第1章绪言
根据国际电工委员会I E C和现场总线基金会F F对现场总线的定义：现场总线是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。
两种应用方式：H1和H2
H1：（低速方式）用于替代直流0-10m A或4-20m A以实现数字传输。它的传输速度较低，每秒几千波特，但是传输距离长。
H2：（高速方式）传输速度较高，但是传输距离短。
现场总线控制系统：由现场总线与现场智能设备组成的控制系统。其集通信技术、计算机技术、控制技术和现场智能设备。
现场总线的特点：1、现场通信网络2、现场设备链3、互操作性4、分散的功能块
5、现场总线供电
6、开放式互联网。
L A S（链路回路调动器）
现场总线结构：
F C S的内涵：1、F C S的核心是现场总线协议，即遵守国际通用的现场总线标准。
2、F C S的基础数字智能现场设备，它是F C S的硬件支持。
3、F C S的本质是信息处理现场化，这是F C S效能的体现。
第2讲数据通信基础
数据通信
数据：数据是对数字、字母及其组合的一种表达方式。工业数据一般是指与生产过程密切相关的数值、状态、指令的表达。
数据通信：数字通信是两点或多点之间借助某种传输介质，以二进制的形式进行信息交换的过程。
数据通信系统的组成：1、发送设备2、接收设备3、传输介质
4、传输报文
5、通信协议（通过一定处理的信息）
数据通信系统实际上是一个硬软件的结合体
数字通信技术主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等问题。
数据通信系统主要负责将数据按编码格式在两点之间准确的传输，一般不对传输内容做任何修改。
广义通信系统模型（农（C.E.S h a n n o n））
信源为待传输的数据信息的产生者
发送器将数据信息变换为适合于信道上传输的信号
接收器从信道上接收信号并在信宿处变换为数据信息
信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质
影响通信信号的噪声：传输过程中影响接收者正确接收和理解信号
事先约定的通信协议：通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规划，称为通信协议。协议定义了通信的内容，通信何时进行以及通信如何进行等。完整的通信协议规定用以控制信息、通信的各方面的规则、标准或行规。
传输介质
传输介质：从发送设备到接受设备之间信号传递所经过的媒介，是网络中连接收发双方的物理通路。
双绞线、电缆、电力线、光缆等有线介质；无线传输介质，如电磁波、红外线；
传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大。
物理特性：传输介质的物理结构；
传输特性：对数据传送所允许的传输速率、频率、容量以及调制技术；
连通特性：点对点；一对多点的连接方式；
地理范围：传输介质的最大传输距离；
抗干扰性：防止噪声与电磁干扰对信号影响的能力
性能价格比
报文与通信协议
报文与通信协议都属于通信系统中的软件
一般把需要传送的信息，包括文本、命令、参数值、图片、声音等称为报文。它们是经过数字化后的信息。
通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则，称为通信协议。
协议定义了通信的内容、通信何时进行以及通信如何进行等。协议的关键要素是语法、语义和时序。
完整的通信协议规定了用以控制信息通信的各方面的规则。
语法：指通信中数据的结构、格式及数据表达的顺序。
如可以定义数据的前面8位（或16位）是发送者的地址，接着的8位（或16位）是接收者的地址，后面紧跟着的是要传送的指令或数据等。
语义：指通信帧的位流中每个部分的含义，收发双方正是根据语义来理解所通信数据的
意义。如该数据表明了现场的温度测量值，该点温度是否处于异常状态，该温度测量
仪表本身的工作状态是否正常等。
时序：时序包括数据的发送时间和发送速率。收发双方往往需要以某种方式校对时钟，
并协调数据处理的快慢，才能保证通信的正常进行。 通信系统的性能指标
有效性指标: 数据传输速率：
T 为发送一位代码的最小单位时间
n 为信号的有效状态。某个脉冲只包含两种状态，则n =2,
数据传输速率的单位：b i t /s b p s
工业数据通信中常用的标准数据信号速率为：9600、31.25K 、500K 、1M 、2.5M 、10M 以及100M b p s
比特率:通信系统每秒传输数据的位数为比特率，记作b p s 。
波特率 :1波特（B a u d 或B ）指信号大小方向的一个变化波形。每秒传输信号波形的变化次数称为波特率 对二进制位脉冲的单比特信号，传输速率为9600b p s ，其波特率为9600B ，即每秒可传输
9600个二进制脉冲。如果信号由2个比特组成，当传输速率为9600b p s 时，其波特率只
有4800B 。
讨论信道的传输频带宽度时，通常采用波特率；在涉及系统实际的数据传送能力时，则
使用比特率
频带利用率：指单位频带内的传输速度。它是衡量数据传输系统有效性的重要指标。单
位为bps/Hz ，即每赫兹带宽所能实现的比特率。由于传输系统的带宽通常不同，因而
通信系统的有效性仅仅看比特率是不够的，还要看其占用带宽的大小 。
协议效率：是衡量通信系统软件有效性的指标之一。协议效率是指所传输的数据包中的
有效数据位与整个数据包长度的比值。一般是用百分比表示，它是对通信帧中附加量
的量度。不同的通信协议通常具有不同的协议效率。协议效率越高，其通信有效性越
好。
在通信参考模型的每个分层，都会有相应的层管理和协议控制的加码。从提高协议
编码效率的角度来看，减少层次可以提高编码效率。
通信效率：数据帧的传输时间与用于发送报文的所有时间之比。其中数据帧的传输时间
取决于数据帧的长度、信号传输的速率、以及要传输数据的两个节点之间的距离。用
于发送报文的所有时间包括竞用总线或等待令牌的排队时间，数据帧的传输时间，以
及用于发送维护帧等的时间之和。通信效率为1，就意味着所有时间都有效地用于传输数据帧。通信效率为0，就意味着总线被报文的碰撞、冲突所充斥
可靠性指标
误码率
误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。它是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率
N为传输的二进制码元总数，N e为被传输错的码元
理论上应有Ｎ→∞。N足够大时，才能把P e在近似为误码率。
误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。
实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，在数据传输速率确定后，误码率越低，数据传输系统设备越复杂，造价越高。
计算机通信的平均误码率要求低于10-9
通信信道的频率特性
描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变化的特性
幅频特性指不同频率信号，通过信道后其幅值受到不同衰减的特性。
相频特性是指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性。
信号通过实际信道后的波形可能产生畸变。如果信号的频率在信道带宽范围内，则传输的信号基本上不失真，否则，信号将失真。
实际传输线路存在电阻、电感、电容，由它们组成分布参数系统。由于电感、电容的阻抗随频率而变，使得信号的各次谐波的幅值衰减不同，相角变化不同。
介质带宽
数字信号的频谱与带宽：数字信号可以被分解成无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。传输数字信号相当于是在传送无数多个简单的正弦信号。信号所含频率分量的集合称为频谱。频谱所占的频率宽度称之为带宽。
有效频谱与带宽：以一定的幅度门限为依据，信号中幅度超过门限的频谱为该信号的有效频谱。有效频谱的频带宽度称之为有效带宽。
实际传输介质只能传输某些频率范围内的信号。部分频率分量在传输过程中被严重衰减，会导致接收端信号变形。
介质能传输的信号的频率范围称为介质带宽，一种介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号。如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真
当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加。因而需要传输介质具有更大的介质带宽。换句话说，传输介质的带宽会限制传输速率的增高
信道容量
香农计算公式
信道带宽W ，信噪比S/N
提高带宽或信噪比能增加信道容量；在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。
信噪比对信道容量的影响
S/N=10db ，W=3000时
C b p s =+=3000110103802l o g ()
S/N=20db ，W=3000时
C b p s =+=30001100199802
l o g ()
信道容量随信噪比的提高增加了许多
由于噪声功率N=Wn 0(n 0为噪声的单边功率谱密度)，因而随着带宽W 的增大，噪声功率N 也会增大。所以增加带宽W 并不能无限制地使信道容量增大。 数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内 数据编码
用0、1序列的不同组合来表达不同的信息内容,如用2位二进制码的4种不同组合00、01、
10、11，可来分别表示某个控制电机处于断开、闭合、出错、不可用4种不同的工作
