《物联网控制基础》课件第2章.ppt

1、第 2 章现场总线技术2.1现场总线基本概述现场总线基本概述2.2几种典型的现场总线几种典型的现场总线2.3控制器局域网（控制器局域网（CAN）总线技术）总线技术2.4现场总线控制系统设计现场总线控制系统设计2.5温室监测温室监测CAN总线控制系统总线控制系统2.1 现场总线基本概述现场总线基本概述2.1.1 现场总线的产生现场总线的产生3C（Computer，Communication，Control）技术的发展、微机化仪器仪表的成熟和广泛应用，彻底动摇了自20世纪60年代以来占据过程控制领域的420毫安信号标准的地位，并由此产生了采用现场网络数字通信技术把各种各样的微机化设备集成到一起的现

2、场总线概念。20世纪80年代初期国外机构就已提出现场总线的概念，但研究工作进展缓慢，对其产业化应用也未形成大的影响且没有制定出相关的体系化标准。现场总线的国际标准从1984年开始就着手制定，经过各方的共同努力和协商妥协，包含八种现场总线协议的IEC61158国际标准终于在1999年底正式通过。2003年，由IEC/5C6SC/MT9小组负责修订的现场总线标准第3版（IEC61158 ED.3）正式成为国际标准，在新版本标准中规定了十种类型的现场总线。随着相关标准的不断完善，现场总线技术越来越广泛的应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互联通信网络。作为工厂数字通信网络的基

3、础，现场总线沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以控制、计算机、数字通信等技术为主要内容的综合技术，已经引起了世界广泛的关注，成为物联网发展的热点，开拓了物联网系统结构与设备体系构建的新思路。纵观控制系统的发展历史，我们不难发现每一代新控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位。现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外，它们将在物联网这个前沿的感知控制系统网络中渐渐崭露头角。2.1.2 现场总线及其控制系统现场总线及其控制

4、系统1.现场总线的定义根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线（Fieldbus）是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、串行、多点的通信网络。在该定义中，首先说出了现场总线的主要使用场合，即制造业自动化、批量流程控制、过程控制领域，当然楼宇自动化、智能交通、智能物流等物联网领域也是它得心应手的应用场合；其次说出了现场点线系统中的主要角色，即现场的自动装置和控制室内的自动控制装置，这里的现场设备或装置肯定是智能化的，否则无法完成如此复杂的通信和控制任务，而控制室中的自动控制装置，更要完成对所有分散站点的管理和控制任务。最后说现场总线是一种

5、通信网络，有通信就必须有协议，从这个意义上讲，现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准，而且该通信是数字式的、双向传输的、串行的（可以进行千米级长距离的通信，以适应工业现场的实际需求）、多点的（可分散布控）。以上三点共同勾勒出了现场总线的实质。局域网与现场总线的组网形式比较相似，因此我们需要重点区分现场总线与局域网的概念。局域网（Local Area Network，LAN）是在一个局部的地理范围内（如学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或处理中心相连接，

6、构成一个较大范围的信息处理系统。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网在严格意义上是封闭型的，它可以由办公室内几台甚至上千上万台计算机组成。决定局域网的主要技术要素为：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。表2-1将现场总线与局域网进行比较。从功能上看，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网络上传输小批量的数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，对实时性要求高；局域网用于连接局部区域的各台计算机，网络上传输如文本、声音、图像等大批量的数字信息，传输速率高，但实时性要求低。从实现方

7、式上看，现场总线可采用各种通信介质，如双绞线、电力线、光纤、无线射频、远红外等，实现成本低；局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。2.现场总线控制系统现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键意义是用新一代的现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）逐步代替传统的集散控制系统（Distributed Control System，DCS）。集散控制系统的核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，各上、下位机之间用控制网络互联以实现相互之间的信息传递。因此

8、，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求较高的缺陷。遗憾的是，不同的DCS厂家为了达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网之间难以实现网络互联和信息共享，因此，从这个角度而言集散控制系统实质上是一种封闭专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫切要求。现场总线控制系统正是顺应以上潮流而诞生的。FCS是工业自动控制中的一种计算机局域网络，它以高度智能化的智能仪表和设备为基础

