17.1集散控制系统简介集散控制系统简介7.2现场总线技术简介现场总线技术简介7.3中国国家标准用于测量与控制系统的中国国家标准用于测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准简介系统结构与通信标准简介第七章网络控制系统概述第七章网络控制系统概述237.17.1集散控制系统简介集散控制系统简介7.1.1 7.1.1 集散控制系统的发展历程集散控制系统的发展历程 共出现了共出现了3 3代代DCSDCS产品。产品。19751975年至年至8080年代前期为第年代前期为第一代产品，一代产品，8080年代中期至年代中期至9090年代年代前期前期为第二代产品，为第二代产品，9090年代中期至年代中期至2121世纪初为第三代产品。目前发展成世纪初为第三代产品。目前发展成为为DCSDCS与与FCSFCS的集成。的集成。4-由若干台微处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化 。Distributed control system包括： DCSDCS控制站、控制站、DCSDCS操作站、数据通信及网络操作站、数据通信及网络 集散控制系统的主要组成部分集散控制系统的主要组成部分5DCSDCS控制站控制站1 1DCSDCS控制站控制站DCSDCS系统中，控制站继承了系统中，控制站继承了DDCDDC技术，它是一个技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。置正常运行。 控制站作为一个完整的计算机，它的主要控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/OI/O设设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/ /输输出（出（P I/OP I/O）量，包括信号变换与信号调理，量，包括信号变换与信号调理，A/DA/D、D/AD/A转换等转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了了嵌入式技术嵌入式技术，并，并采用单片机采用单片机等完成量程调整、远等完成量程调整、远程程I/OI/O数据传输、小型化及减少数据传输、小型化及减少P I/OP I/O卡硬件规格等卡硬件规格等功能，直至功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。场总线提供的数字信号。 6DCSDCS控制站的系统软件控制站的系统软件 关于关于DCSDCS控制站的系统软件，原则上也有实时操作控制站的系统软件，原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而己。统等，只是完善程度不同而己。 第一代第一代DCSDCS控制站控制站的功能更近似于多回路调节器，的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器；而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器； 第二代第二代DCSDCS控制站控制站的实时操作系统及程序编译系统的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下载；况下，完成编译和下载； 第三代第三代DCSDCS控制站控制站的系统软件齐全，操作站或工程的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。7控制站是整个控制站是整个DCSDCS的基础的基础 控制站是整个控制站是整个DCSDCS的基础，它的可靠性和安全的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、防爆系统构成的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、防爆系统构成等方面都应有很高的可靠性，才能满足用户要求。等方面都应有很高的可靠性，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCSDCS控制站都控制站都能够胜任用户要求。能够胜任用户要求。8DCSDCS操作站操作站2 2DCSDCS操作站操作站 DCSDCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（系统通用（UtilityUtility）功能。功能。 实际的实际的DCSDCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着有着丰富的外围设备和人机界面。丰富的外围设备和人机界面。7070年代中期，年代中期，CRTCRT显示器技术已成显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代熟，以外部存储器为特征，第二代DCSDCS操作站还具有如下特点：操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOSDOS系统以外，系统以外，有的产品采用有的产品采用UnixUnix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以在人机界面方面，逐渐过渡为以GUIGUI图形用户界面为平台并采用图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗口、口、CADCAD等技术，使人机界面友好。等技术，使人机界面友好。9数据通信及网络数据通信及网络3 3数据通信及网络数据通信及网络 在在DCSDCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCSDCS则解决多个则解决多个装置的装置的DCSDCS互联问题；第三代互联问题；第三代DCSDCS则解决一个工厂的多个车间互则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。 在实际应用中，如石化行业，在实际应用中，如石化行业，DCSDCS一直多用在一个生产装一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。在控制室内。 在在DCSDCS中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程总线及远程I/OI/O总线，以及在第三代总线，以及在第三代DCSDCS的控制站内增加了连接的控制站内增加了连接PLCPLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使分析仪和现场智能仪表的接口卡，使DCSDCS与现场仪表之间与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCSDCS向下兼容并向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。与现场总线通信技术融合打下基础。10DCSDCS面临的主要问题面临的主要问题4 4DCSDCS面临的主要问题面临的主要问题 目前，目前，DCSDCS如何解决现场接线繁杂、如何解决现场接线繁杂、DCSDCS控制站控制控制站控制比较集中、比较集中、FCSFCS与与DCSDCS控制站的相互关系、智能控制、控制站的相互关系、智能控制、先进控制与优化如何在先进控制与优化如何在DCSDCS、FCSFCS中实现等已成为中实现等已成为DCSDCS发展中急需解决的问题。发展中急需解决的问题。117.1.3 7.1.3 JX-300XJX-300X集散控制系统集散控制系统l系统结构系统结构 JX-300XJX-300X集集散散控控制制系系统统是是浙浙大大中中控控开开发发的的具具有有自自主主知知识识产产权权的的集集散散控控制制系系统统，其其结结构构如如图图7.17.1所所示示。JX-300XJX-300X的的基基本本组组成成包包括括工工程程师师站站（ESES）、操操作作站站（OSOS）、控控制制站站（CSCS）和和通通讯讯网网络络SCnetSCnet II II 。通通过过在在JX-300XJX-300X的的通通讯讯网网络络上上挂挂接接总总线线变变换换单单元元（BCUBCU）可可实实现现与与JX-100JX-100、JX-200JX-200、JX-300JX-300系系统统的的连连接接；在在通通讯讯网网络络上上挂挂接接通通信信接接口口单单元元（CIUCIU）可可实实现现JX-300XJX-300X与与PLCPLC等等数数字字设设备备的的连连接接；通通过过多多功功能能计计算算站站（MFSMFS）和和相相应应的的应应用用软软件件AdvanTrolAdvanTrol-PIMS-PIMS可可实实现现与与企企业业管管理理计计算算机机网网的的信信息息交交换换，实实现现企企业业网网络络（IntranetIntranet）环环境境下下的的实实时时数数据据采采集集、实实时时流流程程查查看看、实实时时趋趋势势浏浏览览、报报警警记记录录与与查查看看、开开关关量量变变位位记记录录与与查查看看、报报表表数数据据存存贮贮、历历史史趋趋势势存存贮贮与与查查看看、生生产产过过程程报报表表生生成成与与输输出出等等功功能能，从从而而实实现现整整个个企企业业生生产产过过程程的的管管理理、控控制制全全集集成成综综合合自动化。自动化。12OSOS：操作站；操作站；ESES：工程师站；工程师站；MFSMFS：多功能计算站；多功能计算站；BCUBCU：总线变换单元；总线变换单元；CIUCIU：通讯接口通讯接口单元；单元；PCSPCS：过程控制站；过程控制站；ACSACS：区域控制站；区域控制站；LCSLCS：逻辑控制站；逻辑控制站；DASDAS：数据采集站；数据采集站；SBUSSBUS：系统系统I/OI/O总线；总线；IOUIOU：IOIO单元；单元；RIOURIOU：远程远程IOIO单元单元图图7.17.1JX-300XJX-300X集散控制系统结构示意图集散控制系统结构示意图13系统特点：系统特点： JX-300XJX-300X控制站以先进的微控制器为核心，提高了系统的控制站以先进的微控制器为核心，提高了系统的实时性和控制品质，系统能完成各种先进的控制算法；过程管实时性和控制品质，系统能完成各种先进的控制算法；过程管理级采用高性能理级采用高性能CPUCPU的主机和的主机和WINDOWS9X/NT/2000WINDOWS9X/NT/2000的多任务操作的多任务操作系统，以适合集散控制系统良好的操作环境和管理任务的多元系统，以适合集散控制系统良好的操作环境和管理任务的多元化；过程控制网络采用双重化的化；过程控制网络采用双重化的EthernetEthernet技术，使过程控制级技术，使过程控制级能快速安全的协调工作，做到真正的分散控制和集中管理。能快速安全的协调工作，做到真正的分散控制和集中管理。 JX-300X JX-300X覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCSDCS的的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOESOE）、）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBDSCFBD）、）、梯形图（梯形图（SCLDSCLD）等直观的图形组态工具，又为用等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C C语言编程语言编程环境环境SCXSCX。14 JX-300XJX-300X采用高速、可靠、开放的通讯网络采用高速、可靠、开放的通讯网络SCnet IISCnet II。JX-300XJX-300X系统控制网络系统控制网络SCnet SCnet 连接工程连接工程师站、操作站、控制站和通讯处理单元。师站、操作站、控制站和通讯处理单元。 通讯网络采用总线形或星形拓扑结构，曼彻斯通讯网络采用总线形或星形拓扑结构，曼彻斯特编码方式，遵循开放的特编码方式，遵循开放的TCP/IPTCP/IP协议和协议和IEEE802.3IEEE802.3标标准。