第2章 技术基础《城市轨道交通综合监控系统》教学课件

《城市轨道交通综合监控系统》✩精品课件合集第2章技术基础2.1PLC技术2.2传感器技术2.3现场总线技术2.4计算机组网技术2.5分散型控制系统(DCS)2.6SCADA系统第2章技术基础2.1PLC技术2.1.1可编程控制器的基本概念可编程控制器（programmablecontroller），又称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。国际电工委员会（IEC，InternationalElectrotechnicalCommission）在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。”可编程控制器及其有关外部设备都应按“易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能”的原则设计。由可编程控制器构成的存储程序控制系统，一般由3部分组成：并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。”可编程控制器及其有关外部设备都应按“易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能”的原则设计。由可编程控制器构成的存储程序控制系统，一般由3部分组成：（1）输入部分：直接接收来自操作台的操作命令，或来自被控对象的各种状态信息，如按钮、开关、传感器等发出的操作命令或状态信息。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。”可编程控制器及其有关外部设备都应按“易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能”的原则设计。由可编程控制器构成的存储程序控制系统，一般由3部分组成：（1）输入部分：直接接收来自操作台的操作命令，或来自被控对象的各种状态信息，如按钮、开关、传感器等发出的操作命令或状态信息。（2）输出部分：用来接受程序执行结果的状态，以操作各种被控对象，如电动机、电磁阀、状态指示部件等。

并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。”可编程控制器及其有关外部设备都应按“易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能”的原则设计。由可编程控制器构成的存储程序控制系统，一般由3部分组成：（1）输入部分：直接接收来自操作台的操作命令，或来自被控对象的各种状态信息，如按钮、开关、传感器等发出的操作命令或状态信息。（2）输出部分：用来接受程序执行结果的状态，以操作各种被控对象，如电动机、电磁阀、状态指示部件等。（3）控制部分：采用微处理器和存储器，执行按照被控对象的实际要求编制并存入程序存储器的程序，从而完成控制任务。对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及其使用的计算机语言，而把PLC看成是内部由许多“软继电器”组成的控制器，用提供给使用者的类似于继电器控制线路图的编程语言进行编程。这些“软继电器”的线圈、常开触点、常闭触点一般用图2.1所示的符号表示。图2.1“软继电器”的线圈与触点图2.2PLC控制系统组成

