书名：现场总线控制网络技术（第2版）pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语：

作者：雷霖著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2015-01-01

书籍编号：30467957

ISBN：9787121239335

正文语种：中文

字数：436968

版次：2

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：现场总线控制网络技术（第2版）

作者：雷霖

ISBN：9787121239335

版权所有 · 侵权必究

前言

本书第一版自2004年由电子工业出版社出版以来，受到国内多所高校教师、同行、同学及读者的关心和支持。为了适应新技术的发展，我们在追踪国际上工业企业网、物联网及现场总线技术发展和从事相关技术研发、研究工作的过程中，收集整理了一些技术资料，并加以总结、整理和修订。

本次修订是在第一版的基础上并结合教育部卓越工程师培养计划的要求，对内容重新进行的梳理，共分为7章，继续保持了上版内容全面系统、简明易懂、循序渐进、原理与应用紧密结合的特色，修改了部分章节，并增加了一些新内容。比如，第2章增加物联网的相关知识及应用等，第4、5、6、7章增加相关技术的应用实例及设计方案等。

第1章介绍企业有关的技术；第2章介绍物联网与控制网络相关知识；第3章介绍现场总线、现场总线控制网络及其相关技术，给读者一个现场总线控制网络的总体概貌；第4章至第7章分别介绍4种具有一定市场占有率和良好应用前景的现场总线技术及应用实例——控制器局域网总线（CAN）、过程现场总线（Profibus）、基金会现场总线（FF）和LonWorks总线技术，并介绍了总线技术在汽车电子领域相关技术的应用实例及设计方案。

本书由雷霖博士、教授担任主编，负责整个教材编写的统筹安排，并负责第1章、第4章内容编撰；唐毅谦博士、教授担任副主编，并负责第2章、第3章编写；喻晓红副教授负责第6章；陈二阳负责内容简介、前言、第5章及最后的校正工作等；罗竣溢博士负责第7章编写。

作者对学习、编作过程中参考过的文献资料的作者深表谢意。

由于现场总线技术内容十分丰富，技术应用发展也日新月异，因此书中内容难以反映这一技术领域的全貌，不妥之处在所难免，诚请指正。

作 者

2014年6月于成都

第1章 企业信息网络技术

企业的管理者，总是希望把企业的生产过程、环境、安全、保卫、告警过程、动力分配、给水控制、资产、库房、人力资源、原材料等所有管理功能都监视并控制起来。为此，企业的组织和管理模式经过长时间的演变，从“分层递阶式”向“分布化”、“扁平化”的发展过程，并进一步向“网络化”、“动态重构化”和“柔性化”的方向发展。企业的组织模式和管理模式发生具体的变化，体现在“虚拟企业”、“敏捷制造”、“分散网络化制造”、“企业集成”等概念出现及实现，而企业信息网络是这些新的企业组织模式的基础。如今，管理者更希望能用一个“通用的控制网络”把企业有关的资源网连接在一起，并尽可能降低成本。这就要依靠企业信息网络来实现。目前，企业信息网络一般包含处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络一般处于企业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息，具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。

1.1 企业信息网络

企业网（Enterprise Network），一般是指在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业外部的信息资源，使得企业的各项事务协调运作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境。

企业网是一个企业的信息基础设施。企业网涉及局域网、广域网、现场总线以及网络互联等技术，是计算机技术、信息技术、分布式计算和控制技术在企业管理与控制中的有机的统一。网络技术与应用的热点和重心向企业网技术的转移，是网络技术发展及应用的一个重要方向。企业网作为一种网络技术，其特点就是要适应各行各业企业的不同应用需求，并确定相应的技术实现方案。

人类进入信息社会后，意识到信息已经成为一项重要的生产力要素，而且信息已成了一项至关重要的资源要素，在社会各行各业的生存和发展中发挥着越来越大的作用。特别是在市场经济条件下，企业要实现管理现代化，要在激烈的市场竞争中求得生存和发展，就必须善于收集信息、处理信息、利用信息，并开发信息资源。全球各国的大企业都把加强信息基础设施建设放在了企业经营发展战略的重要位置，以加快企业自身的信息化建设步伐。信息经济是以信息为主导的全面经济活动，而企业信息化就是企业用信息化的功能去推动企业的管理、生产、销售和决策。因此，企业信息化是企业在21世纪取得信息经济成功的必由之路。

