计算机网络与现场总线概述.ppt

1、本章学习要求：,了解：计算机网络的形成与发展 掌握：计算机网络的定义、结构与组成 掌握：计算机网络的拓扑构型 掌握：计算机网络的分类方法 掌握：现场总线的定义、工业自动化的发展 掌握：现场总线的特点 了解： FF总线、Profibus现场总线、 CAN总线、 LonWorks现场总线,第一章 计算机网络与现场总线概述,网络资源流通 物质网铁路、公路、水路、航空 能源网煤炭、石油、天然气、电力 信息网烽火台、书信、电报、电话、广播、电视 、计算机网络,1.1计算机网络的形成与发展,一般认为，计算机网络的形成与发展大致经历了四个阶段： 第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络雏形 19

2、46年，第一太电子计算机ENIAC诞生，计算机与通信没关系 20世纪50年代，美国半自动地面环境防空系统 60年代，美国航空公司订票系统SABRE 从严格意义上讲，不能算是计算机网络，是计算机终端系统。,第二阶段：进行网络体系结构与协议研究，形成计算机网络(1),计算机计算机网络，由多台计算机通过通信线路连接起来的计算机-计算机网络，每台计算机都具有自主处理能力 ARPA网是这一阶段计算机网络的典型代表。 1969年，美国国防部高级研究计划局提供经费，提出将多个大学、公司、研究所的计算机互连。,第二阶段：进行网络体系结构与协议研究，形成计算机网络(2),公共数据网PDN与局部网络LN迅速发展

3、数据通信采用PDN，租用线路的方式节省铺设线路的费用 PDN早期电话网模拟传输技术后来采用数字传输和报文分组交换技术 1972年，加州大学研制了Newhall环网； 1974年，剑桥大学研制了Cambridge Ring环网； 1976年，Xerox公司研究了总线拓扑Ethernet网。,第三阶段：加速网络体系结构与协议的国际标准化的研究与应用,开放式标准化网络，从“封闭”到“开放” 20世纪70年代后期，开始提出发展计算机网络的国际标准化问题。ISO、CCITT、IEEE等都成立了专门的研究机构，研究计算机系统的互连、计算机网络协议标准化等问题。 1984年，ISO正式颁布了一个称为“开放系

4、统互连基本参考模型”（OSI模型）的国际标准ISO7498。,APRA网因特网 TCP/IP协议已成为事实上的国际标准 Ethernet、Token Bus、Token Ring 局域网三足鼎立 Novell NetWare、Windows NT sever等局域网操作系统,第四阶段：网络计算的新时代,全球信息高速公路 计算机网络也呈现出高速化、互连范围增加、应用广泛等特点。 三网融合(电信网络、有线电视网络、计算机网络）,1.2 计算机网络中的基本概念,1.2.1计算机网络的定义（三种定义） 计算机通信网络 以传输信息为主要目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合。 资源共享的

5、计算机网络 以能够相互共享资源的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统的集合。 分布式计算机系统 计算机网络是一个对用户透明的、大的计算机系统，这个系统存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需的资源。,计算机网络含义： （1）资源共享 （2）计算机具有自治功能 （3）具有统一的网络协议,1.2.2计算机网络的结构与组成,计算机网络的结构与组成,资源子网：负责信息处理 主要由主计算机系统、终端及各种软件资源与数据资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种资源和网络服务。 通信子网：负责信息传递 由网络通信处理机CCP（Communication Co

6、ntrol Processor）、通信线路与其它通信设备组成，主要完成整个网络的数据传输、存储转发等通信功能。,（一） 计算机网络的硬件组成,1服务器：在网络中提供服务的设备，是整个网络的中心。 特点：高性能、高可靠性、高吞吐能力、大存储容量等特点。 类型：文件服务器、数据库服务器和邮件服务器等。 2工作站：连接到网络上的计算机，网络上的一个客户，使用网络提供的服务。性能要求不高，用普通PC机。 3连接设备：完成信号的转换和恢复。如：网卡、调制解调器。 4传输介质：网络中的通信线路。应考虑因素有：传输容量、信号衰减、抗干扰能力、安装难度、价格。,二、 计算机网络的组成,介质双绞线,以太网卡,集

