计算机网络的基本概念

计算机网络的基本概念
计算机网络定义为：“利用通信设备和线路，将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统”。

按网络的传输技术(通信信道)广播式网络点到点网络
按跨度（地域范围）局域网LAN城域网MAN广域网WAN
按通信介质有线网无线网
按组建属性公用网专用网
按经管性质内联网外联网
计算机网络结构：从逻辑功能上可以分为通信子网和资源子网两个部分。

1.资源子网
资源子网主要是对信息进行加工和处理，面向用户，接受本地用户和网络用户提交的任务，最终完成信息的处理。

2.通信子网
主要负责计算机网络内部信息流的传递、交换和控制，以及信号的变换和通信中的有关处理工作，间接地服务于用户。

第2章计算机网络基础
调制与解调
调制就是通过调制器将数字信号波形变换成适于模拟信道传输的波形，再根据数据的内容（0或1）来改变载波的特性（振幅、频率或相位），然后将经过改变的载波送出去，这个过程称为调制。

载波是指可以用来载送数据的信号，一般用正弦波作为载波。

在接收端，通过解调器将被修改的载波与正常的载波比较（去掉载波），恢复出原来的数据，这个过程称为解调。

调制与解调是互反的过程。

2.1.2 数据编码技术
数据编码方法主要有数字数据用数字信号表示、数字数据用模拟信号表示、模拟数据用数字信号表示三种编码方式。

2.1.3 数据传输技术
（一）基带传输与宽带传输（二）同步传输与异步传输
（三）并行传输与串行传输（四）单工、半双工与全双工通信方式
（五）多路复用技术
2.1.4 数据交换技术
数据交换是指在数据通信时利用中间节点将通信双方连接起来。

数据交换方式包括线路交换(电路交换)、报文交换和分组交换。

2.1.5 传输介质
1 同轴电缆
2 双绞线
由两条相互绝缘的铜线组成，其典型粗细约1mm，两条象螺纹一样绞在一起。

屏蔽双绞线无屏蔽双绞线
3 光纤
4 无线介质
数据传输介质的选择
传输介质的选择:网络结构、通信容量、可靠性、价格
双绞线：价格便宜、带宽受限、通信容量小
同轴电缆：价格较贵、连接多个设备、容量大
光纤：频带宽、速度高、体积小、重量轻、衰减小、误码率低、抗电磁干扰强无线：接入方便
传输速度的比较
2.1.6 媒体访问控制
一、带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD
CSMA/CD可以概括为先听后发、边发边听、冲突停止、随机延时后重发。

二、令牌环(Token Ring) 介质访问控制
三、令牌总线（Token Bus）访问控
2.2.2 OSI参考模型
一、OSI参考模型
ISO划分七层的基本原则：
网中各结点都具有相同的层次；
不同结点的同等层具有相同的功能；
同一结点内相邻层之间通过接口通信；
每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；
不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信
应用层与用户应用进程的接口“做什么”
表示层数据格式的转换“对方看起来象什么”
会话层会话管理与数据传输同步“该谁讲话”“从哪儿讲传输层端到端可靠的数据传输“对方在哪儿”
“走哪条路可以到达对方网络层分组传送，路由选择，流量
控制
数据链路层相邻结点间无差错地传送帧“每一步该怎么走”
物理层在物理信道上比特流传输“怎样利用物理媒体”
2.2.3 TCP/IP参考模型
TCP/IP 体系结构各层的功能
1. 网络接口层
TCP/IP参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报。

包括了能使用TCP/IP与物理网络进行通信的协议。

2. 网络层
网络层是在TCP/IP规范中正式定义的第一层。

网络层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据包（IP 数据包），并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机，在网络层中，最常用的协议是互连协议IP，其他一些协议用来协助IP的操作。

相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；
处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；
3. 传输层
主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；
传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；
用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。

4. 应用层
在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI模型中的高三层的任务相同，用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络经管等
2.2.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较
它们在设计中都采用了层次结构的思想。

无论是OSI参考模型还是TCP/IP 体系结构都不是完美的，对二者的评论与批评都很多。

OSI参考模型的主要问题是定义复杂、实现困难。

而TCP/IP体系结构的缺
陷包括网络接口层本身并不是实际的一层，每层的功能定义与其实现方法没能区分开来，使TCP/IP体系结构不适合于其他非TCP/IP协议族等。

第3章工业控制网络的基本构成
工业控制网络技术是在工业生产的现代化环境下提出与发展起来的，是计算机技术、控制技术和网络技术综合发展的结果。

工业控制网络的特点就是要适应各类工业企业的不同应用需求，并确定各具应用特色的技术实现技术方案。

3.1.2 工业控制网络与工业企业网
工业企业网具有下列特性：范围确定性集成性安全性相对开放性
3.3 工业控制网络
3.3.1 集散控制系统
集散控制系统(Total Distributed control System)，也称为分散或分布式控制系统(Dis—tributed Control System)统一称为集散控制系统，简记DCS，随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的综合控制系统：集散控制系统既有计算机控制系统精度高、响应速度快的优点，又有模拟调节仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。

