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数据通信与控制网络. 主要内容： 6.1 FF 基金会现场总线 6.2 Profibus 协议 6.3 LonWorks 控制网络和 Lon 总线 6.4 设备层现场总线 DeviceNet 6.5 控制层现场总线 ControINet. 6.1 FF 基金会现场总线. 6.1.1 概述 基金会现场总线（ FF, Foundation Fieldbus ） 成立于1994年9月。 基金会的成员是约120个世界最重要的过程控制和生产自动化供应商和最终用户。 基金会现场总线系统是为适应自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。
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主要内容： • 6.1 FF基金会现场总线 • 6.2 Profibus协议 • 6.3 LonWorks控制网络和Lon总线 • 6.4 设备层现场总线 DeviceNet • 6.5 控制层现场总线 ControINet
6.1 FF基金会现场总线 • 6.1.1 概述 • 基金会现场总线（FF, Foundation Fieldbus ）成立于1994年9月。 • 基金会的成员是约120个世界最重要的过程控制和生产自动化供应商和最终用户。 • 基金会现场总线系统是为适应自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。 • 能适应本质安全防爆的要求，还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。
6.1 FF基金会现场总线 • 现场总线基金会的目标是致力于开发出统一标准的现场总线，于1996年发布了低速总线H1的标准，使H1低速总线进入实用阶段。 • 基金会现场总线的系统是开放的，可由来自不同制造商的测量、控制设备构成。 • 通过一致性测试确保产品与协议规范的一致性。 • 把不同制造商的产品连接于同一网络系统时，作为网络节点的各设备间应可实现互操作。 • 允许不同厂商生产的相同功能设备之间进行相互替换。
6.1 FF基金会现场总线 • FF的一般特点为： • ① 具有适合工业现场应用的通信规范和网络操作系统。 • ② 采用单一串行线上连接多个设备的网络连接方法，1条总线最多可连接32台设备。 • ③ 通信介质可以是金属双绞线、同轴电缆、动力线或光纤。 • ④ 通信信号可以采用10mA电流方式，也可以采用电压方式。
6.1 FF基金会现场总线 • ⑤ 通信线路可用设备的供电线路。 • ⑥ 具有比较完备的工业设备描述语言。 • ⑦ 采用虚拟设备的概念实现设备的模块化处理。 • ⑧ 实现了开放式系统，在FF系统内，不同厂家的产品具有互操作性。 • ⑨提供了比较完善的系统测试手段和方法。可以说，FF是个生命力强大的现场总线。
6.1 FF基金会现场总线 • 优点： • ① 设备互操作性：在具有互操作性条件下，同一现场总线网络中一个设备可以被来自不同供应商的具有增加功能的相似设备所取代，而仍保持规定的操作，这就允许用户“混合和搭配”不同供应商的观场设备和主系统； • ② 改善的过程数据：在FF现场总线上，从每个设备得到的多个参数可以传至车间控制系统，它们可被用作数据存档、趋势分析、过程优化研究和生成报表，其目的是增加产量和减少停工时间；
6.1 FF基金会现场总线 • ③ 对进程更多的了解：采用强大的、基于微控制器的通信功能的现场总线设备，可以更快、更准确地识别过程错误； • ④ 提高工厂设备安全性能：满足日益严格的控制设备安全要求； • ⑤ 提供预测性维护能力； • ⑥ FF现场总线减少了网络安装费用，构建和运行启动时间大大减少，可以利用总线设备中的软件控制模块简化编程和控制功能。
6.1 FF基金会现场总线 • 6.1.2 FF现场总线通信模型 • 基金会现场总线的参考模型只具备了ISO/OSI参考模型中的三层，即物理层、数据链路层和应用层。 • 在ISOIOSI参考模型第七层应用层之上新增加了用户层。 • 按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS。 • 把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分（从数据链路到FAS、FMS的全部功能）集成为一个整体，统称为通信栈（Communication Stack）。
OSI模型 FF现场总线模型 6.1 FF基金会现场总线 用户层（程序） 用户层 应用层 7 现场总线信息规范子层FMS现场总线访问子层FAS 通 信 栈 表达层 6 会话层 5 传输层 4 网络层 3 数据链路层 2 数据链路层 物理层 1 物理层 • 如图6-1所示，可以将FF现场总线通信模型现为四层：
6.1 FF基金会现场总线 • ① 物理层规定了信号如何发送。 • ② 数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信。 • ③应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。
6.1 FF基金会现场总线 • 现场总线访问子层FAS的基本功能：确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式。 • 现场总线信息规范子层FMS（Fieldbus Message Specification）的基本功能：面向应用服务，生成规范的应用协议数据。 • 现场总线访问子层与信息规范子层的任务：完成一个进程应用到另一个应用进程的描述，实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。
6.1 FF基金会现场总线 • ④用户层用于组成用户所需要的应用程序。 • 用户层规定标准的功能模块、对象字典和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。 • 在网络管理中，设置一个网络管理代理和一个网络管理信息库，提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。 • 在系统管理中，设置系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库，实现设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。
