工業控制網絡ppt

工業控制網絡

（現場總線）

第2章數據通信與計算機網絡基礎2.1數據編碼2.2信號的傳輸方式2.3通信方式2.4網絡拓撲結構2.5網絡的傳輸介質2.6介質訪問控制方式

2.7計算機網絡硬件2.8網絡軟件

2.9參考模型哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1數據編碼碼元——所傳輸數據的基本單位。數據編碼——通信系統中以何種物理信號的形式來表達數據。模擬數據編碼：用模擬信號的不同幅度、頻率、相位來表達數據的0、1狀態。數字數據編碼：用高低電平的矩形脈沖信號來表達數據的0、1狀態。

哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.1數字數據編碼單極性碼信號電平是單極性的。

雙極性編碼信號電平為正、負兩種極性的。

哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.1數字數據編碼歸零碼（RZ）歸零碼在每一位二進制信息傳輸之后均返回零電平的編碼。非歸零碼（NRZ）

非歸零碼在整個碼元時間內維持有效電平。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.1數字數據編碼差分碼差分碼用電平的變化與否來代表邏輯“1”和“0”。變化為“1”，不變化為“0”。曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）碼元本身分為兩半，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比特值的反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.1數字數據編碼哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.1數字數據編碼哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.1數字數據編碼哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.2模擬數據編碼模擬數據編碼的三種編碼方法：幅度鍵控ASK（amplitude-shiftkeying）頻移鍵控FSK（frequency-shiftkeying）相移鍵控PSK（phase-shiftkeying）哈工大網絡與電氣智能化研究所2.1.2模擬數據編碼哈工大網絡與電氣智能化研究所2.2信號的傳輸方式2.2.1基帶傳輸2.2.2載波傳輸2.2.3寬帶網2.2.4異步傳輸模式ATM哈工大網絡與電氣智能化研究所2.2.1基帶傳輸基帶傳輸就是在數字通信的信道上直接傳送數據的基帶信號，即按數據波的原樣進行傳輸，不包含有任何調制，它是最基本的數據傳輸方式。

哈工大網絡與電氣智能化研究所2.2.1基帶傳輸基帶傳輸特點：不用調制解調器系統價格低廉較高的數據傳輸速率（一般為1Mb/s～10Mb/s）傳輸距離一般不超過25km半雙工方式或單工方式哈工大網絡與電氣智能化研究所2.2.2載波傳輸載波傳輸采用數字信號對載波進行調制后實行傳輸。最基本的調制方式有上述的幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK三種。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.2.3寬帶網

寬帶網與基帶網的主要區別：數據傳輸速率不同，基帶網的數據速率范圍為0～10Mb/s，寬帶網可達0～400Mb/s；寬帶網可劃分為多條基帶信道，提供良好的通信路徑。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.2.4異步傳輸模式ATM

ATM（asynchronoustransfermode）是實現高速網絡的主要技術。速率可達155Mb/s到2.4Gb/s，也有25Mb/s和50Mb/s的ATM技術，可適用于局域網和廣域網。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.3通信方式

2.3.1單工通信（simplexcommunication）2.3.2半雙工通信（half-duplexcommunication）2.3.3全雙工通信（full-duplexcommunication）哈工大網絡與電氣智能化研究所2.3通信方式

單工通信（simplexcommunication）單工，就是指傳送的信息始終是一個方向，而不進行與此相反方向的傳送。單工通信線路一般采用二線制。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.3通信方式

半雙工通信（half-duplexcommunication）

半雙工通信是指信息流可在兩個方向上傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳輸。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.3通信方式全雙工通信（fullDuplexcommunication）

能同時作雙向通信。通信效率高，控制簡單，但結構較復雜，成本較高。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.3通信方式哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4網絡拓撲結構

星形環形總線形樹形不規則形完整形網絡拓撲結構是指網絡中節點的物理連接形式。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4網絡拓撲結構哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4.1星形拓撲

在星形拓撲中，每個站通過點-點連接到中央節點，任何兩站之間通信都通過中央節點進行。中央節點的結構顯得比較復雜，對其要求較高。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4.2環形拓撲

通過中繼器進行點-點連接，構成一個封閉的環路。中繼器接收前驅站發來的數據，發往后繼站。鏈路是單向的，工作站需有較復雜的網路處理功能。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4.3總線拓撲

