电器智能化第7章

宋建成教授电器智能化原理及应用

第7章电器智能化网络7.1数字通信基础7.2计算机网络基础7.3电器智能化网络中常用的现场总线7.4电器智能化网络的设计与实施7.5电器智能化局域网的软件开发7.6关于网络互连技术的讨论7.7本章小结第7章电器智能化网络7.1数字通信基础数字通信是采用数字量进行信息传递和交换的通信方式，是实现计算机通信的基础，也是电器智能化网络中现场设备与后台管理系统之间、各现场设备之间、各不同的局部网络之间传输信息的基本形式。因此，电器智能化网络是一种采用数字通信技术的网络。本节概要介绍相关的数字通信的基本概念和知识。第7章电器智能化网络7.1.1数字通信系统的基本概念1.数字通信系统的结构模型与信号传输根据在信道上传输的信号类别，通信系统分为：模拟通信系统：信道传输模拟信号数字通信系统：信道传输由“0”和“1”表示的数字信号

对应电器智能化网络而言，信源和信宿双方都是数字化设备，信道中承载信息的信号也是数字信号，因此它是一种典型的数字通信系统。

第7章电器智能化网络

7.1.1数字通信系统的基本概念1.数字通信系统的结构模型与信号传输一般数字通信系统的结构模型：第7章电器智能化网络7.1.1数字通信系统的基本概念2.数字通信系统的主要性能指标1．传输速率：每秒钟传输的信息量，即二进制的位数。2．频带利用率3．误码率Pe=

第7章电器智能化网络7.1.3信道的最大数据传输速率信道的数据传输速率：单位时间内信道能传输的二进制数的位数（即比特数）。奈奎斯特定理：香农定理：C为信道最大传输速率，B为信道带宽，V=2L，L为信号包含的比特数（位数），S为信号功率，N为噪声功率第7章电器智能化网络7.1.2信道的截止频率与带宽截止频率：某一频率分量的幅值在到达接收端时被衰减到原来的0.707（能量衰减了一半），这个频率即为该信道的截止频率。相应的，该频率也为信道的带宽。第7章电器智能化网络7.1.4数据编码方式数字通信传递的信息是数据或数据化的信号，其基本单位为只有0或1的二元码码元。在通信网络中，必须以一定的物理形式来表示数据0和1。模拟数据编码：用模拟信号的不同幅值、不同相位或不同频率来表示数据0和1。数字数据编码：用高、低电平的脉冲表示数据0和1。第7章电器智能化网络7.1.4数据编码方式1.基带传输数字数据编码第7章电器智能化网络7.1.4数据编码方式2.模拟数据编码最常见的模拟数据编码有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。

第7章电器智能化网络7.1.5数据信号的传输方式常见的数据信号传输方式有以下四种：1．基带传输：直接按数据波形原来的频率传递数据。2．载波传输：对数据进行模拟数据编码后进行传输。3．宽带传输：特点是传输速率范围宽（0~400Mbps）。4．异步传输模式ATM(Asynchronoustransfermode)：把所有信息以一种长度较小且固定的信元来传输。第7章电器智能化网络7.1.6多路复用技术多路复用：在同一传输介质上并列传输若干数据源信号的方法。常见的多路复用技术有三种：时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)：将数据传输周期划分为若干时间片，每个信源占用一个。频分多路复用FDM(Freqencydivisionmultiplexing)：采用频率变换或调制，使不同信源信息具有不同频率。波分多路复用WDM(WaveDivisionMultiplexing)：采用不同波长的光波来传输不同信源数据。第7章电器智能化网络7.1.7信号传输的同步方式传输同步方式有两种，异步（Asynchronous）方式和同步（Synchronous）方式。1．同步方式：可分为位同步、字同步和帧同步第7章电器智能化网络7.1.8数字通信网络的传输介质传输介质是连接通信网络中收发双方的物理通路，也是被传送信息的载体。在此简要说明以下4种常用介质。1．双绞线有较成熟的标准和技术，价格低，安装方便，但抗电磁干扰能力较弱，传输速度不高。2．同轴电缆寿命长、频带宽、特性稳定、可靠性高、维护方便、技术成熟。抗干扰能力随传输信号频率增加而提高，适用与高频信号传输。第7章电器智能化网络7.1.8数字通信网络的传输介质3．光纤频带宽，传输容量大，重量轻，完全不受电磁干扰和静电干扰，保密性好，但光纤通信系统整体价格高。4．无线介质无线电波传播距离远，但能量随传输距离衰减很快，易受电磁波干扰，频道带宽较低。第7章电器智能化网络7.2计算机网络基础7.2.1计算机通信网络的基本特点计算机通信网络是一种完成多台计算机之间信息交换的分布式网络，不同于一台主机加多台主机构成的主从式通信系统，更不同于一台计算机带多个终端设备的多用户计算机系统。计算机网络的特点主要表现为以下三个方面：（1）连接在网络上的所有计算机独立自治（2）网络中各计算机相互连接（3）计算机间信息交换具有物理上和逻辑上的双重含义

