工业生产过程控制中最普遍的一种应用方式。它要求实时性好、可靠性高、适应性强。要求实时性好、可靠性高、适应性强。 计 算 机 模拟量输入通道 数字量输出通道 显示器 打印机 被 控 对 象 报警 操作台 模拟量输出通道 数字量输出通道 直接数字控制系统原理框图 0.3.3 0.3.3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统 监督计算机控制（简称监督计算机控制（简称SCCSCC）系统的基本思想是：微）系统的基本思想是：微型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型，自动改变模拟调节器或过

8、程的数学模型，自动改变模拟调节器或DDCDDC微型计算微型计算机的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。机的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。 记 录 显 示 打 印 工 艺 数 据 S C C 计 算 机 模 拟 调 节 器 生 产 过 程 调 节 测 量 给 定 记 录 显 示 打 印 工 艺 数 据 S C C 计 算 机 D D C 计 算 机 生 产 过 程 调 节 测 量 给 定 监督计算机控制系统原理框图a) SCC+模拟调节器系统 b) SCC+DCC系统 它它有两种不同的结构形式：一种是有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟控制器模拟控制器，另一种是，另一种是SCC

9、+DDC控制系统。控制系统。它是操作指导控制系统和它是操作指导控制系统和DDC系统的综合和发展系统的综合和发展，SCC系统较系统较DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行定值控制，还可以进行系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行定值控制，还可以进行顺序控制、最优控制等。顺序控制、最优控制等。0.3.4 0.3.4 分散控制系统分散控制系统 分散控制系统（简称分散控制系统（简称DCSDCS）的基本思想是：利用分）的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测控系统分为控系统分为分散过程控制级分散过程控制级、集中操作

10、监控级集中操作监控级和和综合信综合信息管理级息管理级等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。 管理 微机 网间链接 工程师操作站 操作员操作站 监控 计算机 网间 链接 现场 工作站 PLC 控制器 智能 调节器 其他 装置 综合信息管理级 集中操作监控级 分散过程控制级 到其它局域网 LAN 分散控制系统原理框图 0.3.5 0.3.5 现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线控制系统（简称现场总线控制系统（简称FCSFCS）其结构模式为）其结构模式为“工工作站作站现场总线智能仪表现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠二层结构，成本低、可靠性高，可

11、实现真正的开放式互连系统结构。性高，可实现真正的开放式互连系统结构。 操作站 服务器 H2 现场总线 现场设备 124 网桥 32 32 H1 现场总线 H1 现场总线 H1 H1 H1 H1 现场设备 现场设备 LAN FCS控制层原理图 1 现场总线的概述（FieldBusFieldBus） 3C技术的发展技术的发展微机化仪器仪表的成熟和应用微机化仪器仪表的成熟和应用1.1.现场总线概述现场总线概述 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的之一，被誉为自动化领域的计算机局域网计算机局域网。它的。它的出现标志着工业控制技术领域又一个

12、新时代的开出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。始。 现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。1.1.现场总线概述现场总线概述现场总线现

13、场总线(Fieldbus)的概念：的概念： 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题统之间的信息传递问题 。主要用于：主要用于： 制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中。系统中。 现场总线定义网网络络节节点点包括包括IPCIPC、PLC

14、PLC以及各种智能化的现场控制设备以及各种智能化的现场控制设备 基于统一、规范的通信协议基于统一、规范的通信协议 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享 网网络络体体系系通信总线在现场设备中的延伸通信总线在现场设备中的延伸 生产控制生产控制网络结构网络结构 位于位于的底层的底层 2.2.现场总线的发展现场总线的发展 （1）早期的控制系统主要是）早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统，设备，设备之间传输的信号为之间传输的信号为15V或或420mA的直流模拟信号，的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。信号的精度较低，传输过程

15、中易受干扰。 （2）出现以单片机、计算机和）出现以单片机、计算机和PLC为控制器的为控制器的集中数集中数字控制系统字控制系统，其内部传输的是数字信号，克服了模拟，其内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表中信号精度较低的缺点，提高了抗干扰能力。整仪表中信号精度较低的缺点，提高了抗干扰能力。整个系统的可靠性低，风险高度集中。另外，当任务增个系统的可靠性低，风险高度集中。另外，当任务增加时会使系统性能下降。加时会使系统性能下降。 （3）又出现以集中管理、分散控制为核心思想的集散）又出现以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统（控制系统（DCS），在），在20世纪末期逐步占据了主导地世纪末期逐步占据

