工业通信网络技术与应用复习(含作业版)

What？工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息,工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。也是工业控制内的局域网，是生产企业的底层网络；

Why？自动化系统“读”“算”“写”和“连”；

How? 协议体系：层次-设备-算法。

工业通信系统协议模型

现场总线一般都是作为工业局域网应用的，在常用的现场总线技术中，重要的是物理层、链路层和应用层，有时候还有用户层。

- 物理层：比特流的产生和处理，包括信号电平、编码方式、硬件接口和比特流同步问题；- 数据链路层：数据流产生即成帧方式，或数据流结构，检错重传机制，流量控制机制以及信道接入控制方式等等；

应用层：如何生成和使用数据；

用户层：功能块（设备）

工业自动控制网络通信技术需要考虑：

（1）传输及时性和系统实时性：比较制造化系统响应时间要求在0.01～0.5s，过程控制系统响应时间为0.5～2s。而信息网络响应时间是2～6s。显然，工业通信网络的实时性要求高。（2）高可靠性：环境恶劣下工业生产现场的通信网络必须适应环境，包括电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）、气候环境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，应有本质安全的性能。

（3）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题，强调互操作性，在ISO/OSI 参考模型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来保证开放性通信。（4）总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。（5）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工业现场传输多媒体信息增加，网络传输的带宽要求也在增加。

（6）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少。

（7）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传送。

正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如Profibus、Can、DeviceNet等）组成，而正在向高速网络发展。

为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。

通信系统：硬件（信道+结点/设备）；软件（通信协议）

1) 使数字数据能在模拟信道上传输

三种常用的调制技术：

幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying）

频移键控FSK （Frequency Shift Keying）

相移键控PSK （Phase Shift Keying）

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(ωt+φ)

S(t)的参量包括：幅度A、频率ω、初相位φ

调制就是要使A、ω或φ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

2)数字编码:NRZ\Manchester\差分Manchester

3）使模拟数据能在数字信道上传输

采样定理：

如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

要转换的模拟数据主要是电话语音信号

模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：

采样：按一定间隔对语音信号进行采样

量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上

编码：对每个舍入后的样本进行编码

编码后的信号称为PCM信号（脉码调制, Pulse Coded Modulation）。

数据传输的同步技术

目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：

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

工业通信系统的可靠性:可靠性要求：1）控制错误，和2）容错。

即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。

干扰的抑制

解决噪声干扰问题的硬件方法：

屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。

隔离：隔离是使电路相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变压器隔离。

滤波：用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。

接地：“地线”指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。

软件抗干扰技术

数字滤波：加一段数字滤波程序，有中位值法、平均值法和限幅滤波等；

软件冗余/软件陷阱

“看门狗”（watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。

“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。

第三章通信总线技术及应用

总线的性能指标主要有下面几条：

1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：在计算机总线中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33 MHz，则最大数据传输速率为: (32/8)×33=132 MB／s；

2）总线时钟：总线中各种信号的定时基准。；

3）总线宽度：总线中数据总线的数量，用Bit(位)表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分；

4）信号线数：总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线；

5）负载能力：总线中信号线带负载的能力。该能力强表明可接的总线板卡可多一些。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。微处理器常用串行总线：

通用异步接收器传输总线UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）

同步外设接口(SPI-Serial Peripheral Interface)、

内部集成电路(I2C-Inter-Integrated Circuit) 。

常用异步串行通讯接口标准

RS232C

RS232是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电子工业协会的推荐标准RS = recommended standard

标准规定了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间串行通信接口的物理(电平)、信号和机械连接标准

RS232C的电气标准：

3V~15V : 逻辑0

-3V~-15V: 逻辑1

50ft @ 9600bps

RS422 和RS485