工业组态与现场总线控制技术第一章绪论目录Contents1工业控制系统历史工业控制网络特点23现场总线4SIMATICNET工业
通信网络目录Contents1工业控制系统历史工业控制网络特点23现场总线4SIMATICNET工业通信网络1模拟仪表控制
系统（ACS）从20世纪50年代，模拟仪表和继电器进入工业生产领域。仪表主要对单闭环系统实现较为简单的控制；继电器控制电路主要完
成逻辑顺序控制。2直接数字控制系统（DDC）20世纪60年代，计算机用到工业控制。直接数字控制系统缺点：1、中心计算机的负担太
重，当系统规模扩大时，实时性不能保证，所以系统规模不能很大；2、模拟信号传输，抗干扰能力差；3、系统功能集中，危险也集中，相当脆弱
。3集散控制系统（DCS）20世纪70年代，又名分布式计算机控制系统。核心是“分散控制，集中管理“，它既不同于分散的模拟仪表控制
系统，又不同于集中式直接数字控制系统。它具备通用性、系统组态灵活、控制功能完备、显示操作集中、人机界面友好、运行安全可靠的显著特点
。3集散控制系统（DCS）3集散控制系统（DCS）集散控制系统目前被广泛的应用，取得了良好的效果，但是它并未达到完美的程度。
从结构上看，在系统的一个局部，或者子系统，基本上还是集中式控制，系统分散得不够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从根本上得到解决。
现场仍采用模拟信号，电缆较多，成本较高。各公司的DCS各有各的标准，不能实现互联。4现场总线控制系统（FCS）20世纪90年代
，采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可以直接进行数字通信。
4现场总线控制系统（FCS）FCS特点：1）FCS的信号传输实现了全数字化；2）FCS系统结构是全分散式；3）FCS
的现场设备具有互操作性；4）FCS的技术和标准实现了全开放；5）FCS的环境适应性与总线供电。4现场总线控制系统（FCS）
现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开放性远未达到。将以太网应用于工业自动控制系统的呼声越来越高，也就是使得控制和管理系统中
的信息无缝衔接，真正实现“一网到底”。目录Contents1工业控制系统历史工业控制网络特点23现场总线4SIMATICNE
T工业通信网络工业控制网络是3C技术——即计算机、通信和控制（Computer,CommunicationandContro
l）发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智能化网络发展到现场的结果。应用于工业现场网络节点多为专业设备传输测控数据任务满足对控
制的实时性要求满足工厂监控要求目录Contents1工业控制系统历史工业控制网络特点23现场总线4SIMATICNET工业通
信网络1.3.1现场总线的概念（1）现场总线的诞生现场总线是20世纪80年代中后期在工业控制中逐步发展起来的。随着微处理器技术
的发展，其功能不断增强，而成本不断下降。计算机技术飞速发展，同时计算机网络技术也迅速发展起来了。计算机技术的发展为现场总线的诞生奠
定了技术基础。1.3.1现场总线的概念（1）现场总线的诞生另一方面，智能仪表也出现在工业控制中。在原模拟仪表的基础上增加具有计
算功能的微处理器芯片，在输出的4?20mA直流信号上叠加了数字信号，使现场输入输出设备与控制器之间的模拟信号转变为数字信号。智能仪
表的出现为现场总线的诞生奠定了应用基础。1.3.1现场总线的概念（2）现场总线的概念国际电工委员会(IEC)对现场总线(Fie
ldbus)的定义为：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多节点的数字通信网络。1.3.1
现场总线的概念（2）现场总线的概念现场总线的概念有广义与狭义之分。狭义的现场总线就是指基于EIA485的串行通信网络。广义的现场
总线泛指用于工业现场的所有控制网络。广义的现场总线包括狭义现场总线和工业以太网。1.3.1现场总线的概念（2）现场总线的概念工
业以太网是用于工业现场的以太网，一般采用交换技术，即交换式以太网技术。工业以太网以TCP/IP协议为基础，与串行通信的技术体系是不
同的。1.3.1现场总线的概念（2）现场总线的概念在工业控制中，现场总线的概念因场合不同而不同。例如这里讲得“现场总线”是广义
的，包括现场总线和工业以太网；而本书后面的章节中，现场总线的概念又是狭义的，应根据不同场合加以区别。1.3.2主流现场总线的介绍
1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就开始制定现场总线的标准，然而统一的标准至今仍未完成。很多公司推出其
各自的现场总线技术，但彼此的开放性和相互操作性难以统一。1.3.2主流现场总线的介绍经过12年的讨论，终于在1999年年底通
过了IEC61158现场总线标准，这个标准容纳了8种互不兼容的总线协议。后来又经过不断讨论和协商，在2003年4月，IEC61
158Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，确定了10种不同类型的现场总线为IEC61158现场总线，见表1-1。1.
