工业控制网络现场总线复习资料

CIPS：计算机集成生产系统。应用于流程行业，与工厂综合自动化系统、管控一

体是同一概念。

三层：ERP（企业资源规划层或BPS）,MES（制造执行层）,PCS（现场控制层）

PCS级:以产品质量和工艺要求为目标的先进控制技术 

MES级:以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、优化操作与优化管理技术 

BPS级:以财务分析决策为核心的整体资源优化技术

关键技术：系统集成，信息集成，先进控制。

系统集成：连接各层的网络（硬件），以及数据库技术（软件） 

信息集成：信息采集、数据校正、数据挖掘、对象模型 

先进控制：改进常规控制的性能 

工业通讯方式：

（1）现场总线

（2）工业以太网

（3）无线网络

现场总线：应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。

现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为工厂的底层网络（Infranet） 总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。

现场总线的产生：

（1） 综合自动化的要求，改善TQCS，解决自动化孤岛；

（2） 控制系统网络化发展趋势，计算机集中控制系统-DCS-FCS

（3） 智能仪表的发展（通信技术、信号处理技术）

技术支撑：计算机技术、网络技术

自动化孤岛：设备之间采用传统一对一连线，或自成体系的封闭式集散系统，很难实现设备之间及系统和外界的信息交换。

本质含义：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。（智能现场设备：具有数字计算、数字通信能力的测量控制设备）

现场总线系统既是开放的数据通信系统、网络系统，又是由现场设备实现完整控制功能的全分布式控制系统。既是通信网络，又是控制网络。

本质表现：

（1）现场设备互连：传感器、变送器等设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。

（2）现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。

（3）互操作性：不同制造商的产品互相连接。

（4）分散功能块：功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。

（5）通讯线供电 ，符合本质安全。

（6）开放式互连网络 ：既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。

特点和优点：

（1）系统的开放性，通讯协议一致公开，系统开放互连。

（2）互可操作性，实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通。

（3）互换性，自由选择不同制造商的仪表进行互换，不影响系统工作。

（4）一对N结构，一对传输线，Ｎ台仪表，双向传输多个信号，接线简单、安装费用低、维护方便。

（5）系统结构的高度分散性。

（6）实现控制彻底分散，现场智能设备内置微处理。

（7）对现场环境的适应性，通信介质抗干扰性强，总线供电防爆。

（8）智能仪表与功能自治性，将传感测量、变换和补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

（9）可控状态，操作员在控制室即可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可以预测和寻找事故。

（10）实现全数字化通信。

（11）统一组态,现场设备或现场仪表功能块概念的引入，使组态非常简单。

总线标准：开放性、可互操作性、互换性 

总线结构：一对N 

现场要求：结构分散、适应现场 

节点特性：智能节点、可控状态、全数字化、 控制分散、统一组态

降低布线、设备安装、调试成本和运行维护成本，但技术成本高。

开放系统互连模型是现场总线技术的基础。

发展趋势：

（1）注重系统的开放性：封闭、自成一体的系统定会消亡

（2）注重应用系统设备间的互操作性。

（3）注重控制网络与公用数据网络的结合。

（4）注重使测控设备具备网络浏览功能。

（5）以太网已直接进入控制网络。

（6）多种通信方式下的数据传输与数据集成，管控一体化目标下的数据综合利用

计算机网络指的就是由相互自治的计算机按照一定的协议互相连接起来的一个集合。

以太局域网结构：用网卡、双绞线、集线器

局域网（LAN）：联网的计算机局限在1km范围之内 

城域网（MAN）：联网范围10km左右 

广域网（WAN）：联网范围100km以上 使用路由器

通过四种网络特性-通信介质、协议、拓扑以及私有网和公共网间的边界点来确定网络的类型。通信介质是指用来连接计算机和网络的电缆、光纤电缆、无线电波或微波。通常LAN结束在通信介质改变的地方。

