1、第三讲 控制网络基础,课程名称：控制网络与系统集成 英文名称：Control Network and System Integration,3.1 计算机网络,计算机网络从最初局域网内部的计算机互联，局域网与局域网之间的互联而逐步发展，并导致国际互联网internet的出现。internet是当今世界上最大的非集中式的计算机网络的集合，是全球范围成千上万个网连接起来的互联网，它已成为当代信息社会的重要基础设施，成为沟通世界的信息高速公路。按地域范围可分为远程网、城域网和局域网。 局域网络的距离只限于几十米到25km，一般在10km以内，往往为某个单位或某个部门所有，用于连接单位内部的计算机资源
2、。其传输速率较高，可达100Mbps，甚至更高，具有多样化的通信介质，例如同轴电缆、光缆、双绞线、电话线等。城域网实际上是一种大型局域网，通常采用与局域网相同的技术。传输速率在10Mbps以上，距离约为5km50km，一般为公用网。,3.2 控制网络,控制网络是一种用于完成自动化任务的特殊类型的计算机网络。控制网络都有别于由普通PC机或其他计算机构成的数据网络。3.2.1 控制网络的节点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。它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，控制网络的节点成员：限位开关、感应开关等。条形码阅读器。 光电传感器。 可编程逻辑控制器PLC。 PID等数字控制
3、器。 各种调节阀。 各种数据采集装置。 马达控制设备、变频器。机器人。温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器。作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设。作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。这些单个分散的有通信能力的测量控制设备的网络节点，连接成网络系统，使它们之间可以相互沟通信息，由它们共同完成自控任务，这就是控制网络。,LAN(Ethernet),MELSECNET,LAN(Ethernet) MELSECNET CC-Link CC-Link Safety,安全,搬运操作的显示器,CCR （不同任务）,LAN(Ethernet),MELSECNET,BUS连接,BUS连接,
4、设备操作显示器,LAN(Ethernet) MELSECNET CC-Link CC-Link Safety,搬运用PLC,设备PLC,生产指示终端,生产实绩终端,打印机,设备监视终端,从设备到生产管理 的无缝连接,D-I/O,A-I/O,ID控制器,安全PLC,光幕,机械手,安全远程I/O,机械手,变频器,伺服,BUS连接,环境资源操作显示器,环境资源用PLC,IPM,MDU EMU,MES接口模块,阀,服务器（跟踪、品质等）,MES,一个典型的网络化控制系统,3.2 控制网络,3.2 控制网络,3.2.2 控制网络的任务与工作环境控制网络以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表为网络节点，
5、并将其连接成开放式、数字化，实现多节点通信，完成测量控制任务的网络系统。近年来，随着互联网技术的发展，已经开始对现场设备提出了参数的网络浏览和远程监控的要求。在有些应用场合，需要借助网络传输介质为现场设备提供工作电源。控制网络要面临工业生产的强电磁干扰、各种机械振动和严寒酷暑的野外工作环境，因此要求控制网络能适应此类恶劣的工作环境。另外，自控设备千差万别，实现控制网络的互联与互操作往往十分困难，这也是控制网络面对的必须解决的问题。控制网络的数据传输量相对较小，传输速率相对较低，多为短帧传送，但它要求通信传输的实时性强，可靠性高。网络的拓扑结构、传输介质的种类与特性、介质访问控制方式、信号传输方
6、式、网络与系统管理等，都是影响控制网络性能的重要因素。,3.2 控制网络,3.2.3 控制网络的实时性要求计算机网络普遍采用以太网技术，采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式。一条总线上挂接多个节点，采用平等竞争的方式争用总线。普通的计算机网络称之为非确定性(nondeterministic)网络。非确定性不致于使普通计算机网络造成后果。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。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。这种对动作时间有实时要求的系统称为实时系统。实时系统的运行不仅要求系统动作在逻辑上的正确性，同时要求满足时限性。实时系统又可分为硬
