1_工业控制网络第一章解析

• 例： • 发送数据“10100011‖，其中“1‖的个数是4个， 如采用奇校验，则在发送方的奇偶校验位上置 “1‖，使“1‖的总个数为奇数。 • （如采用偶校验，则在发送方的奇偶校验位上置 “0‖，使“1‖的总个数为偶数） • 接收方将接收到的字符中的数据位及奇偶校验位 逐一相加（二进制加法），看结果是“1‖还是 “0‖，若约定是奇校验，则结果是“1‖表示正确， 为“0‖则表示有错。（如约定是偶校验则反之）
RS-422是全双工操作，两对平衡差分信号线分别 用于发送和接收。数据通过4根导线传送（4线操 作）。
（3）RS-485 • RS485是RS-422A的变形，RS-485为半双 工，只有一对平衡差分信号线，不能同时 发送和接收。使用RS-485通信接口和双绞 线可以组成串行通信网络，构成分布式系 统。
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四、常用网络设备
• 为了实现网络资源共享，须将处于同一地域或不 同地域的、同类型或不同类型的网络互相连接起 来（网络互联）。网络互联一般都不能简单地直 接相连，而需要通过一定的网络设备进行连接。 • 工控网中常用的网络设备有网卡、集线器、路由 器及光/电交换器等。
1. 网卡
• 网卡（网络接口卡）是局域网的接入设备，是计 算机与网络之间的桥梁。 • 网卡的作用： • 读入由其它网络设备传输过来的数据包，将其变 换成计算机能识别的数据（解包），通过计算机 内部总线将数据传输到CPU、RAM或硬件驱动器 中； • 将PC设备发送的数据打包后输送到其它网络设备 中去。
（4）传输速率
• 串行通信中传输速率的单位是波特（bit）， 又称为波特率，符号是bit/s或bps，即每秒 传送的二进制位数。 • 常用的波特率有9600bps、19200bps、 38.4kbps、1.5Mbps、10Mbps等
2. 串行通信接口的标准
（1）RS-232C
• 由美国EIC（电子工业联合会）于1969年公布的通信协议。 该协议规定采用负逻辑，用-15～-5V表示逻辑“1‖， +5～+15V表示逻辑“0‖。使用9针和25针DB型连接器。 当通信距离较近时通信双方可直接连接。 • 最简单的情况，在通信中不需要控制联络信号，只需要3 根线（发送线、接收线、信号地）便可实现全双工异步 串行通信。
• 工控网通常分布在一个有限的地理范围之内，具 有比较稳定和规范的拓扑结构。常见的拓扑结构 有星型、环型、树型和总线型等。
星型
环型
树型
总线型
1. 星型拓扑结构 • 每个节点均以1条单独的通道与 中心节点相连，任何2个节点之 间的通信必须通过中心节点转接， 中心节点是控制中心。 • 星形结构的优点是建网容易，控 制简单。它的缺点是网络共享能 力差，可靠性低。如果一旦中心 节点出现故障，则会导致全网瘫 痪。
• 外部输入的干扰信号是以共模方式出现 的，2根传输线上的共模干扰信号相同， 而接收器是差分输入，只对差模信号进 行处理，共模信号可以互相抵消。只要 接收器有足够的抗共模干扰能力，就能 克服外部干扰。
பைடு நூலகம்
• RS-422A
最大传输速率为10M Bit /S（此时允许的 最大通信距离为12m）。 最大通信距离为1200m（此时的最大传 输速率为100 kbit/s）。 一台驱动器可以连接10台接收器。 广泛地用于计算机与终端或外设之间的远 距离通信。
• 串行通信是以二进制的位（bit）为单位的 传输方式，每次只传送1位，最少只需要2 根线（双绞线）就可以连接多台设备，组 成控制网络。串行通信需要的信号线少， 适用于距离较远的场合。 • 串行通信的传输速度要比并行通信慢。
（2）异步通信与同步通信 • 串行通信中，接收方和发送方应使用相同 的传输速率。但由于双方使用的传输速率 存在微小的误差，会形成累积误差而使发 送和接收的数据造成错位，使接收方收到 错误的信息。 • 为了解决这一问题，需要使发送过程和接 收过程同步。按同步的方式不同，串行通 信分为异步通信和同步通信。
第二篇
工业控制网络基础
第一章 工业控制网络简介
$1 概述