企业网是指将企业范围内的网络、计算、存储等资源链接在一起，提供企业内的信息共享、员工间的便捷通信、企业外部的信息访问，提供面向客户的企业信息查询及业务伙伴间的信息交流等多方面能力的一个计算机网络。企业网应该具有如下几个基本特性。

（1）企业网中的“企业”是一个广义的概念，泛指制造业、服务业、行政机关、社会团体等社会单位。因此，不同领域的企业网既有共性，又有特性。

（2）企业网是指在企业和与企业相关的范围内通过系统集成的途径建立的网络环境，它不仅涵盖企业本部，而且连通其合作伙伴、贸易渠道等。

（3）企业网的建立要以实现企业资源共享、优化调度以及辅助管理决策为目的，是企业的信息基础设施。它要有利于员工间的便利通信，保证数据的一致性和完整性。

（4）企业网的目标是实现企业各项事务运作的协同（Collaboration）、协作（Cooperation）和协调（Coordination）——3Co，是网络化企业组织的管理理念的体现。

（5）企业网是多种学科（如计算机、控制、通信和管理等）的交叉，是多种技术（如计算机技术、数据库技术、系统集成技术、网络通信技术、多媒体技术、现场总线技术和CSCW技术等）的融合，体现了系统集成的多重含义。

（6）企业网具有高度的安全性。企业网是作为相对独立的某个企业的网络环境，是相对开放的系统，即在高度安全性措施保障下的开放的系统，这对企业网的安全提出了更高的要求，确保企业既能通过企业网获取外部信息和发布内部公开信息，又能相对独立和安全地处理内部事务而不受外部干涉。

（7）企业网应用需求的多样性决定了相应技术实现方案的多样性。不同的应用 表现为在结构、组成和实现等方面的差异上。在工业自动化应用环境中，企业网技术将集成信息技术和控制技术，支持企业从决策、管理、经营、设计、调度到控制等各种功能和行为。

企业网应该具有高效率、高效益、高柔性的特点，高效率是指从产品的市场预测、设计开发、制造加工到市场销售的各个环节是高效的；高效益是指产出投入比要高；高柔性是指能针对市场变化灵活迅捷地调整经营战略和产品设计，确保跟踪市场的前沿需求。

相应地，现代企业系统构成及运行机制可抽象为图1-1所示的模型。

图1-1 现代企业系统构成及运行机制

企业网是适应21世纪企业的新特点、现代企业系统构成及运行机制的形象化体现，它既具备企业网的基本特性，又有适合于工业领域的特点。

（1）企业除了具有管理和办公系统外，还有物质生产系统，相应地，企业网在体系结构上可分为信息网和控制网两个层次。其中，信息网位于上层，是企业级数据共享和传输的载体；控制网位于下层，与信息网紧密地集成在一起，服从信息网络的操作，同时又具有独立性和完整性。

（2）集中管理、分散控制是工业企业网的指导思想。

（3）管理—控制一体化（或称为信息—控制一体化）是企业网要达到的目标，也是它的发展方向。

在企业中，控制技术和控制系统应该与企业的商业战略相联系，不仅需要将控制系统的各部分集成到一起，而且需要将控制系统（硬件和软件）集成到整个企业系统之中，其中包括商业集成、垂直集成和水平集成3种类型的集成。

（1）商业集成：把技术用于商业战略的制定之中，相当于信息系统间的集成。

（2）垂直集成：控制系统和信息系统的集成。

（3）水平集成：控制系统各部分之间的集成。

企业网逻辑集成框架的结构如图1-2所示。

图1-2 企业网逻辑集成框架的结构

企业网是众多新技术的综合应用的结果。企业网在技术上涉及其组成和实现，在应用上要考虑企业网本身，而且要考虑企业网周围的环境。企业网组成技术和企业网实现技术是支撑构成企业网应用的基础。企业网的框架如图1-3所示。