在總線拓撲中，傳輸介質是一條總線，工作站通過相應硬件接口接至總線上。一個站發送數據，所有其它站都能接收。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4.4樹形拓撲

樹形是總線形的擴展，傳輸介質是不封閉的分支電纜。和總線拓撲一樣，一個站發送數據，其它站都能接收。樹形結構非常適合于分主次、分等級的層次型管理系統。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.4網絡拓撲結構哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5網絡的傳輸介質

傳輸介質是網絡中連接收發雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5網絡的傳輸介質電話線同軸電纜雙絞線光導纖維電纜無線衛星通信哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5網絡的傳輸介質

傳輸介質的特性對網絡中數據通信質量影響很大，這些特性主要包括：物理特性：傳輸介質物理結構的描述；傳輸特性：傳輸介質允許傳送數字或模擬信號以及調制技術、傳輸容量、傳輸的頻率范圍；哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5網絡的傳輸介質

連通特性：允許點-點或多點連接；地理范圍：傳輸介質最大傳輸距離；抗干擾性：傳輸介質防止噪聲與電磁干擾對傳輸數據影響的能力；相對價格：器件、安裝與維護費用。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.1雙絞線的主要特性無論對于模擬數據還是對于數字數據，雙絞線都是最通用的傳輸介質。電話線路就是一種雙絞線。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.1雙絞線的主要特性

物理特性：雙絞線由按規則螺旋結構排列的兩根或四根絕緣線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是使各線對之間的電磁干擾最小。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.1雙絞線的主要特性

傳輸特性：雙絞線最普遍的應用是語音信號的模擬傳輸。在一條雙絞線上使用頻分多路復用（multiplexing）技術可以進行多個音頻通道的多路復用。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.1雙絞線的主要特性

連通性：雙絞線可以用于點-點連接，也可用于多點連接。地理范圍：雙絞線用作遠程中繼線時，最大距離可達15km；用于10Mb/s局域網時，與集線器的距離最大為100m（單網段）。

哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.1雙絞線的主要特性

抗干擾性：雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當的屏蔽。在低頻傳輸時，其抗干擾能力相當于同軸電纜。在10～100kHz時，其抗干擾能力低于同軸電纜。價格：價格低，并且安裝、維護方便。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.2同軸電纜的主要特性同軸電纜是網絡中應用十分廣泛的傳輸介質之一。有線電視線。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.2同軸電纜的主要特性

物理特性：同軸電纜由內導體（電纜銅芯）、絕緣層、外導體（銅網）及外部保護層（外絕緣層）組成。同軸介質的特性參數由內、外導體及絕緣層的電參數和機械尺寸決定。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.2同軸電纜的主要特性

傳輸特性：基帶同軸電纜一般僅用于數字數據信號傳輸。寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復用方法，支持多路傳輸。只用于一條通信信道的高速數字通信，此時稱之為單通道寬帶。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.2同軸電纜的主要特性

傳輸特性：特征阻抗，50Ω，Ethernet使用，基帶傳輸，10Mb/s；75Ω，CATV使用，模擬信號傳輸，400MHz，使用頻分多路復用FDM(frequency-divisionmultiplexing)技術，也可以傳輸數字信號。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.2同軸電纜的主要特性

連通性：支持點-點連接，也支持多點連接。寬帶同軸電纜可支持數千臺設備的連接；基帶同軸電纜可支持數百臺設備的連接。抗干擾性：它的結構使得它的抗干擾能力較強。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.2同軸電纜的主要特性

地理范圍：基帶同軸電纜最大距離限制在幾公里范圍內，而寬帶同軸電纜最大距離可達幾十公里。價格：同軸電纜造價介于雙絞線與光纜之間，維護方便。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.3光纜的主要特性

光纜是網絡傳輸介質中性能最好、應用前途廣泛的一種。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.3光纜的主要特性

物理特性：光纖是一種直徑為50～100μm的柔軟、能傳導光波的介質，各種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層包裹起來，就可以構成一條光纖通道，多條光纖組成一束就構成光纖電纜。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.3光纜的主要特性

傳輸特性：光導纖維通過內部的全反射來傳輸一束經過編碼的光信號。光纖傳輸速率可達幾千Mb/s。單模光纖是指光纖的光信號僅與光纖軸成單個可分辨角度的單光纖傳輸，而多模光纖的光信號與光纖軸成多個可分辨角度的多光線傳輸。單模光纖性能優于多模光纖。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.3光纜的主要特性

