作者：王振力主编
出版社：人民邮电出版社
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工业控制网络(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)试读：
前言
近年来，工业控制网络一直是工业自动化领域的研究热点，以现场总线技术和工业以太网技术为代表的工业控制网络技术引发了工业自动化领域的重大变革，工业自动化正朝着网络化、开放化、智能化和集成化的方向发展。工业控制网络是控制技术、通信技术和计算机技术在工业现场控制层、过程监控层和生产管理层的综合体现，已广泛应用于过程控制自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通运输等多个领域。应用工业控制网络的工业自动化系统将越来越多，在设计研发、施工调试、设备维护等环节需要大量的专业人才。
本书编写过程中力求做到理论分析和应用技术并重，从理论上介绍了多种工业控制网络的技术特点和协议标准，从应用角度结合台达工业自动化产品安排了大量案例介绍和实验内容。本书结构和内容力求做到重点突出、层次分明、语言精练、易于理解。
本书共分8章。第1章介绍了工业控制网络的特点、发展历程、技术现状和发展趋势；第2章介绍了数据通信与计算机网络的基础知识；第3章介绍了Modbus现场总线和计算机串行通信技术的相关知识；第4章介绍了PROFIBUS现场总线规范及应用；第5章介绍了CAN现场总线规范和CAN节点设计方法；第6章介绍了DeviceNet现场总线规范及应用；第7章介绍了CANopen现场总线规范及应用；第8章介绍了EPA、PROFINET、HSE、Ethernet/IP 及Modbus TCP 等工业以太网技术及应用。
本书第1章由李冰编写；第2章由邢彦辰、徐秋景编写；第3章由孙平编写；第4章由刘洋编写；第5章～第7章由王振力编写；第8章由姜滨编写；由王振力负责全书结构内容的规划和最终定稿。另外，计京鸿、林森、王明志、周明明和魏明磊也参与了本书的编写工作。
本书编写过程中得到了台达集团技术人员的大力支持；作者也参考了许多专家和学者的论文和著作；温海洋老师对本书进行了审阅，并提出了宝贵意见，在此一并表示衷心的感谢。
由于作者水平有限和工业控制网络技术的不断发展，书中不足在所难免，敬请读者见谅和批评指正。同时也希望通过本书的出版，结识更多业内的同行和企业，加强联系与合作。作者联系邮箱：hithdwzl@126.com。编者2012年11月第1章绪论
工业数据通信与控制网络（简称“工业控制网络”）是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术，是计算机网络、通信技术与自动控制技术结合的产物。工业控制网络适应了企业信息集成系统和管理控制一体化系统的发展趋势与需要，是IT技术在自动控制领域的延伸，是自动控制领域的局域网。1.1 工业自动控制系统历史
在现代科学技术发展的过程中，发展最快、取得成果最多的是工业自动化技术及计算机技术。从20世纪40年代以来，工业生产过程提出了不同的技术要求，多种技术应用于工业自动控制系统，从而产生了模拟仪表控制系统、直接数字控制系统、集散控制系统及现场总线控制系统等，工业自动控制系统经历了翻天覆地的变化。1.1.1 模拟仪表控制系统
早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统（Analog Control System，ACS）。在20世纪50年代以前，由于生产规模比较小，仪表本身也处于初级阶段，所以大部分采用安装在生产设备现场，且仅具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号只能在本仪表内起作用，一般不能传给其他仪表或系统，使用的时候操作员只能通过肉眼观察仪表盘来了解生产过程的状况。
20世纪50年代之后，随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，来对生产过程进行控制，原来通过巡视的方式便不能满足要求了。因此出现了气动、电动系统的单元组合式仪表，这些仪表设备之间传输1～5V或4～20mA的直流模拟信号，信号的精度较低，在传输过程中易受干扰。图1-1所示为模拟仪表控制系统的结构框图。图1-1 模拟仪表控制系统结构框图
模拟仪表控制系统由于现场的仪表和自动化设备提供的都是模拟信号，这些模拟信号统一送往集中控制室的控制盘上，操作员可以在控制室中集中观测生产流程各处的状况。但模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，计算速度和精度都难以保证，信号传输的抗干扰能力也很差，传输距离也很有限。1.1.2 直接数字控制系统
为了解决模拟仪表控制系统的缺点，20世纪60年代，开始采用计算机来代替模拟仪表完成控制功能。现场的数字信号和模拟信号都接入主控室的中心计算机上，由中心计算机统一进行监视和处理，即形成了直接数字控制系统（Direct Digital Control，DDC）。图1-2 所示为计算机控制的直接数字控制系统结构框图。图1-2 直接数字控制系统结构框图
通过使用数字技术，克服了模拟技术的缺陷，延长了通信距离，提高了信号的精度，而且还可以采用更先进的控制技术，如复杂的控制算法和协调控制等，使得自动控制更加可靠。不过，由于当时计算机技术的限制，中心计算机并不可靠，一旦中心计算机出现故障，就会导致整个系统瘫痪。1.1.3 集散控制系统
随着计算机技术的发展，大规模集成电路和微处理器技术问世，计算机的可靠性不断提高， 20世纪70年代，出现了可编程控制器（PLC）及由多个计算机递阶构成集中与分散相结合的集散式控制系统（Distributed Control System，DCS）。图1-3所示为集散控制系统结构框图。图1-3 集散控制系统结构框图
集散控制系统是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。集散控制系统弥补了传统的集中式控制系统的缺陷，实现了集中控制、分散管理。这种系统在功能和性能上较集中式控制系统有了很大的进步，实现了控制室与DCS控制站或PLC之间的网络通信，减少了控制室与现场之间的电缆数目。
