工业控制网络(杭电)复习提纲

工业控制网络2014级复习提纲——周健宇编工业控制网络复习要点2017年6月1日第一版第一次修订

第一版前言 随着工业生产和科学技术的发展，工业自动化网络技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空航天和国防等诸多领域。“工业控制网络”是专门研究有关工业自动化系统的基本概念、基本原理和基本方法的一门课程，也是工科院校自动控制或自动化专业及其相关专业学生必修的技术基础课之一。本复习要点面向高等院校相关专业的学生，系统而又重点地论述了工业自动化系统的基本内容。主要内容包括：通信系统基本概念、局域网技术、TCP/IP协议集、HART通信协议、Modbus总线技术、PROFIBUS总线技术以及典型工业实时以太网技术。这些内容是被国内外公认的关于工业控制网络理论的基本内容。与其他同类著作相比，本书降低了理论难度，尽量避免比较复杂、繁琐的证明和推导，重点在于强化读者的工程意识和其提高工程实践能力。全复习要点共分为8个章节，基本上参考《工业自动化网络》的内容，对其进行了归纳与补充，其中第一、二、三、四、五、六、九、十章由周健宇编写。另外，很多同学为本复习要点的编写提供了有关素材并提出了宝贵的意见和建议，在此表示衷心的感谢。由于编者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者不吝指正。编者2017年6月1日于杭州

目录第一版前言 2第1章——概述 6工业控制系统的定义（P1） 6工业控制系统的层次（P1） 6工业控制网络的发展过程（P3） 6集散控制系统（DCS）的定义（P3） 6现场总线的定义（P6） 7现在总线控制系统（FCS）的优点（P6） 7以太网（Ethernet）的优势 7第2章——通信系统基本概念 8单向数字通信系统的结构（P11，看书表2-1） 8什么是调制/解调？ 8比特率和波特率的定义(P12) 8调制信道和信噪比的定义（P13） 8不归零、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码的定义（P14、15） 9模拟数据编码的三种方法（P16） 9通信传输方式的三种方式（P16） 9信道复用的三种方法 9什么是基带传输？（P17） 9什么是循环冗余码（CRC）？（P18） 10什么是纵向冗余校验（LRC），海明码？（P20） 10OSI参考模型的七层结构以及部分层传输数据的单位（P22，参考表2-8） 10应用层的主要协议 10物理层、数据链路层、网络层、传输层的作用（P22-24） 10中继器的定义（P26） 11网桥的定义（P26） 11集线器与交换机的区别 11网关的定义（P28） 11第3章——局域网技术 12CSMA/CD的定义、特点、优势以及退避算法（P29、P33） 12以太网的拓扑结构（P35） 12以太网的传输介质和工作模式（P36） 12第4章——TCP/IP协议集 13TCP/IP的特点（P65） 13TCP/IP协议集模型及其主要协议以及与OSI参考模型的对照（P66，图4-1，图4-2） 13IP地址的分类（P68） 13子网掩码与IP寻址的计算（P69） 13IP路由表包含什么信息？（P72） 13传输层协议的定义（P73）： 14滑动窗口的运算以及简述三次握手的过程（P75，图4-8） 14UDP与TCP的区别（P77） 14第5章——HART通信协议 15HART通信协议设计哪些OSI层？（P85） 15HART的帧格式（P89） 15Modbus协议的技术特点（P100） 15Modbus主/从通信方式（P101） 15Modbus帧报文格式（P102，表6-2） 16Modbus功能码分类（P107，表6-4） 16第9章——PROFIBUS与PROFInet总线技术 16PROFIBUS的兼容子协议（P173） 16第10章——典型工业实时以太网技术 17工业以太网的定义与响应时间（P194） 17工业以太网提高实时性的措施（P195） 17为什么采用实时以太网，典型的工业实时以太网？（P198，表10-1） 17

第1章——概述工业控制系统的定义（P1） 所谓工业控制网络，通俗地讲，是指应用于工业控制系统的网络通信技术，它是随工业控制系统的发展而产生与发展起来的，是计算机网络技术、通信技术与控制技术相结合的产物。（3C技术:Computer、Communication、Control）工业控制系统的层次（P1） 工业控制网络从底向上依次为现场设备网、过程控制网、管理信息网等几个层次。工业控制网络的发展过程（P3） 工业控制网络的发展，经历了模拟信号传输，数字信号传输，现场总线，工业以太网，工业无线通信等几个阶段。集散控制系统（DCS）的定义（P3） 集散控制系统（DCS）是一种比较典型的运用数字传输技术的控制系统，集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭或专用的不具互操作性的分布式操作系统。