图1-3 企业网框架

企业网组成技术包括计算机技术、数据库技术、网络与通信技术、控制技术、现场总线技术、多媒体技术和管理技术。

企业网实现技术包括局域网、广域网、网络互联、系统集成、Internet、Intranet和Extranet。

企业网支持下的应用包括管理信息系统MIS（基于Web的现代管理信息系统WMIS）、办公自动化（OA）系统、计算机支持的协同工作CSCW系统、计算机集成制造系统CIMS、制造资源计划MRP-Ⅱ、客户关系管理系统CRM。

其中，企业网支持下的应用具有如图1-2所示的逻辑框架。

由于企业网技术是多种学科的交叉、多种技术的融合，因此对企业网的研究要采取分解整合的方法；另外，企业网又是一个动态的概念，其原理、组成技术和实现技术是随着相关技术的发展而不断发展变化的，在对企业网的研究的过程中，还需要分清其支撑技术、核心技术和相关技术。

1.2 企业网技术

1.2.1 企业网技术的需求背景

目前，企业网已渗透到国民经济的各个领域，它的发展和应用，对企业的产业结构、产品结构、经营管理和服务方式带来了革命性的影响，并成为衡量一个企业科技水平和综合力量的重要标志。企业网络的应用不仅可以改造传统产业，提高产品的附加值，而且对推动企业的发展，促进产业经济信息化也将起到关键性的作用。因此，在各类企业中应用企业网技术将是我国应该长期坚持的方针，企业网在企业的生存和发展中占有重要的战略地位。从需求上来说，作为企业信息基础设施的企业网越来越被企业所重视。

在一个企业的管理过程中，信息是企业预测的基础，预测必须以信息为起点和终点，才能进行分析、演绎和逻辑推理，并进而得到有用的信息；信息又是企业决策的前提，要使决策者做出正确并切实可行的决策，就必须及时掌握全面可靠的信息，否则，将导致决策的失误。可以说，在现代经济社会里，谁先掌握了正确的信息，谁就有可能做出正确的决策，谁就掌握了经营的主动权。同时，信息也是指挥和控制生产经营活动的依据，从一定意义上说，企业生产经营活动的好坏在于管理者驾驭信息能力的强弱。可见，信息是一项重要的资源，在现代社会，充分有效地利用信息资源是一个组织取得成功的重要条件。而企业网作为企业的信息基础设施恰恰适应了这种需要，能够满足企业对信息的获取、分析和决策的要求。

此外，企业要想在激烈的市场竞争中求得生存和发展，必须改善其过程控制和产品制造模式，依靠虚拟制造、虚拟企业和大大提高自动化水平来实现规模经营和灵活经营，从而降低产品成本，提高企业经营效益。而企业网实现了企业各部门之间以及企业与外界之间的有效联系，实现了现场控制网络与管理信息网络之间的有效联系，为虚拟制造和虚拟企业的建立创造了条件。以现场总线为基础的现场控制网络使过程控制满足了准确性、可靠性、开放性的要求，大大提高了其自动化水平。因此，企业需要企业网。

1.2.2 企业网技术背景

从技术上来说，计算机技术、网络技术与通信技术和控制技术的飞速发展，推动着企业网技术的产生和发展。企业网正是这三种技术在企业中的融合和应用。

（1）计算机技术。计算机技术特别是微型计算机技术在最近几年获得了突飞猛进的发展，其运算速度越来越快，存储容量越来越大，软件资源越来越丰富，应用领域越来越广泛，同时伴随着多媒体技术的发展，它已被用于教育、科研、生产、商业、娱乐等各个领域，走进了人们生活的每个角落。同时，计算机作为信息处理的工具，它不是孤立存在的，按照某种规则和要求建立起来的计算机网络更显示了其强大的功能。

（2）网络与通信技术。高速宽带网的出现大大提高了通信效率，交换以太网、快速以太网、千兆位以太网、FDDI和ATM等网络技术逐渐成熟和完善，使得人们可以传输数据、文本、声音、图像、视频等多媒体信息。更重要的是，飞速发展的Internet对人们的生活观念、生活方式、工作方式产生了革命性的影响，人们已经越来越离不开网络。

