计算机控制技术 第8章 控制网络技术

2018/7/28,1,第8章 控制网络技术,2018/7/28,2,主要内容,8.1 概述 8.2 数据通信基础 8.3 计算机网络 8.4 串行通信总线,2018/7/28,3,8.1 概述,自20世纪的最后10年以来，人们惊异地发现：信息的获取、存储、传输与处理之间的“孤岛”现象随着计算机网络的广泛应用正在逐渐消失，曾经独立发展的有线电视网、电信网、计算机网趋向合而为一。计算机网络正在改变着人们的工作方式和生活方式，并将进一步引起世界范围内产业结构的变化，推动全球信息化的进程。可以说，计算机网络技术的迅速发展和广泛应用标志着人类开始进入了一个崭新的信息时代。,2018/7/28,4,8.1 概述,计算机网络的定义：计算机网络是将分散在不同地点且相互具有独立功能的多个计算机系统，利用通信设备和线路相互连接起来，在网络协议和软件的支持下进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。,例：中南大学校园网络,2018/7/28,5,2018/7/28,6,8.1 概述,计算机网络迅速发展的主要动因：1、计算机技术的发展和计算机的广泛应用。2、通信技术的发展以及各种话路通信系统、光纤通信系统、无线通信系统、卫星移动通信系统的建立和广泛应用。3、计算机网络开放体系结构的建立与发展。OSI、TCP/IP、IEEE802、ATM异步传输模式。,2018/7/28,7,8.1 概述,例：计算机技术的发展（体积、性能、价格、人机交互）,2018/7/28,8,8.1 概述,控制网络随着计算机、通信、网络、控制等学科领域的发展，控制网络技术日益为人们所关注。控制网络，即网络化的控制系统，其范畴包括广义DCS、现场总线控制系统和工业以太网，它体现了控制系统向网络化、集成化、分布化和节点智能化的发展趋势，已成为自动化领域技术发展的热点之一。,2018/7/28,9,8.1 概述,控制网络与信息网络的区别控制网络技术源于计算机网络技术，因此，控制网络与一般的计算机网络有许多共同点。但是，由于控制网络中的数据通信以引发物质或能量的运动为最终目的，这种特殊的要求和应用环境，使得控制网络与一般的计算机网络又有一定差异。,2018/7/28,10,8.1 概述,控制网络与信息网络的区别1、在控制网络中，为了保证控制系统的响应速度，对数据传输的实时性要比较高。过程控制系统的响应时间要求为0.01-1.0S，制造自动化系统的响应时间要求为0.5-2.0S，而信息系统的响应时间要求为2.0-6.0S。2、控制网络强调在工业环境下数据传输的完整性和可靠性。控制网络应具有高温、潮湿、振动、腐蚀和电磁干扰等条件下长周期、连续、可靠完整地传输数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃、易爆场合，控制网络还应具有本质安全性能。,2018/7/28,11,8.1 概述,控制网络与信息网络的区别3、在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统，通信方式多使用广播和组播方式；在信息系统中，某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信方式。4、控制网络要解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容、即互操作性的问题。,2018/7/28,12,8.1 概述,企业计算机网络的层次模型从层次结构来看，企业计算机网络可划分为三个层次：设备层、控制层和信息层。,2018/7/28,13,8.1 概述,企业计算机网络的层次模型设备层：设备层为低速的现场总线，用来连接现场的传感器、变送器和执行器等智能设备。由于设备层中设备的多样性，要求设备层具有开放性，支持符合标准的智能化设备的接入和互联。控制层：属于高速的现场总线，用来实现控制的网络化。其主要特征：遵循开放的体系结构和协议；对设备层的开放性允许符合标准的设备方便地接入；对信息化层的开放性允许与信息化层互联、互通、互操作。信息层：信息层是符合ISO体系结构的信息网络。其主要特征：遵循IEEE802标准和TCP/IP协议；可以实现控制网络与信息网络的集成。