7、线器/交换机/路由器,连接设备、传输介质,（二） 计算机网络软件,1网络操作系统 运行在网络硬件上，为网络用户提供共享资源管理服务、基本通信服务、网络系统安全服务及其他网络服务的软件系统。例如：WINDOW NT，UNIX等。 2网络协议软件 计算机依靠网络协议实现互相通信，而网络协议依靠具体的网络协议软件的运行支持才能工作。连入计算机网络的服务器和工作站上都运行着相应的网络协议。,1.2.3计算机网络的拓扑结构,拓扑设计：计算机网络设计第一步，考虑计算机和终端的位置。保证一定的响应时间、吞吐量和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路容量、连接方式与流量分配使整个网络结构合理，成本最低。 拓

8、扑学：首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。,星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑及网形,1）星形拓扑 星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个节点组成。中央节点负责整个网络的通信控制，可以与网络中任何节点进行通信，非中央节点的两个节点不能直接通信。,2）总线拓扑,所有节点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，它是一个能被总线上所有节点所使用的公共信道。,3）环形拓扑,每一个节点都有输入端口和输出端口，节点间通过线路首尾相接，组成一个闭合的环路。每个节点能够接收从一端链路传来的数据，并以同样的速率串行地把该

9、数据沿环送到另一端链路上，数据一般以一个方向传输。,4）树形拓扑,整个网络形状如同一棵倒置的树，顶端相当于树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。每一节点只能和它的根节点或子节点直接通信，同一层次的节点间不能直接通信，各个层次上的根节点（或父节点）负责与其子节点间的通信控制。,5）网形拓扑,又称无规则网，每个节点都通过多条线路与网中的其它节点连接。这种结构具有很高的可靠性，缺点是结构复杂，成本较高，节点必须具有路由选择算法和流量控制。,1.2.4计算机网络的分类,按拓扑结构 按网络的分布范围分类 按网络的交换方式分类 按用途 按传输介质 按网络信道带宽 按网络技术,四、 计算机网络的分类

10、,分类标准：,四、 计算机网络的分类,LAN MAN WAN的距离标准 ：,计算机网络协议相关的标准化组织,（一） 网络协议标准化组织,1国际标准化组织ISO（International Standard Organization） 成立于1947年,是世界上最大的国际标准化专门机构，是联合国甲级咨询机构。 它的成员是89个成员国的国家标准化组织。 美国在ISO中的代表是美国国家标准学会ANSI，大家所熟悉的ASCII和C语言的工业界标准，就是由ANSI所制定的。 ISO在网络领域的最突出贡献就是提出OSI参考模型，该模型是网络发展史上的一个重要里程碑。,计算机网络协议相关的标准化组织,2国际

11、电报电话咨询委员会CCITT（Consultative Committee on International Telegraph and Telephone） 为联合国国际电信联盟ITU的下属部门之一。 3国际电信联盟ITU（International Telecommunications Union） 成立于1865年，1947年成为了联合国的一个办事处。 4美国国家标准学会（ANSI） 由制造商、用户通信公司组成的非政府组织。由美国制定的ISO投票成员。,计算机网络协议相关的标准化组织,5.IETF（Internet Engineering Task Force） 是一个国际性团体。 它主

12、要的工作是制定关于因特网的各种标准。 其成员包括网络设计者、制造商、研究人员以及所有对因特网的正常运转和持续发展感兴趣的个人或组织。 因为因特网覆盖范围大，连接的成员很多，所以很多组织都希望通过加入IETF使技术向有利于自己的方向发展。,计算机网络协议相关的标准化组织,6.IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers） 电气和电子工程师协会IEEE是世界上最大的专业技术团体，由计算机和工程学专业人士组成。 它创办了许多刊物，定期举行研讨会，还有一个专门负责制定标准的下属机构。 IEEE在计算机网络界的最大贡献就是制定了802标准系列

13、，802标准将局域网的各种技术进行了标准化。,计算机网络协议相关的标准化组织,（二） Internet管理机构,1Internet协会（Internet Society，ISOC） 2Internet体系结构委员会（Internet Architecture Board，IAB） 3Internet工程任务组和Internet工程指导组 4Internet研究任务组（Internet Research Task Force，IRTF） 5IANA (Internet赋号管理局)(Internet Assigned Number Authority) ICANN(Internet 网络名称与号码