集散控制系统中已经采用了工业控制网络技术，扩大了系统的规模，提高了系统的智能化程度，但是在现场的传感器、执行器与DCS控制站之间仍然是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量多，信号传送过程中的干扰问题仍然很突出；而且，在集散控制系统形成的过程中，各厂商的产品自成系统，难以实现不同系统间的互操作；集散控制系统结构元件是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；集散控制系统还使用了大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的4～20mA电流模拟信号，传输可靠性差，不易于数字化处理；各系统设计厂家的集散控制系统制订独立的标准，通信协议不开放，极大地制约了系统的集成与应用，不利于现代跨国公司的进一步发展。因此，仍需要更加合理的工业控制网络系统。1.1.4 现场总线控制系统
现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）兴起于20世纪90 年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可以直接进行数字通信。
随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能化程度越来越高，成本在不断下降，因此，在智能设备之间，使用基于开放标准的现场总线技术构建的自动化系统逐渐成熟。通过标准的现场总线通信接口，现场的执行器、传感器及变送器等设备可以直接连接到现场总线上，现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大地降低了布线成本，提高了通信的可靠性。图1-4所示为现场总线控制系统的结构框图。图1-4 现场总线控制系统结构框图
现场总线技术的出现彻底改变了工业自动控制系统的面貌，正是在这个阶段，工业控制网络的概念逐渐深入人心，工业控制网络逐渐形成。功能强大的工业控制网络的出现，使得对整个企业信息（包括经营管理信息和控制信息）的统一采集和处理成为可能，自动化控制系统开始向更高的层次迈进。
但是，对于现场总线来说，由于各大公司的利益原因，现场总线的国际标准一直未能统一，远未达到真正实现开放性。以太网作为一种成功的网络技术，在办公自动化和管理信息系统中获得了广泛地应用，已经成为实际意义上的统一标准。由于以太网具有成本低、稳定和可靠等诸多优点，所以将以太网应用于工业自动控制系统的呼声越来越高，也就是使得控制和管理系统中的信息无缝衔接，真正实现“一网到底”。由于现行以太网协议不能适应工业自动控制领域的要求，所以必须在以太网协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制订有效的以太网服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，即形成了被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。1.2 工业控制网络特点
工业控制网络是3C技术，即计算机、通信和控制（Computer，Communication and Control）发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智能化网络发展到现场的结果。
工业控制网络是一类特殊的网络，它与传统的信息网络有如下主要区别。
1．应用场合
信息网络主要应用于普通办公场合，对环境要求较高；而工业控制网络应用于工业生产现场，会面临酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、振动及易燃易爆等各种复杂的工业环境。
2．网络节点
信息网络的网络节点主要是计算机、工作站、打印机及显示终端等设备；而工业控制网络除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门和按钮等网络节点，多为内嵌CPU、单片机或其他专用芯片的设备。
3．任务处理
信息网络的主要任务是传输文件、图像、话音等，许多情况下有人参与；而工业控制网络的主要任务是传输工业数据，承担自动测控任务，许多情况下要求自动完成。
4．实时性
信息网络一般在时间上没有严格的需求，时间上的不确定性不致于造成严重的不良后果；而工业控制网络必须满足对控制的实时性要求，对某些变量的数据往往要求准确定时刷新，控制作用必须在一定时限内完成。
5．网络监控和维护
信息网络必须由专业人员使用专业工具完成监控和维护；而工业控制网络的网络监控为工厂监控的一部分，网络模块可被人机接口（HMI）软件监控。1.3 传统控制网络——现场总线1.3.1 现场总线的定义
目前来说，对现场总线概念的理解和解释存在一些不同的表述，如：现场总线是一种用于连接现场设备，如传感器、执行器以及像PLC、调节器、驱动控制器等现场控制器的网络；是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络；是用于工厂自动化和过程自动化领域的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络；是现场通信网络与控制系统的集成；是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络；是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术；是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统。
根据国际电工委员会 IEC61158 标准定义，现场总线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数字式、串行、多点通信的数据总线。
另外，现场总线也可指以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质作为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按照公开、规范的网络协议，在多个测量控制设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。1.3.2 现场总线的发展历程
现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类有近200种。经过近20年的竞争和完善，目前较有生命力的有10多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信技术的过程中已形成不同的特点，使得统一标准的制订困难重重。
