工业以太网和PLC通信技术

工业以太网与PLC通信技术第1页共23页电气工程专业系列技术刘继茂2008-4-25第一章工业以太网计算机网络:计算机网络是把一定物理范围内的计算机通过通信线路互相连结起来，在相应的通信协议和网络系统软件的支持下，彼此互相通信并共享资源的系统。常见的硬件有：计算机（服务器和工作站）、网络接口卡、通信介质、以及各种网络互连设备。服务器：服务器是具有较强的计算功能和丰富的信息资源的高档计算机，它向网络客户提供服务，并负责对网络资源的管理，是网络系统中的重要组成部分。类型：文件服务器、通信服务器、计算服务器、打印服务器等,主要功能：•为网络工作站上的用户提供共享资源、•管理网络文件系统•提供网络打印服务•处理网络通信•响应工作站上的网络请求网络工作站是通过网络接口卡连接到网络上的个人计算机，它保持原有计算机的功能，作为独立的个人计算机为用户服务，同时又可以按照被授予的一定权限访问服务器。各工作站之间可以相互通信，也可以共享网络资源。工作站的主要功能：向各种服务器发出服务请求；从网络上接受传送给用户的数据。网络接口卡简称网卡，又称网络接口适配器（Adapter）。是计算机与通信介质的接口。网卡的主要功能：实现网络数据格式与计算机数据格式的转换、网络数据的接收与发送。通信介质是在计算机之间传输数据信号的重要媒介，它提供了数据信号传播的物理通道。通信介质可分为：有形介质：双绞线、同轴电缆、光缆无形介质：无线电、微波、卫星通讯不同的通信介质具有不同的传输速率和传输距离，分别支持不同的网络类型。网络互连设备Hub（集线器）局域网的连接设备repeater（中继器）用于数字线路，信号再生、放大，增加网络的传输距离。bridge（网桥）互连两个局域网子网router（路由器）在广域网范围内，互联局域网。Gateway（网关）互连两个体系结构不同的网络1.交换机也叫交换式集线器(Switch)，它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用，由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞，因此，交换机可以同时互不影响的传送这些信息包，并防止传输碰撞，提高了网络的实际吞吐量1)Ethernet交换机基本上是高性能的多端口网桥；2)通过LAN目的地址过滤及转发帧；3)利用穿过的源地址自动建立路由表；交换机和网桥的区别工业以太网与PLC通信技术第2页共23页电气工程专业系列技术刘继茂2008-4-25网桥只有少量的端口(如2～4)；交换机则有许多端口；许多交换机可以全双工方式工作2.路由器（Router）一种用于连接两个运行相同/不同协议的IS。是网络连接设备的重要组成部分，它相对网桥提供了一个更高层次的LAN互联。路由器能根据分组类型过滤和选择路由，支持在LAN段之间有多个链路的网络，当某个链路损坏时，可选择其他路由以及根据网络通信的情况决定路由.总的来说，路由器与交换机的主要区别体现在以下几个方面：（1）工作层次不同最初的的交换机是工作在OSI／RM开放体系结构的数据链路层，也就是第二层，而路由器一开始就设计工作在OSI模型的网络层。由于交换机工作在OSI的第二层（数据链路层），所以它的工作原理比较简单，而路由器工作在OSI的第三层（网络层），可以得到更多的协议信息，路由器可以做出更加智能的转发决策。（2）数据转发所依据的对象不同交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。而路由器则是利用不同网络的ID号（即IP地址）来确定数据转发的地址。IP地址是在软件中实现的，描述的是设备所在的网络，有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。MAC地址通常是硬件自带的，由网卡生产商来分配的，而且已经固化到了网卡中去，一般来说是不可更改的。而IP地址则通常由网络管理员或系统自动分配。（3）传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域；而路由器可以分割广播域由交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上传播，在某些情况下会导致通信拥挤和安全漏洞。连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域，广播数据不会穿过路由器。虽然第三层以上交换机具有VLAN功能，也可以分割广播域，但是各子广播域之间是不能通信交流的，它们之间的交流仍然需要路由器。（4）路由器提供了防火墙的服务路由器仅仅转发特定地址的数据包，不传送不支持路由协议的数据包传送和未知目标网络数据包的传送，从而可以防止广播风暴。交换机一般用于LAN-WAN的连接，交换机归于网桥，是数据链路层的设备，有些交换机也可实现第三层的交换。路由器用于WAN-WAN之间的连接，可以解决异性网络之间转发分组，作用于网络层。他们只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发。这两条线路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对也慢，价格昂贵.3.网桥(Bridge)存储－转发设备,工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。远程网桥通过一个通常较慢的链路（如电话线）连接两个远程LAN，对本地网桥而言，性能比较重要，而对远程网桥而言，在长距离上可正常运行是更重要的。工业以太网与PLC通信技术第3页共23页电气工程专业系列技术刘继茂2008-4-25接收整个帧传递到数据链路层做校验和检查；向下传到物理层，以便转发到不同的网络允许LAN段间通信，但保持各冲突域的独立；能互连不同的LAN技术理论上说用网桥建立多大的LAN没有限制；路由器与网桥的区别路由器网桥检查packet的头，并根据头包含的地址作出路由决策仅检查帧头，并不检查或修改帧包含的网络层packet；当将packet交给数据链路层时，它并不了解也不在意packet会封装在以太帧或tokenring帧中不知道也不在意它正从802.xLAN转发到802.yLAN的帧是否包含IP、IPX或CLNPpackets。4.桥路器(brouter)可同时作为网桥使用的一种路由器。