局域网技术以太网、令牌环网：

（1）都是局域网技术，计算机发出和收到的都是一帧一帧的数据流，局域网技术安排各主机在局域网中传送帧的策略；

（2）以太网通过载波监听多路访问/冲突监测来决定是否发送分组；令牌环网通过是否持有称为令牌的帧来决定是否发送分组。

网络拓扑：

（1）总线型:采用单根传输线作为介质, 所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到干线电缆即总线上，一个站发送数据，其它站都能接收，公共的传输线路，一次只能由一个设备发送数据，需要一定的存取控制方式。结构简单；电缆长度短，易于布线和维护；造价低；易于扩充等。故障诊断和隔离困难。

（2）星形拓扑：所有站点都通过点-点连接到一个中心节点，此点称做网络的集线器 (HUB)，任何两站之间通信都通过节点进行。任何一个连接只涉及到HUB和一个站点，因此控制介质访问的方法很简单。单个站点的故障只影响一个站点，不会影响全网，因此容易检测和隔离故障。对中心站点的可靠性和冗余度要求很高，一旦它产生故障，则全网不能工作，且需要大量电缆。每个终端节点的通信处理量小，适合终端密集的场合。

（3）环形拓扑：所有站点彼此串行连接，就像连成链一样，构成一个回路或称作环，数据是单方向被传输的，两个站点之间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制，同时控制软件比较简单，可靠性高，网络连接设备只是简单的中继器。由于环路是封闭的，所以扩充不方便。另外，当环中所接站点过多时，将会影响信息传输效率，某个设备故障可能导致网络瘫痪。

（4）树形拓扑。

计算机网络的通信过程：

对等实体之间直接进行通信，下面一个层次向上面一个层次提供服务，上面一个层次使用下面一个层次提供的服务。

因特网采用TCP/IP协议进行网络互联。

（1）集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。采用CSMA/CD（一种检测协议）访问方式。

（2）中继器起简单的信号放大作用，用于驱动很长的通信介质。 中继器主要用于扩充局域网电缆线段的距离。中继器不具备检查错误和纠正错误的功能，中继器还会引入延时。

（3）网桥是将多个局域网连接起来的一种工作在数据链路层的设备。能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。

（4）路由器工作在网络层，用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网，还具有网络流量控制功能。

（5）网关又称协议转换器，其作用是使处于通信网上采用不同高层协议的主机仍然可以互相合作，完成各种分布式应用，网关工作在七层协议的传输层或更高层。

（6）交换机是工作在第二层即数据链路层的一种设备，它根据MAC地址对数据帧进行转发。

网桥和路由器比较：

网桥于高层协议，它把几个物理网络连接起来后提供给用户的仍然是一个逻辑网络，用户根本不知道有网桥存在；路由器则利用互连网协议将网络分成几个逻辑子网。

协议指的是对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合，它对信息交换的速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤以及出错控制等许多参数作出定义。嵌入软件或固件代码形式存在于每个网络装置中。

通信双方为了实现通信而设计约定的通话规则。

CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测：采用分布式控制方法，附接总线的各个节点通过竞争的方式，获得总线的使用权。只有获得使用权的节点才可以向总线发送信息帧，该信息帧将被附接总线的所有节点感知。

载波侦听：发送节点在发送信息帧之前，必须侦听媒体是否处于空闲状态，先听再将。 

多路访问：具有两种含义，既表示多个节点可以同时访问媒体，也表示一个节点发送的信息帧可以被多个节点所接收。 

冲突检测：发送节点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生冲突（同一时刻，有无其他节点也在发送信息帧）。

优点:原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。

缺点：网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降，网络效率降低。

数据链路层：逻辑链路层LLC和介质访问控制MAC两个子层

介质访问控制方法分别是：

1 争用型介质访问控制，又称随机型的介质访问控制协议，如CSMA/CD方式。

2 确定型介质访问控制，又称有序的访问控制协议，如Token(令牌）方式

开放系统互连参考模型

发送从上到下，接收从下到上，对等层：相同协议和数据表示格式。

服务、接口和协议：服务说明某层为上一层提供什么功能，接口说明上层如何使用下一层的服务，而协议定义如何实现本层的服务。

网络互连是为了将两个或者两个以上具有自治能力、 同构或异构的计算机网络连接起来，实现数据流通，扩大资源共享的范围，或者容纳更多的用户。

1—3层低层通信传送，4—7层高层通信处理

（1）物理层：定义了物理链路的电气和机械特性。保证点到点链路在光、电和机械上是可以传送数据流的。

（2）数据链路层：用于链路连接的建立、维持和拆除，实现数据无差错传输，并实现流量控制。接收物理层的原始数据位流以组成帧(位组），并在网络设备之间传输。帧含有源站点和目的站点的物理地址。特征参数包括：物理地址、网络拓扑结构、错误警告机制、所传数据帧的排序和流控。