7、实时和软实时两类。硬实时系统要求实时任务必须在规定的时限完成，否则会产生严重的后果；而软实时系统中的实时任务在超过了截止期后的一定时限内，系统仍可以执行处理。由控制网络组成的实时系统一般为分布式实时系统。其实时任务通常是在不同节点上周期性执行的，任务的实时调度往往要求构成通信的调度具有确定性(deterministic)的网络系统。例如一个控制网络由几个网络节点的PLC构成，每个PLC连接着各自下属的电气开关或阀门，由这些PLC共同控制管理着一个生产装置的不同部件的动作时序与时限。而且它们的动作通常需要严格互锁。对这个分布式实时系统来说，它应该满足实时性的要求。,3.3 网络拓扑,网络的拓扑结
8、构是指网络中节点的互连形式。控制网络中常见的拓扑结构如图32所示，(a)为环形；(b)为星形；(c)为总线形；(d)为树形。,3.3 网络拓扑,3.3.1 环形拓扑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。每个设备只与逻辑或空间上跟它相连的设备链接。每个设备中都有一个中继器。,多个设备共享环路，需访问控制方式来确定每个站何时能向环上插入本节点要发送的数据报文。采用分布控制，每个节点都应有存取逻辑和收发控制逻辑。节点需提供拆包和存取控制逻辑。中继器之间可使用高速链路，可提供更大的吞吐量，适用于工业环境。增加或删除一个设备只需改变两根连线。信号只
9、能单向传输是环形拓扑的一个缺陷。一个设备的故障会导致整个网络瘫痪，在一些重要的应用场合需要采用双环。,3.3 网络拓扑,3.3.2 星形拓扑每个节点通过点对点连接到中央节点，任何两节点之间通信都通过中央节点进行。一个节点要传送数据时，首先向中央节点发出请求，要求与目的站建立连接。采用集中式通信控制策略，所有通信均由中央节点控制，中央节点必须建立和维持许多并行数据通路，因此中央节点的结构显得非常复杂，而每个节点的通信处理负担很小，只需满足点对点的链路连接要求，结构简单。星形拓扑便于实现数据通信量的综合处理，每个终端节点只承担较小的通信处理量。常用于终端密集的地方。一条线路受损，不会影响其他线路的
10、正常工作。,3.3 网络拓扑,3.3.3 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。总线上一个节点发送数据，所有其他节点都能接收。由于所有节点共享一条传输链路，某一时刻只允许一个节点发信息，因此需要由某种介质存取访问控制方式来确定总线的下一个占有者，也就是下一个可以向总线发送报文的节点。经过地址识别，把报文送到目的节点。总线拓扑上可以发送广播报文，使多个节点能同时接收。报文也可以在总线上分组发送。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，它易于安装，比星形、树形和环状拓扑更节约电缆。随着信号在网段上传输距离的增加，信号会逐渐变弱。将一个设备连接到总线时的分
11、支也会引起信号反射，从而降低信号的传输质量，因此在给定长度的电缆上，对可连接设备数量、空间分布需要进行限制。,3.3 网络拓扑,3.3.4 树形拓扑传输介质是不封闭的分支电缆。可以认为它是星形拓扑的扩展形式。也有人认为它是总线拓扑的扩展形式，树形拓扑和总线拓扑一样，一个站发送数据，其他站都能接收。因此树形拓扑也可完成多点广播式通信。树形拓扑是适应性很强的一种拓扑，适用范围很宽，例如对网络设备的数量、传输速率和数据类型等没有太多限制，可达到很高的带宽。树形拓扑结构非常适合于分主次，分等级的层次型管理系统。,实际中，经常会把几个不同拓扑结构的子网结合在一起，形成混合型拓扑网络。,3.4 网络的传输
12、介质,3.4.1 双绞线双绞线由按规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘线组成。一对线可以作为一条通信线路，各线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线使用的带宽可达268kHz，可以复用24条音频通道的传输。双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km；用于10Mbps局域网时，与集线器的最大距离为100m。抗干扰能力低于同轴电缆。3.4.2 同轴电缆同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。特征阻抗为50(75)，以太网用同轴电缆，基带传输时速率为10Mbps。基带同轴电缆的最大距离限制在几公里范围内；而宽带同轴电缆的最大距离可达几十公里。踩用频分多路复用FDM技术采用频分多路