应当注意，PLC内部的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器中的某些触发器。当该位触发器状态为“1”时，相当于继电器接通；该位触发器状态为“0”时，相当于继电器断开。PLC为用户提供的继电器一般是：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器等。其中输入/输出继电器一般与外部输入/输出设备相连接，而其他继电器与外部设备没有直接联系，因此可统称为内部继电器。不同机型PLC中各类继电器的数量及使用方法不尽相同，实际应用中需要注意。2.1.2PLC的产生与发展1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域得到推广应用。到1971年，PLC已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为5代。第一代为1969—1972年。这个时期的产品，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用户语言。这一时期的典型产品有：美国DEC公司的PDP-14，日本富士公司的USC-4000，日本OMRON公司的SCY-022。第二代为1973—1975年。这个时期的产品已开始使用微处理器作为CPU，PLC（可编程逻辑控制器）成为真正意义上的PC（可编程控制器）（尚未正式命名），而存储器采用半导体存储器。其功能有所增加，能够实现数字运算、传送、比较等功能，并初步具备自诊断功能，可靠性有了一定提高。这一时期的典型产品有：美国哥德公司的MODICON184、284、384系列，德国西门子的SYMATICS3、S4系列，日本富士的SC系列等。我国在1974年也开始研制自己的PLC。第三代为1976—1983年。这个时期，PLC进入了大发展阶段，美国、日本、德国各有几十个厂家生产PLC。这个时期的产品已采用8位和16位微处理器作为CPU，部分产品还采用了多微处理器结构。其功能显著增强，速度大大提高，并能进行多种复杂的数学运算，具备完善的通信功能和较强的远程I/O能力，具有较强的自诊断功能并采用了容错技术。1980年，美国电气制造协会（NEMA）将PLC正式命名为可编程控制器（PC）。这一时期的典型产品有：美国哥德公司的584、684、884系列，德国西门子的SYMATICS5系列，日本三菱公司的MELPLAC50、550系列，日本OMRON公司的C系列等。第四代为1983年—20世纪90年代中期。这个时期的产品除采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，有的已达数兆字节；可以将多台PLC连接起来，实现资源共享；可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等，还可使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。这一时期的典型产品有美国德州仪器公司的T1560、T1561，美国哥德公司的A5900等。第五代为20世纪90年代中期至今。RISC（精简指令系统）芯片在计算机行业被大量使用，表面贴装技术和工艺已成熟，使PLC整机的体积大大缩小。PLC使用16位和32位微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。CPU芯片也向专业化发展，系统程序中的逻辑运算等标准化功能用超大规模门阵列电路固化；最小的PLC只有8个I/O点，最大的PLC有32K个以上I/O点；PLC都可以与计算机进行通信联网；最快的PLC处理一步程序仅需几十ns；软件上使用容错技术，硬件上使用多CPU技术；两三百步以上的高级指令，使PLC具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力；已开发出各种智能化模块；以LCD显示的人机智能接口被普遍使用，高级的已发展到触摸式屏幕；除手持式编程器外，大量使用了功能强大的编程软件。这一时期的典型产品有日本OMRON公司的CSI系列。2.1.3PLC的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外形等方面均存在较大的差异。PLC的分类没有一个严格统一的标准，可以按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致分类。1.按控制规模分类输入/输出的总路数，又称为I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。因此按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC。（1）小型PLC：I/O点数较少，一般指256点以下的PLC。（2）中型PLC：I/O点数较多，一般指256点以上、2048点以下的PLC。（3）大型PLC：I/O点数较多，一般指2048点以上的PLC。2.按结构形式分类PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。（1）整体式PLC整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称为箱式PLC。整体式PLC的CPU、存储器、输入/输出模块安装在同一个机箱内。这种结构的特点是：结构简单，体积小，价格低，输入/输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。（2）组合式PLC组合式PLC在硬件构成上具有较高的灵活性，其模块可以像拼积木一样进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为积木式PLC。一般大、中型PLC采用这种结构。3.按实现的功能分类按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档机、中档机和高档机3类。（1）低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能，还具有一定的算术运算、数据传送和比较、通信、远程和模拟量处理功能。（2）中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通信、子程序、中断处理和回路控制功能。（3）高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT、显示、打印机打印等功能。一般，低档机多为小型PLC，采用整体式结构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC采用组合式结构；高档机多为大型PLC，采用组合式结构。2.1.4PLC常用术语1.位（bit）位是PLC中逻辑运算的基本元素，通常也称为内部继电器。位实际上是PLC存储器中的一个触发器，有两个状态，即“0”和“1”，有时也称为OFF和ON。位可以作为条件参与逻辑运算，相当于继电器的触点，但可以无限次地使用。位也可以作为输出，存放逻辑运算的结果，相当于继电器的线圈。在程序中一个位只能进行一次输出操作。2.I/O点（I/OPoint）PLC中可以直接和输入设备相连接的触点（位）称为输入点，可以直接和输出设备相连接的触点（位）称为输出点，输入点和输出点统称为PLC的I/O点。PLC的I/O点数越多，控制规模越大。有时也常用I/O点数来表征PLC的规模。3.通道（channel）4个二进制位构成一个数字，这个数字可以是0-9（用于十进制数的表示），也可以是0～F（用十六进制数的表示）。2个数字或8个二进制位构成一个字节。2个字节构成一个字，字也可称为通道。一个通道包含16位，或者说包含16个继电器。4.区（area）区是相同类型通道的集合。PLC中一般有数据区、定时/计数器区、内部继电器区等。不同类型的PLC所具有的区的种类、容量差别较大。2.1.5PLC的硬件组成PLC是一种工业控制计算机，其组成与微型计算机基本相同。PLC的硬件一般由主机、I/O扩展机及外部设备组成，其简化框图如图2.3所示。仅有主机没有扩展机的构成方式称为基本构成方式。带有扩展机的构成方式称为扩展构成方式。图2.3PLC硬件简化框图1.主机（CPU模块）在主机内部，微处理器（CPU）通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/O单元，诊断PLC的硬件状态，借助编程器接收用户输入的程序和数据，读取、解释并执行用户程序，按规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，并与外部设备交换信息等。总之，由主机实现对整个PLC的控制和管理。（1）微处理器（CPU）PLC中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机、位片式处理器等。常用的通用微处理器有：8位处理器，如Z80A、8085、M6800、M6809等；16位微处理器，如8086、M68000等。常用的单片机有8039、803l、M680l等。常用的位片式处理器有AMD2900等。（2）存储器PLC的存储器用于存储程序和数据。系统程序存储器用于存储系统程序，一般采用ROM或EPROM。PLC出厂时，系统程序已固化在存储器中。用户程序存储器用于存储用户的应用程序。用户根据实际控制的需要，用PLC的编程语言编制应用程序，通过编程器输入到PLC的用户程序存储器。中、小型PLC的用户程序存储器一般采用EPROM、E2PROM或加后备电池的RAM，其容量一般不超过8KB。有的PLC，其用户程序存储器有多种型号可供选择，用户可根据实际需要选用。数据存储器用于PLC的数据区、定时/计数器区、内部继电器区等，采用RAM。（3）I/O接口I/O接口是CPU与外部设备、I/O模块等的连接部件，用于扩充PLC总线的驱动能力和扇入扇出点数。I/O接口通常采用锁存器或专用I/O接口芯片。2.电源PLC配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗干扰能力。小型PLC电源的交流输入电压范围一般较宽，有的小型PLC可在AC160～260V范围内正常工作。3.输入/输出模块输入/输出模块即I/O模块，是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入主机，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行机构。4.功能模块除开关量输入/输出外，PLC的其他输入/输出功能由功能模块来实现。（1）模拟量输入模块（即A/D模块）：该模块用于将模拟量转换为数字量，将数字量输入到PLC内部。模拟量输入模块的输入模拟信号一般为标准传感器信号。（2）模拟量输出模块（即D/A模块）：该模块用于将PLC内部的数字量转换为模拟量，将模拟量输出到PLC外部。模拟量输出模块的输出模拟信号一般为标准传感器信号。（3）动态输入/输出模块（4）温度传感器模块（5）高速计数模块（6）PID（proportionintegralderivative）模块（7）远程I/O模块（8）通信模块：通信模块用于处理通信，构成网络。通信模块用于构成计算机与PLC间的网络，一台计算机可与多台PLC构成网络。PLC通信模块用于在多台PLC间构成PLC网络。5.扩展口扩展口是PLC的总线接口。主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。6.编程器编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相连接的外设。它通过主机上的编程器接口直接与主机相连。编程器上有一个方式选择开关，用于控制PLC主机的工作方式。当方式选择开关置于编程（PROGRAM）位置时，PLC主机处于编程方式。此时，用户可通过编程器向PLC输入、查询、修改用户程序，但PLC不运行用户程序。当方式选择开关置于监控（MONITOR）位置时，PLC主机处于监控方式。在监控方式下，PLC运行用户程序，用户通过编程器不能输入和修改用户程序，但可以查询用户程序，并对用户程序的运行情况进行全面干预。7.其他外设PLC可带打印机、CRT显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与PLC连接。2.1.6PLC的软件系统1.系统程序系统程序是PLC工作的基础，采用汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。2.用户程序用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。3.编程语言各种型号的PLC都有自己的编程语言，但这些编程语言基本可分为两类：梯形图语言和语句表语言。语句表语言类似于计算机汇编语言，是用指令助记符来编程的。其表达形式为：操作码操作数（指令）（数据）LD00100表示逻辑操作开始，常开触点00100与母线相连OR01000表示常开触点01000与前面的触点并联ANDNOT00101表示常闭触点00101与前面的触点串联OUT01000表示前面的逻辑运算结果输出给01000END表示程序结束梯形图是类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。图2.4所示为电动机启停保护控制电路的梯形图。