,2018/7/28,14,8.1 概述,控制网络的技术特点1、良好的实时性与时间确定性2、传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁3、容错能力强，可靠性、安全性好4、控制网络协议简单实用，工作效率高5、控制网络结构具有高度分散性6、控制设备的智能化与控制功能的自治性7、与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息系统的集成。,2018/7/28,15,8.1 概述,控制网络的类型#从企业计算机网络的层次结构来看，控制网络可分为面向设备的控制网络与面向控制系统的主干控制网络。#从网络体系结构来看，控制网络可分为广义DCS、现场总线和工业以太网。广义DCS的设备层往往采用专用的网络协议，而控制层则采用了修正的IEEE802协议蔟。现场总线控制网络针对工业控制的要求而设计，采用简化了的OSI参考模型，并有IEC的国际标准支持。工业以太网则采用了IEEE802.3的协议簇，具有良好的开放性。#从网络的组网技术来看，控制网络通常有两类：共享式控制网络（工业以太网）与交换式网络。,2018/7/28,16,8.1 概述,控制网络的类型目前，现场总线已成为控制网络的主流类型，而工业以太网则表现出良好的上升趋势。尽管一些专家认为工业以太网有可能取代现场总线成为控制网络的主流类型，但就两者的应用现状和发展势头而言还很难预测控制网络的最终走向。在相当长的时期内，可能会维持现场总线与工业以太网共存的状况。,2018/7/28,17,8.2 数据通信基础,8.2.1 通信和数据通信系统 #通信：即传递信息的过程。 #通信系统：是由信息源（发信器）、信道（通信介质）和信宿（受信器）三个要素组成。 #尽管具体的通信方式是各式各样的，但传输距离最远、传送速度最快、准确度最高的通信方式是“电通信”，即将信息用电信号的形式来描述及传输的通信方式。,2018/7/28,18,8.2 数据通信基础,8.2.1 通信和数据通信系统 #信息可以表达为语言、文字、图象和数字等多种形式，而用计算机处理的数字、字母和符号被称之为数据。 #数据分两种：模拟数据和数字数据。 #数据通信：数据传输的过程。 #数据通信系统：把信源提供的信息转换为离散数据编码的电信号，选择合适的信道将信源与信宿联系起来，而信宿对信源提供的离散数据编码电信号能够理解，这样就构成了数据通信系统。（计算机网络就是最典型的数据通信系统）,2018/7/28,19,8.2 数据通信基础,8.2.2 传输介质双胶线：分为屏蔽双胶线STP和非屏蔽双胶线UTP。有效传输距离100m，带宽为10-1000Mbps，主要应用于基于CSMA/CD技术，即10M/100M/100Mbps的以太网中。,2018/7/28,20,8.2 数据通信基础,8.2.2 传输介质同轴电缆：一种为50欧姆的同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆，传输距离可达500m，带宽10Mbps；另一种为75欧姆的同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。,2018/7/28,21,8.2 数据通信基础,8.2.2 传输介质光导纤维：光导纤维是软而细的、利用内部全反射原理来传导光束的传输介质，有单模和多模之分。单模光纤多用于通信主干网。多模光纤多用于局域网布线系统。用光纤作为网络介质的LAN技术主要是光纤分布式数据接口FDDI、快速以太网和千兆以太网。与双胶线和同轴电缆比较，光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长、抗干扰性强。,2018/7/28,22,8.2 数据通信基础,8.2.3 传输数据的信号数据通信中需要传输数据，数据传输采用的信号既要反映数据的特点，又要不同于数据本身。模拟数据可以用模拟信号传输，也可以用数字信号传输；数字数据可以用数字信号传输，也可以用模拟信号传输。,2018/7/28,23,8.2 数据通信基础,8.2.3 传输数据的信号1、模拟数据采用模拟信号传输（电话）。