电器智能化原理及应用第7章

（5）作为局域网的节点，现场层网络也可 不设上位机，通过通信控制器，与以太往联 接。
扩展现场层网络覆盖范围的措施 （1）中继器
性能
将接收到的信号原样放大后送出，不作 任何数据处理。 应用条件 延长相同物理介质的传输距离。 仅用于连接两个采用相同介质、相同 传输速率、相同总线协议的网段。
（2）网桥 性能 对输入信号先存储、转换，再发送，是一种 存储转发设备。
2）通信控制机
实现不同现场设备与以太网间传输协议的 的转换，可与多个现场设备连接，多采用工 控机。
通信控制机也可以是一种逻辑概念，功能 由服务器或现场层网络上位机中软件实现。 还可以通过附属于独立现场设备的专用协 议转换接口，实现现场设备物理上和逻辑上 与以太网的连接。
3）现场设备
包括现场设备网络和分布距离较远的独立 智能开关设备。 2. 以太网基础
第7章 电器智能化局域网设计基础
7.1 相关基础知识
7.1.1电器智能化网络基本概念
1.定义
电器智能化网络是后台管理系统与分布在 不同运行现场、具有不同功能的智能电器和 智能开关设备相互连接，利用数字通信技术 管理和监控现场设备的通信网络。 2.基本特征 网络具有计算机通信网络的基本特征，采 用数字通信技术。
（6）局域网各站点可以接入使用不同现 场总线标准的现场层网络，现场设备覆盖 范围较宽。
2）单个现场设备作为局域网站点的结构
特点 （1）每个现场设备带有一个专用的接口， 完成现场设备与以太网间数据传输协议的 转换。 （2）每一台现场设备都是网络站点，可 以直接与服务器、工作站通信，网络层次 简单； （3）与LAN/Fieldbus结构相比，相同站点 数的局域网可覆盖和管理的现场设备少。 现场设备数相同的情况下，网络成本相对 比较高，服务器负担较重。
（1）数据传输的实时性强、可靠性高；
（2）现场设备数据收发为异步方式； （3）一次通信过程发送的数据长度较短； （4）网络多采用半双工主从方式通信； （5）现场网络的总线标准可自定义，也可 使用国际流行总线标准；
（6）现场设备数据基带传输，数据信号不 加调制解调，网络成本低。
7.2.2 局域网结构和设计原则
3）用通信控制器连接现场设备的局域网
特点
（1）现场设备监控器与中央管理设备 间的数据传输协议转换、数据转发全部 由通信控制机完成。 （2）服务器不考虑数据链路LLC子层 的处理，可以完成更多信息处理任务。 （3）现场设备主机不处理传输协议转 换，提高了实时任务处理的能力。 （4）网络成本高。
小结
电器智能化局域网一般采用以太网结 构，站点设备包括现场设备 （单个设备或现 场网）和网络后台管理设备。
局域网后台管理设备可根据实际系统 规模配置，不一定都包含服务器、工作 站和通信机三部分。
中等规模系统可不设通信机，由服务 器完成通信机的全部或部分功能。
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对较小规模系统，可只用一台功能较 强的PC机，完成服务器、工作站的所有 功能以及通信机的部分功能。 局域网后台管理设备对网络的管理基 本采用主从方式，只能由后台向现场节 点设备发起通信，按时间片划分原则与 现场设备交换信息。
2.数据交换方式 —分组交换 把一个报文分成几个分组（数据帧）传送。
严格限制每个分组数据块长度的上限值， 保证任何节点设备都不能占用信道时间过长。 一个报文中的几个分组传送时，不必等下 一个分组传送完，前一个分组就可以向前传 送，既有较高的实时性，又有较高的吞吐率。
3.数据报文传送的信息
数据的准确性包含了两种不同的含义。
以太网（Ethernet）是一种国际标准的总线 拓扑形式局域网。 物理层信息传输标准和介质访问控制由 IEEE802.3描述，逻辑链路控制符合IEEE802.2 规定，支持多种物理层标准。
标准以太网介质主要用阻抗50Ω基带同 轴电缆。
介质访问控制采用载波侦听多路访问/冲 突检测（CSMA/CD）标准，传输速率为 1Mbps~10Mbps。 电器智能化网络采用的以太网与标准以 太网区别： （1）网络介质不用同轴电缆；