对照梯形图和前面的语句表程序，可以发现，根据梯形图可以很方便地写出语句表，根据语句表也可以很方便地画出梯形图。在实际应用中，往往利用梯形图进行编程，根据梯形图利用编程器将语句表程序输入PLC。2.1.7PLC的扩展构成在实际应用中，经常遇到仅用主机不能满足控制要求的情况。例如，有的场合控制规律不太复杂，但信号较多，这时仅用主机就可能出现I/O点数不够用，而选用高档PLC，虽然I/O点数够用，但成本较高。在这种情况下，应考虑采用主机带扩展机的方式。1.近程扩展方式当CPU主机上的I/O点数不能满足需要时，或组合式PLC选用的模块较多在主机上安装不开时，可通过扩展口进行近程扩展。在构成近程扩展方式时，一般采用主机I/O点数多于扩展机I/O点数的方式。近程扩展方式如图2.5所示。图2.5近程扩展方式2.通信联网方式PLC有多种通信模块，利用这些通信模块，配以适当的通信适配器，可以构成PLC网络和计算机-PLC网络。（1）HOSTLink通信PLC与上位机的连接通信称为HOSTLink通信。一台CPM2A与一台上位机通信称为1∶1方式；一台上位机与多台CPM2A通信称为1∶N方式。（2）同级连接系统ControllerLink网ControllerLink是一种工厂自动化网络形式，它可在CSl、CQM1、C200H、CVM1等PLC之间进行数据交换。此外，还可以与带ControllerLink支持卡的上位机进行大容量数据包的发送和接收操作。图2.6ControllerLink的系统结构图

2.1.8PLC的工作方式当PLC运行时，CPU就要执行用户程序中的操作。但是CPU不可能同时执行多个操作，只能分时地一个一个地执行。PLC利用系统软件在其内部建立了输入、输出映像区，当PLC的CPU执行用户程序时，从输入映像区中读取输入信号的状态，进行相应的操作。各种PLC均采用扫描方式工作，但其扫描时间有所不同。所谓扫描时间，是PLC两次执行用户程序之间的时间间隔，又称为扫描周期或循环周期。2.1.9PLC的基本功能1.逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与（AND）”、“或（OR）”、“非（NOT）”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按钮或其他传感器）的状态，按照指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电动机等）。2.定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。3.计数控制功能计数控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。4.步进控制功能PLC为用户提供若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。5.数据处理功能大部分PLC都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相连，实现程序、数据的显示和打印。6.回路控制功能许多PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。7.通信联网功能许多PLC采用通信技术，实现远程I/O控制、多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。8.监控功能PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可对PLC有关部分的运行状态进行监视。9.停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。10.故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，若发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动停止运行。PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。2.1.10PLC的特点1.灵活通用在实现一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。首先，PLC产品已系列化，结构形式多种多样，在机型上具有很大的选择余地。2.安全可靠PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软、硬件故障，并能保护故障现场，保证PLC控制系统的工作安全性。3.环境适应性好PLC具有良好的环境适应性，可应用于较恶劣的工业现场。4.使用方便、维护简单

