工业通信网络技术与应用复习含作业版【参考】.doc

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 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