工控网基础讲稿剖析

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1、 工业控制网络基础 上海电机学院 仲葆文 工业控制网络在工业生产中已得到广泛的应 用 西门子工控网在啤酒生产线中的应用 一、工业控制网络的基本概念 二、通信方式与串行通信接口 三、网络的类型 四、常用网络设备 五、 构成通信网络的数据传输介质 $1 概述 一、工业控制网络的基本概念 工业控制网络是一种把整个工厂中各个生 产流程和自动化控制系统通过各种通信设 备组织为一个整体的一种通信网络。 在这个通信网络中，可有各种不同结构、 遵守各种不同通信协议的通信系统存在， 其中主要是工业以太网和工业现场总线。 工业以太网Industrial Etherenet 按IEEE 802.3标准建立的开放的通

2、信系统，用于传输大 量数据，可与远程网络连接 工业现场总线按现场总线标准建立的开放 的通信系统，用于现场控制和数据交换 点到点通信ptp用于2个点之间的通信，如 PLC与PLC、PLC与PC、PLC与人机接口、打印机 、条码扫描器、读卡器等设备连接。 工厂自动化网络结构 1现场设备层 主要功能是连接现场设备，例如分布式 I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关 设备等，完成现场设备控制及设备间连锁 控制。 一般采用现场总线如Profibus-DP，也可 用PtP。 2车间监控层 车间监控层又称为单元层，用来完成车间 主生产设备之间的连接，实现车间级设备 的监控。 车间级监控包括生产设备状态的在线

3、监控 、设备故障报警及维护等。通常还具有生 产统计、生产调度等车间级生产管理功能 。 3工厂管理层 车间操作员工作站通过集线器（HUB）或 交换器（SWITCH）与车间办公管理网连 接，将车间生产数据送到车间管理层。 车间管理网又作为工厂主网的一个子网， 通过交换机、网桥或路由器等网络设备连 接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂 管理层。 工厂管理层又称信息层，一般使用以太网 技术，这一层关注的焦点是高速的数据包 传输和高容量的数据共享。 返回提纲 二、通信方式与串行通信接口 1. 计算机的通信方式 (1)并行通信与串行通信 并行通信是以字节（8位）或字（16位） 为单位的数据传输方式，有8根

4、或16根数 据线、1根公共线以传输数据，另外还有 一些通信双方联络用的控制线。并行通信 速度快，但因传输线的数量多，抗干扰性 差，一般用于近距离的数据传送，例如 PLC的模块之间的数据传送。 串行通信是以二进制的位（bit）为单位的 传输方式，每次只传送1位，最少只需要2 根线（双绞线）就可以连接多台设备，组 成控制网络。串行通信需要的信号线少， 适用于距离较远的场合。 串行通信的传输速度要比并行通信慢。 （2）异步通信与同步通信 串行通信中，接收方和发送方应使用相同 的传输速率。但由于双方使用的传输速率 存在微小的误差，会形成累积误差而使发 送和接收的数据造成错位，使接收方收到 错误的信息。

5、 为了解决这一问题，需要使发送过程和接 收过程同步。按同步的方式不同，串行通 信分为异步通信和同步通信。 异步通信的字符信息格式如图，每发送1个字符 （数据），由1位“起始位”开始，接着是78 位“数据位”，然后是1位“奇偶校验位”（也 可以没有），最后是12位“停止位”。 双方对格式和传输速率约定相同。 接收方在收到停止位与起始位之间的下降沿时 ，将它作为接收的起点，在每一个时钟脉冲（ 代表1位）的中间接收信息。由于接收的位数不 多，即使双方的时钟频率有微小的误差，其累 积误差也不会过大而造成错位。 同步通信以字节为单位，每次按约定传送12 个同步字符（作为通知对方开始接收）、若干 个数据字

