第2章

控制網絡基礎現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它作為工業數據通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場級控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯系。由于現場總線屬于局域網的范疇，因此需要網絡與通信的知識作為基礎。本章首先講述了數據通信基礎，然后講述了現場控制網絡、網絡硬件、網絡互聯、網絡互聯設備和通信參考模型，最后講述了netX網絡控制器。2.1數據通信基礎2.1.1基本概念1．總線的基本術語（1）總線與總線段從廣義來說，總線就是傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規范的連接與操作方式。一組設備通過總線連在一起稱為“總線段”（BusSegment）?？梢酝ㄟ^總線段相互連接，把多個總線段連接成一個網絡系統。（2）總線主設備可在總線上發起信息傳輸的設備叫做“總線主設備”（BusMaster）。也就是說，主設備具備在總線上主動發起通信的能力，又稱命令者。（3）總線從設備不能在總線上主動發起通信，只能掛接在總線上，對總線信息進行接收查詢的設備稱為總線從設備（BusSlaver），也稱基本設備。在總線上可能有多個主設備，這些主設備都可主動發起信息傳輸。某一設備既可以是主設備，也可以是從設備，但不能同時既是主設備又是從設備。被總線主設備連上的從設備稱為“響應者”（Responder），它參與命令者發起的數據傳送。2.1.1基本概念（4）控制信號總線上的控制信號通常有三種類型。一類控制連在總線上的設備，讓它進行所規定的操作，如設備清零、初始化、啟動和停止等。另一類是用于改變總線操作的方式，如改變數據流的方向，選擇數據字段的寬度和字節等。還有一些控制信號表明地址和數據的含義，如對于地址，可用于指定某一地址空間，或表示出現了廣播操作；對于數據，可用于指定它能否轉譯成輔助地址或命令。（5）總線協議管理主、從設備使用總線的一套規則稱為“總線協議”（BusProtocol）。這是一套事先規定的、必須共同遵守的規約。2.1.1基本概念2．總線操作的基本內容（1）總線操作總線上命令者與響應者之間的連結→數據傳送→脫開這一操作序列稱為一次總線“交易”（Transaction），或者叫做一次總線操作?！懊撻_”（Disconnect）是指完成數據傳送操作以后，命令者斷開與響應者的連接。命令者可以在做完一次或多次總線操作后放棄總線占有權。（2）總線傳送一旦某一命令者與一個或多個響應者連接上以后，就可以開始數據的讀寫操作規程?！白x”（Read）數據操作是讀來自響應者的數據；“寫”（Write）數據操作是向響應者寫數據。讀寫數據都需要在命令者和響應者之間傳遞數據。為了提高數據傳送操作的速度，有些總線系統采用了塊傳送和管線方式，加快了長距離的數據傳送速度。（3）通信請求通信請求是由總線上某一設備向另一設備發出的請求信號，要求后者給予注意并進行某種服務。它們有可能要求傳送數據，也有可能要求完成某種動作。2.1.1基本概念（4）尋址尋址過程是命令者與一個或多個從設備建立起聯系的一種總線操作。通常有以下三種尋址方式。物理尋址：用于選擇某一總線段上某一特定位置的從設備作為響應者。由于大多數從設備都包含有多個寄存器，因此物理尋址常常有輔助尋址，以選擇響應者的特定寄存器或某一功能。邏輯尋址：用于指定存儲單元的某一個通用區，而并不顧及這些存儲單位在設備中的物理分布。某一設備監測到總線上的地址信號，看其是否與分配給它的邏輯地址相符，如果相符，它就成為響應者。物理尋址與邏輯尋址的區別在于前者是選擇與位置有關的設備，而后者是選擇與位置無關的設備。廣播尋址：廣播尋址用于選擇多個響應者。命令者把地址信息放在總線上，從設備將總線上的地址信息與其內部的有效地址進行比較，如果相符，則該從設備被“連上”（Connect）。能使多個從設備連上的地址稱為“廣播地址”（BroadcastAddresses）。命令者為了確保所選的全部從設備都能響應，系統需要有適應這種操作的定時機構。2.1.1基本概念（5）總線仲裁總線在傳送信息的操作過程中有可能會發生“沖突”（Contention）。為解決這種沖突，就需進行總線占有權的“仲裁”（Arbitration）。總線仲裁是用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備。（6）總線定時總線操作用“定時”（Timing）信號進行同步。定時信號用于指明總線上的數據和地址在什么時刻是有效的。大多數總線標準都規定命令者可置起“控制”（Control）信號，用來指定操作的類型，還規定響應者要回送“從設備狀態響應”（SlaveStatusResponse）信號。（7）出錯檢測在總線上傳送信息時會因噪聲和串擾而出錯，因此在高性能的總線中一般設有出錯碼產生和校驗機構，以實現傳送過程的出錯檢測。傳送地址時的奇偶出錯會使要連接的從設備連不上；傳送數據時如果有奇偶錯，通常是再發送一次。也有一些總線由于出錯率很低而不設檢錯機構。（8）容錯設備在總線上傳送信息出錯時，如何減少故障對系統的影響，提高系統的重配置能力是十分重要的。故障對分布式仲裁的影響就比菊花鏈式仲裁小。后者在設備出故障時，會直接影響它后面設備的工作?？偩€系統應能支持軟件利用一些新技術，如動態重新分配地址，把故障隔離開來，關閉或更換故障單元。2.1.2通信系統的組成通信系統是傳遞信息所需的一切技術設備的總和。它一般由信息源和信息接收者，發送、接收設備，傳輸媒介幾部分組成。單向數字通信系統的組成如圖2-1所示。