1.3　控制系統的常用通信技術

1.3.1　串行通信

1.3.1.1　RS-232C

RS-232C是美國EIA（電子工業聯合會）在1969年公布的通信協議，至今仍在計算機和控制設備通信中廣泛使用。這個標準對串行通信接口有關的問題，例如各信號線的功能和電氣特性等都作了明確的規定。

當通信距離較近時，通信雙方可以直接連接，最簡單的情況在通信中不需要控制聯絡信號，只需要三根線（發送線、接收線和信號地線），便可以實現雙工異步串行通信。RS-232C采用負邏輯，用-15～-5V表示邏輯狀態“1”，用+5～+15V表示邏輯狀態“0”，最大通信距離為15m，最高傳輸速率為20kb/s，只能進行一對一的通信。

1.3.1.2　RS-422A

RS-422A采用平衡驅動，差分接收電路，從根本上取消了信號地線。平衡驅動器相當于兩個單端驅動器，其輸入信號相同，兩個輸出信號互為反相信號，圖中的小圓圈表示反相。外部輸入的干擾信號是以共模方式出現的，兩根傳輸線上的共模干擾信號相同，因接收器是差分輸入，共模信號可以互相抵消。只要接收器有足夠的抗共模干擾能力，就能從干擾信號中識別出驅動器的有用信號，從而克服外部干擾的影響。

RS-422A在最大傳輸速率（10Mb/s）時，允許的最大通信距離為12m。傳輸速率為100kb/s時，最大通信距離為1200m，一臺驅動器可以連接10臺接收器。

1.3.1.3　RS-485

RS-485收發器采用平衡發送和差分接收，即在發送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故數據傳輸可達一千米以外。

RS-485的許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終端電阻等。RS-485可以采用二線與四線連接方式，二線制可實現真正的多點雙向通信。而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現點對多的通信。即只能有一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），但它比RS-422有改進，無論四線還是二線連接方式，總線上可連接多達32個站。新的接口器件已允許連接128個站。

RS-485與RS-422一樣，最大傳輸速率為10Mb/s。當比特率為1200bps時，最大傳輸距離理論上可達15km。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。

RS-485需要兩個終端電阻，接在傳輸總線的兩端，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不接終端電阻，即一般在300m以下不需終端電阻。

1.3.2　USB通信

USB全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應用。自從1994年11月11日發表了USB V0.7以后，目前USB 2.0為主要通信版本。最新的USB 3.0版本主要用于光纖傳輸，USB 3.0標準可以支持高達4.8Gbps的數據傳輸率，可以可以和USB 1.0和2.0標準向下兼容。

USB接口有以下一些特點。

（1）數據傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mb/s，最新的USB 2.0支持最高速率達480Mb/s。同串行端口相比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50％。

（2）數據傳輸可靠。USB總線控制協議要求在數據發送時含有描述數據類型、發送方向和終止標志、USB設備地址的數據包。USB設備在發送數據時支持數據幀錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。

（3）同時掛接多個USB設備。USB總線可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設備，理論上可達127個。

（4）USB接口能為設備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數據線。耗電比較少的設備可以通過USB口直接取電。可通過USB口取電的設備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100mA的電流，而后者則是500mA。

（5）支持熱插拔。在開機情況下，可以安全地連接或斷開設備，達到真正的即插即用。

目前，USB接口主要應用于計算機周邊外部設備。可以用USB接口與計算機相連接的外設有電話、Modem、鍵盤、光驅、掃描儀和打印機等。一些控制計算機帶有USB通信接口，但主要應用于10m以內的計算機之間的通信。

1.3.3　工業以太網通信

工業以太網已經廣泛地應用于控制網絡的最高層，在工廠自動化系統網絡中屬于管理級和單元級，并且有向控制網絡的中間層和底層（現場層）發展的趨勢。它適用于大量數據的傳輸和長距離通信。

1.3.3.1　工業以太網的特點

企業內部互聯網（Intranet）、外部互聯網（Extranet）及國際互聯網（Internet）不但進入了辦公室領域，而且已經廣泛地應用于生產和過程自動化。繼10Mb/s以太網成功運行之后，具有交換功能、全雙工和自適應的100Mb/s高速以太網（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3標準）也已經成功運行多年。SIMATIC NET可以將控制網絡無縫集成到管理網絡和互聯網。