6、节和校验字符。 同步通信时，双方采用同一个时钟脉冲以保持 完全的同步。接收方通过调制解调的方式在数 据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送 方同步的接收时钟信号。 同步通信不必在每一个数据字节上加上起始位 、停止位、奇偶校验位，因此传输效率较高， 但对硬件要求较高。 （3）单工和双工通信 单工方式只能沿单一方向传输数据，即某一方 只能发送或只能接收； 双工方式可以沿两个方向传输数据，每一方既 能发送也能接收。 双工方式又可分为全双工方式和半双工方式： 全双工方式是通信双方在同一时间可同时 发送和接收数据（同时） 半双工方式是通信双方在同一时间只可发 送数据或接收数据（分时） （4）传输速率

7、串行通信中传输速率的单位是波特（bit） ，又称为波特率，符号是bit/s或bps，即每 秒传送的二进制位数。 常用的波特率有9600bps、19200bps、 38.4kbps、1.5Mbps、10Mbps等 2. 串行通信接口的标准 （1）RS-232C 由美国EIC（电子工业联合会）于1969年公布的通信协 议。该协议规定采用负逻辑，用-15-5V表示逻辑 “1”，+5+15V表示逻辑“0”。使用9针和25针DB 型连接器。当通信距离较近时通信双方可直接连接。 最简单的情况，在通信中不需要控制联络信号，只需 要3根线（发送线、接收线、信号地）便可实现全双工 异步串行通信。 RS-232C

8、采用共地传送方式，容易引起共模干扰。 RS-232C最大通信距离为15m，最高传输速 率为19.2kbit/s，只能进行一对一的通信。 （2）RS-422A RS-422A也是一种异步串行通信协议，它 采用平衡驱动、差分接收电路(见图)，共 模信号可以互相抵消。它从根本上取消了 信号地线，从而消除了由公共地线引入的 干扰。 平衡驱动器相当于2个单端驱动器，其输 入信号相同，2个输出信号互为反相信号 。 外部输入的干扰信号是以共模方式出现 的，2根传输线上的共模干扰信号相同 ，而接收器是差分输入，只对差模信号 进行处理，共模信号可以互相抵消。只 要接收器有足够的抗共模干扰能力，就 能克服外部干扰

9、。 RS-422A 最大传输速率为10M Bit /S（此时允许的 最大通信距离为12m）。 最大通信距离为1 200m（此时的最大 传输速率为100 kbit/s）。 一台驱动器可以连接10台接收器。 广泛地用于计算机与终端或外设之间的 远距离通信。 RS-422是全双工操作，两对平衡差分信号线分 别用于发送和接收。数据通过4根导线传送（4 线操作）。 （3）RS-485 RS485是RS-422A的变形，RS-485为半 双工，只有一对平衡差分信号线，不能同 时发送和接收。使用RS-485通信接口和 双绞线可以组成串行通信网络，构成分布 式系统。 RS-485 为半双工2线操作，一对平衡差

10、分信号 线不能同时发送和接收。 系统中可以有32个站。 新的接口器件已允许连接多达128个站 。 返回提纲 三、网络的类型 网络可以按其传输媒体分类（有线网、无线网 ），也可按其传输速率分类（低速网、中速网 、高速网），通常按其逻辑结构拓扑结构 分类。 网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备， 把计算机等网络单元抽象为点，把网络中的通 信媒体（如电缆）抽象为线，用点和线来抽象 出网络系统的逻辑结构。 工控网通常分布在一个有限的地理范围之内，工控网通常分布在一个有限的地理范围之内， 具有比较稳定和规范的拓扑结构。常见的拓扑具有比较稳定和规范的拓扑结构。常见的拓扑 结构有星型、环型、树型和总线型等

11、。结构有星型、环型、树型和总线型等。 星型星型 环型环型 树型树型 总线型总线型 1. 星型拓扑结构 每个节点均以1条单独的通道 与中心节点相连，任何2个节 点之间的通信必须通过中心节 点转接，中心节点是控制中心 。 星形结构的优点是建网容易， 控制简单。它的缺点是网络共 享能力差，可靠性低。如果一 旦中心节点出现故障，则会导 致全网瘫痪。 2. 环型拓扑结构 网络中各节点通过1条首尾 相连的通信链路连接而成1 个闭合环型结构网，数据在 环上单向流动。由于各节点 共享环路，因此需要采取措 施（如令牌控制）来协调控 制各节点的发送。 环型结构的优点是无通道选 择问题，它的缺点是不便于 扩充，系统