圖2-1數字通信系統的組成2.1.3數據編碼計算機網絡系統的通信任務是傳送數據或數據化的信息。這些數據通常以離散的二進制0，1序列的方式表示。碼元是所傳輸數據的基本單位。在計算機網絡通信中所傳輸的大多為二元碼，它的每一位只能在1或0兩個狀態中取一個，這每一位就是一個碼元。數據編碼是指通信系統中以何種物理信號的形式來表達數據。分別用模擬信號的不同幅度、不同頻率、不同相位來表達數據的0，1狀態的，稱為模擬數據編碼。用高低電平的矩形脈沖信號來表達數據的0，1狀態的，稱為數字數據編碼。采用數字數據編碼，在基本不改變數據信號頻率的情況下，直接傳輸數據信號的傳輸方式，稱為基帶傳輸。基帶傳輸可以達到較高的數據傳輸速率，是目前廣泛應用的數據通信方式。1．單極性碼信號電平是單極性的，如邏輯1用高電平，邏輯0用零電平的信號表達方式，如圖2-2和圖2-3所示。圖2-2單極性非歸零碼圖2-3單極性歸零碼2.1.3數據編碼2．雙極性碼信號電平為正、負兩種極性的。如邏輯1用正電平，邏輯0用負電平的信號表達方式，如圖2-4和圖2-5所示。圖2-4雙極性非歸零碼圖2-5雙極性歸零碼3．歸零碼（RZ）在每一位二進制信息傳輸之后均返回到零電平的編碼。例如其邏輯1只在該碼元時間中的某段（如碼元時間的一半）維持高電平后就回復到低電平，如圖2-3和圖2-5所示。4．非歸零碼（NRZ）在整個碼元時間內維持有效電平，如圖2-2和圖2-4所示。2.1.3數據編碼5．差分碼用電平的變化與否來代表邏輯“1”和“0”，電平變化代表“1”，不變化代表“0”，按此規定的碼稱為信號差分碼。根據初始狀態為高電平或低電平，差分碼有兩種波形（相位恰好相反）。顯然，差分碼不可能是歸零碼，其波形如圖2-6所示。差分碼可以通過一個JK觸發器來實現。當計算機輸出為“1”時，JK端均為“1”，時鐘脈沖使觸發器翻轉；當計算機輸出為“0”時，JK端均為“0”，觸發器狀態不變，實現了差分碼。根據信息傳輸方式，還可分為平衡傳輸和非平衡傳輸。平均傳輸指無論“0”或“1”都是傳輸格式的一部分；而非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時刻沒有脈沖來表示。圖2-6差分碼2.1.3數據編碼6．曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）這是一種常用的基帶信號編碼。它具有內在的時鐘信息，因而能使網絡上的每一個系統保持同步。在曼徹斯特編碼中，時間被劃分為等間隔的小段，其中每小段代表一個比特。每一小段時間本身又分為兩半，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比特值的反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身?？梢娫谝粋€時間段內，其中間點總有一次信號電平的變化。因此攜帶有信號傳送的同步信息而不需另外傳送同步信號。曼徹斯特編碼過程與波形如圖2-7所示。圖2-7曼徹斯特編碼過程與波形7．模擬數據編碼模擬數據編碼采用模擬信號來表達數據的0，1狀態。幅度、頻率、相位是描述模擬信號的參數，可以通過改變這三個參數，實現模擬數據編碼。幅度鍵控ASK（Amplitude-ShiftKeying）、頻移鍵控FSK（Frequency-ShiftKeying）、相移鍵控PSK（Phase-ShiftKeying）是模擬數據編碼的三種編碼方法。2.1.5信號的傳輸模式1．基帶傳輸基帶傳輸就是在基本不改變數據信號頻率的情況下，在數字通信中直接傳送數據的基帶信號，即按數據波的原樣進行傳輸，不采用任何調制措施。它是目前廣泛應用的最基本的數據傳輸方式。目前大部分計算機局域網，包括控制局域網，都采用基帶傳輸方式。其特點如下：信號按數據位流的基本形式傳輸，整個系統不用調制解調器，這使得系統價格低廉。系統可采用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質，也可采用光纜作為傳輸介質。與寬帶網相比，基帶網的傳輸介質比較便宜，可以達到較高的數據傳輸速率（一般為1Mbit/s~10Mbit/s），但其傳輸距離一般不超過25km，傳輸距離加長，傳輸質量會降低?；鶐ЬW的線路工作方式一般只能為半雙工方式或單工方式。2．載波傳輸載波傳輸是先用數字信號對載波進行調制，然后進行傳輸的傳輸模式。最基本的調制方式有幅值鍵控（ASK），頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）3種。在載波傳輸中，發送設備首先要產生某個頻率的信號作為基波來承載信息信號，這個基波就稱為載波信號，基波頻率就稱為載波頻率；然后按幅值鍵控、頻移鍵控、相移鍵控等不同方式改變載波信號的幅值、頻率、相位，形成調制信號后發送。2.1.5信號的傳輸模式3．寬帶傳輸由于基帶網不適于傳輸語言、圖像等信息，隨著多媒體技術的發展，計算機網絡傳輸數據、文字、語音、圖像等多種信號的任務愈來愈重，因此提出了寬帶傳輸的要求。寬帶傳輸與基帶傳輸的主要區別：一是數據傳輸速率不同，基帶網的數據傳輸速率范圍為0~10Mbit/s，寬帶網可達0~400Mbit/s；二是寬帶網可劃分為多條基帶信道，能提供良好的通信路徑。一般寬帶局域網可與有線電視系統共建，以節省投資。4．異步轉移模式ATMATM（asynchronoustransfermode）是一種新的傳輸與交換數字信息的技術，也是實現高速網絡的主要技術，被規定為寬帶綜合業務數字網（B-ISDN）的傳輸模式。2.1.6局域網及其拓撲結構1．計算機網絡和網絡拓撲由于計算機的廣泛使用，為用戶提供了分散而有效的數據處理與計算能力。