准。SCnet SCnet 采用采用1111冗余的工业以太网，冗余的工业以太网，TCP/IPTCP/IP的传输协议辅以实时的网络故障诊断。其特点是可的传输协议辅以实时的网络故障诊断。其特点是可靠性高、纠错能力强、通信效率高。通讯速率为靠性高、纠错能力强、通信效率高。通讯速率为1010MbpsMbps。 157.2 7.2 现场总线技术简介现场总线技术简介7.2.1 7.2.1 传统控制系统向基于现场总线的控制系统演变传统控制系统向基于现场总线的控制系统演变 现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统现场总线的控制系统FCSFCS。 1 1从从PLCPLC到通用工业到通用工业PCPC(1)(1)在传统控制系统中，控制器（或称在传统控制系统中，控制器（或称CPUCPU、或处理器）或处理器）与与I/OI/O模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有一致的物理结构设计。一致的物理结构设计。16（(2)(2)基基于于现现场场总总线线的的控控制制系系统统中中，控控制制器器与与现现场场设设备备（I/OI/O模模块块、功功能能模模块块及及传传感感器器、变变送送器器、驱驱动动器器等等）连连接接是是通通过过标标准准的的现现场场总总线线，因因此此没没有有必必要要使使用用与与控控制制器器捆捆绑绑的的I/OI/O模模块块产产品品（这这与与插插在在PLCPLC机机架架上上的的I/OI/O模模块块的的配配置置方方法法不不同同），可可使使用用任任何何一一家家的的具具有有现现场场总总线线接接口口的的现现场场设设备备与与控控制制器器集集成成。因因此此控控制制器器趋趋向向于于采采用用标标准准的的、通通用用的的硬硬件件平平台台一一工工业业计计算算机机 （ Industrial Industrial Compact Compact ComputerComputer） ， 如如Intel/WindowsIntel/Windows类类PCPC机机。近近年年来来嵌嵌入入式式控控制制器器（如如PC/104PC/104产产品品）的的发发展展和和WINDOWS-CEWINDOWS-CE等等的的推推出出，逐逐渐渐使使用用嵌嵌入入式式控控制制器器硬硬件件和和WINDOWS-CEWINDOWS-CE等等软软件件作作为为控控制器平台。制器平台。17从从PLCPLC的的I/OI/O模块到现场总线分布式模块到现场总线分布式I/OI/O2.2.从从PLCPLC的的I/OI/O模块到现场总线分布式模块到现场总线分布式I/OI/O 在在FCSFCS系系统统中中，插插在在控控制制器器机机架架上上的的I/OI/O模模块块将将被被连连接接到到现现场场总总线线上上的的分分散散式式I/OI/O模模块块所所取取代代。分分散散式式I/OI/O不不再再是是控控制制器器厂厂家家的的捆捆绑绑产产品品，而而是是第第3 3方方厂厂家家的的产产品品；廉廉价价的的、专专用用的的、具具有有特特殊殊品品质质的的I/OI/O模模块块（如如高高防防护护等等级级、本本征征安安全全、可可接接受受高高压压或或大大电电流流信信号号等等）将将具具有有广广阔阔市市场场。FCSFCS的的控控制制器器与与传传统统PLCPLC配置方式的比较见图配置方式的比较见图7.27.2。 18图图7.27.2FCSFCS控制器与传统控制器与传统PLCPLC配置方式的比较配置方式的比较19现场总线与现场总线与4-20mA系统的区别？系统的区别？现场总线设备在总线上并联连接现场总线设备在总线上并联连接，所有设备通过总线所有设备通过总线接收、发送数字信号接收、发送数字信号现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息总线具有循环冗余检错的总线具有循环冗余检错的(CRC)功能功能，可以保证接收，可以保证接收设备获得正确数据设备获得正确数据多节点现场总线无需点对点的布线多节点现场总线无需点对点的布线4-20mAP.S.现场总线现场总线P.S.20具有现场总线接口的现场设备具有现场总线接口的现场设备3.3.从从PLC PLC I/OI/O控控制制的的现现场场设设备备到到具具有有现现场场总总线线接接口口的的现现场设备场设备 现现场场设设备备如如传传感感器器、变变送送器器、开开关关设设备备、驱驱动动器器、执执行行机机构构等等；传传统统PLCPLC控控制制系系统统的的I/OI/O设设备备与与PLC PLC I/OI/O模模块块连连接接，PLCPLC通通过过模模拟拟量量(4-20(4-20mA)mA)或或开开关关量量（如如2424VDCVDC）控控制制监监测测现现场场设设备备。在在FCSFCS系系统统中中，现现场场设设备备具具有有现现场场总总线线接接口口，控控制制器器通通过过标标准准的的现现场场总总线线与与现现场设备连接。场设备连接。 4.4.系统软件系统软件 在在传传统统PLCPLC系系统统中中，系系统统软软件件（包包括括PLCPLC系系统统软软件件和和编编程程软软件件）与与PLCPLC硬硬件件联联系系紧紧密密，技技术术上上对对外外是是封封闭闭的的。在在FCSFCS系系统统中中，控控制制器器采采用用通通用用工工业业PCPC平平台台，系系统统软软件件不不再再与与控控制制器器、I/OI/O、现现场场设设备备等等硬硬件件捆捆绑绑，可运行在通用标准的工业可运行在通用标准的工业PC+WINDOWS/NTPC+WINDOWS/NT平台上。平台上。21减少连线和安装减少连线和安装传统的传统的 4-20 mA 连线连线每台设备需要一个安全栅每台设备需要一个安全栅和一对连线和一对连线现场总线连线现场总线连线多台设备共用一个安全栅多台设备共用一个安全栅和一根总线和一根总线控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线4-20 mA输入输入/输出输出子系统子系统I.S.I.S.I.S.I.S.控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处22提高控制功能的分散性提高控制功能的分散性传统型传统型现场总线型现场总线型有些控制和有些控制和 I/O 功能可以转功能可以转移到现场仪表移到现场仪表。控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线4-20 mA输入输入/输出输出子系统子系统PIDPIDAI AIAOAO控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处23增加信息的交互量增加信息的交互量传统传统 4-20 mA单变量单变量单向单向现场总线现场总线多变量多变量双向双向控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线输入输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处24扩大了操作视野扩大了操作视野传统传统 4-20 mA只能看到只能看到 I/O 子系统子系统现场总线现场总线视野可以扩展到现场仪表视野可以扩展到现场仪表控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线远程输入远程输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处257.2.2 7.2.2 现场总线技术的特点现场总线技术的特点 (1) (1) 系统的开放性系统的开放性 开开放放系系统统是是指指通通信信协协议议公公开开, ,各各不不同同厂厂家家的的设设备备之之间间可可进进行行互互连连并并实实现现信信息息交交换换。现现场场总总线线开开发发者者就就是是要要致致力力于于建建立立统统一一的的工工厂厂底底层层网网络络的的开开放放系系统统。这这里里的的开开放放是是指指对对相相关关标标准准的的一一致致性性、公公开开性性, ,强强调调对对标标准准的的共共识识与与遵遵从从。一一个个开开放放系系统统, ,它它可可以以与与任任何何遵遵守守相相同同标标准准的的其其它它设设备备或或系系统统相相连连。一一个个具具有有总总线线功功能能的的现现场场总总线线网网络络系系统统必必须须是是开开放放的的, ,开开放放系系统统把把系系统统集集成成的的权权利利交交给给了了用用户户。用用户户可可按按自自己己的的需需要要和和对对象象把把来来自自不不同同供供应应商商的的产品组成大小随意的系统。产品组成大小随意的系统。26(2) (2) 互可操作性与互用性互可操作性与互用性 这这里里的的互互可可操操作作性性, ,是是指指实实现现互互连连设设备备间间、系系统统间间的的信信息息传传送送与与沟沟通通, ,可可实实行行点点对对点点, ,一一点点对对多多点点的的数数字字通通信信。而而互互用用性性则则意意味味着着不不同同生生产产厂厂家家的的性性能能类似的设备可进行互换而实现互用。类似的设备可进行互换而实现互用。(3) (3) 现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性 它它将将传传感感测测量量、补补偿偿计计算算、工工程程量量处处理理与与控控制制等等功功能能分分散散到到现现场场设设备备中中完完成成, ,仅仅靠靠现现场场设设备备即即可可完完成成自自动动控控制制的的基基本本功功能能, ,并并可可随随时时诊诊断断设设备备的的运运行状态。行状态。27(4) (4) 系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性 由由于于现现场场设设备备本本身身已已可可完完成成自自动动控控制制的的基基本本功功能能, ,使使得得现现场场总总线线已已构构成成一一种种新新的的全全分分布布式式控控制制系系统统的的体体系系结结构构。从从根根本本上上改改变变了了现现有有集集中中与与分分散散相相结结合合的的集集散散控控制制系系统统体体系系, ,简简化化了了系系统统结结构构, ,提提高了可靠性。高了可靠性。(5) (5) 对现场环境的适应性对现场环境的适应性 工工作作在在现现场场设设备备前前端端, ,作作为为工工厂厂网网络络底底层层的的现现场场总总线线, ,是是专专为为在在现现场场环环境境工工作作而而设设计计的的, ,它它可可支支持持双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆、光光缆缆、射射频频、红红外外线线、电电力力线线等等, ,具具有有较较强强的的抗抗干干扰扰能能力力, ,能能采采用用两两线线制制实实现现送送电电与与通通信信, ,并可满足本质安全防爆要求等。并可满足本质安全防爆要求等。28现场总线的定义现场总线的定义现场总线是工业控制网络向现场发展的产物，是在市场需求的背景下现场总线是工业控制网络向现场发展的产物，是在市场需求的背景下发展起来的新型技术。具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，发展起来的新型技术。具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。现场总线技术现场总线技术综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，它把专用综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，它把专用微处理器置引入传统的现场仪表，使它们各自都具备数字计算和数字通信微处理器置引入传统的现场仪表，使它们各自都具备数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。根据国际电工委员会根据国际电工委员会IEC1158定义（后改为定义（后改为IEC61158），），现场总线是现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总线。或者说，现场总线是是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构双向传输、多分支结构的网络系统与控制系统的网络系统与控制系统，它，它以单个分散的、数字化、以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能。