第10章计算机控制网络技术

1、第第10章章 计算机控制网络技术计算机控制网络技术工业控制网络概述网络通信协议分布式控制系统现场总线控制系统物联网技术10.1 10.1 工业控制网络概述工业控制网络概述 工业网络在体系结构上可分为信息网和控制网两个层次，信息网位于上层，是企业决策级数据共享和协同操作的载体；控制网位于下层，与信息网紧密地集成在一起，服从信息网的操作，同时，又具有独立性和完整性。因此，工业计算机网络可理解为是利用传输媒体把分布在不同地点的多个独立的计算机系统、自动控制装置、现场设备等按照不同的拓朴结构，应用各种数据通信方式连接起来的一种网络。计算机数据通信技术则是计算机网络的支撑技术之一。10.1.1 网络拓扑

2、结构 网络拓朴结构是从网络拓朴的观点来讨论和设计网络的特性，也就是讨论网络中的通信节点和通信信道连接构成的各种几何构形，用以反映出网络各组成部份之间的结构关系，从而反映整个网络的结构外貌。 （a）星型 （b）环型 （c）总线型 （d）树型（1）星型结构 具体工作过程为：当某一结点想要传输数据时，它首先向中心结点发送一个请求，以便同另一个目的结点建立一旦两个结点建立了连接，则在这两点间就像是一条专用线路连接起来一样，进行数据传输。该结构的主要特点有： 网络结构简单，便于控制和管理，建网容易； 网络延迟时间短，传输错误率较低； 网络可靠性较低，一旦中央节点出现故障将导致全网瘫痪； 网络资源大部分在

3、外围点上，相互节点必须经过中央节点才能转发信息； 通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。（2）环型结构 环型结构具有如下特点： 信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个节点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制； 环路中每个节点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单； 环路中，当某节点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性； 环型结构其节点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。（3）总线型结构 总线型网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总线上的串行信息，并将其转换为并行信息送到节点；发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发送的信息目的地

4、址与某一节点的接口地址相符时，传送的信息就被该节点接收。 由于一条公共总线具有一定的负载能力，因此总线长度有限，其所能连接的节点数也有限。该结构有如下特点： 结构简单灵活，扩展方便； 可靠性高，网络响应速度快； 共享资源能力强，便于广播式工作； 设备少，价格低，安装和使用方便； 由于所有节点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。（4）树型结构 通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星型复杂； 网络中除叶节点外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。 10.1.2 10.1.2 介质访问控制技术介质访问控制技术 传输访问控制

5、方式的功能就是合理解决信道的分配。目前常用的传输访问控制方式有三种：冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）；令牌环（Token Ring）；令牌总线（Token Bus）。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。 （1）冲突检测的载波侦听多路访问(CSMACD) 工作原理：当某一节点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其他节点正发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中已有某节点发送信息（信道被占用），该节点就须等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始发送。 CSMA/CD技术中，必须解决信道被占用时等待时间的确定和信息冲突两个问题。其中确定等待时间的方法有： 当某节点检测

6、到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信到空闲，开始发送。（2）令牌环(Token Ring) 其工作过程大致如下：令牌依次沿每个节点传送，使每个节点都有平等发送信息的机会。当一个节点占令牌期间其它节点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送节点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一节点要发送信息时，则下一节点便得到这一令牌，并可发送信息。 令牌环的优点是能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。缺点是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率；控制电路复

7、杂。（3）令牌总线(Token Bus) 工作过程为：当各站都没有帧发送时，令牌的形式为01111111，成为空标记。当一个站要发送帧时，需要等待空标记通过，然后将它改为忙标志，即01111110。紧跟着忙标记，该站把数据帧发送到环上。由于标记是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。接收帧的过程是这样的，当帧通过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址不符合，则不接收数据，同时将帧送入环上。如果符合，则将帧放入接收缓冲器，再输入到站内，同时将帧送回到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，将该帧从环上移去，同时将标记改为空闲标记。 不同于令牌环的是，在令牌总线中，信息可以双向传

8、送、任何节点都能“听到”其它节点发出的信息。 优点：吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；控制功能不随电缆线长度的增加而减弱；不需冲突检测，故信号电压可以有较大的动态范围；具有一定的实 但是基于该方式的网络必须要有初始化功能，即能够产生一个顺序访问的次序。这就是一个争用的过程，争用的结果是只有一个站能够获得标记，并产生次序；当网络中的标记丢失或者产生多个标记时，必须有故障恢复功能，必须有消除不活动节点或者添加新的节点的功能。 10.1.3 差错控制 差错控制技术包括检验错误和纠正错误。其中检错方法有两种：奇偶校验，循环冗余校验；纠错方法有三种：重发纠错，自动纠错，混合纠错。 1. 检错