• • • • • 一、工业控制网络的基本概念 二、通信方式与串行通信接口 三、网络的类型 四、常用网络设备 五、 构成通信网络的数据传输介质
• 一、工业控制网络的基本概念 • 工业控制网络是一种把整个工厂中各个生 产流程和自动化控制系统通过各种通信设 备组织为一个整体的一种通信网络。 • 在这个通信网络中，可有各种不同结构、 遵守各种不同通信协议的通信系统存在， 其中主要是工业以太网和工业现场总线。
• 工业以太网Industrial Etherenet －－按IEEE 802.3 标准建立的开放的通信系统，用于传输大量数据， 可与远程网络连接 • 工业现场总线－－按现场总线标准建立的开放的 通信系统，用于现场控制和数据交换 • 点到点通信ptp－－用于2个点之间的通信，如PLC 与PLC、PLC与PC、PLC与人机接口、打印机、条 码扫描器、读卡器等设备连接。
• 同步通信以字节为单位，每次按约定传送1～2个 同步字符（作为通知对方开始接收）、若干个数 据字节和校验字符。 • 同步通信时，双方采用同一个时钟脉冲以保持完 全的同步。接收方通过调制解调的方式在数据流 中提取出同步信号，使接收方得到与发送方同步 的接收时钟信号。 • 同步通信不必在每一个数据字节上加上起始位、 停止位、奇偶校验位，因此传输效率较高，但对 硬件要求较高。
• 数据位后的“奇偶校验位”用来检测接收 到的数据是否出错。 • 奇偶校验分为“奇校验（Odd）”和“偶校 验（Even）”，也可选择“不校验 （None）”。 • 奇偶校验是指把发送方发送的每一个字符 中数据位（包括校验位）中“1‖的个数的奇 偶性与接收方接收到的每一个字符的奇偶 性进行比较，如一致表示正确，不一致即 表示接收到的数据有错误。
3. 树型拓扑结构 • 树型拓扑结构是天然的分层网络 结构。其特点是网络成本低，结 构比较简单。树型结构非常适合 于分主次、分等级的层次型管理 系统。
4. 总线型拓扑结构 • 总线型结构是最普遍使用的一种 网络拓扑结构。它是将各个节点 和1根总线相连。总线型结构的特 点是网络结构简单、灵活、可扩 充性好、可靠性高、资源共享能 力强。但由于同环型结构一样采 用共享信道，因此需处理多站争 用总线的问题。 • 以太网就是采用这种网络拓扑结 构。（CSMA/CD，带冲突检测的 载波侦听多路访问）
• 车间级监控一般要设立车间监控室，有操 作员工作站及打印设备。 • 车间级监控网络可采用工业以太网或现场 总线如Profibus-FMS，这一级传输速度不 是最重要的，但是应能传送大容量的信息。
3．工厂管理层 • 车间操作员工作站通过集线器（HUB）或 交换器（SWITCH）与车间办公管理网连接， 将车间生产数据送到车间管理层。 • 车间管理网又作为工厂主网的一个子网， 通过交换机、网桥或路由器等网络设备连 接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂 管理层。 • 工厂管理层又称信息层，一般使用以太网 技术，这一层关注的焦点是高速的数据包 传输和高容量的数据共享。
（3）单工和双工通信
• 单工方式只能沿单一方向传输数据，即某一方只 能发送或只能接收； • 双工方式可以沿两个方向传输数据，每一方既能 发送也能接收。
双工方式又可分为全双工方式和半双工方式： 全双工方式是通信双方在同一时间可同时 发送和接收数据（同时） 半双工方式是通信双方在同一时间只可发 送数据或接收数据（分时）
网卡分类： • 网卡按其支持的带宽分为10M网卡、100M网卡、 10/100M自适应网卡和千兆网卡； • 按网络线接口分为粗缆口（AUI）、细缆口 （BNC）和双绞线口（RJ45）网卡。 • PLC中的通信模块也是一种网卡 • 每块网卡都有一个唯一的地址－－MAC地址， 例如：00 1A 21 FC 1B DF
2. 中继器
• 中继器是连接网络线路的一种装置，用于延 长网络的长度。线路上传输的信号会发生衰 减，因此线路距离有一定的限制。中继器可 将信号进行放大后再次发送，通过中继器可 将线路接长而信号衰减仍在允许范围内。
3. 集线器（HUB）
