測控技術與系統第九章現場總線技術06:152本章主要內容現場總線概述1現場總線舉例——MODBUS3常用通信接口簡介206:1539.1現場總線概述——知識點現場總線技術的知識點：定義發展過程發展趨勢優點歸屬范疇現場總線與ISO/OSI網絡模型現場總線控制系統06:1549.1.1現場總線概述——（1）定義（1）現場總線(FieldBus)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、多分支結構的通信網絡”

現場總線以串行通信方式取代傳統的4～20mA的模擬信號，一條現場總線可為眾多的可尋址現場設備實現多點連接，支持底層的現場智能設備與高層的系統利用公用傳輸介質交換信息?，F場總線技術的核心是其通信協議FF的定義基本概念06:1559.1.2現場總線概述——（2）發展過程發展過程從人類語言文字的發展過程來看現場總線的發展過程人類的進化人類語言發展儀表的進化儀表語言發展1猿無語言早期儀表無連接2類人猿原始語言電氣儀表開關邏輯連接3古人類象形文字電子儀表模擬通信4人類豐富的各族語言共存微機化儀表數字通信，現場總線多種事實標準共存5現代人類某些語言文字消亡，形成幾種主流的語言，雖提出世界語的需求但難以實現。智能儀表現場總線基金會成立，試圖統一現場總線，但最終還是通過了多種標準（2）現場總線發展過程06:156現狀：現場總線未能形成一種統一的國際標準主要有兩方面原因：一是技術方面的原因，由于現場總線是應用于現場過程控制的通信網絡，涉及到許多底層設備的不同行業標準和用戶習慣的繼承，以及不同類型網絡互連的協議制定；另一方面是商業利益，各廠家都希望自己的技術在標準中占有更大份額，以便使國際標準給自己帶來更大利益，互不相讓，導致了目前多種現場總線共存的局面。9.1.2現場總線概述——（2）發展過程續06:1579.1.2現場總線概述——（2）發展過程續現場總線標準大事記20世紀70年代：現場總線技術萌芽20世紀80年代：現場總線標準開始發展20世紀90年代初：形成幾種較有影響的標準1994-1995年：現場總線基金會(FF)成立2000.1.4：IECTC65通過IEC61158決議，規定了8種現場總線國際標準，后來又由其他標準化組織通過了3種現場總線*IEC:國際電工委員會InternationalElectro-techincal

commission**FF:FieldbusFoundation06:1589.1.2現場總線概述——（2）發展過程續國際現場總線標準IEC61158決議

（最新版2007年發布，共有20種現場總線標準）類型1FFH1FF基金會低速總線類型2ControlNet美國Rockwell公司類型3Profibus德國西門子公司類型4P-Net丹麥ProcessData

類型5FFHSE

FF基金會高速總線類型6SwiftNet

美國波音公司類型7WorldFIP法國Alston公司類型8Interbus德國Phoenixcontact公司IEC62026-1決議

類型9SDS智能分布系統類型10ASI執行器傳感器接口類型11DeviceNet設備網絡ISO11898決議

類型12CAN德國Bosch公司

06:1599.1.2現場總線概述——（2）發展過程續12種國際現場總線標準另外一種不得不說一下的現場總線：HART總線HART總線是模擬信號標準和現場總線之間的一種過渡性協議HART總線通過在4~20mA信號上疊加交流載波信號進行數字通信，從而能在保證傳統模擬信號兼容的基礎上，具有現場總線的優勢。HART總線還將在較長的時間廣泛的存在06:15109.1.3現場總線概述——（3）發展趨勢發展趨勢（3）現場總線的發展趨勢與以太網的融合目前許多廠商已經開始將現場總線協議與EthernetTCP／IP協議進行整合。包括：1、ControlNet、DeviceNet和Ethernet／IP聯合推出CIP(ControlandInformationProtoco1)；2、FoundationFieldbus推出HSEHigh—SpeedEthernet)；3、Profibus推出ProfiNet06:15119.1.4現場總線概述——（4）優點優點模擬信號（4～20mA）互連的缺點：一對一結構；單向通信；抗干擾能力差

現場總線的優點：（1）結構簡潔，安裝維護方便：一對N結構， 雙向通信，布線成本，設備管理（2）可靠性高：抗干擾能力強（3）信息集成能力強：設備信息，儀表參數，故障診斷，測控管一體化（4）互操作性和互用性：同標準儀表間（5）開放性：開放式互聯網絡（6）分散控制：控制功能分散到儀表，提高控制系統整體可靠性（4）現場總線的優點06:15129.1.5現場總線概述——（5）歸屬范疇歸屬范疇（5）現場總線的歸屬范疇：