PLC的用户界面十分友好，给使用者带来了很大的方便。PLC控制系统的维护非常简单，利用PLC的自诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点，及时排除。5.速度较慢、价格较高2.2传感器技术传感器（transducer/sensor）是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，它是信息技术的三大支柱（传感器技术、通信技术和计算机技术）之一。2.2.1传感器的地位和作用人们为了改善机器性能和提高机器的自动化程度，需要实时地测量反映机器工作状态的信息，并利用这些信息去控制机器，使之处于最佳工作状态。为了便于测量和控制，传感器就应运而生了，它能将各种被测控量（信息）检出并转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号（一般为电信号）。传感器在现代工业生产尤其是自动化生产过程中的地位可用图2.9说明。

由此可见，在自动检测与自动控制系统中，传感器位于系统之首，直接感知外界信息，其作用相当于人的“五官”。传感器正确感受信息并将其按相应规律转换为可用信号，对系统测控质量起决定作用。自动化程度越高，系统对传感器的依赖性就越大，因此传感器是自动检测与自动控制系统的重要部件。图2.9传感器在自动化生产过程中的地位传感器也是信息采集系统的首要部件，它既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在，传感器技术已与通信技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱，并成为现代测量技术与自动化技术的重要基础。可以设想，如果没有高保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通信技术和计算机技术也就成了无源之水、无本之木；现代测量与自动化技术也会随之变成水中之月、镜中之花。现阶段，从宇宙探索、海洋开发到国防建设、工农业生产，从环境保护、灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学研究，从生产过程的检测与控制到人民群众的日常生活等，几乎都离不开传感器和传感器技术。事实表明，传感器和传感器技术已经渗入到新技术革命的所有领域，涉及国民经济的每个部门，进入了大众生活的各个方面。可见，应用、研究和发展传感器与传感器技术，是信息化时代的必然要求。所以，国内外都将传感器列为高技术，在美、日等发达国家传感器备受重视。现代科学技术的发展极大地促进了传感器与传感器技术的发展。特别是微电子加工技术、微计算机技术、信息处理技术、材料科学与技术的发展，使传感器技术得到飞速发展，传感器的体积越来越小，精度越来越高，数字化、多功能化、智能化、集成化等已成趋势。2.2.2传感器的定义和组成传感器有时也称为换能器、变换器、变送器或探测器。其主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。根据GB7665—87，传感器的定义是：能感受规定的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，通常由敏感元件和转换元件组成（见图2.10）。敏感元件（sensingelement）是指传感器中能直接感受（或响应）与检出被测对象的待测信息的部分，如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它将被测压力转换成弹性膜片的变形。转换元件（transductionelement）是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）与检出的待测信息转换成便于传输和（或）测量的信号的部分，如应变式压力传感器中的应变片就是转换元件，它将弹性膜片在压力作用下的变形转换成应变片电阻值的变化。如果敏感元件直接输出电信号，则这种敏感元件同时兼为转换元件，如热电偶将温度变化直接转换成热电势输出。图2.10传感器组成框图2.2.3传感器的分类传感器的种类繁多、原理各异，检测对象涉及各种参数，通常一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器检测。所以传感器的分类至今尚无统一标准，主要按工作原理、输入信息和应用范围来分类。1.按工作原理分类按传感器的工作原理不同，传感器大体上可分为物理型、化学型及生物型三大类，如图2.11所示。物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器，它又可以分为物性型传感器和结构型传感器。图2.11传感器的分类