9、方法 1）奇偶校验(Parity Check)是一个字符校验一次，在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位。通常用一个字节(b0b7)来表示，其中，b0b6为字符码位，而最高位b7为校验位。这个校验位可为1或0，以便保证整个字节(b0b7)为1的位数是奇数(称奇校验)或偶数(称偶校验)。 奇偶校验通常用于每帧只传送一个字节数据的异步通信方式 。2）循环冗余校验 循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）的原理为：发送端发出的信息由基本的信息位和CRC校验位两部分组成。发送端首先发送基本的信息位，紧接其后面发送CRC校验位。接收端在接收基本信息位后对基本信息位进行相同的

10、CRC校验，然后与接收到的CRC校验位进行比较，如果相同则传输正确，否则传输错误。 该方法适用于每帧由多个字节组成的同步方式。2. 纠错方式1）重发纠错方式 发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断有无错误，并把错误结果反馈给发送端。如果发送错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。2）自动纠错方式 发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能自动发现错误，而且能自动地纠错。但该方式传输效率低，译码设备复杂。3）混合纠错方式 将上述两种方式混合，发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还有一定的纠错能力。接收端收到该码后，如

11、果错误位数在纠错能力以内，则自动纠错，如果错误过多，则要求重发。10.2 10.2 网络通信协议网络通信协议10.2.1 OSI参考模型开放型互联0SI参考模型共分为七层功能及协议，从下至上依次为物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，其参考模型如图10-3所示。10.2.2 IEEE 802标准该标准参照OSI模型的物理层和数据链路层，保持OSI高五层和第一层协议不变，将数据链路层分成两个子层，分别是逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层。 IEEE802委员会在1983年3月通过了三种建议标准，定义了三种主要的局域网络技术，分别称为802.3、802.4和8

12、02.5建议规范。在这些建议标准中规定： 收发控制方式有两种：CSMA/CD方式和通信证（Token）-令牌传递方式。 网络结构有两种：总线型和环型。 物理信道有两种：单信道和多信道。单信道采用基带传输，信息经编码调制后直接传输，多信道采用宽带传输。技术规范如表10-1所示。 10.2.3 工业以太网1. 以太网通信模型 工业以太网协议有多种，如HSE、ProfiNet、Ethernet/IP、Modbus TCP等，它们在本质上仍基于以太网技术 (即IEEEE802.3标准)。 2. 以太网控制的特点 1)应用广泛。 2)成本低廉。 3)通信速率高。 4）软硬件资源丰富。 5)可持续发展潜力

13、大。 6)易于与Internet连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。10.3 10.3 分布式控制系统分布式控制系统10.3.1 概述 分布式控制系统简称DCS（Distributed Control System）是以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理 器作为核心的集中分散控制系统。它是利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（Total Di

14、stributed Control System，TDCS） 。10.3.2 分布式控制系统特点 DCS有一系列特点和优点，主要表现在以下6个方面： 1. 分散性和集中性 2. 自治性和协调性 3. 灵活性和扩展性 4. 先进性和继承性 5. 可靠性和适应性 6. 友好性和新颖性10.3.3 分布式控制系统的功能层次结构 DCS是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。自下而上有四个不同的层次，分别为：现场级即现场网络Fnet(Field Network)、控制级即控制网络Cnet(Control Network)、监控级即监控网络Snet(Supervision Network)和管理级即管理

15、网络Mnet(Management Network)。1. 现场级 目前现场级的信息传递有三种方式：一种是传统的420mA 模拟量传输方式；另一种是现场总线的全数字量传输方式；还有一种是在420mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式。 2. 控制级 控制级由过程控制站和数据采集站构成。 3 3. 监控级 监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。 4. 管理级 管理级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。10.4 10.4 现场总线控制系统现场总线控制系统10.4.1 现场总线的特征1现场通信网络 传统的集散控制系统（

16、DCS）的通信网络截止于控制站或输入/输出单元，现场仪表仍然是一对一模拟信号传输，如图10-7所示。现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，如图10-8所示。2.互操作性3.分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散给现场仪表，从而构成虚拟控制站，如图10-9所示。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可以统一组态，因此用户可以灵活选用各种功能块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制。4.通信线供电5.开放式网络互连10.4.2 OSI参考模型与现场总线通信模型 典型的现场总线协议模