状态。8位二进制码的256种不同组合可来表可来表示扩展的二进制编码
通过编码把一种0，1的组合与一个确定的内容联系起来
电报通信中的莫尔斯码 ；博多码（用5位表示一个字符或字母，在电报业沿用至今）
数据通信系统中采用最为广泛的编码是ASCII （American Standard Code for
Information Interchange ）
工业数据通信系统中还有大量不经过任何编码而直接传输的二进制数据 数字数据编码波形
将数据按编码转换成适合于传输的物理信号 工业数据网络通信系统中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取
一个。这每一位就是一个码元。
采用用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态的，称为摸拟数据
编码。用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数编码
数字数据编码波形 ：
单极性码：信号电平是单极性的，如逻辑1用高电平，逻辑0为0电平的信号表达方式。
双极性码：信号电平为正、负两种极性的。如逻辑1用正电平，逻辑0为负电平的信号表达方式
归零码(RZ)：在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。例如双极性归零码的逻辑1只在该码元时间中的某段(如码元时间的一半)维持高电平后就回复到零电平，其逻辑0只在该码元时间的一半维持负电平后也回复到零电平
非归零码(NRZ)：在整个码元时间内都维持有效电平的编码方式。
a. 单极性非归零码 c. 双极性非归零码
b. 单极性归零码 d . 双极性归零码
单、双极性的归零码和非归零码
差分码：用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。电平变化代表“1”，不变化代表“0”。差分码按初始状态为高电平或低电平，有相位截然相反两种波形。
平衡传输和非平衡传输。平衡传输指无论“0”或“1”都是传输格式的一部分；而非平衡传输中，只有“1”被传输，“0”则以在指定的时刻没有脉冲来表示。
曼彻斯特编码（M a n c h e s t e r E n c o d i n g）
特点：具有内在的时钟信息，使网络上各节点保持时钟同步。
曼彻斯特编码把时间划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每个比特时间又被分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的本身，后半个时间段传送的是比特值反码.从高电平跳变到低电平表示1，从低电平跳变到高电平表示0。
其中间点总有一次信号电平的变化，因而携带有信号传送的同步信息。无需另外传送同步信号。
差分曼彻斯特编码
起点电平变化代表“1”，不变化代表“0”
也可令起点电平变化代表“0”，不变化代表“1”
理想方波信号包含从零到无限高的频率成分,而介质允许传输的带宽是有限的，为了与
线路传输特性匹配，除很近距离的传输外，一般采用低通滤波器将矩形波整形成为变换点比较圆滑的基带信号，接收端则在每个码元的最大值(中心点)取样复原 曼彻斯特编码为一种典型的基带信号编码
模拟数据编码
模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。信号的幅度、频率、相位是描述模
拟信号的参数
幅值键控(ASK Amplitude-Sheft Keying)又称键控调幅
频移键控(FSK Frequency-Sheft Keying)又称键控调频
相移键控(PSK Phase-Sheft Keying)又称键控调相
数据传输方式
据传输方式是指数据代码的传输顺序和数据信号传输时的同步方式
串行传输和并行传输
串行传输（ Serial Transmission）中，数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。
每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是先发送数据字节的高位还是低位。同样，接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该处于什么位置。串行传输具有易于实现，在长距离连接中可靠性高等优点。适合远距离的数据通信
并行传输（Parallel Transmission）是将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。它可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单独的一条导线，例如采用8条导线并行传输一个字节的8个数据位，另外用一条“选通”线通知接收者接收该字节，接收方可对并行通道上各条导线的数据位信号并行取样。若采用并行传输进行字符通信时，不需要采取特别措施就可实现收发双方的字符同步。
串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字节的各数据位是依顺序逐位传输还是同时并行地传输
典型应用事例：计算机的串口与并口
同步传输与异步传输
在数据通信系统中，各种处理工作总是在一定的时序脉冲控制下进行的，而通信系统收发端工作的协调一致性又是实现信息传输的关键，这就是数据通信系统中的传输同步问题。
串行数据传输中的二进制代码在一条总线上以数据位为单位按时间顺序逐位传送，接收端按顺序逐位接收，接收端必须能正确地按位区分，才能正确恢复所传输的数据。
串行通信中的发送者和接收者都需要使用时钟信号。通过时钟决定什么时候发送和读取每一位数据。同步传输和异步传输是指串行通信中使用时钟信号的不同方式。
在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟，这个时钟可以是参与通信的那些设备或器件中的一台产生的，也可以是外部时钟信号源提供的。时钟可以有固定的频率，也可以间隔一个不规则的周期进行切换。所有传输的数据位都和这个时钟信号同步。
每个数据位只在时钟信号跳变（上升或者下降沿）之后的一个规定的时间内有效。接收方利用时钟跳变来决定什么时候读取每一个输入的数据位。如发送者在时钟信号的下降沿发送数据字节，接收者则在时钟信号中间的上升沿接收并锁存数据。也可以利用所检测到的逻辑高或者低电平来锁存数据
同步传输可用于一个单块电路板的元件之间传送数据，或者用于电缆连接在30 ～ 40cm 甚至更短距离的数据通信
适合高速传输的要求
需要一条额外的线来传输时钟信号
长距离的数据通讯时同步传输的代价较高，容易受到噪声的干扰
异步传输中，每个通信节点都有自己的时钟信号。每个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。当传输一个字节或数据帧时，通常会包括一个起始位来同步时钟。
异步又称起止(start - stop)同步
异步方式中，并不要求收发两端在传送信号的每一数据位时都同步。
例如在传输字符前设置一个启动用的起始位，预告字符的信息代码即将开始，在信息代码和校验信号结束后，也设置1个或多个终止位，表示该字符已结束。
在起始位和停止位之间，形成一个需传送的字符、数据、指令。
异步方式实现起来简单容易，频率的漂移不会积累，对线路和收发器要求较低。但异步方式传输中，往往因同步的需要，要另外传输一个或多个同步字符或帧头，因而会增加网络开销
异步传输中的位同步、字符同步与帧同步
按传输数据的基本组织单位，又将同步分为位同步、字符同步和帧同步
位同步(bit synchronous)。收发两端的时钟同步即为一种位同步，它是所有同步的基础。接收端可以从接收信号中提取位同步信号，在接收信号码元1和0的极性变化中，往往就包含了同步信息。
为了使数据传输系统具有最佳的抗干扰性能，保证数据准确地传递，要求位同步系统的定时信号满足：
（1）接收端与发送端时钟信号的频率相同
（2）时钟信号与数据信号间保持固定的相位关系。
字符同步(Character or word synchronous)：在电报传输、计算机与其外设之间的通信中，通常以字符作为一个独立的整体进行发送，因而需要按字符同步。字符同步将字符组织成组后连续传送，每个字符内不加附加位，每组字符之前必须加上一个或多个同步位或字符SYN。接收端接收到同步位，并根据它来确定字符的起始位置。
帧同步(F r a m e s y n c h r o n o u s)：
数据帧是一种按事先约定将数据信息组织成组的形式
帧同步指数据帧发送时，收发双方以帧头帧尾为特征实行同步的工作方式。它将数据帧作为一个整体，实行起止同步
在工业数据通信系统中涉及到的同步方式主要有位同步和帧同步
通信数据帧的构成
通信线路的工作方式
单工通信：指所传送的信息始终朝着一个方向，而不进行与此相反方向的传送，如设A 为发送终端，B为接收终端，数据只能从A传送至B，而不能由B传送至A。单工通信线路一般采用二线制
半双工通信：指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。如信息可以从A传至B，或从B传至A，所以通信双方都具有发送器和接收器。实现双向通信必须改换信道方向。
半双工通信采用二线制线路，当A站向B站发送信息时，A站将发送器连接在信道上，B站将接收器了解接在信道上，而当B站向A站发送信息时，B站则要将
接收器从信道上断开，并把发送器接入信道。
全双工通信是指指信息流可同时在两个方向上传输，它相当于把两个相反方向的单工通信方式组合在一起。这种方式常用于计算机——计算机之间的通信
信号的传输模式
