模块一 现场总线与工业控制网络技术基础
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001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线技术概述
• 总线主设备(bus master)
– 有能力掌管总线通信权的设备叫做总线主设备 – 在一条总线段上可连接多个主设备 – 某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设
备的功能
• 总线从设备(bus slaver)
– 没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、对 查询作出相应响应的设备称为总线从设备。
– 如ASI（Actuator Sensor Interface，执行器传感器接 口）总线
• 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度 一般为几个到几十个字节
– 如CAN（Control Area Network）总线
• 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度 可达到几百个字节，可支持分包传送。
– 互可操作性： • 互连设备间的信息传送与沟通； • 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换
– 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 • 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间 的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。
– 环境适应性 • 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、 抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力 支持总线供电等
001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线 技术概述
控制网络与现场总线
ALLE NBRADLE Y
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– 有能力掌管总线通信权的设备叫做总线主设备 – 在一条总线段上可连接多个主设备 – 某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设
备的功能
• 总线从设备(bus slaver)
– 没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、对 查询作出相应响应的设备称为总线从设备。
– 如ASI（Actuator Sensor Interface，执行器传感器接 口）总线
• 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度 一般为几个到几十个字节
– 如CAN（Control Area Network）总线
• 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度 可达到几百个字节，可支持分包传送。
– 互可操作性： • 互连设备间的信息传送与沟通； • 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换
– 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 • 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间 的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。
– 环境适应性 • 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、 抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力 支持总线供电等
001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线 技术概述
控制网络与现场总线
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《现场总线与工业控制网络》课程标准
《现场总线与工业控制网络》课程标准课程代码：31331Z18学时数：30学时（其中：理论18学时实践12学时）课程类型：理论+实践开课学期：（第4学期）适用专业：高速铁道技术专业（通号方向）开课单位：电子信息系编写时间：2013年12月]一、课程定位和目标课程定位：《现场总线与工业控制网络》课程是高速铁道技术专业的一门专业基础课，该课程为专业必修课程。
通过本课程的学习使学生掌握现场总线网络拓扑结构，掌握现场总线主要技术指标，掌握掌握主要连接件和接口设备使用和维护，了解硬件和软件组态操作，了解现场总线工程与设计，为日后在高速铁路现场工作打下坚实的基础。
先修课是《工业控制计算机原理及应用》，后续课程是《高铁信号集中监测系统》、《高速列车调度指挥系统》。
该课程为必修课。
安排在高速铁道技术专业的第四学期学习。
教学目标：是使学生建立现场总线的概念、基本特点，建立DNS和FCS概念，了解DCS和FCS 系统设备和系统结构，了解计算机网络及工业网络体系结构、网络模式、工业网络通信概念、开放式系统互连参考模型、TCP/IP参考模型，了解PP的主要连接件和接口设备以及硬件连接、组态技术，PRDPIBUS的主要技术、CAN总线技术协议、工业以太网的通信方案。
理解现场总线控制技术的基本概念和原理，理解PP通信模型及其主要技术、PP功能块及PP工业组态，理解PRDPIBUS通信技术，理解CAN物理层以及总线器件工作原理，理解工业以太网的实时通信技术，控制器工作原理。
要求学生具备现场总线控制系统正常运行的维护和故障检修能力，具有一定的团队精神和解决问题能力。
具体目标包括知识目标、技能目标、素质目标，如表1所示。
表1 课程目标结构知识目标1．熟悉工业控制系统体系结构；2．熟悉计算机局域网及其拓扑结构；3．了解信号的传输和编码技术；4．了解现场总线网络结构与互联网的网络结构的不同；5．熟悉现场总线常用的主要连接件、仪表和接口设备；6．熟悉现场总线技术指标；7．熟悉现场总线工程与设计；8．掌握现场总线使用和维护原则；技能目标1. 掌握主要连接件使用；2. 掌握接口设备使用；3. 掌握现场总线常用的电缆和电源操作；4. 掌握现场总线项目改造指标和原则；5．掌握硬件和软件组态操作；6．掌握现场总线三级网络拓扑结构和布线；素质目标1. 具有勤奋学习的态度，严谨求实、创新的工作作风；2. 具有良好的心理素质、职业道德素质以及高度责任心和良好的团队合作精神；3. 具有一定的判断、分析、解决问题的能力；4. 具备良好的服务意识和市场观念；5．养成“认真负责、精检细修、文明生产、安全生产”等良好的职业道德。
《工业总线与网络控制技术》教学大纲
山通战课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：本科，自动化课程代码：21E01226学时分配：42学时（理论学时38,实验学时4）赋予学分：2先修课程：自动控制原理、PLC原理与应用、计算机控制技术、单片机原理与接口技术后续课程：毕业设计二' 课程性质与任务本课程是自动化专业的专业课。
通过本课程的学习，使学生能够掌握现场总线开放系统与网络的基础知识，了解和掌握几种主要现场总线的通信协议、技术规范、通信控制芯片、应用电路和应用系统设计等技术内容。
培养学生成为具有多学科知识与技能的复合型人才。
三、教学目的与要求掌握现场总线的基本概念、网络与通信的基础知识，了解几种主要现场总线的通信协议、技术规范、应用电路等技术内容，了解应用系统的设计。
四、教学内容与安排第一单元现场总线与网络技术概述（4学时）【教学内容】1 现场总线的简介及开展过程。
1. 2 现场总线的特点与优点3 几种有影响的现场总线技术2. 4 以现场总线为基础的企业信息系统5 MAP, TOP与现场总线【教学重点及难点】教学重点：现场总线的特点，几种常见现场总线的特点及组成。
教学难点：现场总线的特点组成。
【培养的能力】了解现场总线的概念及其开展历程，现场总线的基本特点及目前应用现状，了解目前在市场上最常见的现场总线及其主要特点。