9、，在现场实现彻底的分散，并以这些现场分散的测量点、控制设备作为网络节点，将这些网络节点以总线的形式连接起来，形成一个现场总线网络。FCS的实质是一个开放的、具有可互操作性的全分布式控制系统。一般来说，FCS由控制部分（主站）、测量部分（从站）、软件（组态、管理等）以及网络的连接及集成设备组成。FCS一方面突破了DCS系统采用专用通信网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型的全分布式结构。与传统的控制系统相比，它具有体系结构开放、系统集成灵活方便、硬件智能化、传输数字化、控制计算高品质化的特点。可以说，

10、开放性、分散性与数字通信是现场总线系统最显著的特征。现场总线控制系统的体系结构如图2-1所示。现场总线控制系统的最底层是Infranet控制网（即FCS），各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，其网络拓扑结构可任意选择，可为总线型、星型、环型等；通信介质不受限制，可用双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等多种形式。因此，由FCS形成的Infranet控制网很容易与Intranet企业内部局域网和Internet全球信息网互联，构成一个完整的企业网络三级体系结构，为用户提供一个经济、可靠、灵活的网络平台。图2-1 现场总线控制系统的体系结构2.1.3 现场总线的特点现场总线

11、的特点现场总线的特点主要表现在两个方面：一是在体系结构上成功地实现了串行连接，克服了并行连接中存在的诸多问题；二是在技术上成功地解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场设备的高度智能化、互换性和控制系统的分散化。1.现场总线的结构特点1）基础性作为工业通信网络中最底层的现场总线是一种能在现场环境下运行的可靠的、廉价的和灵活的通信系统，它向下可以到达现场仪器仪表所处设备、装备，向上可以有效地集成到Internet或Ethernet中，构成了工业、企业网络中的最基础的控制和通信环节。正是由于现场总线的出现和应用，才使得工业、企业的信息管理、资源管理以及综合自动化真正达到了设备级，也正因如此才有

12、可能真正使全方位的物联网系统得以实现。2）灵活性现场总线控制系统结构与传统控制系统结构的比较如图2-2所示。传统的过程自动控制采用一对一的设备连接，位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间和控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接，系统的各输出控制回路也分别连接。这样，一个控制系统的布线可能就有几十、上百甚至上千条。这一方面增加了大量的系统硬件成本，同时也大大地增加了之后的施工、维护费用和难度。另一方面，由于现场布线的复杂性，也使整个系统丧失了其可改变性。在现场总线控制系统中，由于使用了高度智能化的现场设备和通信技术，在一条电缆上就能实现所有网络中信号的传递，系统设计

13、完成、施工完成后，去掉或添加现场设备也轻而易举。所以现场总线控制系统结构的彻底改变使得整个系统具有了高度的灵活性，更方便于应用在物联网的系统环境中，图2-3为智能家居系统中的总线控制结构。图2-2 现场总线控制系统结构与传统控制系统结构的比较(a)传统控制系统结构；(b)现场总线控制系统结构图2-3 智能家居系统中的总线控制结构3）分散性 由于在现场总线控制系统中采用了智能化的现场设备，原先传统控制中的某些控制、信号处理等功能都下放到了现场的仪器仪表中，再加上这些设备的网络通信功能，所以在多数情况下，控制系统的功能不依赖于控制室的计算机而直接在现场完成，这样就实现了彻底的分散控制。2.现场总线

14、技术的特点1）开放性开放性包括几个方面：一是系统通信协议和标准的一致性和公开性，这样可以保证不同厂家的设备之间的互联和替换，现场总线技术的开发者所做的第一件事就是致力于建立一个系统的工厂底层的开放系统；二是系统集成的透明性和开放性，用户可自主地进行系统设计、集成和重构；三是产品竞争的公开性和公正性，用户可以按照自己的需要，选择不同厂家的任何符合系统要求的设备来组成自己的控制系统。2）交互性交互性指互操作性（Interoperability）和互换性（Interexchangability），这里也包含以下三层意思：一是指上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力；二是指设备之间具有相互沟通的能力