（3）控制技术。20世纪80年代问世的现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术结合的产物。由于通信协议参照了ISO/OSI七层参考模型，使得现场总线可以与上层办公信息网络集成到一起，从而使过程自动化、楼宇自动化、家庭自动化等成为可能。现场总线作为21世纪现场控制系统的基础，代表着今后测量与控制领域技术发展的方向，它将产生的影响和将发挥的作用是难以估计的。目前，国际上有关现场总线的争议已经演变为一场无形的市场争夺战。现场总线技术的研究、开发和应用成为一个十分复杂的课题。

因此，企业网的产生和发展是需求拉动与技术推动的结果。随着企业对企业网需求的产生，对企业网技术的研究已经成为一个时代的课题，其研究的成功对企业的生存和发展，对国民经济发展都具有重大意义。

1.2.3 企业网的特性

企业网具有如下特性。

（1）范围确定性。企业网是在有关企业范围内为了实现企业的集成管理和控制而建成的网络环境，具有特定的地域和服务范围，并能实现从现场实时控制到管理决策支持的功能。

（2）集成性。企业网通过对计算机技术、信息与通信技术和控制技术等技术的集成达到了现场信号监测、数据处理、实时控制到信息管理、经营决策等功能上的集成，从而构成了企业信息基础设施的基本骨架。

（3）安全性。区别于Internet和其他网络，企业网是作为相对独立单位的某个企业的内部网络，在企业信息保密和防止外部入侵方面要求高度的安全性，要确保企业能通过企业网获取外部信息和发布内部公开信息，但又相对独立和安全地处理内部事务不受外部干涉。

（4）相对开放性。企业网是连接企业各部门的桥梁和纽带，它是一个广域网，并与Internet连通，以实现企业对外联系的职能，也就是说，企业网是作为Internet的一个组成部分出现的，它具有开放性，但这种开放性是在高度安全措施保障下的相对的开放性。

1.2.4 企业网的发展历程

企业网的发展大体可分为以下三个阶段。

第一阶段从20世纪70年代中期开始，那时的企业网是指企业中传统的分时共享中心主机及其各终端所构成的网络，基本上只限于作业处理，其功能和应用是有限的。

企业网发展的第二阶段：随着局域网技术的发展，企业内各种类型的计算机都能接入网络共享信息与资源，其功能有了很大的扩展，而且由于工业以太网、集散控制系统（DCS）以及可编程控制器PLC的产生和发展，工业企业内的现场控制设备也被集成到一起。

第三阶段从20世纪90年代开始，由于Internet技术的成熟和迅速推广，出现了Intranet的概念，进而在Intranet的基础上又出现了Extranet和Infranet的概念，而且现场总线技术也越来越为人们所接受，并被普遍用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等系统之中，于是便分别以Intranet/Extranet技术和现场总线技术（或工业以太网）为信息网和控制网的依托，形成了当前意义上的企业网概念。

1.2.5 企业信息化与自动化的层次模型

企业信息化与自动化的层次模型如图1-4所示。

图1-4 企业信息化与自动化的层次模型

1.设备层

设备层中的设备种类繁多，有传感器、启动器、驱动器、I／O部件、变送器、执行机构、变换器、阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化；来自不同厂家的设备在功能上可以用相同功能的同类设备互换，实现可互换性；不同厂家的设备可以相互通信，在多厂家的环境中完成功能，实现可互操作性。

2.自动化层

自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构与协议。对设备层的开放性，允许符合开放标准的设备方便地接入。对信息层的开放性，允许与信息化层互联、互通、互操作。