第二单元基金会现场总线（12学时）【教学内容】1基金会现场总线系统的技术概要2.2基金会现场总线的层次结构3基金会现场总线的物理层3.4基金会现场总线的数据链路层5基金会现场总线的应用层4.6基金会现场总线的用户层2. 7基金会现场总线的可互操作性2.8如何设计一个现场总线产品9现场总线仪表的Beta现场测试【教学重点及难点】教学重点：FF层次及特点，通信模型，FF的主要技术特点，FF的物理层、通信栈、功能模块及设备描述，FF系统组态。
教学难点：FF的主要技术，功能模块与设备描述，FF系统管理，设备描述及系统组态。
《现场总线及工业控制网络》教学课件-第09章
– 工业以太网协议：工业自动化网络控制系统不仅能够完成数据 传输，还是一个自控系统，能够借助网络完成控制功能。
۞ 9.2 工业以太网协议
为了满足工业现场控制系统的应用要求，各现场总线组织纷纷将以太 网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术以及 原有的低速现场总线应用层协议，构成工业以太网协议，如：HSE、 PROFINET和EtherNet/IP等。
– 工业以太网定义：一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但 在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、实用性及实时性 等方面能满足工业现场的需要。
（工业以太网就是工业控制系统中使用的以太网）
– 应用层：尚未取得共识 – 应用模式
• 各种现场总线控制网络与以太网的结合 • 直接采用以太网技术
OSI与工业以太网的通信参考模型对比
1
第9章 工业以太网技术
主要内容 ۞ 9.1 工业以太网技术 ۞ 9.2 工业以太网协议 ۞ 9.3 工业以太网应用
۞ 9.3.1 PROFINET CBA技术 ۞ 9.3.2 基于工业以太网的抄表系统
۞ 9.1 工业以太网技术
(1) 工业以太网与以太网
• 以太网（EtherNet）
– 美国Xerox，DEC、Intel公司，于1982年公布以太网规范（物
۞ 9.3 工业以太网应用
9.3.1 PROFINET CBA技术
PROFINET基于组件的自动化（Component-Based Automation，CBA） 技术是一种实现分布式装置、机器模块和局部总线等设备级智能模块自动化 应用的概念。PROFINET CBA具有以下优点： ➢大大减少了设计工作量； ➢组件之间只需少量的接口完成级联； ➢每个模块都具有高度自治性，从测试到诊断都无需对整个系统进行操作； ➢单个组件调试可提前进行，从而使系统总体调试简单化； ➢系统维护变得容易。
۞ 9.2 工业以太网协议
为了满足工业现场控制系统的应用要求，各现场总线组织纷纷将以太 网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术以及 原有的低速现场总线应用层协议，构成工业以太网协议，如：HSE、 PROFINET和EtherNet/IP等。
– 工业以太网定义：一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但 在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、实用性及实时性 等方面能满足工业现场的需要。
（工业以太网就是工业控制系统中使用的以太网）
– 应用层：尚未取得共识 – 应用模式
• 各种现场总线控制网络与以太网的结合 • 直接采用以太网技术
OSI与工业以太网的通信参考模型对比
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第9章 工业以太网技术
主要内容 ۞ 9.1 工业以太网技术 ۞ 9.2 工业以太网协议 ۞ 9.3 工业以太网应用
۞ 9.3.1 PROFINET CBA技术 ۞ 9.3.2 基于工业以太网的抄表系统
۞ 9.1 工业以太网技术
(1) 工业以太网与以太网
• 以太网（EtherNet）
– 美国Xerox，DEC、Intel公司，于1982年公布以太网规范（物
۞ 9.3 工业以太网应用
9.3.1 PROFINET CBA技术
PROFINET基于组件的自动化（Component-Based Automation，CBA） 技术是一种实现分布式装置、机器模块和局部总线等设备级智能模块自动化 应用的概念。PROFINET CBA具有以下优点： ➢大大减少了设计工作量； ➢组件之间只需少量的接口完成级联； ➢每个模块都具有高度自治性，从测试到诊断都无需对整个系统进行操作； ➢单个组件调试可提前进行，从而使系统总体调试简单化； ➢系统维护变得容易。
现场总线与工业以太网CAN总线课件
基金会现场总线主要应用于 化工、石化、冶金等领域； LonWorks总线主要应用于 楼宇智能化、家庭自动化等 领域；Profibus总线主要应 用于制造业、流程工业等领 域；而Modbus总线则广泛 应用于工业自动化领域。
Profibus总线的传输速率范 围为9.6k～12Mbps，是传 输速率最高的总线； LonWorks总线的传输速率 范围为78k～1.5Mbps；基 金会现场总线的传输速率范 围为12k～150kbps；而 Modbus总线的传输速率范 围为1200～9600bps。
随着总线技术的不断发展，网络安全问题也日益突出。为了解决这一问
题，需要加强网络安全防护措施，如加密通信、访问控制等。
02 03
不同总线协议的兼容性问题
目前存在多种总线协议，不同协议之间的兼容性问题给应用带来了困扰 。为了解决这一问题，需要加强不同总线协议之间的互联互通，提高兼 容性。
总线设备的互操作性
02
工业以太网的发展前景良好，随着工业自动化和网络技术的不
断发展，将有更大的应用空间。
CAN总线在汽车和工业自动化领域的应用前景仍然广阔，但面
03
临技术更新和市场变化的挑战。
06
总线技术的未来发展趋势与挑战
总线技术的未来发展趋势
1 2 3
向工业4.0和智能制造发展
未来的总线技术将更加注重与工业4.0和智能制 造的融合，实现更加智能化、自动化的工业生产 。
LonWorks总线和基金会现 场总线都支持多个节点的连 接，最多可连接64个节点； 而Profibus总线和Modbus 总线则支持多个主站和从站 之间的连接，最多可连接 127个节点。
03
工业以太网技术概述
工业以太网的概念
工业控制网络技术基础
工业控制网络技术的发展历程
早期的工业控制网络技术主要基于模 拟信号传输，随着技术的发展，逐渐 演变为数字信号传输。
近年来，随着物联网、云计算和大数 据等技术的快速发展，工业控制网络 技术也得到了不断升级和完善。
工业控制网络技术的应用场景
工业控制网络技术广泛应用于能源、化工、制造、交通等领域的自动化生产过程中。 在智能制造、智能物流、智能监控等领域，工业控制网络技术也发挥着重要作用。
工业控制网络技术基础
• 引言 • 工业控制网络技术基础知识 • 工业控制网络技术实现方式 • 工业控制网络安全防护 • 工业控制网络技术的发展趋势
01
引言
工业控制网络技术的定义
01
工业控制网络技术是指用于连接 和控制工业生产过程中的各种设 备、传感器和执行器的网络技术 。
02
它通过实时、可靠的数据传输和 控制系统，实现了对工业过程的 精确监测和控制，提高了生产效 率和安全性。
工业控制网络的设备
01
02
03
网络交换机
用于连接各个设备和系统， 实现数据传输和通信。
网关
用于实现不同协议之间的 转换，以实现设备和系统 之间的互操作性。
服务器和客户端
用于存储、处理和监控数 据，实现远程管理和控制。
03
工业控制网络技术实现方式
现场总线技术
现场总线技术是工业控制网络 中的重要组成部分，它是一种 用于连接现场设备与控制系统
工业控制网络的通信协议
Modbus协议
一种串行通信协议，用于连接工业电子设备。
EtherNet/IP协议
一种工业以太网协议，支持实时数据传输和设备 管理。
ABCD
Profinet协议
《现场总线及工业控制网络》教学课件-第10章
FCS是一种分布式的网络自动化系统，其基础是现场总线，位于 网络结构的最底层，因而被称为底层网（Infranet）。FCS的上层是 Intranet，Intranet下面可以挂接多个FCS或DCS的底层网或控制网络。
➢FCS和Intranet的集成； ➢FCS和Internet的集成；
➢FCS和现场总线的集成。
（2）OPC服务器的对象与接口
① OPC服务器对象 三类COM对象：OPCServer对象，OPCGroup对象,OPCItem对象。
