现场总线技术及应用教程
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现场总线技术 第4章 通用工业协议CIP 现场总线技术及其应用 教学课件
DeviceNet Physical
Layer
ControlNet Physical Layer
Ethernet physical
Layer
Future
ATM, Firewire USB, Blue Tooth, etc.
11
CIP
This is Ethernet/IP
(IP stands for Industrial Protocol)
2020/3/19
14
4.2 CIP的特点----报文
I/O报文（I/O Message） –在本质上是隐性的，因而有时也称为隐式报文 （Implicit Message），它的数据域中常不包括协 议信息，仅仅是实时的I/O控制数据，这些数据的 含义是预定义的。因而在节点中对处理这些数据所 需的时间大大减小。 –为解释这种类型的报文而必须引入的附加量 (overhead)小，数据短，使用频率一致，并且需要 高的性能：对I/O报文传送的可靠性，送达时间的 确定性及可重复性有很高的要求。 –过去，用于I/O控制的网络不能处理发送显性报文 时在发送数据的时间及报文尺寸上的不定性因素。 控制设备提供商不得不使用不同的网络来管理这两 种不同报文类型的不同要求。 西门子的 Profibus FMS/ProfibusDP网络就是这种情况的表现。
Future?
ATM, Firewire USB, Blue Tooth, etc.
9
This is DeviceNet
User Layer
Application Layer
Transport and Data Link Layer
Physical Layer
2020/3/19
CIP
现场总线技术及其应用 第2版 教学课件 ppt 作者 郭琼 第1章
Page: 28
4.现场总线系统的优点
• 提高了系统的准确性与可靠性 1）现场总线设备的智能化、数字化，与模拟 信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度， 减少了传送误差； 2）系统的结构简化、设备与连线减少，现场 仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提 高了系统的工作可靠性； 3）设备标准化，功能模块化，使系统具有设 计简单，易于重构等优点。
Date: 2019/1/30
Page: 19
4.现场总线系统的优点
• • • • • 节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性
Date: 2019/1/30
Page: 20
4.现场总线系统的优点
• 节省硬件数量与投资 1）智能现场设备直接执行多参数测量、控制、 报警、累计计算等功能，减少了变送器的数量； 2 ）不需要 DCS 系统的信号调理、转换等功能， 节省硬件投资，减少控制室的占地面积。
（2）Profibus:离散工业，机械制造业自动化 （3）WorldFIP:交通行业自动化 （4）LonWorks:楼宇自动化
现场总线技术 --现场总线技术把单个分散的仪表或设 备变成了网络的节点
Date: 2019/1/30
Page: 3
1.现场总线简介
现场总线控制系统FCS
----以现场总线为纽带，连接分散的现场仪表或设备， 使之成为可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网 络系统与控制系统.