計算機和以計算機為基礎的智能設備一般除了處理本身業務之外，還要求與其他計算機彼此溝通信息，共享資源，協同工作，于是，出現了用通信線路將各計算機連接起來的計算機群，以實現資源共享和作業分布處理，這就是計算機網絡。Internet就是當今世界上最大的非集中式的計算機網絡的集合，是全球范圍成千上萬個網連接起來的互聯網，并已成為當代信息社會的重要基礎設施——信息高速公路。網絡拓撲結構、信號方式、訪問控制方式、傳輸介質是影響網絡性能的主要因素。網絡的拓撲結構是指網絡中節點的互連形式。2．星形拓撲在星形拓撲中，每個站通過點-點連接到中央節點，任何兩站之間通信都通過中央節點進行。一個站要傳送數據，首先向中央節點發出請求，要求與目的站建立連接。連接建立后，該站才向目的站發送數據。這種拓撲采用集中式通信控制策略，所有通信均由中央節點控制，中央節點必須建立和維持許多并行數據通路，因此中央節點的結構顯得非常復雜，而每個站的通信處理負擔很小，只需滿足點-點鏈路簡單通信要求，結構很簡單。星形拓撲結構如圖2-10所示。2.1.6局域網及其拓撲結構3．環形拓撲在環形拓撲中，網絡中有許多中繼器進行點-點鏈路連接，構成一個封閉的環路。中繼器接收前站發來的數據，然后按原來速度一位一位地從另一條鏈路發送出去。鏈路是單向的，數據沿一個方向（順時針或逆時針）在網上環行。每個工作站通過中繼器再連至網絡。一個站發送數據，按分組進行，數據拆成分組加上控制信息插入環上，通過其他中繼器到達目的站。由于多個工作站要共享環路，需有某種訪問控制方式，確定每個站何時能向環上插入分組。它們一般采用分布控制，每個站有存取邏輯和收發控制。環形拓撲結構如圖2-11所示。圖2-10星形拓撲結構圖2-11環形拓撲結構2.1.6局域網及其拓撲結構4．總線形拓撲在總線形拓撲中，傳輸介質是一條總線，工作站通過相應硬件接口接至總線上，一個站發送數據，所有其他站都能接收。樹形拓撲是總線拓撲的擴展形式，傳輸介質是不封閉的分支電纜。它和總線拓撲一樣，一個站發送數據，其他都能接收。因此，總線和樹形拓撲的傳輸介質稱作多點式或廣播式。5．樹形拓撲樹形拓撲的適應性很強，可適用于很寬范圍，如對網絡設備的數量、數據率和數據類型等沒有太多限制，可達到很高的帶寬。樹形結構在單個局域網系統中采用不多，如果把多個總線形或星形網連在一起，或連到另一個大型機或一個環形網上，就形成了樹形拓撲結構，這在實際應用環境中是非常需要的。樹形結構非常適合于分主次、分等級的層次型管理系統。2.1.6局域網及其拓撲結構4．總線形拓撲5．樹形拓撲總線形拓撲結構如圖2-12所示。圖2-12總線形拓撲結構樹形拓撲結構如圖2-13所示。圖2-13樹形拓撲結構2.1.7網絡傳輸介質傳輸介質是網絡中連接收發雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。網絡中常用的傳輸介質有電話線、同軸電纜、雙絞線、光纜、無線與衛星通信。傳輸介質的特性對網絡中數據通信質量影響很大，主要特性如下。物理特性：傳輸介質物理結構的描述；傳輸特性：傳輸介質允許傳送數字或模擬信號以及調制技術、傳輸容量、傳輸的頻率范圍；連通特性：允許點-點或多點連接；地理范圍：傳輸介質最大傳輸距離；抗干擾性：傳輸介質防止噪聲與電磁干擾對傳輸數據影響的能力。2.1.7網絡傳輸介質1．雙絞線的主要特性無論對于模擬數據還是對于數字數據，雙絞線都是最通用的傳輸介質。電話線路就是一種雙絞線。（1）物理特性雙絞線由按規則螺旋結構排列的兩根或四根絕緣線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是使各線對之間的電磁干擾最小。（2）傳輸特性雙絞線最普遍的應用是語音信號的模擬傳輸。在一條雙絞線上使用頻分多路復用技術可以進行多個音頻通道的多路復用。如每個通道占用4kHz帶寬，并在相鄰通道之間保留適當的隔離頻帶，雙絞線使用的帶寬可達268kHz，可以復用24條音頻通道的傳輸。使用雙絞線或調制解調器傳輸模擬數據信號時，數據傳輸速率可達9600bit/s，24條音頻通道總的數據傳輸速率可達230kbit/s。（3）連通性雙絞線可以用于點-點連接，也可用于多點連接。（4）地理范圍雙絞線用作遠程中繼線時，最大距離可達15km；用于10Mbit/s局域網時，與集線器的距離最大為100m。（5）抗干擾性雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當的屏蔽。在低頻傳輸時，其抗干擾能力相當于同軸電纜。在10~100kHz時，其抗干擾能力低于同軸電纜。2.1.7網絡傳輸介質2．同軸電纜的主要特性同軸電纜是網絡中應用十分廣泛的傳輸介質之一。（1）物理特性它由內導體、外屏蔽層、絕緣層及外部保護層組成。同軸介質的特性參數由內、外導體及絕緣層的電參數和機械尺寸決定。（2）傳輸特性根據同軸電纜通頻帶，同軸電纜可以分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩類?；鶐S電纜一般僅用于數字數據信號傳輸。寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復用方法，將一條寬帶同軸電纜的頻帶劃分成多條通信信道，使用各種調制方案，支持多路傳輸。寬帶同軸電纜也可以只用于一條通信信道的高速數字通信，此時稱之為單通道寬帶。（3）連通性同軸電纜支持點-點連接，也支持多點連接。寬帶同軸電纜可支持數千臺設備的連接；基帶同軸電纜可支持數百臺設備的連接。（4）地理范圍基帶同軸電纜最大距離限制在幾km范圍內，而寬帶同軸電纜最大距離可達幾十km。（5）抗干擾性同軸電纜的結構使得它的抗干擾能力較強。2.1.7網絡傳輸介質3．