3.2主流现场总线的介绍表1-11EC611S8的现场总线类型编号名 称发起的公司Type1TS61158现场总线原来
的技术报告Type2ControlNet和Ethemet/IP现场总线美国Rockwell公可Type3PROFIBUS
现场总线德国Siemens公司Type4P-NET现场总线丹麦ProcessData公司Type5FFHSE现场总线美国
FisherRosemount公司Type6SwiftNet现场总线美国波音公司Type7WorldFIP现场总线法国A
istom公可Type8INTERBUS现场总线律国PhoenixContact公司Type9FFH1现场总线现场总线基金
会Type10PROFINET现场总线億国Siemens公司1.3.2主流现场总线的介绍(1)基金会现场总线(Foundati
onFieldbus,FF)这是以美国Fisher-Rosemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公
司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。
该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。1.3.2主流现场总线的介绍(2)CAN(Controller
AreaNetwork,控制器局域网)最早由德国BOSCH公司推出，它广泛应用于离散控制领域，其总线规范已被国际标准化组织(I
SO)制定为国际标准，得到了Intel、Motorola.NEC等公司的支持。CAN协议分为两层：物理层和数据链路层。CAN的信
号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。1.3.2主流现场总线的介绍(2)CAN(Contr
ollerAreaNetwork,控制器局域网)CAN支持多种工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免
冲突。通信距离瑕远可达10km(5kbi”s),通信速率最高可达40Mbit/s,网络节点数可达110个。目前已有多家公司开发了
符合CAN协议的通信芯片。1.3.2主流现场总线的介绍(3)Lonworks它由美国Echelon公司推出，并由Motoro
la、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通信协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设
计简化为参数设置。1.3.2主流现场总线的介绍(3)Lonworks支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通信速
率从300bit/s?1.5Mbit/s,直接通信距离可达2700m(78kbit/s),被称为通用控制网络。1.3.2主
流现场总线的介绍(3)LonworksLonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中，并
得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控
制等领域。1.3.2主流现场总线的介绍(4)DeviceNetDeviceNet既是一种低成本的通信连接，也是一种简单的网络
解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信,而且提供了相当重要的设备级诊断功能。1
.3.2主流现场总线的介绍(4)DeviceNetDeviceNet基于CAN技术，传输速率为125?500kbit/s,每
个网络的最大节点为64个，其通信模式为生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式。位于Dev
iceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的
组织结构是开放式设备网络供应商协会。1.3.2主流现场总线的介绍(5)HARTHART是HighwayAddres
sableRemoteTransducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信
号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。1.3.2主流现场总线的介绍(5)HART其通信模型釆用物理层、数据链路层
和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混合，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电
，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。1.3.2主流现场总线的介绍(6)C
C-LinkCC-Link是Control&CommunicationLink(控制与通信链路系统)的缩写，在1996年
11月，由以三菱电机公司为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mb
it/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。1.3.2主流现场总线的介绍(6)CC-Link
其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较
高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月，CC-Link被中国国家标准化管理委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。1