16、了主导地位。位。2.2.现场总线的发展现场总线的发展 在在DCS中中管理与控制管理与控制相相分离分离，上位机用于集中监视，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递，间的信息传递，克服了集中数字控制系统克服了集中数字控制系统对控制器的对控制器的处理能力和可靠性要求很高的处理能力和可靠性要求很高的缺点缺点。 由于不同的由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络制通讯网络采用专用的封闭

17、形式采用专用的封闭形式，不同厂家的，不同厂家的DCS 系系统之间以及统之间以及DCS与上层的与上层的Intranet、Internet之间之间难以难以实现网络互联和信息共享实现网络互联和信息共享，因此，因此DCS 系统实质上是一系统实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且DCS价格昂贵，用户对此提出了价格昂贵，用户对此提出了开放性开放性和降和降低成本低成本的迫切的迫切要求。要求。2.2.现场总线的发展现场总线的发展 （4）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用）正是顺应了上述的用户要求，采用了现场总线这

18、一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，成本和维护费用。因此，FCS 系统实质上是一种系统实质上是一种开放开放的、可以的、可以互互连连的、的、低成本低成本的、的、彻底分散彻底分散的分布式控制系统。的分布式控制系统。 1984年，年，美国仪表协会美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；开始制定现场总线标准；1985年，年，国际电工委

19、员会国际电工委员会决定决定由由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；定工作；1986年，年，德国德国开始制定过程现场总线（开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。与此同时，品开发的序幕。与此同时，其他一些组织或机构其他一些组织或机构（如（如WorldFip等）等）也开始从事现场总线标准的制定和研究。也开始从事现场总线标准的制定和研究。2.2.现场总线的发展现场总线的发展 现场总线技

20、术起源于欧洲，目前以欧、美、现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类近日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类近200种。经过近种。经过近2020年的竞争和完善，目前较有生年的竞争和完善，目前较有生命力的有命力的有1010多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信技术中已形成的不同特点，使得统一标准的制订技术中已形成的不同特点，使得统一标准的制订困难重重。困难重重。 由于较长时期没有统一标准，对用户影响最由于较长时期没有统一标准，对用户影响最大的就

21、是难以把不同制造商生产的仪表集成在一大的就是难以把不同制造商生产的仪表集成在一个系统中。因此，现场总线在过程控制中实际应个系统中。因此，现场总线在过程控制中实际应用，一直延误到用，一直延误到2020世纪世纪9090年代后期才逐步实现。年代后期才逐步实现。 1996 1996年到年到19981998年，国际性组织年，国际性组织FFFF（现场总线（现场总线基金会）和基金会）和PNOPNO（ProfibusProfibus国际组织）先后发布国际组织）先后发布了适于过程自动化的现场总线标准了适于过程自动化的现场总线标准H1H1、H2(HSE)H2(HSE)和和Profibus-PA,H1Profibu

22、s-PA,H1和和PAPA都在实际工程中开始应用。都在实际工程中开始应用。19991999年底，包含年底，包含8 8种现场总线标准在内的国际标种现场总线标准在内的国际标准准IEC-61158IEC-61158开始生效，除开始生效，除H1H1、HSEHSE和和PAPA外，还有外，还有WorldFIPWorldFIP、InterbusInterbus、ControlNetControlNet、P-NETP-NET、SwiftNetSwiftNet等五种。等五种。 诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定的领域的适用性就好一些。如的领域的适用性就好一些。如Prof

23、ibusProfibus较适合于较适合于工厂自动化，工厂自动化， CANCAN适用于汽车工业，适用于汽车工业， FFFF总线总线（Foundation FieldbusFoundation Fieldbus）主要适用于过程控制，）主要适用于过程控制，LONLON适用于楼宇自动化等。适用于楼宇自动化等。2.现场总线的发展3.3.现场总线的结构现场总线的结构 按照国际标准化组织（按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（）制定的开放系统互连（OSI）参）参考模型建立的。将七层简化成三层，分别由考模型建立的。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型的第一层物理参考模型的第一层物理层，第二层数据链

24、路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层，如图所示置了一个现场总线访问子层，如图所示。 工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级 IBM CompatibleASCII PrinterPlotterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工厂管理级工厂骨干网车间监控网车

