現(xiàn)場總線技術第3講.ppt

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工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡,清華大學自動化系陽憲惠,第3講控制網(wǎng)絡基礎,控制網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡的節(jié)點控制網(wǎng)絡的任務與工作環(huán)境控制網(wǎng)絡的實時性要求網(wǎng)絡拓撲網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的訪問控制方式網(wǎng)絡互連網(wǎng)絡互連的通信參考模型網(wǎng)絡互連設備,控制網(wǎng)絡,控制網(wǎng)絡屬于特殊類型的計算機網(wǎng)絡，是用于完成自動化任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)。從控制網(wǎng)絡節(jié)點的設備類型，傳輸信息的種類、網(wǎng)絡所執(zhí)行的任務，網(wǎng)絡所處的工作環(huán)境等方面，控制網(wǎng)絡都有別于由普通PC機或其它計算機所構成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。控制網(wǎng)絡的節(jié)點可能分布在工廠的生產(chǎn)裝置、裝配流水線、溫室、糧庫、堤壩、交通管制系統(tǒng)、建筑、消防、家庭等各處，涉及生產(chǎn)、生活的各方面。,控制網(wǎng)絡的節(jié)點,作為普通計算機網(wǎng)絡節(jié)點的PC機或其它種類的計算機、工作站及其外設等具有通信能力的以下設備：限位開關、感應開關等各類開關條形碼閱讀器光電傳感器溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器可編程邏輯控制器PLC，,,各種PID數(shù)字控制器各種數(shù)據(jù)采集裝置各種調(diào)節(jié)閥馬達控制設備變頻器機器人作為控制網(wǎng)絡連接設備的中繼器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關、路由器等受制造成本和傳統(tǒng)因素的影響，作為控制網(wǎng)絡節(jié)點的上述自控設備，其計算等能力方面一般比不上普通計算機,控制網(wǎng)絡由具備通信能力的測量控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點連接構成的能相互溝通信息，共同完成測控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng).,,,控制網(wǎng)絡的任務,控制網(wǎng)絡要將現(xiàn)場運行的各種信息傳送到遠離現(xiàn)場的控制室，在把生產(chǎn)現(xiàn)場設備的運行參數(shù)、狀態(tài)、以及故障與報警信息等送往控制室同時，又將各種控制、維護、組態(tài)命令，等送往位于現(xiàn)場的測量控制現(xiàn)場設備，在現(xiàn)場級控制設備之間起著數(shù)據(jù)聯(lián)系與信息溝通作用實現(xiàn)與操作終端、上層管理網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)連接和信息共享隨著互連網(wǎng)技術的發(fā)展，已經(jīng)開始對現(xiàn)場設備提出參數(shù)的網(wǎng)絡瀏覽和遠程監(jiān)控的要求。在有些應用場合，需要借助網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)為現(xiàn)場設備提供工作電源。,控制網(wǎng)絡的特點,工作環(huán)境：控制網(wǎng)絡要面臨工業(yè)生產(chǎn)的強電磁干擾，各種機械振動、噪聲、粉塵，嚴寒酷暑的野外工作環(huán)境。要求控制網(wǎng)絡能適應這種惡劣工作環(huán)境。控制網(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔?nèi)容：生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、開關閥門的工作位置、報警狀態(tài)、系統(tǒng)配置組態(tài)、參數(shù)修改、零點量程調(diào)校信息、設備資源與維護信息等。,,控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量相對較小，傳輸速率相對較低，多為短幀傳送。要求通信傳輸?shù)膶崟r性強，可靠性高。影響控制網(wǎng)絡性能的因素：網(wǎng)絡的拓撲結構，傳輸介質(zhì)的種類與特性，介質(zhì)訪問控制方式，信號傳輸方式，網(wǎng)絡與系統(tǒng)管理等。