1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985 年，国际电工委员会决定由Proway Working Group 负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986 年，德国开始制订过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制订及其产品开发的序幕。与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFIP等）也开始从事现场总线标准的制订和研究。
1992 年，以 Fisher-Rousemount（现在的爱默生 Emerson）公司为首，联合 Foxboro、Yokogawa（横河）、ABB及西门子等80家公司成立了ISP（可互操作系统规划）组织，以德国标准PROFIBUS为基础制订现场总线标准；1993年成立了ISP基金会ISPF。
1993年，由Honeywell和Bailey等公司牵头，成立了WordFIP，约有150个公司加盟，以法国标准FIP为基础制订现场总线标准。
1994 年，ISPF 和WordFIP 握手言和，成立了现场总线基金会（Fieldbus Foundation）组织，推出了低速总线H1和高速总线H2。
由于较长时期没有统一标准，对用户影响最大的就是难以把不同制造商生产的仪表集成在一个系统中。因此，现场总线在过程控制中得以实际应用，一直延误到20世纪90年代后期才逐步实现。
1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-61158开始生效，除基金会现场总线（Foundation Fieldbus）H1、H2和PROFIBUS 外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET及SwiftNet等5种。
诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定领域的适用性就好一些。如PROFIBUS较适合于工厂自动化、CAN适用于汽车工业、FF总线主要适用于过程控制、LonWorks适用于楼宇自动化等。1.3.3 工业控制网络国际标准
标准化是实现大规模生产的重要保证，是规范市场秩序、连接国内外市场的重要手段。一般的产品在国内或国际上基本只有一种标准，但是工业控制网络自问世以来，一些大公司为了各自的利益，经过数十年的“明争暗斗”，结果导致了现在工业控制网络多种国际标准并存的局面。目前市场上的产品采用的标准一般有以下几种。
1．ISO11898和ISO11519
ISO11898 的标题为“ISO11898：1993 道路交通工具（Road Vehicle）－数字信息交换（Interchange of digital information）－用于高速通信（For high-speed communication）的控制器局域网（CAN）”，它是ISO/TC22/SC3（公路车辆技术委员会电气电子分委员会）于1993 年发布的，它描述了CAN的一般结构，包括CAN物理层和数据链路层的详细技术规范，规定装备有CAN的道路交通工具电子控制单元之间以125kbit/s～1Mkbit/s传送速率进行数字信息交换的各种特性。
ISO11519（1994—1995）是低速CAN和VAN的标准。ISO11519-1说明用于道路交通工具的速率不大于125kbit/s的低速串行数据通信的一般定义，规定用于道路交通工具上不同类型电子模块之间进行信息传递的通信网的一般结构；ISO11519-2、3 分别说明用于道路交通工具的速率不大于125kbit/s的CAN和VAN通信网络的一般结构。
2．IEC61158
IEC61158 是工业控制系统现场总线标准，它是国际电工委员会 IEC （ International Electrotechnical Commission）的现场总线标准。IEC61158 是制订时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。到目前为止，IEC61158共有4个不同的版本（1984—2007），最新版本为IEC61158-6-20（2007年发布），总共有20种现场总线加入该标准。其中针对现场总线的标准主要在第二版。表1-1为IEC61158第二版标准中的8种现场总线类型。表1-1 IEC61158第二版现场总线类型
IEC61158采纳多种现场总线的原因主要是技术原因和利益驱动。目前尚没有一种现场总线对所有应用领域在技术上都是最优的。
3．IEC62026
IEC62026为低压开关设备和控制设备的现场总线（设备层现场总线）国际标准。该标准共有7 个部分，其中IEC62026-4 LonWorks、IEC62026-5智能分布系统（SDS）和IEC62026-6串行多路控制总线（ Seriplex ）这三个部分由于技术或者推广等原因现已作废，现行的IEC62026标准有：
① IEC62026-1-2007 低压开关设备和控制设备 控制器-设备接口（CDIs）第1 部分：总则。
② IEC62026-2-2008 低压开关设备和控制设备 控制器-设备接口（CDIs）第2 部分：执行器传感器接口（AS-i）。
③ IEC62026-3-2008 低压开关设备和控制设备 控制器-设备接口（CDIs）第 3 部分：DeviceNet。
④ IEC62026-7-2010 低压开关装置和控制器 控制器装置接口（CDIs）第 7 部分：混合网络。1.4 现代控制网络——工业以太网1.4.1 工业以太网定义
工业以太网一般是指在技术上与商业以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能够满足工业现场的需要，也就是满足环境性、可靠性、实时性、安全性以及安装方便等要求的以太网。
工业以太网是应用于工业自动化领域的以太网技术，它是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的一种工业控制网络。以太网进入工业自动化领域的直接原因是现场总线多种标准并存，异种网络通信困难。在这样的技术背景下，以太网逐步应用于工业控制领域，并且快速发展。工业以太网的发展得益于以太网多方面的技术进步。1.4.2 工业以太网的发展历程
过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通信系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统的现场总线技术在许多应用场合已经难以满足用户不断增长的需求。