其中，息，共同完成自动控制功能。其中，“生产过程生产过程”应包括断续生产过程和应包括断续生产过程和连续生产过程两类。现场设备、仪表指位于现场层的传感器、驱动器、执连续生产过程两类。现场设备、仪表指位于现场层的传感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。化网络技术。297.2.37.2.3典型现场总线简介典型现场总线简介 有有较较强强实实力力和和影影响响的的有有: :Foundation Foundation Fieldbus(FF)Fieldbus(FF)、LonWorksLonWorks、ProfibusProfibus、HARTHART、CANCAN、DuplineDupline等。等。 1 1基金会现场总线基金会现场总线 基基金金会会现现场场总总线线, ,即即Foundation Foundation FieldbusFieldbus, ,简简称称FFFF。它它以以ISO/OSIISO/OSI开开放放系系统统互互连连模模型型为为基基础础, ,取取其其物物理理层层、数数据据链链路路层层、应应用用层层为为通通信信模模型型的的相相应应层层次次, ,并在应用层上增加了用户层。并在应用层上增加了用户层。 基基金金会会现现场场总总线线分分低低速速1 1和和高高速速2 2两两种种通通信信速速率率。1 1的的传传输输速速率率为为31.2531.25kbps,kbps,通通信信距距离离可可达达19001900( (可可加加中中继继器器延延长长),),可可支支持持总总线线供供电电, ,支支持持本本质质安安全全防防爆爆环环境境。2 2的的传传输输速速率率为为1 1MbpsMbps和和2525MbpsMbps两两种种, ,其其通信距离为通信距离为750750和和500500。30 物物理理传传输输介介质质可可支支持持双双绞绞线线、光光缆缆和和无无线线发发射射, ,协协议议符符合合1158-21158-2标标准准。其其物物理理媒媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。介的传输信号采用曼彻斯特编码。312 2LonWorksLonWorks LonWorksLonWorks是是又又一一具具有有强强劲劲实实力力的的现现场场总总线线技技术术, ,它它是是由由美美国国EchelonEchelon公公司司推推出出并并由由它它们们与与摩摩托托罗罗拉拉、东东芝芝公公司司共共同同倡倡导导, ,于于19901990年年正正式式公公布布而而形形成成的的。它它采采用用了了ISO/OSIISO/OSI模模型型的的全全部部七七层层通通讯讯协协议议, ,采采用用了了面面向向对对象象的的设设计计方方法法, ,通通过过网网络络变变量量把把网网络络通通信信设设计计简简化化为为参参数数设设置置, ,其其通通讯讯速速率率从从300300bpsbps至至1515MbpsMbps不不等等, ,直直接接通通信信距距离离可可达达到到27002700(78(78kbps,kbps,双双绞绞线线),),支支持持双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆、光光纤纤、射射频频、红红外外线线、电电源源线线等等多多种种通通信信介介质质, ,并并开开发发相相应应的的本本安安防防爆爆产产品品, ,被誉为通用控制网络。被誉为通用控制网络。32 LonWorksLonWorks技技术术所所采采用用的的LonTalkLonTalk协协议议被被封封装装在在称称之之为为NeuronNeuron的的芯芯片片中中并并得得以以实实现现。集集成成芯芯片片中中有有3 3个个8 8位位CPUCPU；一一个个用用于于完完成成开开放放互互连连模模型型中中第第1 12 2层层的的功功能能, ,称称为为媒媒体体访访问问控控制制处处理理器器, ,实实现现介介质质访访问问的的控控制制与与处处理理；第第二二个个用用于于完完成成第第3 36 6层层的的功功能能, ,称称为为网网络络处处理理器器, ,进进行行网网络络变变量量处处理理的的寻寻址址、处处理理、诊诊断断、路路径径选选择择、软软件件计计时时、网网络络管管理理, ,并并负负责责网网络络通通信信控控制制、收收发发数数据据包包等等；第第三三个个是是应应用用处处理理器器, ,执执行行操操作作系系统统服服务务与与用用户户代代码码，芯芯片片中中还还具具有有存存储储信信息息缓缓冲冲区区, ,以以实实现现CPUCPU之之间间的的信信息息传传递递, ,并并作作为为网网络络缓缓冲冲区区和和应应用用缓缓冲冲区区。如如MotorolaMotorola公公司司生生产产的的神神经经元元集集成成芯芯片片MC143120E2MC143120E2就就包包含了含了2 2RAMRAM和和2 2EEPROMEEPROM。33 LonWorksLonWorks被被广广泛泛应应用用在在楼楼宇宇自自动动化化、家家庭庭自自动动化化、保保安安系系统统、办办公公设设备备、运运输输设设备备、工工业业过过程程控控制制等等行行业业。为为了了支支持持LonWorksLonWorks与与其其它它协协议议和和网网络络之之间间的的互互连连与与互互操操作作, ,该该公公司司正正在在开开发发各各种种网网关关, ,以以便便 将将LonWorksLonWorks与与 以以 太太 网网 、 FFFF、 ModebusModebus、DeviceNetDeviceNet、ProfibusProfibus、SerplexSerplex等等互互连连为为系系统统。另另外外, ,在在开开发发智智能能通通信信接接口口、智智能能传传感感器器方方面面 , , LonWorksLonWorks神经元芯片也具有独特的优势。神经元芯片也具有独特的优势。343.3.PorfibusPorfibus PROFIBUSPROFIBUS于于19961996年年批批准准为为欧欧洲洲标标准准，即即DIN DIN 50170 50170 V.2V.2。PROFIBUSPROFIBUS产产品品在在世世界界市市场场上上已已被被普普遍遍接接受受，市市场场份份额额占占全全球球首首位位。目目前前支支持持PROFIBUSPROFIBUS标标准准的的产产品品超超过过15001500多多种种，分分别别来来自自国国际际上上250250多多个个生产厂家。生产厂家。 PROFIBUSPROFIBUS由由 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP、 PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA和和PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS三三个个标标准准组组成成。 DPDP型型用用于于分分散散外外设设间间的的高高速速传传输输, ,适适合合于于加加工工自自动动化化领领域域的的应应用用。FMSFMS为为现现场场信信息息规规范范, ,适适用用于于纺纺织织、楼楼宇宇自自动动化化、可可编编程程控控制制器器、低低压压开开关关等等一一般般自自动动化化。而而PAPA型型则则是是用用于于过过程程自自动动化化的的总总线线类类型型, ,它它遵遵从从1158-21158-2标标准准。有有关关PROFIBUSPROFIBUS的的技技术术要要点点将将本本节节的的第第四四部部分分作作重点介绍。重点介绍。354.4. 是是控控制制网网络络Control Control Area Area NetworkNetwork的的简简称称, ,最最早早由由德德国国BOSCHBOSCH公公司司推推出出, ,用用于于汽汽车车内内部部测测量量与与执执行行部部件件之之间间的的数数据据通通信信。其其总总线线规规范范现现已已被被ISOISO国国际际标标准准组组织织制制订订为为国国际际标标准准, ,得得到到了了MotorolaMotorola、IntelIntel、PhilipsPhilips、SiemenceSiemence、NECNEC等等公公司司的的支支持持, ,已已广泛应用在离散控制领域。广泛应用在离散控制领域。 协协议议也也是是建建立立在在国国际际标标准准组组织织的的开开放放系系统统互互连连模模型型基基础础上上的的, ,但但其其模模型型结结构构只只有有3 3层层, ,即即只只取取OSIOSI底底层层的的物物理理层层、数数据据链链路路层层和和顶顶上上层层的的应应用用层层。其其信信号号传传输输介介质质为为双双绞绞线线, ,通通信信速速率率最最高高可可达达1 1Mbps/40Mbps/40, ,直直接接传传输输距距离离最最远远可可达达1010km/1kbpskm/1kbps, ,可可挂接设备最多可达挂接设备最多可达110110个。个。36 的的信信号号传传输输采采用用短短帧帧结结构构, ,每每一一帧帧的的有有效效的的信信号号传传输输采采用用短短帧帧结结构构, ,每每一一帧帧的的有有效效字字节节数数为为8 8个个, ,因因而而传传输输时时间间短短, ,受受干干扰扰的的概概率率低低。当当节节点点严严重重错错误误时时, ,具具有有自自动动关关闭闭的的功功能能以以切切断断该该节节点点与与总总线线的的联联系系, ,使使总总线线上上的的其其它它节节点点及及其其通通信信不不受受影影响响, ,具有较强的抗干扰能力。具有较强的抗干扰能力。 支支持持多多主主工工作作方方式式, ,网网络络上上任任何何节节点点均均可可在在任任意意时时刻刻主主动动向向其其它它节节点点发发送送信信息息, ,支支持持点点对对点点、一一点点对对多多点点和和全全局局广广播播方方式式接接收收/ /发发送送数数据据。它它采采用用总总线线仲仲裁裁技技术术, ,当当出出现现几几个个节节点点同同时时在在网网络络上上传传输输信信息息时时, ,优优先先级级高高的的节节点点可可继继续续传传输输数数据据, ,而而优优先先级级低低的节点则主动停止发送的节点则主动停止发送, ,从而避免了总线冲突。从而避免了总线冲突。375 5 是是 HighwayAddressable HighwayAddressable Remote Remote TransducerTransducer的的缩缩写写。最最早早由由RosemountRosemount公公司司开开发发并并得得到到8080多多家家著著名名仪仪表表公公司司的的支支持持, ,于于19931993年年成成立立了了通通信信基基金金会会。这这种种被被称称为为可可寻寻址址远远程程传传感感高高速速通通道道的的开开放放通通信信协协议议, ,其其特特点点是是现现有有模模拟拟信信号号传传输输线线上上实实现现数数字字通通信信, ,属属于于模模拟拟系系统统向向数数字字系系统统转转变变过过程程中中工工业业过过程程控控制制的的过过渡渡性性产产品品, ,因因而而在在当当前前的的过过渡渡时时期期具具有有较较强强的的市市场场竞竞争争能能力力, ,得得到到了了较较好的发展。好的发展。38 通通信信模模型型由由3 3层层组组成成: :物物理理层层、数数据据链链路路层层和和应应用用层层。物物理理层层采采用用FSKFSK( (Frequency Frequency Shift Shift Keying)Keying)技技术术在在4 42020模模拟拟信信号号上上迭迭加加一一个个频频率率信信号号, ,频频率率信信号号采采用用2 2 0 0 2 2国国际际标标准准；数数据据传传 输输 速速 率率 为为 12001200bps,bps,逻逻 辑辑 “0”“0”的的 信信 号号 频频 率率 为为22002200Hz,Hz,逻辑逻辑“1”“1”的信号传输频率为的信号传输频率为12001200HzHz。39 信信息息格格式式。其其信信息息构构成成包包括括开开头头码码、显显示示终终端端与与现现场场设设备备地地址址、字字节节数数、现现场场设设备备状状态态与与通通信信状状态态、数数据据、奇奇偶偶校校验验等等。其其数数据据字字节节结结构构为为1 1个个起起始始位位,8,8个个数数据据位位,1,1个个奇奇偶偶校校验验位位,1,1个个终终止止位位。应应用用层层的的作作用用在在于于使使指指令令付付诸诸实实现现, ,即即把把通通信信状状态态转转换换成成相相应应的的信信息息。它它规规定定了了一一系系列列命命令令，按按命命令令方方式式工工作作。