光纜的主要特性光纜是網絡傳輸介質中性能最好、應用最廣泛的一種。（1）物理特性光纖是一種直徑為50~100μm的柔軟、能傳導光波的介質，各種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層包裹起來，就可以構成一條光纖通道，多條光纖組成一束就構成光纖電纜。（2）傳輸特性光纖通過內部的全反射來傳輸一束經過編碼的光信號。由于光纖的折射系數高于外部包層的折射系數，因此可以形成光波在光纖與包層界面上的全反射。光纖可以看作頻率從1014~1015Hz的光波導線，這一范圍覆蓋了可見光譜與部分紅外光譜。以小角度進入的光波沿光纖按全反射方式向前傳播。光纖傳輸分為單模與多模兩類。所謂單模光纖是指光纖的光信號僅與光纖軸成單個可分辨角度的單光纖傳輸。而多模光纖的光信號與光纖軸成多個可分辨角度的多光纖傳輸。單模光纖性能優于多模光纖。2.1.7網絡傳輸介質3．光纜的主要特性光纜是網絡傳輸介質中性能最好、應用最廣泛的一種。（3）連通性光纖最普遍的連接方法是點-點方式，在某些實驗系統中也可采用多點連接方式。（4）地理范圍光纖信號衰減極小，它可以在6~8km距離內不使用中繼器，實現高速率數據傳輸。（5）抗干擾性光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長距離、高速度傳輸中保持低誤碼率。雙絞線典型的誤碼率在10-5~10-6之間，基帶同軸電纜為10-7，寬帶同軸電纜為10-9，而光纖誤碼率可以低于10-10。光纖傳輸的安全性與保密性極好。2.1.8介質訪問控制方式1．CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）這種控制方式對任何工作站都沒有預約發送時間。工作站的發送是隨機的，必須在網絡上爭用傳輸介質，故稱之為爭用技術。若同一時刻有多個工作站向傳輸線路發送信息，則這些信息會在傳輸線上相互混淆而遭破壞，稱為“沖突”。為盡量避免由于競爭引起的沖突，每個工作站在發送信息之前，都要監聽傳輸線上是否有信息在發送，這就是“載波監聽”。載波監聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站要發送，首先需監聽總線，以決定介質上是否存在其他站的發送信號。如果介質是空閑的，則可以發送。如果介質是忙的，則等待一定間隔后重試。當監聽總線狀態后，可采用以下三種CSMA堅持退避算法：第一種為不堅持CSMA。假如介質是空閑的，則發送。假如介質是忙的，則等待一段隨機時間，重復第一步。第二種為1—堅持CSMA。假如介質是空閑的，則發送。假如介質是忙的，繼續監聽，直到介質空閑，立即發送。假如沖突發生，則等待一段隨機時間，重復第一步。第三種為P—堅持CSMA。假如介質是空閑的，則以P的概率發送，或以（1－P）的概率延遲一個時間單位后重復處理，該時間單位等于最大的傳輸延遲。假如介質是忙的，繼續監聽，直到介質空閑，重復第一步。2.1.8介質訪問控制方式1．CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）由于傳輸線上不可避免的有傳輸延遲，有可能多個站同時監聽到線上空閑并開始發送，從而導致沖突。故每個工作站發送信息之后，還要繼續監聽線路，判定是否有其他站正與本站同時向傳輸線發送。一旦發現，便中止當前發送，這就是“沖突檢測”。載波監聽多路訪問/沖突檢測的協議，簡寫為CSMA/CD，已廣泛應用于局域網中。每個站在發送幀期間，同時有檢測沖突的能力，即所謂邊講邊聽。一旦檢測到沖突，就立即停止發送，并向總線上發一串阻塞信號，通知總線上各站沖突已發生，這樣，通道的容量不致因白白傳送已損壞的幀而浪費。2.1.8介質訪問控制方式2．令牌（標記）訪問控制方式CSMA的訪問存在發報沖突問題，產生沖突的原因是由于各站點發報是隨機的。為了解決沖突問題，可采用有控制的發報方式，令牌方式是一種按一定順序在各站點傳遞令牌（Token）的方法。誰得到令牌，誰才有發報權。令牌訪問原理可用于環形網絡，構成令牌環形網；也可用于總線網，構成令牌總線網絡。（1）令牌環（Token-Ring）方式令牌環是環形結構局域網采用的一種訪問控制方式。由于在環形結構網絡上，某一瞬間可以允許發送報文的站點只有一個，令牌在網絡環路上不斷地傳送，只有擁有此令牌的站點，才有權向環路上發送報文，而其他站點僅允許接收報文。站點在發送完畢后，便將令牌交給網上下一個站點，如果該站點沒有報文需要發送，便把令牌順次傳給下一個站點。因此，表示發送權的令牌在環形信道上不斷循環。環上每個相應站點都可獲得發報權，而任何時刻只會有一個站點利用環路傳送報文，因而在環路上保證不會發生訪問沖突。（2）令牌傳遞總線（Token-PassingBus）方式這種方式和CSMA/CD方式一樣，采用總線網絡拓撲，但不同的是在網上各工作站按一定順序形成一個邏輯環。每個工作站在環中均有一個指定的邏輯位置，末站的后站就是首站，即首尾相連。每站都了解先行站（PS）和后繼站（NS）的地址，總線上各站的物理位置與邏輯位置無關。2.1.9CRC校驗1．CRC校驗的工作原理CRC校驗方法是將要發送的數據比特序列當作一個多項式的系數，在發送方用收發雙方預先約定的生成多項式去除，求得一個余數多項式。將余數多項式加到數據多項式之后發送到接收端。接收端用同樣的生成多項式去除接收數據多項式，得到計算余數多項式。如果計算余數多項式與接收余數多項式相同，則表示傳輸無差錯；如果計算余數多項式不等于接收余數多項式，則表示傳輸有差錯，由發送方重發數據，直至正確為止。CRC碼檢錯能力強，實現容易，是目前應用最廣泛的校驗方法之一，CRC校驗基本工作原理如圖2-14所示。圖2-14CRC校驗基本工作原理2.1.9CRC校驗2．CRC校驗的工作過程