6.1 FF基金会现场总线 • 四个分层按各部分在物理设备中要完成的功能分为三大部分：通信实体、系统管理内核、功能块应用过程。
6.1 FF基金会现场总线 • 各部分之间通过虚拟通信关系VCR来沟通信息（ Virtual Communication Relationship）。 • VCR表明了两个或多个应用进程之间的关联，是各应用之间的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。 • 通信实体的任务：生成报文与提供报文传送服务，是实现现场总线信号数字通信的核心部分。 • 通信实体由各层协议与网络管理代理共同组成。贯穿从物理层到用户层的所有各层。 • 层协议的基本目标是要构成虚拟通信关系。
6.1 FF基金会现场总线 • 网络管理代理是要借助各层及其层管理实体，支持组态管理、运行管理、出错管理的功能。 • 各种组态、运行、故障信息保持在网络管理信息库（NMIB，Network Management Information Base）中，由对象字典（OD，Object Dictionary）来描述。 • 对象字典为设备的网络可视对象提供了定义与描述。如把数据类型、长度一类的描述信息保留在对象字典中。 • 通过网络得到这些保留在OD中的网络可视对象的描述信息。可明确定义、理解对象。
6.1 FF基金会现场总线 • 系统管理内核（SMK，System Management Kernel）在模型分层结构中占有应用层和用户层的位置。 • 主要负责与网络系统有关的管理任务，如确立本设备在网段中的位置，协调与网络上其他设备的动作和功能块执行时间。 • 用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系统管理信息库（SMIB，System Management Information Base）中。 • 系统管理内核任务是在设备运行之前将基本的系统信息置入SMIB，然后根据系统专用名，分配给该设备一个永久（固定）的数据链路地址，并在不影响网络上其他设备运行的前提下，把该设备带入到运行状态。
6.1 FF基金会现场总线 • 系统管理内核采用系统管理内核协议与远程系统管理内核SMK通信。当设备加入到网络之后，可以按需要设置远程设备和功能块。 • 由系统管理内核SMK提供对象字典服务，如在网络上对所有设备广播对象名，等待包含这一对象的设备的响应，然后获取网络中有关对象的信息。 • 系统管理还为应用时钟同步提供一个通用的应用时钟参考，使每个设备能共享共同的时间基准，并可通过调度来控制功能块执行时间。
6.1 FF基金会现场总线 • 功能块应用进程（FBAP，Function Block Application Process）在模型分层结构中位于应用层和用户层。主要用于实现用户所需要的各种功能。 • 功能块把应用功能或算法、按某种方式反复执行的函数模块化，提供一个通用结构来规定输入、输出、算法和控制参数，把输入参数通过函数转化为输出参数。
6.1 FF基金会现场总线 • 如PID功能块完成现场总线系统中的控制计算，AI功能块完成参数输入。 • 每种功能块被单独定义，并能为其他块所调用。由多个功能块相互联接即成为功能块应用。 • 功能块应用进程，除了功能块对象之外，还包括对象字典OD和设备描述DD。 • 采用OD和DD来简化设备的互操作，因此可以把OD和DD看作支持功能块应用的标准化工具。
6.1 FF基金会现场总线 • 7.1.3 FF总线的主要技术 • 基金会现场总线作为工厂的底层网络，是低速网段，其传输速率的典型值为31.25kbps、1Mbps和2.5Mbps。 • 可以由单一总线段或多总线段构成，也可以由网桥把不同传输速率、不同传输介质的总线段互联而成，网桥在不同总线段之间透明地转换传送信息。 • 可以通过网关或计算机接口板将其与工厂管理层的网段挂接。
6.1 FF基金会现场总线 • 主要技术内容： • 1．FF总线的通信技术 • 包括FF总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。 • 它涉及一系列与网络有关的硬软件，如通信栈软件、被称之为网卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。 • 它是现场总线的核心基础技术之一，无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。
6.1 FF基金会现场总线 • 2．标准化功能块（FB，Function Block）与功能块应用进程（FBAP，Function Block Application Process） • 提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。 • 便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。
6.1 FF基金会现场总线 • 3．设备描述（DD，Device Description）与设备描述语言（DDL，Device Description Language） • 为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的块功能操作，FF总线采用了设备描述技术。 • 设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，因而也可以看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。
6.1 FF基金会现场总线 • 设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器，把用DDL编写的设备描述源程序转化为机器可读的输出文件。 • 控制系统凭借这些机器可读的输出文件来理解设备的数据意义。 • 现场总线基金会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加DD写成CD-ROM，提供给用户。
