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1、工业控制网络05Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望为什么要学习为什么要学习ControlNetControlNet现场总线？现场总线？ControlNetControlNet是一种高速的工业控制网络是一种高速的工业控制网络; ;ControlNetControlNet是是开开放放、实实时时、具具有有确确定定性性和和可可重重复复性性(Determinism & Repeatability)(Determinism & Repeatability)的现场总线；的现场总线；C
2、ontrolNetControlNet是是世世界界一一流流的的自自动动化化控控制制和和信信息息解解决决方方案案 供供 应应 商商 美美 国国 罗罗 克克 韦韦 尔尔 自自 动动 化化 (Rockwell (Rockwell Automation)Automation)公公司司推推出出的的最最优优的的工工业业控控制制网网络络技技术术NetLinxNetLinx的的控控制制层层网网络络，也也是是罗罗克克韦韦尔尔电电子子化化制造（制造（E-manufacturingE-manufacturing）概念）概念的主要技术之一。的主要技术之一。 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 2 2Co
3、ntrolNetControlNet的由来、组织机构与标准的由来、组织机构与标准ControlNetControlNet是是由由美美国国罗罗克克韦韦尔尔自自动动化化公公司司于于19971997年年推推出出的的一一种种新的面向控制层的新的面向控制层的实时性实时性实时性实时性现场总线。现场总线。 19971997年年7 7月月由由罗罗克克韦韦尔尔自自动动化化等等2222家家公公司司联联合合发发起起成成立立了了控控制制网国际组织网国际组织CICI（ControlNet InternationalControlNet International）。）。 CICI是是一一个个为为用用户户和和供供货货商商
4、服服务务的的非非盈盈利利性性的的独独立立组组织织。它它负负责责ControlNetControlNet技技术术规规范范的的管管理理和和发发展展，并并通通过过开开发发测测试试软软件件提提供供 产产 品品 的的 一一 致致 性性 测测 试试 ， 出出 版版 ControlNetControlNet产产 品品 目目 录录 ， 进进 行行ControlNetControlNet技技术术培培训训，促促进进世世界界范范围围内内ControlNetControlNet技技术术的的推推广广和应用，等等。和应用，等等。 20002000年年 1 1月月 、 20022002年年 2 2月月 ControlNet
5、ControlNet分分 别别 成成 为为 国国 际际 标标 准准IEC61158IEC61158第第2 2版、第版、第3 3版的类型版的类型2 2（Type 2Type 2）。 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 3 3ControlNetControlNetControlNet的特点、优点与应用的特点、优点与应用 ControlNetControlNet网网络络使使用用生生生生产产产产者者者者/ /消消消消费费费费者者者者模模模模型型型型。生生产产者者/ /消消费费者者模模型型允允许许一一个个发发送送设设备备（生生产产者者）与与多多个个接接收收设设备备（消消费费者者）之之间间
6、交交换换时时间间紧紧要要的的应应用用信信息息，而不需将发往多个目的的数据发送多次而不需将发往多个目的的数据发送多次 。确确定定性性控控制制网网络络使使用用一一种种隐隐隐隐性性性性令令令令牌牌牌牌传传传传递递递递机机机机制制制制来来提提高高协议效率。协议效率。 协协议议使使用用一一种种基基于于时时间间的的预预定定机机制制，它它可可使使网网络络设设备备以以确确确确定定定定性性性性的的的的、可可可可预预预预测测测测性性性性的的方方式式来来访访问问媒媒体体，同同时时也防止了网络碰撞。也防止了网络碰撞。 哈工大网络与电气智能化研究所 4 4ControlNetControlNet的主要技术特点可归纳为：
7、 （1 1）物理层介质：）物理层介质：）物理层介质：）物理层介质：RG6RG6同轴电缆、光纤。同轴电缆、光纤。同轴电缆、光纤。同轴电缆、光纤。（2 2）网网络络拓拓扑扑：总总线线形形、星星形形、树树形形及及其其任何拓扑的混合。任何拓扑的混合。（3 3）单单网网段段长长度度：使使用用同同轴轴电电缆缆，1000m1000m、 带带2 2个个节节点点，250m250m、带带4848个个节节点点；使使用用光光纤纤，短距离系统为短距离系统为300m300m，中等距离系统为，中等距离系统为7km7km。 哈工大网络与电气智能化研究所 5 5（4 4）中中继继器器数数目目：串串行行使使用用，最最大大支支持持
8、5 5个个中中继继器器，连连接接6 6个个网网段段；并并行行使使用用，最最大大支支持持4848个中继器，连接个中继器，连接4848个网段。个网段。（5 5）中继器类型：）中继器类型：ac&dcac&dc高压型和高压型和dcdc低压型。低压型。（6 6）带带中中继继器器最最大大拓拓扑扑长长度度：使使用用同同轴轴电电缆缆，5000m5000m；使用光纤，；使用光纤，30km30km。（7 7）网网络络节节点点数数：使使用用中中继继器器，可可编编址址节节点点最多为最多为9999个个个个；不带中继器，最多；不带中继器，最多4848个节点。个节点。ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 6 6
9、（8 8）设备供电方式：设备采用外部供电。）设备供电方式：设备采用外部供电。（9 9）节节点点插插拔拔：节节点点可可带带电电插插拨拨，安安装装与与更换方便。更换方便。（1010）网络速度：）网络速度：5Mbps5Mbps（最大）。（最大）。（1111）I/OI/O数据个数：不限。数据个数：不限。（1212）I/OI/O数数数数据据据据触触触触发发发发方方方方式式式式：轮轮轮轮询询询询、状状状状态态态态改改改改变变变变/ /周期。周期。周期。周期。ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 7 7（13）网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据。（14）网络模型：生产者/消费者
10、。（15）网络刷新时间：可组态2-100ms。ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 8 8ControlNet突出优点 ：（1 1）ControlNetControlNet是是高高速速的的控控制制和和I/OI/O网网络络，具具有有增增强强的的I/OI/O性性能能和和点点对对点点通通信信能能力力，支支持持多多主主方方式式，可可以以从从任任何何一一个个节节点点（甚甚至至适适配器）访问整个网络。配器）访问整个网络。（2 2）对对于于离离散散和和连连续续过过程程控控制制应应用用场场合合，均具有均具有确定性确定性确定性确定性和和可重复性可重复性可重复性可重复性。ControlNet哈工大网络
11、与电气智能化研究所 9 9ControlNet突出优点 ：（3 3）先先进进的的生生生生产产产产者者者者/ /消消消消费费费费者者者者网网网网络络络络模模模模型型型型，最最大大限限度度地地优优化化了了带带宽宽的的利利用用率率，并并可可构构成成多多主主、主主/ /从从、对对等等的的通通信信结结构构；媒媒体体访访问问算算法法确确保了控制信息传送时间的保了控制信息传送时间的准确性准确性准确性准确性。（4 4）ControlNetControlNet具具有有灵灵活活的的安安装装选选择择，可可使使用用各各种种标标准准的的低低价价同同轴轴电电缆缆，也也可可使使用用具具有有强强抗抗干干扰扰性性和和本本征征安
12、安全全性性的的光光纤纤，并并支支持持媒媒体冗余方式。体冗余方式。ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1010ControlNet体系结构与协议分层结构体系结构与协议分层结构作作为为罗罗克克韦韦尔尔自自动动化化推推出出的的NetLinxNetLinx三三层层网网络络控控制制层层的的ControlNetControlNet，是是一一种种高高效效、可可靠靠、组组态态与与编编程程简简单单、结结构构灵灵活活的的高高速速确确定定性性网网络络，用用于于对对时时间间有有苛苛刻刻要要求求的的应应用用场场合合的的信信息息传传输输，对对于于在在同同一一链链路路上上的的I/OI/O、控控制制器器实实时时
13、互互锁锁、对对等等通通信信报报文文传传送送和和编编程程操操作作，均均具具有有相相同同的的带带宽。宽。其其体体系系结结构构与与拓拓扑扑结结构构分分别别如如图图5-15-1、图图5-25-2所所示。示。ControlNetControlNet支持冗余方式，如图支持冗余方式，如图5-35-3所示。所示。 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1111图图5-1 ControlNet5-1 ControlNet体系结构体系结构 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1212图图5-2 ControlNet5-2 ControlNet拓扑结构拓扑结构 ControlNet哈工大网
14、络与电气智能化研究所 1313图图5-3 ControlNet5-3 ControlNet冗余方式冗余方式 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1414一种一种隐性令牌传递机制隐性令牌传递机制隐性令牌传递机制隐性令牌传递机制被用于获取媒体访问权。被用于获取媒体访问权。uu每个节点均具有每个节点均具有1 1个个“ “隐性令牌寄存器隐性令牌寄存器” ”。uu所所有有节节点点的的“ “隐隐性性令令牌牌寄寄存存器器” ”含含有有相相同同值值以以防止媒体上的碰撞。防止媒体上的碰撞。uu每每个个DLLDLL在在MACMAC帧帧结结束束时时将将“ “隐隐性性令令牌牌寄寄存存器器” ”设为所收到
15、的设为所收到的MAC IDMAC ID加加1 1。uu若若隐隐性性令令牌牌寄寄存存器器等等于于本本地地MAC MAC IDID，则则节节点点可发送一个可发送一个MACMAC帧。帧。ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1515ControNetControNet使用一种隐性令牌传递机制来提高协议效率。使用一种隐性令牌传递机制来提高协议效率。允允许许所所有有设设备备具具有有同同等等机机会会访访问问网网络络，而而没没有有因因向向每每个个设设备备传传递递一一个个“ “令令牌牌” ”以以使使其其获获取取发发送送数数据据的的许许可可的的网网络络开开销。销。协协议议使使用用一一种种基基于于时时