以太网是在1972年发明的。1979年9月，Xerox、Dec、Intel等公司联合推出了“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范1.0版”，并于1982年公布了以太网规范。IEEE 802.3 就是以这个技术规范为基础制定的。早期的以太网由于采用了CSMA/ CD介质访问控制机制，各个节点采用BEB算法处理冲突，具有排队延迟不确定的缺陷，无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性，使之无法在工业控制中得到有效的使用。随着IT技术的发展，以太网的发展也取得了本质的飞跃，先后产生了高速以太网（100Mbit/s）和千兆以太网产品以及国际标准，10Gbit/s 以太网也在研究之中。以太网技术具有成本低、通信速率和带宽高、兼容性好、软硬件资源丰富、广泛的技术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，在过程控制领域的管理层已被广泛应用。事实证明，通过一些实时通信增强措施及工业应用高可靠性网络的设计和实施，以太网可以满足工业数据通信的实时性及工业现场环境要求，并可直接向下延伸应用于工业现场设备间的通信。
通过采用适当的系统设计和流量控制技术，以太网完全能用于工业控制网络。事实也是如此，20世纪90年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网，推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。以太网应为用于工业控制网络发展的首选。
随着应用需求的提高，现场总线的高成本、低速率、难于选择以及难于互连、互通、互操作等问题逐渐显露。工业控制网络发展的基本趋势是开放性以及透明的通信协议。现场总线出现的问题的根本原因在于总线的开放性是有条件且不彻底的。同时，以太网具有传输速率高、易于安装和兼容性好等优势，因此基于以太网的工业控制网络是发展的必然趋势。1.4.3 工业以太网的特点
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现为普通商用以太网产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。工业以太网具有应用广泛、通信速率高、资源共享能力强以及可持续发展潜力大等优势。
1．工业以太网的优势
以上优势使得工业以太网广泛应用于现场控制，主要有以下几个优点。
① 基于TCP/IP 的以太网采用国际主流标准，协议开放，完善不同厂商设备，容易互连，具有互操作性。
② 可实现远程访问和远程诊断。
③ 不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等。
④ 网络速度快，可达千兆甚至更快。
⑤ 支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地。
⑥ 系统容量几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系。
⑦ 可降低投资成本。
虽然优点很多，但不可否认的是，工业以太网在引入工业控制领域时也存在一些不足，这也是它所以没有完全取代其他网络的原因。工业以太网主要的不足有以下几个方面。
2．工业以太网的不足
① 实时性问题。传统以太网由于采用载波监听多路访问/冲突检测的通信方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输会产生传输延滞。
② 可靠性问题。以太网若采用 UDP，它提供不可靠的无连接数据报传输服务，不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。
③ 安全性问题。安全性问题主要是本质安全和网络安全。工业以太网由于工作在工业环境之中，因此必须考虑本质安全问题；另外，由于使用了TCP/IP，因此可能会像商业网络一样，被病毒、黑客等非法入侵与非法操作而产生安全威胁。
④ 总线供电问题。网络传输介质在用于传输数字信号的同时，还为网络节点设备提供工作电源，称为总线供电。工业以太网的总线供电问题还没有完美的解决方案。1.4.4 工业以太网的标准
由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上建立完整有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。
2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作组，旨在适应实时以太网市场应用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。IEC/SC65C在IEC61158（工业控制系统中现场总线的数字通信标准）的基础上制定了实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2 。
2005年3 月，IEC 实时以太网系列标准作为PAS（Publicly Available Specification，可公开获得的规范）文件通过了投票，并于2005年5月在加拿大将IEC发布的实时以太网系列PAS 文件正式列为实时以太网国际标准IEC 61784-2，具体如表1-2 所示。表1-2 IEC发布的实时以太网系列PAS文件1.4.5 工业以太网的发展前景
以太网随着技术的成熟、交换技术的应用、高速以太网的发展等在工业自动化领域正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终都可以连接到以太网。随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。过程控制工业和自动化工业，从嵌入式系统到现场总线控制系统，都认识到了以太网和TCP/IP的重要性，以太网和TCP/IP作为世界上最为广泛应用的网络协议，它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/IP的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/O模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接、无缝的连接，而无需任何专用设备。因此可以说，工业以太网在工业通信网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21世纪以及未来工业网络的首选，它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景，工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。1.5 常用工业控制网络介绍1.5.1 基金会现场总线（FF）