測控設備千差萬別，通信協(xié)議不統(tǒng)一，使得控制網(wǎng)絡的互連與互操作往往十分困難,控制網(wǎng)絡的實時性要求,控制網(wǎng)絡應該滿足對控制的實時性要求。如準確定時刷新變量數(shù)據(jù)；生產(chǎn)工藝要求分布節(jié)點間的動作應滿足一定的時序要求。如由PLC控制的一個生產(chǎn)裝置不同部件的動作時序與時限。而且它們的動作通常需要嚴格互鎖。對執(zhí)行讀寫等操作有嚴格實時要求的系統(tǒng)稱為實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)的運行不僅要求系統(tǒng)動作在邏輯上的正確性,同時要求滿足時限性。確定性（deterministic）網(wǎng)絡：按準確時間安排實現(xiàn)網(wǎng)絡操作非確定性（nondeterministic）網(wǎng)絡,,控制網(wǎng)絡一般為分布式實時系統(tǒng)。其實時任務通常是在不同節(jié)點上周期性地執(zhí)行，執(zhí)行結果應滿足定時與時序要求。硬實時系統(tǒng)要求實時任務必須在規(guī)定的時限完成,否則會產(chǎn)生嚴重的后果。軟實時系統(tǒng)中的實時任務在超過了截止期后的一定時限內(nèi),系統(tǒng)仍可以執(zhí)行處理,,部分參數(shù)傳輸有實時性要求，如控制信息；有的參數(shù)要求周期性刷新，如參數(shù)的測量值與開關狀態(tài)，系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、趨勢報告、調(diào)校信息等則對時間沒有嚴格要求。根據(jù)應用需求分別采取措施，充分發(fā)揮現(xiàn)有網(wǎng)絡資源的作用，滿足各方面的應用需求。,全分布式網(wǎng)絡化控制系統(tǒng),,,,網(wǎng)絡拓撲,網(wǎng)絡的拓撲結構是指網(wǎng)絡中節(jié)點的互連形式環(huán)形、星形、總線形和樹形,,,環(huán)形拓撲通過網(wǎng)絡節(jié)點的點對點鏈路連接，構成一個封閉的環(huán)路。信號在環(huán)路上從一個設備到另一個設備單向傳輸，直到信號傳輸?shù)侥康牡貫橹?。每個設備只與邏輯或空間上與它相連的設備鏈接每個設備都集成有一個中繼器。中繼器接收前一個節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后按原來速度一位一位地從另一條鏈路發(fā)送出去信號只能單向傳輸。一個設備的故障會導致整個網(wǎng)絡癱瘓。,,,總線型拓撲由一條主干電纜作為傳輸介質(zhì)，各網(wǎng)絡節(jié)點通過分支與總線相連總線上一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其它節(jié)點都能接收?？偩€拓撲可以發(fā)送廣播報文由于所有節(jié)點共享一條傳輸鏈路，某一時刻只允許一個節(jié)點發(fā)信息，因此需要有某種介質(zhì)存取訪問控制方式，來確定總線的下一個占有者隨傳輸距離的增加，信號會逐漸變?nèi)酰环种б矔鹦盘柗瓷涠档托盘柕膫鬏斮|(zhì)量，給定長度的電纜上連接的設備數(shù)量，總線長度、分支個數(shù)、分支長度等都要受到限制。,,,星形拓撲每個節(jié)點通過點對點連接到中央節(jié)點，任何兩節(jié)點之間通信都通過中央節(jié)點進行。采用集中式通信控制策略一個節(jié)點要傳送數(shù)據(jù)，首先向中央節(jié)點發(fā)出請求，要求與目的站建立連接。連接建立后，該節(jié)點才向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)中央節(jié)點必須建立和維持許多并行數(shù)據(jù)通路，因此中央節(jié)點的任務繁重，而每個節(jié)點的通信處理負擔很小一條線路受損，不會影響其它線路的正常工作幾臺計算機通過HUB相互連接的方式就是典型的星形拓撲結構,,,樹形拓撲：其傳輸介質(zhì)是不封閉的分支電纜?？梢哉J為是星形拓撲或總線拓撲的擴展形式；用多接點并聯(lián)連接的接線盒取代圖中下面集線器的位置一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，其它站都能接收。因此，樹形拓撲也可完成多點廣播式通信?；旌闲屯負?,網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的訪問控制方式,傳輸介質(zhì)的訪問控制：用以仲裁協(xié)調(diào)各設備訪問傳輸介質(zhì)的時間與順序當設備共享傳輸線路時，為解決同一時間幾個設備同時發(fā)起通信而出現(xiàn)的爭用傳輸介質(zhì)的問題而采取的某種避免沖突、或解決介質(zhì)爭用沖突的方法傳輸介質(zhì)的利用率與介質(zhì)的訪問控制方式密切相關傳輸介質(zhì)的訪問方式：對介質(zhì)的隨機訪問：網(wǎng)絡各節(jié)點可在任何時刻隨意地訪問傳輸介質(zhì)。