工业通信基础

第二章内容2.1工业网络通信基础

1.工业数据通讯的基本概念

2.数据编码

3.数据传输

4.差错控制2.2工业网络物理结构

1.网络的传输媒介

2.工业通信网络的拓扑形式

3.介质访问控制方式2.3开放系统互连参考模型

1.OSI参考模型

2.网络互连

3.现场总线通信协议模型

●工业网络与通信基础知识

12/12/202312.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基础知识基本任务计算机技术和通信技术相结合，应用于工业自动化领域中，将工业数据安全准确地传送到上层网络中，从而为实现真正的企业ERP提供全生命周期的设备和现场数据。●工业网络与通信基础知识

12/12/202322.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基础知识相关知识主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制和软硬件平台等。系统的基本组成主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成。●工业网络与通信基础知识

12/12/202332.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基本术语数据(Data)：数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释模拟(Analog)数据；数字(Digital)数据。信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播模拟信号；数字信号

。●工业网络与通信基础知识

12/12/202342.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基本术语信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。●工业网络与通信基础知识

12/12/202352.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基本术语信道带宽（BandWidth）：数据通信系统的信道传输的是波信号(包括无线电、微波、光波等)，带宽就是它所能传输波的最大有效频率与最小有效频率之差。信道容量(Channelcapacity)

：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速率，即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。●工业网络与通信基础知识

12/12/202362.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基本术语码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元。●工业网络与通信基础知识

12/12/202372.1工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念基本术语数据传输速率比特率(BitRate)：每秒传递的bit数(bps，b/s)。波特率（BaudRate）：每秒传送的码元数。Rbit=Rbaudlog2M式中：M为信号的有效状态数，即码元数。当M＝2时（二进制数表示信号波形），两者相等。一般来说波特率小于比特率。误码率(Biterrorrate)：信道传输的可靠性指标

P=错误的位数/传输的总位数

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12/12/202382.1工业网络通信基础数据编码为什么要进行数据编码？工业数据通信的任务是传送数据或指令等信息，而这些信息通常用离散的二进制0、1序列的方式来表示，即用0、1的不同组合来表示不同的信息内容。例如用00、01、10、11来分别表示电动机的停止、运行、错误和不确定等四个状态。通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通信各方的认同。●工业网络与通信基础知识

12/12/202392.1工业网络通信基础数据编码编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制

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12/12/2023102.1工业网络通信基础数据编码数据传输种类不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种组合相应地需要进行不同的处理。

数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道●工业网络与通信基础知识

12/12/2023112.1工业网络通信基础数据编码数字数据的数字编码定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、Manchester编码等。工业通信中常用的是非归零码和Manchester编码。非归零码：逻辑1表示高电平，逻辑0表示低电平，在整个码元期间都维持有效电平的编码。优点：能够比较有效地利用信道的带宽，这是最常用的编码之一。缺点：不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码：在每个码元的中间都要发生跳变。接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。是工业数据通信中最常用的一种基带信号编码优点：不需要外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023122.1工业网络通信基础●工业网络与通信基础知识

12/12/2023132.1工业网络通信基础数据编码数字数据的调制编码定义：用模拟信号来表示数据的0、1状态。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波S(t)=Acos(

t+

)

S(t)的参量包括：幅度A、频率

、相位

调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化常用技术幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频。相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相举例说明：PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)。现场总线的HART通信信号采用这种编码方式。PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)●工业网络与通信基础知识

12/12/2023142.1工业网络通信基础●工业网络与通信基础知识

12/12/2023152.1工业网络通信基础数据传输数据通信方式（数据流动方向）单工：数据单向传输。例如无线电广播、计算机与键盘之间；半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输。例如对讲机。这种方式具有控制简单可靠、通信成本低等优点。工业数据通信中常用这种方式。全双工：数据可同时双向传输。例如电话，计算机与计算机之间。这种方式控制相对复杂，系统成本高，但通信效率高。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023162.1工业网络通信基础数据传输数据传输方式串行传输（SerialTransmission）：数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是先发数据的高位还是低位；同理，接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该在什么位置。这种方式适合距离较远的数据通信，但需要在收发双方采取同步措施。并行传输（ParallelTransmission)：数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。每个数据位使用单独的一条导线，所以它可以同时传输一组数据位。因为它有一条“选通”线通知接收方接收数据，所以不需要特别的措施实现收发双方的同步。显然，这种方式成本高，不适合远距离的通信。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023172.1工业网络通信基础●工业网络与通信基础知识

