工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用- 工程技術(shù)分院 第一章 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 網(wǎng)絡(luò) 通信技 術(shù) 的認(rèn)知29課件講解

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用

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第一章工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的認(rèn)知

1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的組成1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.1通信的基本概念數(shù)據(jù)通信指的是依據(jù)通信協(xié)議、利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個(gè)功能單元之間傳遞數(shù)據(jù)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與終端、終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。1.數(shù)據(jù)與信息數(shù)據(jù)分為模擬量是和數(shù)字量信息兩種，模擬量指在時(shí)間和幅值上連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等信號(hào)；數(shù)字量信息是指時(shí)時(shí)間上離散的、幅值經(jīng)過(guò)量化的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是信息的載體，它是信息的表現(xiàn)形式，可以是數(shù)字、字符、符號(hào)等。單獨(dú)的數(shù)據(jù)并沒(méi)有實(shí)際含義，但如果把數(shù)據(jù)按一定規(guī)則、形式組織起來(lái)，就可以傳達(dá)某種意義，這種具有某種意義的數(shù)據(jù)的集合就是信息。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.1通信的基本概念數(shù)據(jù)傳輸率是衡量通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)之一，是指單位時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)量，常用比特率S和波特率B來(lái)表示。比特率表示單位時(shí)間內(nèi)傳送的的二進(jìn)制代碼的有效位數(shù)（單位有每秒比特?cái)?shù)（bit/s），每秒千比特?cái)?shù)（Kbit/s）或每秒兆比特?cái)?shù)（Mbit/s）等。波特率是數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)的改變次數(shù)來(lái)表示，單位為波特，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中線路上每秒鐘傳送的波形個(gè)數(shù)就是波特率。Baud/S2.數(shù)據(jù)的傳輸率1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)1.傳輸方式（1）串行傳輸和并行傳輸1）串行傳輸。串行傳輸數(shù)據(jù)的各個(gè)不同位分時(shí)使用同一條傳輸線,從低位開始一位接一位按順序傳送,數(shù)據(jù)有多少位就傳送多少次。多用于PLC與計(jì)算機(jī)之間,多臺(tái)PLC之間的數(shù)據(jù)傳送。串行傳輸速度較慢但傳輸線少、連接簡(jiǎn)單,適合多位數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離通信。2）并行傳輸。并行傳輸數(shù)據(jù)所在位同時(shí)傳送,每個(gè)數(shù)據(jù)位都要一條單獨(dú)的傳輸線。并行傳輸一般用于PLC內(nèi)部的各元件之間、主機(jī)與擴(kuò)展模塊或近距離智能模塊之間的數(shù)據(jù)處理。傳輸速度快，效率高,但若數(shù)據(jù)倍數(shù)較多、傳送距離較遠(yuǎn)時(shí)，線路就會(huì)很復(fù)雜，成本高且干擾大，不適合遠(yuǎn)距離傳送。（2）單向傳送和雙向傳送串行通信按信息在設(shè)備間的傳送方向可分為單工、半雙工和全雙工3種方式。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)1.