1、What？工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息 ,工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。也是工业控制内的局域网， 是生产企业的底层网络； Why？自动化系统“读”“算”“写”和“连”； How? 协议体系：层次 -设备 -算法。 工业通信系统协议模型 现场总线一般都是作为工业局域网应用的，在常用的现场总线技术中，重要的是物理层、链路层和应用层，有时候还有用户层。 - 物理层：比特流的产生和处理，包括信号电平、编码方式、硬件接口和比特流同步问题； - 数据链路层：数据 流产生即成帧方式，或数据流结构，检错重传机制，流量控制机制以及信道接入控制方式等等；
2、 应用层：如何生成和使用数据； 用户层：功能块（设备） 工业自动控制网络通信技术需要考虑： （ 1）传输及时性和系统实时性：比较制造化系统响应时间要求在 0.01 0.5s，过程控制系统响应时间为 0.5 2s。而信息网络响应时间是 2 6s。显然，工业通信网络的实时性要求高。 （ 2）高可靠性：环境恶劣下工业生产现场的通信网络必须适应环境，包括电磁环境适应性或电磁兼容性（ EMC）、气候环境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（ 耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，应有本质安全的性能。 （ 3）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题，强调互操作性，在 ISO/OSI 参考模
3、型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（ DD）功能来保证开放性通信。 （ 4）总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。 （ 5）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。这些信息包括生产装置运行 参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工业现场传输多媒体信息增加，网络传输的带宽要求也在增加。 （ 6）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严
4、格的时序。周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少。 （ 7）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操 作站传送。 正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如 Profibus、Can、 DeviceNet 等）组成，而正在向高速网络发展。 为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。 通信系统：硬件（信道 +结点
5、/设备）；软件（通信协议） 1) 使数字数据能在模拟信道上传输 三种常用的调制技术： 幅移键控 ASK （ Amplitude Shift Keying） 频移键控 FSK （ Frequency Shift Keying） 相移键控 PSK （ Phase Shift Keying） 原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos( t+ ) S(t)的参量包括： 幅度 A、频率 调制就是要使 A、 或随数字基带信号的变化而变化 ASK：用载波的两个不同振幅表示 0 和 1 FSK：用载波的两个不同频率表示 0 和 1 PSK：用载波的起始相位的变化表示 0 和
6、 1 2) 数字编码 :NRZManchester差分 Manchester 3）使模拟数据能在数字信道 上传输 采样定理： 如果模拟信号的最高频率为 F，若以 2F 的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号 模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤： 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为 PCM 信号（脉码调制 , Pulse Coded Modulation）。 数据传输的同步技术 目的是使接收端与发送端在时间基
7、准上一致： 同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界 数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步： 位 位同步 字符 字符同步 帧 (Frame) 帧同步 工业通信系统的可靠性 :可靠性要求： 1）控制错误，和 2）容错。 即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。 干扰的抑制 解决噪声干扰问题的硬件方法： 屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。 隔离：隔离是使电路相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（ 因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变
8、压器隔离。 滤波：用 RC 或 LC 滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。 接地：“地线” 指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。 软件抗干扰技术 数字滤波：加一段数字滤波程序， 有中位值法、平均值法和限幅滤波等； 软件冗余 /软件陷阱 “看门狗”（ watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱 飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程
9、序摆脱“死循环”。 “看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。 第三章 通信总线技术及应用 总线的性能指标主要有下面几条： 1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：在计算机总线中用 B/s 表示，其它常用 bps（ bp/s）。例如， PCI 总线的宽度为 32 位，总线时钟频率为 33 MHz，则最大数据传输速率为 : (32/8) 33=132 MB s； 2）总线时钟：总线中各种信号的定时基准。； 3）总线宽度：总线中数据总线的数量，用 Bit(位 )表示，总线宽度有 8 位、 16 位、 32 位和64 位之分； 4）信号线数：总线中信号线的总数，包括数