2、数字数据采用模拟信号传输（调制），常用的调制方法有调幅键控ASK、调频键控FSK和调相键控PSK。,2018/7/28,24,8.2 数据通信基础,8.2.3 传输数据的信号3、数字数据采用数字信号传输（编码）。常用的三种编码方式为不归零制编码、曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码。4、模拟数据采用数字信号传输。常用的方法是脉冲编码调制PCM。PCM编码产生的信息量较大，为了在相同采样频率下得到较高的数据传输率，常采用压缩技术。如，增量调制、差分脉冲调制、预测编码调制等。,曼彻斯特编码方式中，每一位信号的中间有一个跳变，跳变后的电平表示相应的数字数据。,2018/7/28,25,8.2 数据通信基础,8.2.4 数据通信中的同步在数据通信系统中，同步是一个十分重要的问题。要确保数据通信正确地进行，首先要解决同步问题。事实上，不仅在不同的级别上有同步问题，而且对同一级别的同步又有多种实现的方法。1、位同步（串行传送方式）。实现位同步的方法：定期同步调整法；共用同一时钟法；信息载有准同步脉冲的同步法。2、字符同步。异步传输中止式同步法；同步通信中的“同步字符”同步法。,起止式同步,同步传输,2018/7/28,26,8.2 数据通信基础,8.2.5 通信媒体共享技术多台通信设备合用单一通信媒体（传输介质）的技术称之为通信媒体共享技术。通信媒体是通信网络中传输信息的物理通道，使用通信媒体有点到点连接和多点共享连接两种方式。1、多路复用技术：在同一通信媒体上先将多路信号混合后传输、接收，再把它们分离开来。包括频分多路复用FDM和时分多路复用TDM。2、集线技术：基于多台通信设备一般不会同时发送信息的前提，采用了有多个输入端，一个输出端的集线器。,2018/7/28,27,8.2 数据通信基础,8.2.5 通信媒体共享技术3、多点线路技术：利用单一通信媒体为多台通信设备服务的技术，在多点线路上可以直接连通通信设备，亦可经集线器连通多台通信设备。为了避免信息在传输中发生冲突、拥挤、阻塞等，各通信站的发信时间应当错开。常采用的方法：定时询问方式；令牌方式；竞争方式。,2018/7/28,28,8.2 数据通信基础,8.2.6 数据交换技术为了降低通信网络的成本，网络中的任意两个节点之间并不一定存在一条直接的通信媒体。这些节点之间的通信需要通过中间节点，把数据从源地址发到目的地址。节点以某种方式用通信链路护联起来，节点集构成了通信网络。在通信网络中，常用的信息交换技术有线路交换（建立专用线路）、报文交换（存储转发）和分组交换（先分组，再发送，后重组）。,2018/7/28,29,8.2 数据通信基础,8.2.7 数据通信中的差错控制技术在实际的数据通信过程中，存在着许多产生差错的因素，如：噪声、传输失真、载波干扰、传输反射干扰、线间串扰和静电干扰等，为了保证无差错通信，需要提供检错和纠错的措施，即差错控制。1、纠错编码：奇偶检验码；行列检验码。2、差错控制：超时重发；拒绝接收；选择拒绝；探询。,2018/7/28,30,8.3 计算机网络,计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现资源共享的信息系统。最简单的网络就是两台计算机互联，而最复杂的计算机网络则是将世界各地的计算机连在一起的Internet。,2018/7/28,31,8.3 计算机网络,8.3.1 计算机网络的基本功能计算机网络自20世纪60年代末诞生以来，仅经历30多年时间就以惊人的速度发展起来，越来越广泛应用于政治、经济、军事、工业及科学技术的各个领域。计算机网络的主要功能包括以下几个方面。1、数据通信2、资源共享3、增加系统的可靠性4、提高系统处理能力5、实现分布式处理,2018/7/28,32,8.3 计算机网络,8.3.2 计算机网络系统的组成计算机网络系统由通信子网和资源子网构成。通信子网面向通信控制和通信处理，资源子网则包括拥有资源的用户主机和请求资源的用户终端。网络中的构成元素主要分成网络节点和通信链路两大类。网络软件：网络协议和协议软件；网络通信软件；网络操作系统；网络管理及网络应用软件。网络硬件：线路控制器；通信控制器；通信处理机；前端处理机；集中器；多路选择器；主机；终端。