基带传输：在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输。它不包含有任何调制，是目前广泛应用的最基本的数据传输方式
载波传输：用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述幅值键控(ASK)，频移键控(FSK)、相移键控(PSK)三种。
在载波传输中，发送设备要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号。这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率。然后按幅值键控，频移键控、
相移键控等不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号后发送。
宽带传输：由于基带网的带宽窄，不适于传输语言，图象等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据，文字，语音，图象等多种信号的任务愈来愈重，提出了宽带传输的要求。
宽带传输与基带传输的主要区别，一是数据传输速率不同。基带网的数据速率范围为0～10M b p s，宽带网可达0～400M b p s；二是宽带网可划分为多条基带信道。
能提供良好的通信路径。
异步转移模式ATM
Asynchronous Transfer Mode)
ATM是一种新的传输与交换数字信息的技术，也是实现高速网络的主要技术。被规定为宽带综合业务数字网（B-ISDN）的传输模式。这里的转移包含了传输与交
换两方面的内容。ATM是一种在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信问
题的技术。它支持多媒体通信，包括数据，语音和视频信号，按需分配频带，
具有低延迟特性，速率可达155Mbps到2.4Gbps，也有25Mbps和50Mbps的ATM
技术。
在ATM网络中，所有报文以固定长度的数据单元发送。分报文头（Header）和有效信息域(Payload)两部分。数据单元长度为53个字节，报文头占5个字节，其余
48个字节为有效信息域。有效信息域采用透明传输，不执行差错控制。数据流
采用异步时分多路复用
差错控制
1.差错控制是为提高通信系统的传输质量而提出的有效地检测错误，并进行纠正的方法，称
作差错检测和校正，简称为差错控制。差错控制的主要目的是减少通信中的传
输错误。
2.差错检测是让报文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息，但它不能确定是哪一比特出错，自己也不能纠正传输中的差错。差错检测原理简单，实现容易，编码与解码速度快，在工业数据通信中得到广泛使用。
3.差错纠正是让每个传输的报文分组中带有足够的冗余信息，以便接收端能发现并自动纠正传输错误。差错纠正在功能上优于差错检测，但实现复杂，造价高。
差错的检测方法
差错检测并不识别哪个或哪些位出现了错误，仅仅识别出错误的出现，差错检测最常用的方法：
冗余：对每个字符都传输两次。如果没有能够连续两次收到相同的字符，就意味着发生了一个传输错误。
回送被用在操作人员手工从键盘输入数据的通信系统中。把接收端收到的每一个字符都回送给操作人员，让操作人员来确认字符确确实实被正确输入了。如果在
回送字符期间出现了传输错误，就要进行重复传输。
奇偶校验：在奇偶校验中，将奇偶校验位加在每个字符上，以使得一个字符中1的总个数要么是奇数（奇校验），要么是偶数（偶校验）。奇偶校验有可能漏掉
大量的错误，但应用起来非常简单。
求和校验：在发送端和接收端都对传输的数据进行求和操作，在发送端将校验和附加在数据信息之后。如果接收端的校验和与发送端的校验和不同，就表明发生
了错误。校验和方法能检测出95％的错误，但与奇偶校验方法相比，增加了计
算量。
循环冗余校验ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Code）
将要发送的数据位序列当作一个多项式ｆ(x)的系数，用预先约定的生成多项式G(x)去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接
收端。接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式ｆ’(x)，得到计算
余数多项式。如果计算余数多项式与接收余数多项式相同，则表示传输无差错；
如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错
CRC错误检查方法能够检测出大约99.95%的错误，计算量较大
生成多项式G(x)
CRC -12 G(x)=x12+x11+ x3+x2+x+1
CRC -16 G(x)=x16+x15+ x2+1
CRC -CCITT G(x)=x16+x12+x5+1
CRC -32 G(x)=x32+x26+ x23+x22+ x16+x12+ x11+x10+x8+x7+ x5+x4+x2+x+1
ＣＲＣ校验的工作过程
1 在发送端，将发送数据多项式f(x).x k，其中k为生成多项式的最高幂值，例如ＣＲ
Ｃ-12的最高幂值为12，则发送f(x).x12；对于二进制乘法来说，f(x).x12的意义是将发送数据位序列左移12位，用来存入余数
2.将f(x).x k除以生成多项式G(x)，得：
式中R(x)为余数多项式
3．将f(x).x k+R(x)作为整体，从发送端通过通信信道传送到接收端；
4．接收端对接收数据多项式f’(x)采用同样的运算，即
求得计算余数多项式；
5.接收端根据计算余数多项式R’’(x)是否等于接收余数多项式R(x)来判断是否出现传输错
误。
规则：ＣＲＣ校验码的生成采用二进制模二算法，即减法不借位，加法不进位的异或操作。例：1）发送数据序列为110011（6比特）；
2）生成多项式比特序列为11001（5比特，Ｋ＝4）； x4+x3+1
3）将发送数据比特序列乘以24，那么产生的乘积应为1100110000；
4）将乘积用生成多项式比特序列去除，求得余数比特序列为1001；
5）将余数比特序列加到乘积中得：1100111001
6）如果在数据传输过程中没有发生传输错误，那么接收端接收到的带有ＣＲＣ校验码的接收数据比特序列一定能被相同的生成多项式整除
差错的纠正方法
差错纠正的两种最常用的方法：
重新传输。当检测到一个错误时，接收端自动地请求重新传输这条信息，这种方法经常被称作ARQ，即自动重传。ARQ技术很简单，但可能会因确认和重发造成通信障碍。
前向差错纠正（FEC）。FEC技术在接收端检测和纠正差错，而不需要请求重新发送。利用FEC，将一些位加入到通信序列中。这些额外的位按照某种方式进行编码，这种方式允许对每条信息检测到一定数量的错误并进行纠正。FEC方法因增加这些位而增加了通信开支，同时也增加了计算量。（海明码R.W.Hamming）
主要内容
工业数据通信系统的基本组成: 发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议广义通信系统模型: 香农（C. E. Shannon）广义通信系统模型
有效性指标:数据传输速率;比特率; 波特率; 频带利用率; 协议效率; 通信效率
可靠性指标: 误码率
通信信道的频率特性: 幅频特性、相频特性、传输信号的失真与畸变
介质带宽：信号的有效频谱；介质带宽；介质带宽不足导致信号失真；传输介质的带宽会限制传输速率的增高
信道容量C与信道带宽W，信噪比S/N之间的香农计算公式；提高信噪比能增加信道容量；增加带宽W可以增加、但不能无限制地使信道容量增大
数据编码：
数字数据编码波形，曼彻斯特编码；差分曼彻斯特编码；Manchester Biphase -L 编码
模拟数据编码: 幅值键控、频移键控、相移键控
串行传输和并行传输
同步传输与异步传输
异步传输中的位同步、字符同步与帧同步
单工通信，半双工通信，全双工通信
基带传输，载波传输，宽带传输，异步转移模式
差错控制：奇偶校验；循环冗余校验；ＣＲＣ检错码的工作原理
画出数据序列01101011的：
1.数据波形
2.时钟波形
3.双向L_Manchester编码波形
4.差分Manchester编码波形
采用循环冗余校验。要发送数据为1010011110；生成（除数）多项式相应的数据表达为1101，计算其余数，指出发送的数据序列。检验其正确性
控制网络
控制网络属于特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。从控制网络节点的设备类型，传输信息的种类、网络所执行的任务，网络所处的工作环境等方面，控制网络都有别于由普通PC机或其它计算机所构成的数据网络。
控制网络的节点可能分布在工厂的生产装置、装配流水线、温室、粮库、堤坝、交通管制系统、建筑、消防、家庭等各处，涉及生产、生活的各方面。
控制网络的节点
作为普通计算机网络节点的P C机或其它种类的计算机、工作站及其外设等
具有通信能力的以下设备：
限位开关、感应开关等各类开关
条形码阅读器
光电传感器
温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器
可编程逻辑控制器P L C，
各种P I D数字控制器
各种数据采集装置
各种调节阀
马达控制设备
变频器
机器人
作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关、路由器等
受制造成本和传统因素的影响，作为控制网络节点的上述自控设备，其计算等能力方面一般比不上普通计算机
由单个分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络
控制网络的任务
