本章學習要求：了解：計算機網絡的形成與發展掌握：計算機網絡的定義、結構與組成掌握：計算機網絡的拓撲構型掌握：計算機網絡的分類方法掌握：現場總線的定義、工業自動化的發展掌握：現場總線的特點了解：FF總線、Profibus現場總線、CAN總線、LonWorks現場總線第一章計算機網絡與現場總線概述

網絡——資源流通物質網——鐵路、公路、水路、航空能源網——煤炭、石油、天然氣、電力信息網——書信、電報、電話、廣播、電視、計算機網絡

1.1計算機網絡的形成與發展計算機網絡的形成與發展大致經歷了四個階段：第一階段：計算機技術與通信技術相結合，形成計算機網絡雛形1946年誕生，計算機與通信沒關系20世紀50年代，美國半自動地面環境防空系統60年代，美國航空公司訂票系統SABRE從嚴格意義上講，不能算是計算機網絡。第二階段：進行網絡體系結構與協議研究，形成計算機網絡(1)計算機―計算機網絡:由多臺計算機通過通信線路連接起來的計算機-計算機網絡，每臺計算機都具有自主處理能力 1969年，美國國防部高級研究計劃局提供經費，提出將多個大學、公司、研究所的計算機互連。ARPA網是這一階段計算機網絡的典型代表。

第二階段：進行網絡體系結構與協議研究，形成計算機網絡(2)公共數據網PDN與局部網絡LN迅速發展

租用線路的方式節省鋪設線路的費用 電話網——采用數字傳輸和報文分組交換技術 1972年，加州大學研制了Newhall環網；1974年，劍橋大學研制了CambridgeRing環網； 1976年，Xerox公司研究了總線拓撲Ethernet網。特點:各自研究的獨立性和封閉性

第三階段：加速網絡體系結構與協議的國際標準化的研究與應用開放式標準化網絡，從“封閉”到“開放”APRA網——因特網TCP/IP協議已成為事實上的國際標準Ethernet、TokenBus、TokenRing——Ethernet局域網操作系統第四階段：網絡計算的新時代

全球信息高速公路

計算機網絡也呈現出高速化、互連范圍增加、應用廣泛等特點。三網融合(電信網絡、有線電視網絡、計算機網絡）1.2計算機網絡中的基本概念

1.2.1計算機網絡的定義不同階段不同定義：計算機通信網絡以傳輸信息為主要目的，用通信線路將多個計算機連接起來的計算機系統的集合。資源共享的計算機網絡以能夠相互共享資源的方式連接起來，并且各自具備獨立功能的計算機系統的集合。1.2.2計算機網絡的結構與組成

資源子網：負責信息處理 主要由主計算機系統、終端及各種軟件資源與數據資源組成，負責全網的數據處理業務，向網絡用戶提供各種資源和網絡服務。

通信子網：負責信息傳遞 由網絡通信處理機CCP（CommunicationControlProcessor）、通信線路與其它通信設備組成，主要完成整個網絡的數據傳輸、存儲轉發等通信功能。計算機網絡的結構與組成資源子網：負責信息處理 主要由主計算機系統、終端及各種軟件資源與數據資源組成，負責全網的數據處理業務，向網絡用戶提供各種資源和網絡服務。

通信子網：負責信息傳遞 由網絡通信處理機CCP（CommunicationControlProcessor）、通信線路與其它通信設備組成，主要完成整個網絡的數據傳輸、存儲轉發等通信功能。1.2.3計算機網絡的拓撲結構拓撲設計：計算機網絡設計第一步，考慮計算機和終端的位置。在保證一定的響應時間、吞吐量和可靠性的條件下，通過選擇適當的線路、線路容量、連接方式與流量分配使整個網絡結構合理，成本最低。拓撲學：首先把實體抽象成與其大小、形狀無關的點，將連接實體的線路抽象成線，進而研究點、線、面之間的關系。

計算機網絡可按照:星形拓撲、總線拓撲、環形拓撲、樹形拓撲及網形拓撲分類:1）星形拓撲星形拓撲是由中央節點和通過點到點通信鏈路接到中央節點的各個節點組成。中央節點負責整個網絡的通信控制，可以與網絡中任何節點進行通信，非中央節點的兩個節點不能直接通信。

優點：中央節點可以對網絡進行統一的控制和管理，只要在硬件端口數量允許和滿足響應時間的條件下，增加和刪除一個節點都不困難；便于維護，單個外圍節點的故障只影響一個設備，不會影響全網。