6.1 FF基金会现场总线 • 4．现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术 • 在现场总线的产品开发中，常采用OEM(原始设备制造商)集成方法构成新产品。 • 有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通信栈软件、网卡等。 • 这些部件与其他供应商开发的完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备的新产品。
6.1 FF基金会现场总线 • 通过FF的PC接口卡将总线上的数据信息与上位机的各种人机接口（MMI，Man-Machine Interface）软件、高级控制算法融为一体，还有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发工作要作。 • 如与人机接口软件连接中的OPC技术（ OLE in Process Control用于过程控制的对象连接嵌入技术）。OPC技术是实现数据开放式沟通与传输的基础。 • OLE是Microsoft公司在PC机中采用的PC组件技术。把这一技术引入到过程控制系统，使现场总线控制系统很容易地与现有的计算机平台结合起来，使工厂网络的各个层次可以在网络上共享数据与信息。
6.1 FF基金会现场总线 • 5．系统集成技术 • 包括通信系统与控制系统的集成。 • 如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理；控制系统组态；人机接口、系统管理维护等。 • 是集控制、通信、计算机、网络等多方面知识，集软硬件于一体的综合性技术，在现场总线开发初期，在技术规范、通信软硬件尚不十分成熟的时候具有特殊的意义，对系统设计单位、用户和系统集成商更是具有重要作用。
6.1 FF基金会现场总线 • 6．系统测试技术 • 包括通信系统的一致性与可互操作技术；总线监听分析技术；系统的功能、性能测试技术。 • 一致性与可互操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施，一般要经授权的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。 • 只有具备了FF标志的现场总线产品，才是真正的FF产品，其通信的一致性与系统的开放性才有相应保障。
6.1 FF基金会现场总线 • 总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，用于通信系统的调试、诊断与评价。 • 功能、性能测试技术包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。
6.1 FF基金会现场总线 • 6.1.4 协议数据的构成与层次 • 图6-3表明了现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息。
6.1 FF基金会现场总线 • 用户发送数据： • 用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息； • 用户数据信息在FAS、FMS、DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、帧后定界码，也就是开头码、帧结束码，并在开头码之前再加上用于时钟同步的前导码（或称之为同步码）。 • 信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。
6.2 Profibus协议 • 6.2.1 概述 • 87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发 • 89年批准为德国工业标准 DIN 19245 • 96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP) • 98年PROFIBUS-PA批准纳入EN 50170 V.2 • 9 9年PROFIBUS成为国际标准 IEC 61158 的组成部分(Type III). • 2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001
6.2 Profibus协议 • 应用范围如图6-4所示。
6.2 Profibus协议 • Profibus基本技术特点如下： • 1)分为通用性自动化（FMS）、工厂自动化（DP）和过程控制自动化（PA）3个系列。 • 2)设备之间的通信采用主从方式；结构采用物理层、数据链路层和应用层的3层结构。 • 3)标准采用EN50170；其接口标准，PA采用IEC1158-2，FMS和DP采用RS-485。 • 4)信号线可用设备电源线。 • 5) 每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。
6.2 Profibus协议 • 6)传输速率可在9.6kbs～12Mbs间选择。 • 7)传输介质可以用金属双绞线或光纤。 • 8)提供通用的功能模块管理规范。 • 9)在一定范围内可实现互操作。 • 10)没有统一的设备描述语言（DDL）和DDL支持。 • 11)提供系统通信管理软件（包括波形识别、速率识别和协议识别等功能）。 • 提供244B报文格式，提供通信接口的故障安全模式（当I/O故障时输出全为零）。
6.2 Profibus协议 • 6.2.2 Profibus通信模型 • 协议结构如图6-5所示。
6.2 Profibus协议 • Profibus-FMS对第l，2和7层进行了定义。 • 应用层包括现场总线信息规范（FMS，fleldbus 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。 • 低层接口LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供第2层。 • 第2层现场总线数据链路（FDL）可完成总线访问控制和数据的可靠性，为Profibus-FMS提供了RS-485传输技术或光纤。
