控制网络技术PPT课件
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图10.3 网络拓扑结构
第10章控制网络技术
⑴星形结构。星形的中心结点是主结点，它接 受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有 中继交换和数据处理功能。
⑵环形结构。其各结点通过环接连于一条首尾 相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按 事先规定好的方向从一个结点单项传送到另一 个结点。
⑶总线形。在总线形结构中，各节点接口，通 过一条或几条通信线路与公共总线连接。其任 何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被 总线中的任何一结点所接收。
企业网
管理层
工业局域网
控制层
工业控制网络
设备层
图10.1 企业综合自动化系统结构层次示意图
第10章控制网络技术
最上层的是企业信息管理网络，它主
要用于企业的生产调度、计划、销售、库 存、财务、人事以及企业的经营管理等方 面信息的传输。
中间的过程监控网络主要用于将采集
到的现场信息置入实时数据库，进行先进 控制与优化计算、集中显示、过程数据的 动态趋势与历史数据查询、报表打印。
主要内容
• 工业控制网络概述 • 控制网络技术基础 • 工业以太网 • 现场总线技术 • 集散控制系统
第10章控制网络技术
10.1工业控制网络概述
10.1.1 企业信息化与自动化
工业控制网络作为工业企业综合自动
Baidu Nhomakorabea
化系统的基础,从结构上看可分为3 个层次,
即管理层、控制层和现场设备层,如图10.1
所示。
10.2 控制网络技术基础
控制网络是一类特殊的局域网，它既 有局域网共同的基本特征，也有控制网络 固有的技术特征。控制网络的基本技术要 素包括：网络拓扑结构、介质访问控制技 术、差错控制技术。
第10章控制网络技术
10.2.1 网络拓扑结构
网络中互连的点称为结点或站，结点 间的物理连接结构称为拓扑。通常有星形、 环形、总线形和树形拓扑结构，如图10.3 所示。
第10章控制网络技术
与此同时，开放性、分散化和低成本 也是工业控制网络另外重要的三大特征。 即工业控制网络应该: ① 具有较好的响应实时性 ② 高可靠性 ③ 力求简洁 ④ 开放性要好
第10章控制网络技术
10.1.3 控制网络的类型
从工业自动化与信息化层次模型来说，控制 网络可分为面向设备的现场总线控制网络与面向 自动化的主干控制网络。在主干控制网络中，现 场总线作为主干网络的一个接入节点。
第10章控制网络技术
10.2.2介质访问控制技术
在局部网络中，由于各结点通过公共传输通 路传输信息，因此任何一个物理信道在某一时间 段内只能为一个节点服务，即被某结点占用来传 输信息，这就产生了如何合理使用信道、合理分 配信道的问题，各结点能充分利用信道的空间时 间传送信息，而不至于发生各信息间的互相冲突。 传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分 配。目前常用的传输访问控制方式有三种：冲突 检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）；令牌 环（Token Ring）；令牌总线（Token Bus）。
从网络的组网技术来分，控制网络通常有两 类：共享式控制网络与交换式控制网络。控制网 络的类型及其相互关系如图10.2所示。
第10章控制网络技术
共享式控制网络 分布式控制网络
CAN
HART
现场总线控制网络
交换式控制网络
FF
LonWorks
Profibus
图10.2 控制网络的类型及其相互关系
第10章控制网络技术
第10章控制网络技术
⑵令牌环
令牌环全称是令牌通行环（Token Passing Ring），仅适用于环形网络结构。在这种方式中， 令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得 令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传 给相邻的另一结点。
令牌环的优点是能提供可调整的访问控制方 式，能提供优先权服务，有较强的实时性。缺点 是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会 降低环路的利用率；控制电路复杂。
第10章控制网络技术
⑴冲突监测的载波侦听多路访问 （CSMA/CD）