連通性：普遍采用點-點方式，在某些實驗系統中也采用多點連接方式。地理范圍：光纖信號衰減極小，它可以在6～8km距離內不使用中繼器，實現高速率數據傳輸。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.3光纜的主要特性

抗干擾性：光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長距離、高速率傳輸中保持低誤碼率。雙絞線典型的誤碼率在10-5～10-6之間，基帶同軸電纜為10-7，寬帶同軸電纜為10-9，而光纖誤碼率可以低于10-10。光纖傳輸的安全性與保密性極好。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.3光纜的主要特性

價格：目前光纖價格高于同軸電纜與雙絞線。由于光纖具有低損耗、寬頻帶、高數據傳輸速率、低誤碼率、安全保密性好等特點，因此，它是一種最有前途的傳輸介質。

哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.4無線通信信道的主要特性

微波通信紅外通信激光通信衛星通信（特殊的微波通信系統）哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.4無線通信信道的主要特性

微波通信——工作頻率為109～1010Hz，局域網絡可直接利用微波收發機進行通信，或作中繼接力，擴大傳輸距離。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.4無線通信信道的主要特性

紅外線——工作頻率為1011～1014Hz，通過發送或接收信號調制的非相干紅外線，即可形成一條通信鏈路。只要收發機處在視線內，就可以準確地進行通信，方向性很強，幾乎不受干擾。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5.4無線通信信道的主要特性

激光——工作頻率為1014～1015Hz，用調制解調的相干激光，實現激光通信。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.5網絡的傳輸介質

構建一個網絡（系統），選擇傳輸介質時應考慮：網絡拓撲網絡連接方式網絡通信量系統的可靠性要求要傳輸的數據類型網絡覆蓋的地理范圍節點間的距離哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6介質訪問控制方式在總線和環形拓撲中，網上設備必須共享傳輸線路。為解決在同一時間有幾個設備同時爭用傳輸介質，需有某種介質訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數據。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6介質訪問控制方式通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各工作站可在任何時刻，任意地訪問介質；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法調整各站訪問介質順序和時間。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6介質訪問控制方式在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD（CarrierSenseMultiple

AccesswithCollisionDetection載波監聽多路訪問/沖突檢測）。在控制訪問方式中常用令牌總線、令牌環或稱之為標記總線、標記環。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

對任何工作站都沒有預約發送時間。工作站的發送是隨機的，必須在網絡上爭用傳輸介質，故稱之為爭用技術。若同一時刻有多個工作站向傳輸線路發送信息，則這些信息會在傳輸線上相互混淆而遭破壞，稱為“沖突”。為盡量避免由于競爭引起的沖突，每個工作站在發送信息之前，都要監聽傳輸線上是否有信息在發送，這就是“載波監聽”。載波監聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站要發送，首先需監聽總線，以決定介質上是否存在其它站的發送信號。如果介質是空閑的，則可以發送。如果介質是忙的，則等待一定間隔后重試。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

三種CSMA堅持退避算法：不堅持CSMA（也叫0堅持CSMA）1-堅持CSMAP-堅持CSMA哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

不堅持CSMA——介質空閑就發送，介質忙就等待一段隨機時間再發送。利用隨機的重傳時間來減少沖突的概率，缺點是：即使有幾個站有數據要發送，介質仍然可能處于空閑狀態，介質的利用率較低。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

1-堅持CSMA。介質空閑就發送，介質忙則繼續監聽，等到總線空閑，立即發送。如果發生沖突，則等待一段隨機時間，重復第一步。缺點是：假如有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，沖突就不可避免。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

P-堅持CSMA。假如介質是空閑的，則以P的概率發送，或以（1—P）的概率延遲一個時間單位后重復處理。該時間單位等于最大的傳輸延遲。假如介質是忙，繼續監聽直到介質空閑，重復第一步。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

P-堅持CSMA。如果選擇P過大，使NP>1，則沖突不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概率的不斷增大，吞吐率會降為0。所以必須選擇P值使NP<1，如果P值選得過于小，則通道利用率又會大大降低。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.1CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）

沖突檢測：如果有多個站同時監聽到總線空閑并開始發送數據，就會產生沖突。因此，每個站在發送數據之后，還要繼續監聽線路，判定是否有其它站也正在向總線上發送數據，一旦發現，便中止發送。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