2.1.9CRC校驗3．CRC生成多項式CRC生成多項式由協議規定，列入國際標準的生成多項式有生成多項式的結構及檢錯效果是經過嚴格的數學分析與實驗后確定的。4．CRC校驗實例

CRC-12CRC-16CRC-CCITTCRC-322.2現場控制網絡現場總線又稱現場控制網絡，它屬于一種特殊類型的計算機網絡，是用于完成自動化任務的網絡系統。從現場控制網絡節點的設備類型、傳輸信息的種類、網絡所執行的任務、網絡所處的工作環境等方面，現場控制網絡都有別于由普通PC機或其他計算機構成的數據網絡。這些測控設備的智能節點可能分布在工廠的生產裝置、裝配流水線、發電廠、變電站、智能交通、樓宇自控、環境監測、智能家居等地區或領域。2.2.1現場控制網絡的節點作為普通計算機網絡節點的PC機或其他種類的計算機、工作站，當然也可以成為現場控制網絡的一員。現場控制網絡的節點大都是具有計算與通信能力的測量控制設備。它們可能具有嵌入式CPU，但功能比較單一，其計算或其他能力也許遠不及普通PC機，也沒有鍵盤、顯示等人機交互接口，甚至不帶有CPU、單片機，只帶有簡單的通信接口。具有通信能力的以下現場設備都可以成為現場控制網絡的節點一員：限位開關、感應開關等各類開關；條形碼閱讀器；光電傳感器；溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器；可編程邏輯控制器PLC；PID等數字控制器；各種數據采集裝置；作為監視操作設備的監控計算機、工作站及其外設；各種調節閥；馬達控制設備；變頻器；機器人；作為現場控制網絡連接設備的中繼器、網橋、網關等。2.2.1現場控制網絡的節點受制造成本和傳統因素的影響，作為現場控制網絡節點的上述現場設備，其計算能力等方面一般比不上普通計算機。把這些單個分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節點，連接成如圖2-14所示的網絡系統，使它們之間可以相互溝通信息，由它們共同完成自控任務，這就是現場控制網絡。圖2-14現場控制網絡節點示意圖2.2.2現場控制網絡的任務現場控制網絡以具有通信能力的傳感器、執行器、測控儀表為網絡節點，并將其連接成開放式、數字化，實現多節點通信，完成測量控制任務的網絡系統?，F場控制網絡要將現場運行的各種信息傳送到遠離現場的控制室，在把生產現場設備的運行參數、狀態以及故障信息等送往控制室的同時，又將各種控制、維護、組態命令等送往位于現場的測量控制現場設備中，起著現場級控制設備之間數據聯系與溝通的作用。同時現場控制網絡還要在與操作終端、上層管理網絡的數據連接和信息共享中發揮作用。近年來，隨著互聯網技術的發展，已經開始對現場設備提出了參數的網絡瀏覽和遠程監控的要求。在有些應用場合，需要借助網絡傳輸介質為現場設備提供工作電源。2.2.3現場控制網絡的實時性計算機網絡普遍采用以太網技術，采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問的媒體訪問控制方式。一條總線上掛接多個節點，采用平等競爭的方式爭用總線。節點要求發送數據時，先監聽總線是否空閑，如果空閑就發送數據；如果總線忙就只能以某種方式繼續監聽，等總線空閑后再發送數據。即使如此也還會有幾個節點同時發送而發生沖突的可能性，因而稱之為非確定性（nondeterministic）網絡。計算機網絡傳輸的文件、數據在時間上沒有嚴格的要求，一次連接失敗之后還可繼續要求連接。因此，這種非確定性不致于造成后果?？梢哉f，現場控制網絡不同于普通數據網絡的最大特點在于，它必須滿足對現場控制的實時性要求。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。這種對動作時間有實時要求的系統稱為實時系統。實時系統的運行不僅要求系統動作在邏輯上的正確性，同時要求滿足時限性。實時系統又可分為硬實時和軟實時兩類。硬實時系統要求實時任務必須在規定的時限完成，否則會產生嚴重的后果；而軟實時系統中的實時任務在超過了截止期后的一定時限內，系統仍可以執行處理。2.3網絡硬件2.3.1網絡傳輸技術1．廣播式網絡廣播式網絡（broadcastnetwork）僅有一條通信信道，由網絡上的所有機器共享。短的消息，即按某種語法組織的分組或包（packet），可以被任何機器發送并被其他所有的機器接收。分組的地址字段指明此分組應被哪臺機器接收。一旦收到分組，各機器將檢查它的地址字段。如果是發送給它的，則處理該分組，否則將它丟棄。2．點到點網絡點到點網絡（point-to-pointnetwork）由一對對機器之間的多條連接構成。為了能從源到達目的地，這種網絡上的分組可能必須通過一臺或多臺中間機器。通常是多條路徑，并且可能長度不一樣，因此在點到點網絡中路由算法十分重要。一般來講（當然也有例外），小的、地理上處于本地的網絡采用廣播方式，而大的網絡則采用點到點方式。2.3.2局域網局域網（localareanetwork），簡稱LAN，是處于同一建筑、同一大學或方圓幾公里遠地域內的專用網絡。局域網常被用于連接公司辦公室或工廠里的個人計算機和工作站，以便共享資源（如打印機）和交換信息。LAN有和其他網絡不同的三個特征：范圍、傳輸技術和拓撲結構。LAN的覆蓋范圍比較小，這意味著即使是在最壞情況下其傳輸時間也是有限的，并且可以預先知道傳輸時間。知道了傳輸的最大時間，就可以使用某些設計方法，而在其他情況下是不能這樣做的。這同樣也簡化了網絡的管理。LAN通常使用這樣一種傳輸技術，即用一條電纜連接所有的機器。這有點像電話公司曾經在鄉村使用的公用線。