現場儀表間的通信網絡。

現場總線是一種設備間完整的通信通道，包括物理層、數據鏈路和應用層等?，F場總線既有別于芯片內總線、芯片間總線、板間總線，也有別于控制系統的上層通信網絡。06:15139.1.6現場總線概述——（6）與ISO/OSI網絡模型關系（6）現場總線與ISO/OSI參考模型的關系現場總線的要求：實時性，可靠性現場總線的通信協議符合ISO的OSI參考模型：通常使用其中的一、二、七層協議 用戶X用戶Y第七層 應用 應用第六層表示 表示第五層 會話 會話第四層 傳送 傳送第三層 網絡 網絡第二層 鏈接 鏈接第一層物理物理通信協議06:1514管理集中控制分散9.1.7現場總線概述——（7）現場總線控制系統現場總線技術發展帶來控制系統結構的變革：現場總線控制系統(FCS：FieldbusControlSystem)控制系統的發展歷史：FCS控制分散更徹底集中控制獨立控制FCS系統DCS系統集中控制系統單回路控制系統（3）現場總線的發展趨勢06:1515DCS結構DCS的三級結構：現場級、控制級和監控級9.1.7現場總線概述——（7）現場總線控制系統續06:1516FCS結構FCS的兩級結構:智能現場儀表、工作站圖FF現場總線控制系統結構

9.1.7現場總線概述——（7）現場總線控制系統續06:1517FCS的優勢DCS：三級結構（現場儀表、控制站和操作站）FCS：兩級結構（智能現場儀表、工作站）完成轉變的兩個關鍵因素：

現場總線和智能儀表控制站的功能分散到智能儀表中，可靠性更高9.1.7現場總線概述——（7）現場總線控制系統續06:1518現狀DCS和FCS的應用現狀：二者現階段共存，共同發展DCS系統也擴展了現場總線接口，可以和部分現場總線設備互連一些現場總線設備除具有現場總線接口外，也具有4~20mA模擬信號標準9.1.7現場總線概述——（7）現場總線控制系統續06:15199.2常用通信接口簡介（1）通信接口的基本概念：

一般電子儀表電路系統的數字電路系統為TTL電平或CMOS電平。在通信系統中，為了提高通信抗干擾性，一般具有特殊的電平設計和編碼規則。通信接口即指完成一般電路系統與特定通信標準間的電平或（和）邏輯轉換。06:15209.2常用通信接口簡介這里補充介紹比較常用的兩個物理層協議：RS232和RS485RS232和RS485都是：美國電子工業聯盟（EIA）制定的串行數據通信的接口標準，規定了其機械、電氣、功能和過程特性06:15219.2常用通信接口簡介二者的差別：RS232是：異步通信接口，點對點，短距離(15m)RS485是：半雙工，1對N，長距離（1200m）造成這種差別的主要原因是二者信號驅動和接收的方式不同06:15229.2常用通信接口簡介單端驅動單端接收RS232平衡驅動差分接收RS485負邏輯06:15239.2常用通信接口簡介RS232電平轉換

由于RS232和RS485的標準電平和TTL(CMOS)電平不同，所以微機內部系統與RS232和RS485連接需要進行電平轉換！RS232電平轉換芯片06:15249.2常用通信接口簡介終端電阻使能端RS485電平轉換

問：當總線上有兩個以上設備使能發送會發生什么情況？06:15259.2常用通信接口簡介單片機的串口結構和操作單片機的串口包括RXD、TXD和信號地三線，可以在電平轉換后用RS232的三線連接方式和PC機進行通信。單片機的串行通信通常是用硬件實現的。

發送數據時：向串行寄存器送入數據后，硬件即可按照設定的數據格式和波特率串行發送數據。

接收數據時：硬件自動接收串行數據，接收完一個數據后，將產生中斷或設置相應的數據就緒標志。

※單片機中通常不設計接收和發送緩沖區，所以當接收到的數據不能及時處理的話，數據將會丟失。

06:15269.2常用通信接口簡介PC機的串口結構和操作1、PC機串口結構：

PC機的串口包括有RS232的電平轉換電路，其串口輸出即RS232標準。用串行接口芯片實現串行通信的協議，一般具有有接收緩沖區和發送緩沖區。2、PC機串口操作：主要工作都是在軟件編程里。在windows下可以有多種編程手段：文件讀取法、串口控件、多線程設計等。基本的操作方式可以采用查詢方式或者消息驅動方式(事件驅動方式)。