与传统仪表的不同之处 现场总线技术的关键
Date: 2019/1/30 Page: 43
三、现场总线技术的标准化
制定现场总线标准的国际标准化组织： 1）IEC---国际电工委员会
现场总线技术及应用教程课程设计 (2)
现场总线技术及应用教程课程设计课程介绍本课程旨在介绍现场总线技术及其在实际应用中的重要性和作用。
学生将了解现场总线技术的基本原理、通信协议和网络结构，并通过案例分析和实践操作深入掌握其设计与应用技巧。
学习目标1.掌握现场总线技术的基本原理和实现方式。
2.理解常见的现场总线通信协议，并对比其特点和优缺点。
3.了解现场总线系统的基本架构和组成模块。
4.学会使用相关软件工具设计和模拟现场总线系统。
5.实践操作现场总线系统，掌握常见的故障排除方法和检测手段。
课程大纲第一章现场总线概述1.1 现场总线技术的发展历史和应用现状 1.2 现场总线技术的基本原理和通信方式 1.3 现场总线系统的优点和局限性第二章现场总线通信协议2.1 传统现场总线通信协议介绍（例如：Profibus、Modbus、CAN） 2.2 现代现场总线通信协议介绍（例如：EtherCAT、Profinet IO） 2.3 通信协议的特点和应用场景比较第三章现场总线系统架构和组成模块3.1 现场总线系统结构分层介绍（例如：物理层、数据链路层、应用层） 3.2 现场总线系统组成模块介绍（例如：IO模块、控制器、传感器、执行机构等）3.3 现场总线系统实例分析第四章现场总线系统设计和模拟4.1 现场总线系统设计要点和流程介绍 4.2 现场总线系统仿真软件（例如：SIMATIC STEP 7、CODESYS、TwinCAT等）介绍及使用实例 4.3 现场总线系统实验环节第五章现场总线系统实践操作5.1 现场总线系统故障排除方法介绍 5.2 实践操作现场总线系统 5.3 现场总线系统检测手段介绍及使用实例学习评估方式本课程采用以下方式进行学习评估：1.平时学习表现（综合考虑作业、课堂表现等）占总成绩的20%。
2.课程设计成果报告占总成绩的40%。
3.现场总线系统实验占总成绩的40%。
参考资料1.现场总线技术（第三版），肖邦卿著，人民邮电出版社；2.现场总线技术及应用，赵波等著， XiTiChEN出版社；3.现场总线技术及其应用，谢玉庆等著，清华大学出版社。
现场总线技术3-3 Lonworks 现场总线技术及其应用 教学课件
网络结构：能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对 等式以及客户/服务式(Client/Server)。
网络拓扑结构：可以自由组合，支持总线型、环型、自由 拓扑型等网络拓扑形式。尤其是自由拓扑形式使得网络构 建更为方便灵活。
无中心控制的真正分布式控制模式能独立完成控制和通信 功能。网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、 发送和处理网络信息。
➢ 由于现有的MAC算法，如IEEE802.2、802.3、802.4和802.5不 能满足LonTalk使用多种通信介质、在交通繁重情况下维持性 能、支持大型网络的需要。因此，Echelon公司的LonTalk协 议采用了可预测P坚持CSMA（Predictive P-Persitent CSMA） 算法。
➢ 可靠性最低
2021/4/27
20
3.3.3 LONTALK协议
冲突避免
➢LonTalk协议采用的是可预测P－坚持CSMA算 法.
➢既便在过载的情况下,仍可达到最大的通信量.
冲突检测
➢一旦收发器检测到冲突,LonTalk协议便能立刻重 发因冲突而破坏的消息包.
➢可以提高媒体的利用率,缩短因冲突而附加到响 应时间的额外值.
2021/4/27
13
3.3.3 LONTALK协议
1.物理信道
表3-12几类广泛应用的信道特征
2021/4/27
14
3.3.3 LONTALK协议
2．LonTalk协议的网络地址结构
每结个点域最多有2图553个-33子分网层，编址一示个意子图网最多可以包括127个
2021/4/27
15
(a) 单一信道多个子网
1 源子网 1 源节点 目标组 1
8
2a 源子网 1 源节点 目标子网 1 目标节点 8
网络拓扑结构：可以自由组合，支持总线型、环型、自由 拓扑型等网络拓扑形式。尤其是自由拓扑形式使得网络构 建更为方便灵活。
无中心控制的真正分布式控制模式能独立完成控制和通信 功能。网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、 发送和处理网络信息。
➢ 由于现有的MAC算法，如IEEE802.2、802.3、802.4和802.5不 能满足LonTalk使用多种通信介质、在交通繁重情况下维持性 能、支持大型网络的需要。因此，Echelon公司的LonTalk协 议采用了可预测P坚持CSMA（Predictive P-Persitent CSMA） 算法。
➢ 可靠性最低
2021/4/27
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3.3.3 LONTALK协议
冲突避免
➢LonTalk协议采用的是可预测P－坚持CSMA算 法.
➢既便在过载的情况下,仍可达到最大的通信量.