（3）网络层：网间网层，处理网络间路由，确保数据及时传送。对于各种不同底层技术网络，为了隐藏物理网络细节，引入了逻辑地址（IP地址）概念，对各网络中每个网络接口，无论基于何种底层技术，都用逻辑地址来编号，将数据链路层提供的帧组成数据包。

（4）传输层：提供建立、维护和取消传输连接功能，在源借点和目的节点之间提供端到端可靠地传输数据，并负责隐藏各通信子网的差异，通过差错恢复，流量控制等功能，最终为会话层提供可靠的,无误的数据传输。

（5）会话层：提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。验证用户登录。

（6）表示层：提供格式化的表示和转换数据服务。压缩和解压缩，加密和解密。

（7）应用层：提供网络与用户应用软件之间的接口服务。最高层,是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。

OSI为七层模型， TCP/IP为四层次模型。OSI是一种理论模型，TCP／IP是事实上的互联网标准。

传输控制协议/因特网互联协议

(1)应用层：该层包括所有和应用程序协同工作，利用基础网络交换应用程序专用的数据的协议。HTTP、FTP、TELNE。

(2)传输层：该层提供端对端的通信。最重要的传输层协议是传输控制协议TCP、用户数据协议UDP。

(3)网络层：负责数据转发和路由。最核心的协议是IP（Internet Protocol）互联网络协议。

(4)网络接口层（链路层）：TCP/IP参考模型定义了链路层，但该层不属于 TCP/IP 协议栈的范围。技术：以太网 (Ethernet)，令牌环，帧中继，ATM。

以太网: 物理层和数据链路层为基础。提高了网络性能和降低了系统成本。

三种不同的局域网技术：

（1）以太网/IEEE 802.3—采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到10Mbps；

（2）100Mbps以太网—又称为快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输速率达到100Mbps；

（3）1000Mbps以太网—又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒体，传输速率达到1000Mbps（1Gbps）

在这两个层上定义了多个协议，其中以TCP/IP最流行。 即使在TCP之上，针对自动化行业有多个应用层协议，如Ethernet/IP、PROFInet、FF HSE、MODBUS/TCP、BACnet和一些私有协议。

EtherNet/IP, 标准TCP/IP以太网和通用工业协议（CIP）的结合。

PROFINET 是基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准。

HSE是一种基于Ethernet＋TCP／IP协议、运行在100Base－T以太网上的高速现场总线。它能支持低速总线H1的所有功能，是对H1的补充和增强。

LonWorks分布式智能设备控制网络 

节点对等，对等神经元结构，无主从。

Neuron芯片：集通信、控制、调度、I/O支持为一体的芯片。3150（有片外存储区）和3120两个系列

3个处理器：

（1）MAC处理器：介质访问控制，完成OSI的最低两层协议。

（2）网络处理器：处理网络变量、地址、定时、网络管理，完成3到6层协议。

（3）应用处理器：完成用户编程。

通信模式：单端、差分、专用模式。

时钟系统：完成多任务调度，定时，看门狗

支持节电模式

Neuron芯片的固件：包括基于OSI参考模型的LonTalk协议、I/O驱动程序、事件驱动的多任务调试程度以及函数库等部分。

LonTalk协议固化在每一个LonWorks设备的神经元芯片（3120）中或片外存储器中（3150）。

Neuron C面向对象编程语言：

（1）1个内部多任务调度程序。

（2）when语句+表达式，定义由事件驱动的任务和优先级。

（3）网络变量，实现节点间数据共享。

（4）I/O显式说明

（5）显式报文

（6）增强时间处理、I/O支持、报文处理。

事件：用户自定义事件和预定义事件

有优先级调度方法：当给定时间发生条件为真时，该事件关联的任务被执行。对任务定义优先级，使重要事件优先响应，但是当的优先级事件的任务执行时，即使高优先级的事件发生，也要等到的优先级任务执行完成后，重新调度执行高优先级的任务。