所有的COM只能通过接口来进行访问。 ② OPC接口 ➢ 自定义接口与自动化接口
2、OPC数据存储规范
OPC数据存储规范指OPC基金会最初制定的工业标准，重点是对 现场设备的在线数据进行存取。该规范分为定制接口规范和自动化接 口规范，二者功能相似。
4、OPC历史数据存取规范
OPC历史数据存取规范提供一种通用的历史数据引擎，可 以向感兴趣的用户和客户程序提供额外的数据信息
5、OPC批量过程规范
OPC批量过程规范基于OPC数据存取规范和IEC615-1 归集批量控制规范标准制定，提供一种存取实时批量数据 和设备信息的方法。
6、OPC安全性规范
OPC服务器为应用提供了重要的现场数据，如果这些 参数被误修改将会产生无法预料的后果，因此需要防止未 授权的操作。该规范提供了这样一种专门的机制来保护这 些敏感数据。
DCS已广泛地应用于生产过程自动化，现场总线和FCS的应用要 借助于DCS，这样既丰富了DCS的功能，又推动了现场总线和FCS的 发展。FCS和DCS的集成方法有三种：
➢现场总线和DCS输入输出总线的集成； ➢现场总线和DCS网络的集成； ➢FCS和DCS的集成。
10.1.1 FCS和DCS的集成方法
➢FCS和Intranet的集成； ➢FCS和Internet的集成；
➢FCS和现场总线的集成。
（2）OPC服务器的对象与接口
① OPC服务器对象 三类COM对象：OPCServer对象，OPCGroup对象,OPCItem对象。
所有的COM只能通过接口来进行访问。 ② OPC接口 ➢ 自定义接口与自动化接口
2、OPC数据存储规范
OPC数据存储规范指OPC基金会最初制定的工业标准，重点是对 现场设备的在线数据进行存取。该规范分为定制接口规范和自动化接 口规范，二者功能相似。
4、OPC历史数据存取规范
OPC历史数据存取规范提供一种通用的历史数据引擎，可 以向感兴趣的用户和客户程序提供额外的数据信息
5、OPC批量过程规范
OPC批量过程规范基于OPC数据存取规范和IEC615-1 归集批量控制规范标准制定，提供一种存取实时批量数据 和设备信息的方法。
6、OPC安全性规范
OPC服务器为应用提供了重要的现场数据，如果这些 参数被误修改将会产生无法预料的后果，因此需要防止未 授权的操作。该规范提供了这样一种专门的机制来保护这 些敏感数据。
DCS已广泛地应用于生产过程自动化，现场总线和FCS的应用要 借助于DCS，这样既丰富了DCS的功能，又推动了现场总线和FCS的 发展。FCS和DCS的集成方法有三种：
➢现场总线和DCS输入输出总线的集成； ➢现场总线和DCS网络的集成； ➢FCS和DCS的集成。
10.1.1 FCS和DCS的集成方法
工业控制网络(现场总线)
（2）对于离散和连续过程控制应用场合， 均具有确定性和可重复性。
工业控制网络（现场总线）
9
ControlNet
ControlNet突出优点 ：
（3）先进的生产者/消费者网络模型，最大 限度地优化了带宽的利用率，并可构成多 主、主/从、对等的通信结构；媒体访问算 法确保了控制信息传送时间的准确性。
（4）ControlNet具有灵活的安装选择，可使 用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有 强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒 体冗余方式。
工业控制网络（现场总线）
3
ControlNet
ControlNet的特点、优点与应用
ControlNet网络使用生产者/消费者模型。生产者/消 费者模型允许一个发送设备（生产者）与多个接收 设备（消费者）之间交换时间紧要的应用信息，而 不需将发往多个目的的数据发送多次 。
确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来提高 协议效率。
工业控制网络（现场总线）
5
ControlNet
（4）中继器数目：串行使用，最大支持5个中 继器，连接6个网段；并行使用，最大支持48 个中继器，连接48个网段。
（5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。 （6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电 缆，5000m；使用光纤，30km。
（7）网络节点数：使用中继器，可编址节点 最多为99个；不带中继器，最多48个节点。
工业控制网络（现场总线）
2
ControlNet
ControlNet的由来、组织机构与标准
ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997年推出的一种 新的面向控制层的实时性现场总线。
1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发起成立了控制 网国际组织CI（ControlNet International）。
工业控制网络（现场总线）
9
ControlNet
ControlNet突出优点 ：
（3）先进的生产者/消费者网络模型，最大 限度地优化了带宽的利用率，并可构成多 主、主/从、对等的通信结构；媒体访问算 法确保了控制信息传送时间的准确性。
（4）ControlNet具有灵活的安装选择，可使 用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有 强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒 体冗余方式。
工业控制网络（现场总线）
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ControlNet
ControlNet的特点、优点与应用
ControlNet网络使用生产者/消费者模型。生产者/消 费者模型允许一个发送设备（生产者）与多个接收 设备（消费者）之间交换时间紧要的应用信息，而 不需将发往多个目的的数据发送多次 。
确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来提高 协议效率。
工业控制网络（现场总线）
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ControlNet
（4）中继器数目：串行使用，最大支持5个中 继器，连接6个网段；并行使用，最大支持48 个中继器，连接48个网段。
（5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。 （6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电 缆，5000m；使用光纤，30km。
（7）网络节点数：使用中继器，可编址节点 最多为99个；不带中继器，最多48个节点。
工业控制网络（现场总线）
2
ControlNet
ControlNet的由来、组织机构与标准
ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997年推出的一种 新的面向控制层的实时性现场总线。
1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发起成立了控制 网国际组织CI（ControlNet International）。
工业控制网络(现场总线)
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.2 LLC子层和MAC子层
LLC子层旳主要功能： 接受过滤是指LLC子层经过对报文整个标识符 或部分标识符旳屏蔽/筛选来决定是否接受报文； 超载告知是指在发生超载条件时，LLC子层发 送超载帧以示通告，从而延迟下一种数据帧或远 程帧； 恢复管理是指在发送期间，对于丢失仲裁旳或 已损旳报文，LLC子层具有自动重发旳功能。
3.2.2.1 CAN节点旳分层构造
3.2.2.2 帧格式和帧类型
1．数据帧 数据帧由7个不同旳位场构成：帧起始、
仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答 场、帧结束
3.2.2.2 帧格式和帧类型
3.2.2.2 帧格式和帧类型
3.2.2.2 帧格式和帧类型
2．远程帧 3．错误帧 4．超载帧 5．帧间空间
3.2.1.4 错误类型和界定
➢填充错误(Stuff Error) 在应使用位填充措施进行编码旳报文中，
出现了第6个连续相同旳位电平时，将检出一 种填充错误。
3.2.1.4 错误类型和界定
