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1、邬 春 学 or 上海理工大学,网络控制技术 Networked Control Technology,网络工程教研室 Sunday,July 9,2023,网络控制技术,2023/7/9,2,网络控制技术第3部分 实时控制网络,第1部分 绪论第2部分 网络与数据通信第3部分 实时控制网络第4部分 网络与控制性能分析第5部分 网络控制系统调度方法第6部分 网络控制系统常规控制器的设计第7部分 现代主干网络技术综述,2023/7/9,3,3.1 控制网络的基本概念,1、工业对象对网络的基本要求,图3.1 RNA体系层次结构图,1、工业对象对网络的基本要求,2023/7/9,4,表3.2 各种工业
2、控制的特点,2、控制网络的分类,2023/7/9,5,随机网络：延迟时间是随机的，如EtherNet有界网络：延迟时间有确定的上界，如ConrolNet常值网络：时间延迟应保持一定，如DeviceNet,根据网络时延特征，工业自动化系统中采用的控制网络一般分为：,3、控制网络的功能,2023/7/9,6,控制网络与一般信息网络的比较,3、控制网络的特点,2023/7/9,7,(1)系统的开放性。,(2)互可操作性与互用性。,(3)系统结构的高度分散性。,(4)对现场环境的适应性。,(5)一对结构。,(6)可控状态。,(7)互换性。,(8)综合功能。,(9)统一组态。,4、网络协议和层次结构,2
3、023/7/9,8,网络协议(Net Protocol)是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。,计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂的系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能，分层结构还有利于交流、理解和标准化。,5、控制网络的体系结构,2023/7/9,9,控制网络一般由OSI参考模型的物理层、数据链路层、应用层三层模式体系结构和通信媒质构成，如：CAN、DeviceNet。也有在此基础上加数据传输层的四层模式体系
4、结构，如：profibus。Lon Works控制网络却比较特殊，它采用全部OSI七层模式体系结构。而ErherNet则采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层模式体系结构。,图3.2 三层控制网络的体系结构,2023/7/9,10,3.2 介质层与控制网络,1、双绞线,图3.3 双绞线模式,2023/7/9,11,3.2 介质层与控制网络,2、同轴电缆,图3.5 同轴电缆结构,2023/7/9,12,3、微波,图3.6 微波通信,3.2 介质层与控制网络,2023/7/9,13,4、光纤,图3.8 光纤和光纤剖面图,3.2 介质层与控制网络,2023/7/9,14,4、光纤,图3.
5、9 光纤的电信号传输过程,3.2 介质层与控制网络,2023/7/9,15,4、光纤,图3.10 单模光纤和多模光纤,3.2 介质层与控制网络,2023/7/9,16,3.3 物理层与控制网络,物理层定义了网络的物理结构，传输的电磁标准，数据流的编码及网络的数据传送时间原则，如分时复用及分频复用等，同时也决定了网络连接类型（端到端或多端连接）及物理拓扑结构等，它构建了网络通信的基础。,1、EIA RS232物理层协议,2023/7/9,17,图3.11 单端线路连接示意图,单端线路驱动器与接收器：,2023/7/9,18,图3.12 RS-232C逻辑电平示意图,a.逻辑电平示意图 b.典型波
6、形,逻辑电平及典型波形：,1、EIA RS232物理层协议,2023/7/9,19,表3.4 RS-232引脚说明,1、EIA RS232物理层协议,2023/7/9,20,图3.13 RS-232C连接示意图,1、EIA RS232物理层协议,2023/7/9,21,图3.14 RS-232C通信七线制示意图 图3.15 RS-232C通信三线制示意图,1、EIA RS232物理层协议,2023/7/9,22,图3.16 RS-232C单工通信连线示意图,1、EIA RS232物理层协议,2、EIA RS422/RS485物理层协议,2023/7/9,23,RS-485通信网络的基本构架,图
7、3.17 RS-485网络构架示意图,2023/7/9,24,RS-485网络工作波形示意图：,图3.18 RS-485网络工作理想波形图,2、EIA RS422/RS485物理层协议,2023/7/9,25,RS-485网络的电压偏置：,图3.19 具有偏置电阻的RS-485网络,2、EIA RS422/RS485物理层协议,2023/7/9,26,RS-485网络的终端匹配：,图3.20 加终端匹配电阻RS-485节点,2、EIA RS422/RS485物理层协议,3、ISO 11898物理层协议,2023/7/9,27,(1)物理媒体协议（PLS）子层,(2)物理媒体连接（PMA）子层,
8、4、IEEE802.3物理层协议,2023/7/9,28,表3.5 IEEE802.3的10Mbps可选方案,4、IEEE802.3物理层协议,2023/7/9,29,图3.25 不同形式的位编码,5、IEEE802.11物理层协议,2023/7/9,30,802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。,802.11bHigh Rate协议，用来对802.11协议进行补充，在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率。,利用802.11b，移动用户能够获得同Ether
