chap3控制網(wǎng)絡(luò)課件

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與應(yīng)用一、緒論二、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)三、實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)四、網(wǎng)絡(luò)與控制性能分析五、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法六、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)常規(guī)控制器的設(shè)計(jì)七、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)先進(jìn)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)八、網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)3/14/202313.1控制網(wǎng)絡(luò)的基本概念1、工業(yè)對(duì)象對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基本要求圖3.1RNA體系層次結(jié)構(gòu)圖3/14/20232信息學(xué)院自動(dòng)化所1、工業(yè)對(duì)象對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基本要求工業(yè)類型控制特點(diǎn)過(guò)程工業(yè)連續(xù)控制為主，算法復(fù)雜，速度慢，流程長(zhǎng)，對(duì)可靠性要求高，有分散化要求制造工業(yè)邏輯控制為主，算法簡(jiǎn)單，速度快，通常不必冗余，CPU不要求太分散混合工業(yè)采集為主也混合邏輯控制，回路控制，單機(jī)控制多，要求成本低表3.2各種工業(yè)控制的特點(diǎn)3/14/20233信息學(xué)院自動(dòng)化所3、控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)(1)系統(tǒng)的開放性。(2)互可操作性與互用性。(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。(4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。(5)一對(duì)Ｎ結(jié)構(gòu)。(6)可控狀態(tài)。(7)互換性。(8)綜合功能。(9)統(tǒng)一組態(tài)。3/14/20235信息學(xué)院自動(dòng)化所4、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(NetProtocol)是為進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。協(xié)議總是指某一層協(xié)議，準(zhǔn)確地說(shuō)，它是對(duì)同等實(shí)體之間的通信制定的有關(guān)通信規(guī)則約定的集合。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干個(gè)容易處理的子系統(tǒng)，然后“分而治之”。層次結(jié)構(gòu)的好處在于使每一層實(shí)現(xiàn)一種相對(duì)獨(dú)立的功能，分層結(jié)構(gòu)還有利于交流、理解和標(biāo)準(zhǔn)化。3/14/20236信息學(xué)院自動(dòng)化所5、控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)一般由OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三層模式體系結(jié)構(gòu)和通信媒質(zhì)構(gòu)成，如：CAN、DeviceNet。也有在此基礎(chǔ)上加數(shù)據(jù)傳輸層的四層模式體系結(jié)構(gòu)，如：profibus。LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)卻比較特殊，它采用全部OSI七層模式體系結(jié)構(gòu)。而ErherNet則采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層五層模式體系結(jié)構(gòu)。圖3.2三層控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3/14/20237信息學(xué)院自動(dòng)化所3.2介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò)2、同軸電纜圖3.5同軸電纜結(jié)構(gòu)3/14/20239信息學(xué)院自動(dòng)化所3.2介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò)3、微波圖3.6微波通信3/14/202310信息學(xué)院自動(dòng)化所3.2介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò)4、光纖圖3.8光纖和光纖剖面圖3/14/202311信息學(xué)院自動(dòng)化所3.2介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò)4、光纖圖3.10單模光纖和多模光纖3/14/202313信息學(xué)院自動(dòng)化所3.3物理層與控制網(wǎng)絡(luò)物理層定義了網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)碾姶艠?biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)流的編碼及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送時(shí)間原則，如分時(shí)復(fù)用及分頻復(fù)用等，同時(shí)也決定了網(wǎng)絡(luò)連接類型（端到端或多端連接）及物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，它構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。3/14/202314信息學(xué)院自動(dòng)化所1、EIARS232物理層協(xié)議

圖3.11單端線路連接示意圖單端線路驅(qū)動(dòng)器與接收器：3/14/202315信息學(xué)院自動(dòng)化所1、EIARS232物理層協(xié)議

表3.4RS-232引腳說(shuō)明符號(hào)9針引腳排列25針引腳排列數(shù)據(jù)流向說(shuō)明ECD18I載波檢測(cè)RXD23I數(shù)據(jù)接收TXD32O數(shù)據(jù)發(fā)送DTR420O數(shù)據(jù)終端就緒GND57信號(hào)地DSR66I數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好RTS74O請(qǐng)求發(fā)送CTS852I清除發(fā)送RI922I振鈴指示3/14/202317信息學(xué)院自動(dòng)化所1、EIARS232物理層協(xié)議

圖3.13RS-232C連接示意圖3/14/202318信息學(xué)院自動(dòng)化所1、EIARS232物理層協(xié)議

圖3.14RS-232C通信七線制示意圖圖3.15RS-232C通信三線制示意圖3/14/202319信息學(xué)院自動(dòng)化所2、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架圖3.17RS-485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖3/14/202321信息學(xué)院自動(dòng)化所2、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

RS-485網(wǎng)絡(luò)工作波形示意圖：圖3.18RS-485網(wǎng)絡(luò)工作理想波形圖3/14/202322信息學(xué)院自動(dòng)化所2、EIARS422/RS485物理層協(xié)議

RS-485網(wǎng)絡(luò)的電壓偏置：圖3.19具有偏置電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)3/14/202323信息學(xué)院自動(dòng)化所3、ISO11898物理層協(xié)議