控制网络的出现与发展为实现自动化层开放性策略打下了良好的基础。

3.信息层

信息层已较好地实现开放性策略，各类局域网满足IEEE 802标准，信息网络的互联遵循TCP／IP协议。

1.3 企业网的体系结构

根据计算机集成制造系统CIM-OSA模型和PUDU模型，企业的控制管理层次大致可分为5层，如图1-5所示。其中，底层的单元层和设备层是企业信息流和物流的起点，以控制为主，能否实现柔性、高效、低成本的控制管理，直接关系到产品的质量、成本和市场前景，而传统的DCS、PLC控制系统由于其控制的相对集中，导致了可靠性的下降和成本的增加，且无法实现真正的互操作性。另外，由于其自身系统的相对封闭，与上层管理信息系统的信息交换也存在一定困难。因此，进入20世纪90年代以来，现场总线控制系统正逐渐成为该控制领域的主流。

图1-5 CIM模型

1.3.1 IT企业网的功能体系结构

企业网技术是一种综合的系统集成技术，它涉及计算机技术、通信技术、多媒体技术、管理技术、控制技术和现场总线技术等。应用需求的提高和相关技术的发展，要求企业网能同时处理数据、声音、图像、视频等多媒体信息，满足企业从管理决策到现场控制自上而下的应用需求，实现对多种媒体、多种功能的集成。

在功能上，企业网的结构可分为信息网络和控制网络上下两层，其体系结构如图1-6所示。

图1-6 工业企业网的功能体系结构

（1）信息网络位于企业网的上层，是企业数据共享和传输的载体，它需满足如下要求。

① 信息网是高速通信网络。

② 能够实现多媒体的传输。

③ 与Internet互联。

④ 是一个开放系统。

⑤ 满足数据安全性要求。

⑥ 易于技术扩展和升级/更新。

（2）控制网络位于企业网的下层，与信息网络紧密地集成在一起，服从信息网络的操作，同时又具有独立性和完整性，它的实现既可以用工业以太网，也可以采用自动化领域的新技术——现场总线技术，或者工业以太网与现场总线技术的结合混用。

（3）信息网络与控制网络互联的意义及逻辑结构。

传统的企业模型具有分层递阶结构，然而随着信息网络技术的不断发展，企业为适应日益激烈的市场竞争的需要，已提出分布化、扁平化和智能化的要求，即一是要求企业减少中间层次，使得上层管理与底层控制的信息直接联系；二是扩大企业集团内不同企业之间的信息联系；三是根据市场变化，动态调整决策、管理和制造的功能分配。将信息网络和控制网络互联主要出于以下几点考虑。

① 将测控网络连接到更大的网络系统中，如Intranet、Extranet和Internet。

② 提高生产效率和控制质量，减少停机维护和维修的时间。

③ 实现集中管理和高层监控。

④ 实现远程异地诊断和维护。

⑤ 利用更为及时的信息提高控制管理及决策的水平。

信息网络与控制网络互联的逻辑结构如图1-7所示。连接层为提供在控制网络和信息网络应用程序之间进行一致性连接起着关键作用，它负责将控制网络的信息表达成应用程序可以理解的格式，并将用户应用程序向下传递的监控和配置信息变为控制设备可以理解的格式。在解决实际互联问题时，为了最大限度地利用现有的工具和标准，用户希望采用开放策略解决互联问题，各种标准化工作的展开和进展对控制网络的发展是极为有利的。连接层具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。

图1-7 信息网络与控制网络互联的逻辑结构

企业要实现高效率、高效益、高柔性，必须有一体化的企业网支持。建立控制与管理一体化的企业网将为企业综合自动化（Computer Integrated Plant Automation，CIPA）与信息化创造有利的条件：

① 建立综合的、实时的信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据；

② 建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可操作性。

③ 实现企业网的协同工作，充分利用设备资源与网络资源，提高网络服务质量。

④ 实现对控制网络工作的统一管理与优化调度。

⑤ 实现对控制网络工作的远程监控、诊断、软件维护与更新。

1.3.2 网络控制系统与企业网的关系

企业网是指在企业和与企业相关的范围内为了实现资源共享、优化调度和辅助管理决策，通过系统集成的途径建立的网络环境，是一个企业的信息基础设施。企业网是网络化企业组织的管理理念的体现。目前，企业网的主流实现形式基本上是以Intranet为中心，以Extranet为补充，依托Internet建立的。