,2018/7/28,33,8.3 计算机网络,8.3.3 计算机网络的分类 1、按网络作用范围分类：局域网；城域网；广域网。,2018/7/28,34,8.3 计算机网络,8.3.3 计算机网络的分类 2、按拓扑结构分类：星型网络 优点：集中型网络，处理效率高；点对点通信；结构简单。 缺点：中心站的硬、软件复杂；投资大；必须保证中心节点的可靠性。环型网络 优点：结构简单；容易实现在各节点间动态分配通信资源；可方便地在已有网络上增加节点；通信线路上的损耗仅限于两个节点之间的最大距离，覆盖区域不受限制；整体可靠性和容错性高，不存在星型网络的瓶颈现象。 缺点：节点故障可引起全网故障；故障诊断难。总线型网络 优点：结构简单灵活，可扩充性好；传输带宽高；单个节点的故障不会影响其他节点的工作。 缺点：所有节点共享一条通信总线，故实时性较差；通信总线本身的故障会导致整个网络的失效。,2018/7/28,35,8.3 计算机网络,8.3.4 网络的体系结构,OSI参考模型,2018/7/28,36,8.3 计算机网络,8.3.4 网络的体系结构,TCP/IP,2018/7/28,37,8.3 计算机网络,8.3.4 网络的体系结构,OSI与TCP/IP,2018/7/28,38,8.3 计算机网络,8.3.5 IEEE 802 系列标准美国电气和电子工程学会IEEE于1980年2月成立了IEEE 802委员会，专门研究和制定有关局域网的各种标准。IEEE 802 系列标准：1、802.1-概述、体系结构、网络互联以及网络管理与性能测试2、802.2-逻辑链路控制LLC3、802.3-定义了CSMA/CD总线网的介质访问控制MAC和物理层的规范4、802.4-定义了令牌传递总线网的介质访问控制MAC和物理层的规范5、802.5-定义了令牌传递环网的介质访问控制MAC和物理层的规范6、802.6-城域网MAN7、802.7-宽带技术8、802.8-光纤技术9、802.9-综合语音数据局域网10、802.10-可操作的局域网的安全11、802.11-无线局域网12、802.12-定义了使用按需优先访问的100Mbps以太网标准。,2018/7/28,39,8.3 计算机网络,8.3.6 介质访问控制技术1、带有冲突检测的载波监听多点访问法（CSMA/CD）,先听后发； 边听边发； 冲突停止； 延迟重发。,2018/7/28,40,8.3 计算机网络,8.3.6 介质访问控制技术2、令牌环介质访问控制,拓朴结构：物理上使用星型拓扑，但逻辑上是环形拓扑，令牌顺序向下一站 传递。 传输介质：屏蔽双绞线STP和无屏蔽双 绞线、光纤 主要构件：网卡、多站访问单元MAU、传输介质和连接附件 令牌种类：令牌和数据帧 令牌环特点：轻载量效率低；重载时效率高网络无冲突。,2018/7/28,41,8.3 计算机网络,8.3.6 介质访问控制技术2、令牌环介质访问控制,令牌总线访问控制,2018/7/28,42,8.4 串行通信总线,计算机控制网络中的计算机之间、计算机与远程终端、计算机与外部设备以及计算机与测量仪表之间的通信，多数情形下采用串行通信方式，而且借助于标准的物理层接口串行通信总线。常用串行通信总线有：RS-232C、RS-422、RS-485、SPI总线、 总线、SMBus总线，以及现场总线等等。,2018/7/28,43,8.4 串行通信总线,8.4.1 RS-232C通信总线RS-232C总线是由美国电子工业协会（EIA）于1969年修定的一种通信接口标准，专门用于数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的串行通信。数据终端设备是数据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。数据通信设备的任务是实现由源点到目的点的传输，通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其他一些中间装置的集合。目前，RS-232C接口已成为计算机的标准配置，如串行口COM1、COM2均为RS-232C总线标准接口。,2018/7/28,44,8.4 串行通信总线,8.4.1 RS-232C通信总线