傳統的LAN速度為10Mbit/s~100Mbit/s，傳輸延遲低（幾十個毫秒），并且出錯率低。新的LAN運行速度更高，可達到每秒數百兆位。廣播式LAN可以有多種拓撲結構，圖2-17給出了其中的兩種。a)總線形b)環形圖2-17兩種廣播式網絡2.3.3城域網城域網（metropolitanareanetwork），或者稱MAN，基本上是一種大型的LAN，通常使用與LAN相似的技術。它可能覆蓋一組鄰近的公司辦公室和一個城市，既可能是私有的也可能是公用的。MAN可以支持數據和聲音，并且可能涉及到當地的有線電視網。MAN僅使用一條或兩條電纜，并且不包含交換單元，即把分組分流到幾條可能的引出電纜的設備。這樣做可以簡化設計。2.3.4廣域網廣域網（wideareanetwork），或者稱WAN，是一種跨越大的地域的網絡，通常包含一個國家或州。它包含想要運行用戶（即應用）程序的機器的集合。2.3.5無線網移動計算機，例如筆記本計算機和個人數字助理PDA（personaldigitalassistant），是計算機工業增長最快的一部分。許多擁有這種計算機的人在他們的辦公室里都有連接到LAN上的桌面計算機，并且希望當他們不在辦公室或在路途中時，仍然能連接到自己的大本營。顯然在汽車或飛機中不可能使用有線連接，這時，無線網絡可滿足用戶的需要。實際上，數據無線通信并不是什么新的思想。早在1901年，意大利物理學家GuglielmoMarconi就演示了使用Morse（莫爾斯）電碼從輪船上向海岸發送無線電報（莫爾斯電碼用點和劃表示字母，實際上它也是二進制）。現代數字無線系統的性能更好，但是基本思路是一樣的。無線網絡有很多用處。較常見的一種是移動式辦公室。旅途中的人通常希望使用他們的便攜式電子設備來發送和接收電話、傳真和電子郵件，閱讀遠程文件，登錄到遠程計算機上等，并且不論是在陸地、海上和天空中都可以工作。無線網絡對于卡車、出租車、公共汽車和維修人員與基地保持聯系極其有用。2.3.6互聯網世界上有許多網絡，而且常常使用不同的硬件和軟件。在一個網絡上的用戶經常需要和另一個網絡上的用戶通信。這就需要連接不同的、而且往往是不兼容的網絡。有時候使用被稱作網關（gateway）的機器來完成連接，并提供硬件和軟件的轉換?；ヂ摰木W絡集合就稱為互聯網（internetwork或internet）。常見的互聯網是通過WAN連接起來的LAN集合。2.4網絡互聯2.4.1基本概念網絡互聯是將分布在不同地理位置的網絡、網絡設備連接起來，構成更大規模的網絡系統，以實現網絡的數據資源共享。相互連接的網絡可以是同種類型的網絡，也可以是運行不同網絡協議的異型系統。網絡互聯是計算機網絡和通信技術迅速發展的結果，也是網絡系統應用范圍不斷擴大的自然要求。網絡互聯要求不改變原有子網內的網絡協議、通信速率、硬件和軟件配置等，通過網絡互聯技術使原先不能相互通信和共享資源的網絡間有條件實現相互通信和信息共享。此外還要求將因連接對原有網絡的影響減至最小。2.4.2網絡互聯規范網絡互聯必須遵循一定的規范，隨著計算機和計算機網絡的發展，以及應用對局域網絡互連的需求，IEEE于1980年2月成立了局域網標準委員會（IEEE802委員會），建立了802課題，制定了開放式系統互聯（OSI）模型的物理層、數據鏈路層的局域網標準。已經發布了IEEE802.1~IEEE802.11標準，其主要文件所涉及的內容如圖2-18所示。其中IEEE802.1~IEEE802.6已經成為國際標準化組織（ISO）的國際標準ISO8802-1~ISO8802-6。圖2-18IEEE802標準的內容2.4.3網絡互聯操作系統局域網操作系統是實現計算機與網絡連接的重要軟件。局域網操作系統通過網卡驅動程序與網卡通信實現介質訪問控制和物理層協議。對不同傳輸介質、不同拓撲結構、不同介質訪問控制協議的異型網，要求計算機操作系統能很好地解決異型網絡互聯的問題。Netware，WindowsNTServer，LANManager都是局域網操作系統的范例。2.4.4現場控制網絡互聯現場控制網絡通過網絡互聯實現不同網段之間的網絡連接與數據交換，包括在不同傳輸介質、不同速率、不同通信協議的網絡之間實現互聯?，F場控制網絡的相關規范對一條總線段上容許掛接的自控設備節點數有嚴格的限制。一般同種總線的網段采用中繼器或網橋實現連接與擴展。例如CAN，PROFIBUS等都擁有高速和低速網段。其高速網段與低速網段之間采用網橋連接。2.5網絡互聯設備網絡互聯從通信參考模型的角度可分為幾個層次：在物理層使用中繼器（repeater），通過復制位信號延伸網段長度；在數據鏈路層使用網橋（bridge），在局域網之間存儲或轉發數據幀；在網絡層使用路由器（router）在不同網絡間存儲轉發分組信號；在傳輸層及傳輸層以上，使用網關（gateway）進行協議轉換，提供更高層次的接口。因此中繼器、網橋、路由器和網關是不同層次的網絡互聯設備。2.5.1中繼器中繼器（repeater）又稱重發器。由于網絡節點間存在一定的傳輸距離，網絡中攜帶信息的信號在通過一個固定長度的距離后，會因衰減或噪聲干擾而影響數據的完整性，影響接收節點正確的接收和辨認，因而經常需要運用中繼器。中繼器接受一個線路中的報文信號，將其進行整形放大、重新復制，并將新生成的復制信號轉發至下一網段或轉發到其他介質段。這個新生成的信號將具有良好的波形。中繼器一般用于方波信號的傳輸。有電信號中繼器和光信號中繼器。它們對所通過的數據不作處理，主要作用在于延長電纜和光纜的傳輸距離。中繼器僅在網絡的物理層起作用，它不以任何方式改變網絡的功能。中繼器不同于放大器，放大器從輸入端讀入舊信號，然后輸出一個形狀相同、放大的新信號。中繼器放置在傳輸線路上的位置是很重要的。中繼器使得網絡可以跨越一個較大的距離。