基金会现场总线（FF，Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150家公司制订的World FIP。屈于用户的压力，这两大集团于1994 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它在ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司具有在该领域掌控现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。图1-5所示为基金会现场总线网络结构。图1-5 基金会现场总线网络结构
在基金会现场总线网络结构中，现场设备层为 H1 低速现场总线，其传输速率仅为31.25kbit/s，能够连接2～32 个设备/段；上层为HSE（High-Speed Ethernet，高速以太网），其传输速率可达2.5Mbit/s，可集成多达32条H1总线，也可支持PLC和其他工业设备。
基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议，用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈，用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的设备描述语言和设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。1.5.2 PROFIBUS
PROFIBUS是过程现场总线的缩写，它是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS 传输速率可在 9.6kbit/s～12Mbit/s 范围内选择；且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速率。PROFIBUS广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化，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。
图1-6所示为PROFIBUS工业控制网络的结构组成。
AS-i（Actuator Sensor Interface）被公认为是一种最好、最简单、成本最低的底层现场总线，它通过高柔性和高可靠性的单电缆把现场具有通信能力的传感器和执行器方便地连接起来，组成AS-i网络。AS-i网络可以在简单应用中自成系统，更可以通过连接单元连接到各种现场总线或通信系统中，它取代了传统自控系统中烦琐的底层接线，实现了形成设备信号的数字化和故障诊断的现场化、智能化，大大提高了整个系统的可靠性，节约了系统安装、调试成本。图1-6 PROFIBUS工业控制网络的结构组成
PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，并可同时实现集中控制、分散控制和混合控制3种方式。PROFIBUS工业控制网络系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。在 PROFIBUS 协议中，主站也称为主动站。从站为外围设备，典型的从站包括输入/输出装置、阀门、驱动器和测量发射器，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。从站也称为被动站。由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。
工业以太网Ethernet出现在工业控制网络的工厂管理层，利用其环境适应性、可靠性、安全性以及安装方便等特点，管理整个工厂的下层网络。而在最上的最高管理层使用的则是商业以太网Internet，从而实现远程管理。1.5.3 CIP
CIP（Common Industrail Protocol，通用工业协议）是一种为工业应用开发的应用层协议，被DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP三种网络采用，因此这三种网络相应地统称为CIP网络。CIP网络是由ODVA（Open DeviceNet VendorAssociation）和CI（ControlNet International）两大工业网络组织共同推出的。三种CIP网络都已成为国际标准，DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP各自的规范中都有CIP的定义（称为CIP规范），三种规范对CIP的定义大同小异，只是在与网络底层有关的部分不一样。
其中，DeviceNet具有节点成本低、网络供电等特点；ControlNet具有通信波特率高、支持介质冗余和本质安全等特点；而EtherNet/IP作为一种工业以太网，具有高性能、低成本、易使用、易于和内部网甚至 Internet 进行信息集成等特点。所以，一般设备层网络为DeviceNet，控制层网络为ControlNet，信息层网络为EtherNet/IP。图1-7所示为CIP网络的结构。图1-7 CIP网络结构
CIP网络具有以下特点。
① 功能强大、灵活性强。CIP 网络功能的强大体现在可通过一个网络传输多种类型的数据，完成以前需要两个网络才能完成的任务。其灵活性体现在对多种通信模式和多种I/O数据触发方式的支持。
② 具有良好的实时性、确定性、可重复性和可靠性，主要体现在用基于生产者/消费者（Producer/Consumer）模型的方式发送对时间有苛求的报文等方面。1.5.4 Modbus
Modbus是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，它是于1979年由莫迪康（Modicon）公司发明的。莫迪康后来被施耐德收购，目前Modbus主要由施耐德公司支持。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信，它已经成为一通用工业标准。图1-8所示为典型Modbus网络结构。图1-8 典型Modbus网络结构