15、，即具有互操作性；三是指不同厂家的同类产品可以相互替换，即具有互换性。3）自治性由于将传感测量、信号变换、补偿计算、工程量处理和部分控制功能下放到了现场设备中，因此现场设备具备了高度的智能化。除实现上述基本功能外，现场设备还能随时诊断自身的运行状态，预测潜在的故障，实现高度的自治。4）适应性工业现场总线是专为在工业现场使用而设计的，所以具有较强的抗干扰能力和极高的可靠性。在特定条件下，还可以满足安全防爆的要求。2.1.4 现场总线技术的标准化现场总线技术的标准化 国际电工技术委员会/国际标准化协会（IEC/ISA）于1984年起着手现场总线标准工作，但统一的标准至今仍未完成。同时，世界上许多公

16、司也推出了自己的现场总线技术。但各式各样的标准和协议，给实践带来很多不便，影响了系统的开放性和互操作性。经过10年的努力，IEC相继推出了IEC61158.2-IEC61158.6，即现场总线物理层规范、链路服务定义和协议规范以及应用层服务定义和协议规范等五个标准。IEC TC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）以1999年年底通过的八种类型的现场总线作为IEC 61158最早的国际标准。最新的IEC 61158（第四版）标准于2007年7月发布。IEC 61158（第四版）由多个部分组成，主要包括以下内容：IEC 61158-1，总论与导则；IEC 61158-2，物理层服务定

17、义与协议规范；IEC 61158-300，数据链路层服务定义；IEC 61158-400，数据链路层协议规范；IEC 61158-500，应用层服务定义；IEC 61158-600，应用层协议规范。IEC 61158（第四版）标准包括的现场总线类型有：IEC 61158（FF的H1）现场总线、CIP现场总线、PROFIBUS现场总线、P-Net现场总线、FF HSE现场总线、SwiftNet现场总线、WorldFIP现场总线、INTERBUS现场总线、FF H1以太网、PROFINET实时以太网、TCnet实时以太网、EtherCAT实时以太网、Ethernet Powerlink实时以太网、

18、EPA实时以太网、Modbus-RTPS实时以太网、SERCOS I、II现场总线、VNET/IP实时以太网、CC-Link现场总线、SERCOS III现场总线和HART现场总线。用于工业测量与控制系统的EPA（Ethernet for Plant Automation），其系统结构与通信规范是由浙江大学中控技术有限公司、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学等单位联合制定的用于工厂自动化的实时以太网通信标准。经国际电工委员会IEC/TC65/SC65C投票通过，已作为公共可用规范（Public Available Specification，PAS）IEC/PAS 624

19、09标准化文件正式发布，并作为公共行规（Common Profile Family 14，CPF14）列入正在制定的实时以太网应用行规国家标准IEC61748-2，2005年12月正式进入IEC 61158第四版标准，成为IEC61158-314/414/514/614规范。EPA实时以太网标准定义了基于ISO/IEC8802.3、RFC791、RFC768和RFC793等协议的EPA系统结构、数据链路层协议、应用层服务定义与协议规范以及基于XML的设备描述规范。该规范面向控制工程的应用实际，在关键技术攻关的基础上，结合工程应用实践，形成了微网段化系统结构、确定性通信调度、总线供电、分级网络安

20、全控制策略、冗余管理、三级式链路访问关系、基于XML的设备描述等方面的特色，并拥有完全的自主知识产权。目前，基于EPA研制成功了二十多种常用仪表和两种控制系统，包括压力变送器、温度变送器、流量变送器、物位变送器、电动执行机构、气动执行机构、气体分析仪以及数据采集器等。EPA技术及其产品陆续在三十多个生产装置上得到了成功的应用。2.2 几种典型的现场总线几种典型的现场总线目前，国际上影响较大的现场总线有40多种，比较流行的主要有RS422、RS485、CAN、Ethernet/IP、ControlNet、Lon Works等。通过表2-2部分现场总线的比较可以看出各总线均有其自身的特点，因此，需

21、要根据具体的应用场合进行选择。接下来我们将对各种总线进行深入的讲解。2.2.1 RS422RS422由RS232发展而来，克服了RS232通信距离短、速度低的缺点，采用差动方式传输。差动的工作方式是同速率条件下传输距离较远的根本原因，这正是RS422与RS232的根本区别。RS422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向。RS422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10 Mb/s，其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100 Kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离；只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输

