網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)第講控制網(wǎng)絡(luò).ppt

鄔 春 學(xué) or 上海理工大學(xué),網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù) Networked Control Technology,網(wǎng)絡(luò)工程教研室 Monday, July 15, 2019,網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),2019/7/15,2,網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)第3部分 實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò),第1部分 緒論 第2部分 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信 第3部分 實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò) 第4部分 網(wǎng)絡(luò)與控制性能分析 第5部分 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法 第6部分 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)常規(guī)控制器的設(shè)計(jì) 第7部分 現(xiàn)代主干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述,2019/7/15,3,3.1 控制網(wǎng)絡(luò)的基本概念,1、工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求,圖3.1 RNA體系層次結(jié)構(gòu)圖,1、工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求,2019/7/15,4,表3.2 各種工業(yè)控制的特點(diǎn),2、控制網(wǎng)絡(luò)的分類,2019/7/15,5,隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)：延遲時(shí)間是隨機(jī)的，如EtherNet 有界網(wǎng)絡(luò)：延遲時(shí)間有確定的上界，如ConrolNet 常值網(wǎng)絡(luò)：時(shí)間延遲應(yīng)保持一定，如DeviceNet,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特征，工業(yè)自動化系統(tǒng)中采用的控制網(wǎng)絡(luò)一般分為：,3、控制網(wǎng)絡(luò)的功能,2019/7/15,6,控制網(wǎng)絡(luò)與一般信息網(wǎng)絡(luò)的比較,3、控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),2019/7/15,7,(1) 系統(tǒng)的開放性。,(2) 互可操作性與互用性。,(3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。,(4) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。,(5) 一對結(jié)構(gòu)。,(6) 可控狀態(tài)。,(7) 互換性。,(8) 綜合功能。,(9) 統(tǒng)一組態(tài)。,4、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和層次結(jié)構(gòu),2019/7/15,8,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Net Protocol)是為進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。協(xié)議總是指某一層協(xié)議，準(zhǔn)確地說，它是對同等實(shí)體之間的通信制定的有關(guān)通信規(guī)則約定的集合。,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干個容易處理的子系統(tǒng)，然后“分而治之”。層次結(jié)構(gòu)的好處在于使每一層實(shí)現(xiàn)一種相對獨(dú)立的功能，分層結(jié)構(gòu)還有利于交流、理解和標(biāo)準(zhǔn)化。,5、控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),2019/7/15,9,控制網(wǎng)絡(luò)一般由OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三層模式體系結(jié)構(gòu)和通信媒質(zhì)構(gòu)成，如：CAN、DeviceNet 。 也有在此基礎(chǔ)上加數(shù)據(jù)傳輸層的四層模式體系結(jié)構(gòu)，如：profibus。 Lon Works控制網(wǎng)絡(luò)卻比較特殊，它采用全部OSI七層模式體系結(jié)構(gòu)。 而ErherNet則采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層五層模式體系結(jié)構(gòu)。,圖3.2 三層控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),2019/7/15,10,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),1、雙絞線,圖3.3 雙絞線模式,2019/7/15,11,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),2、同軸電纜,圖3.5 同軸電纜結(jié)構(gòu),2019/7/15,12,3、微波,圖3.6 微波通信,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),2019/7/15,13,4、光纖,圖3.8 光纖和光纖剖面圖,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),2019/7/15,14,4、光纖,圖3.9 光纖的電信號傳輸過程,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),2019/7/15,15,4、光纖,圖3.10 單模光纖和多模光纖,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),2019/7/15,16,3.3 物理層與控制網(wǎng)絡(luò),物理層定義了網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)碾姶艠?biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)流的編碼及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送時(shí)間原則，如分時(shí)復(fù)用及分頻復(fù)用等，同時(shí)也決定了網(wǎng)絡(luò)連接類型（端到端或多端連接）及物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，它構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。,1、EIA RS232物理層協(xié)議,2019/7/15,17,圖3.11 單端線路連接示意圖,單端線路驅(qū)動器與接收器：,2019/7/15,18,圖3.12 RS-232C邏輯電平示意圖,a. 邏輯電平示意圖 b. 典型波形,邏輯電平及典型波形：,1、EIA RS232物理層協(xié)議,2019/7/15,19,表3.4 RS-232引腳說明,1、EIA RS232物理層協(xié)議,2019/7/15,20,圖3.13 RS-232C連接示意圖,1、EIA RS232物理層協(xié)議,2019/7/15,21,圖3.14 RS-232C通信七線制示意圖 圖3.15 RS-232C通信三線制示意圖,1、EIA RS232物理層協(xié)議,2019/7/15,22,圖3.16 RS-232C單工通信連線示意圖,1、EIA RS232物理層協(xié)議,2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,2019/7/15,23,RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架,圖3.17 RS-485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖,2019/7/15,24,RS-485網(wǎng)絡(luò)工作波形示意圖：,圖3.18 RS-485網(wǎng)絡(luò)工作理想波形圖,2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,2019/7/15,25,RS-485網(wǎng)絡(luò)的電壓偏置：,圖3.19 具有偏置電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò),2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,2019/7/15,26,RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配：,圖3.20 加終端匹配電阻RS-485節(jié)點(diǎn),2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,3、ISO 11898物理層協(xié)議,2019/7/15,27,(1) 物理媒體協(xié)議（PLS）子層,(2) 物理媒體連接（PMA）子層,4、IEEE802.3物理層協(xié)議,2019/7/15,28,表3.5 IEEE802.3的10Mbps可選方案,4、IEEE802.3物理層協(xié)議,2019/7/15,29,圖3.25 不同形式的位編碼,5、IEEE802.11物理層協(xié)議,2019/7/15,30,802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，并在物理層上進(jìn)行了一些改動，加入了高速數(shù)字傳輸?shù)奶匦院瓦B接的穩(wěn)定性。