16、间间的的预预定定机机制制，它它可可使使网网络络设设备备以以确确定定性性的的、可可预预测测性性的的方方式式来来访访问问媒媒体体，同同时时也也防防止止了了网网络络碰撞。碰撞。允允许许那那些些被被要要求求基基于于周周期期、可可重重复复和和可可预预测测的的，且且时时间间紧紧要要的的数数据据在在一一个个预预定定义义的的进进度度中中被被生生产产，而而没没有有因因连连续续请请求或求或“ “轮询轮询” ”来获取数据所产生的效率损失。来获取数据所产生的效率损失。允允许许那那些些本本质质上上对对时时间间紧紧要要或或偶偶然然性性基基础础上上被被要要求求的的数数据据利利用用任任何何可可用用的的网网络络时时间间。这这些
17、些非非预预定定的的数数据据是是在在完完成成时时间间紧紧要要的的数数据据的的生生产产后后，在在此此类类数数据据的的下下一一个个预预定定生生产产的的开始之前被发送的。开始之前被发送的。 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1616 如如 图图 所所 示示 ， MACMAC帧帧 格格 式式 是是 协协 议议 数数 据据 单单 元元（PDUPDU），MACMAC帧帧的的各各部部件件以以下下列列顺顺序序发发送送：前前同同步步、起起始始界界定定符符、源源MAC MAC IDID、0 0个个或或多多个个LpacketsLpackets、CRCCRC和结束界定符。和结束界定符。 ControlN
18、et哈工大网络与电气智能化研究所 1717图图 总装生产线现场总线控制系统总装生产线现场总线控制系统 ControlNet哈工大网络与电气智能化研究所 1818基金会现场总线基金会现场总线19941994年年 6 6月月 ， 现现 场场 总总 线线 的的 两两 大大 国国 际际 组组 织织ISPISP（Interoperable Interoperable System System ProtocolProtocol）和和北北美美World World FIP FIP (World (World Factory Factory Instrumentation Instrumentation P
19、rotocol) Protocol) 组组织织正正式式 合合 并并 ， 产产 生生 了了 现现现现 场场场场 总总总总 线线线线 基基基基 金金金金 会会会会 （ Fieldbus Fieldbus FoundationFoundation）。）。现现场场总总线线基基金金会会是是由由国国际际上上100100多多家家主主要要的的控控制制和和检检测测仪仪表表厂厂家家以以及及最最终终用用户户组组成成的的非非营营利利性性中中立立组组织织。其其宗宗旨旨是是开开发发适适应应于于过过程程控控制制、开开放放、可可相相互互操操作作、标标准准的的现现场场总总线线。它它同同时时符符合合IECIEC（国国际际电电工工
20、委委员员会会）标标准准及及ISAISA（美美国国仪仪器器仪仪表表学学会）的会）的SP50SP50标准，在国际上具有广泛的代表性。标准，在国际上具有广泛的代表性。 哈工大网络与电气智能化研究所 1919基金会现场总线基金会现场总线基基基基金金金金会会会会现现现现场场场场总总总总线线线线（FF, FF, Foundation Foundation FieldbusFieldbus）是是目目前前最最具具发发展展前前景景，最最具具竞竞争争力力的的现现场场总总线线之之一一，目目前前拥拥有有120120多多个个成成员员，这这包包括括世世界界上上最最主主要要的的自自动动化化设设备备供供应应商商：ABAB、A
21、BBABB、FoxboroFoxboro、HoneywellHoneywell、SmarSmar、FUJI Electric FUJI Electric 等。等。 FFFF的的通通信信模模型型以以ISO/OSI ISO/OSI 开开放放系系统统模模型型为为基基础础，采采用用了了物物物物理理理理层层层层、数数数数据据据据链链链链路路路路层层层层、应应应应用用用用层层层层，并并在在其其上上增增加加了了用户层用户层用户层用户层。FFFF总总线线采采用用的的是是令令令令牌牌牌牌总总线线通通信信方方式式，可可分分为为周周期期通信和非周期通信通信和非周期通信。哈工大网络与电气智能化研究所 2020基金会现
22、场总线基金会现场总线FFFF有有高高速速（H2H2）和和低低速速（H1H1）两两种种通通信信速速率率。H1H1的的传传输输速速率率为为31.25kb/s31.25kb/s，传传输输距距离离可可达达1900m1900m，可可采采用用中中继继器器延延长长传传输输距距离离，并并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。H2H2已已被被高高速速以以太太网网HSEHSE取取代代，HSEHSE目目前前的的通通信信速速率为率为100Mb/s100Mb/s。低低速速现现场场总总线线H1H1支支持持点点对对点点连连接接、总总线线型型、菊菊花花链链型型、树树形形拓拓扑扑结结构构。网网
23、络络中中的的设设备备数数量量取取决决于于总总线线带带宽宽、通通信信段段数数、供供电电能能力力和和通通信信介介质质的的规规格格等等因因素素。FFFF支支持持双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆、光光缆缆和和无无线线发发射射等等传传输输介介质质，物物理理传传输协议符合输协议符合IEC61158-2IEC61158-2标准，传输信号采用曼彻斯特编码。标准，传输信号采用曼彻斯特编码。 哈工大网络与电气智能化研究所 2121基金会现场总线基金会现场总线FF总线拥有非常出色的互操作性，是由于它采用了功能模块和设备描述语言（DDL，Device Description Language）使得现场节点之间能准确、可
24、靠地实现信息互通。目前FF有29个功能块，其中包括10个基本功能块和为先进控制规定的19个标准的附加功能块。用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之间通过标准的DDL实现互操作。 哈工大网络与电气智能化研究所 2222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系系统统是是为为了了适适应应自自动动化化系系统统，特特别别是是过过程程自自动动化化系系统统在在功功能能、环环境境与与技技术术上上的的需要而专门设计的。需要而专门设计的。这这种种现现场场总总线线的的系系统统是是开开放放的的，可可以以由由来来自自不不同同制制造造商商的的设设备备组组成成。只只要要这这些些制制造造商商所所设设计计与
25、与开开发发的的设设备备遵遵循循基基金金会会现现场场总总线线的的协协议议规规范范，并并且且在在产产品品开开发发期期间间，通通过过一一致致性性测测试试，确确保保产产品品与与协协议议规规范范的的一一致致性性，这这样样当当把把不不同同制制造造商商的的产产品品连连接接到到同同一一个个网网络络系系统统时时，作作为为网网络络节节点点的的各各个个设设备备之之间间就就可可以以互互操操作作，还还可可以以允允许许不不同同厂厂商商生产的相同功能设备之间相互替换。生产的相同功能设备之间相互替换。 哈工大网络与电气智能化研究所 2323基金会现场总线基金会现场总线哈工大网络与电气智能化研究所 2424基金会现场总线基金会
26、现场总线哈工大网络与电气智能化研究所 2525PROFIBUSPROFIBUS是是德德国国于于2020世世纪纪9090年年代代初初制制定定的的国国家家工工业业现现场场总总线线协协议议标标准，代号为准，代号为DIN19245DIN19245。德德国国科科学学技技术术部部总总结结了了2020世世纪纪8080年年代代德德国国工工业业界界自自动动控控制制技技术术的的发发展展经经验验，认认识识到到为为了了适适应应2020世世纪纪9090年年代代分分布布式式计计算算机机自自动动控控制制系系统统的的发发展展需需要要，有有必必要要对对现现有有的的各各公公司司自自己己的的定定义义的的网网络络协协议议加加以以规规
27、范范化化、公公开开化化，使使得得不不同同厂厂家家生生产产的的自自动动控控制制设设备备在在网网络络通通信信级级能能够够兼兼容容，以以利利于于整整体体提提高高工工业业自自动动化化系系统统的的标标准准化化水水平平，因因此此于于19871987年年将将该该任任务务列列为为德德国国国国家家项项目目，由由十十三三家家大大公公司司（如如著著名名的的SIEMENSSIEMENS、ABBABB公公司司等等）及及五家研究所经过两年多的时间完成。五家研究所经过两年多的时间完成。PROFIBUS现场总线现场总线哈工大网络与电气智能化研究所 2626PROFIBUS现场总线现场总线 PROFIBUSPROFIBUS国国
28、际际组组织织（PROFIBUS PROFIBUS InternationalInternational）简简称称PIPI，在在19951995年年成成立立。到到目目前前已已有有近近3030个个国国家家和和地地区区成成立立了了地地区区性性的的PROFIBUSPROFIBUS用用户户组组织织，会会员员已已超超过过10001000家家，发发展展成为现场总线领域内全球最大的联合组织。成为现场总线领域内全球最大的联合组织。 我我国国的的PROFIBUSPROFIBUS用用户户组组织织或或PROFIBUSPROFIBUS专专业业委委员员会会（简称（简称CPOCPO）于）于19971997年年7 7月在北京
29、成立。月在北京成立。哈工大网络与电气智能化研究所 2727PROFIBUS现场总线现场总线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、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域的自动化。流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域的自动化。PROFIBUSPROFIBUS由由3 3个个兼兼容容部部分分组组成成，即即PROFIBUS-PROFIBUS-DPDP、PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA和和 PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS。uuPROF
30、IBUS-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系统与分散式制系统与分散式 I/O I/O的通信。的通信。uuPROFIBUS-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和执执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。uuPROFIBUS-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牌结结构的实时多主网络。构的实时多主网络。哈工大网络与电气智能化研究所 2828PROFIBUS协议结构协议结构 PROFIBUS-DP