※需要注意的是，和其他軟件編程不同的是，串口的數據發送和接收都是需要一定的時間的。06:15279.2常用通信接口簡介PC機通過RS232和RS485和儀表互連RS232互連RS485互連06:15289.4MODBUS總線介紹--主要內容一、概述二、Modbus應用協議規范

三、Modbus協議在串行鏈路上的實現四、Modbus協議在TCP/IP簡介06:1529一、概述1979年Modicon公司(現法國Schneider的一部分)提出的Modbus，最初作為工業串行鏈路的事實標準1997年Schneider電氣在TCP/IP上實現Modbus協議Modbus和ModbusTCP/IP也被IEC61158國際標準承認為一種現場總線2004年Modbus作為我國國家標準：國家標準GB/T19582-2008

“基于Modbus協議的工業自動化網絡規范”

06:1530一、概述IANA委員會給施耐德電氣公司分配了已為大家熟知的TCP502端口，以專為Modbus協議保留，Modbus協議現在已經成為Internet標準。ModbusTCP/IP是唯一個被分配到互聯網端口的工業以太網23-Telnet遠程登錄協議

21-FTP文件傳輸協議

161-SNMP簡單網絡管理協議

25-SMTP簡單郵件傳輸協議

53-DNS域名解析服務

110-POP3郵局協議

80-HTTP超文本傳輸協議

67-BOOTPS引導程序協議服務器

502-ModbusMODBUSTCP端口

IANA:TheInternetAssignedNumbersAuthority互聯網數字分配機構

06:1531Modbus協議應用層協議Modbus

Plus協議

Modbus應用層協議，以及物理層和鏈路層的完整協議ModbusTCP/IP協議基于TCP/IP的MODBUS協議Modbus技術規范組成06:1532PLCcontrolModbus應用層報文傳輸協議

Modbus協議為應用層報文傳輸協議，僅定義了通訊消息結構，一個Modbus信息楨包括從機地址、功能碼、數據區和數據校驗碼。可使用RS232、RS422和RS485端口，可以使用光纖、無線等媒質實現通訊，廣泛應用在智能設備之間進行主、從方式通訊。

Modbus協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它制定了消息域格局和內容的公共格式。當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。06:1533ModbusPlus

ModbusPlus是一種典型的令牌環網，完整定義了通訊協議、網絡結構、連接電纜（或者光纜）等方面的性能指標。網絡中的設備通過“令牌”的方式實現數據的交換，嚴格定義了令牌的傳遞方式，數據校驗以及通訊端口等方面的技術參數。

Modbusplus總線協議是一種異步半雙工通訊的對等網絡協議，物理接口為RS485，通訊介質采用屏蔽雙絞線或光纖。在鏈路層，Modbusplus采用IEEE802.2邏輯鏈路控制協議和IEEE802.4令牌總線媒體訪問控制協議。在應用層，Modbusplus采用Modbus的通訊協議，主要包括寄存器讀寫、開關量I/O等命令。Modbus協議在Modbusplus網絡中使用時，要將傳遞的信息的內容進行相應的封裝，封裝格式有兩種ASCII和RTU。

Modbusplus可以采用雙電纜結構，允許Modbusplus在兩條獨立的電纜上通訊，實現網絡通訊線路的冗余備份，適合高可靠性的應用場合。06:1534ModbusTCP/IP

由于Modbus主機/從機通信機理能很好地滿足確定性的要求，非常適合以太網中的客戶機/服務器的通信機理。1996年施耐德公司推出了基于以太網TCP/IP的Modbus協議，即為ModbusTCP/IP協議，在工業自動化領域中，具有很高的性能價格比，是一種真正開放的解決方案。施耐德公司的“透明工廠”就是基于ModbusTCP/IP技術。目前ModbusTCP/IP已作為現場總線使用，在PLC設備中也內置網頁服務器，使以太網的遠程I/O設備具備了在網上瀏覽該遠程I/O狀態的功能。在設備層、控制層和信息層中都可以采用ModbusTCP/IP技術，能在監控室或遠程瀏覽連接到網絡的所有設備和智能傳感器。由于以太網已得到廣泛地應用，技術成熟，設備成本低，使系統具有可延伸性、靈活性和高性能價格比等特點。06:1535Modbus通信棧Modbus應用層協議06:1536Modbus是一種簡單客戶機/服務器應用協議客戶機能夠向服務器發送請求服務器分析請求，處理請求，向客戶機發送應答1.Modbus應用協議06:1537通用Modbus幀結構－－協議數據單元(PDU)Modbus是一個可選擇部分使用的協議