22、速率仅为1 Mb/s。RS422需要终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗，接在传输电缆的最远端。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。2.2.2 RS485RS485有两线制和四线制两种接线方式，四线制接线方式只能实现点对点的通信方式，很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式采用总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。表2-3是RS232、RS422和RS485的参数比较。在要求通信距离为几十米到上千米时，通信协议广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有很高的灵

23、敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。市场上一般的RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。PC与智能设备通信多借助RS232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS232、RS485只能代表通信的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通信应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类

24、型，不具备通用性。在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过两台，就必须使用RS485做通信介质，设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是“从（Slave）”设备。现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。2.2.3 CAN控制器局域网（Controller Area Network，CAN）最初由德国BOSCH公司于1983年为汽车应用而开发，是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线（Fi

25、eld Bus）的范畴。1993年11月，ISO正式颁布了控制器局域网CAN国际标准（ISO11898），为控制器局域网标准化、规范化的推广铺平了道路。目前，控制器局域网已经成为国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。CAN的信号传输介质为双绞线，传输速率最高可达10 Mb/s/40 m，直接传输距离最远可达10 km/5 Kb/s，挂接设备最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8，因而传输时间段受干扰的概率低。当节点发生严重错误时，其具有的自动关闭功能可以自动切断该节点与总线的联系，使总线上的通信不受影响，因此具有较强的抗干扰能力。CAN支持多种方式工作，网络上任

26、何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式发送/接收数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免冲突。总的来说，CAN总线具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-BUS上，形成多主机局部网络；可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后可自动重发；节点在错误严重的情况下可自动退出总线；报

27、文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。2.2.4 Ethernet/IPEthernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议，它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。Ethernet/IP由ODVA（Open DeviceNet Vendor Association，开放设备网络供货商协会）开发，并得到了罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）公司的大力支持。Ethernet/IP以特殊的方式将以太网节点分成预定义的设备类型，每种设备有其特别的行为。此外

28、，Ethernet/IP设备可以用用户数据报协议（UDP）的隐式报文传送基本I/O资料；用传输控制协议（TCP）的显式报文上传或下载参数、设定值、程式或配方；用主站轮询、从站周期性更新或是状态改变（COS）时更新的方式，方便主站监控从站的状态，信息会用UDP的报文送出；用一对一、一对多或是广播的方式，透过用TCP的报文送出资料。Ethernet/IP应用层协议是基于控制和信息协议（CIP）层的，提供了从工业楼层到企业网络的一整套无缝整合系统。Ethernet/IP使用所有传统的以太网协议，构建于标准以太网技术之上，这就意味着Ethernet/IP可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接工作。更重

29、要的是，将Ethernet/IP建立在一个标准的以太网技术平台上，保证了前者会随着后者技术的发展而进一步发展。支持Ethernet/IP的团体正致力于编制一个综合的稳固的标准，Ethernet/IP上的工作正由多个经销商参与，包括定制规格以及在经认证的测试实验室进行全面的综合测试。CIP数据包在通过以太网发送前必须经过封装，并根据请求服务类型赋予一个报文头，这个报文头指示了发送数据到响应服务的重要性。通过以太网传输的CIP数据包具有特殊的以太网报文头，包括一个IP头、一个TCP头和一个封装头。其中，封装头包括了控制命令、格式和状态信息、同步信息等，这允许CIP数据包通过TCP或UDP传输并能够

30、由接收方解包。相对于DeviceNet或ControlNet，这种封装的缺点是协议的效率比较低，以太网的报文头可能比数据本身还要长，从而造成网络负担过重的后果。因此，Ethernet/IP更适用于发送大块的数据（如程序），而不是DeviceNet和ControlNet更擅长的模拟或数字的I/O数据。Ethernet/IP的一个数据包最多可达1500 B，其数据传输速率可达10/100 Mb/s，因而能实现大量数据的高速传输。基于Ethernet TCP或UDP_IP的Ethernet/IP是工业自动化数据通信的一个扩展，Ethernet/IP的规范是公开的。除办公环境上使用的HTTP、FTP、