➢CRC错误(CRC Error) CRC序列是由发送器完毕旳CRC计算成果
构成旳。接受器以与发送器相同旳措施计算 CRC。假如计算成果与接受到旳CRC序列不 相同，则检出一种CRC错误。
变沿（和在低位速率旳情况下，选择旳“显性”至“隐 性”旳跳变沿）都将被用于重同步。
3.2.1.6 CAN振荡器容差旳提升
为使振荡器容差最大值由目前旳0.5%提升到 1.5%，并与目前CAN指标向前兼容，CAN2.0进 行了下列修正：
1.若一种CAN节点在间歇场旳第3位采样到一种 显性位，则它将此位了解为帧起始位；
第8章 现场总线与工业以太网控制网络技术
现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动 化领域的计算机局域网。 它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级 控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅 是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的 控制系统。 这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的 综合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展 的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
NRZ编码采用频带传输。调制方式主要有CPFSK和 COFSK。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无 线介质。 2．数据链路层 数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制层（MAC） 和逻辑链路控制层（LLC）。MAC功能是对传输介质传送 的信号进行发送和接收控制，而LLC层则是对数据链进行 控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的 设备可以是主站，也可以是从站，主站有控制收发数据的 权力，而从站则只有响应主站访问的权力。 关于MAC层，目前有三种协议： （1）集中式轮询协议 其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点， 被轮循的节点允许与其他节点通信。
现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结 构对比如图8-1所示。
操作站 LAN 控制站 操作站 LAN CANBUS 服务器 PROFIBUS-DP 4~20mA H1 现场设备
网桥
LonWorks 现场总线 现场设备
传统的模拟仪表
DeviceNet 现场总线
图8-1 FCS与DCS结构比较
8.1.1 现场总线的产生
在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着 一种信号标准，那就是4~20mA的模拟信号标准。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时 的计算机提供的是集中式控制处理。 20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被 嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。 随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电 子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、 传输及优化控制等功能的智能设备。 一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪 表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自 校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、 状态报告、趋势图等功能。
工业化计算机网络2-1 控制网络与现场总线技术
4．树线形结构
树线形结构的特点：
树形结构是分层结构，适用于分级管 理和分级控制系统。与星形结构相比， 由于通信线路总长度较短，故它连网 成本低，易于维护和扩展，但结构较 星形结构复杂。
2.1、计算机工业网络基础
• 网络传输介质
传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物理通道，起 了设备互连和传播信息的作用。 传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线 介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的载体）。
传输层
网络互连常用设备有：
网络层
中继器、网桥、路由器、网关。
LLC
数据链路层
中继器是网络物理层的一种介质连接设备，
MAC1
是延长网络距离的最简 单、最廉价的互
物理层1
连设备。
网桥 LLC MAC1 MAC2 物理层1 物理层2
网络层
LLC 数据链路层
MAC2
物理层2
网桥同类型网络之间的互连设备。
网段1
2.2、计算机网络控制技术概述
1. )控制网络的特点
从技术上讲，控制网络有以下一些技术特点： (1)要求有高实时性和良好的时间确定性； (2)传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁； (3)容错能力强，可靠性、安全性好； (4)控制网络协议简单实用，工作效率高； (5)控制网络结构具有高度分散性； (6)控制设备的智能化与控制功能的自治性； (7)与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成。
• 网络访问控制
信息访问控制有：查询、令牌环、令牌总线、CSMA／CD、信息槽等。
• 信息交换技术
信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容，它分为两类： 线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为两种：报文存储转发交换 与报文分组存储转发交换。
树线形结构的特点：
树形结构是分层结构，适用于分级管 理和分级控制系统。与星形结构相比， 由于通信线路总长度较短，故它连网 成本低，易于维护和扩展，但结构较 星形结构复杂。
2.1、计算机工业网络基础
• 网络传输介质
传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物理通道，起 了设备互连和传播信息的作用。 传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线 介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的载体）。
传输层
网络互连常用设备有：
网络层
中继器、网桥、路由器、网关。
LLC
数据链路层
中继器是网络物理层的一种介质连接设备，
MAC1
是延长网络距离的最简 单、最廉价的互
物理层1
连设备。
网桥 LLC MAC1 MAC2 物理层1 物理层2
网络层
LLC 数据链路层
MAC2
物理层2
网桥同类型网络之间的互连设备。
网段1
2.2、计算机网络控制技术概述
1. )控制网络的特点
从技术上讲，控制网络有以下一些技术特点： (1)要求有高实时性和良好的时间确定性； (2)传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁； (3)容错能力强，可靠性、安全性好； (4)控制网络协议简单实用，工作效率高； (5)控制网络结构具有高度分散性； (6)控制设备的智能化与控制功能的自治性； (7)与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成。
• 网络访问控制
信息访问控制有：查询、令牌环、令牌总线、CSMA／CD、信息槽等。
• 信息交换技术
信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容，它分为两类： 线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为两种：报文存储转发交换 与报文分组存储转发交换。