控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态、以及故障与报警信息等送往控制室同时，又将各种控制、维护、组态命令，等送往位于现场的测量控制现场设备，
在现场级控制设备之间起着数据联系与信息沟通作用。
实现与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享
随着互连网技术的发展，已经开始对现场设备提出参数的网络浏览和远程监控的要求。
在有些应用场合，需要借助网络传输介质为现场设备提供工作电源。
控制网络的特点
工作环境：控制网络要面临工业生产的强电磁干扰，各种机械振动、噪声、粉尘，严寒酷暑的野外工作环境。要求控制网络能适应这种恶劣工作环境。
控制网络中传输的信息内容：生产装置运行参数的测量值、控制量、开关阀门的工作位置、报警状态、系统配置组态、参数修改、零点量程调校信息、设备资源与维护信息等。
工作环境：控制网络要面临工业生产的强电磁干扰，各种机械振动、噪声、粉尘，严寒酷暑的野外工作环境。要求控制网络能适应这种恶劣工作环境。
控制网络中传输的信息内容：生产装置运行参数的测量值、控制量、开关阀门的工作位置、报警状态、系统配置组态、参数修改、零点量程调校信息、设备资源与维护信息等。
控制网络的实时性要求
控制网络应该满足对控制的实时性要求。如准确定时刷新变量数据；生产工艺要求分布节点间的动作应满足一定的时序要求。如由P L C控制的一个生产装置不同部件的动作时序与时限。而且它们的动作通常需要严格互锁。
对执行读写等操作有严格实时要求的系统称为实时系统。实时系统的运行不仅要求系统动作在逻辑上的正确性,同时要求满足时限性。
确定性（d e t e r m i n i s t i c）网络：按准确时间安排实现网络操作
非确定性（n o n d e t e r m i n i s t i c）网络
控制网络一般为分布式实时系统。其实时任务通常是在不同节点上周期性地执行，执行结果应满足定时与时序要求。
硬实时系统要求实时任务必须在规定的时限完成,否则会产生严重的后果。
软实时系统中的实时任务在超过了截止期后的一定时限内,系统仍可以执行处理
全分布、网络集成式控制系统
部分参数传输有实时性要求，如控制信息；有的参数要求周期性刷新，如参数的测量值与开关状态，
系统组态、参数修改、趋势报告、调校信息等则对时间没有严格要求。
根据应用需求分别采取措施，充分发挥现有网络资源的作用，满足各方面的应用需求。
网络拓扑
网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式
环形、星形、总线形和树形
环形拓扑
通过网络节点的点对点链路连接，构成一个封闭的环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号传输到目的地为止。每个设备只与逻辑或空间上与它相连的设备链接
每个设备都集成有一个中继器。中继器接收前一个节点发来的数据，然后按原来速度一位一位地从另一条链路发送出去
信号只能单向传输。一个设备的故障会导致整个网络瘫痪。
总线型拓扑
由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过分支与总线相连
总线上一个节点发送数据，所有其它节点都能接收。总线拓扑可以发送广播报文
由于所有节点共享一条传输链路，某一时刻只允许一个节点发信息，因此需要有某种介质存取访问控制方式，来确定总线的下一个占有者
随传输距离的增加，信号会逐渐变弱；分支也会引起信号反射而降低信号的传输质量，给定长度的电缆上连接的设备数量，总线长度、分支个数、分支长度等都要受到限制。
树形拓扑：
几种现场总线技术的介绍比较 ---- [编者按]: 现场总线技术是自动化领域计算机、通讯和网络技术的发展而发展起来的新兴技术，它是先进的电子技术、仪表技术、计算机技术和网络技术的集成体。现场总线（Filedbus）是在生产现场用于连接智能现场设备的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络，现场总线控制系统FCS（Filedbus control system）则是基于现场总线的自动控制系统，即以现场总线作为工厂底层网络，通过网络集成而构成的自动控制系统网络，按照公开、规范的通讯协议在智能设备之间、智能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换，从而实现控制与管理一体化的综合自动控制系统。纵观控制系统的发展过程，任何一种新的控制系统的出现都是针对旧的控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，并在用户需求和市场竞争等外部因素的推动下占据主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生和发展也经历了同样的过程。[FCS的发展与历史] 现场总线技术(FCS)简介 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，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连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的 基础，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次之间的联系。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。这项以智能传感、控制、计算 机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发 展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都 先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设 备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成 本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短 帧传送、信息交换频繁等特点。 由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网 的特色。所谓PAC，ARC咨询公司率先提出这一概念，他们提出，“目前自动化技术领域出 现了一种新的发展趋势，即高端PLC的功能正在接近小型DCS和SCADA系统的功能，而同时 一种新兴的技术——可编程自动化控制器（PAC）的出现，开始改变PLC市场格局。相比PLC， 这种PAC产品具有更强的通讯能力，更大的存储容量和更快的CPU速度，使PLC成为一种通 用的自动化平台组件。”同时，他们还对PAC的概念进行了详细定义：诸如在一种平台上实 现逻辑控制、传动控制、运动控制和过程控制等多种功能；具有公用对象标记和统一数据库 的多学科开发平台；控制软件允许用户根据多个设备或多个过程单元之间的过程流进行控制 设计具有开放和模块化的结构，无论是工厂的机械设计还是过程行业的单元运行，都能满足 其生产过程特点；网络接口和编程语言等都采用事实上的工业标准，能够实现不同供应商的
1.集散控制系统是以微型计算机为基础的分散性综合控制系统。集散控制系统 的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的 一种新型控制技术。它是计算机技术、通信技术、控制技术和CRT显示技术（简称4c技术）相互渗透发展的产物。采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代工业的生产和管理要求。 2.集散控制系统由集中管理部分、分散啊控制检测部分和通信部分组成。集 中管理部分可分为运行员操作站、工程师工作站和管理计算机；分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站；通信部分用于完成控制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。集散控制系统按照自下而上的功能可分为四层：现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级和调度管理级。 3.集散控制系统组态功能包括硬件组态和软件组态。 4.CRT操作方式的特点：信息量大、显示方式多样化、操作方便容易、透明度 提高。 5.组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态。 6.过程画面组态主要由静态画面、动态画面及画面合成等内容组成。 7.集散控制系统的显示画面可分为四层：区域显示、单元显示、组显示、细目 显示。 8.集散控制系统的显示画面分为：概貌显示画面、过程显示画面、仪表面板显 示画面、趋势显示画面、报警显示画面、系统显示画面。 9.数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息。 10.传输速率：指信道在单位时间内传输的信息量。 11.传输方式：①单工方式：信息只能沿单方向传输的通信方式②半双工方 式：信息可沿着两个方向上传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式③全双工方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。有基带传输、载带传输和宽带传输。 12.