31、IMTP、SNMP的服务程序之外，Ethernet/IP还具有生产者/客户服务，允许有时间要求的信息在控制器与现场I/O模块之间进行数据传送。非周期性的信息数据的可靠传输（如程序下载、组态文件）采用TCP技术，而有时间要求和同期性控制数据的传输由UDP的堆栈来处理。Ethernet/IP实时扩展在TCP/IP之上附加了CIP，在应用层进行实时数据交换和实时运行应用，其通信协议模型如图2-4所示。图2-4 Ethernet/IP通信协议模型2.2.5 ControlNet工业现场控制网络的许多应用不仅要求控制器和工业器件之间紧耦合，还应有确定性和可重复性。在ControlNet出现以前，没有一个

32、网络在设备或信息层能有效地实现这样的功能要求。ControlNet是由美国罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）公司于1997年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络。ControlNet基于改进型CanBus技术，是一种符合IEC61158 CIP现场总线标准的高速确定性网络。作为一种高速串行通信系统，ControlNet以一种确定加预测的模式运行，适用于需要实时应用信息交换的设备之间的通信。该总线网络是一种用于对信息传输时间有苛刻要求的高速确定性网络，同时，它也允许传输无时间苛求的报文数据。ControlNet可用作PLC与计算机之间的通信网络，连接传动装置和串、并

33、行设备、PC、人机界面等，还可以沟通逻辑控制和过程控制系统，传输速率为5 Mb/s。ControlNet是实时的控制层网络，在单一物理介质链路上，可以同时支持对时间有苛刻要求的实时I/O数据的高速传输以及报文数据的发送，包括编程和组态数据的上载、下载以及对等信息传递等。在所有采用ControlNet的系统和应用中，其高速的控制和数据传输能力提高了实时I/O的性能和对等通信的能力。ControlNet是一种高度确定性网络，因为它能够可靠地预报数据传递完成的时间。同样，ControlNet也因为其可重复性而闻名于世，该特性保证了传输时间为可靠的常量，且不受网络上节点的增加或减少的影响。这些都是保证

34、实时可靠、高度同步和高度协调的实时性能的至关重要的要求。不同于其他基于双绞线的网络，ControlNet使用光纤介质，传输距离最远可达30 km，传输速率一般保持在5 Mb/s，且不会随距离的增加而减小，并可在噪声环境中使用。这些都使得Control Net当之无愧地成为连接远程I/O和对等PLC主站的理想网络。ControlNet协议的制定参照了OSI的七层协议模型中的第一、二、三、四、七层，它既考虑了网络的效率和实现的复杂程度，精简了完整的七层结构，又兼顾到协议技术的向前兼容性和功能完整性。与一般的现场总线协议相比，ControlNet协议增加了网络层和传输层，这对于与异构网络的互联和网络

35、的桥接功能有很大支持，更有利于大范围的组网应用。ControlNet总线技术的特点如下：(1)在单根电缆上支持两种信息传输，即对时间有严格苛求和对时间无苛求的信息发送和程序上、下载；(2)采用新的通信模式，以生产者/客户的模式取代了传统的源/目的的模式，同时，支持点对点通信，而且允许同一时间与多个设备通信；(3)可使用同轴电缆，长度达6 km，可寻址节点多达99个，两节点间的最长距离达1 km；(4)网络拓扑结构可采用总线型、树形和星形；(5)安装简单，拓展方便，介质冗余，本质安全，诊断功能良好，应用领域广阔。2.2.6 LonWorksLonWorks是美国Echelon公司于1992年推出

36、的局部操作网络，最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网。LonWorks支持多种物理介质，有双绞线、光纤、同轴电缆、电力线载波、无线通信等，并支持多种拓扑结构，组网形式灵活。它采用了与OSI参考模型相似的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现了完整的LonWorks的LonTalk通信协议，节点间可以对等通信。Neuron芯片中有三个八位的CPU，第一个用于完成开放互联模型中第一、二层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第三、四、五、六层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背

37、景诊断、函数路径选择、软件计量、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有储存信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区，如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2 KB RAM和2 KB E2PROM。LonWorks技术的不断推广促进了神经元芯片的低成本化，而芯片的低成本又反过来促进了LonWorks技术的推广与应用，两者形成了良性循环。此外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片业具有独特的优势。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提