17、型如图10-10所示。它采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，并增加一个现场总线访问子层，以取代OSI模型中第36层的部分功能，以满足工业现场应用的要求。10.4.3 基金会现场总线 (Foundation Fieldbus，简称FF) FF的主要技术内容包括:FF通信协议；用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈(Communication Stack)；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构成集成自动化系统、网络系统的系统集成技术

18、。 FF现场总线模型结构如图10-11所示。它采用了OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层，隐去了第36层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS，并将从数据链路到FAS、FMS的全部功能集成为通信栈(Communication Stack)。 10.4.4 局部操作网络 (Local Operating Networks，简称LONWORKS) LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。这七层的作用和所提供的服务如图10-12所示。10.4.5 过程现场总线(Proces

19、s Fieldbus，简称PROFIBUS)1. PROFIBUS过程现场总线介绍 PROFIBUS过程现场总线是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外围设备之间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS意为现场信息规范，FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。 PROFIBUS的参考通信模型如图10-13所示。它采用了OSI模型的物理层和数据链路层，外设间的高速

20、数据传输采用DP型，隐去了第37层，而增加了直接数据连接拟合，作为用户接口，FMS型则只隐去了第36层，采用了应用层。PA型的标准目前还处于制定过程之中，与IEC11582(H1)标准兼容。2. 带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计的设计1）硬件电路 此电磁流量计采用了双CPU设计，如图10-14所示。硬件部分主要由：传感器、电源系统、信号处理电路、励磁电路、单片机系统和总线接口电路组成。 2）软件设计主处理器软件主要由主程序、键盘菜单处理、定时器中断、三值梯形波励磁信号产生、A /D采样、LCD显示、串口通信等部分组成。主程序流程图如图10-16所示。 PROFIBUS-DP接口中的

21、SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP协议，因此PIC18F4520不用参与处理PROFIBUS-DP状态机。PIC18F4520的主要任务就是上电后先根据MSP430的初始化数据对SPC3进行初始化，初始化成功后根据SPC3产生的中断，对SPC3接收到的主站发出的输出数据转存，组织要通过SPC3发给主站的数据，并根据要求组织外部诊断等。 整个程序采用了结构化、模块化的方法，包括四个部分：主程序包括了初始化、数据输入输出和诊断模块；中断模块包括了参数分配和配置模块；子程序模块包括对缓冲区的组织和分配；程序的头文件包括程序的宏和变量定义。PROFIBUS-DP通信接口主程序流程图见图10-1

22、7所示。10.4.6 控制器局域网络(Control Area Network简称CAN) CAN的通信速率为5kbps(10km)、1Mbps(40m)，可挂接设备数最多达110个，信号传输介质为双绞线或光纤等；CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据；CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文。 CAN总线遵循开放系统互联OSI模型，工作在物理层、数据链路层和顶层的应用层，CAN协议只规定了最下面两层的协议规范，对最高层即应用层的协议没有规定。其模型如图10-18所示。 10.4.7 可寻址远程传感器数据通路 (Highway Addressab

23、le Remote Transducer，简称HART) HART通信模型由三层组成：物理层、数据链路层和应用层，其模型结构如图10-19所示。 10.5 10.5 物联网技术物联网技术10.5.1 物联网定义物联网的各种定义1）欧盟的定义：将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。2）国际电信联盟（ITU）的定义：from anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything. 3）1999年MIT Auto-ID Center 提出物联网概念，即把所有物品通过射频识别

24、等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。4）英文百科Wikipedia对物联网的定义较简单: The Internet of Things refers to a network of objects，such as household appliances，物联网即“像家用电器一样的物体的互联网络”。 5）物联网的其他表述：M2M（Machine to Machine）、传感网（Sensor Networks） 、普适计算（PervasiveComputing）、泛在计算（Ubiquitous computing）、环境感知智能（Ambient Intelligence）等等。

25、10.5.2 物联网的总体架构、特点1. 物联网的总体架构物联网是一种非常复杂、形式多样的系统技术。根据信息生成、传输、处理和应用等逻辑结构可将物联网分为信息感知层（人体的皮肤和五官）、网络构建层（人体的神经系统）、信息处理层（大脑）和应用服务层（人的社会分工）。图10-20 展示了物联网四层模型以及相关技术。2. 物联网的特点 物联网相对于已有的各种通信和服务网络在技术和应用层面具有以下几个特点。 1）信息感知普适化。 2）异构设备互联化。 3）联网终端规模化。 4）管理调控智能化。 5）应用服务链条化。 6）经济发展跨越化。10.5.3 物联网的关键技术1. 信息感知层。1）射频识别（Ra