优先级when语句在每次调度程序运行时以指定的顺序被检查。如果任何优先级when语句被检测为真，则与它相对应的任务就被执行，然后调度程序又重新回到优先级when语句队列头，从头开始检测优先级when语句。

LonTalk协议特点：

（1）LonTalk协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。

（2）LonTalk应用可以运行在任何主处理器(Host Processor)上。主处理器(微控制器、微处理器、计算机)管理LonTalk协议的第六层和第七层,并使用LonWorks网络接口管理第一层到第五层。

（3）LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体，并都有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程，大大降低了开发人员的工作量。

（4）LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓扑等多种拓扑结构类型，极大地方便了控制网络的构建。

（5）实时性，可靠性，多节点。

（1）物理层：功能是在两个节点之间通过传输媒介物理通道，并向上面的数据链路提供透明的位流传输。LanTalk协议支持双绞线、电力线、无线射频、红外线、同轴电缆以及光缆等不同类型的传输媒介。

（2）数据链路层：数据链路层的功能是保证物理链路上数据的可靠传送。它负责数据帧的传送，并进行必要的同步控制、差错控制和流量控制，并向上层（网络层）提供无差错的数据传输。分为介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个子层。

介质访问控制协议可预测P—坚持CSMA

CSMA是一种竞争型、随机型访问方法：

任何节点要访问传输介质发送消息时，首先要侦听介质上是否有其它节点正在传送信息，即有无载波，如果介质无载波，未被占用，则可以利用信道进行信息传送，如果其它节点正在利用传输介质进行通信，则必须等待信道空闲之后才能进行传送。

缺点：网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降，网络效率降低。

可预测P—坚持CSMA：要求发送数据的节点监听信道，若信道闲，则以概率P发送信息包，并以1-P的概率延迟一个时间单位重新监听信道，若信道仍然闲，则重复上述过程。 

若发送节点一开始就监听到信道忙，则继续监听，直到信道由忙变闲后以概率P发送信息包，以1-P的概率延迟一个时间单位再监听。

LonTalk协议中的概率P根据网络负载的轻重是可预测的。在网络重载的情况下，P值调小以降低网络冲突的可能性，避免网络拥塞现象。在网络轻载的情况，P值调大，减小媒介的访问延时。

这样保留了CSMA的优点，并克服了在网络重载时的不足。

（3）网络层：通信子网层，LonTalk协议定义了一种分层编址方式，最高层为域地址，下面为子网地址，再下是节点地址，并定义如何发送接受响应报文。

（4）传输层：传输层协议在OSI上层模型中是低三层与高三层之间衔接的接口，为用户提供进程与进程之间的通信。它从下层获取的服务是发送和接收顺序正确的数据块。它向上层提供的服务是为无差错的报文收发提供传输道路和传输地址。

（5）表示层：对应用层输入的命令和数据内容加以解释说明，并赋予各种语法以应有的含义，使从应用层送入的各种信息具有明确的表示意义。

（6）会话层：在两个节点或用户之间进行原始的报文传输，并增加了一些面向用户的服务。

（7）应用层：应用层是参考模型的最高层，直接为用户服务，是发送和接收用户应用进程，进行信息交换的执行机构。应用层增加了四类对象：I/O对象、定时器、网络变量和消息标签。

LON网络的开发、安装、维护和管理的工具平台。 

它们是开发工具LonBuilder和NodeBuilder，安装工具Lonmanager和LonMaker。

LonWorks控制网络组成部分： 

智能神经元芯片；(处理器、I/O、存储器) 