工业控制网络技术基础
03 工业控制网络的架构与设 计
网络架构选择
星型结构
以中央控制器为核心，其他设 备与中央控制器直接相连，结 构简单，容易实现，但扩展性
差。
环型结构
设备互联构成闭环，数据传输 方向单一，可靠性较高，但扩 展困难，容易出现单点故障。
网状结构
设备之间有多条路径相连，数 据传输灵活，可实现路径优化 ，但配置复杂，成本较高。
树型结构
层次化设计，类似于组织结构 ，易于管理和维护，扩展性好
，适用于大规模网络。
网络拓扑结构
总线型拓扑
星型拓扑
所有设备连接在一条总线上， 结构简单，成本低，但可连 接设备数量有限，传输距离 受限。
以中央设备为核心，其他设 备与中央设备直接相连，易 于扩展和维护，但中央设备 负担较重。
环型拓扑
设备互联构成闭环，数据传 输方向单一，可靠性较高， 但扩展困难，容易出现单点 故障。
工业控制网络技术为智能制造提供了高效、可靠和实时的信息传输，使得生产过程中的各种 数据能够及时反馈给管理者和操作员，以便快速做出决策和调整。
智能制造中的工业控制网络技术还支持自动化生产线和智能设备的集成，提高了生产线的协 同作业能力，减少了人工干预，降低了生产成本。
工业自动化
工业控制网络技术使得自动化设备和系统能够相互连 接和协同工作，实现了对整个生产过程的精确控制和 优化。这有助于提高生产效率、减少能耗和降低生产 成本。
工业控制网络技术基础
目录
• 工业控制网络概述 • 工业控制网络的核心技术 • 工业控制网络的架构与设计 • 工业控制网络的应用场景 • 工业控制网络的未来发展
01 工业控制网络概述
定义与特点
定义
工业控制网络是一种专为工业自动化 应用设计的网络技术，用于连接各种 工业设备、传感器和执行器，实现实 时数据传输和控制。
现场总线与工业以太网工业数据通信和控制网络
其特点可总结为：分散控制、集中操作、分级管发展。工厂自动化要求加强 各种设备（计算机、DCS、单回路调节器、PLC等）之间的通 信能力以便构成大系统。开放性的结构将方便地与管理的上 位计算机进行数据交换，实现计算机集成制造系统。同时在 大型DCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统。 随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技 术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、 可编程调节器、智能PID、自整定控制、智能人机接口，以 至于智能DCS。总的发展趋势可体现在以下几个方面：
得领先一对一物理连接的模拟信号系统在速度和数量上越来越 无法满足大型、复杂系统的需求，模拟信号的抗干扰能力也相 对较差，人们开始使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接 数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制 系统功能。由于数字计算机价格昂贵，人们总是用一台计算机 取代控制室的所有仪表，于是出现了集中式数字控制系统。这 样，解决了信号传输及抗干扰问题。
由于当时数字计算机的可靠性还不够高，一旦计算机出 现某种故障，就会造成系统崩溃、所有控制回路瘫痪、生产 停产的严重局面。由于工业生产很难接受这种危险高度集中 的系统结构，使得集中控制系统的应用受到一定的限制。
（4）集散控制系统（DCS）
随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域又出 现了新型控制方案——集散控制系统，它由数字调节器、可 编程控制（PLC）以及多台计算机构成，当一台计算机出故 障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正 常运行。在集散系统中系统的风险被分散到多台计算机承担， 避免了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。因此， 它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正在被许多企业采 用的DCS系统。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟 仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系 统。
工业控制网络现场总线
哈工大网络术特点及优点
现场总线的作用
现场总线是自动化领域技术发展的热点之 一，将对传统的工业自动化带来革命，从 而开创工业自动化的新纪元。 现场总线控制系统必将逐步取代传统的独 立控制系统、集中采集控制系统和集散控 制系统DCS（Distributed Control System）， 成为本世纪自动控制系统的主流。
哈工大网络与电气智能化研究所
1.1 现场总线的概念
第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中 的 现 场 总 线 标 准 —— 第 2 部 分 ： 物 理 层 规 范 （ Physical Layer Specification ） 与 服 务 定 义 （Server definition）又进一步指出：
哈工大网络与电气智能化研究所
1.3.1 现场总线的技术特点
数字通信网络 ——特点2
现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传
输均用数字信号；
中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传
送均用数字信号； 各层设备之间的信息交换均用数字信号。
传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪
哈工大网络与电气智能化研究所
1.2.1 现场总线系统的组成
软件包括：
设备编程软件——为系统应用软件提供编程环境的平 台软件。当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即 为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系 列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻 辑 编 程 软 件 ） 、 RSLogix5000 （ 用 于 Logix 平 台 所 包 括的各种控制器（如Control LogixTM）的编程软 件）。
连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称 为总线装置、节点（主节点、从节点）、站 点（主站、从站）。
现场总线的作用
现场总线是自动化领域技术发展的热点之 一，将对传统的工业自动化带来革命，从 而开创工业自动化的新纪元。 现场总线控制系统必将逐步取代传统的独 立控制系统、集中采集控制系统和集散控 制系统DCS（Distributed Control System）， 成为本世纪自动控制系统的主流。
哈工大网络与电气智能化研究所
1.1 现场总线的概念
第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中 的 现 场 总 线 标 准 —— 第 2 部 分 ： 物 理 层 规 范 （ Physical Layer Specification ） 与 服 务 定 义 （Server definition）又进一步指出：
哈工大网络与电气智能化研究所
1.3.1 现场总线的技术特点
数字通信网络 ——特点2
现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传
输均用数字信号；
中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传
送均用数字信号； 各层设备之间的信息交换均用数字信号。
传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪
哈工大网络与电气智能化研究所
1.2.1 现场总线系统的组成
软件包括：
设备编程软件——为系统应用软件提供编程环境的平 台软件。当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即 为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系 列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻 辑 编 程 软 件 ） 、 RSLogix5000 （ 用 于 Logix 平 台 所 包 括的各种控制器（如Control LogixTM）的编程软 件）。
