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1、1,第六章：工业控制网络,2,第六章：工业控制网络,6.1 数据通信技术6.2 工业网络技术6.3 现场总线技术,1、异步传送和同步传送的信息格式；2、平衡传输方式和不平衡传输方式；3、RS-232C、RS-423A、RS-422A、RS-485串行通信接口标准4、工业局部网络的拓扑结构5、ISO国际标准化组织提出的OSI开放系统互连参考模型6、什么是现场总线？有哪几种典型现场总线？,4,第六章：工业控制网络,控制网络技术是计算机技术、控制技术和网络通讯技术相结合的产物控制网络和信息网络的区别：,控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求；控制网络强调在恶劣环境下数据传
2、输的完整性、可靠性以及在易燃易爆场合的本质安全性；控制网络的通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中某个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式；控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容的问题(互操作性)。目前控制网络产品还没有像信息网络产品那样完善的统一规范和标准。,5,6.1 数据通信技术,6.1.1 串行通信的基本概念串行通信与并行通信:不同系统或不同计算机之间的通信方式,并行通信是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高，但用电缆多，常用在传输距离较短（通常小于10m），数据传输率较高的场合。串行通信是数据一位一位依次传输，每个数据占据一
3、个固定的时间长度。这种方式用电缆少，目的是为了长距离有效传送数据，但通信速度比较慢。,串行通信,并行通信,6,6.1 数据通信技术,四种数据编码方式不归零码NRZ归零码RZ曼彻斯特码(RZ)差动曼彻斯特码(RZ),对于传输数字信号而言，最普遍而简单的方法是用两个不同的电压来表示数字位的两个状态（如零电压表示零，正电压表示1。）,NRZ(a)：码元之间没有间隔，难以判断一位的开始和结束；RZ(b,c)：每一位的中间有跳变，中间的跳变既作为同步时钟，也作为数据。从高到低的跳变表示1,从低到高的跳变表示0。,d）每位开始有电压变化就表示0，无电压变化表示1。,单极性码与双极性码,7,6.1 数据通信
4、技术,串行传输线路两种方式：平衡方式和不平衡方式不平衡方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的；在不平衡方式中，信号线上所感应到的干扰和地线上的干扰将迭加后影响到接收信号；平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。平衡方式中，双绞线上所感应到的干扰相互抵消，地线上的干扰又不影响接收端，因此平衡传输方式在抗干扰方面有较良好的性能，并适合较远距离的数据传输。,3.4 可编程串行接口芯片8251A,8,数据传送模式单工(Simplex)通信模式。仅能进行一个方向的数据传送。半双工(Half Duplex)通信模式。它能
5、够在设备A和设备B之间交替地进行双向数据传送。全双工(Full Duplex)通信模式。通信设备A或B均能在发送的同时又能接收数据。,9,6.1 数据通信技术,比特率与波特率数据传送的速率通常用比特率(bitrate)表示。比特率是指每秒能传输的比特(bit)数，单位为bit/s(bps-bit per second)。波特率(Baudrate)是指每秒能传输的符号(也称离散状态)数。若每个符号所含信息量等于1比特，则波特率等于比特率。在计算机中，一个“符号”的含义为高电平或低电平，即符号所含信息量刚好等于1比特。因此，在计算机数据传输中常将比特率称为波特率。,10,6.1 数据通信技术,设计
6、算机数据传输速率120字符/s，每个字符使用10个比特(bit)位，则其传输的波特率/比特率为：10 bit/字符120字符/s=1200 bit/s=1200波特率每一位的传输时间Td等于波特率的倒数，此处有：Td=1/1200=0.833 ms国际上规定有一个标准波特率系列，即300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400 和57600波特等。,11,6.1 数据通信技术,异步传送与同步传送异步传送起始位：持续一个比特时间的逻辑“0”电平，标志一个字符的开始；数据位：58位，紧跟着起始位之后，是字符中的有效数据位。传送数据时，先送低位，后送高位数据。奇偶校验
7、位：仅占一位，根据需要设置奇/偶校验或不设校验位；停止位。1位、1.5位 或2位，并规定为逻辑“1”状态；,串行通信分为异步传送与同步传送两种,在数据组之间可有空闲位。,12,6.1 数据通信技术,在两个数组之间可以有空闲位,异步传送,13,6.1 数据通信技术,同步传送单同步；一个同步字符（a），两个字节的循环控制码CRC结束双同步；两个同步字符（b），两个字节的循环控制码CRC结束SDLC:同步数据链路控制规程(Synchronous Data Link Control,IBM)HDLC:高级数据链路控制(High Level Data Link Control,ISO),通常，异步通信速
8、率要比同步通信的低。,14,6.1 数据通信技术,SDLC/HDLC标志符：格式7EH（01111110）。其作用是作为信息传输的边界符，在两个标志符间的信息称为一帧，在一帧信息传送前先送该标志符，表示一帧开始，一帧信息传输结束，紧接着应再送一标志符，作为一帧结束的标志。为了实现标志符编码的唯一性，采用了“0”比特插入/删除技术，以保证接收站能正确识别数据场信息中含有与标志符代码相同的数据信息。其方法是：在发送数据场信息时，如遇到连续5个“1”，则自动插入“0”。接收端在连续收到5个“1”后就自动将其后的“0”删除，以便恢复信息原有的含义。例如，当CPU将数据7FFEH=0111 1111 1