CSMA/CD是由Xerox公司提出，又称随机访 问技术或争用技术。主要用于总线形和树形网络 结构。该控制方法的工作原理是：当某一结点要 发送信息时，首先要侦听网络中有无其他结点正 发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中 以有某结点发送信息（信道被占用），该结点就 须等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始 发送。载波侦听多路访问是指多个结点共同使用 同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查 网络的线路是否有信息传输。
第10章控制网络技术
⑶令牌总线
令牌总线方式主要用于总线形式或树 形网络结构中。受令牌环的影响，它把总 线或树形传输介质上的各个结点形成一个 逻辑环，即人为地给各结点规定一个顺序 （例如，可按各结点号的大小排列）。逻 辑环中的控制方式类同于令牌环。不同的 是令牌总线中，信息可以双向传送、任何 结点都能“听到”其它结点发出的信息。
最底层的现场设备层网络则主要用于 控制系统中大量现场设备之间测量与控制 信息以及其他信息(如变送器的零点漂移、 执行机构的阀门开度状态、故障诊断信息 等) 的传输。
第10章控制网络技术
10.1.2 控制网络的特点
工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面 向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与 控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质 或能量的运动和转换，因此它通常应满足强实 时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、 总线供电等特殊要求和特点。
第10章控制网络技术
⑷树形结构。是分层结构，适用于分级管 理和控制系统。 上述四种网络结构中，总线形结构是
目前使用最广泛的结构，也是一种最传统 的主流网络结构，改种结构最适于信息管 理系统、办公室自动化系统、教学系统等 领域的应用。
实际组建网时，其网络结构不一定仅 限于其中的某一种，通常是几种结构的综 合。
第10章控制网络技术
令牌总线具有如下优点：吞吐能力达，吞吐 量随数据传输速率的提高而增加；控制功能不随 电缆线长度的增加而减弱；不需冲突检测，故信 号电压可以有较大的动态范围；具有一定的实时 性。
可见，采用总线方式的网络的连网距离较 CSMA/CD及TOKEN RING方式的网络远。
令牌总线的重要缺点是结点获得令牌的时间 开销较大，一般一个结点都需要等待多次无效的 令牌传送后才能获得令牌 。
第10章控制网络技术
⑴星形结构。星形的中心结点是主结点，它接 受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有 中继交换和数据处理功能。
⑵环形结构。其各结点通过环接连于一条首尾 相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按 事先规定好的方向从一个结点单项传送到另一 个结点。
⑶总线形。在总线形结构中，各节点接口，通 过一条或几条通信线路与公共总线连接。其任 何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被 总线中的任何一结点所接收。
企业网
管理层
工业局域网
控制层
工业控制网络
设备层
图10.1 企业综合自动化系统结构层次示意图
第10章控制网络技术
最上层的是企业信息管理网络，它主
要用于企业的生产调度、计划、销售、库 存、财务、人事以及企业的经营管理等方 面信息的传输。
中间的过程监控网络主要用于将采集
到的现场信息置入实时数据库，进行先进 控制与优化计算、集中显示、过程数据的 动态趋势与历史数据查询、报表打印。
主要内容
• 工业控制网络概述 • 控制网络技术基础 • 工业以太网 • 现场总线技术 • 集散控制系统
第10章控制网络技术
10.1工业控制网络概述
10.1.1 企业信息化与自动化
工业控制网络作为工业企业综合自动
Baidu Nhomakorabea
化系统的基础,从结构上看可分为3 个层次,
即管理层、控制层和现场设备层,如图10.1
所示。
10.2 控制网络技术基础
控制网络是一类特殊的局域网，它既 有局域网共同的基本特征，也有控制网络 固有的技术特征。控制网络的基本技术要 素包括：网络拓扑结构、介质访问控制技 术、差错控制技术。
第10章控制网络技术
10.2.1 网络拓扑结构
网络中互连的点称为结点或站，结点 间的物理连接结构称为拓扑。通常有星形、 环形、总线形和树形拓扑结构，如图10.3 所示。
第10章控制网络技术
与此同时，开放性、分散化和低成本 也是工业控制网络另外重要的三大特征。 即工业控制网络应该: ① 具有较好的响应实时性 ② 高可靠性 ③ 力求简洁 ④ 开放性要好
第10章控制网络技术
10.1.3 控制网络的类型