连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称 为总线装置、节点（主节点、从节点）、站 点（主站、从站）。
以现场总线为基础的工业控制网络
• 在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使 用更为先进的控制技术，例如复杂控制算法和协调控制。从 而使自动控制发生了质的飞跃。
• 但是CCS在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性很低。 由于只有一个CPU工作，实时性差。系统越大，上述缺点越 突出。
4
9.1 控制系统的网络化发展
• 第二代计算机控制系统是七十年代出现的分级计算机控制系
11
9.2 FCS概述
• 9.2.2 FCS的分类 • 现场总线控制系统FCS根据应用领域的不同，可以分为五大
类： • ① 数字控制（Numerical Control） • ② 机器人控制（Robotics） • ③ 物料经营控制（Materials Handing Control） • ④ 批量过程控制（Batch Process Control） • ⑤ 连续过程控制（Continuous Process Control） • FCS在制造领域 、物业领域 、过程领域得到广泛的应用。
• 2．现场总线控制系统用智能现场仪表替代传统集散系统中 的模拟现场仪表，其智能体现在：变送器不仅仅具有信号变 换、补偿、累加功能，而且具有诸如PID等运算控制功能； 执行器不仅具有驱动和调节功能，而且有特性补偿、自校验 和自诊断功能。
14
9.2 FCS概述
• 9.2.4 现场总线控制系统的技术特点 • (1）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂
17
9.2 FCS概述
• 5．现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向 通信，方便了操作员与被控设备之间的交互；
• 6．现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用 成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购 置、安装与保修费用；
• 但是CCS在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性很低。 由于只有一个CPU工作，实时性差。系统越大，上述缺点越 突出。
4
9.1 控制系统的网络化发展
• 第二代计算机控制系统是七十年代出现的分级计算机控制系
11
9.2 FCS概述
• 9.2.2 FCS的分类 • 现场总线控制系统FCS根据应用领域的不同，可以分为五大
类： • ① 数字控制（Numerical Control） • ② 机器人控制（Robotics） • ③ 物料经营控制（Materials Handing Control） • ④ 批量过程控制（Batch Process Control） • ⑤ 连续过程控制（Continuous Process Control） • FCS在制造领域 、物业领域 、过程领域得到广泛的应用。
• 2．现场总线控制系统用智能现场仪表替代传统集散系统中 的模拟现场仪表，其智能体现在：变送器不仅仅具有信号变 换、补偿、累加功能，而且具有诸如PID等运算控制功能； 执行器不仅具有驱动和调节功能，而且有特性补偿、自校验 和自诊断功能。
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9.2 FCS概述
• 9.2.4 现场总线控制系统的技术特点 • (1）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂
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9.2 FCS概述
• 5．现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向 通信，方便了操作员与被控设备之间的交互；
• 6．现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用 成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购 置、安装与保修费用；
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◆采样时钟频率：8kHz（>2倍语音最大频率） ◆样本量化级数：256级（8b/每样本） ◆数据率：8000次/s×8b = 64kb/s ◆每路PCM信号的速率 = 64kb/s
采样时钟 PCM 信号
fs=8kHz
模拟 语音信号 采样电路 量化和编码
f<4kHz
数字化 语音信号
PCM编码过程举例
发送器
不可同时
接收器
半双工方式： 发送器/ 接收器
可同时
发送器/ 接收器
全双工方式： 发送器/ 接收器
现场总线与工业控制网络技术基础
3.数字通信的质量指标 1）比特率 2）波特率 3）误码率 4）信道容量 5）带宽 6）带宽、数据传输速率和信道容量的关系 7）延迟、抖动、吞吐量和丢包率
行业规范 职业安全
硬件连接
知识 技能
硬件组态
知识 技能
任务内容的序化
操练
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1 网络与通信技术基础 2.1.1 数据通信概念 2.1.2 数据传输 2.1.3 数据交换技术 2.1.4 差错检测及控制 2.1.5 传输介质
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
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ASK FSK PSK
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.数据同步方式 1）异步传输 2）同步传输
异步传输
一次只传输一个字符，每个字符用一个一位起 始位引导、一位停止位结束。 举例：键盘上按下“1” 先进行ASCII编码为00110001， 发送时要发送：
2.1.3 数据交换技术
什么是交换？
按某种方式动态地分配传输线路资源。
例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可 用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该 线路又可分配给其他用户。 最初的交换：人工转接交换
为什么要采用交换技术？
节省线路投资，提高线路利用率。
实现交换的方法主要有：电路交换、报文交 换和分组交换。
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2、它的差分曼彻斯特编码图为：
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第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 2）数字数据的模拟信号调制
0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0
ASK FSK
PSK
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 3）模拟数据的数字信号编码 ①采样 ②量化 ③编码 4）模拟数据的模拟信号调制
0 0 0 1 1 0 0 0 1 1
起始位 停止位
同步传输
同步的因素：
同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界 数据块边界
数据通信中需要在三个层次上实现同步：
位——位同步 字符——字符同步 帧(Frame)——帧同步
帧起始 8bit
控制信息
数据 0 ~ n bit
信息和数据（二进制位）不能直接在信道上 传输
基本概念
“A” 01000001 01000001 “A” 信道 信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息 信息编码 数据编码 调制 解调 数据解码 信息解码