26、dio-frequency Identification，RFID）技术 目前常见的自动识别方法包括：光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术。本节重点讲述RFID技术。（1） RFID系统的基本组成 如图10-21所示RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件，这三大组件一般都可由不同的生厂商生产。（2）RFID标签冲突 由于阅读器与所有标签共用一个无线通道，当两个以上的标签同一

27、时刻向阅读器发送标识信号时，信号将产生叠加而导致阅读器不能正常解析标签发送的信号。这个问题通常被称为标签信号冲突问题（或碰撞问题），解决冲突问题的方法被称为防冲突算法（或防碰撞算法，反冲突算法）。（3）RFID与物联网 物联网是通过给所有物品贴上RFID标签，在现有互联网基础之上构建所有参与流通的物品信息网络。通过物联网，世界上任何物品都可以随时随地按需被标识、追踪和监控。 RFID具有识读距离远、识读速度快、不受环境限制、可读写性好、可同时识读多个物品等优点。 2）无线传感网（Wireless Sensor Network, WSN) （1）嵌入式技术（Embedded Intelligen

28、ce） 嵌入式技术是一种将硬件和软件结合、组成嵌入式系统的技术。嵌入系统是将微系统嵌入到受控器件内部，为实现特定应用的专用计算机系统。（2）纳米与微机电技术（Nanotechnology and Micro Electro Mechanical Systems）（3）无线传感器节点 我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义是：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。传统传感器的组成如图10-22所示，局限性是网络化、智能化的程度十分有限，缺少有效的数据处理与信息共享能力。 无线传感节点如图10-23所示，主要由4部分组成：电池（电源管理单元）、传感器（数据采

29、集单元）、微处理器（数据处理单元）、无线通信芯片（数据传输单元）；相比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件，还集成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传输。 操作系统是传感器节点软件系统的核心。节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是：其硬件平台资源极其有限，节点操作系统是极其微型化的。（4）无线传感器网络 无线传感器网络硬件平台包括：传感器节点、汇聚节点和管理平台。3）定位系统（1）几种典型的定位系统 卫星定位。 蜂窝基站定位。 无线室内环境定位。 新兴定位系统。（2）定位技术常见定位技术： 基于距离的定位（ToA）。 基于距离差的定位（TDoA）。 基于

30、信号特征的定位。4）智能设备2. 网络构建层1）无线低速网络典型的无线低速网络协议如下:（1）蓝牙（Bluetooth）技术，是一种短距离低功耗传输协议 。（2）红外（Infrared)通信技术，利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。 （3）802.15.4/ZigBee，是无线传感网领域最为著名的无线通信协议。2）无线宽带技术（1）无线网络的组成元素：无线网络用户、基站、无线连接、自组网 。（2）无线宽带网络。 （3） Wi-Fi：无线局域网。（4）WiMAX：无线城域网。 3）移动通信网络，特别是3G，将成为“全面、随时、随地”物联网信息传送的有效平台。 移动互

31、联网：将移动通信和互联网二者结合，提供网页浏览、视频会议等互联网应用服务。（4）互联网。 3. 信息处理层1）数据库与海量数据存储技术（1）物联网数据的特点：海量性，假设每个传感器每分钟内仅传回1K数据，则1000个节点每天的数据量就达到了约1.4GB；多态性；关联性及语义性，描述同一个实体的数据在时间上具有关联性，描述不同实体的数据在空间上具有关联性，描述实体的不同维度之间也具有关联性。（2）海量数据存储技术 传感器网络的数据存储方式：分布式存储 传感器网络的数据查询分为快照查询和连续查询。 传感器网络的数据融合：即怎样分析、综合不同来源的无数的数据流，是传感网乃至物联网跨向大规模应用所必须越过的障碍。 物联网对海量信息存储的需求，导致了网络化存储和大型数据中心的诞生。（3） 数据库是存储在一起的相关数据的集合，这些数据是结构化的，无害的或不必要的冗余，并为多种应用服务，数据库的存储独立于使用它的程序，对数据库插入新数据，修改和检索原有数据均能按一种公用的和可控制的方式进