工业以太网和PLC通信技术Word下载.docx
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bridge（网桥）互连两个局域网子网
router（路由器）在广域网范围内，互联局域网。
Gateway（网关）互连两个体系结构不同的网络
1.交换机也叫交换式集线器（Switch），它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用，由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞，因此，交换机可以同时互不影响的传送这些信息包，并防止传输碰撞，提高了网络的实际吞吐量
1）Ethernet交换机基本上是高性能的多端口网桥；
2）通过LAN目的地址过滤及转发帧；
3）利用穿过的源地址自动建立路由表；
交换机和网桥的区别
网桥只有少量的端口（如2～4）；
交换机则有许多端口；
许多交换机可以全双工方式工作
2.路由器（Router）一种用于连接两个运行相同/不同协议的IS。
是网络连接设备的重要组成部分，它相对网桥提供了一个更高层次的LAN互联。
路由器能根据分组类型过滤和选择路由，支持在LAN段之间有多个链路的网络，当某个链路损坏时，可选择其他路由以及根据网络通信的情况决定路由.总的来说，路由器与交换机的主要区别体现在以下几个方面：
（1）工作层次不同
最初的的交换机是工作在OSI／RM开放体系结构的数据链路层，也就是第二层，而路由器一开始就设计工作在OSI模型的网络层。
由于交换机工作在OSI的第二层（数据链路层），所以它的工作原理比较简单，而路由器工作在OSI的第三层（网络层），可以得到更多的协议信息，路由器可以做出更加智能的转发决策。
（2）数据转发所依据的对象不同
交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。
而路由器则是利用不同网络的ID号（即IP地址）来确定数据转发的地址。
IP地址是在软件中实现的，描述的是设备所在的网络，有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。
MAC地址通常是硬件自带的，由网卡生产商来分配的，而且已经固化到了网卡中去，一般来说是不可更改的。
而IP地址则通常由网络管理员或系统自动分配。
（3）传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域；
而路由器可以分割广播域
由交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上传播，在某些情况下会导致通信拥挤和安全漏洞。
连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域，广播数据不会穿过路由器。
虽然第三层以上交换机具有VLAN功能，也可以分割广播域，但是各子广播域之间是不能通信交流的，它们之间的交流仍然需要路由器。
（4）路由器提供了防火墙的服务
路由器仅仅转发特定地址的数据包，不传送不支持路由协议的数据包传送和未知目标网络数据包的传送，从而可以防止广播风暴。
交换机一般用于LAN-WAN的连接，交换机归于网桥，是数据链路层的设备，有些交换机也可实现第三层的交换。
路由器用于WAN-WAN之间的连接，可以解决异性网络之间转发分组，作用于网络层。
他们只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发。
这两条线路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。
相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对也慢，价格昂贵.
3.网桥（Bridge）存储－转发设备,工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。
远程网桥通过一个通常较慢的链路（如电话线）连接两个远程LAN，对本地网桥而言，性能比较重要，而对远程网桥而言，在长距离上可正常运行是更重要的。
接收整个帧传递到数据链路层做校验和检查；
向下传到物理层，以便转发到不同的网络
允许LAN段间通信，但保持各冲突域的独立；
能互连不同的LAN技术
理论上说用网桥建立多大的LAN没有限制；
路由器与网桥的区别
路由器
网桥
检查packet的头，并根据头包含的地址作出路由决策
仅检查帧头，并不检查或修改帧包含的网络层packet；
当将packet交给数据链路层时，它并不了解也不在意packet会封装在以太帧或tokenring帧中
不知道也不在意它正从802.xLAN转发到802.yLAN的帧是否包含IP、IPX或CLNPpackets。
4.桥路器（brouter）可同时作为网桥使用的一种路由器。
工作原理
首先根据网络协议信息投递数据包
然后用物理地址发送数据
桥路器与路由器的区别
1如果数据库没有正确的逻辑地址，路由器就将包丢弃。
2桥路器能在不识别逻辑地址的情况下，改用物理地址传送
5.网关（Gateway）
传输网关：
在传输层将两个网络连接起来。
应用网关：
在应用层将某个应用的两部分连接起来。
二开放式系统互连参考模型（OSI）
vISO于1978年提出了OSI模型。
vOSI模型是设计和描述计算机网络通信的基本框架。
它描述了网络硬件和软件如何以层的方式协同工作，进行网络通信。
vOSI—OpenSystemInterconnection
v生产厂商根据OSI模型的标准设计自己的产品。
vOSI的分层结构
应用层：
应用程序访问网络服务的窗口，直接支持用户的应用程序。
表示层：
确定计算机之间交换数据的格式，可称其为网络转换器。
会话层：
不同计算机的两个应用程序建立、使用和结束会话连接。
传输层：
作用是为高层用户提供独立于具体网络的、经济有效的、可靠的端对端数据传输服务。
网络层：
将分组从源节点传到目的结点，网络层的功能：
路由选择、解决拥塞控制、实现网络互连
数据链路层：
向网络层提供可靠透明的数据传输服务，进行差错控制和流量控制．
物理层：
位于OSI参考模型的最底层；
它直接面向传输介质，负责在通信介质之上，为数据连路层提供一个传输原始比特流的物理连接。
物理层协议为建立、维持和拆除物理连接规定了机械的、电气的、功能的和规程的特性。
第二章现场总线
国际电工委员会IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：
安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
现场总线系统的组成
•硬件
Ø
包括通信线（或称通信介质（媒体）、总线电缆）、连接在通信线上的设备（称为总线设备或装置、节点、站点（主站、从站））。
•软件包括以下几部分：
组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台并按现场总线协议/规范（Protocol／Specification）与组态通信软件交换信息的工具软件；
控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软件平台
用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序
设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件
设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件；
监控组态软件——运行于监控计算机（通常也称为上位机）上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。
现场总线的技术特点
•与DCS等相比，现场总线系统有以下特点：
现场总线是数字通信网络
1、现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；
2、中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；
3、各层设备之间的信息交换均用数字信号。
现场总线是开放互连网络
1、现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；
2、现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；