标准的Modbus物理层采用RS-232串行通信标准，远距离可以考虑用RS-422或者RS-485来代替。通信的网络结构为主从模式。值得指出的是，RS-232和RS-422仅支持点对点通信，所以在多点通信的情况下应当采用RS-485。
典型 Modbus 网络结构中，每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用 Modbus 协议来启动远程操作。在基于串行链路和 TCP/IP 以太网络的 Modbus 上可以进行相互通信。一些网关允许在几种使用 Modbus 协议的总线或网络之间进行通信。
当在 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其他网络上，包含了 Modbus 协议的消息会转换为在此网络上使用的帧或包结构，这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。1.5.5 CAN总线
CAN 总线是控制器局域网（Controller Area Network，CAN）的缩写，属于工业现场总线的范畴，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，与一般的通信总线相比， CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计， CAN总线越来越受到人们的重视，它在汽车领域中的应用是最广泛的。图1-9所示为典型汽车CAN总线网络结构。图1-9 典型汽车CAN总线网络结构
在汽车设计中运用微处理器及电控技术是满足安全性、便捷性、舒适性和人性化的最好方法，而且已经得到了广泛的运用。目前这些系统有 ABS（防抱系统）、EBD（制动力分配系统）、EMS（发动机管理系统）、多功能数字化仪表、主动悬架、导航系统、电子防盗系统、自动空调和自动CD机等。目前，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN总线，高级客车上会有两套CAN总线，如图1-9所示，它们通过网关互连。
现在，CAN总线的高性能和可靠性已被认同，而且已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有 SAE J1939/ISO11783、CANopen、CANaerospace、DeviceNet及NMEA2000等。由于CAN总线本身的特点，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，已向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展，成为当今自动化领域技术发展的热点之一。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。1.5.6 LonWorks
LonWorks现场总线由美国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层通信协议，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。它支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通信速率从300bit/s 至1.5Mbit/s 不等，直接通信距离可达2 700m（78kbit/s），被誉为通用控制网络。图1-10所示为典型LonWorks网络结构。图1-10 典型LonWorks网络结构
LonWorks 网络的核心是神经元芯片（Neuron Chip），LonWorks技术采用的LonTalk 协议被封装到Neuron神经元芯片中。神经元芯片是高度集成的，内部含有3个8位的CPU，第一个CPU 为介质访问控制处理器，处理 LonTalk 协议的第一层和第二层；第二个CPU 为网络处理器，它实现LonTalk协议的第三层至第六层；第三个CPU为应用处理器，实现LonTalk协议的第七层，执行用户编写的代码及用代码所调用的操作系统提供服务。
神经元芯片实现了完整的LonWorks的LonTalk通信协议。LonWorks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、交通运输及工业过程控制等行业。1.6 工业控制网络发展趋势
工业控制网络的发展历经了从传统控制网络到现场总线，再到目前广泛研究的工业以太网以及无线网络的过程。纵观当今工业控制网络的发展趋势和市场需求，未来工业控制网络将有以下几种发展方向。
1．提高通信的实时性
工业控制网络提高通信的实时性主要是使操作系统和交换技术支持实时通信。操作系统基于优先级策略对非实时和实时传输提供多队列排队方式。交换技术支持高优先级的数据包接入高优先级的端口，以便高优先级的数据包能够快速进入到传输队列。其他研究方向还包括怎样提高在MAC层上的数据传输的调度方法等。
2．提高通信可靠性
工业控制网络基于不同的网络交换技术，需进行不同类型网络站点之间的通信，因此通信的可靠性显得尤为重要。提高通信可靠性的研究方向之一在于设计虚拟自动化网络，以构筑深层防御系统。虚拟自动化网络中包含不同的抽象层和可靠区域，可靠区域包括远程接入区域、局部生产操作区域以及自动设备区域等，重点在于可靠区域的设计。
3．提高通信安全性
安全性意味着能预防危险，如系统故障、电磁干扰、高温辐射以及恶意攻击等因素所带来的威胁。自从工业以太网能够实现从管理级到现场级一致的数据传输，用户只需要掌握一种网络技术即可，同时也提高了工作效率。可是，统一的网络结构也因为整体的网络透明度承担了一定的风险。因此就必须有一套明确的规则来定义通信的时间和对象。
IEC 61508 针对安全通信提出了黑通道机制，并制订了安全完整性等级SIL。提高工业通信的安全性，以满足SIL高级别的要求，是工业控制网络安全性发展的趋势。目前一些总线研究机构基于黑通道原理，针对数据破坏、丢失、时延以及非法访问等错误采用了数据编号、密码授权以及 CRC 安全校验等安全保护措施，如 Interbus Safety、Profisafe 以及 EtherCAT Safety等，这可作为工业控制网络安全性研究的参考。
4．多现场总线集成