3.3.2 现场总线
1.现场总线的定义: 现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向串行数字通信协议。

也就是说，现场总线是控制系统中底层的通信网络，具有双向数字传输功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过一条物理媒体互相交换信息。

现场总线的结构遵循国际规范化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）模型，而不同的现场总线的结构又不尽相同。

现场总线可广泛应用于过程工业/工厂自动化、电力系统自动化、交通、家庭自动化等各领域
3.现场总线系统的特点：
（1）系统的开放性
（2）互可操作性与互用性
（3）现场设备的智能化与功能自治性
（4）系统结构的高度分散性
（5）对现场环境的适应性
第4章现场总线及其应用
4．1 现场总线概述
现场总线（Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、全开放、全双工、多节点的串行通信工业控制网络。

CIMS体系结构可分为5层。

即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。

简化的CIMS则分为3层．即工厂级、车间级和现场级。

4.1.2 现场总线的特点
（一）现场总线的技术特点
1．开放性。

2．交互性。

3．自治性。

4．适应性。

（二）现场总线的优点
1．节省硬件数量2．节省安装费用3．节省维护开销4、用户具有高度的
系统集成主动权5、提高了系统的准确性与可靠性
4．2 PROFIBUS介绍
PROFIBUS有以下三个组成部分：
1.PROFIBUS—FMS
它主要是用来解决车间级通用性通信任务，可用于大范围和复杂的通信。

总线周期一般小于100ms
2.PROFIBUS—DP
专门为自动控制系统与分散I/O设备之间通信使用，总线周期一般小于10ms
3.PROFIBUS—PA
它是专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器安在一根共用的总线
即现场级与车间级。

现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。

PROFIBUS的通信模型和协议结构
PROFIBUS-DP使用了第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和用户接口，第3层到第7层末加以描述。

PROFIBUS—FMS对第1层、第2层和第7层(应用层)均加以定义。

PROFIBUS—PA采用了扩展的DP协议。

使用分段式耦合器，PROFIBUS—PA设备能很方便地集成到PROFIBUS—DP网络上。

PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

4.2.2 PROFIBUS控制系统组成
PROFIBUS控制系统组成包括以下几个部分：
1、1类主站
1类主站指PLC、PC或可做1类主站的控制器。

1类主站完成总线通信控制与经管。

2、2类主站
2类主站在网络中完成对网络状态的监视。

3、从站
PLC可做PROFIBUS上的一个从站。

PLC自身有程序存储，PLC的CPU
部分执行程序并按程序驱动I/O。

作为PROFIBUS主站的一个从站。

PROFIBUS总线存取协议，在主站之间采用令牌传送方式，在主站与从站之间采用主从方式
令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。

在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。

主站得到总线存取令牌时可与从站通信。

每个主站均可向从站发送或读取信息。

因此，可能有三种系统配置：纯主从系统、纯主主系统和混合系统
当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。

在这段时间内，它可依照主从通信关系表与所有从站通信，也可依照主主通信关系表与所有主站通信。

在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。

在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。

PROFIBUS—DP技术简介
PROFIBUS—DP用于现场层的高速数据传送。

主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。

1．设备类型
三种不同类型设备。

1)一级DP主站(DPMl) 一级DP主站是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站交换信息。

典型的DPM1如PLC或PC。

2)二级DP主站(DPM2) 二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。

3)DP从站DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备(I/0设备、驱动器、HMI、阀门等)。

也包括一些只提供输入或输出信息的设备。

2．系统配置
允许构成单主站或多主站系统。

1)单主站系统在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。

2)多主站系统总线上连有多个主站。

这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。

每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。

任何一个主站均可读取DP从站的输入输出映像，但只有一个DP主站允许对DP 从站写入数据，
PROFIBUS—PA技术简介
PA可用来替代4—20mA的模拟信号传输技术。

特性：
①适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备具有互换性；
②增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站；
②在过程自动化的PROFIBUS—PA段与制造业自动化的服PROFIBUS—DP总线段之间通过锅台器连接，并可实现两段问的透明通信；．
④使用与IEC61158—2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送；
PROFIBUS—FMS技术简介
旨在解决车间监控级通信。

在这一层，可编程序控制器：之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。

基金会现场总线
基金会现场总线(FF)可以工作在生产现场，并能适应本质安全防爆的要求，还可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。