它它有有3 3类类命命令令, ,第第一一类类称称为为通通用用命命令令, ,这这是是所所有有设设备备理理解解、执执行行的的命命令令；第第二二类类称称为为一一般般行行为为命命令令, ,它它所所提提供供的的功功能能可可以以在在许许多多现现场场设设备备 ( (尽尽管管不不是是全全部部 ) )中中实实现现, ,这这类类命命令令包包括括最最常常用用的的现现场场设设备备的的功功能能库库；第第三三类类称称为为特特殊殊设设备备命命令令, ,以以便便在在某某些些设设备备中中实实现现特特殊殊功功能能, ,这这类类命命令令既既可可以以在在基基金金会会中中开开放放使使用用, ,又又可可以以为为开开发发此此命命令令的的公公司所独有。司所独有。40在在 一一个个现现场场设设备备中中通通常常可可同同时时存存在在这这3 3类类命命令令。支支持持点点对对点点主主从从应应答答方方式式和和多多点点广广播播方方式式。按按应应答答方方式式工工作作时时的的数数据据更更新新速速率率为为2 23 3次次/ /, ,按按广广播播方方式式工工作作时时的的数数据据更更新新速速率率为为3 34 4次次/ /, ,它它还还可可支支持持两两个个通通信信主主设设备备。总总线线上上可可挂挂设设备备数数多多达达1515个个, ,每每个个现现场场设设备备可可有有256256个个变变量量, ,每每个个信信息息最最大大可可包包含含4 4个个变变量量。最最大大传传输输距距离离30003000, ,采采用用统统一一的的设设备备描描述述语语言言。现现场场设设备备开开发发商商采采用用这这种种标标准准语语言言来来描描述述设设备备特特性性, ,由由基基金金会会负负责责登登记记管管理理这这些些设设备备描描述述并并把把它它们们编编入入设设备备描描述述字字典典, ,主主设设备备运运用用技技术术来来理理解解这这些些设设备备的的特特性性参参数数而而不不必必为为这这些些设设备备开开发发专专用用接接口口。但但由由于于这这种种模模拟拟数数字字混混合合信信号号制制, ,导导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。417.2.4.1PROFIBUS概貌概貌(1) (1) PROFIBUSPROFIBUS是是一一种种国国际际化化、开开放放式式、不不依依赖赖于于设设备备生生产产商商的的现现场场总总线线标标准准。广广泛泛适适用用于于制制造造业业自自动动化化、流流程程工工业业自自动动化化和和楼楼宇宇、交交通通、电电力力等等其其他他领领域域自自动化。动化。(2)PROFIBUS(2)PROFIBUS由由 三三 个个 兼兼 容容 部部 分分 组组 成成 ， 即即 PROFIBUS-PROFIBUS-DPDP（ Decentralized Decentralized PeripheryPeriphery） 、 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA (Process (Process Automation)Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)Message Specification)。(3) (3) PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP：是是一一种种高高速速低低成成本本通通信信，用用于于设设备备级级控控制制系系统统与与分分散散式式I/OI/O的的通通信信。使使用用PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP可取代可取代2424VDCVDC或或4 42020mAmA信号传输。信号传输。7.2.4 7.2.4 现场总线现场总线PROFIBUSPROFIBUS技术要点技术要点42(4) (4) PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA：专专为为过过程程自自动动化化设设计计，可可使使传传感感器器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。(5) (5) PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS：用用于于车车间间级级监监控控网网络络，是是一一个个令令牌结构、实时多主网络。牌结构、实时多主网络。(6)PROFIBUS是是一一种种用用于于工工厂厂自自动动化化车车间间级级监监控控和和现现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。场设备层数据通信与控制的现场总线技术。431 1PROFIBUSPROFIBUS协议结构协议结构7.2.4.2 7.2.4.2 PRFIBUSPRFIBUS基本特性基本特性图图7.3PROFIBUS协议结构协议结构 44(1)(1)PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口定义了第一、二层和用户接口。(2)(2)PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（现场总线信息规范（FieldbusFieldbus Message Message Specification-FMSSpecification-FMS）和低层接口（和低层接口（Lower Layer Lower Layer InterfaceLLIInterfaceLLI） (3)(3)PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA：PAPA的数据传输采用扩展的的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP协议协议 452.2.PROFIBUSPROFIBUS传输技术传输技术PROFIBUSPROFIBUS提供了三种数据传输类型：提供了三种数据传输类型：l用于用于DPDP和和FMSFMS的的RS485RS485传输传输l用于用于PAPA的的IEC1158-2IEC1158-2传输传输l光纤光纤46(1) (1) 用于用于DP/FMSDP/FMS的的RS485RS485传输技术传输技术 由于由于DPDP与与FMSFMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。 RS-485 RS-485传输是传输是PROFIBUSPROFIBUS最常用的一种传输技术。这种技最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为术通常称之为H2H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 RS-485 RS-485传输技术基本特征：传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：传输速率：9.69.6K bit/s12M bit/sK bit/s12M bit/s 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（件（EMCEMC）。）。 站点数：每分段站点数：每分段3232个站（不带中继），最多可达到个站（不带中继），最多可达到127127个站（带中继）。个站（带中继）。 插头连接：最好使用插头连接：最好使用9 9针针D D型插头。型插头。47(2) (2) 用于用于PAPA的的IEC1158-2IEC1158-2传输技术传输技术 IEC1158-2IEC1158-2传输技术主要用于传输技术主要用于PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA，能满足化工和石油能满足化工和石油化工的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线供电。化工的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线供电。 IEC1158-2IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为是一种位同步协议，通常称为H1H1。 IEC1158-2 IEC1158-2技术用于技术用于PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA，其传输依据下列原理：其传输依据下列原理： 每段只有一个电源作为供电装置。每段只有一个电源作为供电装置。 当站收发信息时，不向总线供电。当站收发信息时，不向总线供电。 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。 主总线两端起无源终端线作用。主总线两端起无源终端线作用。 允许使用线性、树型和星型网络。允许使用线性、树型和星型网络。 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。 为了调制的目的，设定每个总线站至少需用为了调制的目的，设定每个总线站至少需用1010mAmA基本电流才能基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从99mAmA到基本电流之间。到基本电流之间。48 IEC1158-2IEC1158-2传输技术特性传输技术特性: : 数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。 传输速率：传输速率：31.2531.25K bit/sK bit/s，电压式。电压式。 数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。避免误差。 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 远程电源供电：可选附件，通过数据线。远程电源供电：可选附件，通过数据线。 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 拓扑：线型或树型，或两者相结合。拓扑：线型或树型，或两者相结合。 站数：每段最多站数：每段最多3232个，总数最多为个，总数最多为126126个。个。 中继器：最多可扩展至中继器：最多可扩展至4台。台。49(3) (3) 光纤传输技术光纤传输技术 PROFIBUSPROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。使用光纤导体，以增加高速传输的距离。 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于体，供距离小于5050米情况下使用。另一种是玻璃纤米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于维导体，供距离大于1 1公里情况下使用。公里情况下使用。 许多厂商提供专用总线插头可将许多厂商提供专用总线插头可将RS-485RS-485信号转换成信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485RS-485信号。信号。50(1)(1)三三种种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均均使使用用一一致致的的总总线线存存取取协协议议,该该协协议议是是通通过过OSIOSI参参考考模模型型第第二二层层（数据链路层）来实现的。（数据链路层）来实现的。(2)(2)在在PROFIBUS中中，第第二二层层称称之之为为现现场场总总线线数数据据链链路路层（层（FieldbusDataLinkFDL）(3)PROFIBUS协协议议的的设设计计满满足足介介质质存存取取控控制制的的两两个个基基本要求本要求(4)(4)令令牌牌传传递递程程序序保保证证每每个个主主站站在在一一个个确确切切规规定定的的时时间间内得到总线存取权（令牌）内得到总线存取权（令牌）(5)(5)主站得到总线存取令牌时可与从站通信主站得到总线存取令牌时可与从站通信(6)(6)( (图图7.47.4是一个由是一个由3 3个主站、个主站、7 7个从站构成的个从站构成的PROFIBUSPROFIBUS系统。