现场总线技术 刘泽祥主编 北京机械工业出版社

决。而且近20年的标准之争和市场大战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在技术层面还是市场层面都给用户带来了疑问和困惑。

（1）多标准共存与现场总线的开放性相背离

? 一般认为DCS和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用

户的肯定。但实际上FCS的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。

（2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性

现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商。现场总线的主要特点之一——互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的10种现场总线国际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进行互操作，但这种互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。

（3）现场总线的局限性

过程控制层PCS（Process Control System）包含了现场总线；中间的制造执行层MES（Manufacturing Execution System）主要用于监控、优化和调度，在管控一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划管理层ERP（Enterprise Resource Planning）用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策等。

（4）多标准共存阻碍现场总线技术的推广

目前的现场总线国际标准IEC61158 Ed．3规定中7类经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用户要随时注意国际上各种现场总线及相关技术的动态，承担着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场总线技术的推广。

复习题：

1.论述计算机控制系统的发展历史。

2.在设计分布式控制系统过程中，如何考虑提高可靠性、环境适应性及课操作性？ 3.什么是现场总线？现场总线出现的历史背景是怎样的？ 4.与DCS系统相比，FCS有哪些特点？有哪些优越性？ 5.分析现场总线的现状，展望其发展前景。 第二章 数据通信基础与网络互联 第2章 数据通信基础与网络互联 ?2.1 数据通信基础 ?2.2 现场控制网络 ?2.3 网络硬件 ?2.4 网络互联 ?2.5 网络互联设备 ?2.6 通信参考模型 2.1 数据通信基础 ?2.1.1 基本概念 ?1.总线的基本术语

?（1）总线与总线段(bus segment)。

?从广义说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。

?一组设备通过总线连在一起称为“总线段”。

? 可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。

?（2）总线主设备

?可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”(bus master) ，又称命令者。 ?（3）总线从主设备

?不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线

从设备(bus slaver)，也称基本设备。

?在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。

?（4）控制信号（三种类型）

?（a）控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。 ?（b）用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。 ?（c）表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。

?（5）总线协议

?管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”(bus protocol)。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。 ?2.总线操作的基本内容 ? （1）总线操作

?总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。“脱开”(disconnect)是指完成数据传送操作以后，命令者断开与响应者的连接。

?（2）总线传送

?“读”(read)数据操作是读来自响应者的数据；“写”(write)数据操作是向响应者写数据。读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。 ?（3）请求通信

?通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。

?（4）寻址

?寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下三种寻址方式:

?（a）物理寻址 用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。

?（b）逻辑寻址 用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。

?（c）广播寻址 广播寻址用于选择多个响应者。

?（5）总线仲裁

?总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”(contention)。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”（arbitration)。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。 ?总线仲裁操作和数据传送操作是完全分开且并行工作的，因此总线占有权的交接过程不会耽误总线操作。

?（6）总线定时

?总线操作用“定时”(timing)信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻

是有效的。

?定时信号有异步和同步两种。 ?（7）出错检测

?在总线上传送信息时会因噪声和干扰而出错，因此在高性能的总线中一般设有出错码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。

?（8）容错

?设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响，提高系统的重配置能力是十分重要的。故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后者在设备出故障时，会直接影响它后面设备的工作。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。

?2.1.2 通信系统的组成

?通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。

?1.信息源和接收者

?信息源和接收者是信息的产生者和使用者。

?在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。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。

?信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。

?2.发送设备

?发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。 ?信源编码：把连续消息变换为数字信号；

?信道编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。

?发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。

?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媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。

?介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。

?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来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

?以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。

?2.1.3 传输方式

?通信方式按照信息的传输方向分为 ：

?(1)单工 (simplex)方式 信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式；。

?(2)半双工(Half duplex)方式 信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传

输的通信方式称为半双工方式；

?(3)全双工 (Full duplex)方式 信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式。

?2.1.4 传输模式

?基带传输

?载波（带）传输 ?宽带传输

?异步转移模式ATM

?1.基带传输

?基带传输是指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，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。

?局域网、控制局域网 ?特点

?2.载波（带）传输

?载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有幅值键控 (ASK)，频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)3种。

?在载波传输中，发送设备首先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。

?3.宽带传输

?由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此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，基带网的数据传输速率范围为0一l0Mbit/s，宽带网可达0~400Mbit/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。一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。

?4.异步转移模式ATM

?ATM(Asynchronous Transfer Mode)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，速度可达155Mbit/s一2.4Gbit/s,也有25Mbit/s和50Mbit/s的ATM技术。

?2.1.5 二进制表示方法

?1．基带传输中数据的表示方法

?(1)信息传输有平衡传输和非平衡传输。

?(2)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。 ?(3)根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。