异步传输：信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位 和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的；同步传输：信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。 13.串行传输：把构成数据的各个二进制位依次在信道上传输；并行传输：把构 成数据的各个二进制位同时在信道上传输。 14.载带传输有三种调制方式：调幅方式、调频方式和调相方式。 15.数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交换方式（又分 为虚电路和数据报两种交换方式）。 16.OSI模型的层次：物理、数据链路、网络、传送、会话、表示、应用。 17.开放系统互联的参考模型各层共有的功能：封装过程、分段存储、连接建 立、流量控制、差错控制和多路复用。 18.IEE802委员会分别对带有冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌 环三种媒体存取方式规定了相关协议，即IEE802.3、IEE802.4、IEE802.5。19．现场总线广义上是指控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统。 20.一般认为现场总线时用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、 全数字化、双向、多站的通信系统。 21.现场总线的特点：封闭的物理过程、更大的覆盖范围、设备的数量、价 格、实时性操作、传输的完整性、有效性、用户选择的服务、集成开放结构、严酷的环境条件。 22.通用现场通信系统和各领域的特殊要求：发电和输变电、化工系统特殊要 求、制造应用、电子机构应用、现场总线需求的综合考虑。 23.现场总线控制系统在制造在领域、物业领域和过程领域得到全面的发展。 24.Profibus产品系列：Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS。 25.Profibus的主要特性：总线存取协议、灵活的配置、本征安全、功能强大 的FMS。 26.集散控制系统的设计分为4个阶段：方案论证、方案设计、工程设计和系 统文件设计。 27.CAN总线：控制器局域网。主要特性如下：通信介质可以是双绞线、同轴电 缆或光纤，直接通信最远可达10km，最高速率可达1Mbit/s；用数据块编码方式的代替传统的站地址编码方式；网络上任意一个节点可以主动向其他节点发送数据；网络上的节点可以定义成不同的优先级；数据帧中的数据字段长度最多为8个字节；CAN中的每一个帧中都有CRC校验及其他检错措施，降低数据的错误率；网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能。 28.集散控制系统的安全性：功能安全、人身安全、信息安全。 29.现场总线与IT计算机网络技术的的区别：现场总线数据传输的“及时性” 和系统响应的“实时性”，响应时间要求为001~0.5s或者0.5~2s，而在IT中实时性可以忽略；在工厂自动化系统中通信方式使用广播和多组方式；在IT 中某个自主系统与另一个自主系统只建立暂时的一对一方式；现场总线强调在恶劣环境下数据传送的完整性；现场总线需要面向连接的服务和无连接服务两种LLC服务形式；现场总线需要解决多家公司产品和系统在一个网络上相互兼容的问题；IT计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，要求有所不同，前者通信量大，而后者量不大；现场总线控制系统的数据通信要求严格，采用的网络技术不仅是先进的，更重要的是成熟的、实用的。 30.离散PID控制算法：位置算法、增量算法、速度算法。 31.前馈控制：实质是一种扰动进行调节的开环控制系统。 32.通信就是信息从一处传输到另一处的进程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息组成。 33.集中式控制的优点：可实现高质量控制；控制功能集中在中心控制站；避 免通信站之间互相协调的麻烦；缺点：中心控制站结构复杂；中心控制站成为整个网络系统的潜在瓶颈。 34.多功能智能化现场装置产品的功能：与自动控制装置之间的双向数字通 信功能；多变量输出；信息差错检测功能；提供诊断信息；控制器功能。35.Lonworks的特点：开放性和互操作性；通信介质；网络结构、应用高级语 言进行开发、开发周期短、易于商品化、支持完全分布式网络系统；提供与上层决策系统的互联接口。 36.可靠度：系统在规定的条件下(指设备所处的温度、湿度、气压、振动等环境条件和使用方法及维护措施等),在规定的时间内(指明确规定的工作期限)，无故障地发挥规定功能(应具备的技术指标)的概率。名词解释： 1、数据采集系统：计算机只承担数据的采集和处理，而不直接参与控制。 2、直接数字控制系统：计算机既采集数据，又对数据进行处理，并按照一定的控制 规律进行运算，其结果经输出通道作用到控制对象，使被控变量符合要求。 3、现场总线控制系统：利用现场总线将分布在工业现场的各种智能设备和I/O单元 方便的连接在一起构成的系统。 4、实时控制：计算机在规定的时间内完成数据的采集、、计算和输出。 5、传输速率：单位时间内通信系统所传输的信息量，一般以每秒种能够传输的比特 数来表示，其单位是bps。 6、计算机控制系统：利用计算机来实现工艺过程自动控制的系统。 7、集散控制系统：是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、 局部网络通信的计算机综合控制系统。 8、现场总线：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。 9、组态：利用软件工具将计算机的软硬件及各种资源进行配置，使其按预定的功能 实现特定的目的。 10、串行传输：把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。 11、通信协议：通信双方共同遵守的规则，包括语法、语义、时序。 12、监督计算机控制系统：简称SCC系统，是一种两级微型计算机控制系统，其中 DDC级计算机完成生产过程的直接数字控制；SCC级计算机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级计算机执行。 13、分级控制系统：由多台计算机完成不同的控制功能和对多个设备的控制，其特点 是控制分散、危险分散。 14、模拟通信：通信系统中所传输的是模拟信号，通常采用0-10m A DC或4-20m A DC电流信号传输信息。 15、数字通信：通信系统中所传输的是数字信号。 16、并行传输：把数据多位同时在信道上进行传输的方式。 17、开放系统互连参考模型：信息处理领域内最重要的标准之一，是一种框架模型， 它将开发系统的通信功能分为七层，描述了各层的意义及各层的命名和功能。18、解释名词：SCC，DDC，DCS，FCS，CIPS，CIMS 答：①SCC：计算机监督控制②DDC：直接数字控制③DCS：集散控制系统④FCS：现场总线控制系统⑤CIPS：计算机集成过程系统⑥CIMS：计算机集成制造系统 问答题： 1、简述DCS的操作员站、工程师站、监控计算机站的主要功能？ 答：①操作站的主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。 ②工程师站的主要功能：控制系统组态的修改、控制参数的调试 ③监控计算机的主要功能：在车间管理级与过程优化级之间起到信息传递的作 用，同时可对信息进行优化计算，为系统决策提供参考。 2、组态设计的一般步骤如下： 答：①组态软件的安装按照要求正确安装组态软件，并将外围设备的驱动程序、通信协议等安装就绪。 ②工程项目系统分析首先要了解控制系统的构成和工艺流程，弄清被控对象的 特征，明确技术要求，然后再进行工程的整体规划，包括系统应实现哪些功 能、需要怎样的用户界面窗口和哪些动态数据显示、数据库中如何定义及定义哪些数据变量等。 ③设计用户操作菜单为便于控制和监视系统的运行，通常应根据实际需要建立 用户自己的菜单以方便操作，例如设立一按钮来控制电动机的起/停。 ④画面设计与编辑画面设计分为画面建立、画面编辑和动画编辑与链接几个步 骤。画面由用户根据实际工艺流程编辑制作，然后需要将画面与已定义的变量关联起来，以便使画面上的内容随生产过程的运行而实时变化。 ⑤编写程序进行调试程序由用户编写好之后需进行调试，调试前一般要借助于 一些模拟手段进行初调，检查工艺流程、动态数据、动画效果等是否正确。 ⑥综合调试对系统进行全面的调试后，经验收方可投入试运行，在运行过程中 及时完善系统的设计。 3、什么是PROFIBUS总线？PROFIBUS总线有什么特点？ 答：①PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[12]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加 工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。 ②PROFIBUS现场总线系统的技术特点：⑴容易安装，节省成本。⑵集中组态，建 立系统简单。⑶提高可靠性，工厂生产更安全、有效。⑷减少维护，节省成 本。⑸符合国际标准，工厂投资安全。 4、DCS的层次结构一般分为几层，并说明每层的功能？ 答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。 ①现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、 实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。 ②过程控制级功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程 进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。 ③过程管理级功能：一是监视和控制生产过程；二是控制方式的无扰动切换，修 改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预；三是打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等。