,802.11b“High Rate“協(xié)議，用來對802.11協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個新的網(wǎng)絡(luò)吞吐速率。,利用802.11b，移動用戶能夠獲得同Ethernet一樣的性能、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、可用性。,2019/7/15,31,3.4 數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是為網(wǎng)絡(luò)層提供一條無差錯的傳輸線路，通常采用反饋重糾錯方式來糾正傳輸中出現(xiàn)的差錯。,分成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC(Logical Link Control)和介質(zhì)控制MAC子層。,圖3.26 OSI參考模型與局域網(wǎng)協(xié)議層次,2019/7/15,32,3.4 數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò),圖3.27 IEEE802.3MAC子層功能模塊及接口,1、IEEE802.3 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,33,MAC子層規(guī)范格式：,圖3.28 IEEE802.3的MAC幀格式,用于位同步的前導(dǎo)序列,目的節(jié)點(diǎn)MAC地址,發(fā)送節(jié)點(diǎn)MAC地址,數(shù)據(jù)域長度,LLC子層數(shù)據(jù)單元,幀校驗(yàn)，CRC-32,幀的起始定界符,1、IEEE802.3 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,34,總線監(jiān)聽算法：,非堅(jiān)持CSMA 堅(jiān)持CSMA P-堅(jiān)持CSMA,2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,35,(1) IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,圖3.29 令牌環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,36,（a）令牌幀格式,（b）數(shù)據(jù)幀格式 圖3.30 IEEE 802.5的令牌幀與數(shù)據(jù)幀格式,2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,37,(2) IEEE802.4 MAC子層協(xié)議,圖3.30 令牌總線結(jié)構(gòu),3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,38,圖3.32 CAN總線系統(tǒng)組成示意圖,3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,39,圖3.33 CAN的幀結(jié)構(gòu),3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,40,圖3.34 CAN總線仲裁波形示意圖,3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,41,圖3.35 CAN總線仲裁實(shí)際波形,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,2019/7/15,42,圖3.36 CC-Link T型分支,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,2019/7/15,43,圖3.37 CC-Link傳輸幀的基本格式,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,2019/7/15,44,圖3.38 傳輸方式,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,2019/7/15,45,圖3.39 CC-Link通信過程,5、802.11 MAC子層協(xié)議,2019/7/15,46,802.11的MAC和802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是在一個共享媒體之上支持 多個用戶共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的可用性檢測。,圖3.40 接入點(diǎn)的漫游服務(wù),2019/7/15,47,3.5 應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò),1、應(yīng)用層基本控制模式,(1) 源目的地址通信模式,圖3.41 通過路由器連接的兩個網(wǎng)絡(luò),2019/7/15,48,(2)生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式,圖3.42 生產(chǎn)者/消費(fèi)者和源/目的通信模式圖示,3.5 應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò),1、應(yīng)用層基本控制模式,2019/7/15,49,2、CAN總線應(yīng)用層有界網(wǎng)絡(luò)解決方案,圖3.45 CAN總線應(yīng)用層的令牌傳遞模式,3.5 應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò),2019/7/15,50,3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧,1、DeviceNet 協(xié)議棧,圖3.46 協(xié)議層次模型描述圖 圖3.47 報(bào)文報(bào)文格式,DeviceNet作為基于控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò)，為簡單的底層工業(yè)裝置與高層控制設(shè)備如工控機(jī)、PLC之間架起連接的橋梁。,2019/7/15,51,2、ControlNet 協(xié)議棧,圖3.48 ControlNet協(xié)議棧,ControlNet 具有高吞吐量、資源共享、組態(tài)和編程簡單、傳輸介質(zhì)為同軸電纜和光纖、支持冗余介質(zhì)、體系結(jié)構(gòu)靈活和安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)。 ControlNet 主要用于PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，也可在邏輯控制或過程控制系統(tǒng)中用于連接串行、并行的I/O設(shè)備、人機(jī)界面等裝置。,3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧,2019/7/15,52,3、CC-LINK 協(xié)議棧,圖3.49 CC-LINK的協(xié)議棧,CC-Link具有如下突出優(yōu)點(diǎn)： （1）高速度大容量的數(shù)據(jù)傳送； （2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多點(diǎn)接入、T型分支、 星型結(jié)構(gòu)； （3）CC-Link使分布控制成為現(xiàn)實(shí)； （4）自動刷新功能、預(yù)約站功能。,3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧,2019/7/15,53,3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧,4、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧,圖3.50 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧,2019