系统。3 PROFIBUS3 PROFIBUS总线存取协议总线存取协议 51图图7.4 37.4 3个主站、个主站、7 7个从站构成的个从站构成的PROFIBUSPROFIBUS系统系统52(7) (7) 在总线系统初建时，主站介质存取控制在总线系统初建时，主站介质存取控制MACMAC的任务的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。电的主站必须加入逻辑环。(8) (8) 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUSPROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。完整性。(9) (9) PROFIBUSPROFIBUS第二层按照非连接的模式操作，除提供第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及有选择广播功能。括广播及有选择广播功能。537.2.4.3 PROFIBUS-DP7.2.4.3 PROFIBUS-DP7.2.4.3 PROFIBUS-DP7.2.4.3 PROFIBUS-DP 1.1.PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的基本功能的基本功能(1) (1) 传输技术传输技术：RS-485RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波双绞线、双线电缆或光缆。波特率从特率从9.69.6Kbit/sKbit/s到到1212Mbit/sMbit/s。(2) (2) 总线存取总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为：各主站间令牌传递，主站与从站间为主主从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主点（主从设备）数为从设备）数为126126。(3) (3) 通信通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主令）。循环主从用户数据传送和非循环主从用户数据传送和非循环主主数主数据传送。据传送。(4) (4) 运行模式运行模式：运行、清除、停止。：运行、清除、停止。(5) (5) 同步同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。输出同步；锁定模式：输入同步。54(6) (6) 功能功能：DPDP主站和主站和DPDP从站间的循环用户数据传送。从站间的循环用户数据传送。各各DPDP从站的动态激活、从站的动态激活、DPDP从站组态的检查、三级诊从站组态的检查、三级诊断信息的强大诊断功能、输入或输出的同步、通过断信息的强大诊断功能、输入或输出的同步、通过总线给总线给DPDP从站赋予地址、通过总线对从站赋予地址、通过总线对DPDP主站主站（DPM1DPM1）进行配置。每个进行配置。每个DPDP从站的输入和输出数据从站的输入和输出数据最大为最大为246246字节。字节。(7) (7) 可靠性和保护机制可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离：所有信息的传输按海明距离HD=4HD=4进行。进行。DPDP从站带看门狗定时器（从站带看门狗定时器（Watchdog Watchdog TimerTimer）, ,对对DPDP从站的输入从站的输入/ /输出进行存取保护。输出进行存取保护。DPDP主主站上带可变定时器的用户数据传送监视。站上带可变定时器的用户数据传送监视。(8) (8) 设备类型设备类型：第二类：第二类DPDP主站（主站（DPM2DPM2）是可进行编程、是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类组态、诊断的设备。第一类DPDP主站（主站（DPM1DPM1）是中央是中央可编程序控制器，如可编程序控制器，如PLCPLC、PCPC等。等。DPDP从站可是带二进从站可是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。552.2.PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP基本特征基本特征(1) (1) 速率速率：在一个有着：在一个有着3232个站点的分布系统中，个站点的分布系统中，PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP对所有站点传送对所有站点传送512 512 bit/sbit/s输入和输入和512 512 bit/sbit/s输出。输出。(2) (2) 诊断功能诊断功能：经过扩展的：经过扩展的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP诊断能对故障诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：集。诊断信息分三级： 本站诊断操作本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度：本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低。过高、压力过低。 模块诊断操作模块诊断操作：一个站点的某一具体：一个站点的某一具体I/OI/O模块故障。模块故障。 通道诊断操作通道诊断操作：一个单独输入：一个单独输入/ /输出位的故障。输出位的故障。 563.3.PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP系统配置和设备类型系统配置和设备类型 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接总线上最多可连接126126个站点。系统配置的描述包括：个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入站数、站地址、输入/ /输出地址、输入输出地址、输入/ /输出数据格式、输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：系统可包括以下三种不同类型设备：(1)(1) 一级一级DPDP主站主站（DPM1DPM1）：）：一级一级DPDP主站是中央控制器，它主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如在预定的信息周期内与分散的站（如DPDP从站）交换信息。从站）交换信息。典型的典型的DPM1DPM1如如PLCPLC或或PCPC。(2) (2) 二级二级DPDP主站主站（DPM2DPM2）：）：二级二级DPDP主站是编程器、组态设主站是编程器、组态设备或操作面板，在备或操作面板，在DPDP系统组态操作时使用，完成系统操系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。作和监视目的。(3) (3) DPDP从站从站：DPDP从站是进行输入和输出信息采集和发送的从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（如外围设备（如I/OI/O设备、驱动器、设备、驱动器、HMIHMI、阀门等）。阀门等）。(4)(4) 单主站系统单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如图主站。如图7.57.5所示。所示。 57(5) (5) 多主站系统多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个一个DPM1、指定的若干从站及可能的指定的若干从站及可能的DPM2设备。设备。任何一个主站均可读取任何一个主站均可读取DP从站的输入从站的输入/输出映象，但输出映象，但只有一个只有一个DP主站允许对主站允许对DP从站写入数据。如图从站写入数据。如图7.6所所示。示。584.4.系统行为系统行为 系统行为主要取决于系统行为主要取决于DPM1DPM1的操作状态，这些状态由的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态：本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态： 停止停止：在这种状态下，：在这种状态下，DPM1DPM1和和DPDP从站之间没有数据传从站之间没有数据传输。输。 清除清除：在这种状态下，：在这种状态下，DPM1DPM1读取读取DPDP从站的输入信息并从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。使输出信息保持在故障安全状态。 运行运行：在这种状态下，：在这种状态下，DPM1DPM1处于数据传输阶段，循环处于数据传输阶段，循环数据通信时，数据通信时，DPM1DPM1从从DPDP从站读取输入信息并向从站写入从站读取输入信息并向从站写入输出信息。输出信息。(1) (1) DPM1DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DPDP从站。如图从站。如图7.77.7所示。所示。(2) (2) 如果在如果在DPM1DPM1的数据传输阶段中发生错误，的数据传输阶段中发生错误，DPM1DPM1将所有将所有有关的有关的DPDP从站的输出数据立即转入清除状态，而从站的输出数据立即转入清除状态，而DPDP从站从站将不再发送用户数据。然后，将不再发送用户数据。然后，DPM1DPM1转入清除状态。转入清除状态。59图图7.7 7.7 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP用户数据传输用户数据传输 605.5.DPM1DPM1和和DPDP从站间的循环数据传输从站间的循环数据传输 DPM1DPM1和相关和相关DPDP从站之间的用户数据传输是由从站之间的用户数据传输是由DPM1DPM1按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对进行组态时，用户对DPDP从站与从站与DPM1DPM1的关系作出规定，的关系作出规定，确定哪些确定哪些DPDP从站被纳入信息交换的循环周期，哪些从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。被排斥在外。 DPM1 DPM1和和DPDP从站间的数据传送分三个阶段：参数从站间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个从设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从站将自己的实际组态数据与从DPM1DPM1接受到的组态数接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，匹配时，DPDP从站才进入用户数据传输阶段。因此，从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长度以及输入输出数量必须设备类型、数据格式、长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。与实际组态一致。 616. 6. DPM1DPM1和系统组态设备间的循环数据传输和系统组态设备间的循环数据传输 除主除主从功能外，从功能外，PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP允许主允许主主之间主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。对系统进行组态。7. 7. 