在中繼器的兩端，其數據速率、協議（數據鏈路層）和地址空間都相同。2.5.2網橋網橋是存儲轉發設備，用來連接同一類型的局域網。網橋將數據幀送到數據鏈路層進行差錯校驗，再送到物理層，通過物理傳輸介質送到另一個子網或網段。它具有尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應的目的站點。網橋能夠互聯兩個采用不同數據鏈路層協議、不同傳輸速率、不同傳輸介質的網絡。它要求兩個互聯網絡在數據鏈路層以上采用相同或兼容的協議。網橋同時作用在物理層和數據鏈路層。它們用于網段之間的連接，也可以在兩個相同類型的網段之間進行幀中繼。網橋可以訪問所有連接節點的物理地址。有選擇性地過濾通過它的報文。當在一個網段中生成的報文要傳到另外一個網段中時，網橋開始蘇醒，轉發信號；而當一個報文在本身的網段中傳輸時，網橋處于睡眠狀態。網橋與中繼器的區別在于：網橋具有使不同網段之間的通信相互隔離的邏輯，或者說網橋是一種聰明的中繼器。它只對包含預期接收者網段的信號包進行中繼。這樣，網橋起到了過濾信號包的作用，利用它可以控制網絡擁塞，同時隔離出現了問題的鏈路。但網橋在任何情況下都不修改包的結構或包的內容，因此只可以將網橋應用在使用相同協議的網段之間。為了在網段之間進行傳輸選擇，網橋需要一個包含與它連接的所有節點地址的查找表，這個表指出各個節點屬于哪個段。這個表是如何生成的以及有多少個段連接到一個網橋上決定了網橋的類型和費用。2.5.3網關網關又被稱為網間協議變換器，用以實現不同通信協議的網絡之間、包括使用不同網絡操作系統的網絡之間的互聯。由于它在技術上與它所連接的兩個網絡的具體協議有關，因而用于不同網絡間轉換連接的網關是不相同的。網關需要完成報文的接收、翻譯與發送。它使用兩個微處理器和兩套各自獨立的芯片組。每個微處理器都知道自己本地的總線語言，在兩個微處理器之間設置一個基本的翻譯器。I/O數據通過微處理器，在網段之間來回傳遞數據。在工業數據通信中網關最顯著的應用就是把一個現場設備的信號送往另一類不同協議或更高一層的網絡。例如把ASI網段的數據通過網關送往PROFIBUS-DP網段。2.5.4路由器路由器工作在物理層、數據鏈路層和網絡層。它比中繼器和網橋更加復雜。在路由器所包含的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。報文傳送的目的地網絡和目的地址一般存在于報文的某個位置。當報文進入時，路由器讀取報文中的目的地址，然后把這個報文轉發到對應的網段中。它會取消沒有目的地的報文傳輸，對存在多個子網絡或網段的網絡系統，路由器是很重要的部分。路由器可以在多個互聯設備之間中繼數據包。它們對來自某個網絡的數據包確定路線，發送到互聯網絡中任何可能的目的網絡中。路由器是在具有獨立地址空間、數據速率和介質的網段間存儲轉發信號的設備。路由器連接的所有網段，其協議是保持一致的。2.6通信參考模型2.6.1OSI參考模型為了實現不同廠家生產的設備之間的互聯操作與數據交換，國際標準化組織ISO/TC97于1978年建立了“開放系統互聯”分技術委員會，起草了開放系統互聯參考模型OSI（opensysteminterconnection）的建議草案，并于1983年成為正式的國際標準ISO7498，1986年又對該標準進行了進一步的完善和補充，形成了為實現開放系統互聯所建立的分層模型，簡稱OSI參考模型。這是為異種計算機互聯提供的一個共同基礎和標準框架，并為保持相關標準的一致性和兼容性提供了共同的參考?！伴_放”并不是指對特定系統實現具體的互聯技術或手段，而是對標準的認同。一個系統是開放系統，是指它可以與世界上任一遵守相同標準的其他系統互聯通信。OSI參考模型把開放系統的通信功能劃分為7個層次。從連接物理介質的層次開始，分別賦予1，2，…，7層的順序編號，相應地稱之為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。OSI參考模型如圖2-19所示。圖2-19OSI參考模型2.6.1OSI參考模型OSI模型有7層，其分層原則如下：根據不同層次的抽象分層；每層應當實現一個定義明確的功能；每層功能的選擇應該有助于制定網絡協議的國際標準；各層邊界的選擇應盡量減少跨過接口的通信量；層次應足夠多，以避免不同的功能混雜在同一層中，但也不能太多，否則體系結構會過于龐大。1．物理層物理層（physicallayer）涉及到通信在信道上傳輸的原始比特流。設計上必須保證一方發出二進制“1”時，另一方收到的也是“1”而不是“0”。這里的典型問題是用多少伏特電壓表示“1”，多少伏特電壓表示“0”；一個比特持續多少微秒；傳輸是否在兩個方向上同時進行；最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；網絡接插件有多少針以及各針的用途。這里的設計主要是處理機械的、電氣的和過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質等問題。2.6.1OSI參考模型2．數據鏈路層數據鏈路層（datalinklayer）的主要任務是加強物理層傳輸原始比特的功能，使之對網絡層顯現為一條無錯線路。發送方把輸入數據分裝在數據幀（dataframe）里（典型的幀為幾百字節或幾千字節），按順序傳送各幀，并處理接收方回送的確認幀（acknowledgementframe）。因為物理層僅僅接收和傳送比特流，并不關心它的意義和結構，所以只能依賴各鏈路層來產生和識別幀邊界?？梢酝ㄟ^在幀的前面和后面附加上特殊的二進制編碼模式來達到這一目的。如果這些二進制編碼偶然在數據中出現，則必須采取特殊措施以避免混淆。3．