.3.2主流现场总线的介绍(7)INTERBUSINTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月
成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织(ISO)的开放化系统互联(OSI)的简化模型(1层、2层和7
层)，即物理层、数据链路层和应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。1.3.2主流现场总线的介绍(7)INTERBUS
其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、髙效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性。该总线的实时性、抗干扰性和可维护性
也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业领域，成为国际现场总线的领先者。1.3.3现场总
线的特点现场总线系统打破了传统控制系统，采用按控制回路要求设备一对一的分别进行连线的结构形式。把原先DCS中处于控制室的控制模块
、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现
了彻底的分散控制。1.3.3现场总线的特点现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，把作为网络节点的智能设
备连接成自动化网络系统，实现基础控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化的综合自动化功能，是一项以智能传感器、控制、计算机
、数字通信、网络为主要内容的综合技术。1.3.3现场总线的特点现场总线系统具有以下特点：(1)系统具有开放性和互用性通信协议遵
从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统。系统间、设备间可以进行信息交换，
不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。1.3.3现场总线的特点现场总线系统具有以下特点：(2)系统功能自治性系统将传感测量、补
偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。1.3.3
现场总线的特点现场总线系统具有以下特点：(3)系统具有分散性现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠
性。1.3.3现场总线的特点现场总线系统具有以下特点：(4)系统具有对环境的适应性现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红
外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。1.3.4现场总线的现状(1)多种现
场总线并存目前世界上存在着四十余种现场总线，如德国西门子公司的PROFIBUS、PhoenixContact公司的INT
ERBUS,RoberBosch公司的CAN、国际标准组织-基金会现场总线FF,美国的DeviceNet与Contr
olNet等。这些现场总线用于过程自动化、医药、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，不到10种类型的总线占有80%
左右的市场。1.3.4现场总线的现状(2)各种总线都有其应用的领域每种总线都有其应用的领域，如FF和PROFIBUS-PA适用
于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；Lonworks,PROFIBUS-FMS和DevieceNet适用于楼宇、交通
运输、农业等领域；DeviceNet,PROFIBUS-DP适用于加工制造业。这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领
域扩大，彼此渗透。1.3.4现场总线的现状(3)每种现场总线都有其国际组织和支持背景大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司
为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响，得到更多的市场份额，如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了P
ROFIBUS国际用户组织；WorldFIP以Alstom公司为主要支持，成立了WorldFIP国际用户组织。1.3.4现
场总线的现状(4)多种总线成为国家和地区标准为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，如PROFIBUS已成
为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。1.3.4现场总线的现状(5)设备制造商参与多个总线组织为了扩大自己产品的使用
范围，很多设备制造商往往参与多个总线组织。1.3.4现场总线的现状(6)各个总线彼此协调共存由于竞争激烈，而且还没有哪一种或儿
种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。1.3.5现
场总线的发展现场总线技术是控制、计算机和通信技术的交叉与集成，几乎涵盖了连续和离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自
动化、家庭自动化等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集智能化的要求。现场总线技术
的发展趋势体现在四个方面。1.3.5现场总线的发展（1）统一的技术规范与组态技术是现场总线技术发展的一个长远目标IEC6115