从工业自动化与信息化层次模型来说，控制 网络可分为面向设备的现场总线控制网络与面向 自动化的主干控制网络。在主干控制网络中，现 场总线作为主干网络的一个接入节点。
第10章控制网络技术
10.2.2介质访问控制技术
在局部网络中，由于各结点通过公共传输通 路传输信息，因此任何一个物理信道在某一时间 段内只能为一个节点服务，即被某结点占用来传 输信息，这就产生了如何合理使用信道、合理分 配信道的问题，各结点能充分利用信道的空间时 间传送信息，而不至于发生各信息间的互相冲突。 传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分 配。目前常用的传输访问控制方式有三种：冲突 检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）；令牌 环（Token Ring）；令牌总线（Token Bus）。
从网络的组网技术来分，控制网络通常有两 类：共享式控制网络与交换式控制网络。控制网 络的类型及其相互关系如图10.2所示。
第10章控制网络技术
共享式控制网络 分布式控制网络
CAN
HART
现场总线控制网络
交换式控制网络
FF
LonWorks
Profibus
图10.2 控制网络的类型及其相互关系
第10章控制网络技术
第10章控制网络技术
⑵令牌环
令牌环全称是令牌通行环（Token Passing Ring），仅适用于环形网络结构。在这种方式中， 令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得 令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传 给相邻的另一结点。
令牌环的优点是能提供可调整的访问控制方 式，能提供优先权服务，有较强的实时性。缺点 是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会 降低环路的利用率；控制电路复杂。
第10章控制网络技术
⑴冲突监测的载波侦听多路访问 （CSMA/CD）
CSMA/CD是由Xerox公司提出，又称随机访 问技术或争用技术。主要用于总线形和树形网络 结构。该控制方法的工作原理是：当某一结点要 发送信息时，首先要侦听网络中有无其他结点正 发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中 以有某结点发送信息（信道被占用），该结点就 须等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始 发送。载波侦听多路访问是指多个结点共同使用 同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查 网络的线路是否有信息传输。
第10章控制网络技术
⑶令牌总线
令牌总线方式主要用于总线形式或树 形网络结构中。受令牌环的影响，它把总 线或树形传输介质上的各个结点形成一个 逻辑环，即人为地给各结点规定一个顺序 （例如，可按各结点号的大小排列）。逻 辑环中的控制方式类同于令牌环。不同的 是令牌总线中，信息可以双向传送、任何 结点都能“听到”其它结点发出的信息。
最底层的现场设备层网络则主要用于 控制系统中大量现场设备之间测量与控制 信息以及其他信息(如变送器的零点漂移、 执行机构的阀门开度状态、故障诊断信息 等) 的传输。
第10章控制网络技术
10.1.2 控制网络的特点
工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面 向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与 控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质 或能量的运动和转换，因此它通常应满足强实 时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、 总线供电等特殊要求和特点。
第10章控制网络技术
⑷树形结构。是分层结构，适用于分级管 理和控制系统。 上述四种网络结构中，总线形结构是
目前使用最广泛的结构，也是一种最传统 的主流网络结构，改种结构最适于信息管 理系统、办公室自动化系统、教学系统等 领域的应用。
实际组建网时，其网络结构不一定仅 限于其中的某一种，通常是几种结构的综 合。
第10章控制网络技术
令牌总线具有如下优点：吞吐能力达，吞吐 量随数据传输速率的提高而增加；控制功能不随 电缆线长度的增加而减弱；不需冲突检测，故信 号电压可以有较大的动态范围；具有一定的实时 性。
可见，采用总线方式的网络的连网距离较 CSMA/CD及TOKEN RING方式的网络远。
令牌总线的重要缺点是结点获得令牌的时间 开销较大，一般一个结点都需要等待多次无效的 令牌传送后才能获得令牌 。