Neuron C语言；When语句、优先级、网络变量、显式报文、I/O显式操作

LonTalk协议；

LonWorks收发器；

LonMark互操作性标准；

LonWorks网络服务架构LNS；

网络开发工具LonBuilder和节点开发工具NodeBuilder。

LonWorks技术：

（1）LonWorks节点

（2）LonTalk协议；

（3）LonWorks收发器；

（4）网络开发工具LonBuilder和节点开发工具NodeBuilder。

网络拓扑结构：总线型、星型、环型、混合型

物理网络的组成：路由器、网关

逻辑网络（网络层）：域、子网、节点；域、组地址、Neuron ID。

LonWorks特点：

（1） 结构简单；

（2） 抗干扰能力； 

（3） 节点的平等关系； 

（4） 可编程性能好； 

（5） 动态多变的网络体系结构； 

（6） 透明性、分布性、可靠性、灵活性、简便性、廉价性；

（7） 无行业。

智能节点分类：

（1） 基于NEURON芯片的节点； 

（2） 基于主机的节点。（ NEURON芯片只完成通信工作）

智能节点组成：Neuron芯片；外部存储器；收发器；I/O调理电路；电源。

软件设计的方法和过程：

（1）定义I/O对象；

（2）定义定时器对象；

（3）定义网络变量和显式报文；

（4）定义任务；

（5）完成用户自定义的其他函数。

控制网络结构：

（1）现场智能节点

（2）网络适配器

（3）工控机

PROFIBUS 石油、化工、制药、汽车，面向工厂自动化与流程自动化

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。适合于加工自动化领域，即离散行业。

PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，总线供电有本征安全规范。

PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。车间级报文交换，主站之间的通信。

协议结构：

PROFIBUS－DP：定义了第一．二层和用户接口。

PROFIBUS－FMS：定义了第一、二、七层。 应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低层接口(Lower Layer Interface － LLI)。

PROFIBUS－PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS－DP协议。

PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议。

PROFIBUS提供了三种数据传输类型： 

（1） 用于DP和FMS的RS485传输。线性总线拓扑，屏蔽双绞铜线，32个站。

（2） 用于PA的IEC1158－2传输。 符合本征安全性，并通过总线对现场设备供电，IEC1158－2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，线型或树型拓扑，曼彻斯特编码。

（3） 用于DP和FMS光纤。远程高速抗扰。

PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。

PROFIBUS总线存取协：主站之间的令牌传递方式，主站与从站之间的主从方式。通过数据链路层来实现的，介质存取控制（Medium Access Control - MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据，制定总线上的站点分配并建立逻辑环。

数据链路层任务：

（1） （令牌传递程序）保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。

（2） 保证数据的可靠性。PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。

PROFIBUS系统组成：

主站 ：

一类主站：一类主站完成总线通信控制与管理，完成周期性数据访问。PLC、PC或可做一类主站的控制器。 

二类主站：二类主站完成非周期性数据访问，如数据读写、系统配置、故障诊断等。二类主站包括：操作员工作站（如PC机加图形监控软件）、编程器、HMI等。

从站：

（1）PLC或其它控制器：PLC可做PROFIBUS上的一个从站。PLC自身有程序存储，PLC执行程序并按程序指令驱动I/O。做为PROFIBUS主站的一个从站，在存储器中有一段特定区域作为与主站通信的共享数据区。主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O。 

（2）分散式I/O：分散式I/O不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。 通常分散型I/O是由主站统一编址，主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么别。

（3）智能现场设备：即带PROFIBUS接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于那些参数可进行通信及参数格式由PROFIBUS行规决定。

结构分类：

（1）单主站的系统

（2）带监控站的系统

（3）多主系统及分层的多主系统

现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS） 

现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link-FDL） 

介质存取控制（Medium Access Control-MAC）

电子设备数据文件（GSD）：使用根据GSD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中。包括三部分：总规范、与DP有关的规范、与DP从站有关的规范。

总线桥：将用户产品与PROFBUS总线连接，实现用户产品数据到PROFIBUS的通信。

FF 基金会总线（Foundation Fieldbus）

适应过程自动化系统在功能、环境与技术的需要，适合在流程工业现场工作，满足本安防爆要求，总线供电。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。

主要技术：

（1） 通信技术：通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。

（2） 标准化功能块（FB，Function Block）与功能块应用进程（FBAP， Function Block Application Process）。便于实现不同制造厂商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。  

（3） 设备描述（DD，Device Description）与设备描述语言（DDL， Device Description Language）。 实现互操作性，是设备驱动的基础，可以看作是设备的驱动程序。

（4） 现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。

（5） 系统集成技术。--通信系统与控制系统的集成。

（6） 系统测试技术。--一致性与互可操作性测试技术（产品、系统）；总线监听分析；系统功能测试。 

物理层：规定了现场总线的传输介质、传输速率、最大传输距离、拓扑结构及信号类型等。现场总线的传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线电。