25、间监控级现场级网络现场设备级3.13.2 现场总线的结构特点现场总线的结构特点IPC、PLCI/O子系统Ethernet/Highway FiledbusController/GetwayFiledbusDCSDCS实际上是实际上是“半分散半分散”、“半数字半数字”的系的系统统FCSFCS采用的是一个完全分散的控制方式采用的是一个完全分散的控制方式 (1) 全数字化通信全数字化通信 (2) 开放型的互联网络开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性对现场环

26、境的适应性 4 现场总线的技术特征 4 4.1 1 现场总线的现场总线的特点特点 现场控制设备现场控制设备具有通信功能具有通信功能，便于构成工厂底，便于构成工厂底层控制网络。层控制网络。 通信标准通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。设备间具有互可操作性。 功能块与结构的功能块与结构的规范化规范化使相同功能的设备间具使相同功能的设备间具有互换性。有互换性。 控制功能控制功能下放到现场下放到现场，使控制系统结构具备高，使控制系统结构具备高度的分散性。度的分散性。4.2 现场总线的现场总线的优点优点 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的现

27、场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；行列，为其应用开拓了更为广阔的领域； 一对双绞线上可挂接多个控制设备，一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省便于节省安装费用；安装费用； 节省维护开销；节省维护开销； 提高了系统的可靠性；提高了系统的可靠性； 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。5. 现场总线国际标准化概况基本情况基本情况 19991999年形成了一个由年形成了一个由8 8个类型组成的个类型组成的IEC61158IEC61158现场总线国际标准现场总线国际标准 IEC 61158IEC 61158成了国际上制订

28、时间最长、意见分歧最大的国际标准之一成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一 IEC61158现场总线标准现场总线标准现场总线标准:2003年年4月，月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第现场总线标准第3版正版正式成为国际标准，规定式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。种类型的现场总线。Type 1 TS61158现场总线现场总线Type 2 ControlNet和和Ethernet/IP现场总线现场总线Type 3 Profibus现场总线现场总线Type 4 P-NET现场总线现场总线Type 5 FF HSE现场总线现场总线Type 6 SwiftNet现场总线现场总

29、线Type 7 World FIP现场总线现场总线Type 8 Interbus现场总线现场总线Type 9 FF H1现场总线现场总线Type 10 PROFInet现场总线现场总线IEC 61158 Type1现场总线 网网络络协协议议采用采用ISO/OSI的简化模型。的简化模型。 物理层(HSE)接收数据链路层的数据，经加工变为电信号后进行发送（传输；将接收到的电信号进行相反处理，并将数据送交链路层。通常，采用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。01每个码均有一次跳变，这样就把一个码分成两半，以前半个码的值为准。每个码均有一次跳变，在每位开始的边界跳变为0，在每位开始的边界不跳变为1 。 数

30、据链路层 应用层 实现与数据链路层连接。实现与数据链路层连接。保证数据的完整性，决定何时与何节点对话。格式控制 目标地址 源地址 参数 数据 校验报文格式： 校验一般采用CRC（循环冗余校验码）例子：假设待校验数据为M(X)=1101，生成多项式G(X)=X3+X1+1，求CRC。方法：模2运算。减法：相同数减为0；相异数减为1，不考虑借位。 除法：相同位数比较，只要被除数的最高位为1，商1； 相同位数比较，只要被除数的最高位为0，商0。计算过程：G(X)最高幂次方为3，则K=3； M(X)=M(X)本身，后面跟K个0，即1101000用模2计算方法求: M(X)/G(X) , 得到的余数XX

31、X(K位)即为CRC校验码。最终结果：M(X)XXX1101000101110111111110010111110101110101011001 注意：K位余数校验后的CRC码：1101001检验时：将上述结果除G(X)，余数为0，正确；余数不为0，错误。不同位发生的错误会使余数也不同。 用户层用户层标准功能块标准功能块FBFB装置描述装置描述DDDD功能功能 标准规定标准规定3232种功能块，现场装种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。置使用这些功能块完成控制策略。 DDDD功能包括描述装置通信所需的功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以所有信息，并且与主站无关，所

32、以可使现场装置实现真正的互操作性可使现场装置实现真正的互操作性 管理层管理层PCPC网络服务器网络服务器操作站操作站网关网关网桥网桥PLCPLC等其等其它控制站它控制站Type1 FCSType1 FCS结构示意图结构示意图EthernetEthernetTCP/IPTCP/IPH H2 2（HSEHSE）H H1 1低速现场总线低速现场总线8种现场总线的简单比较种现场总线的简单比较Type4 PNetType6 SwiftNetType2 ControlNetType3 ProfiBusType7 WorldFIPType8 InterBusType1 IEC总线(H1)Type5 FF H