10、据总线、地址总线和控制总线； 5）负载能力：总线中信号线带负载的能力。该能力强表明可接的总线板卡可多一些。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。 微处理器常用串行总线： 通用异步接收器传输总线 UART（ Universal Asynchronous Receiver Transmitter） 同步外设接口 (SPI-Serial Peripheral Interface)、 内部集成电路 (I2C-Inter-Integrated Circuit) 。 常用异步串行通讯接口标准 RS232C RS232 是应用最早 ,最广泛的双机异步串行通信总
11、线标准。是美国电子工业协会的推荐标准 RS = recommended standard 标准规定了数据终端设备 (DTE)和数据通信设备 (DCE)间串行通信接口的物理 (电平 )、信号和机械连接标准 RS232C 的电 气标准： 3V15V : 逻辑 0 -3V-15V: 逻辑 1 50ft 9600bps RS422 和 RS485 其它常用工业通讯技术 1） FireWire 串行总线 (IEEE 1394) IEEE 一项视频传输串行接口标准。早期由苹果开发，索尼曾参与开发（ 6 线改 4 线），注册为 iLINK 商标。 2） USB：支持外接设备热插拔、同时可为外设提供电源，省去
12、了外设自带的电源、支持同步数据传输。 3）工业无线 ZIGBEE-RFID 4） PLC 第三章 通信总线技 术及应用 计算机接口总线 XT-AT -ISA-PCI-PCIe 工控机与测控仪器接口总线 STD 总线 -PC/104 总线 -AT96 总线 -VME- CompactPCI/PXI 总线工控机。 测量仪器接口总线： GPIB-VXI-PXI-LXI 7 2 77 8 1 82 8 4 8 5 8 7 8 9 90 9 1 94 97 0 0 04 05 IB M PC VME ISA VXI W i nd ow s E IS A W WW P C I c P C I M C A
13、PXI R a pi d IO P C I - X P C I e T R S 80 G P IB L X I 第四部分：常用工业现场总线 1.概述 现场总线应用在生产现场 1、在测控设备间 2 实现双向 3 串行 4 多节点 5 数字通信 6 。现场总线本质体现： 现场通信网络： 现场设备互联：使用不同介质把不同现场 设备或仪表相联。 互操作性 ：用户可选不同产品构成所需的控制回路。 分散功能块 ： FCS 把 DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表 , 实现了分散控制。 通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量 , 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表 ,
14、与其配套的还有安全栅。 开放式互联网络：可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。 基金会总线 FF （ Foudation Fieldbus） FF 前身是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首，联合 Foxboro、横河、 ABB、西门子等 80 家公司制订的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的 150 家公司制订的 WordFIP协议。 ISO/OSI 模型中的物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。 FF 超过了现场总线范围，是一个完整的工业网络体系。 新增用户层的主要功能：定义信息存取的统一规则，采用
15、设备描述语言规定通用的功能模块集，对使用总线的用户应用进行规范。虽然协议变得复杂，但却带来设备间的可相互操作性。 3）物理层： 低速 H1， （ H2 后来被 HSE-High Speed Ethernet 取代）。 IEC1158-2（ MBP）双线信号传输技术，两种供电方式：非总线供电和总线供电。数字信号以 31-25KHz 的频率、 0. 75-1V 的峰值电压被调制到 9-32V 直流电压上。 传输信号采用曼彻斯特编码。 4）数据链路层： 将集中调度式通信（ LAS）与令牌循环的通信控制方式（ LAS 管理），可保证周期性变量的准确定时传输，同时又通过令牌予每一节点设备在定周期传输的间
16、隙时间内自主通信的权利，保证了实时性。 链路主设备能够成为 LAS，总线上至少有一个链路主设备，但同一时刻成为 LAS 的主 设备只有一个。 LAS 的产生可以是竞标方式或组态方式。 LAS 通过优先级的动态管理和更新优先级来控制报文的传输 5）应用层分为两个子层： FAS 和 FMS 。前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码与解码。 现场总线访问子层 FAS利用数据链路层的确定性的受调度通信与不受调度的非周期型通信，为上层应用提供了三种通信模型，即客户 -服务器 (C-S)模型、发布者 -预定接收者 (P-S)模型及源方 -收存方 (Source-Sink)模型。 现场总线报文规范
17、子层 FMS 描述用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行 为等，采用“对象描述（ OD-Object Discription）”来说明总线上传输数据对象的格式与意义。把对象描述收集成“对象字典”（ OD-Object Dictionary），用来解释对象。 6）用户层由预先定义的标准功能块和用户自定义的柔性功能块 FFB 构成。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，能完成一个独立而完整的控制功能。通过功能块模型及其参数，可以组态、维护以及定制用户应用，易于实现基本的分布式控制功能。 4. LonWorks LonWorks（ Local Operating Network） Ec
18、helon1990 年 12 月推出。是一个开放系统，可使不同厂家生产的符合 LonTalk 协议的设备及产品进行互连。相比其它主流总线， Profibus 下包含着几十年甚至上百年的技术和应用技术积累， FF 则是很多流行技术的一次整理好更新，而 LonWorks 是独立全新的现场总线技术：从协议到设备，甚至核心芯片都是精心设计的结果。 主要技术特点为： 通信协议 LonTalk 符合 ISO-OSI7 层模型； LonTalk 协议封装于专门的 Neuron 芯片；为总线应用提供了一套完整的开发平台，包含所有设计、配置和支持 控制网元素。 LonWorks 技术构成 1）物理层支持 Lon
19、Works 通信介质可使用双绞线、电缆、光纤、电力线等； 通信速率： 300b/s1.25Mb/s， 130m-2700m；每帧长： 0 228 字节； 2）介质访问控制（ MAC）子层 LonTalk 的属于带预测的 P-坚持 CSMA ，节点根据网络的忙碌程度确定等待时间，忙时多等，空闲时少等，以避免碰撞。 LonTalk 还可以提供：优先级和认证（ Authentication）服务； 3） LonWorks 网络的节点 LonWorks 设备由 s 节点 (Node)和现场设备构成，网络节点上接 LonWorks 网络，下接现场设备（传感器或执行器）。 LonWorks 控制网络中的现