它在过程自动化领域已经得到了广泛的应用，并且具有良好的发展前景。

FF总线以前分为H1和H2两级总线，但随着控制网络的实时信息传输量的日益增大，H2已被HSE取代。

本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。

具体包括失误—安全（误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作）、故障—安全功能（设备、工艺发生故障时还能暂时正常工作或自动转变安全状态）。

基金会现场总线分低速H1和高速HSE。

H1的传输速率为31.25Kps，通信距离可达1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境
HSE的传输速率从100Mbps到1Gps或更高。

物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。

2.FF通信模型
3.FF物理层
一、物理层的功能
物理层作为电气接口，一方面接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输介质上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输介质的物理信号转换为信息送往数据链路层．起到接收器的作用。

二、物理层的结构
物理层被分为介质相关子层及介质无关子层。

介质相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输介质、不同速率的信号转换问题，也称为介质访问单元。

对不同种类介质、不同传输速率要求的场合，应分别设置不同的物理层实体。

介质无关子层则是介质访问单元与数据链路层之间的接口。

4.数据链路层（DLL)
1. FF通信设备类型
按照设备的通信能力，FF将通信设备分为三种类型
链路主设备（Link Master Device）：有能力成为链路活动调度器LAS（Link Active Scheduler）的设备，包括主机接口或某些其它设备。

基本设备(Basic Device)：具备基本通信能力，即只能接受总线命令作出响应的总线设备，不具备LAS能力。

网桥(Bridge)：用于连接不同传输速率或不同传输介质的设备，比如将下游各个H1网段连接在一起的设备，同时也是H1和HSE接口设备，它必须成为链路主设备。

LonWorks简介
LonWorks网络的技术核心是LonTalk协议，开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的规范。

这样在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。

LonTalk协议最大的特点是对OSI的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不支持的。

具体实现就采用网络变量这一形式。

网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便可完成。

神经元芯片是LonWorks技术的关键。

由于这种LonTalk协议硬件芯片的支持，满足了现场通讯的实时性、接口的直观性和简洁性的现场总线应用要求。

（二）LonWorks的技术特点
1、拥有三个处理单元的神经元芯片(Neuron芯片)
2、支持多种通信介质和它们的互连；
3、带预测P的CSMA
4、网络变量（NV）
5、提供给使用者一个完整的开发平台
6、LonWorks技术的其他参数
2. LonTalk协议
CAN总线
CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为CAN bus，即CAN总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。

1．CAN 的工作原理
当CAN 总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。

每组报文开头的11位字符为标识符(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址技术方案。

当一个节点要向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。

CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时,网上的其它节点处于接收状态。

每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址技术方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。

我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改。

第6章过程控制中的网络技术
过程控制系统：是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等一些过程变量的系统
2、自动控制系统的性能指标
（1）最大偏差A
最大动态偏差是阶跃响应中，第一个波峰超过稳态值的幅度y1。

（2）余差C
过渡过程结束后被调量新的稳态值与新设定值的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量标志。

（3）衰减比η
衰减比是衡量一个衰减过程的衰减程度指标
（4）过渡时间ts
（5）上升时间tr
（6）振荡周期T
6.2 过程控制系统的数学模型
6.2.1 被控过程的数学模型
一个过程控制系统由被控过程和检查控制仪表两部分组成
1、建立被控过程数学模型的目的
（1）设计过程控制系统和整定调节器的参数
（2）指导生产工艺及其设备的设计
（3）对被控过程进行仿真研究
2、被控过程数学模型的类型
建立过程数学模型的方法
（1）解读法（2）实验辨识法（3）混合法
6.3.1 基本控制规律
控制规律，就是指控制器输出的变化量随输入偏差变化的规律。

位式控制
位式控制中最常用的双位控制。

当测量值大于给定值时，控制器输出为最大；当测量值小于给定值时，控制器的输出为最小。

控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，也称为开关控制。

PID 控制器
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。

PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。

2. 比例(P)控制器
比例控制器是一种最简单的控制器，其控制规律： 式中：
p(t)为调节器输出；Kp 为比例系数； e(t)为系统输出偏差。

由上式可以看出，控制器的输出与偏差成正比。

因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的控制作用，具有控制及时的特点。

比例环节对偏差是即时反映的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

3、比例积分（PI ）控制
所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。

积分方程为：
式中：Ti 是积分时间常数，它表示积分速度的大小，Ti 越大，积分速度越慢，积分作用越弱。

积分作用的响应特性曲线。

积分环节主要用来消除静差和提高控制精度。

消除静差的办法是在P 基础上加I ，构成PI 控制器，规律为
4. 比例积分微分(PID)控制
微分环节反映了偏差信号的变化趋势（变化速率），从而能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

在PID 控制器中， 比例环节控制当前，即时控制；
()()P p t K e t ∆=0()()()t P P i K p t K e t e t dt T ∆=+⎰
积分环节控制过去，累积控制。

微分环节控制未来，超前控制。