14、分配机构） (The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)取代IANA管理域名及地址资源。 6WWW联盟：独立于其他Internet组织而存在，是一个国际性的工业联盟。,计算机网络协议相关的标准化组织,（三） RFC文档、Internet草案与Internet协议标准,RFC文档（request for comments，RFC）请求评价文档 用于Internet开发团体的技术文档。任何人都可以提交RFC文档，但不是立即成为标准。 经过6个月的试用后，再进行讨论，通过后才能成为标准。 因特网草案 是工作性文档，这些草案文档的有

15、效期为6个月，6个月后会被更新、替代、或作废。,现场总线（Fieldbus）的理论基础是计算机网络 现场总线区别于一般的局域网，对实时性、确定性、抗干扰要求高。,1.3工业自动化的发展及现场总线的产生,1.3.1现场总线的定义 应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统之后的一种新型网络集成式全分布控制系统。,1.3.2工业自动化的

16、发展,基地式气动仪表控制系统： 20世纪50年代以前，检测控制仪表处于发展的初级阶段。采用基地式气动仪表，信号仅在本仪表内起作用。各测控点处于封闭状态，无法与外界沟通信息。操作人员只能通过对生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 电动单元组合式模拟仪表控制系统： 20世纪50年代，采用气动、电动系列的单元组合式仪表，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号（如：0.020.1MPa的气压信号，010mA、420 mA的直流电流信号，15V的直流电压信号等），送往集中控制室，操作人员可以坐在控制室观察生产流程各处的状况。 集中式数字控制系统： 20世纪6070年代中期，采用由一台数字计算机替代一组模拟

17、控制器，通过A/D转换采集参数，计算机运行控制算法，通过D/A转换控制执行器。,集散控制系统（DCS）： 20世纪70年代中期，采用数字调节器，PLC，以及由多个计算机递阶构成的控制系统。 系统中测量变送仪表一般为模拟仪表，它是一种模拟数字混合系统。 由于受计算机系统早期存在的系统封闭的影响，DCS系统难以实现各厂家产品之间的互换与互操作，难以组成更大范围信息共享的网络系统。 现场总线控制系统： 20世纪80年代中期，控制网络突破了专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备连接成控制网络，组合成各类控制系统。 解决了DCS系统中信号的传

18、递需要从现场到控制室，再从控制室到现场的往返专线的传递过程。,1.3.2工业自动化的发展,现场总线控制系统同传统控制系统的结构比较,1.3.2工业自动化的发展,工业控制系统发展具有以下4个特点：,1. 计算机技术在控制系统中越来越重要 2. 信息的集成程度越来越高 3. 控制功能越来越“接近”现场,工业控制系统发展具有以下4个特点：,4.现场仪表的测控能力越来越强,1.3.3现场总线控制系统的特点,现场设备具有智能和自治的特点 ，而不仅仅是测量单元或执行单元 提高了系统的精度和自诊断功能 控制周期从每秒调节25次增加到1020次；控制精度可以从DCS的0.5%提高到0.1% 降低了设计、安装的

19、软硬件费用和系统的维护费用。降低安装费用60。 组态和修改容易,工业控制网络的一个示例,IPC,PLC,变频器,变频器,温度,压力,流量,电磁阀,调节器,Ethernet,CAN总线（Profibus总线）,人机界面,总线,控制网络在企业网络系统中的地位与作用,（一）企业网络系统的层次结构 按网络连接结构分为三层： 底层控制网infranet 企业内部网intranet 互联网internet。,控制网络在企业网络系统中的地位与作用,按照网络的功能结构分为三层： 企业资源规划网ERP（enterprise resource planning） 制造执行层MES（manufacturing ex

20、ecution system） 现场控制层FCS（field control system）。,控制网络在企业网络系统中的地位与作用,（二）控制网络连接方式 目前，控制网络与上层网络的连接方式一般有以下三种： 一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上。 二是将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的PCI插槽内，在PC机内完成数据交换。 三是将Web服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。,1.4 几种现场总线技术简介,CAN总线 CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）最早由德

21、国BOSCH公司推出，最初用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信的总线。 CAN总线仅仅定义了物理层、数据链路层，基于CAN的这两层协议又开发出了新的总线协议：如DeviceNet、SDS、CANopen等。CAN总线是最早进入我国的现场总线，目前已经广泛应用于国内自动化的各个领域。 1993年成为ISO11898标准。,1.4 几种现场总线技术简介,基金会现场总线FF 低速标准H1，高速标准H2，高速以太网HSE。 FF支持者主要是流程工业中极具影响的仪表和执行器生产厂商，在化工、电力等连续生产过程中经验丰富，因此，FF在过程自动化领域的优势十分明显。 但由于FF产品价格昂贵，在国内的技术支