38、供了一套完整、开放、成品化的解决方法，正在被越来越多的厂商、用户、集成商以及技术人员所认同。由于对等性、平坦性、开放性、可互操作性等特点，它可在各个领域得到越来越广泛的应用。LonWorks网络提出了一些非常简单的主张：控制系统基本上可以不考虑应用；网络化的控制系统比非网络化的系统更加强大、灵活，且易可扩展；从长期考虑，网络化的系统可比非网络化的系统节约更多的成本。2.2.7 EIBEIB（European Installation Bus）是电气布线领域使用最多的行业规范和产品标准。1990年5月，110多个欧洲电气制造商联合成立了European Installation Bus Asso

39、ciation，总部设于比利时的布鲁塞尔，并制订了欧洲安装总线规范European Installation Bus。据统计，在德国的商业功能建筑和大型超市中，大约30%的楼宇都不同程度地安装了EIB系统，而在计划建造的楼宇中，这一比例则达到了60%。鉴于其优秀的表现，该协议已被美国消费电子制造商协会（CEMA）吸收作为家庭网络EIA-776标准。经过十多年的发展，EIB不仅成为事实上的欧洲规范，并在2000年在IEC国际现场总线标准大会上被提名为国际标准之一。EIB是一种标准的总线控制系统，控制方式为对等控制，不同于传统的主从控制方式，总线采用四芯屏蔽双绞线，其中两芯为总线使用，另外两芯备用

40、。所有元件均采用24伏直流工作电源，24伏直流供电与电信号复用总线。EIB的元器件均为模块化元件，主要分为驱动器和探测器两类，驱动器为标准模数化的元件，采用标准DIN导轨的安装方式，探测器采用标准表面齐平安装方式。驱动器和探测器可分散安装在建筑物的不同区域，然后使用总线将所有的元件连接起来。每个元件内均有内置的微处理器与存储器，故这些元器件可分别独立工作，任何一个元件的损坏都不会影响系统其他部分的独立工作，因此具有高度的安全性。EIB的通信协议遵循OSI（开放式系统互联参考模型）模型，提供了OSI模型所定义的全部七层服务。由于开关信号的随机性，EIB采用了CSMA/CD（具有冲突检测的载波监听

41、多路访问），通过这种总线访问技术，在多个总线元件同时发送信号时不会发生信号丢失，并且EIB有自己的优先权定义以保证信号能够按照一定的次序传送。EIB最大的特点是通过单一多芯电缆替代了传统分离的控制电缆和电力电缆，并确保各开关之间可以互传控制指令，因此总线电缆可以以线形、树形或星形方式铺设，方便扩容与改装。EIB系统的基本结构是支线（Line），一条支线可以接64个元件，通过线路耦合器（Line Coupler）最多可以将15条支线连接为一个区域（Area），而通过干线耦合器（Backbone Line Coupler）可以将15个区域连接成一个最大的系统。因此，EIB系统最多可以容纳高达144

42、00个元件，而可控制的用电设备点数更是惊人。事实上，如果某一条线路需要连接更多的元件的话，还可以通过连接线路中继器（Line Repeater）的方式再多连接192个总线元件。根据EIB标准，一条总线的最大长度为1000米。EIB系统具有以下特点：线路简单，安装方便，易于维护，节省大截面线材消耗量，可降低建筑开发商的投资成本和维修管理费用，缩短安装工期，提高投资回报率；运用了先进的微电子技术，不但可实现单点、双点、多点、区域、群组控制、场景设置、定时开关、亮度自动调节、红外线探测、集中监控、遥控等多种控制任务，并且可以优化能源的利用，节约能源，降低运行费用；能满足多种用户对不同环境功能的要求,

43、电气安装总线是开放式、大跨度的框架结构，允许用户迅速而方便地改变建筑物的使用功能或重新规划建筑平面；可以满足建筑经济型运行的要求，实现了节能运行与管理的必要条件，同时也可以大量减少管理与维护人员，降低管理费用，提高劳动效率，并提高管理水平；现代化建筑有多种报警措施及安全服务，各系统间互相结合，并以计算机网络的形式实现，在紧急突发事件发生时，能作出迅速果断的处理，为建筑的安全提供了可靠的保障；通过弱电控制强电，人体接触的控制设备均为24 V安全电压，保证了建筑的安全和可靠。2.2.8 InterBusInterBus总线于1984年推出，其主要技术开发者为德国的Phoenix Contact公司