缺點是：對中央節點的要求較高，負擔很重，而且風險集中，一旦中央節點發生故障，整個網絡都會受到影響，甚至癱瘓2）總線拓撲

所有節點都通過相應的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上，它是一個能被總線上所有節點所使用的公共信道。

總線:公共傳輸媒體因此同一時刻只能由一個節點發送數據，這就要求有一定的控制策略來保證各個站點能有序交替地占有總線。優點是：結構簡單，各個節點的通信負擔均衡，總線一般是無源的，可靠性較高，易于擴充，增加或減少用戶比較方便，總線上的所有站點相當于串接在一條線路上，相比之下，網絡需要的電纜數量較少。缺點是：信號傳輸中會衰減傳輸的距離有限；一旦某一節點出現故障，隔離較困難；由于需要進行媒體訪問控制和地址識別，因此會有一些額外的軟硬件開銷。3）環形拓撲

每一個節點都有輸入端口和輸出端口，節點間通過線路首尾相接，組成一個閉合的環路。每個節點能夠接收從一端鏈路傳來的數據，并以同樣的速率串行地把該數據沿環送到另一端鏈路上，數據一般以一個方向傳輸。共享環路信道，需要分布式控制策略進行媒體訪問控制。4）樹形拓撲

整個網絡形狀如同一棵倒置的樹，頂端相當于樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支。每一節點只能和它的根節點或子節點直接通信，同一層次的節點間不能直接通信，各個層次上的根節點（或父節點）負責與其子節點間的通信控制。5）網形拓撲又稱無規則網，每個節點都通過多條線路與網中的其它節點連接。這種結構具有很高的可靠性，缺點是結構復雜，成本較高，節點必須具有路由選擇算法和流量控制。

1.2.4計算機網絡的分類

按拓撲結構按網絡的分布范圍分類按網絡的交換方式分類

按用途按傳輸介質按網絡信道帶寬按網絡技術

星形、總線、環形、樹形、網形等網絡廣域網、局域網和城域網電路交換網、報文交換網和報文分組交換網

公共網、科研網、企業網、商業網等現場總線區別于一般的局域網，對實時性、確定性、抗干擾要求高。1.3工業自動化的發展及現場總線的產生

1.3.1現場總線的定義

應用在制造或過程區域現場裝置與控制室內自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。它也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。現場總線控制系統FCS（FieldbusControlSystem）是繼基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散式控制系統之后的一種新型網絡集成式全分布控制系統。

工業控制網絡的一個示例IPCPLC變頻器變頻器溫度壓力流量電磁閥調節器EthernetCAN總線（Profibus總線）人機界面總線1.3.2工業自動化的發展(5個階段）

1.20世紀50年代以前，是人工控制階段。2.20世紀50年代為模擬控制階段。3.20世紀60年代~70年代中期，工業控制系統開始進入集中式數字控制階段。（DDC，集中型計算機控制、分層計算機控制）4.20世紀70年代中期，工業控制系統進入集散型控制系統（DCS）階段。（DISTRIBUTED分布式的）DCS可以解釋為在模擬量回路控制較多的行業中廣泛使用的，盡量將控制功能分散,而將管理和顯示功能集中的一種自動化高技術產品。它是一個集中與分散相結合的系統，它吸收了分散儀表控制系統和集中式計算機控制系統的優點，將當時的微處理器、計算機數字通信網絡等技術應用到工業控制領域。集散型控制系統中仍有不足：信息化問題，數字化問題，互換性與互操作問題。工業自動化的發展(5個階段）

5.現場總線的概念是1982年首先由歐洲提出的。隨后，北美與南美也都投入巨大的人力、物力開展研究工作。現場總線控制系統的全分布、全數字、全開放特性解決了集散型控制系統中存在的不足。

現場總線控制系統把集散型控制系統中的集中與分散相結合的概念變成了新型的全分布式測控系統。

工業控制系統發展具有以下4個特點：

1.計算機技術在控制系統中越來越重要

2.信息的集成程度越來越高

3.控制功能越來越“接近”現場工業控制系統發展具有以下4個特點：4.現場儀表的測控能力越來越強

1.3.3現場總線控制系統的特點

現場設備具有智能和自治的特點，而不僅僅是測量單元或執行單元

提高了系統的精度和自診斷功能

控制周期從每秒調節2~5次增加到10~20次；控制精度可以從DCS的±0.5%提高到±0.1%降低了設計、安裝的軟硬件費用和系統的維護費用組態和修改容易

工業控制網絡的一個示例IPCPLC變頻器變頻器溫度壓力流量電磁閥調節器EthernetCAN總線（Profibus總線）人機界面總線傳統布線線與現場總線布線的比較傳統的機柜布線現場總線布線1.4幾種現場總線技術簡介