特点与功能
（1）现场设备已通过现场总线连接成底
层网。底层网采用主—从结构，完成对现场 设备的监控，并实现现场层网络管理功能。 （2）底层网上位机实现现场设备与以太 网间数据协议的转换。 （3) 转发后台管理与现场设备间交换的 各类信息,并保证对现场设备的实时监控。
（4）在现场总线网主机和以太网间无需 配置通信控制器。 （5）以太网数据链路层中的逻辑链路控 制LLC子层与高层协议任务由局域网服务 器完成。
3）能适应现场环境对传输介质和传输速率 的要求 户内、外电器智能化设备运行现场距离差 别很大，网络应能支持不同现场环境使用的 传输介质和传输速率。 4）网络节点计算机体系结构不对称，任务 权重不对等 后台管理计算机任务层次复杂，承担了大 部分的协议工作，但数据交换协议必须与现 场智能设备一致。
2．通信特点
① 网络中数据的逻辑电平、数据基本单元 的格式、网络中各设备连接方式（物理层）。 ② 数据收发双方建立连接的方法，包含双 方的地址、连接控制信息、校验和纠错等（链 路层中介质访问控制子层）。
③ 应用信息格式。
包括信息的类型、数值（包含状态、命令、事 件记录、模拟量值等）、数值信息的长度。 ④ 通信发动的方式
电器智能化网络数据传送特点
① 网络基本为主从方式管理，任何时 刻网络中只有一个节点设备发送的数据。 ② 数据传送要求实时性、可靠性高。 ③ 网络数据异步传送。 ④ 数据交换采用短帧方式。
7.1.1电器智能化网络的结构类型
以覆盖现场设备地域范围的现场局域 网或现场总线网为基础； 通过通信控制机（协议转换设备）与 后台管理设备连接； 组成计算机通信局域网。
物理层以上的信息交换。
特点
需要对被传送的信息进行某种形式的逻辑 变换，层次越高，信息结构越复杂，也越接 近用户需要的形式。
最终的信息是交换信息双方的用户可以识 别的形式。
相关基础知识/计算机网络数据交换基本特征与物理结构
2.网络上的计算机具有相同的层次结构体 系,必须遵循相同的通信协议。
相关基础知识/计算机网络数据交换基本特征与物理结构
7.2.3 现场层网络设计原则
现场层网络直接完成现场设备与后台间物 理的和逻辑的连接。 特点 （1）现场设备是具有通信功能的智能设备， 能独立自治完成设备要求的工作。 （2）上位机采用主从方式管理通信，任意 两个现场设备间无信息交换，它们也不能主 动发起与上位机的通信。
（3）通信信道采用由主机控制的分时传送 方式，不存在各站点设备数据传送的“冲 突” 。 （4）不同现场设备监控器与选定现场总线 之间的接口应符合选定总线的协议，完成现 场设备与总线之间物理的和逻辑连接。
1. 基本配置
电器智能化局域网层基本采用以太网。
组成最小网络的站点设备
1）服务器、不同功能的管理工作站（管理层） 服务器和工作站可以是一种逻辑概念。 根据实际系统规模，后台服务器和工作站 可以分别设置不同的计算机(物理设备），也可 以采用同一台计算机，用软件实现服务器和 工作站（逻辑设备）的功能。
2）常用的物理接口及其标准
计算机通信网络中的计算机都采用RS232-C。 工业计算机网络中的现场设备用RS232-C、RS（IEEE）-485 /422或其他标准 总线接口与网络连接。
7.2 电器智能化网络的结构及其设计原则 电器智能化网络本质上是一种控制局域网。 以供电局或区间变电站为核心，覆盖范围 是规模更小的现场通信网。 现场网可以是小的局域网，也可以是主从 式通信系统。 在数据传输与网络结构的设计上与一般计 算机通信网络有一定区别。
电器智能化网络的基本结构有两类。
1）现场总线（Fieldbus）网络结构
组成
系统中现场智能电器及其网络管理设备 （上位机）为总线上的节点； 采用选定的现场总线连接。
常用现场总线类型
① 自定义的串行现场总线。
② 当前流行的国际标准现场总线。
③ 生产厂商提供的专用标准现场总线。
特点
① 网络规模和覆盖范围小、功能比较简单。
应用条件 物理层和数据链路层的介质访问子层协议不 同；
传输速率和物理介质不同；