同步和锁定模式同步和锁定模式 除除DPM1DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外，设备自动执行的用户数据循环传输外，DPDP主站设备也可向单独的主站设备也可向单独的DPDP从站、一组从站或全体从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送。使用这一功能将打开播命令发送。使用这一功能将打开DPDP从站的同步及从站的同步及锁定模式，用于锁定模式，用于DPDP从站的事件控制同步。从站的事件控制同步。 62 主站发送同步命令后主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。同步模式。 锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。以通过非锁定命令退出锁定模式。638. 8. 保护机制保护机制 对对DPDP主站主站DPM1DPM1使用数据控制定时器对从站的数使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能到这个信息。如果错误自动反应功能“使能使能”，DPM1DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。于故障安全状态，并进入清除状态。 对对DPDP从站使用看门狗控制器检测主站和传输线从站使用看门狗控制器检测主站和传输线路故障。如果在一定的时间间隔内发现没有主机的路故障。如果在一定的时间间隔内发现没有主机的数据通信，从站自动将输出进入故障安全状态数据通信，从站自动将输出进入故障安全状态。649. 9. 扩展扩展DPDP功能功能 DPDP扩展功能是对扩展功能是对DPDP基本功能的补充，与基本功能的补充，与DPDP基本基本功能兼容。功能兼容。DPM1DPM1与与DPDP从站间的扩展数据通信包括从站间的扩展数据通信包括(1) (1) DPM1DPM1与与DPDP从站间非循环的数据传输。从站间非循环的数据传输。(2) (2) 带带DDLMDDLM读和读和DDLMDDLM写的非循环读写的非循环读/ /写功能，可读写从写功能，可读写从站任何希望数据。站任何希望数据。(3) (3) 报警响应，报警响应，DPDP基本功能允许基本功能允许DPDP从站用诊断信息向从站用诊断信息向主站自发地传输事件，而新增的主站自发地传输事件，而新增的DDLM-ALAM-ACKDDLM-ALAM-ACK功能功能被用来直接响应从被用来直接响应从DPDP从站上接收的报警数据。从站上接收的报警数据。(4) (4) DPM2DPM2与从站间的非循环的数据传输。与从站间的非循环的数据传输。6510. 10. 电子设备数据文件（电子设备数据文件（GSDGSD） 为了将不同厂家生产的为了将不同厂家生产的PROFIBUSPROFIBUS产品集成在一产品集成在一起，生产厂家必须以起，生产厂家必须以GSDGSD文件（电子设备数据库文件）文件（电子设备数据库文件）方式提供这些产品的功能参数（如方式提供这些产品的功能参数（如I/OI/O点数、诊断信点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的息、波特率、时间监视等）。标准的GSDGSD数据将通信数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据扩大到操作员控制级。使用根据GSDGSD文件所作的组态文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。如图中。如图7.87.8所示。所示。 66GSDGSD文件可分为三个部分：文件可分为三个部分：(1) (1) 总规范总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号。号。(2) (2) 与与DPDP有关的规范有关的规范：包括适用于主站的各项参数，：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上载如允许从站个数、上载/ /下载能力。下载能力。(3) (3) 与与DPDP从站有关的规范从站有关的规范：包括了与从站有关的一切：包括了与从站有关的一切规范，如输入规范，如输入/ /输出通道数、类型、诊断数据等。输出通道数、类型、诊断数据等。6711.11.PROFIBUSDPPROFIBUSDP行规行规 PROFIBUSDPPROFIBUSDP协议明确规定了用户数据怎样在协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUSPROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了定了PROFIBUSDPPROFIBUSDP如何用于应用领域。使用行规可如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异，因为与应用有关作人员毋须关心两者之间的差异，因为与应用有关的参数含义在行规中均作了精确的规定说明。的参数含义在行规中均作了精确的规定说明。 下面是下面是PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP行规，括弧中数字是文件编号：行规，括弧中数字是文件编号： NC/RCNC/RC行规（行规（3.0523.052）。）。 编码器行规（编码器行规（3.0623.062）。）。 变速传动行规（变速传动行规（3.0713.071）。）。 操作员控制和过程监视行规（操作员控制和过程监视行规（HMIHMI）。）。687.2.4.4 PROFIBUS-PA7.2.4.4 PROFIBUS-PA7.2.4.4 PROFIBUS-PA7.2.4.4 PROFIBUS-PA PROFIBUSPA具有如下特性：具有如下特性：(1) (1) 适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备具有互换性。现场设备具有互换性。(2) (2) 增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其它站。会影响到其它站。(3) (3) 在过程自动化的在过程自动化的PROFIBUSPAPROFIBUSPA段与制造业自动化段与制造业自动化的的PROFIBUSDPPROFIBUSDP总线段之间通过藕合器连接，并可总线段之间通过藕合器连接，并可实现两段间的透明通信。实现两段间的透明通信。(4) (4) 使用与使用与IEC11582IEC11582技术相同的双绞线完成远程供技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。电和数据传送。(5) (5) 在潜在的爆炸危险区可使用防爆型在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全本征安全”或或“非本征安全非本征安全”。 691 1. .PROFIBUSPAPROFIBUSPA传输协议传输协议 PROFIBUSPAPROFIBUSPA采采用用PROFIBUSDPPROFIBUSDP的的基基本本功功能能来来传传送送测测量量值值和和状状态态。并并用用扩扩展展的的PROFIBUSDPPROFIBUSDP功功能能来来 制制 订订 现现 场场 设设 备备 的的 参参 数数 和和 进进 行行 设设 备备 操操 作作 。PROFIBUSPAPROFIBUSPA第第一一层层采采用用IEC11582IEC11582技技术术，第第二二层层和和第第一一层层之之间间的的接接口口在在DIN19245DIN19245系系列列标标准准的的第第四四部部分作出了规定。分作出了规定。2.2.PROFIBUSPAPROFIBUSPA设备行规设备行规 PROFIBUSPAPROFIBUSPA行行规规保保证证了了不不同同厂厂商商所所生生产产的的现现场场设设备备的的互互换换性性和和互互操操作作性性，它它是是PROFIBUSPAPROFIBUSPA的的一一个个组组成成部部分分. . PAPA行行规规的的任任务务是是选选用用各各种种类类型型现现场场设设备备真真正正需需要要通通信信的的功功能能，并并提提供供这这些些设设备备功功能能和和设备行为的一切必要规格。设备行为的一切必要规格。701.1.PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS应用层应用层2.2.PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS通信模型通信模型 3.3.通信对象与通信字典（通信对象与通信字典（ODOD） 4.4.PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS服务服务 5.5.低层接口（低层接口（LLILLI） 6.6.网络管理网络管理 7.7.PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS行规行规 7.2.4.5 PROFIBUS-FMS 7.2.4.5 PROFIBUS-FMS 71 7 73 3 用于测量与控制系统的用于测量与控制系统的EPAEPA系统结构与通信标准系统结构与通信标准731背景与动机背景与动机 EPAEPA是是Ethernet for Plant AutomationEthernet for Plant Automation的简称，的简称，用于用于测量与控制系统的测量与控制系统的EPAEPA系统结构与通信标准系统结构与通信标准（以下简称（以下简称EPAEPA标准）是中国科技部十五标准）是中国科技部十五“863”“863”设立的设立的“基于高基于高速以太网技术的现场总线控制设备速以太网技术的现场总线控制设备”、 “ “现场级无线以太现场级无线以太网协议研究及设备开发网协议研究及设备开发”、 “ “基于基于蓝牙蓝牙技术的工业现技术的工业现场设备、监控网络及其关键技术研究场设备、监控网络及其关键技术研究”等三个课题研究成等三个课题研究成果的基础上，而制定的中国国家标准。果的基础上，而制定的中国国家标准。 在工厂综合自动化系统的层次化结构网络，以以太网为在工厂综合自动化系统的层次化结构网络，以以太网为代表的代表的COTSCOTS（Commercial Off-The-ShelfCommercial Off-The-Shelf）技术由于具有技术由于具有应用广泛、通信速率高、价格低廉、软硬件资源丰富、拥应用广泛、通信速率高、价格低廉、软硬件资源丰富、拥有全球的技术支持等特点，在工厂综合自动化系统中得到有全球的技术支持等特点，在工厂综合自动化系统中得到了成功普及应用（如了成功普及应用（如DCSDCS、PLCPLC、远程数据采集器等），并远程数据采集器等），并有可能直接向下延伸应用于现场设备间的连接。有可能直接向下延伸应用于现场设备间的连接。72 EPAEPA标准起草的目的，就是针对当前多种现场总线标准起草的目的，就是针对当前多种现场总线并存、无法统一的局面，根据工业过程控制系统中对确定并存、无法统一的局面，根据工业过程控制系统中对确定性与实时性通信、可靠性、可用性等要求，结合交换技术、性与实时性通信、可靠性、可用性等要求，结合交换技术、全双工通信、优先级等工业以太网最新技术，通过对基于全双工通信、优先级等工业以太网最新技术，通过对基于EPAEPA的分布式网络控制系统的体系结构、确定性通信调度的分布式网络控制系统的体系结构、确定性通信调度机制、网络通信模型等方面内容的规定，为建立基于以太机制、网络通信模型等方面内容的规定，为建立基于以太网与无线技术（如无线局域网、蓝牙等）等广泛应用于信网与无线技术（如无线局域网、蓝牙等）等广泛应用于信息网络的息网络的COTSCOTS（Commercial-Off-The ShelfCommercial-Off-The Shelf）通信技术在通信技术在工业自动化控制系统中应用提供指导。工业自动化控制系统中应用提供指导。 本标准分为两部分，其中第一部分包括本标准分为两部分，其中第一部分包括EPAEPA分段化系统分段化系统结构、基于以太网的确定性通信调度、总线供电、网络安结构、基于以太网的确定性通信调度、总线供电、网络安全、全、EPAEPA实时应用层规范、基于实时应用层规范、基于XMLXML的设备描述等部分的规的设备描述等部分的规范，包括系统结构、应用层规范、管理功能块规范、基于范，包括系统结构、应用层规范、管理功能块规范、基于XMLXML的设备描述规范、网络安全规范等。