9、net一样的性能、网络吞吐率、可用性。,2023/7/9,31,3.4 数据链路层与控制网络,数据链路层的主要任务是为网络层提供一条无差错的传输线路，通常采用反馈重纠错方式来纠正传输中出现的差错。,分成两个子层：逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)和介质控制MAC子层。,图3.26 OSI参考模型与局域网协议层次,2023/7/9,32,3.4 数据链路层与控制网络,图3.27 IEEE802.3MAC子层功能模块及接口,1、IEEE802.3 MAC子层协议,2023/7/9,33,MAC子层规范格式：,图3.28 IEEE802.3的MAC帧格式,用于位同步的前导
10、序列,目的节点MAC地址,发送节点MAC地址,数据域长度,LLC子层数据单元,帧校验，CRC-32,帧的起始定界符,1、IEEE802.3 MAC子层协议,2023/7/9,34,总线监听算法：,非坚持CSMA 坚持CSMA P-坚持CSMA,2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子层协议,2023/7/9,35,(1)IEEE802.5 MAC子层协议,图3.29 令牌环拓扑结构,2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子层协议,2023/7/9,36,（a）令牌帧格式,（b）数据帧格式图3.30 IEEE 802.5的令牌帧与数据帧格式,2、IEEE802.4/IEE
11、E802.5 MAC子层协议,2023/7/9,37,(2)IEEE802.4 MAC子层协议,图3.30 令牌总线结构,3、ISO11898 MAC子层协议,2023/7/9,38,图3.32 CAN总线系统组成示意图,3、ISO11898 MAC子层协议,2023/7/9,39,图3.33 CAN的帧结构,3、ISO11898 MAC子层协议,2023/7/9,40,图3.34 CAN总线仲裁波形示意图,3、ISO11898 MAC子层协议,2023/7/9,41,图3.35 CAN总线仲裁实际波形,4、CC-LINK MAC子层协议,2023/7/9,42,图3.36 CC-Link T
12、型分支,4、CC-LINK MAC子层协议,2023/7/9,43,图3.37 CC-Link传输帧的基本格式,4、CC-LINK MAC子层协议,2023/7/9,44,图3.38 传输方式,4、CC-LINK MAC子层协议,2023/7/9,45,图3.39 CC-Link通信过程,5、802.11 MAC子层协议,2023/7/9,46,802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。,图3.40 接入点的漫游服务,2023/7/9,47,3.5 应用层与控制网络,1、应用层基本控制模式,(1
13、)源目的地址通信模式,图3.41 通过路由器连接的两个网络,2023/7/9,48,(2)生产者/消费者通信模式,图3.42 生产者/消费者和源/目的通信模式图示,3.5 应用层与控制网络,1、应用层基本控制模式,2023/7/9,49,2、CAN总线应用层有界网络解决方案,图3.45 CAN总线应用层的令牌传递模式,3.5 应用层与控制网络,2023/7/9,50,3.6 常用网络协议的协议栈,1、DeviceNet 协议栈,图3.46 协议层次模型描述图 图3.47 报文报文格式,DeviceNet作为基于控制网络技术的工业标准开放网络，为简单的底层工业装置与高层控制设备如工控机、PLC之
14、间架起连接的桥梁。,2023/7/9,51,2、ControlNet 协议栈,图3.48 ControlNet协议栈,ControlNet 具有高吞吐量、资源共享、组态和编程简单、传输介质为同轴电缆和光纤、支持冗余介质、体系结构灵活和安装费用低等特点。ControlNet 主要用于PLC与计算机之间的通讯，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I/O设备、人机界面等装置。,3.6 常用网络协议的协议栈,2023/7/9,52,3、CC-LINK 协议栈,图3.49 CC-LINK的协议栈,CC-Link具有如下突出优点：（1）高速度大容量的数据传送；（2）拓扑结构有多点接入、T型分
15、支、星型结构；（3）CC-Link使分布控制成为现实；（4）自动刷新功能、预约站功能。,3.6 常用网络协议的协议栈,2023/7/9,53,3.6 常用网络协议的协议栈,4、工业以太网协议栈,图3.50 工业以太网协议栈,2023/7/9,54,本章小结,1、控制网络的基本概念2、介质层与控制网络3、物理层与控制网络4、数据链路层与控制网络5、应用层与控制网络6、常用网络协议的协议栈,讨论问题：,1、NCS网络介入方式2、NCS网络分类3、新型NCS及无线NCS发展趋势4、无线NCS路由技术5、混合型NCS及综合应用6、传统网络与NCS网络的QoS共性和区别7、物联网技术综述8、传感器网络，重点无线传感器网络（WSN）,2023/7/9,56,第三部分 结束,