傳輸方式設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備1設(shè)備2a)單工通信c)全雙工通信b)半雙工通信1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)1.傳輸方式（3）異步傳輸與同步傳輸串行通信可分為異步傳輸和同步傳輸兩種方式。異步通信信息以字符為單位進(jìn)行傳輸,每個(gè)字符都有自己的起始位和停止位,每個(gè)字符中的各個(gè)位是同步的,它是靠發(fā)送信息時(shí)同時(shí)發(fā)出字符的開始和結(jié)束標(biāo)志來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳送效率低主要用于中低速數(shù)據(jù)通信。同步通信的數(shù)據(jù)傳輸是以數(shù)據(jù)塊為單位的字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都是同步的。在同步通信中發(fā)送方和接收方要保持完全同步，即要使用同一時(shí)鐘頻率。傳輸效率高對(duì)硬件要求高，主要用于高速通信。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)（1）接口標(biāo)準(zhǔn)1）RS-232C通信接口。RS-232C美國(guó)是電子協(xié)會(huì)EIA于1969年公布的標(biāo)準(zhǔn)化接口，RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示此接口標(biāo)準(zhǔn)修改的次數(shù)，它既是一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定通信設(shè)備之間信息交換的方式與功能。RS-232C可使用9針或25針的D型連接器，簡(jiǎn)單的只需用三條接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)TXD”、“接收數(shù)據(jù)RXD”和“信號(hào)地GND”。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)2）RS-422A通信接口。針對(duì)RS-232C的不足，EIA于1977年推出了串行接口RS-499，RS-422是RS-499的子集，它定義了RS-232C沒(méi)有的10種電路功能，用37腳連接器，全雙工的通信方式。RS-422A采用差動(dòng)發(fā)送、接收的工作方式，使用+5V電源，在通信速率、通信距離、抗干擾方面等都優(yōu)于RS-232C，最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/s，傳輸距離12--1200m。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)3）RS-485通信接口。RS-485是RS-422A的變形。RS-422A是全雙工通信，有兩對(duì)平衡差分信號(hào)線，至少需要四根線用于發(fā)送和接收，RS-485為半雙工通信，只有一對(duì)平衡差分信號(hào)線，不能同時(shí)發(fā)送和接收，最少時(shí)只需要兩根線。由于RS-485接口能用少的信號(hào)連線完成通信任務(wù)，并具有良好的抗噪聲干擾性、高傳輸速率（10Mbit/s）、長(zhǎng)傳輸距離（1200m）和多站功能（最多128個(gè)站）等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。西門子S7系列PLC都采用RS-485通信口。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)（2）傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)的分類1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)（2）傳輸介質(zhì)常用傳輸介質(zhì)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)（2）傳輸介質(zhì)1)雙絞線是用金屬導(dǎo)體來(lái)接收和傳輸通信信號(hào)，是最常見(jiàn)的一種傳輸介質(zhì)，可分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線有較強(qiáng)的屏蔽性能，所以也具有較好的電氣性能。但是屏蔽雙絞線價(jià)格較貴。非屏蔽雙絞線的性能對(duì)普通企業(yè)的局域網(wǎng)影響不大，所以在企業(yè)局域網(wǎng)中通常采用非屏蔽雙絞線。2）同軸電纜。經(jīng)常使用的同軸電纜有兩種，一種是50歐的，用于數(shù)字信號(hào)的傳