工作原理首先根据网络协议信息投递数据包然后用物理地址发送数据桥路器与路由器的区别1如果数据库没有正确的逻辑地址，路由器就将包丢弃。2桥路器能在不识别逻辑地址的情况下，改用物理地址传送5.网关（Gateway）传输网关：在传输层将两个网络连接起来。应用网关：在应用层将某个应用的两部分连接起来。二开放式系统互连参考模型（OSI）ISO于1978年提出了OSI模型。OSI模型是设计和描述计算机网络通信的基本框架。它描述了网络硬件和软件如何以层的方式协同工作，进行网络通信。OSI—OpenSystemInterconnection生产厂商根据OSI模型的标准设计自己的产品。OSI的分层结构应用层：应用程序访问网络服务的窗口，直接支持用户的应用程序。表示层：确定计算机之间交换数据的格式，可称其为网络转换器。会话层：不同计算机的两个应用程序建立、使用和结束会话连接。传输层：作用是为高层用户提供独立于具体网络的、经济有效的、可靠的端对端数据传输服务。网络层：将分组从源节点传到目的结点，网络层的功能：路由选择、解决拥塞控制、实现网络互连数据链路层：向网络层提供可靠透明的数据传输服务，进行差错控制和流量控制．物理层：位于OSI参考模型的最底层；它直接面向传输介质，负责在通信介质之上，为数据连路层提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层协议为建立、维持和拆除物理连接规定了机械的、电气的、功能的和规程的特性。工业以太网与PLC通信技术第4页共23页电气工程专业系列技术刘继茂2008-4-25第二章现场总线国际电工委员会IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线系统的组成•硬件包括通信线（或称通信介质（媒体）、总线电缆）、连接在通信线上的设备（称为总线设备或装置、节点、站点（主站、从站））。•软件包括以下几部分：组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台并按现场总线协议/规范（Protocol／Specification）与组态通信软件交换信息的工具软件；控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软件平台用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件；监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。现场总线的技术特点•与DCS等相比，现场总线系统有以下特点：现场总线是数字通信网络1、现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；2、中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；3、各层设备之间的信息交换均用数字信号。现场总线是开放互连网络1、现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；2、现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；3、用户可共享网络资源。现场总线通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，系统测量与控制精度提高1.在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变为数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。2.现场总线采用数字信号通信这一数字化特点，从根本上提高了系统的测量与控制精度。工业以太网与PLC通信技术第5页共23页电气工程专业系列技术刘继茂2008-4-25第三章数据通信与计算机网络基础3.1数据编码•码元——是所传输数据的基本单位。•用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0，1状态，称为模拟数据编码。用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码。单极性码：信号电平是单极性的。双极性编码：信号电平为正、负两种极性的。归零码（RZ）：归零码在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。非归零码（NRZ）：非归零码在整个码元时间内维持有效电平。差分码：差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。变化为“1”，不变化为“0”。曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）•码元本身分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。•模拟数据编码的三种编码方法：•幅度键控ASK（amplitude-shiftkeying）•频移键控FSK（frequency-shiftkeying）•相移键控PSK（phase-shiftkeying）3.2信号的传输方式3.2.1基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输；不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。•基带传输特点：不用调制解调器系统价格低廉较高的数据传输速率（一般为1Mb/s～10Mb/s）传输距离一般不超过25km半双工方式或单工方式3.2.2载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK三种。3.3.3宽带网宽带网与基带网的主要区别，一是数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为0～10Mb/s，宽带网可达0～400Mb/s；二是宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径3.3.4异步传输模式ATMATM（asynchronoustransfermode）是实现高速网络的主要技术。速率