3、用户可共享网络资源。
现场总线通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，
系统测量与控制精度提高
1.在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变为数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。
2.现场总线采用数字信号通信这一数字化特点，从根本上提高了系统的测量与控制精度。
第三章数据通信与计算机网络基础
3.1数据编码
•码元——是所传输数据的基本单位。
•用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0，1状态，称为模拟数据编码。
用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码。
单极性码：
信号电平是单极性的。
双极性编码：
信号电平为正、负两种极性的。
归零码（RZ）：
归零码在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。
非归零码（NRZ）：
非归零码在整个码元时间内维持有效电平。
差分码：
差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。
变化为“1”，不变化为“0”。
曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）
•码元本身分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。
•模拟数据编码的三种编码方法：
•幅度键控ASK（amplitude-shiftkeying）
•频移键控FSK（frequency-shiftkeying）
•相移键控PSK（phase-shiftkeying）
3.2信号的传输方式
3.2.1基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输；
不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。
•基带传输特点：
不用调制解调器
系统价格低廉
较高的数据传输速率（一般为1Mb/s～10Mb/s）
传输距离一般不超过25km
半双工方式或单工方式
3.2.2载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。
最基本的调制方式有上述的幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK三种。
3.3.3宽带网
宽带网与基带网的主要区别，
一是数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为0～10Mb/s，宽带网可达0～400Mb/s；
二是宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径
3.3.4异步传输模式ATM
ATM（asynchronoustransfermode）是实现高速网络的主要技术。
速率可达155Mb/s到2.4Gb/s，也有25Mb/s和50Mb/s的ATM技术，可适用于局域网和广域网。
3.3通信方式
３.3.1单工通信（simplexcommunication）
单工，就是指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。
单工通信线路一般采用二线制。
3.3.2半双工通信（half-duplexcommunication）
半双工通信是指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。
3.3.3全双工通信（fullDuplexcommunication）
能同时作双向通信。
通信效率高，控制简单，但结构较复杂，成本较高
3.4网络拓扑结构
3.5网络的传输介质
传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。
电话线
同轴电缆：
物理特性：
同轴电缆由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成。
同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数和机械尺寸决定。
传输特性：
基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。
1.宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，支持多路传输。
2.只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单通道宽带
连通性：
支持点-点连接，也支持多点连接。
宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接；
基带同轴电缆可支持数百台设备的连接。
抗干扰性：
它的结构使得它的抗干扰能力较强。
地理范围：
基带同轴电缆最大距离限制在几公里范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里。
双绞线：
双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。
一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。
双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。
在一条双绞线上使用频分多路复用（multiplexing）技术可以进行多个音频通道的多路复用
连同性：
双绞线可以用于点-点连接，也可用于多点连接。
双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km；
用于10Mb/s局域网时，与集线器的距离最大为100m
双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。
在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆。
在10～100kHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆。
光导纤维电缆：
光纤是一种能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。
在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。
目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；
82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps的光纤传输已经实用；
光纤分类：
单模光纤和多模光纤；
光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。
光纤传输速率可达几千Mbps。
单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输，
而多模光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。
单模光纤性能优于多模光纤。
普遍采用点-点方式，在某些实验系统中也采用多点连接方式。
光纤信号衰减极小，它可以在6～8km距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。
1.光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率。
2.双绞线典型的误码率在10-5～10-6之间，
3.基带同轴电缆为10-7，宽带同轴电缆为10-9，
4.光纤误码率可以低于10-10。
光纤传输的安全性与保密性极好。
无线：
微波通信：
微波通信——工作频率为109～1010Hz，局域网络可直接利用微波收发机进行通信，或作中继接力，扩大传输距离。
红外通信：
工作频率为1011～1014Hz，通过发送或接收信号调制的非相干红外线，即可形成一条通信链路。