几种常见的现场总线简介从1984年IEC开始制订现场总线国际标准至今，经过16年的努力和有关各方的协商妥协，最终，采用包括8种类型现场总线的IEC6lI58标准，并于1999年底的投票中得以通过。 2.1 Type l IEC技术报告（即FF H1）FF H1现场总线的网络协议是按照ISOOSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。基金会现场总线（FF）是Type1现场总线的一个子集（Subset）。 2.2 Type 2 ControlNet ControlNet现场总线得到美国Rockwell公司支持。它采用了一种新的通信模式：生产者/客户（Producer/Consumermodel）模式。这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。 2.3 Type 3 Profibus Profibus得到德国Siemens公司支持。Profibus数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环（Token-Ring）方式和主站/从站（Master/Slave）方式。Profibus系列由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA。Profibus-DP适用于设备级控制系统与分散I/O之间高速通信，它使用物理层、数据链路层以及用户接口。Profibus-FMS适用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，符合IEC61158.2物理层规范，
目录 引言 (1) 1 概述 (1) 1.1 PLC概述 (1) 1.2 项目概述 (2) 2.1 系统结构配置 (2) 3 取水站工程设计过程 (3) 3.1 取水站整体设计思路 (3) 3.2 取水站的硬件你配置 (4) 4 项目实现过程 (5) 4.1 进行硬件组态 (5) 4.2 进行程序的编写 (5) 4.2.1 所有程序的程序块的总集 (5) 4.2.2 系统的启停模式和信号采集控制 (6) 4.2.3 项目的模拟调式 (7) 5 工程总结 (7) 6 个人总结 (7) 致谢 (8) 参考文献 (9)
引言 随着现代化工业进程的不断加快，人们更加注重工业生产的效率，PLC自动化控制系统被应用于工业生产，不但工作效率高，而且还能行预处理很多工业生产过程状况、省去大量人为控制的麻烦，它已经逐渐成为社会发展的一种主流。由于体积小、可靠性高以及组态灵活等特点,PLC 在工业控制领域得到了广泛的应用。在PLC组成的控制系统中, 一般由上、下位组成主从式控制系统。下位机为PLC, 完成数据采集、状态判别和逻辑控制等; 上位机则多为工业控制机或微型计算机. 完成采集数据信息的存储、分析处理, 并用于状态显示、报警等。二者结合实现对系统的实时监控。这种控制系统充分利用了工控机和PLC 的各自特点, 实现了优势互补, 因而被广泛采用。水厂取水泵房的可控设备较少, 采用PLC 控制具有很高的性价比。所以我要介绍的取水房水泵房同样也运用了PLC 自动控制的技术。 关键字：自动化，PLC，控制系统，计算机技术 1 概述 1.1 PLC概述 可编程逻辑控制器（PLC）是一种以微机处理器为核心的，通过数字运算操作的电子系统装置，转为工业现场设计而设计。在存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算数运算操作的指令，并通过数字或模拟式的输入输出接口，控制各种类型的机械生产过程。目前PLC已应用在许多工厂和机器上，PLC不同于通用计算机，它支持多个输入和输出，扩展了工作的温度范围，受电气噪声的影响很小，具有良好的抗震动和冲击性能。控制机器工作的程序通常存储在电池备份或者非易失性内存中。PLC还是一个硬性实时控制系统的例子，它的输出结果必须在有限的时间内响应输入条件的变化，否则将导致误操作。
主流现场总线简介 下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。 1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF） 这是以美国Fisher-Rousemount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。 基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 2、CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网） 最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：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。CAN 支持多主工作方式，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，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。 3、Lonworks 它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks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，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 4、DeviceNet DeviceNet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阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至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DeviceNet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Open
现场总线考点总结 地址，存放在网卡的站地址寄存器（PROM）中。MAC 地址是一个48 位地址，前24位是IEEE统一分配的网卡制造厂家标识号，后24 位是生产厂家分配的网卡序列号，如 00-0F-B0-37-A4-E5；工作过程：当网卡收到一个目的地址为非本机的帧或有差错的帧时，它就丢弃该帧，并不通知它所在的计算机；当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给上一层。当计算机要发送高层交下来的数据时，就由协议栈向下交给网卡，组装成帧后，发送到局域网。介质访问方法：通过对介质访问的控制可以解决在同一时间上多个设备同时争用传输介质。在随机访问方式中常用的争用总线技术为CSMA/CD;在控制访问方式中常采用令牌总线、令牌环方式。CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)：需要发送数据时，首先需监听总线，以判断总线上是否存在其他站发送的信号。如果介质是空闲的，则可以发送；否则以某种算法等待一定时间间隔后重试。三种CSMA/CD坚持退避算法：不坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则等待一段随机时间再重复检测；1-坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则继续监听，直到介质空闲为止；p-坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则以概率p发送或以(1-p)概率延迟一段时间后重新检测。令牌访问控制方式：按一定顺序在各站点之间传递令牌，谁得到令牌谁有权发送数据。令牌环方式、令牌总线方式
（特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网；应用：工厂自动化和过程控制 (适合总线状的装配线，并具有可预测的时延，能满足实时处理要求)）介质访问方法比较：CSMA/CD 优点：协议简单、安装容易、总线可靠性高，在局域网中获得了广泛应用。该协议给用户提供均等的访问权，在轻负载情况下，CSMA/CD有良好的延迟特性和吞吐能力。缺点：必须进行冲突检测，而且对最小帧长度有一定限制，因而对短报文存在带宽浪费现象。CSMA/CD随负载的增加，冲突增加，性能迅速下降。由于随机竞争发送和延迟等待，无法预知数据传输的最大延迟，又没有优先级，因此不适用于实时系统。令牌环优点：可使用多种传输介质，可采用全数字技术，支持优先级，支持短帧；将令牌环网做成星形环可自动检测和隔离电缆故障；在高负载下可以获得很高的传输效率。缺点：在低负载下时延较大；由于采用集中式控制，对监控站的可靠性要求较高。令牌总线优点：具有极好的吞吐能力，而且其吞吐量随数据传输速率增加而增加，并随介质饱和而稳定下降。它不需冲突检测，可以调节对介质的访问权，既可以公平地访问，又可以提供优先级，而且可以预知数据在网中的最大延迟，适用于实时系统。缺点：要进行逻辑环的维护，而且物理层规范复杂，在轻负载情况下可能要等待许多无用的令牌帧传递，从而减少了对信道的利用率。结论在很重的负载下IEEE802、3局域网彻底不能用，而基于令牌的局域网则可达到接近于100％的效率。若负载范围是从轻到中等，则三种局域网都能胜任。从市场情况