工业企业网是企业网中的一个重要分支，是指应用于工业领域的企业网，是工业企业的管理和信息基础设施，它在体系结构上包括信息管理系统和网络控制系统，体现了工业企业管理—控制一体化（或称为信息—控制一体化）的发展方向和组织模式。网络控制系统作为工业企业网中一个不可或缺的组成部分，除了完成现场生产系统的监控以外，还实时地收集现场信息与数据，并向信息管理系统传送。网络控制系统便是在控制网络的基础上实现的控制系统。信息管理系统与网络控制系统的关系如图1-8所示。

图1-8 信息管理系统与网络控制系统关系

1.3.3 企业网的一般实现结构

一个完整的企业网包括本地信息处理网络和本地实时控制网络、企业驻外机构以及与企业有关的其他网络，其实现结构如图1-9所示。

图1-9 企业网的实现原理

在物理实现上，企业本地网、驻外机构网和其他网络之间通过路由器、Modem等连接设备经由Internet互联起来。对信息网，异步传输方式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）技术是一种支持多媒体应用的高速通信网络，并逐步走向成熟和被推广应用，特别当被用于主干网时，ATM交换机既具有技术先进性，又具有较高的性能价格比。此外，视企业与产品情况，交换以太网、快速以太网、千兆位以太网也是很好的选择。

在应用实现上，现代工业企业网可以描述为以主企业Intranet为主体，以公用数据网或其他通信手段为依托，借用Internet技术与相关企业的Intranet或单机组成的网络，主企业Intranet解决企业内部共享与兼顾Internet公共资源问题；由相关企业的Intranet和单机与主企业Intranet借用公共通信手段组成多个虚拟Extranet。

Intranet（通常被称为企业内部网或企业内联网）是采用以TCP/IP为核心的Internet技术实现的企业内部网，它代表了当今企业网信息处理技术发展的主流和动向，并将对企业的管理信息系统（MIS）的实现技术产生革命性的影响。由于Intranet系统的设计和开发基于成熟和主流的Internet技术，软件开发周期短，系统生命周期长，Intranet所有的应用系统的性能和可靠性已经在Internet的实际运行过程中经受了考验，因此，Intranet避免了许多软硬件投资，最大限度地降低了系统的开发和运营成本。

Extranet（通常被称为企业外延网或企业外联网）往往被看成是现有Intranet向外的延伸，一般来说，Intranet的着眼点在于企业内部，是一种与外部世界相对隔离的内部网络，以大幅度地提高生产能力，扩展信息的传播，降低成本，提高效率为目的。而Extranet是一个使用Internet技术使企业与其客户和其他相关企业相连，以完成共同目标的交互式合作网络。Extranet中的信息交流着眼于企业外部，即企业与外部，企业与贸易伙伴之间的信息交流。Internet、Intranet、Extranet的比较如表1-l所示。

表1-1 Interanet、Intranet、Extranet的比较

企业网是企业中用于经营、管理、调度、监测与控制的全局通信控制网络，在学科发展方面，工业企业网涉及计算机、通信、自动控制、信息、系统工程、管理等学科与技术，是一个多学科的交叉点。作为一种新型的网络，在工业企业网的设计与实施中，有许多问题值得研究。它们包括：企业网体系结构的研究；信息控制网络与实时控制网络的集成；企业网环境下的管理模式研究；企业网环境下控制科学的发展及企业网络控制系统的结构、技术与研究方法；企业网环境下的调度问题的研究。

计算机技术、网络通信技术、控制技术和管理技术的发展促成了企业网的产生和发展，现在许多企业已经或计划把企业网作为其信息基础设施而放在了企业经营发展战略的重要位置，作为一个多学科的交叉点，企业网及企业网环境下的控制系统需要研究的问题很多，具体来说，主要有以下几个方面。

（1）关于企业网的体系结构和企业网支持下的应用

近年来，针对企业模型出现了许多概念，如虚拟企业、敏捷虚拟企业、分散网络化制造、虚拟工厂网络等，而对企业网的实现又出现了如Intranet、Extr

....