22、持难以满足用户的要求，整个应用水平不高。,1.4 几种现场总线技术简介,Profibus现场总线 Profibus 由西门子公司在1987年推出，后来移交给Profibus 用户组织（现为PI，Profibus International）管理。 Profibus早期标准包含Profibus FMS、Profibus DP、Profibus PA三个子集。后来，Profibus与以太网相结合，提出了ProfiNet解决方案，并逐渐取代了Profibus FMS的位置。,PROFIBUSDP: （Decentralized Periphery）： DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化

23、领域。 PROFIBUSFMS: （ Fieldbus Message Specification ）： FMS适用于工厂、楼宇自动化中的单元级，用于非控制信息的传输。 PROFIBUSPA: (Process Automation )PA用于过程自动化的总线类型.,1.4 几种现场总线技术简介,DeviceNet DeviceNet总线技术是在CAN技术上发展起来的，是一种低成本的设备层网络技术，定义了应用层、收发器和传输介质，在通信方面更加完善。 DeviceNet总线技术由美国Rockwell公司研制开发，后交由ODVA（Open DeviceNet Vendor Association

24、）管理，它负责DeviceNet规范的管理、修订、完善和发行。,1.4 几种现场总线技术简介,ControlNet 最早由Rockwell公司于1995年10月提出，并于1997年转让给控制网国际组织CI（ControlNet International）。 它是一种具有高速、高度确定性和可重复性的网络，总线上可以传输具有严格时间要求的信息和无严格时间要求的信息，采用生产者/消费者的通信模式。 在Rockwell推出的工业自动化三层体系结构中ControlNet对应于控制层，设备层和信息层对应的分别是DeviceNet和EtherNet IP。,1.4 几种现场总线技术简介,WorldFIP

25、WorldFIP是成立于1987年的WorldFIP协会制定并大力推广的现场总线，它先成为法国标准，后来又成为欧洲标准，既可用于离散制造业自动化，又可用于过程自动化领域。 在WorldFIP中，传感器/执行器称为0级设备，PLC/控制器称为1级设备。 WorldFIP多应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输和过程自动化等领域。,1.4 几种现场总线技术简介,P-Net P-Net现场总线于1983年由丹麦Proces-Data公司提出，后得到P-Net（Process automation NET）用户组织的支持。 传输速率76.8kbps，最大传输距离1200m，每段最多可连接125个设备

26、。 每帧数据56位，采用CRC循环冗余检测和海明码校正的出错校验机制。 采用多段结构的多主网络系统。可连接多达32个主节点。主节点下可连接多个从节点。主节点具有相同的优先级，采用“虚拟令牌”在主节点之间依次循环传递，决定对总线的访问控制权。 已成为丹麦的国家标准和欧洲标准EN50170的子集，被列入国际现场总线标准IEC61158，属该标准的子集4。 其应用领域主要集中在奶制品、啤酒、食品、饲养等与农业自动化相关的行业。,1.4 几种现场总线技术简介,LonWorks 是美国ECHELON公司1991年推出的局部操作网络。 开放式通信协议采用LonTalk协议，用户标准化组织LonMark。

27、LonTalk协议遵循ISO/OSI参考模型，提供了OSI所定义的全部七层服务，这是LonWorks的显著特点。 LonWorks在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统等方面具有极大的市场份额。,1.4 几种现场总线技术简介,Interbus由德国Phoenix Contact公司开发，得到Interbus俱乐部支持。 是给单主机系统设计的，实际上是两个总线，远程总线与本地总线。 物理上是直线总线，采用数据环的方式传送。 最多可带64个节点，最远可达12.8km。 输入输出数据16位。 信号遵循电子工业联合会EIA-485标准，传输速率为500kbps。 适用于快速且长距离的大系统，但实现成本较高。 已发展成IEC现场总线标准的子集。,1.4 几种现场总线技术简介,AS-I （Actuator-Sensor-Interface，执行器-传感器-接口） 用于在控制器和传感器之间实现双向数据通信。 传输字节很短，有效数据一般只有45位。 适用于连接具有开关量特征的传感器和执行器，如行程开关、温度、压力、位置开关、继电器、接触器等。,1.5 现场总线的标准,最早成为国际标准的现场总线是C