数据链路层：所有连接到同一物理通道上的应用进程都是通过数据链路层的实时管理来协调的。

应用层：定义现场总线的命令、响应、数据和事件。分为：总线报文规范层FMS，为用户层提供服务，完成功能块的服务；现场总线访问子层FAS，与数据链路层连接。

用户层：规定了一些标准的功能模块(FunctinonBlock)供用户组态构成系统。为了支持不同厂商之间功能块的标准化和互操作性，FF定义了两个工具，即设备描述语言DDL和对象字典OD。

物理层规定了信号如何产生和发送； 

数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信； 

应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式； 

用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。 

虚拟现场设备VFD模块化为一个个资源块。资源块表达了应用进程的网络硬件和软件对象，描述了现场总线设备的特征，如设备名、制造者、系列号。

现场总线设备在数据链路层可分为两种：基本设备和链路主设备。

在每一个网段中都有一个特殊的链路主设备，它能够调度本网络段各个设备的通信活动，称为LAS链路活动调度器。

通信活动分为：周期性、非周期性。

周期性通信：由链路活动调度器按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动。

非周期性通信：预定周期性通信时间之外的时间，通过得到令牌发送信息。

LAS通过调度表指示一个设备发送周期数据，当没有周期性数据发送时，LAS循环地向所有链路主设备发送令牌，使其获得发送非周期性数据的机会。此外，数据链路层还要完成两条总线之间通信的桥路连接管理。

数据链路时间的同步： 链路活动调度器周期性地广播一个时间发布消息TD（Time Distribution），以便所有的设备都准确地具有相同的数据链路时间。

LAS基本功能：

（1） 向设备发送强制数据CD。 

（2） 向设备发送传递令牌PT。 

（3） 为新入网的设备探测未被采用过的地址。 

（4） 定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。 

（5） 监视设备对传递令牌PT的响应。

虚拟通信关系：设备之间传送信息是通过预先组态好的通信通道进行的，该通信通道即虚拟通信关系。

客户/服务器型：用户发起的、一对一的、排队式、非周期通信

报告分发型：排队式、非周期通信、用户发起、一对多通信方式

发布/预定接收型：缓冲型、一对多、受调度或非周期

FF通信控制器功能： 

（1） 总线上的信号驱动和信号接收； 

（2） 传输数据的串、并行转换； 

（3） 串行数据的编码和解码； 

（4） 信息帧的打包和解包； 

（5） 帧校验序列的产生和验证。

HES基金会高速现场总线

控制网络的实时信息传输量越来越大，H2的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。取而代之的是现场总线技术与以太网技术相结合的新型高速现场总线FF-HSE。

HSE是一种基于Ethernet＋TCP／IP协议、运行在100Base－T以太网上的高速现场总线。它能支持低速总线H1的所有功能，是对H1的补充和增强。

采用了OSI参考模型中物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，并在应用层上增加了用户层，形成6层的通信模型。

HSE设备分为4类：主机设备、链接设备、网关设备和以太网现场设备，其功能分别为对系统进行组态、监控和管理，将H1总线段链入FF－HSE网络，实现与其它标准总线通信，连接高速I／O设备或PLC。

冗余设计（通信路径冗余、设备冗余）

灵活功能块（实现离散控制）

组态：位号分配；功能块对象与参数；网络参数。

CAN 控制器局域网 低成本、高速、抗干扰性强

特点：

（1） 一种多主总线，即每个节点均可成为主机，且节点之间也可进行通信；

（2） 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps；

（3） CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理；

（4） 通信数据块进行编码；

（5） 采用短帧结构；

（6） 使用CRC检验；

（7） 报文滤波技术

（8） 采用非破坏性仲裁技术

高层协议：

（1）CanOpen协议，电梯

（2）DeviceNet协议，流程行业

（3）CAL协议

（4）SDS协议

两层通信参考模型：

（1）物理层：规定了节点的全部电气特性以及信号如何发送；

（2）数据链路层：逻辑链路子层LLC，媒体访问控制子层MAC

LLC：对总线上的报文接受滤波，超载通知，恢复管理

MAC：CAN协议核心，负责执行总线仲裁、报文成帧、出错检测、错误标定

等传输控制规则。

通信方式：点对点、一点对多点、全局广播

HART 高速可寻址远程变送器 过渡协议

特点：

（1）在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过程的过渡产品。

（2）采用统一的设备描述语言DDL——互换性、互操作性

（3）总线供电，可满足本质安全防爆要求

具体：在模拟信号上叠加一个正弦频率信号（均值为0，不会影响模拟信号），使模拟信号与数字双向通信同时进行，互不干扰。基于Bell 202标准的FSK技术，实现数模同传。