多现场总线并存且相互竞争的局面由来已久，在未来相当长的时间内这种局面还将继续。目前市场中主要用到的是OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）技术，它是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互、实现控制系统开放性的关键技术，同时也为不同现场总线系统的集成提供了有效的软件实现手段。多现场总线集成协同完成工业控制任务，是未来发展的趋势，研究方向之一是通过使用代理机制将单一总线系统中的设备映射到基于工业以太网的工业控制网络中。
5．无线网络提供新的应用可能
如今无线网络技术（Wireless LAN，WLAN）被广泛应用在办公环境中。移动性、灵活性、非常易于安装、低成本等优点，使得这项技术逐渐被应用于工业环境中。现在，WLAN越来越多地成为传统有线网络的一种补充，典型的应用是在生产物流的移动终端上操作和监控生产线或提供在线数据的快速交换，例如预定数据可以从监控中心直接送到仓库的铲车上。
现在已有不少工业级的WLAN 设备面市，它们都基于IEEE 802.11b/g/a/h协议，可以提供约100Mbit/s的数据传输速率。传输距离方面，如果在5GHz频率下使用合适的天线，可以达到20km。将来，扩展的协议IEEE 802.11n 将进一步规范WLAN 在工业环境中的标准。新的标准实行后，数据通信将更可靠，速率也将更高，可达640Mbit/s，即使是在无线电通信条件很差的环境中。
工业环境下的无线电网络也会根据 WLAN 的应用有具体的区分，例如，应用在距离70km 之上的数据传输 WiMAX（IEEE 802.16）或应用于近距离传输的 Bluetooth（IEEE 802.15.1）和Zigbee（IEEE 802.15.4）。Zigbee 非常有意思，其具有低功率的消耗，非常适合传感器间的无线通信。但是这项技术在工业环境中的广泛应用可能还需要几年时间。第2章数据通信与计算机网络基础
数据通信是指依据通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据。目前情况下所说的数据通信是指计算机技术与通信技术相结合的通信方式。工业控制网络中的现场设备大多采用微型计算机，因此工业控制网络属于一种特殊类型的计算机网络。本章将主要对控制网络技术涉及的数据通信与计算机网络基础知识进行简单的介绍。2.1 数据通信系统概述2.1.1 数据通信系统组成
数据通信系统一般由信息源与信宿、发送设备、接收设备和传输介质几部分组成。单向数据通信系统点对点的模型如图2-1所示。图2-1 单向数据通信系统点对点的模型
1．信息源与信宿
信息源和信宿是信息的产生者和使用者。数据通信系统中传输的信息是数据，是数字化的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。
2．发送设备
发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码变换为便于传送的信号形式，并送往传输介质。
3．传输介质
传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经的媒介。它可以是无线的，也可以是有线的，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等是有线传输介质。
4．接收设备
接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息。对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。2.1.2 数据通信系统的性能指标
数据通信系统的目的是传递信息，衡量一个数据通信系统好坏的性能指标主要有误码率、数据传输速率和协议效率。
1．误码率
误码率是指二进制数据被错误传输的概率。这是衡量一个数据通信系统传输可靠性的指标。当所传输的二进制数据序列趋于无限长时，误码率等于被错误传输的二进制数据位数与所传输的二进制数据总位数之比。
2．数据传输速率
数据传输速率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位是比特/秒或位/秒，记为bit/s。工业控制网络中常用的数据传输速率有9 600bit/s、31.25kbit/s、500kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s、10Mbit/s和100Mbit/s等。
3．协议效率
协议效率是指所传数据包中，有效二进制数据位数与所传输的二进制数据总位数之比。这是一个衡量数据通信系统传输有效性的指标。
从提高协议效率的角度来看，通信协议越简单，协议效率越好，但简单的通信协议可能无法满足数据通信的可靠性要求。为了提高数据通信系统的可靠性，降低误码率，就需要采取特定的差错控制措施，这样数据通信的协议效率就会降低。可见，数据通信系统的可靠性和有效性两者之间是相互联系、相互制约的。2.2 数据编码技术
数据编码技术包括信源编码和信号编码。在数据通信系统的信息源中将原始的信息转换成用代码表示的数据的过程称为信源编码，如BCD码、ASCII码、汉字区位码等。信号编码又叫信道编码，是将数据由信源编码变换到某种适合于信道传输的信号形式的过程。2.2.1 数字数据的模拟信号编码
公用电话网是典型的模拟通信信道，无法直接传输数字信号，但可以通过调制和解调传送数字信号。调制时通常采用正（余）弦信号作为载波，根据所控制的载波参数的不同，主要有3种方式，分别是幅移键控法（ASK）、频移键控法（FSK）和相移键控法（PSK），如图2-2所示。图2-2 3种调制技术
1．幅移键控法（ASK）
在ASK方式下，频率和相位不变，幅值定义为数字的数据变量，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态，该方法是一种低效的调制方法。
2．频移键控法（FSK）
在FSK方式下，幅值和相位不变，频率受数字信号的控制，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。
3．相移键控法（PSK）
在PSK方式下，幅值和频率不变，相位受数字信号的控制，用载波信号的相位移动来表示数据。PSK可使用二相或多于二相的相移，可对传输速率起到加倍的作用。2.2.2 数字数据的数字信号编码
采用高低电平的矩形脉冲来表示0和1两个二进制数的方法，称为数字数据的数字信号编码。数字信号编码方法很多，例如，信号电平有正负两种极性的称为双极性码，与之对应的，信号电平只有一种极性的称为单极性码；信号电平在每一位二进制数传输之后均返回零电平的称为归零码，与之对应的，信号电平在每一位二进制数传输时间内都保持的称为不归零码（NRZ）。实际传输过程往往采用以上几种方式的结合，如图2-3所示。图2-3 矩形脉冲的数字信号编码
