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1、工业通信网络与技术 Homeworks,许勇 ,工业常用的通信应用系统中，重要的是物理层、链路层和应用层。 请：简单讲述这三层协议的功能，举例说明其具体实现方法。 注：1) 最好结合自己的课程设计等； 2) 至少1页； 3）签名加完成时间戳（time stamp): M:D:H:M:S.,1。 工业通信网络的三层协议,CAN通信应用技术的链路层非常重要。 请：1）作图解释CAN帧组成结构和这些结构的作用； 2）描述CAN总线的无冲突仲裁。 注：签名加完成时间戳（time stamp): M:D:H:M:S.,2。 CAN总线的帧结构和无冲突仲裁,工业通信网络与技术 复习,许勇 ,What？工业
2、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。,Chapter1 概述,OSI、TCP/IP，FF通信模型之间的比较,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
3、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）,企业自动化系统中的通信 （右边表示不同层次中对信息交换速度的不同要求）,工业通信系统系统特点,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0.010.5s，过程控制系统响应时间为0.52s。而信息网络响应时间是26s。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
4、，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，
5、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。,1）以双绞线、光缆或无线电等为介质，用总线方式传输数
6、字信号，减少大量导线，提高可靠性和抗干扰能力。 2）采用统一的标准，同标准下不同厂家产品相互兼容，整个系统具有开放性，便于操作、维护和扩展。当然，在这一点上，工业以太网表现最显著。 3）控制功能下放在现场仪表，控制室内装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。 4）硬件相对简化，初期系统投资相对较低，同时，现场总线可提供来自现场仪表的设备管理数据作为维护的参考，将非正常停工损失降为最低。 5）采用功能块方式组态，已有大量可满足过程控制的功能模块，如输入、输出、PID调节等，一些模块还具有报警功能。 6）采用完全分散的数据库概念，只使用一个数据库，任何同现场总线接口的
7、人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。这样，便不会产生重复的、不一致的数据库。,FCS的特征,源系统,传输系统,目的系统,传输 系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,第2章 数据通信原理及基础,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）,信号和信号传输,数字信号通过实际的信道,失真不严重 失真严重,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形 (失真不严重),模拟传输和数字传输所使用的技术,1）,2）,3）,1) 使数
8、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 （Amplitude Shift Keying） 频移键控FSK （Frequency Shift Keying） 相移键控PSK （Phase Shift Keying） 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(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位 调制就是要使A、 或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1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1,2) 数字编码,3）使模拟数据能在数字信道上传输 采样定理：
9、 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, Pulse Coded Modulation）。,脉码调制（PCM）的原理,PCM 输出：,001 001 100 011 111 100 001 100,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
10、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,工业通信系统需要满足高可靠性和安全性需求。大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。但是工业通信系统层次需要在干扰频繁的恶劣环境中工作，来自生产过程现场的模拟信号可能出错，传输中常混杂有干扰信号。 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
11、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
12、，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33 MHz，则最大数据传输速率为: (32/8)33=132 MBs； 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
13、，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（Universal Asynchronous Receiver Transmitter） 同步外设接口(SPI-Serial Peripheral Interface)、 内部集成电路(I2C-Inter-Integrated Circuit
14、) 。,RS232C,RS232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 = recommended standard 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,常用异步串行通讯接口标准,RS232C的电气标准： 3V15V : 逻辑0 -3V-15V: 逻辑1 50ft 9600bps,接口标准,RS422 和 RS485,1） FireWire串行总线(IEEE 1394) 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
15、：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-RFID 4）PLC,其它常用工业通讯技术,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,第三章 通信总线技术及应用,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
16、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。,第四部分：常用工业现场总线,基金会总线FF （Foudation Fieldbus） 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