12/12/2023182.1工业网络通信基础数据传输

数据传输方式异步传输：每个字符作为一个单元独立传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节。异步传输使用的是字符同步方式。

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12/12/2023192.1工业网络通信基础数据传输

数据传输方式同步传输：同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位起始位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。

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12/12/2023202.1工业网络通信基础数据传输

数据同步方式位同步（bitsynchronous）：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。面向位块的同步传输外同步——发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

面向字符块的同步传输●工业网络与通信基础知识

12/12/2023212.1工业网络通信基础差错控制产生差错的原因：信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射；串扰(是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声)；闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。如何提高通信质量？采用高质量的通信线路在外部采取抗干扰措施●工业网络与通信基础知识

12/12/2023222.1工业网络通信基础差错控制如何提高通信质量？采用差错控制方法一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。原理：对所传输的数据进行抗干扰编码，即按一定的规则给被传送的数据增加一定的冗余码。冗余码与被传送的信息码一起发送，经信道传输后，接收端按照与发送端约定的译码规则进行译码，从而发现错误或纠正错误。检测码：能够发现错误的编码称为检测码。检测码实现容易，代价小，所以在通信系统中使用得较多。纠错码：能够发现错误并能纠正错误的编码称为纠错码。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023232.1工业网络通信基础差错控制奇偶校验（ParityChecking）原理：在原始数据字节中增加一个附加比特位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。举例：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11000101

若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。检错能力：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。11000101→11011101●工业网络与通信基础知识

12/12/2023242.1工业网络通信基础差错控制循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）

一种通过多项式除法检测错误的方法。检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和计算方法若G(x)为r阶，则在原帧后面添加r个0按模2除法得出余数形成要传送的带校验和的帧的多项式T(x)

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12/12/2023252.1工业网络通信基础差错控制循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）举例●工业网络与通信基础知识

12/12/2023262.1工业网络通信基础差错控制循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）其实CRC中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经过严格的数学分析与实验。目前有多种生成多项式被列为国际标准，如：CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1

CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1

CRC错误检测方法大约能检查出99.95%以上的错误。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023272.1工业网络通信基础差错控制海明码海明距离：一个有效编码集中，任意两个码字的对应位取值不同的个数的最小值称为该编码集的海明距离。如：有效编码集10110、11010的海明距离为2；有效编码集10101、01111的海明距离为3；有效编码集10110、11010、10101、01111的海明距离为2。海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。如果需检测出d个错误，则海明距离至少应为d+1；如果要能纠正d个错误，则编码集中的海明距离至少应为2d+1。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023282.2工业网络物理结构网络的传输媒介有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质：包括无线电、微波、卫星等各种通信介质。

工业通信中常用的是有线传输介质。双绞线（twistedpair)每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。双绞线绞在一起的目的就是减少电磁干扰，提高传输质量。双绞线可以用于传输模拟信号或数字信号。计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽双绞线(STP，ShieldedTwistedPair)：抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，但工业通信系统中广泛使用STP。非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwistedPair)：非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米。非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023292.2工业网络物理结构●工业网络与通信基础知识

12/12/2023302.2工业网络物理结构●工业网络与通信基础知识

内芯12/12/2023312.2工业网络物理结构网络的传输媒介光缆：即光导纤维。根据材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等。光纤通信的原理是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射，光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023322.2工业网络物理结构网络的传输媒介光传输系统：光源、介质、光检测器光源:850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管介质:光纤光检测器:光电二极管无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使用的不多。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023332.2工业网络物理结构工业通信网络的拓扑形式

工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。特点：通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；接入容易，扩展方便；节省电缆。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023342.2工业网络物理结构工业通信网络的拓扑形式星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变化。常用于节点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。特点维护、管理简单；每个结点的通信负担很小，所以冲突小。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023352.2工业网络物理结构工业通信网络的拓扑形式环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。特点各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重要的场合需要采用双环。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023362.2工业网络物理结构介质访问控制方式定义：