1．单极性不归零码
单极性不归零码只用一个极性的电压脉冲，有电压脉冲表示“1”，无电压脉冲表示“0”，如图2-3（a）所示。并且在表示一个二进制数时，电压均无需回归零，所以称为不归零码。单极性不归零码是采用最普遍的信号编码方法，能够比较有效地利用信道的带宽。
2．双极性不归零码
双极性不归零码采用两种极性的电压脉冲，一种极性的电压脉冲表示“1”，另一极性电压脉冲表示“0”，如图2-3（b）所示。
3．单极性归零码
单极性归零码也只用一个极性的电压脉冲，但“1”码持续时间短于一个二进制数的宽度，即发出一个窄脉冲；无电压脉冲表示“0”，如图2-3（c）所示。
4．双极性归零码
双极性归零码采用两种极性的电压脉冲，“1”码发正的脉冲，“0”码发负的脉冲，如图2-3（d）所示。双极性归零码主要用于低速传输，其优点是比较可靠。2.2.3 数据同步方式
所谓“同步”，就是指接收端要按照发送端发送的每个数据的重复频率及起止时间来接收数据。因此，接收端不仅要知道一组二进制位的开始与结束，还要知道每位的持续时间，这样才能做到用合适的采样频率对所接收的数据进行采样。
同步传输与异步传输的引入是为了解决串行数据传输中通信双方的码组或字符的同步问题。由于串行传输是以二进制位为单位在一条信道上按时间顺序逐位传输的，这就要求发送端按位发送，接收端按时间顺序逐位接收，并且还要对所传输的数据加以区分和确认。因此，通信双方要采取同步措施，尤其对远距离的串行通信更为重要。
1．位同步
位同步的数据传输是指接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间。实现这种同步的方法又有外同步法和自同步法。（1）外同步法
外同步法是指接收端的同步信号由发送端送来，而不是自己产生，也不是从信号中提取出来的方法。即发送端在发送数据前，向接收端先发出一个或多个同步时钟，接收端按照这个同步时钟来调整其内部时序，并把接收时序重复频率锁定在同步频率上，以便也能用同步频率接收数据，然后向发送端发送准备接收数据的确认信息，发送端收到确认信息后才开始发送数据。外同步典型的例子是不归零码，用正电压表示“1”，负电压表示“0”，在一个二进制位的宽度和电压保持不变，如图2-4（a）所示。不归零码容易实现，但缺点是接收方和发送方不能保持正确的定时关系，且当信号中包含连续的“1”和“0”时，存在直流分量。（2）自同步法
自同步法是指从数据信息波形本身提取同步信号的方法，例如曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的每个码元中间均有跳变，利用这些跳变作为同步信号，如图2-4（b）所示。图2-4 同步信号的编码方法
在曼彻斯特编码中，用电压跳变的不同来区分“1”和“0”，即用正的电压跳变表示“0”；用负的电压跳变表示“l”，也就是说，从低到高跳变表示“0”，从高到低跳变表示“1”，如图2-4（c）所示。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它提取位同步时钟，还可根据每位中间的跳变来区分“0”和“1”的取值。
差分曼彻斯特编码是在曼彻斯特编码的基础上进行修改而得到的编码，它们之间的不同之处在于每位中间的跳变只用做通信双方的同步时钟信号，取值是“0”还是“1”根据每一位起始处有无跳变来判断，若有跳变则为“0”，若无跳变则为“1”，如图2-4（d）所示。
两种曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中都有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但由于每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的一半。
2．字符同步
字符同步也称异步传输，在通信的数据流中，每次传送一个字符，且字符间异步，字符内部各位同步被称为字符同步方式。即每个字符出现在数据流中的相对时间是随机的，接收端预先并不知道，而每个字符一经开始发送，收发双方则以预先固定的时钟速率来传送和接收二进制位。
异步传输过程如图2-5所示，开始传送前，线路处于空闲状态，送出连续“1”。传送开始时首先发一个“0”作为起始位，然后出现在通信线路上的是字符的二进制编码数据。每个字符的数据位长可以约定为5位、6位、7位或8位，一般采用ASCII编码（见附录A）。后面是奇偶校验位，也可以约定不要奇偶校验，最后是表示停止位的“1”信号，这个停止位可以约定持续1位或2位的时间宽度。至此一个字符传送完毕，线路又进入空闲，持续送出“1”，经过一段时间后，下一个字符开始传送又发出起始位。图2-5 异步传输过程
异步传输对接收时钟的精度降低了要求，它最大的优点是设备简单、易于实现，但是它的效率很低，因为每个字符都要附加起始位和结束位，辅助开销比例较大。
3．帧同步
帧同步也称同步传输，在通信的数据流中，以多个字符组成的字符块为单位进行传输，收发双方以固定时钟节拍来发送和接收数据信号，字符或码组之间以及位与位之间是同步的。在异步传输中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符的开始和结束标志，占用了时间，所以在传送数据块时，为了提高速度，可以去掉这些标志而采用同步传输方式。同步传输时，在数据块开始处要用同步字符来指示，并在发送端和接收端之间要用时钟来实现同步，故硬件较为复杂，对线路要求较高。
同步传输通信控制规程可分为面向字符型和面向位（比特）型两类。（1）面向字符型同步方式
面向字符型（Character-Oriented）通信控制规程的特点是规定一些字符作为传输控制用，信息长度为8位的整数倍，面向字符型的数据格式又有单同步、双同步和外同步之分，如图2-6所示。图2-6 面向字符型同步方式
单同步是指在传送数据块之前先传送一个同步字符，接收端检测到该同步字符后开始接收数据；双同步格式中有两个同步字符；外同步格式中数据之前不含同步字符，而是用一条专用控制线来传送同步信号，以实现收发双方的同步操作。任何一帧的信息都以两个字节的循环控制码（CRC）为结束。（2）面向比特型同步方式
面向比特型通信控制规程的概念是由IBM公司在1969年提出的，它的特点是没有采用传输控制字符，而是采用某些位组合作为控制用，其信息长度可变，传输速率在 2 400bit/s以上。这一类型中最有
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