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错 调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位 解调：接收波形→数字信号 解码：数字信号→原始数据
例如：通过电话网络传输数据
宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ 到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方 需要解调。
例如：闭路电视的信号传输
频带传输
①幅度调制 ASK （Amplitude Shift Keying） ②频率调制 FSK （Frequency Shift Keying） ③相位调制 PSK （Phase Shift Keying）
能力目标 会设置网络通信速率 能制作网线 会使用网络测试仪 知识目标 数据通信概念 数据传输 数据交换技术 差错检测及控制 传输介质
引入
组建工业以太网的主要步骤
职业素养
思考：工业控制网络的构建过程中，需要做些什么？
职业道德 环保意识
软件配置 知识 技能 职业能力 调试运行 知识 技能
1） 数字数据的数字信号编码
●不归零码（Non-Return to Zero， NRZ ）
二进制数字0、1分别用两种电平来表示；
常用－5V表示 1，＋5V表示 0；
缺点：
存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； ◆ 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
◆
1. 数字数据的数字信号编码
● 曼彻斯特编码（Manchester Coding）
2.1.2 数据传输
单工 数据单向传输（例：无线电广播） 半双工
数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传 输（例：对讲机）
全双工
数据可以双向同时传输（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同 方向的信号传输。
单工方式：
原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位
调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化
ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.通信方式 串行 并行 单工 双工 半双工
2.通信方式
串行
发送端
b b b b b b b b
7 6 5 4 3 2 1 0
接收端 接收端
发送端
并行
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
当电话机的数量增多时，就要使用交换机 来完成全网的交换任务。
交换机
“交换”的含义
在这里，“交换”(switching)的含义就是 转接——把一条电话线转接到另一条电话 线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就 是按照某种方式动态地分配传输线路的资 源。
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1 网络与通信技术基础
2.2 局域网技术 2.3 局域网的互连
复习
上节课的主要内容 以太网应用到工业现场时主要要解决的问题 是什么？ 现场总线的种类 西门子主要使用的现场总线是什么？ 该现场总线分为哪些类型？分别应用于哪些 场合？
告知
数字通信的质量指标
比特率：单位时间内所传送的二进制序列的位数。 波特率：单位时间内传输的脉冲（波形）信号的 个数。 带宽：可传送信号的最高频率与最低频率之差 时延：一个数据块（帧、分组、报文段等）从链 路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。 抖动：指在同一条路由上发送的数据包之间的时 间差异 吞吐量：网络中发送数据包的速率 丢包率：发送数据包时丢弃数据包的最高比例
电话网络中的电路交换
电路交换也能在多路复用信道上实现
在物理线路的某个信道上建立连接
报文交换
以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存
储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级 中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存 储-转发。
报文交换
电路交换的主要特点
两部电话机只需要用一对电线就能够互相连 接起来。
更多的电话机互相连通
5 部电话机两两相连，需 10 对电线。
N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对 的数量与电话机数的平方成正比。
使用交换机
差分 Manchester
课堂练习（8分钟）
画出01001110的曼彻斯特和差分曼彻斯 特编码
图 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码
有一比特流： 10101100011 （10个数） 1)、画出它的曼彻斯特编码，2）、画出它的差分曼彻斯特编码 解：1、它的曼彻斯特编码图为：
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1.2 数据传输 1.数据传输方式 1）基带传输 2）频带传输 ①幅度调制 ②频率调制 ③相位调制 3）宽带传输
1.数据传输方式
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信 号直接在信道上传送。
例如：以太网（局域网）
频带传输：数字信号调制成模拟信号后再传 送，接收方需要解调。
1. 数字数据的数字信号编码
● 差分曼彻斯特编码（Differential
Manchester Coding，DMC） ◆ 每个码元的中间仍要发生跳变。 ◆ 用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代 表0，无跳变代表1。
三种数字编码的波形图
0
时钟
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NRZ
Manchester
2.1 网络与通信技术基础
2.1.1 数据通信概念
1.基本概念 1）信息、数据和信号 2）模拟信号与数字信号 3）码元 4）数据通信 5）信源、信道和信宿
理解一句话：
把携带信息的数据用物理信号形式
采样时钟 PCM 信号
fs=8kHz
模拟 语音信号 采样电路 量化和编码
f<4kHz
数字化 语音信号
PCM编码过程举例
发送器
不可同时
接收器
半双工方式： 发送器/ 接收器
可同时
发送器/ 接收器
全双工方式： 发送器/ 接收器
现场总线与工业控制网络技术基础
3.数字通信的质量指标 1）比特率 2）波特率 3）误码率 4）信道容量 5）带宽 6）带宽、数据传输速率和信道容量的关系 7）延迟、抖动、吞吐量和丢包率
行业规范 职业安全
硬件连接
知识 技能
硬件组态
知识 技能
任务内容的序化
操练
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1 网络与通信技术基础 2.1.1 数据通信概念 2.1.2 数据传输 2.1.3 数据交换技术 2.1.4 差错检测及控制 2.1.5 传输介质
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
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ASK FSK PSK
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.数据同步方式 1）异步传输 2）同步传输
异步传输
一次只传输一个字符，每个字符用一个一位起 始位引导、一位停止位结束。 举例：键盘上按下“1” 先进行ASCII编码为00110001， 发送时要发送：
2.1.3 数据交换技术
什么是交换？
按某种方式动态地分配传输线路资源。