以太網的市場占有率高達80％，毫無疑問是當今局域網（LAN）領域中首屈一指的網絡。以太網有以下優點：

（1）可以采用冗余的網絡拓撲結構，可靠性高；

（2）通過交換技術可以提供實際上沒有限制的通信性能；

（3）靈活性好，現有的設備可以不受影響地擴張；

（4）在不斷發展的過程中具有良好的向下兼容性，保證了投資的安全；

（5）易于實現管理控制網絡的一體化。

以太網可以接入廣域網（WAN），如綜合服務數字網（ISDN）或互聯網，可以在整個公司范圍內通信，或實現公司之間的通信。

1.3.3.2　工業以太網的應用協議

工業以太網目前比較適合于車間一級的控制網絡使用，但不適合于替代現場總線作為I/O設備網絡使用。工業以太網實質只是定義了網絡的物理層和數據鏈路層，即工業以太網目前不存在所謂的應用標準，一般不同公司采用不同的通信協議。目前主要的應用協議有以下幾種。

（1）Modus/TCP：Modus是Modicon公司在20世紀70年代提出的一種用于PLC之間通信的協議。由于Modus是一種面向寄存器的主從式通信協議，協議簡單實用，而且文本公開，因此在工業控制領域作為通用的通信協議使用。最早的Modus協議是基于RS-232/485/422等低速異步串行通信接口，隨著以太網的發展，將Modus數據報文封裝在TCP數據幀中，通過以太網實現數據通信。

（2）Ethernet/IP：Ethernet/IP是美國Rockwell公司提出的以太網協議，其原理與Modus/TCP相似，只是將ControlNet和DeviceNet使用的CIP（Control Information Protocol）報文封裝在TCP數據幀中，通過以太網實現數據通信。滿足CIP的三種協議Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet共享相同的數據庫、行規和對象，相同的報文可以在三種網絡中任意傳遞，實現即插即用和數據對象共享。

（3）FF HSE：HSE是IEC 61158現場總線標準中的一種，HSE的1～4層分別是以太網和TCP/IP，用戶層和FF H1相同，現場總線信息規范FMS在H1中定義了服務接口，在HSE中采用相同的接口。

（4）PROFInet：PROFInet是在Profibus的基礎上向縱向發展，形成的一種綜合系統的解決方案。PROFInet主要基于Microsoft的DCOM中間件，實現對象的實時通信，自動化對象以DCOM對象的形式在以太網中交換數據。

近來，隨著網絡通信技術的進一步發展，用戶的需求也日益迫切，國際上許多標準化組織正在積極地工作于建立一個工業以太網的應用協議。

1.3.4　現場總線通信技術

1.3.4.1　現場總線的產生

20世紀90年代初，用微處理器技術實現過程控制以及智能傳感器的發展，導致需要用數字信號取代4～20mA（DC）模擬信號，這就形成了一種先進工業測控技術——現場總線（Fieldbus）。現場總線是連接工業過程現場儀表和控制系統之間的全數字化、雙向和多站點的串行通信網絡，從各類變送器、傳感器、人機接口或有關裝置獲取信息，通過控制器向執行器傳送信息，構成現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）。現場總線不單是一種通信技術，也不僅是用數字儀表代替模擬儀表，而是用新一代的現場總線控制系統（FCS）代替傳統的集散控制系統（Distributed Control System，DCS）。它與傳統的DCS相比有很多優點，是一種全數字化、全分散式、全開放和多點通信的底層控制網絡，是計算機技術、通信技術和測控技術的綜合及集成。

根據國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）標準和現場總線基金會（Fieldbus Foundation，FF）的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸和多分支結構的通信網絡。

1.3.4.2　現場總線的特點

（1）全數字化。現場總線系統是一個“純數字”系統，而數字信號具有很強的抗干擾能力，所以，現場的噪聲及其他干擾信號很難扭曲現場總線控制系統里的數字信號，數字信號的完整性使得過程控制的準確性和可靠性更高。

（2）一點對多點結構。一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號。這種一對N結構使得接線簡單，工程周期短，安裝費用低，維護容易。如果增加現場設備或現場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設新的電纜。

