第1章(WINCC通信)

电气与自动化工程学院第1章现场总线技术概述第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用22020/2/101.1现场总线的诞生1.2企业网的结构与网络化控制的功能模型本章的主要内容本章主要介绍现场总线技术的基本概念和基础知识。1.3现场总线的主流技术与IEC611581.4现场总线的特点、现状与发展1.5西门子工业通信网络概述第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用32020/2/101.1现场总线的诞生1.1.1自动化技术的发展历程1.1.2现场总线的定义1.1.3现场总线的概念第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用42020/2/1020世纪70年代之后，随着计算机技术的发展，迎来了自动化技术的第一次革命，即数字控制技术的诞生和大规模的使用。数字控制技术就是我们熟知的计算机控制。其最大的特点是变连续系统为离散系统。采样开关的存在，使得系统多了采样环节。设计数字控制系统时，通常采用两种办法。一种是在连续域内进行设计，然后再离散化。另一种是直接在离散域（比如Z域）内进行设计。数字控制技术作为机器人技术、CAD/CAM和PLC技术的基础，是现代工业自动化的重要技术。1.1.1自动化技术的发展历程第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用52020/2/101.1.1自动化技术的发展历程20世纪90年代以来，自动化行业又迎来了第二次革命，那就是工业控制网络的诞生和发展。智能的传感器、智能的执行器与智能的数字控制器，通过工业控制网络交换数据，使得不同的控制单元和控制细胞之间建立通信联系，克服了不同控制单元之间的“孤岛”效应，这就是工业控制网络技术的主要特点。目前工业控制网络技术正在逐步发展，并取得了一些成果。然而从工业控制网络技术的长远来看，这只是一个开始。目前基于工业控制网络的研究和应用，仍然是个热点，该领域的成果必将推动自动化行业的迅猛发展，开创自动化行业崭新的未来。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用62020/2/101.1现场总线的诞生1.1.1自动化技术的发展历程1.1.2现场总线的定义1.1.3现场总线的概念第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用72020/2/101.1.2现场总线的定义现场总线是20世纪80年代中后期在工业控制中逐步发展起来的。随着微处理器技术的发展，其功能不断增强，而成本不断下降。计算机技术飞速发展，同时计算机网络技术也迅速发展起来了。计算机技术的发展为现场总线的诞生奠定了技术基础。另一方面，智能仪表也出现在工业控制中。在原模拟仪表的基础上增加具有计算功能的微处理器芯片，在输出的4～20mA直流信号上叠加了数字信号，使现场输入输出设备与控制器之间的模拟信号转变为数字信号。智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了应用基础。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用82020/2/101.1.2现场总线的定义IEC（InternationalElectrotechnicalCommission，国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义为:一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多节点的数字通信网络。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用92020/2/101.1现场总线的诞生1.1.1自动化技术的发展历程1.1.2现场总线的定义1.1.3现场总线的概念第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用102020/2/101.1.3现场总线的概念现场总线的概念有广义与狭义之分。狭义的现场总线就是指基于EIA485的串行通信网络。广义的现场总线泛指用于工业现场的所有控制网络。广义的现场总线包括狭义现场总线和工业以太网。工业以太网是用于工业现场的以太网，一般采用交换技术，即交换式以太网技术。工业以太网以TCP/IP协议为基础，与串行通信的技术体系是不同的。在工业控制中，现场总线的概念因场合不同而不同。例如本书书名中的“现场总线”是广义的，包括现场总线和工业以太网；而本书后面的章节中，现场总线的概念又是狭义的。读者应根据不同场合加以区别。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用112020/2/101.1现场总线的诞生1.2企业网的结构与网络化控制的功能模型本章的主要内容本章主要介绍现场总线技术的基本概念和基础知识。1.3现场总线的主流技术与IEC611581.4现场总线的特点、现状与发展1.5西门子工业通信网络概述第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用122020/2/101.2企业网的结构与网络化控制的功能模型图1-1企业网的结构企业网是对工业企业的计算机与控制网络的统称。企业网从结构上可以分为信息网络和控制网络两个层次，如图1-1所示。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用132020/2/101.2企业网的结构与网络化控制的功能模型信息网络是指用于企业内部的信息通信与管理的局域网。信息网络目前的主要应用是办公自动化。信息网络是接入互联网的，并且很多应用也是基于互联网技术的。控制网络是指工业企业生产现场的通信网络。控制网络既可以是现场总线，也可以是工业以太网。控制网络主要实现现场设备之间、现场设备与控制器之间、现场设备与监控设备之间的通信。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用142020/2/101.2企业网的结构与网络化控制的功能模型网络化控制的功能模型是从功能的角度对基于网络的自动控制系统进行分层，简称网络控制模型。网络控制模型分为现场设备层、监控层和管理层，如图1-2a所示。图1-2网络控制模型第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用152020/2/101.1现场总线的诞生1.2企业网的结构与网络化控制的功能模型本章的主要内容本章主要介绍现场总线技术的基本概念和基础知识。1.3现场总线的主流技术与IEC611581.4现场总线的特点、现状与发展1.5西门子工业通信网络概述第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用162020/2/101.3.1IEC61158IEC61158是现场总线的国际标准和国际规范。1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就开始制定现场总线的标准，然而统一的标准至今仍未完成。很多公司推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性难以统一。经过12年的讨论，终于在1999年年底通过了IEC61158现场总线标准，这个标准容纳了8种互不兼容的总线协议。后来又经过不断讨论和协商，在2003年4月，IEC61158Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，确定了10种不同类型的现场总线为IEC61158现场总线，如表1-1所示。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用172020/2/101.3.1IEC61158表1-1IEC61158的现场总线类型编号名称发起的公司Type1TS61158现场总线原来的技术报告Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线美国Rockwell公司Type3PROFIBUS现场总线德国Siemens公司Type4P-NET现场总线丹麦ProcessData公司Type5FFHSE现场总线美国FisherRosemount公司Type6SwiftNet现场总线美国波音公司Type7WorldFIP现场总线法国Alstom公司Type8INTERBUS现场总线德国PhoenixContact公司Type9FFH1现场总线现场总线基金会Type10PROFINET现场总线德国Siemens公司第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用182020/2/101.3.2主流现场总线介绍1.基金会现场总线（FoundationFieldbus，FF）这是以美国Fisher-Rosemount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。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用192020/2/101.3.2主流现场总线介绍2.CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛应用于离散控制领域，其总线规范已被国际标准化组织（ISO）制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为两层：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支持多种工作方式，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。通信距离最远可达10km（5kbit/s），通信速率最高可达40Mbit/s，网络节点数可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用202020/2/101.3.2主流现场总线介绍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。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～1.5Mbit/s，直接通信距离可达2700m（78kbit/s），被称为通用控制网络。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，被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等领域。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用212020/2/101.3.2主流现场总线介绍4.DeviceNetDeviceNet既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诊断功能。DeviceNet基于CAN技术，传输速率为125～500kbit/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总线的组织结构是开放式设备网络供应商协会。第一章第二章第