冲突检测
➢一旦收发器检测到冲突,LonTalk协议便能立刻重 发因冲突而破坏的消息包.
➢可以提高媒体的利用率,缩短因冲突而附加到响 应时间的额外值.
2021/4/27
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3.3.3 LONTALK协议
1.物理信道
表3-12几类广泛应用的信道特征
2021/4/27
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3.3.3 LONTALK协议
2．LonTalk协议的网络地址结构
每结个点域最多有2图553个-33子分网层，编址一示个意子图网最多可以包括127个
2021/4/27
15
(a) 单一信道多个子网
1 源子网 1 源节点 目标组 1
8
2a 源子网 1 源节点 目标子网 1 目标节点 8
现场总线技术 第5章 DeviceNet 现场总线技术及其应用 教学课件
卷，内容如下：
2020/7/2
14
卷1：
DeviceNet通信协议和应用（第7层—应用层）。 CAN以及它在DeviceNet中的应用（第2层—数
据链路层）
DeviceNet物理层和介质（第1层—物理层）
卷2：
为实现同类产品之间的互操作性和可互换性进 行设备描述
2020/7/2
15
除第7层（应用层）外，DeviceNet规范还对一部分第1 层（收发器）以及第0层（传输介质）进行了规定，这 就为DeviceNet节点的物理连接提供了标准。协议对连 接器、电缆类型、电缆长度以及基于通信的显示、操 作元素及其相应的封装形式等等都进行了规定。
现场总线技术及其应用
第5讲
胡青松
2020/7/2
1
2、DeviceNet简介
DeviceNet是二十世纪九十年代中期发展起来的一种基于 CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络， 它是一种低成本的通信总线。
它既可以连接底端工业设备，又可连接像变频器、操作 员终端这样的复杂设备。
它将工业设备（如限位开关、光电传感器、阀组、马达 启动器、过程传感器、变频驱动器、面板显示器和操作 员接口等）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。 （见图）
2020/7/2
36
5.3.3.物理层信号
采用CAN的物理层信号 逻辑电平的物理状态
隐性—逻辑0—电位差0V 显性—逻辑1—电位差2.5V
2020/7/2
37
5.4DeviceNet的数据链路层
➢ 数据链路层是完成两个相连的机器数据链路层 进行可靠、有效通信的方法。
➢ 数据链路层，负责从网络层向物理层发送数据 帧（存放数据的有组织的逻辑结构）。在接收 端，将来自物理层的比特流打包为数据帧。
2020/7/2
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卷1：
DeviceNet通信协议和应用（第7层—应用层）。 CAN以及它在DeviceNet中的应用（第2层—数
据链路层）
DeviceNet物理层和介质（第1层—物理层）
卷2：
为实现同类产品之间的互操作性和可互换性进 行设备描述
2020/7/2
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除第7层（应用层）外，DeviceNet规范还对一部分第1 层（收发器）以及第0层（传输介质）进行了规定，这 就为DeviceNet节点的物理连接提供了标准。协议对连 接器、电缆类型、电缆长度以及基于通信的显示、操 作元素及其相应的封装形式等等都进行了规定。
现场总线技术及其应用
第5讲
胡青松
2020/7/2
1
2、DeviceNet简介
DeviceNet是二十世纪九十年代中期发展起来的一种基于 CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络， 它是一种低成本的通信总线。
它既可以连接底端工业设备，又可连接像变频器、操作 员终端这样的复杂设备。
它将工业设备（如限位开关、光电传感器、阀组、马达 启动器、过程传感器、变频驱动器、面板显示器和操作 员接口等）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。 （见图）
2020/7/2
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5.3.3.物理层信号
采用CAN的物理层信号 逻辑电平的物理状态
隐性—逻辑0—电位差0V 显性—逻辑1—电位差2.5V
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5.4DeviceNet的数据链路层
➢ 数据链路层是完成两个相连的机器数据链路层 进行可靠、有效通信的方法。
➢ 数据链路层，负责从网络层向物理层发送数据 帧（存放数据的有组织的逻辑结构）。在接收 端，将来自物理层的比特流打包为数据帧。
4章现场总线系统应用教程
井下胶带监控系统的软件结构