12、响应延时大 令牌网：（Token Ring 或 Token Bus) l 令牌网络结构分为令牌环和令牌总线 l 在令牌网络中，媒体访问控制是通过令牌的特 殊标志来实现的。令牌是一个特殊的控制帧， 按照逻辑顺序，令牌从一个装置传递到另一个 装置。传递到最后一个装置后，再传递给第一 个装置。 l 令牌有“空”和“忙”两种状态。持有令牌的装置可 以发送信息。 l 发送站首先把令牌的状态置为“忙”，并写入要传 送的信息（数据发送站名接收站名）送入环 网传输。 l 令牌沿环网一周后返回发送站时，信息已被接 收站拷贝，发送站把令牌的状态为“空”，送入环 网继续传输，以供其它站使用。 l 令牌传递总线能提供

13、实时同步操作，传送效率 高，适于频繁，较短的数据传送。因此它更适 合于需要进行实时通信的工业控制网络系统。 3. 树型拓扑结构 树型拓扑结构是天然的分层网络 结构。其特点是网络成本低，结 构比较简单。树型结构非常适合 于分主次、分等级的层次型管理 系统。 4. 总线型拓扑结构 总线型结构是最普遍使用的一 种网络拓扑结构。它是将各个 节点和1根总线相连。总线型结 构的特点是网络结构简单、灵 活、可扩充性好、可靠性高、 资源共享能力强。但由于同环 型结构一样采用共享信道，因 此需处理多站争用总线的问题 。 以太网就是采用这种网络拓扑 结构。（CSMA/CD，带冲突检 测的载波侦听多路访问） 返回提

14、纲 四、常用网络设备 为了实现网络资源共享，须将处于同一地域或 不同地域的、同类型或不同类型的网络互相连 接起来（网络互联）。网络互联一般都不能简 单地直接相连，而需要通过一定的网络设备进 行连接。 工控网中常用的网络设备有网卡、集线器、路 由器及光/电交换器等。 1. 网卡 网卡（网络接口卡）是局域网的接入设备，是 计算机与网络之间的桥梁。 网卡的作用： 读入由其它网络设备传输过来的数据包，将其 变换成计算机能识别的数据（解包），通过计 算机内部总线将数据传输到CPU、RAM或硬件 驱动器中； 将PC设备发送的数据打包后输送到其它网络设 备中去。 2. 中继器 中继器是连接网络线路的一种装置

15、，用于 延长网络的长度。线路上传输的信号会发 生衰减，因此线路距离有一定的限制。中 继器可将信号进行放大后再次发送，通过 中继器可将线路接长而信号衰减仍在允许 范围内。 3. 集线器（HUB） 集线器实际上是一种中继器的扩展形式，它与 中继器的区别在于能够提供多端口服务，因此 可称为多口中继器。 4. 交换器（SWITCH） 交换器类似集线器，具有多个 端口，在每个端口上可连接1 个网络设备。 交换器与集线器的区别：集线 器相当一个简单的共享设备， 在同一段时间内只能有2个设 备通过集线器进行通信；而交 换器通过内部的电路处理后可 对各个端口提供相互通信的通 道，使同一时间内可有多台设 备同时

16、发送信息，从而使数据 传输的效率更高。 目前出现的交换式集线器使 集线器具有交换的功能，使 集线器和交换器已没有了本 质的区别。 使用光纤进行通信的交换器 称为光交换器（OSM），它 具有光纤接口，在光纤端口 上具有将光信号与电信号进 行转换的功能，因而可使用 光纤通信，速度为 100Mbit/s。 既能使用光纤，也能使用信 号电缆的交换器称为光电交 换器（OSM/ESM），它既 有通常的网线接口（如RJ- 45），也具有光纤接口。 6.通信处理器 常用的工业以太网通信处理器（CP Communicaton Processer，通信处 理单元），包括用在S7 PLC站上的处 理器CP243-1系列、CP343-1