物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换为电量的传感器。例如，热电偶制成的温度传感器，就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量。化学传感器是利用敏感材料与物质间的电化学反应原理，把无机和有机化学成分、浓度等转换成电信号的传感器，如气体传感器、湿度传感器和离子传感器等。生物传感器是利用材料的生物效应构成的传感器，如酶传感器、微生物传感器、生物量（血液成分、血压、心音、血蛋白、激素、筋肉强力等）传感器、组织传感器、免疫传感器等。2.按输入信息分类传感器按输入量分类有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、力传感器、磁传感器等。这类传感器通常以输入量（被测量）命名，这样使得对传感器的应用很方便。3.按应用范围分类根据传感器的应用范围不同，通常可将其分为工业用、农用、民用、科研用、医用、军用、环保用和家电用传感器等。若按具体使用场合，还可分为汽车用、舰船用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。如果根据使用目的不同，又可分为计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。2.2.4传感器技术的特点目前，包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用等各项内容在内的传感器技术，已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。与其他学科相比它具有以下特点：1.内容的离散性传感器技术所涉及和利用到的物理学、化学、生物学中的基本“效应”“反应”和“机理”，不仅为数甚多，而且往往彼此独立，甚至完全不相关。2.知识的密集性传感器技术是以材料的力、热、声、光、电磁等功能效应和功能形态变换原理为理论基础，并综合了物理学、微电子学、化学、生物工程、材料科学、精密机械、微细加工和试验测量等方面的知识和技术而形成的一门科学，具有突出的知识密集性和学科边缘性，所以它与许多基础学科和专业工程学关系极为密切。3.技术（工艺）的复杂性传感器的制造涉及许多的高新技术，如薄膜技术、集成技术、超导技术、键合技术、高密封技术、特种加工技术，以及多功能化、智能化技术等。传感器的制造工艺难度大、要求高。4.品种的多样化与用途的广泛性传感器与传感器技术已广泛应用于科学研究、生产过程和日常生活各个领域，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器技术。因为需要测量的量（待测量）种类很多，而且一种待测量往往可用多种传感器来检测（如线位移传感器，其品种有近20种之多），所以传感器产品的品种极为复杂、繁多。而传感器作为一种商品，用户对其品种的要求通常很多，但对每一品种需求的数量往往甚少，品种多、数量少的矛盾不仅使传感器成为高价位商品，而且有碍传感器的快速发展。2.2.5传感器系统的基本特性传感器系统的基本特性是指系统的输出-输入特性，即系统输出信号与输入（被测物理量）信号之间的关系。1.传感器的静态特性传感器在稳态信号[x(t)＝常量]作用下，其输出-输入关系称为静态特性。1.线性度2.灵敏度3.分辨率和分辨力4.迟滞5.重复性6.精度2.传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性。它是传感器的输出值能够真实地再现随时间变化着的输入量能力的反映。理想的传感器，其输出量与输入量的时间函数表达式应该相同。但实际上二者只能在一定的频率范围内，在允许的动态误差条件下保持所谓的一致。动态特性用数学模型来描述，对于连续时间系统主要有3种形式：时域中的微分方程，复频域中的传递函数，频率域中的频率特性。传感器动态特性由其本身的固有属性所决定。2.2.6综合监控系统用传感器1.光电感烟探测器2.感温探测器3.火焰探测器4.气体探测器5.离子感烟传感器6.湿敏电阻式传感器光电感烟探测器光电感烟探测器也是点型探测器，它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。工作原理：光电感烟火灾探测器的工作原理是一感光电极处于激光照射下发生电信号，当火灾烟雾遮蔽激光时，电极失电，发出报警信号。感温探测器感温探测器简介火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。感温探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。感温探测器分类根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。定温式探测器定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。差温式探测器差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。差定温式探测器差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器。火焰探测器火焰探测器（flamedetector）是探测在物质燃烧时，产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见的或大气中没有的不可见的光辐射。双红外探测器火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有三种：一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；第三种是同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。具体根据探测波段可分为：单紫外、单红外、双红外、三重红外、红外/紫外、附加视频等火焰探测器。根据防爆类型可分为：隔爆型、本安型。气体检测仪器气体检测仪器是一种检测气体浓度的仪器。检测气体：天然气，液化石油气，煤气，氢气，醇，苯等可燃或有毒气体。离子感烟传感器

这是一种用于火灾报警的当外电离室有烟雾进入时，部分正、负离子被吸附在烟雾中燃烧生成微粒（燃烧生成的微粒比离子大1000倍左右），使它们在电场中的运动速度大大降低，并且在运动中不断有正、负离子中和，使离子数减少。烟雾浓度越高，离子数愈少，离子电流便愈小，相当于等效电阻增大。而内电离室是密封的，烟雾不能进入，两极板间的离子电流是恒定不变的，其等效电阻也是不变的。湿敏电阻式传感器湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。2.3现场总线技术2.3.1现场总线的定义1984年，现场总线的概念得到正式提出。国际电工委员会对现场总线（Fieldbus）的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。它是用于过程自动化或制造自动化中的、实现智能化现场设备与高层设备之间互联的、全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制，在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。简单地说，现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络。这种总线是用作现场控制系统的、直接与所有受控（设备）节点串行相连的通信网络。

注意：

不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认现场总线的本质体现在以下6个方面：（1）现场通信网络。用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络。（2）现场设备互联。依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。（3）互操作性。用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。（4）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地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。（5）通信线供电。通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。（6）开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。2.3.2主流现场总线

虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，但由于各个国家各个公司的利益之争，至今统一的标准仍未完成。

目前世界上存在着大约40种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司的PROFIBUS，挪威的FINT，Echelon公司的Lonworks，PhenixContact公司的INTERBUS，RoberBosch公司的CAN以及ASI（ActraturSensorInterface），基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus），WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。1.基金会现场总线

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

基金会现场总线采用国际标准化组织（ISO）的开放化系统互联（OSI）的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kb/s，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mb/s和2.5Mb/s，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。基金会现场总线的物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。2.CAN

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛应用于离散控制领域，其总线规范已被国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为2层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能和较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通信距离最远可达10km（5Kb/s），通信速率最高可达1Mb/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。3.Lonworks

它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部７层通信协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。它支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通信速率从300bit/s～1.5Mb/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kb/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。4.DeviceNet

DeviceNet是一种低成本的通信连接，也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信，而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DeviceNet基于CAN技术，传输速率为125～500Kb/s，每个网络的最大节点数为64。其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation，开放式设备网络供应商协会）。5.PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA是用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158-2标准。从图2.15可看出这3种系列在应用中的区别与联系。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kb/s～12Mb/s，最大传输距离在9.6Kb/s下为1200m，在12Mb/s下为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。如下图为PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA在自动化系统中的位置6.HART

HART是（HighwayAddressableRemoteTransducer可寻址远程传感器高速数据链路路）的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层3层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混合，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。7.CC-LinkCC-Link是Control&CommunicationLink（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月由三菱电机为主导的多家公司推出。其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mb/s的高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。它不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被我国国家标准委员会批准为国家标准指导性技术文件。8.WorldFIP

WorldFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。它在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。9.INTERBUS

INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准（IEC61158）。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联（OSI）的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。它采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。10.Modbus总线

