网络控制技术控制网络

网络控制技术控制网络网络控制技术《网络控制技术》第3部分实时控制网络第1部分绪论第2部分网络与数据通信第3部分实时控制网络第4部分网络与控制性能分析第5部分网络控制系统调度方法第6部分网络控制系统常规控制器的设计第7部分现代主干网络技术综述2023/3/323.1控制网络的基本概念1、工业对象对网络的基本要求图3.1RNA体系层次结构图2023/3/331、工业对象对网络的基本要求工业类型控制特点过程工业连续控制为主，算法复杂，速度慢，流程长，对可靠性要求高，有分散化要求制造工业逻辑控制为主，算法简单，速度快，通常不必冗余，CPU不要求太分散混合工业采集为主也混合逻辑控制，回路控制，单机控制多，要求成本低表3.2各种工业控制的特点2023/3/342、控制网络的分类随机网络：延迟时间是随机的，如EtherNet有界网络：延迟时间有确定的上界，如ConrolNet常值网络：时间延迟应保持一定，如DeviceNet根据网络时延特征，工业自动化系统中采用的控制网络一般分为：2023/3/353、控制网络的功能控制网络与一般信息网络的比较控制网络信息网络要求数据传输的及时性和系统响应的实时性。一般10ms-100ms级。信息网络响应时间不强烈。在恶劣的环境下数据传输的完整性和可靠性。高温、潮湿、震动、腐蚀、强电磁环境，长时间、连续、可靠、完整传输数据，能抵抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆的场合具有本质安全性能。通信使用广播和组播方式自主系统与另一系统一般建立一对一通信方式。涉及多种总线标准和多家公司的产品在同一网络中相互兼容，即互操作性。标准单一，产品一般可以实现互操作。2023/3/363、控制网络的特点(1)系统的开放性。(2)互可操作性与互用性。(3)系统结构的高度分散性。(4)对现场环境的适应性。(5)一对Ｎ结构。(6)可控状态。(7)互换性。(8)综合功能。(9)统一组态。2023/3/374、网络协议和层次结构

网络协议(NetProtocol)是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。

计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂的系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能，分层结构还有利于交流、理解和标准化。2023/3/385、控制网络的体系结构

控制网络一般由OSI参考模型的物理层、数据链路层、应用层三层模式体系结构和通信媒质构成，如：CAN、DeviceNet。也有在此基础上加数据传输层的四层模式体系结构，如：profibus。

LonWorks控制网络却比较特殊，它采用全部OSI七层模式体系结构。而ErherNet则采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层模式体系结构。图3.2三层控制网络的体系结构2023/3/393.2介质层与控制网络1、双绞线图3.3双绞线模式2023/3/3103.2介质层与控制网络2、同轴电缆图3.5同轴电缆结构2023/3/3113、微波图3.6微波通信3.2介质层与控制网络2023/3/3124、光纤图3.8光纤和光纤剖面图3.2介质层与控制网络2023/3/3134、光纤图3.9光纤的电信号传输过程3.2介质层与控制网络2023/3/3144、光纤图3.10单模光纤和多模光纤3.2介质层与控制网络2023/3/3153.3物理层与控制网络物理层定义了网络的物理结构，传输的电磁标准，数据流的编码及网络的数据传送时间原则，如分时复用及分频复用等，同时也决定了网络连接类型（端到端或多端连接）及物理拓扑结构等，它构建了网络通信的基础。2023/3/3161、EIARS232物理层协议

图3.11单端线路连接示意图单端线路驱动器与接收器：2023/3/317

图3.12RS-232C逻辑电平示意图a.逻辑电平示意图b.典型波形逻辑电平及典型波形：1、EIARS232物理层协议

2023/3/318表3.4RS-232引脚说明符号9针引脚排列25针引脚排列数据流向说明ECD18I载波检测RXD23I数据接收TXD32O数据发送DTR420O数据终端就绪GND57信号地DSR66I数据准备好RTS74O请求发送CTS852I清除发送RI922I振铃指示1、EIARS232物理层协议

2023/3/319图3.13RS-232C连接示意图1、EIARS232物理层协议

2023/3/320

图3.14RS-232C通信七线制示意图图3.15RS-232C通信三线制示意图1、EIARS232物理层协议

2023/3/321图3.16RS-232C单工通信连线示意图1、EIARS232物理层协议

2023/3/3222、EIARS422/RS485物理层协议

RS-485通信网络的基本构架图3.17RS-485网络构架示意图2023/3/323RS-485网络工作波形示意图：图3.18RS-485网络工作理想波形图2、EIARS422/RS485物理层协议