第7章电器智能化网络7.2.2计算机网络的分类与拓扑结构计算机网络分类方式中，最常见的是按网络拓扑结构和按网络覆盖范围来划分。本节按网络覆盖范围简单介绍计算机网络的主要类型：1.局域网（LAN）2.广域网（WAN）3.互联网第7章电器智能化网络7.2.2计算机网络的分类与拓扑结构1.局域网（LAN）与其他网络主要区别：（1）覆盖物理范围：几百米至十几千米；（2）网络使用的传输技术：一般使用共享通道，传输介质可以是双绞线、通信电缆、光纤等；（3）常用的拓扑结构：总线结构和环型结构。第7章电器智能化网络常用的拓扑结构:第7章电器智能化网络7.2.2计算机网络的分类与拓扑结构2.广域网（WAN）（1）覆盖物理范围：可达一个省、一个大区甚至一个国家（2）概念结构：含有主机和通信子网第7章电器智能化网络（3）拓扑结构：星型、树型、环型、全互连等。第7章电器智能化网络7.2.2计算机网络的分类与拓扑结构3.互连网互联网：也称网间网，用来把不同结构、不同协议且采用不同仲裁标准的各种网络相互连接，实现不同类型网络上用户通信和资源共享。网关：网络互连中专用的中间计算机设备，不仅实现不同类型网络在物理上的连接，而且通过协议转换完成它们逻辑上的连接。第7章电器智能化网络7.2.3网络的通信协议和分层模型网络协议：在计算机网络中用来规定数据格式及数据发送和接收方式等规则，也称通信协议。网络的分层模型：在网络设计时，把整个网络通信中的问题按照所完成功能的逻辑关系分解为若干子功能，如应用程序、信息变换、数据格式分解与装配、信号编码与解码、数据的物理传送等，每个子功能即为一个层次。第7章电器智能化网络协议分层网络数据交换过程

第7章电器智能化网络7.2.4开放系统互连参考模型“开放系统互连”OSI（OpenSystemInterconnection）模型把开放式系统划分为7个层次：OSI参考模型结构第7章电器智能化网络（1）第1层—物理层提供建立、保持及断开与网络物理连接的各种条件。（2）第2层—数据链路层用来完成网络中各节点间数据链路的建立、保持和拆除功能。（3）第3层—网络层规定连接、维持和拆除网络连接的协议。（4）第4层—传输层进行开放系统间数据的收发确认，完成它们之间数据的传输控制。第7章电器智能化网络（5）第5层—会话层根据不同应用进程间的约定，按照规定好的顺序正确收、发数据，进行各种会话。（6）第6层—表示层把经介质传送的信息变换为通信双方都能理解的形式。（7）第7层—应用层用来实现不同应用进程之间的信息交换。第7章电器智能化网络7.2.5电器智能化网络与通用信息网络的特性比较电器智能化网络本质上是一种控制网络，与通用信息网络有着显著的区别。在电器智能化应用系统等控制系统中特别强调信息的可靠性和实时性。电器智能化网络强调在恶劣环境下的数据传输完整性和可靠性。在煤矿等特殊的应用场合下，网络还应具备本质的安全性能。第7章电器智能化网络7.3电器智能化网络中常用的现场总线现场总线（Fieldbus）：应用在工业现场环境下，连接后台管理系统与运行现场的智能化监控设备的数字通信网络，实现后台管理设备与现场设备之间信息的双向、串行传输。第7章电器智能化网络

7.3.1现场总线的特点及总线标准类型1.现场总线的技术特点（1）现场设备的功能自治（2）系统的开放性（3）互操作与互用性（4）现场环境适应性（5）OSI模型相容性

第7章电器智能化网络

7.3.1现场总线的特点及总线标准类型2.现场总线的国际标准类型类型1：FoundationFieldbusH1（IEC现场总线基金会）类型2：ControlNet（美国Rockwell公司）类型3：PROFIBUS（德国Siemens公司）类型4：P-Net（丹麦ProcessData公司）类型5：FFHSE（原FF的H2，Fisher-Rosemount等公司）类型6：SwiftNet（美国波音公司）类型7：WorldFIP（法国Alston公司）类型8：Interbus（德国PhoneixContact公司）第7章电器智能化网络

7.3.1现场总线的特点及总线标准类型3.电器智能化常用的现场总线类型在电器智能化网络发展初期，各开发厂商都制定了企业内部的总线标准，用本企业的智能电器产品作为网络的现场节点设备组成监控网络。这种网络采用串行总线结构，半双工主从式通信方式，网络分层一般只含物理层和应用层，物理层接口标准常采用RS-232或RS-485/422。目前电器智能化网络常用总线标准有MODBUS、CAN、PROFIBUS等。第7章电器智能化网络

7.3.2MODBUSMODBUS只是一种开发系统应用层报文的传输协议，支持标准的RS-232、RS-485/422等串行通信接口，适用于双绞线、光纤、无线介质等传输介质。MODBUS协议具体包括：串行链路的MODBUS（MODBUSoverSerialLine）高速环形网络（MODBUSPLUS）基于TCP/IP的MODBUS（MODBUS/TCP）

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7.3.2MODBUS1.协议的特点MODBUS协议是一种客户机/服务器型应用协议。2.帧格式MODBUS的信息帧包含地址域、功能代码域、数据域和校验域4个部分。3.传输模式MODBUS标准规范了RTU和ASCII两种信息传输模式。同一网络中所有节点设备必须使用同一种信息传输模式。

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7.3.3CAN（控制局域网）1.CAN总线的特点（1）支持多主站工作方式（2）节点信息具有优先权（3）信息传输时间短，错误率极低（4）可灵活选择通信介质，直接通信距离与通信速率有关（5）能够自动关闭出现严重错误的节点（6）可连接的节点数多，可用的报文标识符数量大第7章电器智能化网络

7.3.3CAN（控制器局域网）2.CAN的技术规范（1）节点的分层结构CAN2.0A节点的分层模型有对象层、传输层和物理层。（2）报文传输及帧格式CAN2.0A定义的数据帧格式包含7个不同的域：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、