FF现场总线及应用实例 l.FF 现场总线特点 基金会现场总线(Foundation Fieldbus)通常称为FF 现场总线，它分为HI 和四两级总线。HI 采用符合IEC 61158-2 标准的现场总线物理层;H2 则采用高速以太网为其物理层。 HI 现场总线物理层的主要电气特性如下:采用位同步数字化传输方式;传 输波特率为31. 25kb/s;驱动电压9~32VDC;信号电流土如lA.;电缆型式屏蔽双绞线;接线拓扑结构可采用线型、树型、星型或者符合型;电缆长度小于等于1900m(无中继器时);分支电缆的长度30~12Om;挂界设备数量小于等于32 台(无中继器时);可用中继器小于等于4 台;适用防爆方法有本质安全防爆方法等。 HI 现场总线在一根屏蔽双绞线电缆上完成对多台现场仪表的供电和双向数字通信。控制系统所配备的HI 网卡通常只负责与现场仪表的双向通信。而总线的供电则需由专门的FF 配电器完成。HI 总线以段为单位，每块HI 网卡 有两个端口，每个端口连接一个段，而每一段需配一台FF 配电器。总线的两 端还需各配一个终端电阻，以消除高频信号的回声。 2.基于FF 现场总线的球团竖炉控制系统 根据FF 总线系统体系结构，结合竖炉造球生产的工艺特点，将竖炉造 球控制系统结构设计如下，如图10-2 所示。 整个系统由配料烘干电气控制系统、造球筛分电气控制系统、竖炉本体 电气控制系统、成品运输电气控制系统和过程检测(仪表)控制系统等子系统组成。过程检测(仪表〉控制系统包括若干HI 子系统，采用总线拓扑结构，通过HSEJHl 网关与网络集线器连接;系统中的各电气控制系统由NCS-300OFF 分布
现场总线技术综述 一.概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC 和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1.现场总线的特点 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单（2）开放性（3）实时性（4）可靠性2.现场总线的优点 由于现场总线以上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计，安装，投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出优越性。 1.节省硬件数量与投资， 2.节省安装费用 3.节省维护开销 4.用户具有高度的系统集成主动权 5.提高了系统的准确性与可靠性 3.现场总线的应用领域 目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。
二．现场总线的标准 1.IEC61158的制定 1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。 发展61158现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，Interoperable System Project,可互操作系统规划,是一个以Profibus 为基础制定的现场总线国际组织)和法国派（WORLD FIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,现场总线基金会), 推出了FF现场总线。IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案。这是现场总线发展的主流方向。 由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。它的成立导致了德国派ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业 利益，如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）也参加了FF。这种具有特殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势。 在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即： 类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1） 类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持 类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持） 类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）
常用现场总线种类介绍公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
常用现场总线种类介绍 1、PROFIBUS Profibus 作为一种快速总线，被广泛应用于分布式外围组件(PROFIBUS-DP)。除了 PROFIBUS-DP 和 FMS 以外，Beckhoff 还支持驱动器通讯标准 PROFIBUS MC。过程现场总线 2、EtherCAT EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology，用于控制和自动化技术的以太网)是一种用于工业自动化的实时以太网解决方案，性能优越，使用简便。 3、Lightbus 这种经过验证的 Beckhoff 光纤总线系统具有极为优秀的抗 EMI 性能，易于安装，数据流快速、循环且具有确定性。 4、Interbus Interbus 易于配置，通讯快速而可靠。主/从系统的移位寄存器协议可提供高效循环通讯。 5、CANopen 通过有效利用总线带宽，CANopen 可在即使相对较低的数据传输速率时也能实现较短的系统响应时间。秉承了 CAN 的传统优点，例如数据安全性高且具备多主站能力。 6、ControlNet ControlNet 是一种开放式标准现场总线系统。该总线协议允许循环数据和非循环数据通过总线同时进行交换，而两者之间互不影响。 7、SERCOS interface SERCOS 最初作为用于驱动器的快速光纤总线系统研发。采用 Beckhoff SERCOS 总线耦合器，I/O 设备可以实现高速率数据传输和较短的循环时间。 8、Ethernet
电气工程学院 通信与现场总线课程设计
目录 一：设计任务 (4) 理想模型： (4) 实验中用到的任务模型 (5) 二：力控软件平台建立的实验模型 (5) 三、实验设备与仪器 (6) 四、设计思路与过程 (6) 五、调试和功能 (13) 六、联机调试：C/S方式的远程控制 (26) 七、课设总结与心得 (29)
（一）本次课程设计题目： 通过三维力控组态软件实现对搅拌罐的网络控制 （二）主要容及要求 在组态软件Forecontrol V6.1平台上，通过工业以太网，分别以C/S方式(客户端/服务器)及B/S方式（浏览器/服务器）完成对SIEMENS的可编程序控制器通过工业现场总线PROFIBUS方式与2台SIEMENS MM440变频器控制的三相异步电机的实际工程平台，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 独立完成，承担系统设计、系统分析、组态软件的学习与编程、网络系统调试等任务，要求提供最终的解决程序（验收）和相关文件，并以报告论文方式说明实现的思路及工程应用前景。 （三）进度安排： （1）在第一次课堂上了解并知道了Forecontrol V6.1软件的初步使用。 （2）根据相关资料，熟悉并设计并完成客户端组态软件的实际工艺流程界面界面的绘制。 （3）对搅拌罐工程相关控制进行了编程。 （4）熟悉服务器端通信参数的要求，完成C/S的网络控制。 （4）3月30日在实验室完成整个系统的软件调试及最后联机调试。 （5）撰写设计报告。
通过三维力控组态软件实现 对搅拌罐的网络控制 一：设计任务 在组态软件Forecontrol V6.1平台上，通过工业以太网，分别以C/S方式(客户端/服务器)及B/S方式（浏览器/服务器）完成对SIEMENS的可编程序控制器通过工业现场总线PROFIBUS方式与2台SIEMENS MM440变频器控制的三相异步电机的实际工程平台，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 本次课程设计中，我们主要运用了C/S（客户端/服务器）方式，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 理想模型：
《现场总线技术》 论文 论文题目: 现场总线技术文献综述 论文类型：文献综述 姓名: 学号: 班级: 2016 年 6 月 6 日