33、ES (H2)6.满足控制网络要求的协议（1 1）以太网（）以太网（EthernetEthernet，IEEE 802.3 CSMA/CDIEEE 802.3 CSMA/CD）。）。（2 2）令牌总线（）令牌总线（Token Bus, IEEE 802.4Token Bus, IEEE 802.4）, ,令牌环令牌环（Token Ring, IEEE 802.5Token Ring, IEEE 802.5）（3 3）控制器局部网（）控制器局部网（CAN,CSMA/AMPCAN,CSMA/AMP）。控制网络一）。控制网络一般基于般基于CANCAN协议（如智能分布式系统协议（如智能分布式系统,Sm

34、art ,Smart Distributed SystemDistributed System）；）；（4 4）设备网）设备网DeviceNetDeviceNet和令牌协议（如过程现场总和令牌协议（如过程现场总线，线，ProfibusProfibus；制造自动化协议，；制造自动化协议，Manufacturing Manufacturing Automation ProtocolAutomation Protocol；控制网，；控制网，ControlnetControlnet；分；分布式光纤数据接口，布式光纤数据接口，Fiber Distributed Data Fiber Distribute

35、d Data InterfaceInterface）。）。主要主要MACMAC工作方式工作方式 （1 1）CSMA/CD(IEEE802.3)CSMA/CD(IEEE802.3)为冲突检测载体监为冲突检测载体监听多重访问，采用总线网络，听多重访问，采用总线网络， 其控制策略是其控制策略是竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送；测、冲突后退和再试发送； （2 2）Token Bus(IEEE802.4)Token Bus(IEEE802.4)为令牌总线控制为令牌总线控制技术，总线上所有站形成一个逻辑环，令牌技术，总线上所有站形成一个逻辑

36、环，令牌在总线网络上传送，收到令牌的站，决定是在总线网络上传送，收到令牌的站，决定是否发送或接收，然后再将令牌传给下一站；否发送或接收，然后再将令牌传给下一站； （3 3）Token Ring(IEEE802.5)Token Ring(IEEE802.5)为令牌环控制为令牌环控制技术，令牌在环形网络上传送，收到技术，令牌在环形网络上传送，收到 令牌的令牌的站，决定是否发送或接收，然后再将令牌传站，决定是否发送或接收，然后再将令牌传给下一站。给下一站。 6.1 载波侦听多路访问 载波侦听多路访问（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）是一种适合于总线结构的具有信道

37、检测功能的分布式介质访问控制方法，其控制手段称之为“载波侦听”。 CSMA/CD又被称之为“先听后讲，边听边讲”，其具体工作过程概括如下：（1）先侦听信道，如果信道空闲则发送信息。（2）如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。（3）发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号（连续几个字节全1），通知总线上各站点冲突已发生，使各站点重新开始侦听与竞争。（4）已发出信息的各站点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入侦听发送阶段。站点要求发送有载波？发送一帧信息有冲突？发出阻塞信号冲突 16？延时处理放弃发送另作处理一次发送结束图4.3 CSMA/CD发

38、送过程流程图YNYNNYCSMA/CD发送过程流程图发送过程流程图6.2 令牌环网络 令牌环网络（Token-Ring）系统在1985年由IBM公司率先推出。令牌环网的拓扑结构为环形，采用专用的令牌环介质访问控制方式，传输介质为屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）或者光纤，传输速率为4Mbps或者16Mbps。令牌环网络系统遵循IEEE802.2和IEEE802.5标准，在传输效率、实时性、地理范围等网络性能上都优于采用CSMA/CD介质访问控制方式的以太网。令牌环网络的覆盖范围没有限制，但站点数却受到一定限制。使用STP时可连接2260台设备，而使用UTP时只能连接272台设备。6.