輸，由于多用于基帶傳輸，也叫基帶同軸電纜；另一種是70歐的多用于模擬信號(hào)的傳輸。同軸電纜的數(shù)據(jù)傳輸速度、傳輸距離可支持節(jié)點(diǎn)數(shù)、抗干擾性能都優(yōu)于雙絞線，成本也高于比絞線，但低于光纜。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.2.2通信的傳輸技術(shù)2.接口標(biāo)準(zhǔn)及傳輸技術(shù)（2）傳輸介質(zhì)3）光纜。光纜是光導(dǎo)纖維電纜的簡(jiǎn)稱，是由多束光纖組成的。光纖即光導(dǎo)纖維，是目前最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，一般用于極快速度傳輸巨大的場(chǎng)合，它是一種傳輸光束的細(xì)微而柔軟的媒介，在它的中心部分有一根或多根玻璃纖維，通過(guò)從激光器或發(fā)光二極管發(fā)出的光波穿過(guò)中心纖維來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。光纜是數(shù)據(jù)傳輸中最有效的一種傳輸介質(zhì)，它的特點(diǎn)如下：①抗干擾性好。光纜中的信息是以光的形式傳播的，不受外界電磁信號(hào)的影響，本身也不向外輻射信號(hào)，具有良好的抗干擾性能，適用于長(zhǎng)距離及要求高度安全的場(chǎng)合。②具有更寬和更高的傳輸速率和傳輸能力。③衰減少，無(wú)中繼器時(shí)的傳輸距離遠(yuǎn)。④光纜費(fèi)用昂貴，對(duì)芯材純度要求高。1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法（2）網(wǎng)絡(luò)控制方法1）令牌方式。1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法（2）網(wǎng)絡(luò)控制方法2）爭(zhēng)用方式網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)自由發(fā)送信息,但兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送會(huì)有沖突需要加以約束,常采用CSMA/CD方式即載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè),是一種分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議,網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立的決定數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，常用于網(wǎng)絡(luò)型總線。3）主從方式網(wǎng)絡(luò)中的主站周期性地輪詢各從站節(jié)點(diǎn)是否需要通信,被輪詢的節(jié)點(diǎn)允許與其它節(jié)點(diǎn)通信,多用于信息量少的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。適用于星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或具有主站的總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法（3）數(shù)據(jù)交換1）線路交換方式。線路交換通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)站之間建立一條專用的通信線路。從通信資源角度來(lái)看，就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。具體過(guò)程就是：建立通道→傳輸數(shù)據(jù)→拆除通道。2）報(bào)文交換方式。報(bào)文交換方式的傳輸對(duì)象是報(bào)文，長(zhǎng)度不限且可變，報(bào)文中包括要發(fā)送的正文信息、收發(fā)站的地址及其它控制信息。數(shù)據(jù)傳送過(guò)程采用存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)的方式，不需要在兩個(gè)站之間建立一條專用通路。3）分組交換方式。分組交換方式與報(bào)文交換類似，只是交換的單位為報(bào)文分組，且限制了每個(gè)報(bào)文分組的長(zhǎng)度，即將報(bào)文分成若干個(gè)報(bào)文組。每個(gè)分組前都加上一個(gè)分組頭，用以指明該分組發(fā)往何地址，然后由交換機(jī)根據(jù)每個(gè)分組的地址標(biāo)志將他們轉(zhuǎn)發(fā)至目的地。1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法（4）差錯(cuò)控制1）常用的簡(jiǎn)單編碼①奇偶校驗(yàn)碼。通過(guò)增加冗余位使得碼字中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法,是一種檢錯(cuò)碼。②二維奇偶監(jiān)督碼。二維奇偶監(jiān)督碼又稱方陣碼，對(duì)水平（行）方向上的碼元和豎直（列）方向上的碼元實(shí)施奇偶監(jiān)督，可以檢錯(cuò)也可以糾正一些錯(cuò)誤。③恒比碼。碼字中1的數(shù)目與0的數(shù)目保持恒定比例稱為恒比碼。在檢測(cè)時(shí)只計(jì)算接收的碼元中1的個(gè)數(shù)是否與規(guī)定的相同就可判斷有無(wú)錯(cuò)誤。2）線性分組碼—漢明碼。漢明碼又叫海明碼，是一種可以糾正一位錯(cuò)的高效率線性分碼組。它是一種糾錯(cuò)碼，它能將無(wú)效碼字恢復(fù)成距離它最近的有效碼字。

1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的通信基礎(chǔ)2.網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備（1）中繼器負(fù)責(zé)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理層按位傳遞信息,完成信號(hào)的復(fù)制、調(diào)整和放大功能，以此來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度。不對(duì)信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)處理。（2）網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，對(duì)幀進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，有效地連接兩個(gè)局域網(wǎng)。使本地通信限制在本網(wǎng)段內(nèi)，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)信號(hào)至另一網(wǎng)段。通常用于連接數(shù)量不多的、同一類型的網(wǎng)段。（3）路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇路徑的功能，能在多網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境中建立靈活的連接。主要功能是路由選擇，常用于多個(gè)局域網(wǎng)、局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)以及異構(gòu)網(wǎng)的絡(luò)的互連。（4）網(wǎng)關(guān)工作在傳輸層以上，是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，僅用于兩個(gè)高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連，網(wǎng)關(guān)對(duì)收到的信息重新打包，以適應(yīng)目的端系統(tǒng)的需求。網(wǎng)關(guān)具有從物理層到應(yīng)用層的協(xié)議轉(zhuǎn)換能力，主要用于異構(gòu)網(wǎng)的互連，局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互連，不存在通用的網(wǎng)關(guān)。1.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)1.2