44、。InterBus是一个传感器/调节器总线系统，特别适用于工业控制，能够提供从控制级设备至底层限定开关的一致性网络互联。InterBus作为IEC61158标准之一，广泛地应用于制造行业和机器加工行业中，用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。InterBus总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据，采用RS485传输，网络自身不供电，采用全双工方式进行通信，通信速率为500 kb/s。本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端（BUS Terminal，BT)上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地

45、网络数据。InterBus现场总线网络的拓扑结构可以是总线形、树形、星形，而且最多允许有16级的嵌套连接方式，其物理传输介质包括双绞线、光线和红外线等。InterBus现场总线网络最多允许接入512个现场控制设备，其中254个依赖于远程总线。现场控制设备之间的最大距离为400 m，若采用同轴电缆则最大距离可达12.8 km。InterBus现场总线网络采用非仲裁通信方式，现场设备之间的错误检查采用16位CRC码校验方式。InterBus总线技术能够满足三个要求，即信号迅速采集、通信安全可靠以及系统实时性和启动系统同步性。信号迅速采集，即要求采用开发简单并具有恒定周期的信号采集方式，InterB

46、us技术通过简单、方便的诊断功能和开放性的系统特点，正好能满足这个要求；同时InterBus采用点到点网络方法，以保证最高的传输效率，而不必采用快的传输速率，这将使得产生的InterBus总线的模块接口简单、方便，可靠性高；独特的InterBus总线的集总帧（Summation frame）协议方法使得传输周期能够按实际的系统进行计算，满足系统实时性的要求。InterBus定义了OSI七层协议模型中的第一、二、七层，即物理层、数据链路层（DLL）和应用层。其中，为了提高传输效率，数据链路层由媒体访问控制（MAC）、基本链路层（BLL）和外围设备数据链路（PDL）三个子层构成，该数据链路层产生了

47、等时（Isochrones）、集总帧（Summation frame）传输协议。2.2.9 PROFIBUS1987年德国联邦科技部集中了13家公司的五个研究所的力量，按ISO/OSI参考模型制订了现场总线的德国国家标准PROFIBUS，其主要支持者是德国西门子公司，并于1991年在德国国家标准DIN19245中发布，开始只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS，1994年又推出了PROFIBUS-PA，它引用了IEC标准的物理层（IEC1158-2，1993年通过），从而可以在有爆炸危险的区域（EX）内连接本质安全型通过总线馈电的现场仪表，这使得PROFIBUS更加完善。PROF

48、IBUS已于1996年3月15日被批准为欧洲标准EN50170-2。PROFIBUS支持主/从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对于多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权。按PROFIBUS的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主/从方式向从站发送或索取信息，实现点对点的通信。主站可采用对所有站点广播（不要求应答），或有选择地向一组站点广播。PROFIBUS为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。针对不同的控制场

49、合，它分为三个系列：通用自动化PROFIBUS-FMS总线、工业自动化PROFIBUS-DP总线和过程自动化PROFIBUS-PA总线，以适应于高速和时间苛求的数据传输以及大范围的复杂通信场合。(1)PROFIBUS-DP适用于传感器和执行器级的高速数据传输。它以德国标准DIN1924的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充,传输速率可达12 Mb/s，其设计宗旨在用于设备间的高速数据传送。中央控制器（PLC/PC）通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O、驱动器、阀门等）进行通信，同这些分散的设备进行数据交换多是周期性的。使用PROFIBUS-DP可以取代24伏直流或420

50、毫安信号传输。（2）PROFIBUS-PA适用于安全性要求较高的场合，实现了IEC1158-2（物理层）规定的通信规程。PROFIBUS-PA的过程自动化解决方案中PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备（压力、温度和液体变送器等）连接起来，节约成本，并提高了系统功能和安全可靠性，因此PA适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统。本征安全一直是工程网络在过程控制领域应用时首先需要考虑的问题，否则，网络功能设计得再完善也无法在化工、石油等工业领域现场使用。目前，各种现场总线技术中考虑本征安全特性的成熟解决方案可以说都是PROFIBUS-PA，它只需要一条双绞线就可传送信息并向现场设备供电