现场总线的定义（P6）现场总线是应用在生产现场，在控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。现在总线控制系统（FCS）的优点（P6）全数字化；可实现分布式测量与控制；双向的数据传输；自诊断；节省布线及控制室空间；仪表功能的多重化；开放性；互操作性；智能化与自治性。以太网（Ethernet）的优势应用广泛；成本低廉；通信速率高；控制算法简单；软硬件资源丰富；不需要中央控制站；可持续发展潜力大；易于与Internet连接。第2章——通信系统基本概念单向数字通信系统的结构（P11，看书表2-1）什么是调制/解调？调制：调制:将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号)。解调：在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。比特率和波特率的定义(P12)比特率：通信系统每秒传输数据的二进制位数。波特率：每秒传输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数。调制信道和信噪比的定义（P13） 调制信道（模拟信道）是传输模拟信号的信道；编码信道（数字信道）是传输数字信号的信道。 信噪比：信噪比是指信号功率S与噪声功率N的比值，信噪比一般用10lgS/N表示，单位为dB。不归零、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码的定义（P14、15） 不归零编码：最简单的编码方案，它传送一个“0”时把电压升高，而传送一个“1”时则使用低电平。 曼彻斯特编码：通常用于局域网传输，每一位的中间有一个跳变，每个比特周期被氛围两个相等的时间段。 差分曼彻斯特编码：比特间隙中间的跳变用于携带同步信息，每个比特间隙的开始位置的开始位置有跳变代表比特“0”，没有跳变代表比特“1”。模拟数据编码的三种方法（P16）幅移键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）。通信传输方式的三种方式（P16）单工传输（SimplexTransmission），全双工传输（DuplexTransmission），半双工传输（Half-DuplexTransmission）。信道复用的三种方法 频分复用（FDM），时分复用（TDM），码分复用（CDM）。什么是基带传输？（P17） 人们把方波固有的频带称为基带，方波电信号称为基带信号，在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输。什么是循环冗余码（CRC）？（P18） 循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)又称多项式码。是一种根据网络数据包或电脑文件等数据产生简短固定位数校验码的一种散列函数，主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。什么是纵向冗余校验（LRC），海明码？（P20） 纵向冗余校验（LRC）是一种从纵向通道上的特定比特串产生校验比特的错误检测方法，在Modbus总线中被用于帧校验。 海明码（Hamming）是一种可以纠正一位差错的编码。OSI参考模型的七层结构以及部分层传输数据的单位（P22，参考表2-8） OSI参考模型从下到上分别为物理层（传输单位-位）、数据链路层（传输单位-帧）、网络层（传输单位-段）、传输层、会话层、表示层和应用层。应用层的主要协议 FTP（文件传输协议），DNS（域名系统），SMTP(简单邮件传输协议)，POP（邮局协议版本），LMAP（邮件访问协议），HTTP（超文本传输协议），Telnet（远程终端协议）。物理层、数据链路层、网络层、传输层的作用（P22-24）数据层：在信道上传输原始比特流数据链路层：把相邻两节点的不可靠物理链路变为可靠无差错的逻辑链路并传输。网络层：提供IP传输报，实现路由协议。传输层：提供点对点服务，实现更可靠的传输。中继器的定义（P26） 又称重发器，是一种地层网络互连设备，是最简单的网络互连设备，主要完成物理信号放大和再生功能。网桥的定义（P26） 网桥又称桥接器，是工作在OSI参考模型数据链路层的网络互连设备。集线器与交换机的区别 集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI参考模型的物理层。 交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。网关的定义（P28） 网关是比网桥和路由器更复杂的网络互连设备，可以实现不同协议网络之间的互联，包括不同网络操作系统的网络互连。第3章——局域网技术CSMA/CD的定义、特点、优势以及退避算法（P29、P33）定义：CSMA/CD是具有冲突检测功能的载波监听多路访问介质访问控制方法，主要是为解决如何争用一个广播型的共享传输信道而设计的，能够决定谁该占用信道。特点：先听后说，边说边听。优势：站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。退避算法（二进制指数退避算法）：TN=R×A×2N式中：R——随机数；A——时间片（可选总线循环一周的时间）；N——连续冲突的次数以太网的拓扑结构（P35） 以太网的拓扑结构可分为总线型、星型、环形和树形。以太网的传输介质和工作模式（P36）传输介质：以太网可以采用同轴电缆、双绞线和光纤等介质传输。工作模式：半双工和全双工。第4章——TCP/IP协议集TCP/IP的特点（P65）开放式的协议标准。可免费使用且与具体的计算机硬件或操作系统无关。与物理网络硬件无关。通用的寻址方案。TCP/IP协议集模型及其主要协议以及与OSI参考模型的对照（P66，图4-1，图4-2）IP地址的分类（P68） A类:~54；B类：~54;C类:~54;D类：~54；E类（实验研发用）.：或55子网掩码与IP寻址的计算（P69）IP路由表包含什么信息？（P72）路由表包含以下信息：目的IP地址，下一站路由器，标志以及网络接口。传输层协议的定义（P73）： 传输层有两种主要协议：一种是面向连接的协议（TCP），一种是无连接的协议（UDP）。将TCP的PDU称为段，而将UDP的PDU称为数据报。IP所提供的服务是在两个主机间传递数据，而TCP和UDP的任务则是将传递服务延伸到各个主机的诸多进程之间。 TCP协议被用来在一个不可靠的互联网中为应用程序提供可靠的端点间的字节流服务。所有的TCP连接都是全双工和点对点的。 有时，一个IP地址和一个端口号也称为套接字。滑动窗口的运算以及简述三次握手的过程（P75，图4-8）UDP与TCP的区别（P77）UDP是无连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接。UDP不需维护连接状态。UDP信息包的标题很短。UDP不保证可靠交付。UDP是面向报文的。第5章——