CSMA的訪問存在發報沖突問題，產生沖突的原因是由于各站點發報是隨機的。為了解決沖突問題，可采用有控制的發報方式。令牌方式是一種按一定順序在各站點傳遞令牌（token）的方法。誰得到令牌，誰才有發報權。令牌訪問原理可用于環形網絡，構成令牌環形網；也可用于總線網，構成令牌總線網絡。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

令牌環（token-ring）方式——令牌在網絡環路上不斷地傳送，擁有此令牌的站點，有權向環路上發送報文，其它站點僅允許接受報文。不會發生訪問沖突。對輕、重負載不敏感。單環故障，整個癱瘓，可靠性低。信息傳輸具有確定性，能比較準確估計信息傳輸的延遲時間。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.2令牌（標記）訪問控制方式哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

令牌傳遞總線（token-passingbus）方式——采用總線拓撲，網上各工作站按一定順序形成一個邏輯環。每個工作站在環中均有一個指定邏輯位置，末站的后站就是首站。總線上各站的物理位置與邏輯位置無關。像令牌環方式那樣，令牌傳遞總線方式也具備稱為令牌的控制幀，調整訪問的權利。收到令牌的站點在一段規定時間內被授予對介質的控制權，因而該站可以發送一幀或多幀信息。當該站傳輸已經完成或時間已到時，它就將令牌傳遞到邏輯環中的下一工作站，因此，傳輸過程就是由交替進行的數據傳輸階段和令牌傳送階段組成。網上站也可以退出環成為非活動站點，這些站點僅能響應詢問或請求應答。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.2令牌（標記）訪問控制方式哈工大網絡與電氣智能化研究所2.6.2令牌（標記）訪問控制方式令牌傳遞總線介質訪問控制應具備以下幾項功能：令牌傳遞算法邏輯環的初始化站插入算法退出環路恢復哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7計算機網絡硬件

按傳輸傳輸技術分類：廣播式網絡點到點網絡哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7計算機網絡硬件

廣播式網絡（broadcastnetwork）僅有一條信道，由網絡上所有機器共享。按某種語法組織的分組或包（packet），可被任何機器發送并被其它所有機器接收。地址字段指明此分組應被哪臺機器接收。一旦收到分組，各機器將檢查地址字段。如是發送給它的，則處理該分組，否則丟棄。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7計算機網絡硬件

廣播系統通常也允許在地址字段中使用一段特殊代碼，以便將分組發送到所有目標。使用此代碼的分組發出以后，網絡上的每一臺機器都會接收和處理它。這種操作被稱作廣播（broadcasting）。某些廣播系統還支持向機器的一個子集發送的功能，即多點播送（multicasting）。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7計算機網絡硬件

點到點網絡（point-to-pointnetwork）與之相反，由一對對機器之間的多條連接構成。為了能從源到達目的地，這種網絡上的分組可能必須通過一臺或多臺中間機器。通常是多條路徑，并且可能長度不一樣，因此在點到點網絡中路由算法十分重要。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7計算機網絡硬件0.1m同一電路板數據流機器1m同一系統多計算機10m同一房間局域網100m同一建筑物1km同一園區10km同一城市城域網100km同一國家廣域網1000km同一洲內10000km同一行星上互聯網哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7.1局域網

局域網（1ocalareanetwork），簡稱LAN，是處于同一建筑、同一大學或方圓幾千米遠地域內的專用網絡。局域網常被用于連接公司辦公室或工廠里的個人計算機和工作站，以便共享資源（如打印機）和交換信息。LAN有和其它網絡不同的三個特征：范圍，傳輸技術，拓撲結構。哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7.1局域網

LAN的覆蓋范圍比較小，這意味著即使是在最壞情況下其傳輸時間也是有限的，并且可以預先知道傳輸時間。知道了傳輸的最大時間，就可以使用某些設計方法，而在其它情況下是不能這樣做的。這同樣也簡化了網絡的管理。以太網（Ethernet）是一種基于總線的廣播式網絡哈工大網絡與電氣智能化研究所2.7.2城域網城域網（metropolitanareanetwork），簡稱MAN，基本上是一種大型的LAN，通常使用與LAN相似的技術。它可能覆蓋一組鄰近的公司辦