8是目前的国际标准。然而由于商业利益的问题，该标准只做到了对已有现场总线的确认，从而得到了各个大公司的欢迎。但是却给用户带来了使用
的困难。当需要用一种新的总线的时候，学习的过程是漫长的。1.3.5现场总线的发展（1）统一的技术规范与组态技术是现场总线技术发展
的一个长远目标从长远来看，各种总线的统一是必由之路。目前主流现场总线都是基于EIA485技术或以太网技术，有了统一的硬件基础；组
态的过程与操作是相似的，有了统一的用户基础。1.3.5现场总线的发展(2)现场总线系统的技术水平将不断提高随着电子技术、网络技
术和自动控制技术的发展，现场总线设备将具备更强的性能、更高的可靠性和更好的经济性。1.3.5现场总线的发展(3)现场总线的应用将
越来越广泛随着现场总线技术的日渐成熟，相关产品的性价比越來越高，更多的技术人员将掌握现场总线的使用方法，现场总线的应用将越来越广
泛。1.3.5现场总线的发展(4)工业以太网技术将逐步成为现场总线技术的主流虽然基于串行通信的现场总线技术在一段时期之内还会大
量使用，但是从发展的眼光来看，工业以太网具有良好的适应性、兼容性、扩展性以及与信息网络的无缝连接等特性，必将成为现场总线技术的主流
。目录Contents1工业控制系统历史工业控制网络特点23现场总线4SIMATICNET工业通信网络1.4.1工业通信网
络结构SIMATICNET是西门了工业网络通信解决方案的统称。企业网是对工业企业的计算机与控制网络的统称。企业网从结构上可以
分为信息网络和控制网络两个层次，如图1-3所示。1.4.1工业通信网络结构信息网络是指用于企业内部的信息通信与管理的局域网。信
息网络目前的主要应用是办公自动化。信息网络是接入互联网的，并且很多应用也是基于互联网技术的。1.4.1工业通信网络结构控制网络
是指工业企业生产现场的通信网络。控制网络既可以是现场总线，也可以是工业以太网。控制网络主要实现现场设备之间、现场设备与控制器之间、
现场设备与监控设备之间的通信。1.4.1工业通信网络结构网络化控制的功能模型是从功能的角度对基于网络的自动控制系统进行分层，简
称网络控制模型。网络控制模型分为现场设备层、监控层和管理层，如图1-4所示。1.4.1工业通信网络结构1.4.1工业通信网络
结构(1)管理层为企业提供生产、管理和经营数据，通过数据化的方式优化企业资源，提高企业的管理水平。这个层中，IT技术得到了广泛
的应用，如Internet和Intranet。1.4.1工业通信网络结构(2)监控层介于管理层和现场层之间。其主要功能是解
决车间内各需要协调工作的不同工艺段之间的通信。监控层要求能传递大量的信息数据和少量控制信息，而且要求具备较强的实时性。这个层主要
使用工业以太网。1.4.1工业通信网络结构(3)现场设备层处于工业网络的最底层，直接连接现场的各种设备，包括I/O设备、变
频与驱动、传感器和变送器等，由于连接的设备千差万别，因此所使用的通信方式也比较复杂。又由于现场级通信网络直接连接现场设备，网络上传
递的主要是控制信号，因此，对网络的实时性和确定性有很髙的要求。1.4.1工业通信网络结构SIMATICNET中，现场级通信网
络中主要使用PROFIBUS。同时SIMATICNET也支持AS-Interface,EIB等总线技术。1.4.2西门子
通信网络技术说明(1)MPI通信MPI（Multi-PointInterface,即多点接口）协议，用于小范围、少点数的
现场级通信。MPI是为S7/M7/C7系统提供接口，它设计用于编程设备的接口，也可用于在少数CPU间传递少量的数据。1.4.2
西门子通信网络技术说明（2） PROFIBUS通信PROFIBUS符合国际标准IEC61158,是目前国际上通用的现场总线中8
大现场总线之一，并以独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准和众多的厂家支持，成为现场级通信网络的优秀解决方案，目前其全球网络
节点已经突破1000个。1.4.2西门子通信网络技术说明（2） PROFIBUS通信从用户的角度看，PROFIBUS提供三
种通信协议类犁：PROF1BUS-FMS,PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA。①PROFIBUS-FMS（F
ieldbusMessageSpecification,现场总线报文规范），主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级（PLC和PC）的多主站数据通信。1.4.2西门子通信网络技术说明（2） PROFIBUS通信②PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery,分布式外部设备），用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O（例如ET200）的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的混合。③PROFIBUS-PA（ProcessAutomation,过程自动化）用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，使用扩展的PROFIBUS-DP协议。1.4.2西门子通信网络技术说明（3）工业以太网工业以太网符合IEEE802.3国际标准，是功能强大的区域和单元网络，是目前工控界最为流行的网络通信技术之一。1.4.2西门子通信网络技术说明（4） 点对点连接严格地说，点对点（Point-to-Point）连接并不是网络通信。但点对点连接可以通过串口连接模块实现数据交换，应用比较广泛。1.4.2西门子通信网络技术说明（5）AS-Interface传感器/执行器接口用于自动化系统最底层的通信网络。它专门用来连接二进制的传感器和执行器，每个从站的最大数据量为4bit。TheEnd |
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