物理层：规定了信号的传输方法，信号电平，设备阻抗和介质。

数据链路层：规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。

应用层：为HART命令集，用于实现 HART指令。命令分为三类，即通用命令、普

通命令和专用命令。

设备类型：从设备、突发模式设备、主设备

通信方式：主从、突发模式、半双工

DDE动态数据交换：

Windows应用程序之间进行数据传输的方法之一,是基于消息的并且利用Windows中的通信联络系统进行内部进程间的相互通信。 

DDE 使用共享内存实现进程之间的数据交换及使用协议达到传递数据的同步。

优点：绝大多数软件都有DDE接口，支持DDE协议，使用方便。

缺点：当通信数据量大时，数据刷新速度慢，易出现死机现象。数据较少时用DDE

比较实用。没有安全性管理机制，开发困难，功能缺乏柔软性。

OPC（OLE for Process Control）：连入以太网，再与总线通信

是由OPC基金会开发的基于微软组建对象模型(COM) 的一组技术规范。OPC是作为工业标准定义的特殊的COM口。

在OPC 工业标准规范的基础上,现场设备、自动化与控制应用程序、商业利办公应用程序等硬件与软件之间、软件与软件之间就能够进行分布式的协调运行。

应用程序为客户方，硬件驱动程序为服务方

连接数据提供源（OPC服务器）和数据使用者（OPC应用程序）

采用客户/服务器模型

技术基础：

（1） OLE技术，对象链接嵌入技术；

（2） COM组建对象模型；

（3） DCOM分布式组件对象模型。

优点：

（1）灵活性：接收所有类型的客户机及服务器。

（2）高效性：优化快速传输数据，保证数据量大时仍然保持较高传输效率。

（3）开放性：可支持所有的编程语言。

（4）可利用Internet。

（5）容易实施掌握，即插即用，可靠性高，功能具有高度柔软性以及基于DCOM的安全管理机制。

物联网IOT Internet of Things

IOT：侧重信息化，贴近生活

     感知层、网络层、应用层

     技术：WSN，云计算，多网融合

Internet：网络层。

FCS：感知层，侧重有线通信，工业自动化。

WSN：感知层，无线传感网络。

物联网：传感网在概念上的扩展，互联网在实际中的应用。万物都接入到互联网，把物体通过安装射频识别设备、红外感应器、GPS等传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别与管理。

全面感知、可靠传送、智能控制。

物联网产业链：标识、感知、处理、信息传送。

感知层：数据采集，数据短距离传输

         RFID感应、红外感应、GPS、激光扫描

网络层：数据长距离传输

         移动通讯网络、互联网、云计算、无线网络

应用层：数据处理，人机交互（监控、检索、智能交通、智能家居）

         人工智能

自动化装置:

基地式仪表；单元组合仪表； 计算机集中控制系统；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（FCS）

DCS由四部份组成：操作站、控制器、 I/O板、通讯网络

DCS缺点：

（1） 数字-模拟混合系统，信号可靠性差

（2） 互换性差

（3） 价格昂贵

现场总线控制系统（FCS）是将现场总线技术应用于具体的生产过程，构成网络化、分散化的自动控制系统。

三部分组成： 

（1） 智能仪表、控制器 

（2） 现场总线 

（3） 线路监控、组态计算机

基础：总线网卡、通信协议

优势：

（1） 系统结构大大简化，成本显著降低； 

（2） 现场设备自治性加强，系统性能全面提高； 

（3） 提高了信号传输的可靠性和精度； 

（4） 真正实现全分散、全数字化的控制网络； 

（5） 用户始终拥有系统集成权。