31、PROFIBUS-DP定定义义了了第第1 1、2 2层层和和用用户户接接口口。用用户户接接口口规规定定了了用用户户及及系系统统以以及及不不同同设设备备可可调调用用的的应应用用功功能能，并并详详细细说说明明了了各各种种不不同同PROFIBUS-PROFIBUS-DPDP设备的设备行为。设备的设备行为。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的的 数数 据据 传传 输输 采采 用用 扩扩 展展 的的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP协协议议。PAPA还还描描述述了了现现场场设设备备行行为为的的PAPA行行规规。根根据据IEC61158-2IEC61158-2标标准准，PAPA的的传传
32、输输技技术术可可确确保保其其本本质质安安全全性性，而而且且可可通通过过总总线线给给现现场场设设备供电。使用连接器可在备供电。使用连接器可在DPDP上扩展上扩展PAPA网络。网络。 哈工大网络与电气智能化研究所 2929PROFIBUS协议结构协议结构 PROFIBUS-FMS定义了第1、2、7层，应用 层 包 括 现 场 总 线 信 息 规 范 （ FMS, Fieldbus Message Specification）和低层接口(LLI, Lower Layer Interface)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并向FMS提供不依赖
33、设备的第2层访问接口。 哈工大网络与电气智能化研究所 3030PROFIBUS协议结构协议结构 3131 基基于于PROFIBUSPROFIBUS现现场场总总线线技技术术的的控控制制系系统统分分为为两两部部分分：采采用用PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的的设设备备控控制制层层，由由SIEMENS SIEMENS S7-300S7-300系系列列PLCPLC和和PROFIBUSPROFIBUS现现场场总总线线部部件件组组成成，完完成成生生产产设设备备的的现现场场操操作作和和控控制制；采采用用PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS的的监监控控层层，由由工工业业PCPC组组成成
34、，完完成成整整线线的的在在线线监监控控并并向向设设备备控控制制层层下下达达控控制指令。再造烟叶生产线控制系统网络结构见图制指令。再造烟叶生产线控制系统网络结构见图8-28-2。 PROFIBUS现场总线现场总线哈工大网络与电气智能化研究所 3232PROFIBUS现场总线现场总线哈工大网络与电气智能化研究所 3333 一一个个典典型型的的工工厂厂自自动动化化系系统统应应该该是是3 3级级网网络络结结构构。基基于于现现场场总总线线PROFIBUS-DP/ PROFIBUS-DP/ PAPA控控制制系系统统位位于于工工厂厂自自动动化化系系 统统 中中 的的 底底 层层 ， 即即 现现 场场 级级
35、与与 车车 间间 级级 。 现现 场场 总总 线线PROFIBUSPROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。是面向现场级与车间级的数字化通信网络。 （1 1）现场设备层）现场设备层）现场设备层）现场设备层 主主要要功功能能是是连连接接现现场场设设备备，如如分分散散式式I/OI/O、传传感感器器、驱驱动动器器、执执行行机机构构、开开关关设设备备等等，完完成成现现场场设设备备控控制制及及设设备备间间连连锁锁控控制制。主主站站（PLCPLC、PCPC机机或或其其他他控控制制器器）负负责责总总线线通通信信管管理理及及所所有有从从站站的的通通信信。总总线线上上所所有有设设备备生生产产工艺控制
36、程序存储在主站中，并由主站执行。工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。 PROFIBUS在工厂自动化系统中的在工厂自动化系统中的位置位置 哈工大网络与电气智能化研究所 3434 （2 2）车间监控层）车间监控层）车间监控层）车间监控层 车车间间级级监监控控用用来来完完成成车车间间主主生生产产设设备备之之间间的的连连接接，如如一一个个车车间间3 3条条生生产产线线主主控控制制器器之之间间的的连连接接，完完成成车车间间级级设设备备监监控控。车车间间级级监监控控包包括括生生产产设设备备状状态态在在线线监监控控、设设备备故故障障报报警警及及维维护护等等。通通常常还还具具有有诸诸如如生生产产统统计计、
37、生生产产调调度度等等车车间间级级生生产产管管理理功功能能。车车间间级级监监控控通通常常要要设设立立车车间间监监控控室室，有有操操作作员员工工作作站站及及打打印印设设备备。车车间间级级监监控控网网络络可可采采用用PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS，它它是是一一个个多多主主网网，这这一一级级数数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。 PROFIBUS在工厂自动化系统中的在工厂自动化系统中的位置位置 哈工大网络与电气智能化研究所 3535 （3 3）工厂管理层）工厂管理层）工厂管理层）工厂管理层 车车间间操操作作员员工工作作
38、站站可可通通过过集集线线器器与与车车间间办办公公管管理理网网连连接接，将将车车间间生生产产数数据据送送到到车车间间管管理理层层。车车间间管管理理网网作作为为工工厂厂主主网网的的一一个个子子网网。子子网网通通过过交交换换机机、网网桥桥或或路路由由等等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。 车车间间管管理理层层通通常常所所说说的的以以太太网网，即即IEC802.3IEC802.3、TCP/IPTCP/IP的的通通信信协协议议标标准准。厂厂区区骨骨干干网网可可根根据据工工厂厂实实际际情情况况，采采用如用如FDDI FDDI 或或ATMATM等网络
39、。等网络。 。 PROFIBUS在工厂自动化系统中的在工厂自动化系统中的位置位置 哈工大网络与电气智能化研究所 3636PROFIBUS控制系统组成控制系统组成PROFIBUSPROFIBUS控制系统组成包括以下几个部分：控制系统组成包括以下几个部分： 1 1类主站类主站类主站类主站 1 1类类主主站站指指PLCPLC、PCPC或或可可做做1 1类类主主站站的的控控制制器器。1 1类类主站完成总线通信控制与管理。主站完成总线通信控制与管理。2 2类主站类主站类主站类主站uuPLCPLC（智能型（智能型I/OI/O） PLCPLC可可做做PROFIBUSPROFIBUS上上的的一一个个从从站站。
40、PLCPLC自自身身有有程程序序存存储储，PLCPLC的的CPUCPU部部分分执执行行程程序序并并按按程程序序驱驱动动I/OI/O。作作为为PROFIBUSPROFIBUS主主站站的的一一个个从从站站，在在PLCPLC存存储储器器中中有有一一段段特特定定区区域域作作为为与与主主站站通通信信的的共共享享数数据据区区。主主站站可可通过通信间接控制从站通过通信间接控制从站PLCPLC的的I/OI/O。 哈工大网络与电气智能化研究所 3737PROFIBUS控制系统组成控制系统组成uu分散式分散式I/0I/0（非智能型（非智能型I/0I/0） 通通常常由由电电源源部部分分、通通信信适适配配器器部部分分
41、及及接接线线端端子子部部分分组组成成。分分散散式式I/OI/O不不具具有有程程序序存存储储和和程程序序执执行行，通通信信适适配配器器部部分分接接收收主主站站指指令令，按按主主站站指指令令驱驱动动I/OI/O，并并将将I/OI/O输输入入及及故故障障诊诊断断等等返返回回给给主主站站。通通常常分分散散型型I/OI/O是是由由主主站站统统一一编编址址，这这样样在在主主站站编编程程时使用分散式时使用分散式I/OI/O与使用主站的与使用主站的I/OI/O没有什么区别。没有什么区别。 uu驱动器、传感器、执行机构等现场设备驱动器、传感器、执行机构等现场设备 即即带带PROFIBUSPROFIBUS接接口口
42、的的现现场场设设备备，可可由由主主站站在在线线完完成成系系统统配配置置、参参数数修修改改、数数据据交交换换等等功功能能。至至于于哪哪些些参参数数可可进进行行通通信信，以及参数格式，由以及参数格式，由PROFIBUSPROFIBUS行规决定。行规决定。 哈工大网络与电气智能化研究所 3838LonWorks现场总线 LonWorks(LonWorks(局局部部操操作作网网络络，Local Local Operating Operating Network)Network)总总线线由由美美国国EchelonEchelon公公司司推推出出，并并由由它它与与MotorolaMotorola公公司司和和
43、ToshibaToshiba公司共同倡导，于公司共同倡导，于19901990年正式公布。年正式公布。 由由于于该该技技术术完完善善、使使用用方方便便灵灵活活、开开发发周周期期短短、实实用用性性强强而而受受到到了了众众多多计计算算机机制制造造商商、仪仪表表公公司司等等的的认认可可 和和 支支 持持 。 迄迄 今今 已已 有有 40004000多多 家家 生生 产产 商商 使使 用用 了了 LonWorks LonWorks 技技术术，并并已已安安装装了了500500多多万万个个节节点点。目目前前已已有有很很多多家家公公司司正正在在生生产产LonWorksLonWorks产产品品或或将将其其产产品
44、品纳纳入入LonWorksLonWorks网网络络，如如HoneywellHoneywell公公司司已已经经将将LonWorksLonWorks技术用于楼宇控制系统。技术用于楼宇控制系统。 哈工大网络与电气智能化研究所 3939LonWorks现场总线 LonWorks(LonWorks(局局部部操操作作网网络络，Local Local Operating Operating Network)Network)总总线线由由美美国国EchelonEchelon公公司司推推出出，并并由由它它与与MotorolaMotorola公公司司和和ToshibaToshiba公司共同倡导，于公司共同倡导，于1
45、9901990年正式公布。年正式公布。 由由于于该该技技术术完完善善、使使用用方方便便灵灵活活、开开发发周周期期短短、实实用用性性强强而而受受到到了了众众多多计计算算机机制制造造商商、仪仪表表公公司司等等的的认认可可 和和 支支 持持 。 迄迄 今今 已已 有有 40004000多多 家家 生生 产产 商商 使使 用用 了了 LonWorks LonWorks 技技术术，并并已已安安装装了了500500多多万万个个节节点点。目目前前已已有有很很多多家家公公司司正正在在生生产产LonWorksLonWorks产产品品或或将将其其产产品品纳纳入入LonWorksLonWorks网网络络，如如Hon
46、eywellHoneywell公公司司已已经经将将LonWorksLonWorks技术用于楼宇控制系统。技术用于楼宇控制系统。 哈工大网络与电气智能化研究所 4040LonWorks现场总线 LonWorksLonWorks采采 用用 了了 ISO(ISO(国国 际际 标标 准准 化化 组组 织织 ， International International Organization Organization for for Standardization)Standardization)定定义义的的OSI(OSI(开开放放系系统统互互连连模模型型，Open Open System System