软件结构部分包括 WindowsNT 操作系统、 下位机编程软件、上位机监控软件。
下位机编程软件 本 系 统 采 用 SIMATICS7-300 的 配 套 编 程 工 具 STEP7 完成硬件组态、参数设置、 PLC 程序编制、 测试、调试和文档处理。 通常，用户程序由组织块 (OB) 、功能块 (FB 、 FC) 和数据块 (DB) 构成。其中， OB 是系统操作程序 与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序 的运行。 FB 、 FC 是用户子程序。 DB 是用户定义 的用于存取数据的存储区，本系统中它是上位机监控 软件与 STEP7 程序的数据接口点。在 MPI 中配置与 其相对应的 DB 块就可实现上位机监控软件 FIX 与
PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒厂的应用
bitburger啤酒厂每年生产 350,000 吨， 在欧洲是最 大的 比特堡啤酒---啤酒王国德国的佼佼者 Bitburger为什么选择 PROFIBUS-PA？ 由于容易安装，节省成本 由于集中组态，建立系统简单 由于提高了准确性，工厂有更高安全性和有效性 由于减少了维护，而节省成本 由于是开放的国际标准，使投资安全
现场总线系统应用
华东理工大学自动化系 王学武
主要内容
现场总线应用情况 现场总线应用中存在的问题 PROFIBUS典型应用 FF 总线应用
1 现场总线应用情况
应用领域： 现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设 备间需要数据通信的场合都需要它。
连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺 织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、 机器人、数控机床；智能传感器 楼宇自控、仓储；
①工程开锁比预料的大
现场总线技术及其应用专项培训课件演示(84张)
– FF基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和DCS制造厂商，研 究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及诸多最终用户 组成的顾问委员会。FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总 线标准。
2021/1/20
5
FF标准系列
用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接 的H1（31.25K）
2021/1/20
7
3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成
系统管理内核
（SMK）
对象 系统管理 字典 信息库
（OD） （SMIB）
设备描述 功
（OD） 能
对象字典
（OD）
块 对 象
系统管 理内核 协议
（SMKP）
现场总线报文规范子（FMS） 现场总线访问子层(FAS)
数据链路层（DLL） 物理层（PHY）
现场总线技术及其应用 第3讲
2021/1/20
1
第3章 几种流行的现场总线
3.1基金会现场总线 3.2Profibus现场总线 3.3 LonWorks 3.4CAN总线 3.5 小节
2021/1/20
2
3.1 基金会现场总线
3.1.1基金会现场总线概述 3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成 3.1.3 基金会现场总线网络拓扑 3.1.4 基金会现场总线通信模型 3.1.5 基金会现场总线的功能块 3.1.6 基金会现场总线通信控制器FB3050 3.1.7基金会现场总线的组态 3.1.8一致性与互操作性测试 3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例
2021/1/20
9
2021/1/20
10
2021/1/20
11
系统管理和网络管理
网络管理者与网络管理代理 网络管理负责以下工作：
2021/1/20
5
FF标准系列
用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接 的H1（31.25K）
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3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成
系统管理内核
（SMK）
对象 系统管理 字典 信息库
（OD） （SMIB）
设备描述 功
（OD） 能
对象字典
（OD）
块 对 象
系统管 理内核 协议
（SMKP）
现场总线报文规范子（FMS） 现场总线访问子层(FAS)
数据链路层（DLL） 物理层（PHY）
现场总线技术及其应用 第3讲
2021/1/20
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第3章 几种流行的现场总线