• 集线器实际上是一种中继器的扩展形式，它与中 继器的区别在于能够提供多端口服务，因此可称 为多口中继器。
• 异步通信的字符信息格式如图，每发送1个字符 （数据），都由1位“起始位”开始，接着是7～8 位“数据位”，然后是1位“奇偶校验位”（也可 以没有），最后是1～2位“停止位”。 • 双方对格式和传输速率约定相同。
• 接收方在收到停止位与起始位之间的下降沿时， 将它作为接收的起点，在每一个时钟脉冲（代表1 位）的中间接收信息。由于接收的位数不多，即 使双方的时钟频率有微小的误差，其累积误差也 不会过大而造成错位。
令牌网络结构分为令牌环和令牌总线 在令牌网络中，媒体访问控制是通过令牌的特殊 标志来实现的。令牌是一个特殊的控制帧，按照 逻辑顺序，令牌从一个装臵传递到另一个装臵。 传递到最后一个装臵后，再传递给第一个装臵。 令牌有“空”和“忙”两种状态。持有令牌的装 臵可以发送信息。 发送站首先把令牌的状态臵为“忙”，并写入要 传送的信息（数据､发送站名､接收站名）送入环 网传输。 令牌沿环网一周后返回发送站时，信息已被接收 站拷贝，发送站把令牌的状态为“空”，送入环 网继续传输，以供其它站使用。 令牌传递总线能提供实时同步操作，传送效率高， 适于频繁，较短的数据传送。因此它更适合于需 要进行实时通信的工业控制网络系统。
2. 环型拓扑结构
• 网络中各节点通过1条首尾相 连的通信链路连接而成1个闭 合环型结构网，数据在环上 单向流动。由于各节点共享 环路，因此需要采取措施 （如令牌控制）来协调控制 各节点的发送。 • 环型结构的优点是无通道选 择问题，它的缺点是不便于 扩充，系统响应延时大
令牌网：（Token Ring 或 Token Bus)
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二、通信方式与串行通信接口
1. 计算机的通信方式 (1)并行通信与串行通信 • 并行通信是以字节（8位）或字（16位）为 单位的数据传输方式，有8根或16根数据线、 1根公共线以传输数据，另外还有一些通信 双方联络用的控制线。并行通信速度快， 但因传输线的数量多，抗干扰性差，一般 用于近距离的数据传送，例如PLC的模块之 间的数据传送。
• RS-232C
广泛地用于计算机与终端或外设之间 的近距离通信。
RS-232C采用共地传送方式，容易引起共模干扰。
RS-232C最大通信距离为15m，最高传输速 率为19.2kbit/s，只能进行一对一的通信。
（2）RS-422A • RS-422A也是一种异步串行通信协议，它采 用平衡驱动、差分接收电路(见图)，共模信 号可以互相抵消。它从根本上取消了信号 地线，从而消除了由公共地线引入的干扰。 • 平衡驱动器相当于2个单端驱动器，其输入 信号相同，2个输出信号互为反相信号。
工厂自动化网络结构
1．现场设备层 • 主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、 传感器、驱动器、执行机构和开关设备等， 完成现场设备控制及设备间连锁控制。 • 一般采用现场总线如Profibus-DP，也可用 PtP。
2．车间监控层 • 车间监控层又称为单元层，用来完成车间 主要生产设备之间的连接，实现车间级设 备的监控。 • 车间级监控包括生产设备状态的在线监控、 设备故障报警及维护等。通常还具有生产 统计、生产调度等车间级生产管理功能。
• RS-485 为半双工2线操作，一对平衡差分信号 线不能同时发送和接收。 系统中可以有32个站。 新的接口器件已允许连接多达128个站。
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三、网络的类型
• 网络可以按其传输媒体分类（有线网、无线网）， 也可按其传输速率分类（低速网、中速网、高速 网），通常按其逻辑结构－－拓扑结构分类。 • 网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，把 计算机等网络单元抽象为点，把网络中的通信媒 体（如电缆）抽象为线，用点和线来抽象出网络 系统的逻辑结构。