47、 Interconnection)Interconnection)的的全全部部七七层层协协议议，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单单化化为为参参数数设设置置；其其通通信信速速率率从从300bps300bps到到1.5Mbps1.5Mbps不不等等，直直接接通通信信距距离离可可达达2.7km(78kbps2.7km(78kbps，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、电电力力线线等等多多种种通通信信介介质质，并并开开发发了了相相应应的的本本质质安安全防爆产品，是一种通
48、用控制网络。全防爆产品，是一种通用控制网络。 LonWorksLonWorks己己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、办公设备、交通运输工业过程控制等行业。统、办公设备、交通运输工业过程控制等行业。 哈工大网络与电气智能化研究所 4141现场总线的发展趋势现场总线的发展趋势 1 工业以太网的推出 2 以太网的优势3 以太网应用于工业现场所面临的问题及解决措施 4 几种主流工业以太网5 关于工业以太网的几点讨论 哈工大网络与电气智能化研究所 4242工业以太网的推出工业以太网的推出 由由于于现现场场总总线线的的种种类类很很多多，仅仅国国际际标标准准
49、现现场场总总线线就就多多达达二二十十多多种种，而而不不同同现现场场总总线线协协议议/ /规规范范的的兼兼容容性性较较差差，因因此此要要实实现现不不同同现现场场总总线线之之间间的的通通信信是是非非常常困困难难的的。这这不不但但使使FCSFCS的的开开放放性性、互互操操作作性性与与互互换换性性难难以以真真正正体体现现，而而且给用户对且给用户对FCSFCS的使用带来了很大的不便。的使用带来了很大的不便。 为为此此，人人们们在在努努力力寻寻求求“ “一一网网到到底底” ”、“ “一一网网打打尽尽” ”的的解解决决方方案案，即即希希望望建建立立一一个个统统一一的的开开放放的的通通信信标标准准。在在这这种
50、种情情况况下下，在在技技术术、价价格格、开开放放性性及及普普及及程程度度等等方方面面具具有有优优势势和和具具有有“e“e网网到到底底” ”美美誉誉的的以以太太网网（EtherNetEtherNet）即即成成为为首首选选，应应用用于于工工业业环环境境/ /工工业业自自动动化化领领域域的的以以太太网网工业以太网（工业以太网（Industrial EtherNetIndustrial EtherNet）被纷纷推出。）被纷纷推出。哈工大网络与电气智能化研究所 4343 为为推推进进工工业业以以太太网网的的发发展展、应应用用、普普及及和和标标准准化化，国际上成立了一些工业以太网组织国际上成立了一些工业以
51、太网组织: :工工 业业 自自 动动 化化 开开 放放 网网 络络 联联 盟盟 IAONAIAONA（ Industrial Industrial Automation Open Network AllianceAutomation Open Network Alliance）工工 业业 以以 太太 网网 协协 会会 IEAIEA（ Industrial Industrial Ethernet Ethernet AssociationAssociation）分分 布布 式式 自自 动动 化化 接接 口口 组组 织织 IDAIDA（ Interface Interface for for Dis
52、tributed AutomationDistributed Automation）美美国国电电气气电电子子工工程程师师协协会会IEEEIEEE也也正正着着手手制制定定现现场场装置与以太网通信的标准装置与以太网通信的标准 工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 4444 一一些些现现场场总总线线国国际际组组织织也也在在其其低低速速现现场场总总线线的的基基础础上上推推出出了了基基于于以太网的高速总线以太网的高速总线: :现现 场场 总总 线线 基基 金金 会会 FFFF（ Fieldbus Fieldbus FoundationFoundation） 的的 高高 速速 以以
53、 太太 网网HSEHSE（High Speed EtherNetHigh Speed EtherNet）控控制制网网国国际际组组织织CICI（ControlNet ControlNet InternationalInternational）和和开开放放式式设设备备网网供供货货商商协协会会ODVAODVA（Open Open DeviceNet DeviceNet Vendors Vendors AssociationAssociation）的的工工业以太网业以太网EtherNet/IPEtherNet/IP（EtherNet/Industrial ProtocolEtherNet/Indust
54、rial Protocol）PROFIBUSPROFIBUS用用户户组组织织PNOPNO（Profibus Profibus National National OrganisationOrganisation）的的PROFInetPROFInetModBusModBus组组织织的的ModBus/TCPModBus/TCP（20032003年年1010月月，在在美美国国休休斯斯敦敦举举办办的的ISAISA展展览览会会上上，ModBusModBus组组织织和和IDAIDA组组织织宣宣布布合合并并，成成立立ModBus-IDAModBus-IDA组织）组织） FF FF HSEHSE、EtherN
55、et/IPEtherNet/IP、PROFInetPROFInet已已是是IEC61158IEC61158第第3 3版版中中所所包包含含的的现现场场总总线线，也也被被写写入入了了现现场场总总线线行行规规IEC61784-1IEC61784-1中中。此此外外，ModBus/TCPModBus/TCP已成为半导体工业的标准已成为半导体工业的标准EMIE54.9-2000EMIE54.9-2000工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 4545 目目前前，为为解解决决以以太太网网应应用用于于工工业业现现场场中中的的不不确确定定性性或或实实时时性性问问题题，“ “实实时时以以太太
56、网网（Real Real Time Time EthernetEthernet） ” ”技技 术术 在在 工工 业业 以以 太太 网网 中中 被被 凸凸 显显 出出 来来 。IEC/TC65/SC65CIEC/TC65/SC65C现现 已已 开开 始始 制制 定定 一一 个个 关关 于于“Additional “Additional Profiles Profiles ISO/IEC ISO/IEC 8802-3 8802-3 based based communication communication networks networks in in real real time time
57、applications”applications”的的新新IEC61784-2IEC61784-2标标准准。这这项项工工作作即即是是由由最最近近成成立立的的IEC/TC65/SC65C/WG11IEC/TC65/SC65C/WG11以以“ “实实时时以以太太网网” ”的的名名义义来来进行的。进行的。工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 4646 20042004年年1 1月月在在法法国国召召开开了了IEC/TC65/SC65C/WG10IEC/TC65/SC65C/WG10、1111、1212、1313等等4 4个个工工作作组组的的联联合合大大会会和和工工作作组组会会
58、议议。此此次次会会议议对对之之前前收收到到的的6 6个个新新的的实实时时以以太太网网协协议议提提案案将将以以IECIEC国国际际规规范范PASPAS（Publicly Publicly Available Available SpecificationSpecification）的的形形式式发发布布。这些提案包括：这些提案包括：中国的中国的EPAEPA（Ethernet for Plant AutomationEthernet for Plant Automation）德德 国国 BECKHOFFBECKHOFF公公 司司 的的 EtherCATEtherCAT（ Ethernet Ether
59、net for for Control and Automation TechnologyControl and Automation Technology）日本横河公司的日本横河公司的V-netV-net日本东芝公司的日本东芝公司的TcnetTcnetIAONAIAONA（奥奥地地利利B&RB&R（贝贝加加莱莱）公公司司支支持持）的的EPLEPL（Ethernet PowerLinkEthernet PowerLink）法国施耐德公司的法国施耐德公司的ModBus/TCP (RTPS)ModBus/TCP (RTPS) 工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 4747
60、PASPAS的的有有效效期期为为3 3年年（正正式式发发布布的的IECIEC标标准准为为5 5年年），3 3年年期期限限快快到到时时，需需重重新新审审核核。即即在在20072007年年启启动动修修订订IEC61158IEC61158时时，会会考考虑虑将将PASPAS加加入入到到现现场场总总线线国国际际标标准准IEC61158IEC61158中中，成成为为新新的的类类型型。（由由于于目目前前各各种种现现场场总总线线还还不不能能统统一一到到单单一一标标准准上上来来，因因此此IEC/TC65IEC/TC65在在20022002年年作作出出决决议议，20072007年年前前不不再再向向IEC61158
61、IEC61158中中加加入入新新的的标标准准类类型型，直直至至IEC61158IEC61158被被修订）。修订）。工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 4848 除除了了以以上上提提到到的的实实时时以以太太网网外外，还还有有一一些些组组织织/ /生生产产厂厂商商（Organization/ManufacturerOrganization/Manufacturer）也也推推出出了了实实时时以以太太网网解解决决方方案案，如如: :IEEEIEEE的的Precision Time ProtocolPrecision Time ProtocolIGSIGS的的SERCOS-SE