第二部分包括用的设备描述规范、网络安全规范等。第二部分包括用户层规范、户层规范、EPAEPA测试与认证、测试与认证、EPAEPA冗余、信息技术在冗余、信息技术在EPAEPA中中的应用等内容。本节将就标准的第一部分进行简单介绍。的应用等内容。本节将就标准的第一部分进行简单介绍。73信息管理层信息管理层远程节点远程节点Web服务器服务器工程师站工程师站操作站操作站过程监控层过程监控层现场设备层现场设备层现场设备现场设备图图7.9工业企业综合自动化网络结构示意图工业企业综合自动化网络结构示意图747 73 33 3 EPAEPA系统模型系统模型7 73 32 2 范围范围 本标准规定了基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息本标准规定了基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术（统称为网络通信技术（统称为EPAEPA网络）的工业自动化控制系网络）的工业自动化控制系统与仪器仪表间通信的标准（也称通信栈协议），包统与仪器仪表间通信的标准（也称通信栈协议），包括相互之间的通信操作、为用户应用程序提供的服务括相互之间的通信操作、为用户应用程序提供的服务接口以及相关管理方面的规范。接口以及相关管理方面的规范。本标准同时也规定了基于以太网、无线局域网、蓝牙本标准同时也规定了基于以太网、无线局域网、蓝牙等网络媒体与配置的要求，以保证以太网、无线局域等网络媒体与配置的要求，以保证以太网、无线局域网、蓝牙等网络通信技术应用于复杂工业现场的环境网、蓝牙等网络通信技术应用于复杂工业现场的环境适应性要求，包括机械环境适应性、气候环境适应性、适应性要求，包括机械环境适应性、气候环境适应性、电磁环境适应性或电磁兼容性电磁环境适应性或电磁兼容性EMCEMC以及可靠性等要求。以及可靠性等要求。本标准适用于工业过程测量与控制领域，但目前还没本标准适用于工业过程测量与控制领域，但目前还没有考虑具有本质安全的应用场合。有考虑具有本质安全的应用场合。757.3.3 EPA系统模型系统模型EPA通信实体通信实体功能模块功能模块图图7.10EPA系统模型系统模型基于基于XML的的设备描述设备描述EPA通信媒体通信媒体EPA设备设备1EPA通信实体通信实体功能模块功能模块基于基于XML的的设备描述设备描述EPA设备设备nEPA通信实体通信实体功能模块功能模块基于基于XML的的设备描述设备描述EPA设备设备2分布式控制系统分布式控制系统767.3.4 EPA系统结构系统结构 基于基于EPAEPA的控制系统（或的控制系统（或EPAEPA系统）是一种分布系统）是一种分布式现场网络控制系统，以式现场网络控制系统，以EPAEPA通信网络为基础，并结通信网络为基础，并结合工业自动化生产现场物理环境，将若干个分散在合工业自动化生产现场物理环境，将若干个分散在现场的设备、小系统以及控制现场的设备、小系统以及控制/ /监视设备连接起来，监视设备连接起来，所有所有设备一起运作，设备一起运作，共同完成工业生产过程和操作共同完成工业生产过程和操作中的中的I/OI/O数据采集和自动化控制。数据采集和自动化控制。 EPA EPA系统结构提供了一个系统框架，用来描述由系统结构提供了一个系统框架，用来描述由基于以太网、无线局域网、蓝牙等网络连接在一起基于以太网、无线局域网、蓝牙等网络连接在一起的物理设备。在的物理设备。在EPAEPA系统中，有三种子网：即基于以系统中，有三种子网：即基于以太网（太网（IEEE 802.3IEEE 802.3）、）、无线局域网（无线局域网（IEEE 802.11IEEE 802.11）和蓝牙（和蓝牙（IEEE 802.15IEEE 802.15）的子网。的子网。 77 EPAEPA系系统统中中的的网网段段可可以以是是相相同同类类型型的的子子网网，或或者者是是两两种种或或三三种种的的结结合合，EPAEPA支支持持下下以以下下拓拓扑扑结结构构（如如图图7.117.11所示）：所示）：1 1）一一个个或或多多个个基基于于以以太太网网的的EPAEPA子子网网，兼兼容容IEEE IEEE 802.3802.3协议；协议；2 2）一一个个或或多多个个基基于于无无线线局局域域网网的的EPAEPA子子网网，兼兼容容IEEE 802.11IEEE 802.11协议；协议；3 3）一一个个或或多多个个基基于于蓝蓝牙牙技技术术的的EPAEPA子子网网，兼兼容容IEEE IEEE 802.15802.15协议；协议；4 4）基基于于以以太太网网和和无无线线局局域域网网的的以以上上两两种种或或三三种种子子网组成的混合网段。网组成的混合网段。 每个物理设备通过提供一个或多个应用进程，来每个物理设备通过提供一个或多个应用进程，来执行整个系统的一部分工作，应用进程之间的通信通执行整个系统的一部分工作，应用进程之间的通信通过过EPAEPA通信实体实现。通信实体实现。 787.3.5 网络拓扑结构网络拓扑结构有有线线子子网网无无线线子子网网过程监控层过程监控层L2现场现场设备设备层层L1图图7.11 7.11 EPAEPA系统网络拓扑结构系统网络拓扑结构79 按按类类型型分分，一一个个EPAEPA系系统统中中有有EPAEPA主主设设备备、EPAEPA现现场场设设备、备、EPAEPA网桥、网桥、EPAEPA代理以及代理以及EPAEPA网关。网关。1 1EPAEPA主主设备（HOST DEVICEHOST DEVICE） EPAEPA主主设设备备是是EPA EPA 过过程程监监控控层层L2L2网网段段上上的的设设备备，一一般般是是指指EPAEPA系系统统中中的的组组态态、监监控控设设备备，它它一一般般不不要要求求具具有有控制应用功能块或功能块应用进程。控制应用功能块或功能块应用进程。 EPA EPA主设备的主设备的IPIP地址必须在系统中唯一。地址必须在系统中唯一。2 2EPAEPA现场设备（FIELD DEVICEFIELD DEVICE） EPAEPA现现场场设设备备是是指指处处于于工工业业应应用用现现场场的的设设备备。EPAEPA现现场场设设备备必必需需具具有有EPAEPA通通信信实实体体，并并包包含含功功能能块块、功功能能块块应应用用进进程程，并并通通过过TCP/UDPTCP/UDP用用EPAEPA服服务务来来访访问问功功能能块块应应用进程。用进程。 EPA EPA现场设备的现场设备的IPIP地址必须在系统中唯一。地址必须在系统中唯一。7 73 36 6 EPAEPA设备设备803 3EPAEPA网网桥（EPA BRIDGEEPA BRIDGE） EPAEPA网网桥桥作作为为可可选选设设备备，本本质质是是上上一一个个网网桥桥设设备备，用用于于连连接接两两个个网网段段，即即EPAEPA过过程程监监控控层层L2L2网网段段和和现现场场设设备备层层L1L1网网段段。因因此此，一一般般它它有有两两个个EPAEPA接接口口，视视不不同同应应用用，其其中中的的任任一一个个接接口口都都可可以以是是以以太太网网、无无线线局局域域网网、蓝蓝牙牙或或其其他他网网络络接接口口。但但在在具具有有冗冗余余要要求求的的场场合合，可可视视情情况况，其其中中任任一一个个接接口口都都可可以以冗冗余余配配置，甚至是对置，甚至是对EPAEPA网桥设备进行冗余配置。网桥设备进行冗余配置。 EPAEPA网网桥桥是是可可以以组组态态的的设设备备，通通过过组组态态，EPAEPA网网桥桥对对从从任任一一个个接接口口的的接接收收到到的的EPAEPA报报文文进进行行IPIP地地址址、端端口口号号、EPAEPA服服务务标标识识进进行行过过滤滤处处理理，只只有有在在接接收收到到的的报报文文满满足足特特殊殊要要求求时时，才才予予以以转转发发。对对于于不不满满足足要要求求的的报报文文，要要么么在在本本地地进进行行处处理理，要要么么直直接接予予以以丢丢弃，不予转发。弃，不予转发。814 4EPAEPA代理（代理（EPA AGENTEPA AGENT） EPAEPA代代理理是是一一个个可可选选设设备备，它它可可采采用用一一般般信信息息网网络络技技术术（如如COMCOM组组件件）与与其其他他网网络络进进行行信信息的共享和交换，以及对远程访问的安全管理。息的共享和交换，以及对远程访问的安全管理。5 5EPAEPA网关（网关（EPA GATEWAYEPA GATEWAY） EPA EPA网关是用于其他非网关是用于其他非EPAEPA设备连接到设备连接到EPAEPA网络上的设备，以实现其他网络和现场总线网络上的设备，以实现其他网络和现场总线（如（如FFFF、PROFIBUSPROFIBUS等）与等）与EPAEPA网络之间的互联。网络之间的互联。该设备的详细技术要求不在本标准考虑之列。该设备的详细技术要求不在本标准考虑之列。821. 1. EPAEPA支持的通信模式支持的通信模式( (1 1) )客户客户/ /服务器服务器 客客户户/ /服服务务器器用用于于EPAEPA网网络络上上两两个个设设备备之之间间由由用用户发起的、一对一的、排队式、非周期通信。户发起的、一对一的、排队式、非周期通信。 客客户户/ /服服务务器器通通信信模模式式常常用用于于设设置置参参数数或或实实现现某某些些操操作作，如如改改变变给给定定值值、对对调调节节器器参参数数的的访访问问和和调调整、对报警的确认、设备的上载和下载等。整、对报警的确认、设备的上载和下载等。(2)(2)报告分发型报告分发型 报报告告分分发发型型通通信信模模式式是是一一种种排排队队式式、非非周周期期通通信。也是一种由用户发起的一对多的通信。信。也是一种由用户发起的一对多的通信。 这这种种报报告告分分发发型型用用于于广广播播及及多多点点传传送送事事件件与与趋趋势势报报告告。最最典典型型的的应应用用场场合合是是将将报报警警状状态态、趋趋势势数数据等通知操作台。据等通知操作台。 7 73 37 EPA7 EPA网络通信与调度网络通信与调度83(3)(3)发布发布/ /预定接收型预定接收型 发发布布/ /预预定定接接收收模模式式主主要要用用来来实实现现缓缓冲冲型型、一一对对多通信。多通信。 这这种种通通信信模模式式可可以以根根据据组组态态，按按准准确确的的时时间间周周期期发发出，也可以由数据用户按非周期方式发送。出，也可以由数据用户按非周期方式发送。2EPA通信调度通信调度 对对于于处处于于过过程程监监控控层层的的L2L2网网段段，可可以以采采用用基基于于IEEE802.3/11/15IEEE802.3/11/15的的访访问问调调度度机机制制，如如基基于于以以太太网网的的子网段，完全采用基于子网段，完全采用基于CSMA/CDCSMA/CD的自由竞争访问机制。的自由竞争访问机制。 而而对对于于处处于于现现场场设设备备层层的的L1L1网网段段，由由于于工工业业测测量量与与控控制制系系统统的的确确定定性性和和实实时时性性通通信信要要求求，在在EPAEPA系系统统中，采用一种确定性通信调度策略。中，采用一种确定性通信调度策略。84 在在L1L1网网段段，EPAEPA设设备备间间的的通通信信信信息息可可分分为为周周期期性性信信息息和和非非周周期期性性信信息息两两大大类类。其其中中，周周期期性性信信息息按按准准确确的的时时间间周周期期发发出出，而而非非周周期期性性信信息息则则按按非非周周期期方式发送。方式发送。 在在L1L1网网段段的的一一个个子子网网段段内内，所所有有EPAEPA现现场场设设备备间间的的通通信信都都基基于于一一种种称称为为巡巡回回周周期期的的分分时时通通信信方方式式，该该巡巡回回周周期期分分为为两两个个阶阶段段，其其中中第第一一个个阶阶段段为为周周期期性性信信息息传传输输阶阶段段（见见图图7.127.12中中紫紫色色区区域域所所示示），第第二二个个阶阶段段为为非非周周期期信信息息传传输输阶阶段段（见见图图7.127.12中中粉粉色色区域所示）。区域所示）。 