（3）可靠性高。數字信號傳輸抗干擾強，精度高，無須采用抗干擾和提高精度的措施，從而降低了成本。

（4）可控狀態。操作員在控制室既可了解現場設備或現場儀表的工作情況，也能對其進行參數調整，還可預測或尋找故障。整個系統始終處于操作員的遠程監視和控制，提高了系統的可靠性、可控性和可維護性。

（5）互換性。用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優的現場設備和現場儀表，并將不同品牌的儀表互聯。即使某臺儀表發生故障，換上其他品牌的同類儀表也能照常工作，實現了“即接即用”。

（6）互操作性。用戶把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統一組態，構成其所需的控制回路，而不必絞盡腦汁，為集成不同品牌的產品在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資。

（7）綜合功能。現場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，滿足了用戶需求，而且降低了成本。

（8）分散控制。控制站功能分散在現場儀表中，通過現場儀表即可構成控制回路，實現了徹底的分散控制，提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。

（9）統一組態。由于現場設備或現場儀表都引入了功能塊概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統一組態方法，使組態變得非常簡單，用戶不需要因為現場設備或現場儀表種類不同而帶來組態方法的不同，再去學習和培訓。

（10）開放式系統。現場總線為開放互聯網絡，所有技術和標準全是公開的，所有制造商必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網絡，既可與同層網絡互聯，也可與不同層網絡互聯，還可極其方便地共享網絡數據庫。

1.3.4.3　主要的現場總線協議

FCS即現場總線控制系統，它是用現場總線這一開放的、具有互操作性的網絡將現場各個控制器和儀表及儀表設備互聯，構成現場總線控制系統，同時控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維修費用。因此，FCS實質上是一種開放的、具有互操作性的、徹底分散的分布式控制系統，有望成為21世紀控制系統的主流產品。下面就幾種主流的現場總線做一簡單介紹。

（1）基金會現場總線（Foundation Field bus簡稱FF）。這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領域得到了廣泛應用，具有良好的發展前景。

基金會現場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型（1層，2層，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25kb/s，通信距離可達1900m，可支持總線供電和本質安全防爆環境。后者傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符號IEC 1158-2標準。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。

（2）CAN（Controller Area Network控制器局域網）。最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10km（速率為5kbps/s），通信速率最高可達40M（速率為1Mbp/s），網絡節點數實際可達110個。已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。

（3）Lonworks。它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部7層通信協議，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質，通訊速率從300b/s～1.5Mb/s不等，直接通信距離可達2700m（78kb/s），被譽為通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議被封裝到Neuron（神經元）的芯片中，并得以實現。采用Lonworks技術和神經元芯片的產品，被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。

（4）PROFIBUS。PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現場總線標準。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于自動化加工領域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC 1158-2標準。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s，最大傳輸距離為：速率9.6kb/s為1200m，速率12Mb/s為200m。可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。

（5）HART。HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發。其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變的過渡產品。其通信模型采用物理層、數據鏈路層和應用層三層，支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。由于它采用模擬數字信號混合，難以開發通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統主機作為主設備的雙主設備系統。

（6）DeviceNet。DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案，有著開放的網絡標準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DeviceNet基于CAN技術，傳輸率為125～500kb/s，每個網絡的最大節點為64個，其通信模式為：生產者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發送方式。位于DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網上的其他設備，而且其設備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association（開放式設備網絡供應商協會，簡稱“ODVA”）。

（7）CC-Link。CC-Link是Control & Communication Link（控制與通信鏈路系統）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機為主導的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統中，可以將控制和信息數據同時以10Mb/s高速傳送至現場網絡，具有性能卓越、使用簡單、應用廣泛、節省成本等優點。其不僅解決了工業現場配線復雜的問題，同時具有優異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。

（8）工業以太網。工業以太網（Ethernet）基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式通信網絡，不同廠商的設備很容易互聯。工業以太網是當前工業控制領域的研究熱點。重點在于利用交換式以太網技術為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協調合作提供一種交互機制并和上層信息網絡無縫集成。雖然脫胎于Intranet、Internet等類型的信息網絡，但是工業以太網是面向生產過程，對實時性、可靠性、安全性和數據完整性有很高的要求。