發(fā)生爭用時需要某種沖突仲裁方法，如載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測對介質(zhì)的受控訪問：采用一定的算法調(diào)整各節(jié)點訪問介質(zhì)的順序和時間，避免發(fā)生沖突。主/從式，令牌方式，時間分片方法,載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測（CSMA／CD）,網(wǎng)絡上的任何節(jié)點都沒有預定的通信時間，隨機向網(wǎng)絡發(fā)起通信。多個節(jié)點同時發(fā)起通信，使信號在傳輸線上相互混淆而遭破壞，稱為“沖突”。為避免沖突，每個節(jié)點在發(fā)送信息之前，都要偵聽傳輸線上是否有信息在發(fā)送，這就是“載波監(jiān)聽”。CSMA的控制方案：先聽再講。節(jié)點發(fā)送前先監(jiān)聽總線，如果介質(zhì)空閑則發(fā)送。如果介質(zhì)忙則要等待一定時間間隔后重試。CSMA堅持退避算法：不堅持CSMA；1堅持；P堅持檢測到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串Jam信號，通知總線上各站沖突已發(fā)生,令牌方式,按一定順序在各站點間傳遞令牌，得到令牌的節(jié)點才有發(fā)起通信的權力，而其它站點僅允許接收報文。一個節(jié)點在發(fā)送完畢后，便將令牌交給下一個站點，如果該站點沒有報文需要發(fā)送，便把令牌順次傳給下一個站點。環(huán)路上每個節(jié)點都可獲得發(fā)送報文的機會，而任何時刻只會有一個節(jié)點利用環(huán)路傳送報文，因而不會發(fā)生訪問沖突。令牌環(huán)、令牌總線,,令牌環(huán)Ａ站要發(fā)送數(shù)據(jù)給Ｃ站Ａ站把目的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)交給本站的通信處理器組織成幀。待得到令牌后發(fā)出該幀。B站從其入口收到此幀后，查看目的地址與本站地址不符，便將原幀依次轉發(fā)給C站。C站查看目的地址，得知是給本站的報文經(jīng)校驗無錯，接收，并修改狀態(tài)位表示已正確接收C站再把修改了狀態(tài)位的原幀沿D、E站送回A站。A站從返回的幀狀態(tài)位得知發(fā)送成功,,,令牌總線各節(jié)點按預定順序形成一個邏輯環(huán)對總線廣播帶有目的地址的令牌幀，與幀中目的地址一致的站點識別出該幀與自己的地址符合，即接收令牌令牌傳遞過程是順序依次進行的，因此對所有站點都有公平的訪問權。,,控制網(wǎng)絡中對訪問的等待時間是一個重要參數(shù)要使站點取得令牌的等待時間是確定的，就需要限定每個站發(fā)送幀的最大長度如果所有站都有報文要發(fā)送，最大等待時間為全部令牌傳送時間和報文發(fā)送時間的總和。如果只有一個站點有報文要發(fā)送，則最小等待時間只是全部令牌傳遞時間的總和。實際等待時間應在這個區(qū)間范圍內(nèi)。選定站點數(shù)及最大的報文長度，以保證在限定的時間內(nèi)取得令牌令牌總線的訪問控制還可提供不同的優(yōu)先級,,令牌總線介質(zhì)訪問控制應具備的功能令牌傳遞算法邏輯環(huán)的初始化站點插入算法：周期性地使新站點有機會插入環(huán)中站點退出環(huán)路差錯恢復網(wǎng)絡應能發(fā)現(xiàn)差錯，丟失令牌應能恢復，在多重令牌情況下應能識別處理,,實令牌與虛令牌實令牌：網(wǎng)絡傳遞的數(shù)據(jù)幀中有一種專門作為令牌的令牌幀虛令牌是指將令牌隱含在普通數(shù)據(jù)幀中，沒有專門的令牌幀存在。網(wǎng)絡管理者給每個節(jié)點分配一個唯一的地址每個站點監(jiān)視收到的每個報文幀的源地址,并為接收的源地址設置一個隱性令牌寄存器,讓隱性令牌寄存器的值為收到的源地址加1，所有站點的隱性令牌寄存器在任一時刻的值都相同如果隱性令牌寄存器的值與某個站點自己的ＭＡＣ地址相等,該站點就可立即發(fā)送數(shù)據(jù)。,時分復用,時分復用(ＴＤＭ)對每個節(jié)點預先分配好特定的一段時間,讓每個節(jié)點在這段時間內(nèi)占有總線。多個節(jié)點按劃分的時間順序占用總線的工作方式稱為時分多路復用如讓節(jié)點A、B、C、D分別按1、2、3、4的順序占用總線。事先可以預計好每個節(jié)點占用總線的時間（需要的通信時間、要傳送的字節(jié)數(shù)）可準確估算出每個節(jié)點兩次占用總線的之間的循環(huán)周期。,,同步時分復用：為每個節(jié)點分配相等的時間，而不管每個設備要通信的數(shù)據(jù)量的大小。每當分配給某個節(jié)點的時間片到來時，該節(jié)點就可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果此時該節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，傳輸介質(zhì)在該段時間片內(nèi)就是空的。同步時分復用的平均分配策略有可能造成通信資源的浪費，不能有效利用鏈路的全部容量異步時分復用（統(tǒng)計復用）。