20、场控制节点有两类：直接用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器，和基于 Host based 的节点。 神经元芯片（ Neuron Chip） Neuron 具有通信和控制功能，内部有 3 个 8 位微处理器及 RAM、 ROM、 E2PROM、和定时器 /计数器等，已固化可编程的 34 种 I/O 对象和 LonTalk 通信协议（只有第 7 层需用户编程）。Neuron Chip 加上收发器和电源可构成一个典型现场控制节点。 11 个可编程的 I/O 引脚，可组成 34 种工作模式， 5 个通信引脚可组成 3 种通信模式，最高时钟 10MHZ， 2 个 16 位定时器 /计 数器， 1 个
21、48 位标识符 Neuron ID， 1 个远程标识和诊断的 Service 引脚。 5. Profibus 技术 Profibus 系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域： (1） Profibus-DP（ Decentralized Periphery）用于控制器 (如 PLC、 PC、 NC)与现场设备或设备级 I/O 间（如驱动器、检测设备、 HMI 等）通信。取代 24V 或 4 20mA 的串联式信号 传输； (2） Profibus-PA（ Process Automation）过程自动化，也可作设备层总线； (3） Profibus-FMS（ Fieldbus Messag
22、e Specification）用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。 物理层： MBP ; 485 链路层 : 通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答；所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间 ，断电主站从环中排除，新上电主站加入逻辑环。 Profibus 系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域： (1） Profibus-DP（ Decentralized Periphery）用于控制器 (如 PLC、 PC、 NC)与现场设备或设备级
23、I/O 间（如驱动器、检测设备、 HMI 等）通信。取代 24V 或 4 20mA 的串联式信号传输； (2） Profibus-PA（ Process Automation）过程自动化，也可作设备层总线； (3） Profibus-FMS（ Fieldbus Message Specification）用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。 物理层： MBP ; 485 链路层 : 通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答；所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑
24、环。在总线运行期间，断电主站从环中排除，新上电主站加入逻辑环。 应用层和用户层 用户层定义不同设备行为规范，行规（ Profiles ）是有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范，是对特殊应用领域中用到的非主 流设备其总线参数的规范。 系统的实现方案 采用基础的软件协议栈和硬件 ASICs (Application Specific Integrated Circuits) 解决方案。有广泛的标准化组件 (Profibus ASICs)如 Profibus 堆栈存储器，监控器和调试工具，及服务可供使用。 开发人员常常使用专用的通信处理芯片，这样可以完全不考虑复杂的协议。 Profibus 通
25、信协议芯片已形成广泛系列。使用这些芯片可达到快速提供产品的目的。 HART 可寻址远程传感高速通道 HART（ Highway Addressable Remote Transduer），最早由 Rosemout公司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持，于 1993 年成立了 HART 通信基金会。特点420mA 模拟信号与数字信号双向通信兼容，在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品。 采用了 Bell202 标准的 FSK 频移键控技术； 实现了 4-20mA 模拟信号与数字通信的兼容； 单台设备通信距离 3000m，多台设备互联通信
26、距离 1500 m； 数据链路层规定数据帧最长可达 25 个字节，是 主从式的通讯协议； 应用层规定了 HART 通讯命令的内容。 第五部分 汽车网络和 CANbus 控制器局域网 CAN（ Control Area Network）总线是德国 BOSCH 公司为解决现代汽车控制与测试仪器间数据交换而开发的串行数据通讯协议（ 1986）。最早成为国际标准（ ISO11898），也是目前事实上的汽车总线协议标准。 国际半导体厂商开发 CAN 总线专用芯片的有： Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、Honeywell 等。 CAN 属于总线式通讯网络。 C
27、AN 总线规范了任意 两个 CAN 节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议， CAN 的物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。 CAN 的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。 CAN 总线技术的特点： CAN 协议模型结构只有 OSI 底层的物理层和数据链路层。 CAN 属于总线式串行通信网络 通过 ID-报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据 为多主方式工 作，通信方式灵活 CAN 网络按节点类型分成不同的优先级 CAN 采用非破坏性总线优先级仲裁技术 CAN 总线的数据传递方式 以报文为单位进行，短帧结构（ 8 字节）， 每个报文的标志符 ID 起始部分有一个 11 位的标志符 ID 传输速率： 可达到 1Mbps/40m（ 5k/10km） 差错控制：机制充分，可靠性高 CAN 的物理层 特性： 拓扑结构：总线式通信网络 机械参数及传输介质：用一个 9 针的 D 型插头连接到 CAN 总线上 电气参数及信号表示：总线数据采用不归零编码方式（ NRZ），有两种互补的逻辑值：显性（ 0 -Dominant ）及隐性（ 1- Recessive ）。 CAN 总线各节点位速率相同。