39、2 令牌环访问控制方式 令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式，已由IEEE802委员会建议成为局域网控制协议标准之一，即IEEE802.5标准。在令牌环网中，令牌也叫通行证，它具有特殊的格式和标记。令牌有“忙（Busy）”和“空闲（Free）”两种状态。 具有广播特性的令牌环访问控制方式，还能使多个站点接收同一个信息帧，同时具有对发送站点自动应答的功能。BACD（a）BACD（b）BACD（c）FreeToken站点BusyTokenFreeToken传送过程（传送过程（C发送给发送给A）6.2 令牌总线访问控制方式 令牌总线访问控制方式（令牌总线访问控制方式（Token-Bus

40、）是在综合了）是在综合了CSMA/CD访问控制方式和令牌环访问控制方式的访问控制方式和令牌环访问控制方式的优点基础上形成的一种介质访问控制方式。优点基础上形成的一种介质访问控制方式。令牌总线控制方式主要用于总线型或树型网络结令牌总线控制方式主要用于总线型或树型网络结构中。该方式是在物理总线上建立一个逻辑环。一构中。该方式是在物理总线上建立一个逻辑环。一个总线结构网络，如果指定每一个站点在逻辑上相个总线结构网络，如果指定每一个站点在逻辑上相互连接的前后地址，就可构成一个逻辑环。如图中互连接的前后地址，就可构成一个逻辑环。如图中ABDEA（C站点没有连入令牌总线中）站点没有连入令牌总线中）。A前E

41、后BC前无后无E前D后AB前A后DD前B后EBUS总线结构中的令牌环总线结构中的令牌环返回本节返回本节7. 几个具体问题的分析几个具体问题的分析 7.1 FCS与与DCS的比较的比较 7.2 现场总线技术与计算机通信技术的比较现场总线技术与计算机通信技术的比较（2 2）信号传输要求信号传输要求 （3）网络结构）网络结构 容易实现对现场仪表的总线供电。容易实现对现场仪表的总线供电。 一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。变化也是可以预料的。 容易实现本安防爆规范。容易实现本安防爆规范。 目前

42、的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制。时这也对现场总线的应用产生了一定的限制。 (4)系统组成现场设备现场设备 传输介质传输介质现场总线接口现场总线接口微处理器微处理器传感器传感器A/D现场节点现场节点工作站工作站现场总线现场总线

43、(5)(5)工业自动化网络与办公自动化网络的区别工业自动化网络与办公自动化网络的区别 现代分布式系统是大量的设备按照某种操作现代分布式系统是大量的设备按照某种操作要求连接起来的，涉及的领域包括工业自动化网要求连接起来的，涉及的领域包括工业自动化网络，楼宇自动化网络，办公和家庭自动化网络，络，楼宇自动化网络，办公和家庭自动化网络，智能车用系统等。智能车用系统等。 网络分为两种：网络分为两种：控制网络控制网络和和数据网络数据网络。 数据网络数据网络：数据包大，发送频率相对比较低，常：数据包大，发送频率相对比较低，常是瞬间传送大量数据，要求以高数据传送速度来是瞬间传送大量数据，要求以高数据传送速度来

44、传输比较大的文件。对实时性没有苛刻的限制。传输比较大的文件。对实时性没有苛刻的限制。 控制网络控制网络：控制网络在许多节点之间高频率的发：控制网络在许多节点之间高频率的发送大量比较小的数据包来满足实时性的要求。因送大量比较小的数据包来满足实时性的要求。因而，区分数据网络和控制网络的关键因素是看网而，区分数据网络和控制网络的关键因素是看网络是否具有支持实时应用的能力。络是否具有支持实时应用的能力。 控制网络要求控制网络要求确定性确定性和和可重复性可重复性。确。确定性是指有限制的延迟和有保证的传送，定性是指有限制的延迟和有保证的传送，也就是说一个报文能在也就是说一个报文能在可预测的时间周可预测的时

45、间周期内期内成功的发送出去。可重复性是指网成功的发送出去。可重复性是指网络的络的传输能力不受网络上节点的动态改传输能力不受网络上节点的动态改变（增加节点或者删除节点）和网络负变（增加节点或者删除节点）和网络负载的改变而影响载的改变而影响。 这正是普通局域网不适合作为控制网这正是普通局域网不适合作为控制网的原因。的原因。8 现场总线技术的发展趋势现场总线技术的发展趋势 工业以太网的发展工业以太网的发展国际上形成的工业以太网技术的四大阵营：国际上形成的工业以太网技术的四大阵营：主要用于离散制造控制系统的是：主要用于离散制造控制系统的是：Modbus-IDA工业以太网工业以太网Ethernet/IP工业以太网工业以太网PROFInet工业以太网工业以太网主要用于过程控制系统的是：主要用于过程控制系统的是：Foundation Fieldbus HSE工业以太网工业以太网