CAN總線

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網絡）最早由德國BOSCH公司推出，最初用于汽車內部測量與執行部件之間數據通信的總線。CAN總線僅僅定義了物理層、數據鏈路層，基于CAN的這兩層協議又開發出了新的總線協議：如DeviceNet、SDS、CANopen等。CAN總線是最早進入我國的現場總線，目前已經廣泛應用于國內自動化的各個領域。幾種現場總線技術簡介基金會現場總線FFFF（FieldbusFoundation）既是現場總線基金會的簡稱，又是它推出的基金會現場總線的簡稱。FF支持者主要是流程工業中極具影響的儀表和執行器生產廠商，在化工、電力等連續生產過程中經驗豐富，因此，FF在過程自動化領域的優勢十分明顯。但由于FF產品價格昂貴，在國內的技術支持難以滿足用戶的要求，整個應用水平低于最初估計的情況。幾種現場總線技術簡介Profibus現場總線

Profibus由西門子公司在1987年推出，后來移交給Profibus用戶組織（現為PI，ProfibusInternational）管理。Profibus早期標準包含ProfibusFMS、ProfibusDP、ProfibusPA三個子集。后來，Profibus與以太網相結合，提出了ProfiNet解決方案，并逐漸取代了ProfibusFMS的位置。Profibus現場總線PROFIBUS—DP:（DecentralizedPeriphery）：DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。PROFIBUS－FMS:（FieldbusMessageSpecification）：FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PROFIBUS－PA:(ProcessAutomation)PA用于過程自動化的總線類型.幾種現場總線技術簡介DeviceNet

DeviceNet總線技術是在CAN技術上發展起來的，是一種低成本的設備層網絡技術，定義了應用層、收發器和傳輸介質，使得在通信方面更加完善。DeviceNet總線技術由美國Rockwell公司研制開發，后交由ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation）管理，它負責DeviceNet規范的管理、修訂、完善和發行。幾種現場總線技術簡介ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出，并于1997年轉讓給控制網國際組織CI（ControlNetInternational）。它是一種具有高速、高度確定性和可重復性的網絡，總線上可以傳輸具有嚴格時間要求的信息和無嚴格時間要求的信息，采用生產者/消費者的通信模式。在Rockwell推出的工業自動化三層體系結構中ControlNet對應于控制層，與設備層和信息層對應的分別是DeviceNet和EtherNetIP。幾種現場總線技術簡介

WorldFIPWorldFIP是成立于1987年的WorldFIP協會制定并大力推廣的現場總線，它先成為法國標準，后來又成為歐洲標準，既可用于離散制造業自動化，又可用于過程自動化領域。在WorldFIP中，傳感器/執行器稱為0級設備，PLC/控制器稱為1級設備。WorldFIP多應用于發電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸和過程自動化等領域。

幾種現場總線技術簡介

P-Net

P-Net現場總線于1983年由丹麥Proces-Data公司提出，后得到P-Net（ProcessautomationNET）用戶組織的支持。它的電氣規范基于RS485標準，只提供了一種傳輸速率。P-Net結構簡單，對從站的通信程序需幾千字節的編碼，易于開發和轉化。其應用領域主要集中在奶制品、啤酒、食品、飼養等與農業自動化相關的行業。幾種現場總線技術簡介

LonWorks是美國ECHELON公司1991年推出的局部操作網絡。LonTalk是LONWORKS使用的開放式通信協議，LonMark是為了解決LONWORKS產品的互操作性而成立的用戶標準化組織。LonTalk協議遵循ISO/OSI參考模型，提供了OSI所定義的全部七層服務，這是LONWORKS的顯著特點。LonWorks在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統等方面具有極大的市場份額。

幾種現場總線技術簡介AS-I（Actuator-Sensor-Interface，執行器-傳感器-接口）等總線也有較大的影響。1.5現場總線的標準

最早成為國際標準的現場總線是CAN總線，但它是關于道路交通運輸工具方面的國際標準-ISO11898，在車輛、運輸工具等方面的影響力更大。工業控制領域的現場總線標準主要是指國際電工委員會指定的兩個協議簇IEC61158和IEC62026。2002年6月已進行了兩次大范圍的修改，根據最新的IEC/T65文件，該標準目前包括十種技術類型：現場總線的標準l

IEC技術報告l

ControlNetl

Profibusl

P-Netl

FFHSEl

SwiffNetl

WorldFIPl

Interbusl

FFAppl