只要收发机处在视线内，就可以准确地进行通信，方向性很强，几乎不受干扰。
激光通信：
工作频率为1014～1015Hz，用调制解调的相干激光，实现激光通信。
卫星通信：
卫星通信可以看成是一种特殊的微波通信系统
•传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大，这些特性主要是：
物理特性：
传输介质物理结构的描述；
传输特性：
传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；
连通特性：
允许点-点或多点连接；
地理范围：
传输介质最大传输距离；
抗干扰性：
传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力；
相对价格：
器件、安装与维护费用
第四章PROFIBUS技术简介
一综述
（1）PROFIBUS是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。
广泛适用于制造业自动化．流程工业自动化和楼宇．交通电力等其他领域自动化。
PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
（2）PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery）．PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）．PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）。
（3）PROFIBUS–DP:
是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。
使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。
（4）PORFIBUS－PA：
专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
（5）PROFIBUS－FMS：
用于车间级监控网络，是一个令牌结构．实时多主网络。
（6）PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
（7）与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。
目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。
PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。
市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40％。
PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
（8）PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-SIO）作为参考模型的。
该模型共有七层。
（1）PROFIBUS－DP：
定义了第一．二层和用户接口。
第三到七层未加描述。
用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS－DP设备的设备行为。
（2）PROFIBUS－FMS：
定义了第一．二．七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口（LowerLayerInterface－LLⅠ）。
FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。
LLⅠ协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
（3）PROFIBUS－PA：
PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS－DP协议。
另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。
根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。
使用连接器可在DP上扩展PA网络。
注：
第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三－六层末使用，第七层为应用层。
二PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA适用于PROFIBUS的过程自动化。
PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，PA可用来替代4-20mA的模拟技术。
PROFIBUS-PA具有如下特性：
（1）适合过程自动化应用的行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。
（2）增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其它站。
（3）在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过藕合器连接，并使可实现两段间的透明通信。
（4）使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。
（5）在潜在的爆炸危险区可使用防爆型"
本征安全"
或"
非本征安全"
。
2.1PROFIBUS-PA传输协议
PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态。
并用扩展的PROFIBUS-DP功能来制订现场设备的参数和进行设备操作。
PROFIBUS-PA第一层采用IEC1158-2技术，第二层和第一层之间的接口在DIN19245系列标准的第四部分作出了规定。
2.2PROFIBUS-PA设备行规
PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS-PA的一个组成部分。
PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。
目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其它选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如：
·
测压力、液位、温度和流量的变送器
数字量输入和输出
模拟量输入和输出
阀门
定位器
三PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间监控级通信。
在这一层，可编程序控制器（如PLC、PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。
3.1PROFIBUS-FMS应用层
应用层提供了供用户使用的通信服务。
这些服务包括访问变量、程序传递、事件控制等。
PROFIBUS-FMS应用层包括下列两部分：
现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）：
描述了通信对象和应用服务。
低层接口（LowerLayerInterface-LLI）：
FMS服务到第二层的接口。
3.2PROFIBUS-FMS通信模型
PROFIBUS-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中。
在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备VFD（VirtualfieldDevice）。
在实际现场设备与VFD之间设立一个通信关系表。
通信关系表是VFD通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。
VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。
3.3通信对象与通信字典（OD）
（1）FMS面向对象通信，它确认5种静态通
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