62、RCOS-德国德国JetterJetter的的JetSyncJetSync美美 国国 United United Electronic Electronic SystemsSystems（ UEIUEI） 的的 Power Power DNADNA（Distributed Network Automation and ControlDistributed Network Automation and Control）美国美国Motion Engineering Inc.Motion Engineering Inc.（MEIMEI）的）的SynqNetSynqNet奥地利奥地利Oregano S
63、ystemsOregano Systems的的SynUTCSynUTC挪威挪威Ontime NetworksOntime Networks的的Switch mit Zeit-ServerSwitch mit Zeit-Server德德国国Real-Time Real-Time Systems Systems Group Group of of University University HannoverHannover的的RTnetRTnet 工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 4949 应应该该指指出出，在在国国内内，中中国国仪仪器器仪仪表表行行业业协协会会、中中国
64、国机机电电一一体体化化技技术术应应用用协协会会等等也也成成立立了了“ “工工业业以以太太网网” ”工作小组。工作小组。 特特别别值值得得一一提提的的是是，以以我我国国的的EPAEPA（EtherNet EtherNet for for Plant Plant AutomationAutomation）通通信信标标准准浙浙大大中中控控为为主主制制定定的的用用于于工工业业测测量量与与控控制制系系统统（征征求求意意见见稿稿）（EPAEPA标标准准）于于20042004年年5 5月月1717日日通通过过了了全全国国工工业业过过程程与与测测量量标标准准化化技技术术委委员员会会的的严严格格审审查查，最最终
65、终将将以以国国家家标标准准予予以以发发布布。EPAEPA作作为为我我国国自自主主开开发发的的基基于于工工业业以以太太网网的的现现场场总总线线通通信信协协议议，对对提提升升我我国国自自动动化化技技术术的的整整体体水水平平具具有有十十分分重重要要的的意意义义，特特别别是是将将EPAEPA标标准准引引入入国国际际标准，意义尤为重大。标准，意义尤为重大。工业以太网的推出工业以太网的推出哈工大网络与电气智能化研究所 5050以太网的优势以太网的优势 以以太太网网是是由由美美国国XeroxXerox公公司司于于19751975年年推推出出的的一一种种局局域域网网，其其真真正正的的开开端端是是夏夏威威夷夷岛
66、岛上上用用于于无无线线电电通通信信的的ALOHAALOHA系系统统，由由过过 去去 人人 们们 曾曾 认认 为为 的的 电电 磁磁 波波 的的 传传 输输 介介 质质 （ 媒媒 体体 ） “ “以以 太太（EtherEther）” ”而而得得名名。19821982年年，XeroxXerox公公司司、数数字字设设备备公公司司DECDEC、IntelIntel公公司司联联合合公公布布了了以以太太网网规规范范。IEEE802.3IEEE802.3就就是是以以这这个规范为基础制定的。个规范为基础制定的。 按按ISO/OSIISO/OSI参参考考模模型型，以以太太网网规规范范只只包包括括通通信信模模型型
67、中中的的物物理理层层与与数数据据链链路路层层（介介质质访访问问控控制制MACMAC子子层层）。严严格格地地说说，以以太太网网规规范范与与IEEE802.3IEEE802.3标标准准并并不不完完全全相相同同，但但在在一一般般情情况况下下，人人们们通通常常均均将将IEEE802.3IEEE802.3和和以以太太网网规规范范等等同同看看待待。目目前前，由由于于以以太太网网和和工工业业以以太太网网皆皆使使用用传传输输控控制制协协议议/ /互互联联网网协协议议TCP/IPTCP/IP，因因此此现现在在人人们们所所说说的的以以太太网网及及工工业业以以太太网网不不仅仅包包含含以以太太网网规规范范/IEEE8
68、02.3/IEEE802.3中中的的物物理理层层与与数数据据链链路路层层，而而且且包包含含TCP/IPTCP/IP协议协议。哈工大网络与电气智能化研究所 5151以太网的优势以太网的优势 与目前的现场总线相比，以太网具有以下优势与目前的现场总线相比，以太网具有以下优势: : （1 1）应用广泛）应用广泛 以以太太网网标标准准开开放放、为为所所有有的的计计算算机机共共享享，是是目目前前应应用用最最为为广广泛泛的的计计算算机机网网络络技技术术，得得到到了了广广泛泛的的技技术术支支持持。以以太太网网技技术术成成熟熟，软软硬硬件件丰丰富富，为为广广大大用用户所熟悉，普及程度极高。户所熟悉，普及程度极高
69、。 （2 2）通信速率高）通信速率高 目目前前以以太太网网广广泛泛使使用用的的通通信信速速率率已已从从10Mbps10Mbps提提高高到到100Mbps100Mbps，1000Mbps1000Mbps以以太太网网技技术术也也逐逐渐渐成成熟熟并并有有所所应应用用，10Gb/s10Gb/s以以太太网网亦亦正正在在研研究究中中。以以太太网网可可以以满足对带宽有更高要求的场合。满足对带宽有更高要求的场合。哈工大网络与电气智能化研究所 5252以太网的优势以太网的优势 （3）价格低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此得到了硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，硬件价格相对低廉。目前以太网网卡的价格只有P
70、ROFIBUS、FF等现场总线网卡价格的1/10。 （4）发展前景广阔 以太网应用的普及性和支持的广泛性以及与其密切相关的信息技术的高速发展，决定了以太网具有广阔的发展前景。哈工大网络与电气智能化研究所 5353以太网应用于工业现场所面临的问以太网应用于工业现场所面临的问题及解决措施题及解决措施 （1 1）通信实时性）通信实时性/ /确定性确定性 （2 2）对工业现场环境的适应性与可靠性）对工业现场环境的适应性与可靠性 （3 3）统一的应用层协议）统一的应用层协议 （4 4）总线供电）总线供电 （5 5）本质安全）本质安全 （6 6）网络安全性）网络安全性（7 7）传输距离）传输距离 哈工大网
71、络与电气智能化研究所 5454（1）通信实时性）通信实时性/确定性确定性 以太网采用的带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD介质访问控制方式，其本质上是非实时的，具有不确定性。这是以太网在工业现场中应用的致命弱点和主要障碍。 解决措施：a. a.采用以太网全双工/交换技术b. b.提高通信速率c. c.通过实时调度/确定性通信调度来控制网络负荷哈工大网络与电气智能化研究所 5555（2）对工业现场环境的适应性与可）对工业现场环境的适应性与可靠性靠性 以以太太网网是是按按办办公公环环境境设设计计的的，将将它它应应用用于于工工业业现现场场环环境境，必必须须解解决决其其鲁鲁棒棒性性、抗抗（电电磁
72、磁）干干扰扰能力等问题。能力等问题。 解决措施解决措施: :1)1)在产品设计时，要特别注重材质、元器件的选择，使产品在强度、湿度、温度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求2)2)考虑到在工业环境下的安装要求哈工大网络与电气智能化研究所 5656（3）统一的应用层协议）统一的应用层协议 如如上上所所述述，可可以以认认为为，以以太太网网包包括括物物理理层层、数数据据链链路路层层、网网络络层层和和传传输输层层，而而对对较较高高的的层层次次如如会会话话层层、表表示示层层、应应用用层层等等没没有有作作技技术术规规定定。目目前前RFCRFC（Request Request For For
73、CommentComment）组组织织 文文 件件 中中 的的 一一 些些 应应 用用 层层 协协 议议 ， 如如 FTPFTP、 HTTPHTTP、 TelnetTelnet、SNMPSNMP、SMTPSMTP等等，仅仅仅仅规规定定了了用用户户应应用用程程序序该该如如何何操操作作，并并不不是是统统一一的的应应用用层层协协议议，因因此此以以太太网网不不是是一一个个完完整整的的工工业业网网络协议。络协议。 解解决决措措施施：制制定定统统一一并并适适用用于于工工业业现现场场的的应应用用层层技技术术规规范范，并可考虑参照并可考虑参照IECIEC等有关标准，在应用层上增加用户层协议。等有关标准，在应用
74、层上增加用户层协议。 哈工大网络与电气智能化研究所 5757（4）总线供电）总线供电 所所谓谓总总线线供供电电或或总总线线馈馈电电，是是指指连连接接到到现现场场设设备备的的电电缆缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。 采采用用总总线线供供电电可可减减少少网网络络线线缆缆，降降低低安安装装复复杂杂性性与与费费用用，提提高高网网络络和和系系统统的的易易维维护护性性。特特别别是是在在环环境境恶恶劣劣与与危危险险场场合合，总总线线供供电电具具有有十十分分重重要要的的意意义义。由由于于EtherNetEtherNet以以前前主主要要用用于于商商业业
75、计计算算机机通通信信，一一般般的的设设备备或或工工作作站站（如如计计算算机机）本本身身已已具具备备电电源源供供电电，没没有有总总线线供供电电的的要要求求，因因此此其其传传输输介介质质只只用用于传输信息。于传输信息。 在在FCSFCS中，现场设备（节点）的位置分散，往往要求总线中，现场设备（节点）的位置分散，往往要求总线为它们提供工作电源。原来的以太网没有涉及此问题。为它们提供工作电源。原来的以太网没有涉及此问题。20032003年年6 6月推出的月推出的IEEE802.3afIEEE802.3af标准对总线供电进行了规范。标准对总线供电进行了规范。 哈工大网络与电气智能化研究所 5858（5）
76、本质安全本质安全 以以太太网网要要用用在在易易燃燃、易易爆爆与与有有毒毒的的恶恶劣劣工工业业环环境境中中，就必须考虑其本安防爆问题。就必须考虑其本安防爆问题。 解解决决措措施施：对对以以太太网网系系统统采采用用隔隔爆爆防防爆爆的的措措施施，即即通通过过对对以以太太网网现现场场设设备备采采取取增增安安、气气密密、浇浇封封等等隔隔爆爆措措施施，使使设设备备本本身身故故障障产产生生的的电电火火花花能能量量不不致致外外泄泄，以以隔隔离离故故障，从而保证系统其它部分的安全性。障，从而保证系统其它部分的安全性。 哈工大网络与电气智能化研究所 5959（6）网络安全性）网络安全性 由由以以太太网网构构成成的
77、的控控制制系系统统也也必必须须解解决决其其网网络络安安全全性性问题。问题。 解决措施：解决措施：利用网络本身对安全提供的两方面的支持：利用网络本身对安全提供的两方面的支持：网网络络设设备备访访问问控控制制和和数数据据访访问问控控制制（身身份份验验证证、权限限制、传输加密、端口证实和报文过滤等）权限限制、传输加密、端口证实和报文过滤等）通通过过引引进进防防火火墙墙机机制制，有有效效防防止止病病毒毒及及黑黑客客的的侵入侵入哈工大网络与电气智能化研究所 6060（7）传输距离）传输距离 以以太太网网的的通通信信速速率率比比较较高高，传传输输距距离离较较短短。如如对对于于10Mbps10Mbps以以太