数据链路层中逻辑链路控制子层以上高层协 议必须相同或兼容的同级底层网或网段互连。
7.3 网络的软件设计基础
网络软件指电器智能化网络系统的监控软件。
7.3.1 数据交换方式及通信协议
1.电器智能化网络传送信息的特征
(1)基本上是短帧信息，实时性要求很高。 (2)电器智能化网络中的数据交换必须保证 其准确性和可靠性。 在数据传送（交换）方式、被传数据的格式 方面都有不同于一般数字通信网络的特点。
② 只完成系统内部的封闭式管理 。
适用场合 功能较简单的小规模智能监控系统。
2）现场总线-局域网（Field bus-LAN）结构
组成 现场总线网+工业以太网。 现场总线网可以有独立的上位机，也可以 只有现场设备的智能监控器。 现场总线网作为现场层网络直接或经通信 控制器与以太网连接。 典型应用 较大规模发电厂、变电站综合自动化系统。
（2）通信方式大多是主从方式，任何时刻 通信介质中只能有一个接点设备的信息，介 质访问不需要冲突检测。
特点
大多数电器智能化网络都只用了以太网的 总线结构和数据传输协议，没有采用数据链 路层的介质访问子层协议。
3．基于以太网平台的电器智能化局域网 结构类型 按现场设备接入以太网的方式分类
1）LAN/Fieldbus网络
3.同种网和异种网
同种网特点
同一计算机通信网络中的所有计算机有 完全相同的功能。 必须具有相同的结构层次，即相同的体 系结构。 每一层都应该遵循相同的协议。
几个独立的同种网可以互连。
相关基础知识/计算机网络数据交换基本特征与物理结构
异种网特点
不同网上的计算机具有不同体系结构， 遵循不同层次协议。 异种网互连不能简单使用网关或通信控 制机，必须经过TCP/IP协议转换。 计算机通信网络不是一台主机加多台从 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系统。
7.2.2 网络的结构特点 ① 网络中的节点设备都是具有独立功 能的计算机/微机系统，能独立自主完成 节点设备的全部工作。
② 相互间通过数字通信网络连接，采 用数字通信技术交换信息。 从这两点看，它具有一般计算机通信 网络的基本特征。
1. 电器智能化局域网的结构特点
1）必须有专门措施保证网络开放性 网络设备数据交换协议的分层应有统 一的标准，方便用户自主地集成系统。 电器智能化网络中的现场设备通信协 议可能不同，连入同一局域网时，必须 采用特殊的硬件或软件措施。 2） 信号、电源双线合一。
(1)接收方收到的数据与发送方发送的数 据相同。 (2)接收方必须正确识别发送方与发送方 发送的信息类别（信息的物理属性）。 数据报文中除真正的数据以外，还应有一 些其他信息，包括数据收发方的地址、有效 数据的物理含义、每次传送的字节数、校验 结果等。
4.通信协议概念
不同的通信网络（包括现场总线）有不同的 通信协议。 通信协议一般应规范下列信息：
相关基础知识/计算机网络数据交换基本特征与物理结构
4. 通信网络的物理结构
网络物理结构包括传输介质和物理接口。
1）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。 分类
有线介质 双绞线、同轴电缆、光纤
无线介质
无线电波、微波、卫星通信
相关基础知识/计算机网络数据交换基本特征与物理结构
相关基础知识
7.1.2 计算机网络数据交换基本特征与物理结构 1. 网络计算机间的信息交换具有物理上和逻 辑上的双重含义 物理含义上交换的信息 网络中直接物理相连的两台设备之间无逻辑 结构变换的数据流传输。 特点
传送的信息是用户不能识别的形式。
相关基础知识/计算机网络数据交换基本特征与物理结构
逻辑含义上交换的信息
与网络类型和使用环境有关，规范通信 发动者和工作方式。 每一种现场总线协议，都应规范它们的 物理层、链路层和通信发动方式，规定数据 单位的格式和数据帧结构及其最大长度。
开发商也可自定义总线协议，但必须符合 相关的行业或国家标准。 对于具体系统，每一个数据报的结构组成， 都由设计者按选定协议标准或自行定义的标 准组成数据帧，通过物理层接口收发。