(1)物理媒體協(xié)議（PLS）子層

(2)物理媒體連接（PMA）子層

3/14/202325信息學(xué)院自動(dòng)化所4、IEEE802.3物理層協(xié)議

10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-F傳輸媒體基帶同軸電纜基帶同軸電纜非屏蔽雙絞線寬帶同軸電纜850mm光纖對(duì)編碼技術(shù)曼切斯特碼曼切斯特碼曼切斯特碼差分PSK碼曼切斯特碼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線總線星型總線/星型星型最大段長(zhǎng)500m185m100m1800m500m每段節(jié)點(diǎn)10030----33表3.5IEEE802.3的10Mbps可選方案3/14/202326信息學(xué)院自動(dòng)化所3.4數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是為網(wǎng)絡(luò)層提供一條無(wú)差錯(cuò)的傳輸線路，通常采用反饋重糾錯(cuò)方式來(lái)糾正傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)。分成兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)和介質(zhì)控制MAC子層。圖3.26OSI參考模型與局域網(wǎng)協(xié)議層次3/14/202329信息學(xué)院自動(dòng)化所3.4數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò)圖3.27IEEE802.3MAC子層功能模塊及接口3/14/202330信息學(xué)院自動(dòng)化所1、IEEE802.3MAC子層協(xié)議

MAC子層規(guī)范格式：

圖3.28IEEE802.3的MAC幀格式3/14/202331信息學(xué)院自動(dòng)化所1、IEEE802.3MAC子層協(xié)議

總線監(jiān)聽算法：

非堅(jiān)持CSMA

堅(jiān)持CSMAP-堅(jiān)持CSMA3/14/202332信息學(xué)院自動(dòng)化所2、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子層協(xié)議

(1)IEEE802.5MAC子層協(xié)議

圖3.29令牌環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3/14/202333信息學(xué)院自動(dòng)化所2、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子層協(xié)議

1字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)幀始符（SD）訪問(wèn)控制（AC）幀末符（ED）（a）令牌幀格式1字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)2或6字節(jié)2或6字節(jié)無(wú)限制4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)幀始符（SD）訪問(wèn)控制（AC）幀控制（FC）目的地址源地址數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀末符（ED）幀狀態(tài)（FS）（b）數(shù)據(jù)幀格式圖3.30IEEE802.5的令牌幀與數(shù)據(jù)幀格式3/14/202334信息學(xué)院自動(dòng)化所2、IEEE802.4/IEEE802.5MAC子層協(xié)議

(2)IEEE802.4MAC子層協(xié)議

圖3.30令牌總線結(jié)構(gòu)3/14/202335信息學(xué)院自動(dòng)化所3、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.32CAN總線系統(tǒng)組成示意圖3/14/202336信息學(xué)院自動(dòng)化所3、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.33CAN的幀結(jié)構(gòu)3/14/202337信息學(xué)院自動(dòng)化所3、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.34CAN總線仲裁波形示意圖3/14/202338信息學(xué)院自動(dòng)化所3、ISO11898MAC子層協(xié)議

圖3.35CAN總線仲裁實(shí)際波形3/14/202339信息學(xué)院自動(dòng)化所4、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.36CC-LinkT型分支3/14/202340信息學(xué)院自動(dòng)化所4、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.37CC-Link傳輸幀的基本格式3/14/202341信息學(xué)院自動(dòng)化所4、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.38傳輸方式3/14/202342信息學(xué)院自動(dòng)化所4、CC-LINK

MAC子層協(xié)議

圖3.39CC-Link通信過(guò)程3/14/202343信息學(xué)院自動(dòng)化所5、802.11MAC子層協(xié)議

802.11的MAC和802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是在一個(gè)共享媒體之上支持多個(gè)用戶共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的可用性檢測(cè)。圖3.40接入點(diǎn)的漫游服務(wù)3/14/202344信息學(xué)院自動(dòng)化所3.5應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò)1、應(yīng)用層基本控制模式(1)源／目的地址通信模式

圖3.41通過(guò)路由器連接的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)3/14/202345信息學(xué)院自動(dòng)化所3.5應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò)1、應(yīng)用層基本控制模式(2)生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式

圖3.42生產(chǎn)者/消費(fèi)者和源/目的通信模式圖示3/14/202346信息學(xué)院自動(dòng)化所3.5應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò)2、CAN總線應(yīng)用層有界網(wǎng)絡(luò)解決方案

圖3.45CAN總線應(yīng)用層的令牌傳遞模式3/14/202347信息學(xué)院自動(dòng)化所3.6常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧1、DeviceNet協(xié)議棧

圖3.46協(xié)議層次模型描述圖圖3.47報(bào)文報(bào)文格式DeviceNet作為基于控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò)，為簡(jiǎn)單的底層工業(yè)裝置與高層控制設(shè)備如工控機(jī)、PLC之間架起連接的橋梁。3/14/202348信息學(xué)院自動(dòng)化所3.6常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧2、ControlNet協(xié)議棧

圖3.48ControlNet協(xié)議棧ControlNet具有高吞吐量、資源共享、組態(tài)和編程簡(jiǎn)單、傳輸介質(zhì)為同軸電纜和光纖、支持冗余介質(zhì)、體系結(jié)構(gòu)靈活和安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)。ControlNet主要用于PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，也可在邏輯控制或過(guò)程控制系統(tǒng)中用于連接串行、并行的I/O設(shè)備、人機(jī)界面等裝置。3/14/202349信息學(xué)院自動(dòng)化所3.6常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧3、CC-LINK協(xié)議棧

圖3.49CC-LINK的協(xié)議棧CC-Link具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）高速度大容量的數(shù)據(jù)傳送；（2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多點(diǎn)接入、T型分支