13、复用FDM技术，同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。,3.4 网络的传输介质,3.4.3 光缆光缆由光导纤维构成，它是网络传输介质中性能最好，应用广泛的一种。光纤是直径为50m100m的能传导光波的柔软介质。光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。由于光纤的折射系数高于外层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层界面上的全反射。光纤传输速率可达几千兆位每秒。单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输； 多模光纤是指光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。光纤信号衰减极小，它可以在6km一8km距离内不使用中继器实现高速率数据传输。抗干扰性最好.。,3.4
14、网络的传输介质,3.4.4 无线通信无线通信主要有微波通信、红外通信与激光通信。卫星通信可以看成是一种特殊的微波通信系统。微波载波频率是2GHz40GHz。由于微波载波频率很高，可以同时传送大量信息。当用于数字通信时，其数据传输速率也很高。微波、红外通信与激光通信都属于一种视距传输，它沿直线传播，不能绕射。由于微波通信信道、红外通信信道与激光通信信道都不需要铺设电缆，因此对于连接不同建筑物之间的局域网特别有用。近年来，无线局域网、工作在2.4GHz频段的蓝牙短距离无线通信技术也得到了快速发展和广泛应用；与此同时出现在网络控制系统中的无线网络传感器应用的研究也成为了热点。选择传输介质时要考虑的问
15、题很多，如网络拓扑、网络连接方式、网络通信量、要传输的数据类型、网络覆盖的地理范围、节点间的距离、传输介质与相关网络设备的性能价格比等，应根据应用需求，选择合适的传输介质。,3.5 网络传输介质的访问控制方式,为解决在同一时间有几个设备同时发起通信而出现的争用传输介质的现象，需要采取某种介质访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序。这种用于解决介质争用冲突的办法称之为竞用技术。帧愈长，而所需传播时间愈短，介质的利用率愈高。与访问控制方式有关。通信中对介质的访问有随机和受控。采用载波监听多路访问冲突检测的随机访问方式来竞用总线。控制网络中采用主从式、令牌总线、令牌环、并行时间、多路存取等受控的介质
16、访问控制方式。 3.5.1 载波监听多路访问冲突检测(CSMACD)“冲突”与冲突的避免：每个工作站在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”，即先听再讲。 “冲突检测”与边讲边听。有3种CSMA坚持退避算法：第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。第二种为1坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。第三种为P坚持CSMA。假如介质空闲，则以P的概率发送，或以1P的概率延迟一个时间单位后再听，这个时间单位等于最大的传
17、播延迟；假如介质是忙的，则继续监听直到介质空闲，重复第一步。,在一些对实时性要求不高的控制网络中，也开始采用CSMACD的介质访问控制方式。,3.5 网络传输介质的访问控制方式,3.5.2 介质访问控制的令牌方式CSMA的访问产生冲突的原因：由于各节点发起通信是随机的。令牌访问就是解决冲突的控制方式中的一种。令牌环中令牌传递的工作原理示意图与网上传输的帧格式。,令牌总线的介质访问控制应具备以下几项功能：(1)令牌传递算法(2)逻辑环的初始化(3)站点插入算法(4)退出环路(5)恢复(6)实令牌与虚令牌虚令牌是指将令牌隐含在普通数据帧中，没有专门的令牌帧存在。采用虚令牌时，网络中并没有真正的令牌
18、帧传递，但能起到像实令牌一样的作用，不会因介质访问引发冲突。,3.5 网络传输介质的访问控制方式,3.5.3 时分复用时分复用(TDM)对每个节点预先分配好特定的一段时间，让每个节点在这段时间内占有总线。多个节点按划分的时间顺序占用总线的工作方式称为时分多路复用。比如让节点A，B，C，D分别按1，2，3，4的顺序占用总线。时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用两种。同步时分复用指为每个节点分配相等的时间，而不管每个设备要通信的数据量的大小。异步时分复用也叫统计复用。“异步”在这里的意义是指对每个节点的时间分配是不相同的、有弹性的。异步时分复用根据给定时刻可能进行发送的节点数目的统计结果决定时
19、间片的分配。这种动态分配时间片的能力可以大大减少信道资源的浪费，因而在话务通信系统中应用广泛。但它需要采用复用器与解复用器完成较为复杂的数据定位。异步时分复用还可采用变长时间片的方法来实现。可以按动态方式管理变长域。而在控制网络中，各节点数据信号的传输速率一般相同。可以采取固定方式给数据传输量大的节点分配较长的时间，而给数据传输量小的节点分配较短的时间，以避免浪费。,3.6 网络互联,3.6.1 网络互联的基本概念相互连接的网络可以是同种类型的网络，也可以是运行不同网络协议的异型系统。3.6.2 网络互联规范IEEE于1980年2月成立了局域网标准委员会(1EEE 802委员会)，建立了802