網絡層網絡層（networklayer）關系到子網的運行控制，其中一個關鍵問題是確定分組從源端到目的端如何選擇路由。路由既可以選用網絡中固定的靜態路由表，幾乎保持不變，也可以在每一次會話開始時決定（例如通過終端對話決定），還可以根據當前網絡的負載狀況，高度靈活地為每一個分組決定路由。2.6.1OSI參考模型4．傳輸層傳輸層（transportlayer）的基本功能是從會話層接收數據，并且在必要時把它分成較小的單元，傳遞給網絡層，并確保到達對方的各段信息正確無誤，而且，這些任務都必須高效率地完成。從某種意義上講，傳輸層使會話層不受硬件技術變化的影響。5．會話層會話層（sessionlayer）允許不同機器上的用戶建立會話（session）關系。會話層允許進行類似傳輸層的普通數據的傳輸，并提供了對某些應用有用的增強服務會話，也可被用于遠程登錄到分時系統或在兩臺機器間傳遞文件。會話層服務之一是管理對話。會話層允許信息同時雙向傳輸，或任一時刻只能單向傳輸。若屬于后者，則類似于單線鐵路，會話層將記錄此時該輪到哪一方了。2.6.1OSI參考模型6．表示層表示層（presentationlayer）完成某些特定的功能，由于這些功能常被請求，因此人們希望找到通用的解決辦法，而不是讓每個用戶來實現。值得一提的是，表示層以下的各層只關心可靠地傳輸比特流，而表示層關心的是所傳輸的信息的語法和語義。7．應用層應用層（applicationlayer）包含大量人們普遍需要的協議。例如，世界上有成百種不兼容的終端型號。如果希望一個全屏幕編輯程序能工作在網絡中許多不同的終端類型上，每個終端都有不同的屏幕格式、插入和刪除文本的換碼序列、光標移動等，其困難可想而知。2.6.2TCP/IP參考模型現在我們從OSI參考模型轉向計算機網絡的祖父ARPANET和其后繼的因特網使用的參考模型。ARPANET是由美國國防部DoD（U.S.DepartmentofDefense）贊助的研究網絡。逐漸地，它通過租用的電話線連接了數百所大學和政府部門。當衛星和無線網絡出現以后，現有的協議在和它們互聯時出現了問題，所以需要一種新的參考體系結構，因此能無縫隙地連接多個網絡的能力是從一開始就確定的主要設計目標。這個體系結構在它的兩個主要協議出現以后，被稱為TCP/IP參考模型（TCP/IPreferencemodel）。由于美國國防部擔心它們一些珍貴的主機、路由器和互聯網關可能會突然崩潰，所以網絡必須實現的另一個主要的目標是網絡不受子網硬件損失的影響，已經建立的會話不會被取消。換句話說，美國國防部希望只要源端和目的端機器都在工作，連接就能保持住，即使某些中間機器或傳輸線路突然失去控制。而且，整個體系結構必須相當靈活，因為已經看到了各種各樣從文件傳輸到實時聲音傳輸的需求。2.6.2TCP/IP參考模型1．互聯網層所有的這些需求導致了基于無連接互聯網絡層的分組交換網絡。這一層被稱作互聯網層（internetlayer），它是整個體系結構的關鍵部分。它的功能是使主機可以把分組發往任何網絡并使分組獨立地傳向目標（可能經由不同的網絡）。這些分組到達的順序和發送的順序可能不同，因此如果需要按順序發送及接收時，高層必須對分組排序。必須注意到這里使用的“互聯網”是基于一般意義的，雖然因特網中確實存在互聯網層。互聯網層定義了正式的分組格式和協議，即IP協議（internetprotocol）?；ヂ摼W層的功能就是把IP分組發送到應該去的地方。分組路由和避免阻塞是這里主要的設計問題。由于這些原因，可以說TCP/IP互聯網層和OSI網絡層在功能上非常相似。圖2-20顯示了它們的對應關系。圖2-20TCP/IP參考模型2.6.2TCP/IP參考模型2．傳輸層在TCP/IP模型中，位于互聯網層之上的那一層，現在通常被稱為傳輸層（transportlayer）。它的功能是使源端和目標端主機上的對等實體可以進行會話，和OSI的傳輸層一樣。這里定義了兩個端到端的協議。第一個是傳輸控制協議TCP（transmissioncontrolprotocol）。它是一個面向連接的協議，允許從一臺機器發出的字節流無差錯地發往互聯網上的其他機器。它把輸入的字節流分成報文段并傳給互聯網層。在接收端，TCP接收進程把收到的報文再組裝成輸出流。TCP還要處理流量控制，以避免快速發送方向低速接收方發送過多報文而使接收方無法處理。第二個協議是用戶數據報協議UDP（userdatagramprotocol）。它是一個不可靠的、無連接協議，用于不需要TCP的排序和流量控制能力而是自己完成這些功能的應用程序。它也被廣泛地應用于只有一次的、客戶-服務器模式的請求-應答查詢，以及快速遞交比準確遞交更重要的應用程序，如傳輸語音或影像。2.6.2TCP/IP參考模型2．傳輸層IP、TCP和UDP的關系如圖2-21所示。自從這個模型出現以來，IP已經在很多其他網絡上實現了。圖2-21TCP/IP模型中的協議與網絡2.6.2TCP/IP參考模型3．應用層TCP/IP模型沒有會話層和表示層。由于沒有需要，所以把它們排除在外。來自OSI模型的經驗已經證明，它們對大多數應用程序都沒有用處。4．主機至網絡層互聯網層的下面什么都沒有，TCP/IP參考模型沒有真正描述這一部分，只是指出主機必須使用某種協議與網絡連接，以便能在其上傳遞IP分組。這個協議未被定義，并且隨主機和網絡的不同而不同。2.6.4現場總線的通信模型幾種典型現場總線的通信參考模型與OSI模型的對照如圖2-22所示?？梢钥吹剑鼈兣cOSI模型不完全保持一致，在OSI模型的基礎上分別進行了不同程度的簡化，不過控制網絡的通信參考模型仍然以OSI模型為基礎。圖2-22中的這幾種控制網絡還在OSI模型的基礎上增加了用戶層，用戶層是根據行業的應用需