85D6D5D4D3D2D1时间时间EPA通信周期通信周期周期通信时间周期通信时间Tp非周期通信时间非周期通信时间Tn图图7.12EPA传输周期实例传输周期实例发送周期信息发送周期信息请求发送非周期信息请求发送非周期信息发送非周期信息发送非周期信息T1T2867 7 7 73 3 3 38 8 8 8 实时实时实时实时EPAEPAEPAEPA通信与非实时网络通信的并行运行管理通信与非实时网络通信的并行运行管理通信与非实时网络通信的并行运行管理通信与非实时网络通信的并行运行管理 所所谓谓实实时时EPAEPA通通信信，是是指指在在EPAEPA系系统统中中，完完全全符符合合EPAEPA通通信信规规范范和和确确定定性性通通信信调调度度、并并兼兼容容IEEE802.3/11/15IEEE802.3/11/15规规范范的的通通信信；而而非非实实时时网网络络通通信信，是是指指不不具具有有确确定定性性通通信信特特征征，但但完完全全符符合合IEEE802.3/11/15IEEE802.3/11/15的的通通用用网网络络通通信。信。 EPAEPA系系统统中中支支持持实实时时EPAEPA通通信信与与非非实实时时网网络络通通信信的的并并行运行，并通过以下功能模块进行管理：行运行，并通过以下功能模块进行管理：（1 1）在在图图7.117.11所所示示的的EPAEPA系系统统结结构构中中，EPAEPA代代理理应应具具有有必必要要的的网网络络安安全全措措施施，并并安安装装必必要要的的防防火火墙墙软软件件，对对来来自自EPAEPA系系统统外外部部的的远远程程访访问问进进行行网网络络安安全全管理。管理。（2 2）在需要支持）在需要支持实时实时EPAEPA通信与非实时网络通信并通信与非实时网络通信并行运行的行运行的EPAEPA现场设备层现场设备层L1L1网段，并由网段，并由EPAEPA网桥转发网桥转发非实时网络通信信息。非实时网络通信信息。 87此此时时，在在7.3.77.3.7节节所所述述的的确确定定性性通通信信调调度度方方案案中中，在在第第步步和和第第步之间，增加以下步骤，即第步之间，增加以下步骤，即第步修改为：步修改为：-a a：其他具有非周期信息传输要求的其他具有非周期信息传输要求的EPAEPA现场设备重复现场设备重复 步；步；-b b：如如EPAEPA现现场场设设备备有有其其他他非非EPAEPA实实时时信信息息（即即非非实实时时网网络络通通信信信信息息）要要发发送送，本本次次巡巡回回周周期期剩剩余余时时间间TT2 2足足够够该该非非实实时时网网络络通通信信信信息息的的发发送送，则则发发送送该该信信息息；如如本本次次巡巡回回周周期期剩剩余余时时间间TT2 2不足以该非实时网络通信信息的发送，则转向第不足以该非实时网络通信信息的发送，则转向第步。步。-c c：如如果果EPAEPA网网桥桥有有非非实实时时网网络络通通信信信信息息向向L1L1网网段段外外转转发发，则则直直接接转转发发；如如果果EPAEPA网网桥桥有有非非实实时时网网络络通通信信信信息息向向L1L1网网段段内内转转发发，且且本本次次巡巡回回周周期期剩剩余余时时间间TT2 2足足够够该该非非实实时时网网络络通通信信信信息息的的转转发发，则则转转发发该该信信息息，如如本本次次巡巡回回周周期期剩剩余余时时间间TT2 2不不足足以以该该非非实时网络通信信息的转发，则转向第实时网络通信信息的转发，则转向第步。步。-d d：重复重复- -bcbc步；步；88图图7.13EPA通信模型通信模型7 73 39 9 EPAEPA通信模型通信模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层TCP/UDPIPIEEE802.3/11/15ISO/OSI模型模型应用层应用层EPA用户层用户层图图7.13 7.13 EPAEPA通信模型通信模型89图图7.14EPA通信模型通信模型非实时应用进程非实时应用进程DHCP地地址分址分配协配协议议SNTP系系统时统时钟同钟同步协步协议议HTTP协议协议FTP协议协议其他其他标准标准协议协议TCP（UDP）/IPIEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15EPA实时通信管理接口实时通信管理接口SNMP简简单网单网络管络管理协理协议议EPA应用层应用层服务服务EPA功能块应用进程功能块应用进程EPA管管理功能理功能块块EPA管理管理信息信息库库EPA套接字映射接口套接字映射接口用户层用户层应用层应用层传输层传输层/网网络层络层数据链路层数据链路层/物理层物理层图图7.147.14EPA通信模型通信模型90图图7.15总线供电方式示意图总线供电方式示意图图7.15总线供电方式示意图 图7.15总线供电方式示意图 91图图7.16基于以太网的网络供电方式基于以太网的网络供电方式927310 EPA实时通信管理接口实时通信管理接口 EPAEPA实时通信管理接口处于实时通信管理接口处于IPIP层和层和MACMAC层之间，用于层之间，用于管理管理实时实时EPAEPA通信通信与与非实时网络通信非实时网络通信的并行运行管理。的并行运行管理。 根据以太网（根据以太网（IEEE802.3IEEE802.3协议），其帧格式中的协议），其帧格式中的长长度度/ /类型类型（LENGTH/TYPELENGTH/TYPE）字段，定义字段，定义EPAEPA实时通信协议。实时通信协议。 在在IEEE802.3IEEE802.3协议中，规定协议中，规定LENGTH/TYPELENGTH/TYPE字段的值小字段的值小于等于于等于15361536（0 0X0600X0600）时表示数据长度，当时表示数据长度，当LENGTH/TYPELENGTH/TYPE字段的值大于字段的值大于15361536（0 0X0600X0600）时，则表示时，则表示以太网上的协议，如以太网上的协议，如0 0X0800X0800表示表示IPIP协议，协议，0 0x0806x0806表示表示ARPARP协议，协议，0 0x8035x8035表示表示RARPRARP协议，协议，0 0X8137HX8137H表示表示IPXIPX协议协议等等。等等。 本标准中同样采用长度本标准中同样采用长度/ /类型（类型（LENGTH/TYPELENGTH/TYPE）字段，字段，定义一个值表示定义一个值表示EPAEPA实时协议（如实时协议（如0 0X8888X8888，或或6565C_306/314C_306/314提案中定义的提案中定义的0 0x8892x8892）。）。93 EPAEPA应用层规范为应用层规范为EPAEPA设备之间实时和非实时的传设备之间实时和非实时的传输数据提供通信通道和服务接口。它由输数据提供通信通道和服务接口。它由EPAEPA实时通信实时通信规范和非实时通信协议两部分组成。其中规范和非实时通信协议两部分组成。其中EPAEPA实时通实时通信规范是专门为信规范是专门为EPAEPA实时控制应用进程之间的数据传实时控制应用进程之间的数据传输提供通信通道和服务接口。而非实时通信协议则主输提供通信通道和服务接口。而非实时通信协议则主要包括要包括HTTPHTTP、FTPFTP、TFTPTFTP等互联网络中广泛使用的技等互联网络中广泛使用的技术。术。 1 1EPAEPA应用层服务应用层服务 a.a.变量访问服务变量访问服务 b.b.事件管理服务事件管理服务 c.c.文件上装文件上装/ /下载服务下载服务 7 73 311 11 EPAEPA应用层应用层942 2EPAEPA套接字映射接口套接字映射接口 EPAEPA套接字映射接口提供了套接字映射接口提供了EPAEPA实时通信服务以及实时通信服务以及EPAEPA管理服务与管理服务与TCPTCP（UDPUDP）/IP/IP之间的映射，其主要任之间的映射，其主要任务是：务是：l l提供提供EPAEPA实时通信服务映射到实时通信服务映射到TCPTCP（UDPUDP）服务；服务；l l根据服务类型将根据服务类型将EPAEPA实时通信服务数据以单播、实时通信服务数据以单播、组播或广播的方式发送到组播或广播的方式发送到EPAEPA网络上；网络上；l l为需确认的为需确认的EPAEPA实时通信服务提供超时诊断与控制，实时通信服务提供超时诊断与控制，并将正确或错误的确认信息返回给这些服务；并将正确或错误的确认信息返回给这些服务；l l为为EPAEPA实时通信服务提供优先级管理；实时通信服务提供优先级管理；l l采用统计方法实现采用统计方法实现EPAEPA链路状况的监视，并通过链路状况的监视，并通过EPAEPA实时服务向用户进程报告链路正常或故障状态；实时服务向用户进程报告链路正常或故障状态；l l使用使用TCPTCP传输数据时，还需要建立和释放传输数据时，还需要建立和释放TCPTCP连接。连接。953 3EPAEPA非实时通信规范非实时通信规范 对于对于EPAEPA非实时应用程序，可广泛采用信息网络通非实时应用程序，可广泛采用信息网络通信技术，这些技术包括信技术，这些技术包括HTTPHTTP、FTPFTP等。等。967312EPA管理功能块管理功能块1设备识别设备识别2对象定位对象定位 3 3地址分配地址分配 4 4时钟同步时钟同步 5 5功能块执行控制功能块执行控制 6 6EPAEPA链接对象链接对象 7 7EPAEPA管理信息库管理信息库977313EPA网络冗余管理功能块网络冗余管理功能块 EPAEPA网网络络冗冗余余管管理理功功能能块块用用于于管管理理设设备备中中的的冗冗余余网网络络接接口口，以以提提高高设设备备间间通通信信连连接接的的可可靠靠性性。冗冗余余管管理理功功能能块块通通过过周周期期性性的的广广播播、接接收收和和检检查查网网络络冗冗余余诊诊断断信信息息，以以决决定定用用于于发发送送和和接接收收报报文文的的网网络络接接口。口。987314EPA电子设备描述电子设备描述 EPA EPA标准的体系结构允许在同一个标准的体系结构允许在同一个EPAEPA网络上对来网络上对来自不同厂商的自不同厂商的EPAEPA设备进行互操作。为此，需要从系统设备进行互操作。为此，需要从系统集成者的角度考虑，为用户提供对集成者的角度考虑，为用户提供对EPAEPA设备特性和属性设备特性和属性的描述文件，以支持的描述文件，以支持EPAEPA设备的互可操作。设备的互可操作。 本本 规规 范范 中中 ， 采采 用用 XMLXML（ eXtensible eXtensible Markup Markup LanguageLanguage，扩扩展展标标记记语语言言）这这种种易易读读性性和和扩扩展展性性较较强强的的通通用用语语言言作作为为EPAEPA设设备备描描述述的的通通用用语语言言，并并定定义义了了EPAEPA设备描述的结构和一般方法。设备描述的结构和一般方法。 基于基于XMLXML的的EPAEPA设备描述包括以下部分：设备描述包括以下部分： （1 1）EPAEPA设备通用属性设备通用属性 （2 2）EPAEPA设备资源及其属性设备资源及其属性 99EPA通信服务通信服务功能模块功能模块图图7.18EPA设备与设备通信设备与设备通信IEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15等等EPA设备设备1EPA套接字映套接字映射接口射接口TCP(UDP)IPEPA通信服务通信服务功能模块功能模块EPA设备设备2EPA套接字映套接字映射接口射接口TCP(UDP)IPEPA链接对象链接对象EPA链接对象链接对象EPA管理实体管理实体EPA管理实体管理实体7 73 31515EPAEPA设备间的通信过程设备间的通信过程1001 1EPAEPA通信发起方：通信发起方： (1) (1) EPAEPA链接信息查询链接信息查询 (2) (2) EPAEPA报文编码报文编码 (3) (3) EPAEPA服务报文下传到服务报文下传到EPAEPA套接字映射接口实体套接字映射接口实体 (4) (4) EPAEPA服务报文缓冲服务报文缓冲 (5) (5) EPAEPA通信网络监听通信网络监听 (6) (6) EPAEPA报文优先级处理报文优先级处理 (7) (7) EPAEPA报文的报文的UDPUDP（TCPTCP）/IP/IP打包打包 (8) (8) 需确认的需确认的EPAEPA报文应答维护报文应答维护 (9) (9) EPAEPA用户应用进程对用户应用进程对EPAEPA应答报文的处理应答报文的处理 2 2EPAEPA通信接收方：通信接收方： (1) (1) EPAEPA套接字映射接口实体等待接收套接字映射接口实体等待接收 (2) (2)端口过滤端口过滤 (3) (3)EPAEPA报文解码报文解码 (4) (4)EPAEPA报文处理报文处理101部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！