现场总线第三章控制网络基础

现场总线技术第三章现场总线一、基本术语二、通信系统的性能指标三、数据编码与传输方式四、通信线路的工作方式与信号的传输模式五、传输差错及其检测与校正第二章内容回顾现场总线一、控制网络的特点二、网络的拓扑结构与传输介质三、网络传输介质的访问控制方式四、网络互联及其通信参考模型五、网络互联设备六、一致性与互操作性测试技术控制网络基础现场总线本章思考题控制网络基础一、简述控制网络的主要特点？二、总线访问控制技术可分为哪两大类？各自的代表性技术是哪些？三、CSMA/CD的发送数据工作过程？四、令牌环发送和接收数据的过程是什么？五、令牌总线中令牌丢失和令牌重复的处理方法？六、OSI标准模型一共有哪几层？对比OSI模型，简述FF总线、HART总线和EPA总线的通信模型？七、解释现场总线协议的一致性测试目的和可互操作性的测试目的。现场总线3.1控制网络的特点控制网络基础控制网络属于一种特殊类型的计算机网络。控制网络技术与计算机网络技术有着千丝万缕的联系，也受到计算机网络，特别是互联网、局域网技术发展的影响，有些局域网技术可直接用于控制网络。但由于控制网络大多工作在生产现场，从节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面，控制网络都有别于各式计算机所构成的信息网络。现场总线3.1控制网络的特点控制网络基础1.网络互联的概念和规范工厂局域网过程控制网络底层控制网络现场总线3.1控制网络的特点控制网络基础1.控制网络的节点除了普通PC或其他种类的计算机、工作站可以作为控制网络的节点外，控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。控制器传感器执行机构输出设备监控设备操纵台开关PC现场总线3.1控制网络的特点控制网络基础2.控制网络的任务与工作环境一、控制网络的任务控制网络以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点，以现场总线为通信介质，连接成开放式、数字化、多节点通信，完成测量控制任务的网络。控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备，起着现场级控制设备之间的数据联系与沟通的作用。现场总线3.1控制网络的特点控制网络基础2.控制网络的任务与工作环境二、控制网络的工作环境控制网络要面临工业生产的强电磁干扰，面临各种机械震动，面临严寒酷暑的野外工作环境，要求控制网络能适应这种恶劣的工作环境。控制网络肩负的特殊任务和工作环境，使其具有许多不同于计算机网络的特点：控制网络的数据传输量相对较少，传输速率相对较低，多为短帧传送。要求通信传输的实时性强，可靠性高。现场总线3.1控制网络的特点控制网络基础3.控制网络的实时性要求控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足对控制的实时性要求。实时控制对某些变量的数据往往要求准确定时刷新，控制作用必须在一定时限内完成，或者相关的控制动作一定要按事先规定的先后顺序完成，这种对动作时间有严格要求的系统称为实时系统。实时系统又可分为硬实时和软实时两类。普通计算机网络：非确定性(nondeterministic)网络控制网络：确定性(deterministic)网络现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础1.网络的拓扑结构一、环形拓扑在环形拓扑中，通过网络节点的点对点链路连接，构成一个封闭的环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号传输到目的地为止。信号只能单向传输；一个设备故障可能导致网络瘫痪。现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础1.网络的拓扑结构二、星形拓扑在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何两个节点之间通信都要通过中央节点进行。星形拓扑可实现数据通信量的综合，每个终端节点只承担较小的通信处理量。星形连接中，如果一条线路受损，不会影响其他线路正常工作。现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础1.网络的拓扑结构三、总线拓扑由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过分支与总线相连的网络拓扑结构。总线拓扑是工业数据通信中应用最为广泛的一种网络拓扑形式。现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础1.网络的拓扑结构四、树形拓扑树形拓扑是星形拓扑的扩展形式。也有人认为树形拓扑是总线拓扑的扩展形式。树形拓扑可适用于很宽应用范围，如对网络设备的数量、传输速率和数据类型等，都没有太多限制，可到达很高的带宽。现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质磁介质：高带宽、低费用、高延时（小时）例：80GB/1个移动磁盘，700盘，24h可送到任何地方。总容量=80*700=56000Gbits，总时间=24*60*60=86400s传送速率=56000Gb/86400s≈648Mb/s金属导体：双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质：无线电、短波、微波、卫星、光波现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质一、双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套--螺旋绞合的双导线，≈1mm--每根4对、25对、1800对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质一、双绞线屏蔽双绞线(STP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽非屏蔽双绞线(UTP)现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质二、同轴电缆基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，特征阻抗50，用于数字传输。宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，特征阻抗75，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器。铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质三、光缆依靠光波承载信息速率高，通信容量大仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质三、光缆光纤传输原理——利用了光的反射光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测器光源:850nm/1300nm/1500nm发光二极管/激光二极管介质:光纤光检测器:光电二极管PIN/雪崩光敏二极管APD单向传输，双向需两根光纤。现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质光电转换器现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质华为的智能光传输设备现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质四、无线传输使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础四、无线传输国际上通行把2.4GHz频带留给工业、科学和医疗作短距离通信，不需要许可证。蓝牙无线微微网IEEE802.11有3种物理层标准，有2种工作在2.4GHz无线射频的工业科学医学（ISM）频段，1种工作在红外光波段。红外线电磁波频段1011---1014Hz,属于方向性极强的直线传播，穿障能力差，一般用于室内的短距离通信。2.网络的传输介质现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质地面微波接力•两个地面站之间传送•距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质地球同步卫星•与地面站相对固定位置•使用3个卫星覆盖全球•传输延迟时间长36,000公里地球现场总线3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质地球同步卫星•与地面站相对固定位置•使用3个卫星覆盖全球•传输延迟时间长22,300公里地球传输媒体带宽传输距离性能(抗干扰性)价格应用双绞线100MHz100米可以低模拟/数字传输50同轴电缆100MHz2.5kM内较好略高于双绞线基带数字信号75同轴电缆300-450MHz100kM较好较高模拟传输电视、数据及音频光纤300GHz100kM很好较高远距离传输短波50MHz全球较差较低远程低速通信地面微波接力4-6GHz几百kM好中等远程通信卫星500MHz18000kM很好与距离无关远程通信常用传输媒体的比较现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础共享信道连接方法连接方法（1）集中器或复用器（2）公用信道法多点接入技术（1）随机接入（2）受控接入集中器公用信道法现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础公用信道法现场总线采用的都是此法。即：通过一个公用信道将所有的用户都连接起来，这种技术常称为多点接入技术或多点访问技术。此类的又可分为：(a)多点线路(b)总线网(c)环形网主机(a)(b)(c)多点线路：主机对公用信道的共享进行集中控制；总线网和环形网：所有用户(含主机)地位平等，信道共享采用分散式控制。现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础介质的访问控制方式公用信道法的关键问题：设法避免不同的用户同时使用公用信道，在任何时刻，信道只允许一个用户使用，否则就会互相干扰，无法通讯。因此，为保证各用户之间的正常通信，必须要有一个彼此都遵循的协议，这就是多点接入协议或多点访问协议，也叫介质的访问控制方式。它分为两大类：随机接入和受控接入。现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础随机接入所有的用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息。总线网就属这种类型。在总线网中，当两个或更多的用户同时发送信息时，就产生了帧的冲突(collision)，冲突又称为碰撞，它导致冲突用户的发送都告失败。因此总线网的协议保证接入一定成功，因此它实际上就是争用接入，争用胜利者才可获得总线，因而获得信息的发送权。现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础受控接入各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。在多点线路中采用集中式控制，即主机依照一定的顺序逐个询问用户有无信息发送。如有，则被询问的用户就立即将信息发给主机;如无，则再询问下一站。这种控制方法叫做轮询(poling)。可分为：轮叫轮询和传递轮询。环形网采用的是分散式控制。这种方法是在环形网中产生一个特殊的帧，叫做令牌(token)。令牌沿环路从一个站传递到下一个站。协议规定只有持有令牌的站才有权发送信息，当信息发送完毕后，即将令牌传递给下一个站。这样，在协议的控制下，连接到公用信道上的许多站点就可以有条不紊地工作。现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式随机访问方式：CSMA/CDCSMA(CarrierSenseMulti-Access):网路上任何节点都没有预定的发起通信的时间，节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为产生“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波侦听”。现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式随机访问方式：CSMA/CDCD(CollisionDetection)由于传输线上不可避免地存在传输延迟，有可能多个站同时侦听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个节点在开始发送信息之后，还要继续侦听线路，判定是否有其他节点正与本节点同时向传输介质发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测”。现场总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式CSMA/CD发