2023/3/324RS-485网络的电压偏置：图3.19具有偏置电阻的RS-485网络2、EIARS422/RS485物理层协议

2023/3/325RS-485网络的终端匹配：图3.20加终端匹配电阻RS-485节点2、EIARS422/RS485物理层协议

2023/3/3263、ISO11898物理层协议

(1)物理媒体协议（PLS）子层

(2)物理媒体连接（PMA）子层

2023/3/3274、IEEE802.3物理层协议

10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-F传输媒体基带同轴电缆基带同轴电缆非屏蔽双绞线宽带同轴电缆850mm光纤对编码技术曼切斯特码曼切斯特码曼切斯特码差分PSK码曼切斯特码拓扑结构总线总线星型总线/星型星型最大段长500m185m100m1800m500m每段节点10030----33表3.5IEEE802.3的10Mbps可选方案2023/3/3284、IEEE802.3物理层协议

图3.25不同形式的位编码2023/3/3295、IEEE802.11物理层协议

802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。802.11b"HighRate"协议，用来对802.11协议进行补充，在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率。利用802.11b，移动用户能够获得同Ethernet一样的性能、网络吞吐率、可用性。2023/3/3303.4数据链路层与控制网络数据链路层的主要任务是为网络层提供一条无差错的传输线路，通常采用反馈重纠错方式来纠正传输中出现的差错。分成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)和介质控制MAC子层。图3.26OSI参考模型与局域网协议层次2023/3/3313.4数据链路层与控制网络图3.27IEEE802.3MAC子层功能模块及接口2023/3/3321、IEEE802.3MAC子层协议

MAC子层规范格式：

图3.28IEEE802.3的MAC帧格式用于位同步的前导序列目的节点MAC地址发送节点MAC地址数据域长度LLC子层数据单元帧校验，CRC-32帧的起始定界符2023/3/3331、IEEE802.3MAC子层协议

总线监听算法：

非坚持CSMA

坚持CSMAP-坚持CSMA2023/3/3342、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子层协议

(1)IEEE802.5MAC子层协议

图3.29令牌环拓扑结构2023/3/3352、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子层协议

1字节1字节1字节帧始符（SD）访问控制（AC）帧末符（ED）（a）令牌帧格式1字节1字节1字节2或6字节2或6字节无限制4字节1字节1字节帧始符（SD）访问控制（AC）帧控制（FC）目的地址源地址数据校验和帧末符（ED）帧状态（FS）（b）数据帧格式图3.30IEEE802.5的令牌帧与数据帧格式2023/3/3362、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子层协议

(2)IEEE802.4MAC子层协议

图3.30令牌总线结构2023/3/3373、ISO11898MAC子层协议

图3.32CAN总线系统组成示意图2023/3/3383、ISO11898MAC子层协议

图3.33CAN的帧结构2023/3/3393、ISO11898MAC子层协议

图3.34CAN总线仲裁波形示意图2023/3/3403、ISO11898MAC子层协议

图3.35CAN总线仲裁实际波形2023/3/3414、CC-LINK

MAC子层协议

图3.36CC-LinkT型分支2023/3/3424、CC-LINK

MAC子层协议

图3.37CC-Link传输帧的基本格式2023/3/3434、CC-LINK

MAC子层协议

图3.38传输方式2023/3/3444、CC-LINK

MAC子层协议

图3.39CC-Link通信过程2023/3/3455、802.11MAC子层协议

802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。图3.40接入点的漫游服务2023/3/3463.5应用层与控制网络1、应用层基本控制模式(1)源／目的地址通信模式

图3.41通过路由器连接的两个网络2023/3/347(2)生产者/消费者通信模式

图3.42生产者/消费者和源/目的通信模式图示3.5应用层与控制网络1、应用层基本控制模式2023/3/3482、CAN总线应用层有界网络解决方案

图3.45CAN总线应用层的令牌传递模式3.5应用层与控制网络2023/3/3493.6常用网络协议的协议栈1、DeviceNet协议栈

图3.46协议层次模型描述图图3.47报文报文格式DeviceNet作为基于控制网络技术的工业标准开放网络，为简单的底层工业装置与高层控制设备如工控机、PLC之间架起连接的桥梁。2023/3/3502、ControlNet协议栈

图3.48ControlNet协议栈ControlNet具有高吞吐量、资源共享、组态和编程简单、传输介质为同轴电缆和光纤、支持冗余介质、体系结构灵活