1.3　控制系统的常用通信技术

1.3.1　串行通信

1.3.1.1　RS-232C

RS-232C是美国EIA（电子工业联合会）在1969年公布的通信协议，至今仍在计算机和控制设备通信中广泛使用。这个标准对串行通信接口有关的问题，例如各信号线的功能和电气特性等都作了明确的规定。

当通信距离较近时，通信双方可以直接连接，最简单的情况在通信中不需要控制联络信号，只需要三根线（发送线、接收线和信号地线），便可以实现双工异步串行通信。RS-232C采用负逻辑，用-15～-5V表示逻辑状态“1”，用+5～+15V表示逻辑状态“0”，最大通信距离为15m，最高传输速率为20kb/s，只能进行一对一的通信。

1.3.1.2　RS-422A

RS-422A采用平衡驱动，差分接收电路，从根本上取消了信号地线。平衡驱动器相当于两个单端驱动器，其输入信号相同，两个输出信号互为反相信号，图中的小圆圈表示反相。外部输入的干扰信号是以共模方式出现的，两根传输线上的共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，共模信号可以互相抵消。只要接收器有足够的抗共模干扰能力，就能从干扰信号中识别出驱动器的有用信号，从而克服外部干扰的影响。

RS-422A在最大传输速率（10Mb/s）时，允许的最大通信距离为12m。传输速率为100kb/s时，最大通信距离为1200m，一台驱动器可以连接10台接收器。

1.3.1.3　RS-485

RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达一千米以外。

RS-485的许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻等。RS-485可以采用二线与四线连接方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信。即只能有一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式，总线上可连接多达32个站。新的接口器件已允许连接128个站。

RS-485与RS-422一样，最大传输速率为10Mb/s。当比特率为1200bps时，最大传输距离理论上可达15km。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。

RS-485需要两个终端电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不接终端电阻，即一般在300m以下不需终端电阻。

1.3.2　USB通信

USB全称是Universal Serial Bus（通用串行总线），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。自从1994年11月11日发表了USB V0.7以后，目前USB 2.0为主要通信版本。最新的USB 3.0版本主要用于光纤传输，USB 3.0标准可以支持高达4.8Gbps的数据传输率，可以可以和USB 1.0和2.0标准向下兼容。

USB接口有以下一些特点。

（1）数据传输速率高。USB标准接口传输速率为12Mb/s，最新的USB 2.0支持最高速率达480Mb/s。同串行端口相比，USB大约快1000倍；同并行端口比，USB端口大约快50％。

（2）数据传输可靠。USB总线控制协议要求在数据发送时含有描述数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包。USB设备在发送数据时支持数据帧错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。

（3）同时挂接多个USB设备。USB总线可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备，理论上可达127个。

（4）USB接口能为设备供电。USB线缆中包含有两根电源线及两根数据线。耗电比较少的设备可以通过USB口直接取电。可通过USB口取电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者最大可提供100mA的电流，而后者则是500mA。

（5）支持热插拔。在开机情况下，可以安全地连接或断开设备，达到真正的即插即用。

目前，USB接口主要应用于计算机周边外部设备。可以用USB接口与计算机相连接的外设有电话、Modem、键盘、光驱、扫描仪和打印机等。一些控制计算机带有USB通信接口，但主要应用于10m以内的计算机之间的通信。

1.3.3　工业以太网通信

工业以太网已经广泛地应用于控制网络的最高层，在工厂自动化系统网络中属于管理级和单元级，并且有向控制网络的中间层和底层（现场层）发展的趋势。它适用于大量数据的传输和长距离通信。

1.3.3.1　工业以太网的特点

企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）及国际互联网（Internet）不但进入了办公室领域，而且已经广泛地应用于生产和过程自动化。继10Mb/s以太网成功运行之后，具有交换功能、全双工和自适应的100Mb/s高速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3标准）也已经成功运行多年。SIMATIC NET可以将控制网络无缝集成到管理网络和互联网。

以太网的市场占有率高达80％，毫无疑问是当今局域网（LAN）领域中首屈一指的网络。以太网有以下优点：

（1）可以采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高；

（2）通过交换技术可以提供实际上没有限制的通信性能；

（3）灵活性好，现有的设备可以不受影响地扩张；

（4）在不断发展的过程中具有良好的向下兼容性，保证了投资的安全；

（5）易于实现管理控制网络的一体化。

以太网可以接入广域网（WAN），如综合服务数字网（ISDN）或互联网，可以在整个公司范围内通信，或实现公司之间的通信。

1.3.3.2　工业以太网的应用协议

工业以太网目前比较适合于车间一级的控制网络使用，但不适合于替代现场总线作为I/O设备网络使用。工业以太网实质只是定义了网络的物理层和数据链路层，即工业以太网目前不存在所谓的应用标准，一般不同公司采用不同的通信协议。目前主要的应用协议有以下几种。

