chap3_控制網(wǎng)絡(luò).ppt

1、2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,1,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),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,2,3.1 控制網(wǎng)絡(luò)的基本概念,1、工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求,圖3.1 RNA體系層次結(jié)構(gòu)圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,3,1、工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求,表3.2 各種工業(yè)控制的特點(diǎn),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,4,2、控制網(wǎng)絡(luò)的分類,隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)：延遲時間是隨機(jī)的， 如EtherNet

2、 有界網(wǎng)絡(luò)：延遲時間有確定的上界，如ConrolNet 常值網(wǎng)絡(luò)：時間延遲應(yīng)保持一定， 如DeviceNet,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時延特征，工業(yè)自動化系統(tǒng)中采用的控制網(wǎng)絡(luò)一般分為：,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,5,3、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) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。,(5) 一對結(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)。,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,6,4、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和層次結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Net Protocol)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

3、約定的集合。協(xié)議總是指某一層協(xié)議，準(zhǔn)確地說，它是對 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)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干個容易處理的子系統(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。,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,7,5、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。 Lon Works控制網(wǎng)絡(luò)卻比較特殊，它采用全部O

4、SI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),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,8,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),1、雙絞線,圖3.3 雙絞線模式,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,9,3.2 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),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,10,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),3、微波,圖3.6 微波通信,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,11,3.2 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,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,1

5、2,3.2 介質(zhì)層與控制網(wǎng)絡(luò),4、光纖,圖3.9 光纖的電信號傳輸過程,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,13,3.2 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,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,14,3.3 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)傳送時間原則，如分時復(fù)用及分頻復(fù)用等，同時也 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)。,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,15,1、EIA RS232物理層協(xié)議,圖3.11 單端線路連接示意圖,單端線路驅(qū)動器與接收器：,2020/

6、8/12,信息學(xué)院自動化所,16,1、EIA RS232物理層協(xié)議,圖3.12 RS-232C邏輯電平示意圖,a. 邏輯電平示意圖 b. 典型波形,邏輯電平及典型波形：,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,17,1、EIA RS232物理層協(xié)議,表3.4 RS-232引腳說明,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,18,1、EIA RS232物理層協(xié)議,圖3.13 RS-232C連接示意圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,19,1、EIA RS232物理層協(xié)議,圖3.14 RS-232C通信七線制示意圖 圖3.15 RS-232C通信三線制示意圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,

7、20,1、EIA RS232物理層協(xié)議,圖3.16 RS-232C單工通信連線示意圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,21,2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架,圖3.17 RS-485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,22,2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,RS-485網(wǎng)絡(luò)工作波形示意圖：,圖3.18 RS-485網(wǎng)絡(luò)工作理想波形圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,23,2、EIA RS422/ 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),2020/8/

8、12,信息學(xué)院自動化所,24,2、EIA RS422/ RS485物理層協(xié)議,RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配：,圖3.20 加終端匹配電阻RS-485節(jié)點(diǎn),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,25,3、ISO 11898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,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,26,4、IEEE802.3物理層協(xié)議,表3.5 IEEE802.3的10Mbps可選方案,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,27,4、IEEE802.3物理層協(xié)議,圖3.25 不同形式的位編碼,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,28,5、IEEE80

9、2.11物理層協(xié)議,802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，并在物理層上進(jìn)行了一些改動，加入了高速數(shù)字傳輸?shù)奶匦院瓦B接的穩(wěn)定性。,802.11bHigh Rate協(xié)議，用來對802.11協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個新的網(wǎng)絡(luò)吞吐速率。,利用802.11b，移動用戶能夠獲得同Ethernet一樣的性能、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、可用性。,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,29,3.4 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)層提供一條無差錯的傳輸線路， 通常采用反饋重糾錯方式來糾正傳輸中出現(xiàn)的差錯。,分成兩個子層：邏輯

10、鏈路控制LLC(Logical Link Control)和介質(zhì)控制MAC子層。,圖3.26 OSI參考模型與局域網(wǎng)協(xié)議層次,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,30,3.4 數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò),圖3.27 IEEE802.3MAC子層功能模塊及接口,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,31,1、IEEE802.3 MAC子層協(xié)議,MAC子層規(guī)范格式：,圖3.28 IEEE802.3的MAC幀格式,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,32,1、IEEE802.3 MAC子層協(xié)議,總線監(jiān)聽算法：,非堅(jiān)持CSMA 堅(jiān)持CSMA P-堅(jiān)持CSMA,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,33,

11、2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,(1) IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,圖3.29 令牌環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,34,2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,（a）令牌幀格式,（b）數(shù)據(jù)幀格式 圖3.30 IEEE 802.5的令牌幀與數(shù)據(jù)幀格式,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,35,2、IEEE802.4/IEEE802.5 MAC子層協(xié)議,(2) IEEE802.4 MAC子層協(xié)議,圖3.30 令牌總線結(jié)構(gòu),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,36,3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,圖3.32 CAN

12、總線系統(tǒng)組成示意圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,37,3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,圖3.33 CAN的幀結(jié)構(gòu),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,38,3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,圖3.34 CAN總線仲裁波形示意圖,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,39,3、ISO11898 MAC子層協(xié)議,圖3.35 CAN總線仲裁實(shí)際波形,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,40,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,圖3.36 CC-Link T型分支,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,41,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,圖3.37 CC-Link傳輸幀的

13、基本格式,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,42,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,圖3.38 傳輸方式,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,43,4、CC-LINK MAC子層協(xié)議,圖3.39 CC-Link通信過程,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,44,5、802.11 MAC子層協(xié)議,802.11的MAC和802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是在一個共享媒體之上支持 多個用戶共享資源，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。,圖3.40 接入點(diǎn)的漫游服務(wù),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,45,3.5 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

14、式,圖3.41 通過路由器連接的兩個網(wǎng)絡(luò),2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,46,3.5 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,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,47,3.5 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3.45 CAN總線應(yīng)用層的令牌傳遞模式,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,48,3.6 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 報文報文格式,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)，為簡單的底

15、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。,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,49,3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧,2、ControlNet 協(xié)議棧,圖3.48 ControlNet協(xié)議棧,ControlNet 具有高吞吐量、資源共享、組態(tài)和編程簡單、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。,2020/8/12,信息學(xué)院自動化所,50,3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧,3、CC-LINK 協(xié)議棧,圖3.49 CC-LINK的協(xié)議棧,CC-Link具有如下突出優(yōu)點(diǎn)： （1