異步指對每個節(jié)點的時間分配是不相同的、有彈性的根據(jù)給定時刻可能進行發(fā)送的節(jié)點數(shù)目的統(tǒng)計結果決定時間片的分配。動態(tài)分配時間片的能力可以大大減少信道資源的浪費異步時分復用還可采用變長時間片的方法來實現(xiàn)。可以按動態(tài)方式管理變長域,網(wǎng)絡互連,網(wǎng)絡互連要求不改變原有的子網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡協(xié)議、通信速率、硬、軟件配置等，通過網(wǎng)絡互連技術使原先不能相互通信和共享資源的網(wǎng)絡間有條件實現(xiàn)相互通信和信息共享。并要求連接對原有網(wǎng)絡的影響減至最小。網(wǎng)絡互連技術能實現(xiàn)更大規(guī)模、更大范圍的網(wǎng)絡連接，使網(wǎng)絡、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡資源、網(wǎng)絡服務成為一個共享資源的整體。,控制網(wǎng)絡互連,控制網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡互連實現(xiàn)不同網(wǎng)段之間的網(wǎng)絡連接與數(shù)據(jù)交換，包括在不同傳輸介質(zhì)、不同速率、不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡之間實現(xiàn)互連。網(wǎng)段延長采用中繼器，相同通信協(xié)議的高速網(wǎng)段與低速網(wǎng)段之間采用網(wǎng)橋連接，不同通信協(xié)議網(wǎng)段間采用網(wǎng)關?；饡F(xiàn)場總線FF的低速網(wǎng)絡稱為H1，傳輸速度為31.25Kbps高速網(wǎng)絡稱為HSE（HighSpeedEthernet），傳輸速度可達100Mbps。H1與HSE之間可采用網(wǎng)關（LinkDevice）互連，使網(wǎng)橋一側的H1網(wǎng)段與網(wǎng)橋另一側的HSE網(wǎng)段交換信息。,生產(chǎn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡系統(tǒng),,,網(wǎng)絡互連的通信參考模型,開放系統(tǒng)互連參考模型:ＯＳＩ(OpenSystemInterconnection)參考模型,這是由國際標準化組織ＩＳＯ為實現(xiàn)開放系統(tǒng)互連所建立的分層模型，為開放系統(tǒng)互連提供了概念性、功能性結構按通信功能劃分為七個層次。劃分原則是將相似功能集中在同一層內(nèi)，各層的協(xié)議細節(jié)由各層獨立進行。功能差別較大時則分層處理，每層只對相鄰的上、下層定義接口。一旦引入新技術或提出新的業(yè)務要求時，可以把因功能擴充、變更所帶來的影響限制在直接有關的層內(nèi)，而不必改動全部協(xié)議。,,具體劃分為：從鄰接物理媒體的層次開始，分別賦于１、２、……、７層的順序編號，相應地稱之為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。第１～３層功能稱為低層功能（ＬＬＦ），即通信傳送功能；第４～７層功能稱為高層功能（ＨＬＦ），即通信處理功能每一層的功能是獨立的，它利用其下一層提供的服務并為其上一層提供服務，而與其它層的具體實況無關。,,ISO/OSI模型節(jié)點A節(jié)點B傳輸介質(zhì),,,,,物理層（第1層）物理層并不是物理媒體本身，它提供用于建立、保持和斷開物理連接的機械、電氣、功能和規(guī)程條件。簡而言之，物理層提供有關同步和數(shù)據(jù)流在物理媒體上的傳輸手段，其典型的協(xié)議有EIA-232、485等。數(shù)據(jù)鏈路層（第２層）數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實現(xiàn)無差錯傳輸?shù)墓δ?。該層對連接通路進行差錯控制、數(shù)據(jù)成幀、同步等控制網(wǎng)絡層（第３層）網(wǎng)絡層規(guī)定網(wǎng)絡連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。它的主要功能是利用數(shù)據(jù)鏈路層所提供功能，通過路由選擇，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的連接。在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，網(wǎng)絡層還具有多路復用的功能,,傳輸層（第４層）傳輸層完成數(shù)據(jù)傳送控制，在系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)確認，對經(jīng)過下三層之后仍然存在的傳輸差錯進行恢復。提高吞吐量和服務質(zhì)量。會話層（第５層）會話層按照應用進程之間的約定和正確的順序收、發(fā)數(shù)據(jù)，進行各種形式的對話。