服務器可執行部分Modbus協議Modbus由公共功能碼和用戶定義的功能碼組成Modbus應用協議使用功能碼列表讀或寫數據，或者在遠程服務器上進行遠程處理讀/寫寄存器列表，讀/寫比特列表診斷，標識

ADU:應用數據單元PDU:協議數據單元06:1538Modbus事務處理(無差錯)當服務器對客戶機響應時，它使用功能碼域來指示正常（無差錯）響應或者出現某種差錯（稱為異常響應）對于一個正常響應來說，服務器僅復制原始功能碼06:1539Modbus事務處理(異常響應)SM6對于異常響應，服務器將原始功能碼的最高有效位設置邏輯1后返回異常碼指示差錯類型06:1540Modbus最初在串行鏈路上的實現（最大RS485ADU=256字節）限制了ModbusPDU的長度。因此，對串行鏈路通信來說，ModbusPDU=256-服務器地址（1字節）-CRC（2字節）＝253字節。從而：RS232/RS485ADU=253字節+服務器地址(1字節)+CRC(2字節)=256字節。TCPModbusADU=253字節+MBAP(7字節)=260字節。ModbusPDU長度06:1541ModbusPDU結構Modbus請求PDUmb_req_pdu={function_code,request_data},

function_code-[1字節]Modbus功能碼

request_data-[n字節]Modbus響應PDUmb_rsp_pdu={function_code,response_data},

function_code-[1字節]Modbus功能碼

response_data-[n字節]Modbus異常響應PDUmb_excep_rsp_pdu={function_code,exception_code},

function_code-[1字節]Modbus功能碼+0x80exception_code–[1字節]06:1542Modbus的數據模型是以一組具有不同特征的表為基礎建立的四個基本表為：Modbus

數據模型基本表對象類型訪問類型注釋離散量輸入單個位只讀I/O系統可提供這種類型數據線圈單個位讀寫通過應用程序可改變這種類型數據輸入寄存器16位字只讀I/O系統可提供這種類型數據保持寄存器16位字讀寫通過應用程序可改變這種類型數據06:1543Modbus公共功能碼的定義

功能碼

碼子碼（十六進制）

數據訪問

位訪問物理離散量輸入讀離散量輸入02

02內部位或物理線圈讀線圈01

01寫單個線圈05

05寫多線圈15

0F

16位訪問輸入寄存器讀輸入寄存器04

04內部寄存器或物理輸出寄存器讀保持寄存器03

03寫單寄存器06

06寫多寄存器16

10讀/寫多寄存器23

17屏蔽寫寄存器22

16讀FIFO隊列24

18文件記錄訪問讀文件記錄20614寫文件記錄21615

診

斷讀異常狀態07

診斷0800-18

獲得通信事件計數器11

OB獲得通信事件記錄12

0C報告從站ID17

11讀設備識別碼43142B其它封裝接口傳輸43

2B06:1544Modbus功能碼應用實例(1)讀線圈01(0x01)請求響應*N＝寄存器的數量/8，如果余數不等于0，那么N=N+1錯誤功能碼1字節0x01起始地址2字節0x0000至0xFFFF線圈數量2字節1至2000（0x7D0）功能碼1字節0x01字節計數1字節N*線圈狀態n字節n＝N或N+1功能碼1字節功能碼＋0x80異常碼1字節01或02或03或0406:1545讀多個寄存器16(0x03)請求

響應*N＝寄存器數量錯誤功能碼1字節0x03起始地址2字節0x0000至0xFFFF寄存器數量2字節1至125（0x7D）功能碼1字節0x03字節數1字節2×N*寄存器值N*×2字節

差錯碼1字節0x83異常碼1字節01或02或03或0406:1546Modbus功能碼應用實例(3)寫多個寄存器16(0x10)請求*N＝寄存器數量響應錯誤功能碼1字節0x10起始地址2字節0x0000至0xFFFF寄存器數量2字節0x0001至0x0078字節計數1字節2×N*寄存器值N*×2字節值功能碼1字節0x10起始地址2字節0x0000至0xFFFF寄存器數量2字節1至123（0x7B）差錯碼1字節0x90異常碼1字節01或02或03或0406:1547Modbus協議在串行鏈路上的實現

主要介紹Modbus協議在串行標準如RS232、RS485上的實現規范層ISO/OSI模型

7應用層Modbus應用協議6表示層空5會話層空4傳輸層空3網絡層空2數據鏈路層Modbus串行鏈路協議

1物理層EIA/TIA-485(或

EIA/TIA232)Modbus協議在串行鏈路上的實現06:1548串行鏈路上的Modbus幀結構Modbus串行鏈路協議是一個主/從協議網絡上