摘要 现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础 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次之间的联系。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。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术 是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术 是能应用于各种计算机控制领域的工业总线 因现场总线潜在着巨大的商机 世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域 由于现场总线技术的不断创新 过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS(Fieldbus Control System)系统 已被称为第五代过程控制系统[2]。而FCS 和DCS 的真别在于其现场总线技术。现总线技术以数字信号取代模拟信号 在3C(Computer 计算机、Control 控、Commcenication 通信)技术的基础上 大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用 许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争 仍未形成一个统一的标准 目前现场总线网络互联都是遵守OSI 参考模型[3]。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础 这一技术正在从根本上改变控制系统的理念和方法 将极大地推动整个工业领域的技术进步 对工业自动化系统的影响将是积极和深远的。 关键字 CAN总线、LonWorks总线、FF总线 Abstract Fieldbus (Fieldbus) refers to open, international standardization, digital and mutual exchange operations two-way transmission, connecting intelligent instrument and control system of communication network. It as plant digital communication network, the basis of the production process communication between field and the control equipment with higher control management level and the contact between. It s not only a grass-roots network, but also a kind of open, new whole distribution control system. This is an intelligent sensing, control, computer, digital communication technology as the main contents of the comprehensive technology, is becoming an information based society impetus industrialization and the industrialization push the applicable technology, information can be applied to various computer control areas of industrial bus, because of fieldbus potential great opportunities, the worldwide each big companies invest considerable human, material nd financial resources to develop research [1]. Today's Fieldbus technology has been international companies competitive field, because of Fieldbus technology unceasing innovation, process Control System consists of the fourth generation since the DCS development of Fieldbus Control System (FCS) System, has been called the fifth generation process Control System [2]. But the real difference of DCS and FCS in the fieldbus technology. Now bus technology replaced with digital signal analog signals in 3C (Computer Control Control, Computer, Commcenication communication) technology, and on the basis of field test and Control information of in situ Set, in situ treatment and on-the-spot use, many control functions from the control room moved to site equipment. The big company because international in the fieldbus technology this field of competition, still not form an unified standards, currently fieldbus network interconnection abide by the OSI reference model [3].
篇一：dcs学习总结 西安foxboro i/a系统dcs组态学习总结 热工专业王晓光 首先感谢燕山湖电厂及检修与维护部的领导给我们提供了这么好的一个学习环境，使我们能在这个环境中较系统的学习我厂的dcs系统。2010年8月30日，我们热工专业一行七人由负责人杨工带队前往西安热工研究院参加foxboro i/a系统dcs组态学习。在这近二十天的学习中，我们学习了foxboro i/a系统和iee组态软件等课程。通过对上述课程的学习我们大致了解了i/a系统的基础知识和概况，iee组态软件的应用和操作员画面的建立及历史数据库组态等方面的应用，通过学习使自己由一名对i/a系统了解得不深到比较系统的掌握，自己在对i/a系统的认识上也有了一个质的飞跃，从而提高了自己解决和处理问题的能力。下面就将学习情况作一总结。 i/a series 系统包括： ①i/a系统基础知识②i/a series 系统概述③操作系统④控制组态⑤显示与报警⑥foxdraw ⑦历史组态与过程报表⑧环境组态 i/a series 系统概述 1.i/a series 智能自动化系列是开放式的dcs 系统 美国福克斯波罗公司于 1987 年在世界上第一个推出了体现开放概念的超越一般 dcs 的新一代工业控制系统 ?? i/a series 智能自动化系列。为了解决计算机系统的互连，国际标准化组织（iso）提出了开放系统互连（osi）参考模型。福克斯波罗公司参加了 map 协议的制定。并首先在 i/a series 中全面地采用了map 协议。 i/a series 率先突破了封闭式发展的制约，广泛地采用国际标准，其产品符合国际标准化组织（iso）提出的开放系统互连（osi）参考模型。这样的系统允许将其它制造厂家的产品纳入自己的系统。也考虑到把将来新开发的设备容纳到 i/a series 中来。这样随着硬软件技术的发展，i/a series 必将得到进一步加强。 为了达到开放系统的目的，i/a series 在硬件、软件和通讯网络的设计上均全面采用国际公认的标准。 ? 在软件上采用与标准的 unix 系统完全兼容的 venix 和 solaris 操作系统。 ? i/a series 的应用软件与硬件彼此独立。不会因硬件更新而使现有的软 件失效。 ? 另外与 unix 兼容的由第三方开发的软件，可以不作修改或稍作修改 即可应用于 i/a series 中。? 采用 c 和 fortran 等高级编程语言，以便于软件资源的共享。 ? i/a series 是世界上第一个全面采用 ieee802 标准的工业控制系统。其 节点总线一级采用的是 ieee802.3 标准。在宽带和载波带局域网采用 了 ieee802.4 标准，现场总线采用 ieee1118 标准。 由于 i/a series 率先采用国际标准的开放系统网络结构，它对其它制造商的标准产品是完全开放的。它是新一代开放工业控制系统的标志，它具有十分广阔的发展前景。 2. i/a series 智能自动化系列的特点 i/a series 自动化系列的最大特点是系统的软件、硬件和通讯系统都广泛采用开放型标准设计。硬件品种少，可靠性高，组态灵活。 ? 硬件－ i/a series 四代兼容，从 cisc 到 risc ，从 intel 到 micro sparc，实现了长寿命的设计思想。由于硬件品种少，大大节省了用户在备件上的开销。现场总线设计思想领导了当今分散控制发展的方向，节省了用户在布线上的开销。 ? 软件－与 unix 系统 v 兼容的实时多任务 venix 操作系统和