給數(shù)據(jù)打上標記。如果出現(xiàn)通信意外，可以由打標記處重發(fā)。如將長文件分頁標記，逐頁發(fā)送表示層（第６層）表示層的主要功能是把應用層提供的信息內(nèi)容變換為能夠共同理解的形式，提供字符代碼、數(shù)據(jù)格式、控制信息格式、加密等的統(tǒng)一表示。表示層僅對應用層的信息內(nèi)容進行形式變換，而不改變其內(nèi)容本身。應用層（第７層）應用層（第7層）應用層實現(xiàn)各種應用進程之間的信息交換，同時還具有一系列業(yè)務處理所需要的服務功能。,幾種典型控制網(wǎng)絡的通信模型,控制網(wǎng)絡中通信的特點單個節(jié)點的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿障鄬Ρ容^簡單實時性、快速性的要求較高。模型簡化現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用的通信參考模型大都在ISO模型的基礎上進行了不同程度的簡化簡化的目的一是為滿足實時性要求，二是為實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡的低成本OSI7層參考模型的層間操作與轉換較為復雜性，網(wǎng)絡接口的開銷與造價較高控制網(wǎng)絡的通信參考模型仍然以OSI模型為基礎一些控制網(wǎng)絡在OSI模型的基礎上增加了用戶層用戶層規(guī)定如何處理與控制應用相關的,網(wǎng)絡互連設備,中繼器，網(wǎng)橋，路由器和網(wǎng)關是不同層次的網(wǎng)絡互連設備在物理層使用中繼器（Repeater）,通過復制位信號延伸網(wǎng)段長度；在數(shù)據(jù)鏈路層使用網(wǎng)橋(Bridge),在局域網(wǎng)之間存儲或轉發(fā)數(shù)據(jù)幀；在網(wǎng)絡層使用路由器(Router),在不同網(wǎng)絡間存儲轉發(fā)分組信號；在傳送層及傳送層以上，使用網(wǎng)關(Gateway)進行協(xié)議轉換，提供更高層次的接口。,,中繼器中繼器使得網(wǎng)絡可以跨越一個較大的距離。在中繼器的兩端，其數(shù)據(jù)速率、協(xié)議（數(shù)據(jù)鏈路層）和地址空間都相同，主要作用在于延長電纜和光纜的傳輸距離中繼器是一個再生器而不是一個放大器，當接收到一個微弱或損壞的信號時，它將按照信號的原始長度一位一位地復制信號，整形放大、重新復制，新生成的信號將具有的良好波形，中繼器一般用于方波信號的傳輸中繼器必須放置在噪聲使信號中任一位信號的含義受到影響之前。,,網(wǎng)橋(Bridge)網(wǎng)橋是存儲轉發(fā)設備，用來連接同一類型的局域網(wǎng)。網(wǎng)橋同時作用在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)橋能夠互連兩個采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸速率、不同傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡。它需要兩個互連網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同或兼容的協(xié)議。網(wǎng)橋可以訪問所有連接節(jié)點的物理地址。有選擇性地過濾通過它報文。當在一個網(wǎng)段中生成的報文要傳到另外一個網(wǎng)段中時，網(wǎng)橋開始蘇醒，轉發(fā)信號。而當一個報文在本身的網(wǎng)段中傳輸時，網(wǎng)橋處于睡眠狀態(tài)簡單網(wǎng)橋；學習網(wǎng)橋；多點網(wǎng)橋,,路由器(Router)在路由器所包含的網(wǎng)絡地址之間，可能存在的若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。路由器工作在物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層路由器在具有獨立地址空間、數(shù)據(jù)速率和媒體的網(wǎng)段間存儲轉發(fā)信號的設備。路由器連接的所有網(wǎng)段，其協(xié)議是保持一致的路由器為來自某個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包確定路線，發(fā)送到互連網(wǎng)絡中任何可能的目的網(wǎng)絡中,,網(wǎng)關(Gateway)網(wǎng)關又被稱為網(wǎng)間協(xié)議變換器，用以在不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡之間實現(xiàn)網(wǎng)絡互連。在報文從一個網(wǎng)段到另一個異構網(wǎng)段的傳送中，網(wǎng)關提供了一種方式把報文重新封裝形成新的報文組。網(wǎng)關需要完成報文的接收，翻譯與發(fā)送。網(wǎng)關一般使用兩個微處理器和兩套各自獨立的通信控制芯片組。,