Modbus是MODICON公司于1979年开发的一种工业总线通信协议。它是一种在工业领域方面广泛应用的真正开放、标准的网络通信协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。Modbus总线以其通用、成熟的第三方标准测试软件及较低的成本，为用户使用提供了诸多优势。由于Modbus是制造业、基础设施环境下真正的开放协议，得到了工业界的广泛支持，是事实上的工业标准。还由于其协议简单、容易实施和性能价格比高，得到了全球400多个厂家的支持，使用的设备节点超过了700万个，有多达250个硬件厂商提供Modbus兼容产品。Modbus现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有良好的应用。

此外，较有影响的现场总线还有：丹麦ProcessData公司提出的P-Net，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet现场总线，主要在航空航天等领域使用。2.3.3现场总线的发展和以太网以太网

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s)、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3标准。现场总线的发展现场总线技术是控制、计算机、通信技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善，另一个是高速现场总线技术的发展。目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况来看，大多数现场总线都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。2.4计算机组网技术2.4.1计算机网络的概念

计算机网络目前还没有统一的精确定义。通常情况下，计算机网络是指在网络协议控制下，利用某种传输介质和通信手段，把地理上分散的计算机、通信设备及终端等相互连接在一起，以达到相互通信和资源共享（如硬盘、打印机等）目的的计算机系统。计算机网络系统通常由通信子网和资源子网两个部分组成。通信子网包含传输介质、通信设备等，主要承担网络数据的传输、转接以及变换等工作；资源子网则负责数据处理业务，向网络用户提供各种资源和网络服务。通信子网和资源子网可分别建设。计算机网络可提供的服务有数据通信、资源共享、远程传输、数据信息的集中和综合处理。2.4.2计算机网络的分类按网络的覆盖范围划分，计算机网络有局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、广域网（WideAreaNetwork，WAN）和城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）。1.局域网一种覆盖一座或几座大楼、一个校园或者一个厂区等地理区域的小范围的计算机网。一般是方圆几千米以内。2.城域网一种界于局域网与广域网之间，覆盖一个城市的地理范围，用来将同一区域内的多个局域网互连起来的中等范围的计算机网。3.广域网一种用来实现不同地区的局域网或城域网的互连，可提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的远程计算机网。也称远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。3种网络的主要特征见表2.1。网络分类缩写大致分布距离跨越地理范围传输速率局域网LAN10m房间4Mb/s～2Gb/s100m建筑物几km校园城域网MAN10km城市50Kb/s～100Mb/s广域网WAN10～1000km城市、国家和洲9.6Kb/s～45Mb/s按网络的通信传输技术划分，计算机网络有：广播式网络（BroadcastNetworks），点-点式网络（Point-to-PointNetworks）。1.广播式传输网络

数据在共用介质中传输。利用一个共同的传输介质把各个站点连接起来，使网上站点共享一条信道，其中任意一个站点输出，其他站点均可接收。适宜范围较小或保密性要求低的网络。如总线形网、环形网、微波卫星网等；2.点-点式网络数据以点到点的方式在计算机或通信设备中传输。如星形、树形、网形网络等。按传输速率划分，计算机网络有：低速网络，传输速率为几十bit/s～10kb/s；中速网络，传输速率为几十Kb/s～几十Mb/s；高速网络，传输速率为100Mb/s～几Gb/s。按传输媒体划分，计算机网络分为：有线计算机网，传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等；无线计算机网，传输介质有无线电波、微波、红外线、激光等。按拓扑结构（网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线抽象出网络系统的逻辑结构）划分。计算机网络为星型、总线形、环形、树形、网状网络。它是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局域网，特别是近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。星型网络示意图星型网络实物图

它是将网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接到公共总线上，结点之间按广播方式通信，一个结点发出的信息，总线上的其它结点均可“收听”到。最著名的总线拓扑结构是以太网Ethernet。总线型网络环形网络各结点通过通信线路组成闭合回路，环中数据只能单向传输，信息在每台设备上的延时时间是固定的。特别适合实时控制的局域网系统。最著名的环形拓扑结构网络是令牌环网TokenRing树形网络拓扑图是一种层次结构，结点按层次连结，信息交换主要在上下结点之间进行，相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。网状网络又称作无规则结构，结点之间的联结是任意的，没有规律。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。拓扑结构优点缺点星型结构简单、容易实现、便于管理，通常以集线器Hub作为中央节点，便于维护和管理中心结点是全网络的可靠瓶颈，中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。总线型结构简单布线容易、可靠性较高，易于扩充所有的数据都需经过总线传送，总线成为整个网络的瓶颈，出现故障诊断较为困难。环形结构简单，适合使用光纤，传输距离远，传输延迟确定环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈，任意结点出现故障都会造成网络瘫痪，另外故障诊断也较困难。树形连结简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求资源共享能力较低，可靠性不高，任何一个工作站或链路的故障都会影响整个网络的运行。网状网系统可靠性高，比较容易扩展结构复杂，每一结点都与多点进行连结，因此必须采用路由算法和流量控制方法。按交换方式划分，计算机网络有：电路交换网，如电话系统；报文交换，如电报；分组交换（信元交换），如因特网、ATM网络。1.电路交换在发端和收端之间建立电路连接，并保持到通信结束的一种交换方式。2.报文交换这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。