例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可 用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该 线路又可分配给其他用户。 最初的交换：人工转接交换
为什么要采用交换技术？
节省线路投资，提高线路利用率。
实现交换的方法主要有：电路交换、报文交 换和分组交换。
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2、它的差分曼彻斯特编码图为：
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第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 2）数字数据的模拟信号调制
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ASK FSK
PSK
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 3）模拟数据的数字信号编码 ①采样 ②量化 ③编码 4）模拟数据的模拟信号调制
0 0 0 1 1 0 0 0 1 1
起始位 停止位
同步传输
同步的因素：
同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界 数据块边界
数据通信中需要在三个层次上实现同步：
位——位同步 字符——字符同步 帧(Frame)——帧同步
帧起始 8bit
控制信息
数据 0 ~ n bit
信息和数据（二进制位）不能直接在信道上 传输
基本概念
“A” 01000001 01000001 “A” 信道 信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息 信息编码 数据编码 调制 解调 数据解码 信息解码
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错 调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位 解调：接收波形→数字信号 解码：数字信号→原始数据
例如：通过电话网络传输数据
宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ 到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方 需要解调。
例如：闭路电视的信号传输
频带传输
①幅度调制 ASK （Amplitude Shift Keying） ②频率调制 FSK （Frequency Shift Keying） ③相位调制 PSK （Phase Shift Keying）
能力目标 会设置网络通信速率 能制作网线 会使用网络测试仪 知识目标 数据通信概念 数据传输 数据交换技术 差错检测及控制 传输介质
引入
组建工业以太网的主要步骤
职业素养
思考：工业控制网络的构建过程中，需要做些什么？
职业道德 环保意识
软件配置 知识 技能 职业能力 调试运行 知识 技能
1） 数字数据的数字信号编码
●不归零码（Non-Return to Zero， NRZ ）
二进制数字0、1分别用两种电平来表示；
常用－5V表示 1，＋5V表示 0；
缺点：
存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； ◆ 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
◆
1. 数字数据的数字信号编码
● 曼彻斯特编码（Manchester Coding）
2.1.2 数据传输
单工 数据单向传输（例：无线电广播） 半双工
数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传 输（例：对讲机）
全双工
数据可以双向同时传输（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同 方向的信号传输。
单工方式：
原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位
调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化
ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.通信方式 串行 并行 单工 双工 半双工
2.通信方式
串行
发送端
b b b b b b b b
7 6 5 4 3 2 1 0
接收端 接收端
发送端
并行
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
当电话机的数量增多时，就要使用交换机 来完成全网的交换任务。
交换机
“交换”的含义
在这里，“交换”(switching)的含义就是 转接——把一条电话线转接到另一条电话 线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就 是按照某种方式动态地分配传输线路的资 源。
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1 网络与通信技术基础
2.2 局域网技术 2.3 局域网的互连
复习
上节课的主要内容 以太网应用到工业现场时主要要解决的问题 是什么？ 现场总线的种类 西门子主要使用的现场总线是什么？ 该现场总线分为哪些类型？分别应用于哪些 场合？
告知
数字通信的质量指标
比特率：单位时间内所传送的二进制序列的位数。 波特率：单位时间内传输的脉冲（波形）信号的 个数。 带宽：可传送信号的最高频率与最低频率之差 时延：一个数据块（帧、分组、报文段等）从链 路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。 抖动：指在同一条路由上发送的数据包之间的时 间差异 吞吐量：网络中发送数据包的速率 丢包率：发送数据包时丢弃数据包的最高比例
电话网络中的电路交换
电路交换也能在多路复用信道上实现
在物理线路的某个信道上建立连接
报文交换
以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存
储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级 中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存 储-转发。
报文交换
电路交换的主要特点
两部电话机只需要用一对电线就能够互相连 接起来。
更多的电话机互相连通
5 部电话机两两相连，需 10 对电线。
N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对 的数量与电话机数的平方成正比。
使用交换机
差分 Manchester
课堂练习（8分钟）
画出01001110的曼彻斯特和差分曼彻斯 特编码
图 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码
有一比特流： 10101100011 （10个数） 1)、画出它的曼彻斯特编码，2）、画出它的差分曼彻斯特编码 解：1、它的曼彻斯特编码图为：
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1.2 数据传输 1.数据传输方式 1）基带传输 2）频带传输 ①幅度调制 ②频率调制 ③相位调制 3）宽带传输
1.数据传输方式
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信 号直接在信道上传送。
例如：以太网（局域网）
频带传输：数字信号调制成模拟信号后再传 送，接收方需要解调。
1. 数字数据的数字信号编码
● 差分曼彻斯特编码（Differential
Manchester Coding，DMC） ◆ 每个码元的中间仍要发生跳变。 ◆ 用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代 表0，无跳变代表1。
三种数字编码的波形图
0
时钟
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
NRZ
Manchester
2.1 网络与通信技术基础
2.1.1 数据通信概念
1.基本概念 1）信息、数据和信号 2）模拟信号与数字信号 3）码元 4）数据通信 5）信源、信道和信宿
理解一句话：
把携带信息的数据用物理信号形式