78、太网网，每每一一段段双双绞绞线线（10Base-T10Base-T）的的 长长 度度 不不 超超 过过 100m100m， 每每 一一 段段 细细 同同 轴轴 电电 缆缆（10Base-210Base-2）的的长长度度不不超超过过185m185m，每每一一段段粗粗同同轴轴电电 缆缆 （ 10Base-510Base-5） 的的 长长 度度 不不 超超 过过 500m500m； 对对 于于100Mbps100Mbps以以太太网网，每每一一段段双双绞绞线线（100Base-TX100Base-TX）的长度不超过的长度不超过100m100m。 解决措施：解决措施：使用中继器或光纤通信介质 哈工大网络
79、与电气智能化研究所 6161几种主流工业以太网几种主流工业以太网 (1) EtherNet/IP (2) HSE (3) PROFInet (4) ModBus/TCP 哈工大网络与电气智能化研究所 6262(1) EtherNet/IP EtherNet/IP（Ethernet/Industrial Protocol）是一种适用于工业环境的通信系统。EtherNet/IP允许工业设备交换时间紧要的应用信息。这些设备包括简单I/O设备，如传感器/执行器，也可为复杂的控制设备，如机器人、PLC、焊接设备和过程控制器，等等。 EtherNet/IP得到了IAONA（工业自动化开放网络联盟）、IEA
80、（工业以太网协会）、CI（控制网国际组织）、ODVA（开放式设备网供货商协会）等组织的支持。 哈工大网络与电气智能化研究所 6363(1) EtherNet/IP EtherNet/IPEtherNet/IP采采用用以以太太网网的的物物理理层层、数数据据链链路路层层及及TCP/IPTCP/IP协协议议。EtherNet/IPEtherNet/IP最最具具特特色色的的部部分分为为其其应应用用层层和和用用户户层层的的控控制制和和信信息息协协议议CIPCIP（Control Control And And Information Information ProtocolProtocol）。CIPCI
81、P由由对对象象建建模模、信信息息协协议议、通通信信对对象象、对对象象库库、设设备备描描述述、设设备配置方法和数据管理等部分组成。备配置方法和数据管理等部分组成。 CIPCIP是是DeviceNetDeviceNet、ControlNetControlNet和和EtherNet/IPEtherNet/IP的的顶顶层层公公共共规规范范，是是独独立立于于物物理理媒媒体体和和数数据据链链路路层层的的面面向向对对象象的的协协议议，可可实实现现这这3 3种种不不同同网网络络的的互互连连，提提供供工工业业现现场场设设备备（如如传传感感器器、执执行行器器）和和高高端端设设备备（控控制制器器）之之间间的的通通信
82、信。CIPCIP支支持持多多处处理理器器结结构构，且且任任何何一一个个处处理理器器既既可可“ “拥拥有有” ”自自己己的的I/OI/O或或设设备备，又又可可监监听听网网络络上上设设备备的的输输入入和和输输出出，与与其其它它控控制制器器进进行行实实时时互互锁锁或或对对等等通通信信。CIPCIP采采用用“ “生生产产者者/ /消消费费者者” ”模模式式来提高网络效率。来提高网络效率。 哈工大网络与电气智能化研究所 6464 EtherNet/IP EtherNet/IP具有具有3 3种最基本的功能：种最基本的功能：实实时时控控制制 基基于于控控制制器器或或智智能能设设备备内内所所存存储储的的组组态
83、态信信息息，通通过过网网络络通通信信中中的的状状态态变变化化来来实实现现实实时时控控制制，可可提提供供操操作作或过程中的实时工厂级数据交换。或过程中的实时工厂级数据交换。网网络络组组态态 通通过过总总线线既既可可实实现现对对同同层层网网络络的的组组态态，也也可可以以实实现现对对下下层层网网络络的的组组态态。网网络络组组态态可可以以在在网网络络启启动动时时进进行行，而而设设备备参参数数修修改改或或控控制制器器逻逻辑辑修修改改也也可可以以在在线线通通过过网网络络实实现。现。数数据据采采集集 可可基基于于既既定定节节拍拍或或应应用用需需要要来来方方便便地地实实现现数数据据采采集集。所所需需要要的的数
84、数据据通通过过人人机机接接口口显显示示，包包括括趋趋势势和和分分析析、配方管理和系统故障等。配方管理和系统故障等。 (1) EtherNet/IP哈工大网络与电气智能化研究所 6565 应应用用于于控控制制场场合合的的EtherNet/IPEtherNet/IP网网络络拓拓扑扑一一般般采采用用有有源源星星型型拓拓扑扑（10/100Mb/s10/100Mb/s），成成组组的的设设备备采采用用点点对对点点方方式式连连接接到到以以太太网网交交换换机机。交交换换机机是是整整个个网网络络系系统统的的核核心心。EtherNet/IPEtherNet/IP现现场场设设备备具具有有内内置置的的Web Web
85、ServerServer功功能能，不不仅仅能能够够提提供供WWWWWW服服务务，还还能能提提供供诸诸如如电电子子邮邮件件等等网网络络服服务务，其其模模块块、网网络络和和系系统统的的数数据据信信息息可可以以通通过过网网络络浏浏览览器器获获得得。EtherNet/IPEtherNet/IP的的现现有有产产品品已已能能通通过过HTTPHTTP提提供供诸诸如如读读写写数数据据、读诊断、发送电子邮件、编辑组态数据等能力。读诊断、发送电子邮件、编辑组态数据等能力。 (1) EtherNet/IP哈工大网络与电气智能化研究所 6666（2）HSE HSEHSE是是 现现 场场 总总 线线 基基 金金 会会
86、对对 基基 金金 会会 现现 场场 总总 线线 FF FF （Foundation Foundation FieldbusFieldbus）H1H1的的高高速速网网段段的的解解决决方方案案。现现场场总总线线基基金金会会对对HSEHSE的的定定位位是是，HSEHSE是是将将控控制制网网络络集集成成到到世世界通信系统界通信系统InternetInternet的技术。的技术。 HSEHSE采采用用作作为为其其技技术术核核心心部部分分的的链链接接设设备备（Linking Linking DeviceDevice）将将远远程程H1H1网网段段的的信信息息传传送送到到主主干干以以太太网网上上。这这些些信信
87、息息可可以以通通过过以以太太网网送送到到主主控控制制室室，并并进进一一步步送送到到企企业业的的企企业业资资源源规规划划ERPERP（Enterprise Enterprise Resources Resources PlanningPlanning）和和管管理理系系统统。操操作作员员可可以以在在主主控控制制室室直直接接使使用用网网络络浏浏览览器器等等工工具具查查看看现现场场设设备备的的运运行行情情况况，也也可可以以通通过过同同样样的的网络传输途径将控制信息送至现场设备。网络传输途径将控制信息送至现场设备。哈工大网络与电气智能化研究所 6767 与与EtherNet/IPEtherNet/IP一
88、一样样，HSEHSE的的物物理理层层与与数数据据链链路路层层采采用用以以太太网网规规范范（100Mb/s100Mb/s）；网网络络层层采采用用IPIP协协议议；传传输输层层采采用用TCPTCP、UDPUDP协协议议；而而应应用用层层是是独独具具特特色色的的现现场场设设备备访访问问FDAFDA（Field Field Device Device AccessAccess）。HSEHSE的的一一大大特特点点是是在在应应用用层层之之上上又又定定义义了了用用户户层层。用用户户层层包包括括功功能能块块、设设备备描描述述、网网络络与与系系统统管管理理等等功功能能，从从而而使使系系统统更更加加开开放放，实实
89、现现了了用用户户层层的的互操作性。互操作性。（2）HSE 哈工大网络与电气智能化研究所 6868 FFFF技技术术的的最最大大特特点点就就是是功功能能块块，将将传传统统上上运运行行于于控控制制器器中中的的功功能能块块下下放放到到现现场场设设备备当当中中，使使现现场场设设备备真真正正成成为为智智能能仪仪表表而而不不是是简简单单的的传传感感器器和和执执行行器器。同同样样，HSEHSE也也使使用用标标准准的的FFFF功功能能块块，以以保保证证控控制制网网络络所所有有层层次次上上数数据据表表达达的的统统一一。在在此此基基础础上上，HSEHSE又又增增加加了了柔柔性性功功能能块块，这这是是HSEHSE技
90、技术术的的另另一一个个独独特特的的特特点点。柔柔性性功功能能块块能能把把远远程程I/OI/O和和子子系系统统集集成成起起来来，提提高高了了现现场场控控制制功功能能，在在增增强强过过程程控控制制功功能能的的同同时时，又又弥弥补补了了H1H1系系统用于离散或间歇控制应用领域时的不足。统用于离散或间歇控制应用领域时的不足。 HSEHSE支支持持对对交交换换机机、链链接接设设备备的的冗冗余余配配置置与与接接线线，也支持危险环境下的本质安全。也支持危险环境下的本质安全。（2）HSE 哈工大网络与电气智能化研究所 6969（3）PROFInet PROFInetPROFInet是是用用于于PROFIBUS
91、PROFIBUS纵纵向向集集成成的的、开开放放的的、统统一一的的完完整整系系统统解解决决方方案案，它它能能将将现现有有的的PROFIBUSPROFIBUS网网络络通通过过代代理理服服务务器器（ProxyProxy）连连接接到到以以太太网网上上，从从而而将将工工厂厂自自动动化化和和企企业信息管理自动化有机地融为一体。业信息管理自动化有机地融为一体。 PROFInetPROFInet采采用用组组件件对对象象模模型型COM/DCOMCOM/DCOM技技术术，通通过过优优化化的的通通信信机机制制来来满满足足实实时时通通信信的的要要求求。以以对对象象的的形形式式表表示示的的PROFInetPROFIne
92、t组组件件根根据据对对象象协协议议交交换换其其自自动动化化数数据据。自自动动化化对对象象/COM/COM（Component Component Object Object ModelModel）对对象象作作为为协协议议数数据据单单元元PDUPDU（Protocol Protocol Data Data UnitUnit）以以DCOMDCOM（Distributed Distributed Component Component Object Object ModelModel）协协议议定定义义的的形形式式出出现现在在现现场场总总线线上上。连连接接对对象象活活动动控控制制ACCOACCO确确保
93、保已已组组态态的的互互相相连连接接的的设设备备间间通通信信关关系系的建立和数据交换的建立和数据交换。 哈工大网络与电气智能化研究所 7070 PROFInet构成从PROFIBUS的I/O层直至以太网的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案。在该方案中，通过以太网TCP/IP访问PROFIBUS设备是由Proxy使用远方程序调用和DCOM来实现的。Proxy既代表了PROFIBUS用户，又代表了工业以太网上的其它PROFInet用户。 （3）PROFInet 哈工大网络与电气智能化研究所 7171基于以太网的基于以太网的PROFInetPROFInet通信有通信有3 3种：种：TCPTCP、