3.分组交换分组交换是以分组为单位进行传输和交换的，它是一种存储-转发交换方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。按适用范围划分，计算机网络有：公用网，如CHINAPAC；专用网，如微软公司的内部网络。2.4.3计算机网络的组成计算机网络系统由网络硬件和网络软件组成。1.网络硬件网络硬件是指在计算机网络中所采用的物理设备，包括以下内容：（1）网络服务器：提供网络资源。网络中至少有一台服务器，允许有多台服务器。对服务器的要求是速度快、硬盘和内存容量大、处理能力强。服务器是网络的核心，网络中共享的资源大多都集中在服务器上。（2）工作站：即用户机，是除服务器以外的联网计算机统称为网络工作站，简称工作站。一方面工作站可以当做一台普通计算机使用，处理用户的本地事务；另一方面，工作站能够通过网络进行彼此通信，以及使用服务器管理的各种共享资源。（3）联网设备：联网设备是计算机网络的重要组成部分，通过这些设备，各主机才能达到传输数据、共享信息的目的。网络中主要的网络互联设备包括网络适配器（网卡）、中继器、集线器、网桥、交换机以及路由器，另外在无线局域网中，还有无线接入设备AP等。目前，最常用的设备是交换机与路由器。①网络适配器。网络适配器（networkadapter；NA）又称网卡（NetworkInterfaceCard；NIC），是LAN的通信接口，实现LAN通信中物理层和介质访问控制层的功能。一方面，网卡要完成计算机与电缆系统的物理连接；另一方面，它要根据所采用MAC介质访问控制协议实现数据帧的封装和拆封，还要进行差错校验和相应的数据通信管理。如在总线LAN中，要进行载波侦听和冲突监测及处理。②中继器。中继器是一种在信号传输过程中放大信号的设备，它是网络物理层的一种介质连接设备。由于信号在网络传输介质中有衰减和受噪声影响，有用的数据信号变得越来越弱。为了保证有用数据的完整性，并在一定范围内传送，要用中继器把接收到的弱信号放大以保持与原数据相同。使用中继器就可以使信号传送的距离更远。③集线器。集线器（Hub）是一种信号再生转发器，工作在物理层，相当于一个多口的中继器，能实现简单的加密和地址保护。集线器通过接口与网络工作站相连。如果希望连接的计算机数目超过集线器的端口数时，可以采用集线器堆叠或级连的方式来扩展。随着网络交换技术的发展，交换机的价格逐渐降低，集线器正逐步被交换机取代。④网桥。网桥工作在数据链路层，在局域网之间存储和转发帧（Frame）。网桥的特点是：每一条链路都属于一个单独的碰撞域，网桥连接的所有设备属于同一广播域。⑤交换机。交换机工作在数据链路层，在LAN之间存储和转发帧。交换机的特点是：每一条链路都属于一个单独的碰撞域，交换机连接的所有设备属于同一广播域。交换机与集线器的不同之处在于交换机的每个端口都可以获得同样的带宽。⑥路由器。路由器（Router）是网络层互联设备，可将多个不同的逻辑网（即子网）相互连接从而形成一个互联网络。网桥或传统交换机互联起来的网络则是一个单个的逻辑网。路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，能在多网络互联环境中建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。路由器只接收源端或其他路由器的信息，属于网络层的一种互联设备。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议一致的软件。⑦三层交换机。第三层交换技术也称为IP交换技术。它将第二层交换机和第三层路由器两者的优势结合起来，成为一个有机的整体，是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制，是新一代局域网路由和交换技术。第三层交换机能够代替路由器执行传统路由器的大多数功能，它应该具有路由的基本特征。（4）传输介质：有同轴电缆、双绞线、光缆、无线电、微波等。而适用于局域网的导向传输介质主要有3类：双绞线、同轴电缆和光纤。①双绞线（twistedpair；TP）。双绞线分为两类屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair，STP)与非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair，UTP)，如图2.17所示。局域网中UTP分为3类、4类、5类和超5类4种。②同轴电缆。同轴电缆由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，两导体间用绝缘材料隔开，如图2.18所示。同轴电缆既可以用于基带传输，又可以用于宽带传输。用于局域网的同轴电缆都是基带同轴电缆。③光纤。光纤传输是应用光学原理，由光发送机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号，经解码后再处理，如图2.19所示。光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤是由激光作光源，仅有一条光通路，传输距离长，在2km以上；多模光纤是由二极管发光，低速短距离：屏蔽型双绞线，在2km以内。④无线传输介质。无线传输介质包括无线电、微波、卫星、移动通信等。当通信线路要通过高山或岛屿，或通信距离很远时，铺设电缆就不是一件很容易的事，既昂贵又费时，但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现通信。