工业通信网络技术与应用复习(含作业版)

What？工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息,工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。也是工业控制内的局域网，是生产企业的底层网络；Why？自动化系统“读”“算”“写”和“连”；How?协议体系：层次-设备-算法。工业通信系统协议模型现场总线一般都是作为工业局域网应用的，在常用的现场总线技术中，重要的是物理层、链路层和应用层，有时候还有用户层。-物理层：比特流的产生和处理，包括信号电平、编码方式、硬件接口和比特流同步问题；-数据链路层：数据流产生即成帧方式，或数据流结构，检错重传机制，流量控制机制以及信道接入控制方式等等；应用层：如何生成和使用数据；用户层：功能块（设备）工业自动控制网络通信技术需要考虑：（1）传输及时性和系统实时性：比较制造化系统响应时间要求在0.01～0.5s，过程控制系统响应时间为0.5～2s。而信息网络响应时间是2～6s。显然，工业通信网络的实时性要求高。（2）高可靠性：环境恶劣下工业生产现场的通信网络必须适应环境，包括电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）、气候环境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，应有本质安全的性能。（3）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题，强调互操作性，在ISO/OSI参考模型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来保证开放性通信。（4）总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。（5）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工业现场传输多媒体信息增加，网络传输的带宽要求也在增加。（6）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少。（7）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传送。正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如Profibus、Can、DeviceNet等）组成，而正在向高速网络发展。为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。通信系统：硬件（信道+结点/设备）；软件（通信协议）1)使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术：幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）相移键控PSK（PhaseShiftKeying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号S(t)=Acos(ωt+φ)S(t)的参量包括：幅度A、频率ω调制就是要使A、ω或φ随数字基带信号的变化而变化ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和12)数字编码:NRZ\Manchester\差分Manchester3）使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（脉码调制,PulseCodedModulation）。数据传输的同步技术目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位——位同步字符——字符同步帧(Frame)——帧同步工业通信系统的可靠性:可靠性要求：1）控制错误，和2）容错。即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。干扰的抑制解决噪声干扰问题的硬件方法：屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。隔离：隔离是使电路相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变压器隔离。滤波：用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。接地：“地线”指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。软件抗干扰技术数字滤波：加一段数字滤波程序，有中位值法、平均值法和限幅滤波等；软件冗余/软件陷阱“看门狗”（watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。第三章通信总线技术及应用总线的性能指标主要有下面几条：1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：在计算机总线中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33MHz，则最大数据传输速率为:(32/8)×33=132MB／s；2）总线时钟：总线中各种信号的定时基准。；3）总线宽度：总线中数据总线的数量，用Bit(位)表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分；4）信号线数：总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线；5）负载能力：总线中信号线带负载的能力。该能力强表明可接的总线板卡可多一些。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。微处理器常用串行总线：通用异步接收器传输总线UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）同步外设接口(SPI-SerialPeripheralInterface)、内部集成电路(I2C-Inter-IntegratedCircuit)。常用异步串行通讯接口标准RS232CRS232是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电子工业协会的推荐标准RS=recommendedstandard标准规定了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间串行通信接口的物理(电平)、信号和机械连接标准RS232C的电气标准：3V~15V:逻辑0-3V~-15V:逻辑150ft@9600bpsRS422和RS485其它常用工业通讯技术1）FireWire串行总线(IEEE1394)IEEE一项视频传输串行接口标准。早期由苹果开发，索尼曾参与开发（6线改4线），注册为iLINK商标。2）USB：支持外接设备热插拔、同时可为外设提供电源，省去了外设自带的电源、支持同步数据传输。3）工业无线ZIGBEE-RFID4）PLC第三章通信总线技术及应用计算机接口总线XT-AT-ISA-PCI-PCIe工控机与测控仪器接口总线STD总线-PC/104总线-AT96总线-VME-CompactPCI/PXI总线工控机。测量仪器接口总线：GPIB-VXI-PXI-LXI727781828485878990919497000405IBMPCVMEISAVXIWindowsEISA第四部分：常用工业现场总线1.概述现场总线应用在生产现场1、在测控设备间2实现双向3串行4多节点5数字通信6。现场总线本质体现：现场通信网络：现场设备互联：使用不同介质把不同现场设备或仪表相联。互操作性：用户可选不同产品构成所需的控制回路。分散功能块：FCS把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,实现了分散控制。通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。开放式互联网络：可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。基金会总线FF（FoudationFieldbus）FF前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。FF超过了现场总线范围，是一个完整的工业网络体系。新增用户层的主要功能：定义信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定通用的功能模块集，对使用总线的用户应用进行规范。虽然协议变得复杂，但却带来设备间的可相互操作性。3）物理层：低速H1，（H2后来被HSE-HighSpeedEthernet取代）。IEC1158-2（MBP）双线信号传输技术，两种供电方式：非总线供电和总线供电。数字信号以31-25KHz的频率、0.75-1V的峰值电压被调制到9-32V直流电压上。传输信号采用曼彻斯特编码。4）数据链路层：将集中调度式通信（LAS）与令牌循环的通信控制方式（LAS管理），可保证周期性变量的准确定时传输，同时又通过令牌予每一节点设备在定周期传输的间隙时间内自主通信的权利，保证了实时性。链路主设备能够成为LAS，总线上至少有一个链路主设备，但同一时刻成为LAS的主设备只有一个。LAS的产生可以是竞标方式或组态方式。LAS通过优先级的动态管理和更新优先级来控制报文的传输5）应用层分为两个子层：FAS和FMS。前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码与解码。现场总线访问子层FAS利用数据链路层的确定性的受调度通信与不受调度的非周期型通信，为上层应用提供了三种通信模型，即客户-服务器(C-S)模型、发布者-预定接收者(P-S)模型及源方-收存方(Source-Sink)模型。现场总线报文规范子层FMS描述用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行为等，采用“对象描述（OD-ObjectDiscription）”来说明总线上传输数据对象的格式与意义。把对象描述收集成“对象字典”（OD-ObjectDictionary），用来解释对象。6）用户层由预先定义的标准功能块和用户自定义的柔性功能块FFB构成。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，能完成一个独立而完整的控制功能。通过功能块模型及其参数，可以组态、维护以及定制用户应用，易于实现基本的分布式控制功能。4.LonWorksLonWorks（LocalOperatingNetwork）Echelon1990年12月推出。是一个开放系统，可使不同厂家生产的符合LonTalk协议的设备及产品进行互连。相比其它主流总线，Profibus下包含着几十年甚至上百年的技术和应用技术积累，FF则是很多流行技术的一次整理好更新，而LonWorks是独立全新的现场总线技术：从协议到设备，甚至核心芯片都是精心设计的结果。主要技术特点为：通信协议LonTalk符合ISO-OSI7层模型；LonTalk协议封装于专门的Neuron芯片；为总线应用提供了一套完整的开发平台，包含所有设计、配置和支持控制网元素。LonWorks技术构成1）物理层支持LonWorks通信介质可使用双绞线、电缆、光纤、电力线等；通信速率：300b/s~1.25Mb/s，130m-2700m；每帧长：0——228字节；2）介质