在计算机网络中，将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点的用户的方法称为介质访问控制方法或协议。介质访问控制方法对网络的响应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度上取决于所选用的介质访问控制协议。多路复用技术定义：在实际的计算机网络系统中，为了有效地利用通信电路，总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。在远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费用。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023372.2工业网络物理结构介质访问控制方式多路复用技术多路复用技术种类：频分多路复用和时分多路复用。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023382.2工业网络物理结构介质访问控制方式

多路复用技术（频分多路复用FrequencyDivisionMultiplexing）●工业网络与通信基础知识

12/12/2023392.2工业网络物理结构介质访问控制方式多路复用技术（时分多路复用TimeDivisionMultiplexing）

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12/12/2023402.2工业网络物理结构介质访问控制方式

多路复用技术时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing） 同步时分：同步时分多路复用是指时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变地轮流占用，而不管某个信息源是否真的有信息要发送。这样，时间片与信息源是固定对应的，或者说，各种信息源的传输与定时是同步的。异步时分（统计时分）：异步时分多路复用允许动态地分配传输媒介的时间片，这样可以大大地减少时间片的浪费。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023412.2工业网络物理结构●工业网络与通信基础知识

12/12/2023422.2工业网络物理结构介质访问控制方式

多路复用技术时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing）异步时分（统计时分）轮转每个站轮流地获得发送机会，这种技术适合于交互式的终端对主机通信。

预约介质上的时间被分割成时间片，网上的站点要发送信息，必须事先预约可以占用的时间片，这种技术适合于数据流的通信。

争用所有站点都能争用介质的使用权，这种技术实现起来简单，对轻负载或中等负载的系统比较有效，适合于突发式的通信。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023432.2工业网络物理结构介质访问控制方式

带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD载波监听多路访问（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）网络站点监听载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应的措施，它是一种争用协议。原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。不足：由于信道的传播延迟，当总线上两个站点监听到总线没有信号而发送帧时，仍会产生冲突。由于CSMA中没有检测冲突的功能，所以即使冲突已经发生，仍然要把已破坏的帧发送完，结果造成了总线的利用率降低。带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为IEC802.3，就是以太网标准，已在局域网中广泛使用。原则：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。

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12/12/2023442.2工业网络物理结构介质访问控制方式

令牌环（TokenRing）介质访问方式工作过程举例●工业网络与通信基础知识

12/12/2023452.2工业网络物理结构介质访问控制方式令牌总线（TokenBus）介质访问方式定义：从物理上看，这是一种总线结构的局域网，共享的传输介质。从逻辑上看，这是一种环形结构的局域网，每个站点被赋予一个顺序的逻辑位置。在这个逻辑环中，令牌依次传递，站点只有取得令牌才能发送帧。工作过程：在正常运行时，当某站点完成了它的发送，就将令牌送给下一个站点。带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有的站点，当目的站点识别出符合它的地址后，就接收该令牌帧。特点因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避免了冲突；令牌总线的帧可以设置得很短，和CSMA/CD相比，这样减少了开销，相当于增加了网络的容量。令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如PROFIBUS。●工业网络与通信基础知识

12/12/2023462.2工业网络物理结构介质访问控制方式举例

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12/12/2023472.3开放系统互连参考模型7应用7应用6表示6表示5会话5会话4传送4传送3网络3网络2链路2链路1物理1物理通信线路H2H3H4H5H6H7数据T2H2H3H4H5H6H7数据T2H3H4H5H6H7数据H4H5H6H7数据H5H6H7数据H6H7数据H7数据数据H2H3H4H5H6H7数据T2H2H3H4H5H6H7数据T2H3H4H5H6H7数据H4H5H6H7数据H5H6H7数据H6H7数据H7数据数据S2S11、OSI模型12/12/2023482.3开放系统互连参考模型协议数据单元OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,ProtocolDataUnit)。传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层——数据段（Segment）网络层——分组（数据报）（Packet）数据链路