3.1基金会现场总线 3.2Profibus现场总线 3.3 LonWorks 3.4CAN总线 3.5 小节
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3.1 基金会现场总线
3.1.1基金会现场总线概述 3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成 3.1.3 基金会现场总线网络拓扑 3.1.4 基金会现场总线通信模型 3.1.5 基金会现场总线的功能块 3.1.6 基金会现场总线通信控制器FB3050 3.1.7基金会现场总线的组态 3.1.8一致性与互操作性测试 3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例
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系统管理和网络管理
网络管理者与网络管理代理 网络管理负责以下工作：
《现场总线技术及应用》课件7CAN总线
② 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一 个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始 发送超载帧，最多可产生两个超载帧，以延迟 下一个数据帧或远程帧。
③ 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误 干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能，在发 送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。
MAC子层
(7)出错误管理逻辑(EML)：按照CAN协议进行 传输层出错界定。
2、SJA1000的寄存器结构及地址分配表
3、SJA1000的工作原理与硬件接口电路
发送缓冲区用于存贮由微处理器至SJA1000的发送报 文，它可分为描述符和数据场，发送缓存器可借助微控 制器写入或读出。描述符为两个字节：包括标识符、远 程发送请求位（RTR）和数据长度码（DLC）。数据场 为8个字节空间，存贮0～8个数据。
⑶接收缓存器0和1(RXB、RXFIFO)：均由10个字节组成， 交替存贮由总线接收到的报文，当一个缓存器被分配 给CPU，位流处理器可以对另一个进行写操作。
⑷接收过滤器(ACF): 将接收到的标识符与接收过滤寄 存器中的内容比较，并决定是否接受该条消息。如果 该条消息通过接收测试，则将其存入接收缓冲器。
时钟分频寄存器控制SJA1000向CPU输出CLKOUT频率。
SJA1000由微处理器通过8位地址数据复用总线 和基本读写控制信号进行控制。SJA1000的中断 请求信号INT连至微处理器的外部中断输入端， CAN控制器可通过中断进行数据通信。
在网络通信中所涉及的数据链路层和物理层的操 作由SJA1000芯片自动完成，无需微处理器的干 预。例如总线的定时与同步、总线的仲裁、CRC 与其它填充位的插入等均由SJA1000自动完成。
第二节 CAN技术规范
一种多主总线，采用OSI的三层网络结构——物理 层、数据链路层和应用层。
③ 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误 干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能，在发 送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。
MAC子层
(7)出错误管理逻辑(EML)：按照CAN协议进行 传输层出错界定。
2、SJA1000的寄存器结构及地址分配表
3、SJA1000的工作原理与硬件接口电路
发送缓冲区用于存贮由微处理器至SJA1000的发送报 文，它可分为描述符和数据场，发送缓存器可借助微控 制器写入或读出。描述符为两个字节：包括标识符、远 程发送请求位（RTR）和数据长度码（DLC）。数据场 为8个字节空间，存贮0～8个数据。
⑶接收缓存器0和1(RXB、RXFIFO)：均由10个字节组成， 交替存贮由总线接收到的报文，当一个缓存器被分配 给CPU，位流处理器可以对另一个进行写操作。
⑷接收过滤器(ACF): 将接收到的标识符与接收过滤寄 存器中的内容比较，并决定是否接受该条消息。如果 该条消息通过接收测试，则将其存入接收缓冲器。
时钟分频寄存器控制SJA1000向CPU输出CLKOUT频率。
SJA1000由微处理器通过8位地址数据复用总线 和基本读写控制信号进行控制。SJA1000的中断 请求信号INT连至微处理器的外部中断输入端， CAN控制器可通过中断进行数据通信。
在网络通信中所涉及的数据链路层和物理层的操 作由SJA1000芯片自动完成，无需微处理器的干 预。例如总线的定时与同步、总线的仲裁、CRC 与其它填充位的插入等均由SJA1000自动完成。
第二节 CAN技术规范
一种多主总线，采用OSI的三层网络结构——物理 层、数据链路层和应用层。