9、111 1110B送至发 送端后，发送器自动插入“0”变为：01111101111101110B，此信息由接收器接收，并删除“0”后恢复成原信号7FFEH。,数据终端设备DTE,数据通信设备DCE,数据通信设备DCE,数据终端设备DTE,RS-232C接口标准,RS-232C接口标准,传输线,1,1325,1224,1123,1022,921,820,719,618,517,416,315,214,0.5英寸,阳:1.58英寸阴:1.51英寸,*2.09英寸,*,6.1.2 串行接口标准RS-232C0.054英寸1.85英寸,6.1 数据通信技术,15,目前最广泛使用的串行通信接口标准。,该
10、标准没有规定连接器，因此产生了25插针的方案,16,6.1 数据通信技术,RS-499、RS423、RS422针对RS-232C应用的局限与不足（如数据传输速率局限于20kb/s,传输距离限于15m之内，接口各信号间会产生较强的串扰等），EIA（Electronic Industries Alliance，电子工业联合会）颁布了3个新标准；RS-499采用串行二进制交换的数据终端设备和数据电路端设备的通用37针和9针接口两种连接器。在多通道通信中的主信道使用37针连接器，而辅信道只需使用9针连接器即可，并规定了机械连接和功能方面的标准规范；RS-423A采用非平衡接口电路(非平衡产生器和差分接
11、收器)，传输率可达300kbit/s，传输距离为10m(在300Kbit/s)到1200m(在3000bit/s)，同时减少了信号串扰；RS-423A电气接口特性上与RS-232C兼容。RS-422A则采用平衡接口电路(平衡产生器和差分接收器)，它能够在1200m距离内把速率提高到100Kbit/s，或在较短距离内提高到10Mbit/s，同时串扰显著减少；,17,6.1 数据通信技术,RS-422A/RS-485,RS-422A采用平衡驱动和差分接收方法，从根本上消除信号地线。能够在较长距离内明显提高数据速率:（12m,10Mb/s;120m,1Mb/s;1200m,100Kb/s）1台驱动器
12、，10台接收器。RS-485是RS-422A的变型。能够在较长距离内明显提高数据速率:（12m,10Mb/s;120m,1Mb/s;1200m,100Kb/s）RS-485用于多点互连时非常方便，因此，应用RS-485可以联网构成分布式系统。最多并联32台驱动器和32台接收器。,18,6.1 数据通信技术,信号的调制和解调在计算机系统中，主机与外设之间所传送的是用二进制“0”和“1”表示的数字信号。数字信号的传送要求占用很宽的频带，且还具有很大的直流分量，因此数字信号仅适用于在短距离的专用传输线上传输。在进行远距离的数据传输时，一般是利用电话线作通信线路。由于电话线不具备数字信号所需的频带宽度
13、，如果数字信号直接用电话线传输，信号将会出现畸变，致使接收端无法从发生畸变的数字信号中识别出原来的信息。因此必须采取一些措施，在发送端把数字信号转换成适于传输的模拟信号，而在接收端再将模拟信号转换成数字信号。前一种转换称为调制，后一种转换称为解调。完成调制、解调功能的设备叫做调制解调器(Modem)。基本可分为异步调制解调器和同步调制解调器两类。,19,6.2.1 网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站。拓扑结构是指通信网络中的节点设备（包括计算机及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成的不同物理连接结构。网络拓扑结构是决定通信网络性质的关键因素之一。,6.2 工业网络技术,总线形结构是目前
14、使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构。,屏蔽箔,屏蔽双绞线,非屏蔽双绞线,内部导体内部绝缘体铝制编织导体(屏蔽),外部绝缘体,(a)一段同轴电缆,(b)一段与连接器相连的同轴电缆,外套,绝缘,包层,纤维芯,6.2.2 传输介质传输介质就是连接通信双方收、发信设备并负责信号传输的物质(物理实体)。主要分为有线介质和无线介质。有线介质主要是各种线缆和光缆；无线介质主要是指可以传输无线电波和光波的空间或大气。,6.2 工业网络技术,20,21,6.2 工业网络技术,6.2.3 介质访问控制方式CSMA/CD(载波侦听多路访问冲突检测)令牌环(Token Passing Ring)令牌总线(
15、Token Passing Bus),由于各结点通过公共传输通路（也称为信道）传输信息，因此任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个结点服务，因此，产生了如何合理使用信道，合理分配信道的问题。,传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。,22,6.2 工业网络技术,6.2.4 信息交换技术为了提高计算机通信网络的通信设备和线路的利用率，有必要研究通信网络上信息交换技术。如图所示的复杂网，两站之间交换信息存在路径选择问题，即如何控制信息传输，才能提高通信效率。通常使用三种信息交换技术：线路交换，报文交换和分组交换。,23,6.2 工业网络技术,6.2.5 ISO的OSIISO：Interna
16、tional Organization forStandardization,即“国际标准化组织”。OSI：Open System Interconnection“开放系统互连参考模型”OSI是ISO于1978年在网络通信方面所定义的开放系统互连模型。有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照共同的标准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。OSI作为计算机网络体系结构模型和开发协议标准的框架，将计算机网络划分为七个功能层，每层都有自己的协议。规定了不同系统互连的体系结构，且要求支持OSI标准的各大公司按OSI标准制造计算机网络，以便实现网络的互联。ISO/OSI的七层协议概念清晰，但体系结构复杂且不实用。,24,6.2 工业网络技术,OSI模型,25,6.3 现场总线技术,现场总线(Fieldbus)：是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,6.3.1 现场总线,6.3.2 五种典型现场总线介绍1）FF(Foundation Fieldbus，基金会现场总线)2）LONWORKS(Local Operating Networks)局部操作网络3）CAN总线技术（控制器局域网络）4）Profibus总线技术5）HART(可寻址远程传感器数据通路),
