網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)《網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)》第3部分實時控制網(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部分實時控制網(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)計第7部分現(xiàn)代主干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述2023/3/323.1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3.1RNA體系層次結(jié)構(gòu)圖2023/3/331、工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求工業(yè)類型控制特點過程工業(yè)連續(xù)控制為主，算法復(fù)雜，速度慢，流程長，對可靠性要求高，有分散化要求制造工業(yè)邏輯控制為主，算法簡單，速度快，通常不必冗余，CPU不要求太分散混合工業(yè)采集為主也混合邏輯控制，回路控制，單機(jī)控制多，要求成本低表3.2各種工業(yè)控制的特點2023/3/342、控制網(wǎng)絡(luò)的分類隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)：延遲時間是隨機(jī)的，如EtherNet有界網(wǎng)絡(luò)：延遲時間有確定的上界，如ConrolNet常值網(wǎng)絡(luò)：時間延遲應(yīng)保持一定，如DeviceNet根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時延特征，工業(yè)自動化系統(tǒng)中采用的控制網(wǎng)絡(luò)一般分為：2023/3/353、控制網(wǎng)絡(luò)的功能控制網(wǎng)絡(luò)與一般信息網(wǎng)絡(luò)的比較控制網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。一般10ms-100ms級。信息網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間不強(qiáng)烈。在惡劣的環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?。高溫、潮濕、震動、腐蝕、強(qiáng)電磁環(huán)境，長時間、連續(xù)、可靠、完整傳輸數(shù)據(jù)，能抵抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾。在可燃和易爆的場合具有本質(zhì)安全性能。通信使用廣播和組播方式自主系統(tǒng)與另一系統(tǒng)一般建立一對一通信方式。涉及多種總線標(biāo)準(zhǔn)和多家公司的產(chǎn)品在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容，即互操作性。標(biāo)準(zhǔn)單一，產(chǎn)品一般可以實現(xiàn)互操作。2023/3/363、控制網(wǎng)絡(luò)的特點(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Ｎ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)。2023/3/374、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和層次結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(NetProtocol)是為進(jìn)行計算機(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，它是對同等實體之間的通信制定的有關(guān)通信規(guī)則約定的集合。

計算機(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。2023/3/385、控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

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。

LonWorks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)2023/3/393.2介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò)1、雙絞線圖3.3雙絞線模式2023/3/3103.2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)2023/3/3113、微波圖3.6微波通信3.2介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò)2023/3/3124、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)2023/3/3134、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)2023/3/3144、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)2023/3/3153.3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)傳送時間原則，如分時復(fù)用及分頻復(fù)用等，同時也決定了網(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)。2023/3/3161、EIARS232物理層協(xié)議

圖3.11單端線路連接示意圖單端線路驅(qū)動器與接收器：2023/3/317

圖3.12RS-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、EIARS232物理層協(xié)議

2023/3/318表3.4RS-232引腳說明符號9針引腳排列25針引腳排列數(shù)據(jù)流向說明ECD18I載波檢測RXD23I數(shù)據(jù)接收TXD32O數(shù)據(jù)發(fā)送DTR420O數(shù)據(jù)終端就緒GND57信號地DSR66I數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好RTS74O請求發(fā)送CTS852I清除發(fā)送RI922I振鈴指示1、EIARS232物理層協(xié)議

2023/3/319圖3.13RS-232C連接示意圖1、EIARS232物理層協(xié)議

2023/3/320

圖3.14RS-232C通信七線制示意圖圖3.15RS-232C通信三線制示意圖1、EIARS232物理層協(xié)議

2023/3/321圖3.16RS-232C單工通信連線示意圖1、EIARS232物理層協(xié)議

2023/3/3222、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架圖3.17RS-485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖2023/3/323RS-485網(wǎng)絡(luò)工作波形示意圖：圖3.18RS-485網(wǎng)絡(luò)工作理想波形圖2、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

2023/3/324RS-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、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

2023/3/325RS-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2、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

2023/3/3263、ISO11898物理層協(xié)議

(1)物理媒體協(xié)議（PLS）子層

(2)物理媒體連接（PMA）子層

2023/3/3274、IEEE802.3物理層協(xié)議

10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-F傳輸媒體基帶同軸電纜基帶同軸電纜非屏蔽雙絞線寬帶同軸電纜850mm光纖對編碼技術(shù)曼切斯特碼曼切斯特碼曼切斯特碼差分PSK碼曼切斯特碼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線總線星型總線/星型星型最大段長500m185m100m1800m500m每段節(jié)點10030----33表3.5IEEE802.3的10Mbps可選方案2023/3/3284、IEEE802.3物理層協(xié)議

圖3.25不同形式的位編碼2023/3/3295、IEEE802.11物理層協(xié)議

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"HighRate"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。2023/3/3303.4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(LogicalLinkControl)和介質(zhì)控制MAC子層。圖3.26OSI參考模型與局域網(wǎng)協(xié)議層次2023/3/3313.4數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò)圖3.27IEEE802.3MAC子層功能模塊及接口2023/3/3321、IEEE802.3MAC子層協(xié)議

MAC子層規(guī)范格式：

圖3.28IEEE802.3的MAC幀格式用于位同步的前導(dǎo)序列目的節(jié)點MAC地址發(fā)送節(jié)點MAC地址數(shù)據(jù)域長度LLC子層數(shù)據(jù)單元幀校驗，CRC-32幀的起始定界符2023/3/3331、IEEE802.3MAC子層協(xié)議

總線監(jiān)聽算法：

非堅持CSMA

堅持CSMAP-堅持CSMA2023/3/3342、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子層協(xié)議

(1)IEEE802.5MAC子層協(xié)議

圖3.29令牌環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2023/3/3352、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子層協(xié)議

1字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)幀始符（SD）訪問控制（AC）幀末符（ED）（a）令牌幀格式1字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)2或6字節(jié)2或6字節(jié)無限制4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)幀始符（SD）訪問控制（AC）幀控制（FC）目的地址源地址數(shù)據(jù)校驗和幀末符（ED）幀狀態(tài)（FS）（b）數(shù)據(jù)幀格式圖3.30IEEE802.5的令牌幀與數(shù)據(jù)幀格式2023/3/3362、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子層協(xié)議

(2)IEEE802.4MAC子層協(xié)議

圖3.30令牌總線結(jié)構(gòu)2023/3/3373、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.32CAN總線系統(tǒng)組成示意圖2023/3/3383、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.33CAN的幀結(jié)構(gòu)2023/3/3393、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.34CAN總線仲裁波形示意圖2023/3/3403、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.35CAN總線仲裁實際波形2023/3/3414、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.36CC-LinkT型分支2023/3/3424、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.37CC-Link傳輸幀的基本格式2023/3/3434、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.38傳輸方式2023/3/3444、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.39CC-Link通信過程2023/3/3455、802.11MAC子層協(xié)議

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接入點的漫游服務(wù)2023/3/3463.5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)2023/3/347(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2023/3/3482、CAN總線應(yīng)用層有界網(wǎng)絡(luò)解決方案

圖3.45CAN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)2023/3/3493.6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報文報文格式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。2023/3/3502、ControlNet協(xié)議棧

圖3.48ControlNet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