94、UDPUDP和和IPIP：用用于于非非时时间间紧紧要要数数据据的的传传输输，如参数分配和配置如参数分配和配置软软实实时时SRTSRT（Soft Soft Real Real TimeTime）：用用于于工工厂厂自自动动化等场合的时间紧要过程数据的传输化等场合的时间紧要过程数据的传输同同步步实实时时IRTIRT（Isochronous Isochronous Real Real TimeTime）：用用于于运动控制等特殊复杂的需求运动控制等特殊复杂的需求中中（3）PROFInet 哈工大网络与电气智能化研究所 7272 对对于于用用户户而而言言，PROFInetPROFInet可可以以使使网网络
95、络与与设设备备组组态态、试试运运行行、操操作作和和维维护护更更为为简简便便。PROFInetPROFInet能能够够满满足足向向分分布布式式自自动动化化系系统统发发展展的的趋趋势势，为为日日趋趋全全球球化化和和InternetInternet日日益益普普及及的的世世界界提提供供了了一一种种灵灵活活而且面向未来的自动化途径。而且面向未来的自动化途径。（3）PROFInet 哈工大网络与电气智能化研究所 7373（4）ModBus/TCP ModBus/TCPModBus/TCP是是由由Schneider Schneider 公公司司于于19991999年年公公布布的的。ModBus/TCPMod
96、Bus/TCP基基本本上上没没有有对对ModBusModBus协协议议本本身身进进行行修修改改，只只是是为为了了满满足足控控制制网网络络实时性的需要，改变了数据的传输方法和通信速率。实时性的需要，改变了数据的传输方法和通信速率。 ModBus/TCPModBus/TCP以以一一种种非非常常简简单单的的方方式式将将ModBusModBus帧帧嵌嵌入入到到TCPTCP帧帧中中。ModBus/TCPModBus/TCP采采用用一一种种面面向向连连接接的的通通信信方方式式，即即每每一一个个呼呼叫叫都都要要求求一一个个应应答答。这这种种呼呼叫叫/ /应应答答的的机机制制与与ModBusModBus的的主
97、主/ /从从机机制制相相互互配配合合，使使ModBus/TCPModBus/TCP交换式以太网具有很高的确定性。交换式以太网具有很高的确定性。 ModBus/TCPModBus/TCP允允许许利利用用网网络络浏浏览览器器查查看看控控制制网网络络中中设设备备的的运运行行情情况况。SchneiderSchneider公公司司已已经经为为ModBusModBus注注册册了了502502端端口口，这这样样就就可可以以将将实实时时数数据据嵌嵌入入到到网网页页中中。通通过过在在设设备备中中嵌嵌入入Web Web ServerServer，即即可可将将WebWeb浏浏览览器器作作为为设设备备的的操操作作终终
98、端端。但但是是，ModBusModBus本本身身尚尚存存在在一一些些缺缺陷陷, ,它它不不支支持持诸诸如如基基于于对对象象的的通通信信模模型型等等一一些些正正在在被被广广泛泛采采用用的的网网络络新新技技术术，用用户户在在使使用用的的时时候候，不不得得不不手手工工配配置置一一些些参参数数，比比如如信信息息数数据类型、寄存器号，等等。据类型、寄存器号，等等。哈工大网络与电气智能化研究所 7474关于工业以太网的几点讨论关于工业以太网的几点讨论 将将以以太太网网应应用用于于工工业业现现场场，或或大大力力发发展展工工业业以以太太网网，在在很很大大程程度度上上是是为为了了满满足足人人们们“e“e网网到到
99、底底” ”的的愿愿望望。但但是是，工工业业以以太太网网是是否否真真正正能能够够使使这这一一愿愿望望变变成成现现实实，尚尚有有几几个个问题值得探讨：问题值得探讨： (1) (1)几种主流工业以太网几种主流工业以太网 (2) (2)互操作性与互换性互操作性与互换性 (3) (3)成本成本/ /价格价格 (4) (4)拓扑结构拓扑结构 (5) (5)通信距离通信距离 (6) (6)网络速度与抗干扰性网络速度与抗干扰性 (7) (7)协议效率协议效率哈工大网络与电气智能化研究所 7575(1)几种主流工业以太网几种主流工业以太网 以以上上介介绍绍的的EtherNet/IPEtherNet/IP、HSE
100、HSE、PROFInetPROFInet、 Modbus/TCPModbus/TCP等等主主流流工工业业以以太太网网，主主要要是是针针对对其其低低速速现现场场总总线线推推出出的的基基于于以以太太网网的的高高速速总总线线解解决决方方案案（分分别别针针对对DeviceNetDeviceNet和和ControlNetControlNet、H1H1、ProfibusProfibus、ModbusModbus），较较少少单单独独直直接接应应用用于于工工业业现场。现场。哈工大网络与电气智能化研究所 7676(2)互操作性与互换性互操作性与互换性 不不同同的的工工业业以以太太网网均均使使用用以以太太网网的的
101、物物理理层层和和数数据据链链路路层层技技术术规规范范及及TCP/IPTCP/IP协协议议，因因此此它它们们可可以以互互相相“通通信信”，但但这这种种“通通信信”仅仅限限于于数数据据包包的的交交换换，而而数数据据包包中中的的含含义义（如如测测量量/ /控控制制信信息息等等）彼彼此此是是不不能能理理解解的的。这这是是因因为为，不不同同工工业业以以太太网网的的应应用用层层协协议议是是各各不不相相同同、互互不不兼兼容容的的。因因此此，不不同同的的工工业业以以太太网网还还无无法法满满足足互互操作性，互换性更是无从谈起。操作性，互换性更是无从谈起。 哈工大网络与电气智能化研究所 7777(3)成本成本/价
102、格价格 应应用用于于办办公公环环境境、与与PCPC机机相相配配的的以以太太网网网网卡卡便便宜宜，但但要要构构成成真真正正的的以以太太网网现现场场设设备备，其其成成本本/ /价价格格还还是是较较高高的的。以以太太网网现现场场设设备备或或者者采采用用1616位位、更更多多的的是是3232位位高高档档MCUMCU，在在其其上上开开发发/ /驻驻留留TCP/IPTCP/IP协协议议，或或者者是是采采用用稍稍低低档档次次的的单单片片机机外外加加协协议议转转换换芯芯片片；如如果果再再考考虑虑应应用用适适合合于于工工业业现现场场的的（特特制制）物物理理接接头头，其其 成成 本本 / /价价 格格 不不 会会
103、 比比 RS485RS485节节 点点 、 AS-iAS-i节节 点点 、CAN/DeviceNetCAN/DeviceNet节节点点便便宜宜。特特别别是是对对简简单单的的开开关关量量I/OI/O设设备备，如如简简单单的的传传感感器器/ /变变送送器器、执执行行器器等等，以以太太网设备会显得更贵网设备会显得更贵。哈工大网络与电气智能化研究所 7878(4)拓扑结构拓扑结构 工工业业以以太太网网为为了了提提高高通通信信实实时时性性/ /确确定定性性及及其其他他一一些些原原因因，往往往往采采用用星星型型拓拓扑扑结结构构。这这与与现现场场总总线线广广泛泛采采用用的的一一根根通通信信线线直直接接互互连
104、连N N个个现现场场设设备备的的总总线线型型拓拓扑扑结结构构是是大大不不相相同同的的，因因此此也也就就没没有有总总线线型型拓拓扑扑结结构构所所具具有有的的一一系系列列优优点点，如如线线缆缆用用量量大大大大减减少少，设设计计、安安装装和和调调试试简简单单易易行行、费费用用大大大大降降低低，维维护护开开销销大大幅幅度度下下降降。因因此此，从从拓拓扑扑结结构上讲，工业以太网也是有缺陷的。构上讲，工业以太网也是有缺陷的。哈工大网络与电气智能化研究所 7979(5)通信距离通信距离 在在工工业业现现场场，各各种种测测量量和和控控制制设设备备在在空空间间上上的的分分布布往往往往比比较较分分散散，彼彼此此间
105、间的的距距离离较较远远，有有时时设设备备与与设设备备之之间间的的距距离离长长达达数数千千米米。对对于于这这种种情情况况，使使用用100Base-TX100Base-TX双双绞绞线线显显得得远远远远不不够够，而而使使用用光光纤纤会会增增加加布布线线成成本本，维维护护费费用用也也较较高高，同同时时光光/ /电电和电和电/ /光转换器也会使成本提高。光转换器也会使成本提高。哈工大网络与电气智能化研究所 8080(6)网络速度与抗干扰性网络速度与抗干扰性 虽然目前以太网的通信速率很高，但在有些工业现场，并不需要高的通信速率；而另一方面，若不使用光纤，高速信号的抗干扰性比低速信号的差。哈工大网络与电气智
106、能化研究所 8181(7)协议效率协议效率 由于工业数据的有效字节数一般比较少，往往会出现以太网和TCP/IP的首部协议信息大于用户数据量的情况，因此工业以太网所采用的将工业数据封装在以太网数据帧中的做法，存在着协议效率低、通信开销大的不足。哈工大网络与电气智能化研究所 8282 基于以上原因，企图“e网打尽”、用工业以太网一网到底而取代控制网络中其它现场总线的想法是不现实的，也是不必要的，至少目前和今后相当长一段时间内是这样。可能的情况是，工业以太网作为上层网络，设备层现场总线作为下层网络，而上层网络的标准应尽量统一，下层网络的标准也应尽量统一。现场总线的发展趋势现场总线的发展趋势 哈工大网
107、络与电气智能化研究所 8383结束语结束语 现现场场总总线线是是一一种种对对工工业业自自动动化化领领域域具具有有重重大大而而深深远远影影响响的的高高新新技技术术，也也是是在在现现在在和和可可预预见见的的未未来来，在在各各行行各各业业应应用用得得愈愈来来愈愈广广泛泛的的热热点点技技术术。我我们们应应在在深深入入理理解解现现场场总总线线的的概概念念和和本本质质技技术术特特点点及及优优点点的的基基础础上上，密密切切关关注注在在很很大大程程度度上上决决定定现现场场总总线线技技术术走走向向的的现现场场总总线线国国际际标标准准及及国国家家与与地地区区标标准准，并并在在可可能能的的情情况况下下积积极极参参与
108、与现现场场总总线线国国际际标标准准的的制制定定；追追踪踪现现场场总总线线的的发发展展趋趋势势工工业业以以太太网网、OPCOPC和无线通信等技术，并力争在其中有所作为。和无线通信等技术，并力争在其中有所作为。 相相信信在在有有关关领领域域广广大大科科技技工工作作者者和和工工程程技技术术人人员员的的积积极极努努力力下下，在在国国际际国国内内有有关关组组织织和和机机构构的的支支持持和和推推动动下下，现现场总线技术一定会在世界范围内呈现更加广阔的发展前景。场总线技术一定会在世界范围内呈现更加广阔的发展前景。 哈工大网络与电气智能化研究所 8484思考题思考题1 1、现场总线（系统）由硬件和软件两大部分
109、组成，、现场总线（系统）由硬件和软件两大部分组成，硬件和软件分别由哪几部分组成？硬件和软件分别由哪几部分组成？ 答：硬件包括通信线和连接在通信线上的设备。通答：硬件包括通信线和连接在通信线上的设备。通信线亦称通信介质（媒体信线亦称通信介质（媒体/ /媒介媒介/ /介体）、总线电介体）、总线电缆；通信线上的设备亦称总线设备或装置、节点缆；通信线上的设备亦称总线设备或装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。软件包括系统平台软件和系统应用软件。系统平软件包括系统平台软件和系统应用软件。系统平台软件包括组态工具软件、组态通信软件、监控台软件包括组态工具