6.2 Profibus协议 • Profibus-DP使用第1层，第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述，这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效。 • 直接数据链路映像（DDLM，direct data link mapper）提供易于进入第2层的用户接口。 • 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS-485传输技术或光纤。
6.2 Profibus协议 • Profibus-PA数据传输采用扩展的“Profibus-DP”协议的基本功能来传送测量值和状态，另外还使用了描述现场设备行为的PA行规。 • 根据IECll58-2标准，这种传输技术可确保其本征的安全性，可通过总线为现场设备供电。 • Profibus-PA设备也能很方便地集成到Profibus-DP网络。 • Profibus-DP和Profibus-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。
6.2 Profibus协议 • 6.2.3 Profibus技术系列 • Profibus根据不同的应用特点分为Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA三个系列的兼容版本，如图6-6所示。
6.2 Profibus协议 • 1．Profibus-DP（H2） • 高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和分散设备级I/O之间进行通信而设计。 • 使用Profibus-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线。 • 以DIN19245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。 • DP的传输速率可达12Mb/s。 • 一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作。如：中央控制器（如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。
6.2 Profibus协议 • 2．Profibus-PA（H1） • 专为过程自动化设计。 • 标准的本质安全的传输技术，实现了IECll58－2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。 • PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了4～20mA模拟信号传输技术。 • 在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维修成本等方面可节约40％之多。 • 尤其适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统。
6.2 Profibus协议 • 3．Profibus-FMS • 解决车间一级通用性通信任务。 • FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务。 • 由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间。
6.2 Profibus协议 • 6.2.4 Profibus的主要技术内容 • 1．传输技术 • 有3种类型传输技术： • DP和FMS的RS-485传输； • PA的IEC1158-2传输； • 光纤（FO）。
网络拓扑 线性总线，两端有有源的总线终端电阻。短截线的波特率＜1.5Mbps 6.2 Profibus协议 介质 屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC） 站点数 每段32个站，不带转发器。带转发器最多可到127个站 插头连接器 最好为9针D副插头连接器 • （１）DP和FMS的RS-485传输 • RS-485是Profibus最常用的一种，通常称为H2，采用屏蔽双绞铜线电缆。适用于需要高速传输和设施简单而又便宜的各个领域，RS-485传输技术的基本特性，如表6-1所示。
波特率（kbps） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12 000 6.2 Profibus协议 距离/段（m） 1200 1200 1200 1000 400 200 100 • RS485操作容易，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到其他站点的操作。 • 传输速度可选用9.6kbps～12Mbps，一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速度。电缆的最大长度取决于传输速度，如表6-2所示。
6.2 Profibus协议 • （２）用于PA的IEC1158-2传输技术 • 具有本征安全性，通过总线供电，使用位同步协议，常称之为H1。 • 每段只有一个电源和供电装置； • 每站发送信息时，不向总线供电： • 每站现场设备所消耗的是常量稳态基本电流； • 现场设备为无源的电流吸收装置； • 总线段至少需要10mA的基本电流才能使设备启动。 • 允许使用总线、树形和星形网； • 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段；
数据传输 数字式、行同步、曼彻斯特编码 6.2 Profibus协议 传输速率 31.25kbps，电压式 数据可靠性 前同步信号、采用起始和终止界定符避免误差 电缆 双绞线（屏蔽或非屏蔽） 防爆型 可进行本征、非本征安全操作 拓扑结构 总线、树形和星形 站数 每段最多32个．总数最多126个 转发器 可扩展到4台 远程电源 可选附件，通过数据线 • IEC11l58-2的传输技术特性见表6-3。
6.2 Profibus协议 • （3）光纤传输技术 • 在电磁干扰很大的环境下，使用光纤导体增加高速传输的最大距离。 • 有专用的总线插头可将RS-485信号转换成光纤信号或光纤信号转换成RS-485信号，在同一系统上使用RS485和光纤传输技术有了方便的方法。