（1）Modus/TCP：Modus是Modicon公司在20世纪70年代提出的一种用于PLC之间通信的协议。由于Modus是一种面向寄存器的主从式通信协议，协议简单实用，而且文本公开，因此在工业控制领域作为通用的通信协议使用。最早的Modus协议是基于RS-232/485/422等低速异步串行通信接口，随着以太网的发展，将Modus数据报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。

（2）Ethernet/IP：Ethernet/IP是美国Rockwell公司提出的以太网协议，其原理与Modus/TCP相似，只是将ControlNet和DeviceNet使用的CIP（Control Information Protocol）报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。满足CIP的三种协议Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet共享相同的数据库、行规和对象，相同的报文可以在三种网络中任意传递，实现即插即用和数据对象共享。

（3）FF HSE：HSE是IEC 61158现场总线标准中的一种，HSE的1～4层分别是以太网和TCP/IP，用户层和FF H1相同，现场总线信息规范FMS在H1中定义了服务接口，在HSE中采用相同的接口。

（4）PROFInet：PROFInet是在Profibus的基础上向纵向发展，形成的一种综合系统的解决方案。PROFInet主要基于Microsoft的DCOM中间件，实现对象的实时通信，自动化对象以DCOM对象的形式在以太网中交换数据。

近来，随着网络通信技术的进一步发展，用户的需求也日益迫切，国际上许多标准化组织正在积极地工作于建立一个工业以太网的应用协议。

1.3.4　现场总线通信技术

1.3.4.1　现场总线的产生

20世纪90年代初，用微处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展，导致需要用数字信号取代4～20mA（DC）模拟信号，这就形成了一种先进工业测控技术——现场总线（Fieldbus）。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向和多站点的串行通信网络，从各类变送器、传感器、人机接口或有关装置获取信息，通过控制器向执行器传送信息，构成现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。现场总线不单是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，而是用新一代的现场总线控制系统（FCS）代替传统的集散控制系统（Distributed Control System，DCS）。它与传统的DCS相比有很多优点，是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。

根据国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准和现场总线基金会（Fieldbus Foundation，FF）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。

1.3.4.2　现场总线的特点

（1）全数字化。现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。

（2）一点对多点结构。一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。

（3）可靠性高。数字信号传输抗干扰强，精度高，无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。

（4）可控状态。操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监视和控制，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。

（5）互换性。用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备和现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。

（6）互操作性。用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。

（7）综合功能。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，满足了用户需求，而且降低了成本。

（8）分散控制。控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表即可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。

（9）统一组态。由于现场设备或现场仪表都引入了功能块概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来组态方法的不同，再去学习和培训。

（10）开放式系统。现场总线为开放互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可极其方便地共享网络数据库。

1.3.4.3　主要的现场总线协议

FCS即现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

（1）基金会现场总线（Foundation Field bus简称FF）。这是以美国Fisher-Rousemount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应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1层，2层，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25kb/s，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mb/s和2.5Mb/s，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC 1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

（2）CAN（Controller Area Network控制器局域网）。最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：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支持多主工作方式，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，通讯距离最远可达10km（速率为5kbps/s），通信速率最高可达40M（速率为1Mbp/s），网络节点数实际可达110个。已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

（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，通讯速率从300b/s～1.5Mb/s不等，直接通信距离可达2700m（78kb/s），被誉为通用控制网络。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，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

（4）PROFIBUS。PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于自动化加工领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC 1158-2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6kb/s～12Mb/s，最大传输距离为：速率9.6kb/s为1200m，速率12Mb/s为200m。可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。

（5）HART。HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混合，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

（6）DeviceNet。DeviceNet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阵地功能。DeviceNet基于CAN技术，传输率为125～500kb/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Open DeviceNet Vendor Association（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。

（7）CC-Link。CC-Link是Control & Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mb/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。

（8）工业以太网。工业以太网（Ethernet）基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。工业以太网是当前工业控制领域的研究热点。重点在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无缝集成。虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。