110、软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件；系统应用软件包括系组态软件和设备编程软件；系统应用软件包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。软件。 哈工大网络与电气智能化研究所 8585思考题思考题2 2、现场总线设备主要有哪些类型？、现场总线设备主要有哪些类型？ 答：变送器答：变送器/ /传感器、执行器、控制器、监控传感器、执行器、控制器、监控/ /监视监视计算机、网桥计算机、网桥/ /网关网关/ /中继器等网络互连设备乃至中继器等网络互连设备乃至集线器集线器/ /交换机交换机/ /路由器等。路由器等。3 3、现场总线（系统）的技术特
111、点有哪些？、现场总线（系统）的技术特点有哪些？ 答：（答：（1 1）现场总线是现场通信网络；（）现场总线是现场通信网络；（2 2）现场总）现场总线是数字通信网络；（线是数字通信网络；（3 3）现场总线是开放互连网）现场总线是开放互连网络；（络；（4 4）现场总线是现场设备互连网络；（）现场总线是现场设备互连网络；（5 5）现场总线是结构与功能高度分散的系统；（现场总线是结构与功能高度分散的系统；（6 6）现）现场设备是互操作性和互换性网络。场设备是互操作性和互换性网络。 哈工大网络与电气智能化研究所 8686思考题思考题4、工业控制系统用的国际标准是哪个标准？设备层的现场总线国际标准是哪个标准
112、？道路交通工具用的现场总线国际标准是哪两个标准？ 答：工业控制系统用的现场总线国际标准是IEC61158，设备层的现场总线国际标准是IEC62026，道路交通工具用的现场总线国际标准是ISO11898和ISO11519。 哈工大网络与电气智能化研究所 8787思考题思考题5 5、如何区分服务与协议？如何区分服务与协议？ 答：答：服务与协议是两个完全不同的概念。服务是底服务与协议是两个完全不同的概念。服务是底层的协议向上层协议提供的一组原语（操作），层的协议向上层协议提供的一组原语（操作），尽管服务定义了该层能够代表他的上层完成的操尽管服务定义了该层能够代表他的上层完成的操作，但丝毫也未涉及这些
113、操作是如何完成的。服作，但丝毫也未涉及这些操作是如何完成的。服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。协议是通信同层对等实体之间层是服务提供者。协议是通信同层对等实体之间交换的帧、报文、分组的格式及意义的规则，实交换的帧、报文、分组的格式及意义的规则，实体利用协议来实现他们的服务定义。只要不改变体利用协议来实现他们的服务定义。只要不改变他提供给用户的服务，实体可以任意改变他们的他提供给用户的服务，实体可以任意改变他们的协议。这样，服务和协议就被完全分离开来。协议。这样，服务和协议就被完全分离开来。 哈工大网络与电气智能化研究所 888
114、8思考题思考题6 6、OSIOSI参考模型和参考模型和TCP/IPTCP/IP参考模型的相似之处和不同之处？参考模型的相似之处和不同之处？ ？ 答答：相相似似之之处处：（1 1）都都是是基基于于独独立立的的协协议议栈栈的的概概念念。（2 2）层层的的功功能能也也大大体体相相似似。（3 3）在在两两个个模模型型中中，传传输输层层以以上上的的层层都都是是传传输输服服务务的的由由应应用用主导的用户。主导的用户。 不不同同之之处处：（1 1）OSIOSI参参考考模模型型把把服服务务、接接口口和和协协议议这这3 3个个概概念念之之间间的的区区别别明明确确化化了了。TCP/IPTCP/IP参参考考模模型型
115、最最初初没没有有明明确确区区分分服服务务、接接口口和和协协议议。OSIOSI模模型型中中的的协协议议比比TCPTCPIPIP参参考考模模型型的的协协议议具具有有更更好好的的隐隐藏藏性性，在在技技术术发发生生变变化化时时能能相相对对比比较较容容易易地地替替换换掉掉。（2 2）OSIOSI参参考考模模型型产产生生在在协协议议发发明明之之前前，没没有有偏偏向向于于任任何何特特定定的的协协议议，因因此此非非常常通通用用。但但不不利利的的方方面面是是设设计计者者在在协协议议方方面面没没有有太太多多的的经经验验，因因此此不不知知道道该该把把哪哪些些功功能能放放到到哪哪一一层层最最好好。TCPTCPIPIP
116、却却参参考考模模型型首首先先出出现现的的是是协协议议，模模型型实实际际上上是是对对已已有有协协议议的的描描述述。因因此此不不会会出出现现协协议议不不能能匹匹配配模模型型的的情情况况，它它们们配配合合得得相相当当好好。唯唯一一的的问问题题是是该该模模型型不不适适合合于于任任何何其其它它协协议议栈栈。因因此此，它它对对于于描描述述其其它它非非TCPTCPIPIP网网络络并并不不特特别别有有用用。（3 3）OSIOSI模模型型有有7 7层层，而而TCP/IPTCP/IP模模型型只只有有4 4层层。它它们们都都有有（互互联联）网网络络层层、传传输输层层和和应应用用层层，但但其其它它层层并并不不相相同同
117、。（4 4）OSIOSI模模型型在在网网络络层层支支持持无无连连接接和和面面向向连连接接的的通通信信，但但在在传传输输层层仅仅有有面面向向连连接接的的通通信信，这这是是它它所所依依赖赖的的（因因为为传传输输服服务务对对用用户户是是可可见见的的）。然然而而TCPTCPIPIP模模型型在在网网络络层层仅仅有有一一种种通通信信模模式式（无无连连接接），但但在在传传输输层层支支持持两两种种模模式式，给给了了用用户户选选择择的的机机会会。这这种种选选择择对对简单的请求简单的请求- -应答协议是十分重要的。应答协议是十分重要的。 哈工大网络与电气智能化研究所 8989思考题思考题7、CAN总线中，通过报文
118、标示符ID确定报文的优先级，若4个标准格式数据帧的报文标示符ID分别为11001100001、11001101001、11001000001和11001000010，那么它们争用总线时，哪个数据帧获得总线的访问权？ 答：报文标示符ID为11001000001的数据帧获得总线的访问权。 哈工大网络与电气智能化研究所 9090思考题思考题8、设CAN总线的通信速率为125kbps，对于包含4字节有效数据的标准格式的数据帧，若其帧间空间为3位，请计算其最小CAN中断时间？ 答：CAN总线的位时间： 每个数据帧位数： 位 两次中断间总数据位数：76+3=79位 最小CAN中断时间： 哈工大网络与电气智
119、能化研究所 9191思考题思考题9 9、使使用用晶晶振振频频率率为为24MHz24MHz的的独独立立CANCAN控控制制器器SJA1000SJA1000，若若总总线线定定时时寄寄存存器器BTR0=01HexBTR0=01Hex，BTR1=1BhexBTR1=1Bhex，则则由由其其所所决决定的位速率是多少？定的位速率是多少？ 答：答： 9292思考题思考题1010、在在数数据据链链路路层层和和物物理理层层中中，DeviceNetDeviceNet与与CANCAN的的主要区别是什么？主要区别是什么？ 答答：CANCAN的的最最高高通通信信速速率率可可达达1Mbps1Mbps，DeviceNetD
120、eviceNet只只用用 了了 125kbps125kbps、 250kbps250kbps、 500kbps500kbps三三 种种 速速 率率 ；DeviceNetDeviceNet只只使使用用了了CAN2.0ACAN2.0A中中的的有有关关定定义义，并并不不支支持持CAN2.0BCAN2.0B中中的的扩扩展展报报文文格格式式；在在CANCAN定定义义的的4 4种帧类型中，种帧类型中，DeviceNetDeviceNet不使用其中的远程帧。不使用其中的远程帧。 哈工大网络与电气智能化研究所 9393思考题思考题1111、对对于于服服务务器器而而言言DeviceNetDeviceNet传传送
121、送类类- -触触发发属属性性的的各各传传送送类类的的区别是什么？区别是什么？ 答：传送类答：传送类0 0：收到报文后只是通知应用数据已被消费。：收到报文后只是通知应用数据已被消费。 传送类传送类2 2：链接消费者的消费动作会立即触发相关链接生：链接消费者的消费动作会立即触发相关链接生产者进行发送，无须应用的介入。产者进行发送，无须应用的介入。 传送类传送类3 3：当链接消费者收到一个报文时，它将其传送给：当链接消费者收到一个报文时，它将其传送给消费消费_ _连接连接_ _路径属性中指定的应用对象。此应用对象继而路径属性中指定的应用对象。此应用对象继而确认该接收数据事件。若该应用对象确认该接收数
122、据事件确认该接收数据事件。若该应用对象确认该接收数据事件有效，则要求触发一个生产。若应用对象检测出一个错误，有效，则要求触发一个生产。若应用对象检测出一个错误，则根据内部逻辑，它可触发也可不触发一个生产。则根据内部逻辑，它可触发也可不触发一个生产。 哈工大网络与电气智能化研究所 9494思考题思考题1212、请请以以图图解解的的方方式式详详细细描描述述DeviceNetDeviceNet现现场场总总线线中中MAC MAC IDID为为0 0的的客客户户机机与与MAC MAC IDID为为5 5的的服服务务器器之之间间成成功功建建立立显显式式信信息息连连接接的的过过程程。假假设设两两个个节节点点
123、都都是是UCMMUCMM能能力力设设备备，双双方方约约定定将将来来在在组组1 1报报文文上上通通信信，客客户户机机使使用用报报文文ID ID A A，服服务务器器使使用用报报文文ID ID 3 3，类类和和实实例例IDID都都用用8 8位位表表示示，且且服服务务器器返返回回的连接实例的连接实例IDID为为2 2。 答：答： 9595思考题思考题1313、DeviceNetDeviceNet现现场场总总线线预预定定义义主主从从连连接接组组标标识识符符如如图图所所示示，现现使使用用轮轮询询连连接接，主主站站的的MAC MAC ID=01ID=01，从从站站的的MAC MAC IDID分分别别为为1
124、313、2020、4444、5050。试试给给出出主主站站发发给给每每一一个个从从站站的的轮轮询询命令报文的命令报文的CIDCID和每一个从站轮询响应报文的和每一个从站轮询响应报文的CIDCID。 9696思考题思考题答：答：从站从站1313，主站轮询命令报文，主站轮询命令报文CID=10 001101 101,0x46DCID=10 001101 101,0x46D 从站轮询响应报文从站轮询响应报文CID=0 1111 001101,0x3CD;CID=0 1111 001101,0x3CD;从站从站2020，主站轮询命令报文，主站轮询命令报文CID=10 010100 101, 0x4A5
125、CID=10 010100 101, 0x4A5 从站轮询响应报文从站轮询响应报文CID=0 1111 010100, 0x3D4;CID=0 1111 010100, 0x3D4;从站从站4444，主站轮询命令报文，主站轮询命令报文CID=10 101100 101, 0x565CID=10 101100 101, 0x565 从站轮询响应报文从站轮询响应报文CID=0 1111 101100, 0x3EC;CID=0 1111 101100, 0x3EC;从站从站5050，主站轮询命令报文，主站轮询命令报文CID=10 110010 101, 0x595CID=10 110010 101, 0x595 从站轮询响应报文从站轮询响应报文CID=0 1111 110010, 0x3F2CID=0 1111 110010, 0x3F2。哈工大网络与电气智能化研究所 9797Thank you!9898