20、课题，制定了开放式系统互联(OSI)模型的物理层、数据链路层的局域网标准。已经发布了IEEE 802.1IEEE 802.11标准，其中IEEE 802.1IEEE 802.6已经成为国际标准化组织(1SO)的国际标准ISO 8802-1ISO 8802-6。,3.6 网络互联,3.6.3 网络互联与操作系统局域网操作系统是实现计算机与网络连接的重要软件。局域网操作系统通过网卡驱动程序与网卡通信实现介质访问控制和物理层协议。对不同传输介质、不同拓扑结构、不同介质访问控制协议的异型网，要求计算机操作系统能很好地解决异型网络互联的问题。Netware，Windows NT Server，LAN M
21、anager都是局域网操作系统的范例。LAN Manager局域网操作系统是微软公司推出的；Netware是由Novell公司和Apple公司联合提出；Windows NT Server是一种具有很强联网功能的局域网操作系统。3.6.4 控制网络互联控制网络通过网络互联实现不同网段之间的网络连接与数据交换，包括在不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间实现互联。控制网络的相关规范对一条总线段上容许挂接的自控设备节点数有严格的限制。一般同种总线的网段采用中继器或网桥实现连接与扩展。不同类型的现场总线网段之间采用网关，即采用专用接口方式，即一对一的总线互联“网关”，实现不同类型现场总线网段的
22、互联。采用中继器、网桥、网关、路由器等将不同网段、子网连接成企业应用系统。,3.7 网络互联的通信参考模型,3.7.1 开放系统的互联参考模型国际标准化组织ISOTC97于1978年建立了“开放系统互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型OSI(open system interconnection)的建议草案，并在1986年形成了为实现开放系统互联所建立的分层模型，简称OSI参考模型。这是为异种计算机互联提供的一个共同基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供了共同的参考。“开放”是指对标准的认同。OSI参考模型把开放系统的通信功能划分为7个层次。,把第13层功能称为低层功能
23、(LLF)，即通信传送功能，这是网络与终端设备都需具备的功能；把第47层功能称为高层功能(HLF)，即通信处理功能，通常需由终端设备提供。,3.7 网络互联的通信参考模型,3.7.2 OSI参考模型的功能划分OSI参考模型每一层的功能是独立的，它利用其上下一层提供的服务，并为上下一层提供服务，而与其他层的具体情况无关。两个开放系统中的同等层之间的通信规则约定称之为通信协议。(1)物理层(第1层)：物理层规范是开放系统中利用物理介质实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。物理层提供数据流在物理介质上的传输手段，实现节点间的同步，其典型的协议有EIA-232等。(2)数据链路层(第2层)：数据链路
24、层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能。(3)网络层(第3层)：网络层规定了有关网络连接的建立、维持和拆除协议。(4)传输层(第4层)：传输层完成开放系统之间的数据传送控制，在系统之间实现数据的收发确认，同时还用于弥补各种通信网路的质量差异，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行纠正，进一步提高可靠性。(5)会话层(第5层)：会话层依靠传输层以下的通信功能使数据传送功能在开放系统间有效地进行。它按照应用进程之间的约定，按照正确的顺序收、发数据，进行各种形式的对话。(6)表示层(第6层)：表示层的主要功能是把应用层提供的信息内容变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制
25、信息格式、加密等的统一表示。表示层仅对应用层的信息内容进行形式变换，而不改变其内容本身。(7)应用层(第7层)：应用层是OSI参考模型的最高层。其功能是实现各种应用进程之间的信息交换，同时还具有一系列业务处理所需要的服务功能。,3.7 网络互联的通信参考模型,3.7.3 几种典型控制网络的通信模型七层OSI参考模型是否适应工业现场的通信环境，简化型是否更适合于控制网络的应用需要，这是应该考虑的重要问题。在为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在ISO模型的基础上进行了不同程度的简化。几种典型控制网络的通信参考模型与ISO模型的对照，这几种控制网络还在OSI模型