无线传输所使用的频段很广，人们现在已经利用了多个波段进行通信，短波和无线电微波是常用的两种。各种无线介质传输介质对应的电磁波谱范围如图2.20所示。图2.20无线传输介质的电磁波谱范围2.网络软件协议和软件在网络通信中扮演了极为重要的角色。网络软件可大致分为网络系统软件和网络应用软件。网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际的应用。网络应用软件既可用于管理和维护网络本身，也可用于某一个业务领域。2.4.4综合监控系统网络标准的选择综合监控系统网络包括站级局域网、中央级局域网和全线骨干网，并且为了使监控系统内部互联网紧密结合，实现信息层/控制层/设备层之间的数据流动，在车站还存在基础层控制网络。因此，综合监控网络存在多种网络标准，应根据工程需要及信息传输带宽要求等进行选择，采用不同的网络标准决定了综合监控系统的组网方案。网络标准中，以太网标准（802.3）和TCP/IP协议成为网络技术的主流，本节将主要介绍综合监控系统组网常用网络标准。1.Ethernet（以太网）当前应用最广泛的局域网是以太网家族。以太网系列技术是目前局域网组网首选的网络技术。历史上在局域网络中应用过多种网络类型，包括以太网、令牌总线、令牌环等。最后，以太网以低廉的价格、简单的配置、方便的管理成为局域网的事实标准，并占据了90%以上的市场份额，成为校园网、企业网、城域网建设中日益重要的选择。（1）10Mb/s以太网10Mb/s以太网又叫传统以太网（Ethernet），简记为10ME，诞生于20世纪70年代。1983年IEEE正式批准其为第一个以太网工业标准，确定其采用CSMA/CD作为介质访问控制方法，标准带宽是10Mb/s。（2）快速以太网（FastEthernet，FE）快速以太网的数据率是100Mb/s。快速以太网保留了传统以太网的所有特征，即相同的帧格式、相同的介质访问方法CSMA/CD、相同的组网方法。用户只要更换一张网卡，再配上一个100Mb/s的集线器，就可以很方便地由10Base-T以太网直接升级到100Mb/s以太网，而不必改变网络的拓扑结构。快速以太网标准又分为100Base-TX、100Base-FX、100Base-T43个子类。其中100代表传输速率为100Mb/s，Base代表基带传输。T4代表使用4根双绞线，这4根线是语音级的（3类双绞线）；TX指用2根双绞线，这2根双绞线是数据级的（5类双绞线）；FX是光纤。100Base-TX、100Base-FX统称为100Base-X标准。X是extendedspecification的缩写，为扩展规范。（3）千兆以太网（GigabitEthernet，GE）千兆以太网的数据率是1000Mb/s。随着技术的发展，网络分布计算、桌面视频会议等应用对带宽提出了新的要求，同时，100Mb/s快速以太网也要求主干网、服务器一级有更高的带宽。人们迫切需要更高性能的网络，并且它应该与现有的以太网产品保持最大的兼容性。为此，IEEE提出了千兆位以太网技术。千兆以太网技术包括两个标准：IEEE802.3z与IEEE802.3ab。（4）万兆以太网（10GigabitEthernet，10GE）。万兆以太网的数据率是10000Mb/s。万兆以太网标准由IEEE802.ae委员会制定，于2002年正式完成。万兆以太网标准意味着以太网具有更高的带宽（10G）和更远的传输距离（最长传输距离可达40km）。万兆以太网标准包括10GBase-X、10GBase-R、10GBase-W,3种类型。（5）工业以太网。根据应用环境的不同，以太网也可分为民用以太网和工业以太网。民用以太网是指普遍应用在条件较好的办公环境的网络，这类网络对环境的适用性较差。随着工厂自动化程度的提高，计算机技术逐步进入工业领域，逐渐形成了工业以太网的标准。工业以太网吸收普通以太网的优点，针对工厂特殊的恶劣环境和要求进行了优化改良。工业以太网具有以下特点：①实时性要求高。在工业控制的应用中，控制响应时间要求达到了几ms到几十ms，数据传输具有确定性。②对有效性和可靠性有较高的要求。工业级交换机采用以太网逻辑环技术来提高系统的可靠性。冗余网络切换时间可限制在500ms以内，这样当网络发生单点故障时，网络可在短时间内恢复，保证正常通信。③对工业环境的适应性要求高。工业现场环境的条件比较恶劣，主要包括两个方面，一是电磁干扰严重，二是高温、高湿、振动、粉尘和水等。工业以太网设备在设备制造和应用上有较高要求。2.FDDIFDDI（FiberDistributedDataInterface，光纤分布式数据接口）是一个使用光纤作为传输媒介的令牌环形网。它先是被ANSI的标准委员会X3T9.5通过成为美国的标准，随后被ISO通过成为国际标准ISO9314。FDDI也常被划分在城域网MAN的范围内。FDDI的产品在1988年问世。FDDI主要是用作校园环境的主干网，其主要特性如下：（1）使用基于IEEE802.5令牌环标准的MAC协议，分组长度最大为4500Byte。（2）利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑。（3）数据率为100Mb/s，光信号码元传输速率为125MBaud。（4）可以安装1000个物理连接（若都是双连接站，则为500个站），最大站间距离为2km（多模光纤），环路长度为100km，即光纤总长度为200km。（5）具有动态分配带宽的能力，故能同时提供同步和异步数据服务。令牌环(tokenring)介质访问控制协议IEEE802.5是在IBM公司提出的标记环规范基础上确定的一种局域网标准。令牌环工作原理：令牌环采用单向令牌作为介质访问控制方法，在令