26、的基础上增加了用户层，用户层是根据行业的应用需要，在施加某些特殊规定后形成的标准。,3.8 网络互联设备,网络互联从通信参考模型的角度可分为几个层次：在物理层使用中继器(repeater)，通过复制位信号延伸网段长度；在数据链路层使用网桥(bridge)，在局域网之间存储或转发数据帧；在网络层使用路由器(router)，在不同网络间存储转发分组信号；在传输层及传输层以上，使用网关(gateway)进行协议转换。因此中继器、网桥、路由器和网关是不同层次的网络互联设备。3.8.1 中继器中继器(repeater)又称重发器。中继器一般用于方波信号的传输。有电信号中继器和光信号中继器，它们对所通过的
27、数据不作处理，主要作用在于延长电缆和光缆的传输距离。中继器仅在网络的物理层起作用，它不以任何方式改变网络的功能。中继器是一个再生器，而不是一个放大器。中继器应放置在信号失去可读性之前。中继器使得网络可以跨越一个较大的距离。中继器的两端，其数据速率、协议(数据链路层)和地址空间都相同。,3.8 网络互联设备,3.8.2 网桥网桥是存储转发设备，用来连接同一类型的局域网。网桥将数据帧送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层，通过物理传输介质送到另一个子网或网段。它具备寻址与路径选择的功能。网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。它要求两个互联网络在数据链路层以上采
28、用相同或兼容的协议。网桥同时作用在物理层和数据链路层。它们用于网段之间的连接，也可以在两个相同类型的网段之间进行帧中继。网桥可以访问所有连接节点的物理地址。有选择性地过滤通过它的报文。当在一个网段中生成的报文要传到另外一个网段中时，网桥开始苏醒，转发信号；而当一个报文在本身的网段中传输时，网桥处于睡眠状态。,当一个帧到达网桥时，网桥不仅重新生成信号，而且检查目的地址，将新生成的，原信号复制件仅仅发送到这个地址所属的网段。,3.8 网络互联设备,3.8.2 网桥网桥所连接的不同网段之间在介质、电气接口和数据速率上可以存在差异。网桥两端的协议和地址空间保持一致。网桥与中继器的区别在于：网桥具有使不
29、同网段之间的通信相互隔离的逻辑，或者说网桥是一种聪明的中继器。网桥需要一个包含与它连接的所有节点地址的查找表，这个表指出各个节点属于哪个段。3种类型的网桥：(1)简单网桥：节点地址表必须完全通过手工输入。在一个简单网桥可以使用之前，操作员必须输入每个节点的地址。(2)学习网桥：学习网桥在它实现网桥功能的同时，自己建立站点地址表。当一个学习网桥首次安装时，它的表是空的。每当它遇到一个包时，它会同时查看源地址和目标地址。网桥通过查看目标地址决定将数据包送往何处。如果这个目标地址是它不认识的，它就将这个包中继到所有的网段中。网桥使用源地址来建立地址表。(3)多点网桥：一个多点网桥可以是简单网桥，也可
30、以是学习网桥。它可以连接两个以上相同类型的网段。,3.8 网络互联设备,3.8.3 路由器路由器工作在物理层、数据链路层和网络层。它比中继器和网桥更加复杂。在路由器所包含的地址之间，可能存在若干路径，路由器可以为某次特定的传输选择一条最好的路径。报文传送的目的地网络和目的地址一般存在于报文的某个位置。当报文进入时，路由器读取报文中的目的地址，然后把这个报文转发到对应的网段中。它会取消没有目的地的报文传输。对存在多个子网络或网段的网络系统，路由器是很重要的部分。路由器可以在多个互联设备之间中继数据包。它们对来自某个网络的数据包确定路线，发送到互联网络中任何可能的目的网络中。,路由器如同网络中的一
31、个节点那样工作。但是大多数节点仅仅是一个网络的成员。而路由器同时连接到两个或更多的网络中，并同时拥有它们所有的地址。路由器是在具有独立地址空间、数据速率和介质的网段间存储转发信号的设备。路由器连接的所有网段，其协议是保持一致的。,3.8 网络互联设备,3.8.4 网关网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。由于它在技术上与它所连接的两个网络的具体协议有关，因而用于不同网络间转换连接的网关是不相同的。一个普通的网关可用于连接两个不同的总线或网络。由网关进行协议转换，提供更高层次的接口。网关允许在具有不同协议和报文组的两个网络之间传输数据。在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了一种把报文重新封装形成新的报文组的方式。网关需要完成报文的接收、翻译与发送。它使用两个微处理器和两套各自独立的芯片组。每个微处理器都知道自己本地的总线语言，在两个微处理器之间设置一个基本的翻译器。IO数据通过微处理器，在网段之间来回传递数据。在工业数据通信中网关最显著的应用就是把一个现场设备的信号送往另一类不同协议或更高一层的网络。,
