计算机网络的基本概念doc 10页.docx

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1．节省硬件数量2．节省安装费用3．节省维护开销4、用户具有高度的系统集成主动权5、提高了系统的准确性与可靠性

4．2PROFIBUS介绍

PROFIBUS有以下三个组成部分：

1.PROFIBUS—FMS

它主要是用来解决车间级通用性通信任务，可用于大范围和复杂的通信。

总线周期一般小于100ms

2.PROFIBUS—DP

专门为自动控制系统与分散I/O设备之间通信使用，总线周期一般小于10ms

3.PROFIBUS—PA

它是专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器安在一根共用的总线上，用双线进行总线供电和数据通信。

名称

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-DP

PROFIBUS-PA

用途

通用目的自动化

工厂自动化

过程自动化

目的

通用

快速

面向应用

特点

大范围连网通信

多主通信

即插即用

高效、廉价

总线供电

本质安全

传输介质

RS485或光纤

RS485或光纤

IEC1158-2

基于现场总线PROFIBUS—DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。

现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。

PROFIBUS的通信模型和协议结构

PROFIBUS-DP使用了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）和用户接口，第3层到第7层末加以描述。

PROFIBUS—FMS对第1层、第2层和第7层（应用层）均加以定义。

PROFIBUS—PA采用了扩展的DP协议。

使用分段式耦合器，PROFIBUS—PA设备能很方便地集成到PROFIBUS—DP网络上。

PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

4.2.2PROFIBUS控制系统组成

PROFIBUS控制系统组成包括以下几个部分：

1、1类主站

1类主站指PLC、PC或可做1类主站的控制器。

1类主站完成总线通信控制与管理。

2、2类主站

2类主站在网络中完成对网络状态的监视。

3、从站

PLC可做PROFIBUS上的一个从站。

PLC自身有程序存储，PLC的CPU部分执行程序并按程序驱动I/O。

作为PROFIBUS主站的一个从站。

PROFIBUS总线存取协议，在主站之间采用令牌传送方式，在主站与从站之间采用主从方式

令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。

在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。

主站得到总线存取令牌时可与从站通信。

每个主站均可向从站发送或读取信息。

因此，可能有三种系统配置：

纯主从系统、纯主主系统和混合系统

当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。

在这段时间内，它可依照主从通信关系表与所有从站通信，也可依照主主通信关系表与所有主站通信。

在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。

在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。

PROFIBUS—DP技术简介

PROFIBUS—DP用于现场层的高速数据传送。

主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。

1．设备类型

三种不同类型设备。

1）一级DP主站（DPMl）一级DP主站是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站交换信息。

典型的DPM1如PLC或PC。

2）二级DP主站（DPM2）二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。

3）DP从站DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/0设备、驱动器、HMI、阀门等）。

也包括一些只提供输入或输出信息的设备。

2．系统配置

允许构成单主站或多主站系统。

1）单主站系统在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。

2）多主站系统总线上连有多个主站。

这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。

每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。

任何一个主站均可读取DP从站的输入输出映像，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据，

PROFIBUS—PA技术简介

PA可用来替代4—20mA的模拟信号传输技术。

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，即使在本质安全地区也不会影响到其他站；

②在过程自动化的PROFIBUS—PA段与制造业自动化的服PROFIBUS—DP总线段之间通过锅台器连接，并可实现两段问的透明通信；．

④使用与IEC61158—2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送；

PROFIBUS—FMS技术简介

旨在解决车间监控级通信。

在这一层，可编程序控制器：

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。

基金会现场总线

基金会现场总线（FF）可以工作在生产现场，并能适应本质安全防爆的要求，还可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。

它在过程自动化领域已经得到了广泛的应用，并且具有良好的发展前景。

FF总线以前分为H1和H2两级总线，但随着控制网络的实时信息传输量的日益增大，H2已被HSE取代。

本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。

具体包括失误—安全（误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作）、故障—安全功能（设备、工艺发生故障时还能暂时正常工作或自动转变安全状态）。

基金会现场总线分低速H1和高速HSE。

H1的传输速率为31.25Kps，通信距离可达1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境

HSE的传输速率从100Mbps到1Gps或更高。

物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。

2.FF通信模型

3.FF物理层

一、物理层的功能

物理层作为电气接口，一方面接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输介质上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输介质的物理信号转换为信息送往数据链路层．起到接收器的作用。

二、物理层的结构

物理层被分为介质相关子层及介质无关子层。

介质相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输介质、不同速率的信号转换问题，也称为介质访问单元。

对不同种类介质、不同传输速率要求的场合，应分别设置不同的物理层实体。

介质无关子层则是介质访问单元与数据链路层之间的接口。

4.数据链路层（DLL）

1.FF通信设备类型

按照设备的通信能力，FF将通信设备分为三种类型

链路主设备（LinkMasterDevice）：

有能力成为链路活动调度器LAS（LinkActiveScheduler）的设备，包括主机接口或某些其它设备。

基本设备（BasicDevice）：

具备基本通信能力，即只能接受总线命令作出响应的总线设备，不具备LAS能力。

网桥（Bridge）：

用于连接不同传输速率或不同传输介质的设备，比如将下游各个H1网段连接在一起的设备，同时也是H1和HSE接口设备，它必须成为链路主设备。

LonWorks简介

LonWorks网络的技术核心是LonTalk协议，开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。

这样在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。

LonTalk协议最大的特点是对OSI的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不支持的。

具体实现就采用网络变量这一形式。

网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便可完成。

神经元芯片是LonWorks技术的关键。

由于这种LonTalk协议硬件芯片的支持，满足了现场通讯的实时性、接口的直观性和简洁性的现场总线应用要求。

（二）LonWorks的技术特点

1、拥有三个处理单元的神经元芯片（Neuron芯片）

2、支持多种通信介质和它们的互连；

3、带预测P的CSMA

4、网络变量（NV）

5、提供给使用者一个完整的开发平台

6、LonWorks技术的其他参数

2.LonTalk协议

CAN总线

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为CANbus，即CAN总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。

1．CAN的工作原理

当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。

每组报文开头的11位字符为标识符（CAN2.0A），定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。

当一个节点要向其它节点发送数据时，该节点的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。

CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时,网上的其它节点处于接收状态。

每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。

我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改。

第6章过程控制中的网络技术

过程控制系统：

是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等一些过程变量的系统

2、自动控制系统的性能指标

（1）最大偏差A

最大动态偏差是阶跃响应中，第一个波峰超过稳态值的幅度y1。

（2）余差C

过渡过程结束后被调量新的稳态值与新设定值的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量标志。

（3）衰减比η

衰减比是衡量一个衰减过程的衰减程度指标

（4）过渡时间ts

（5）上升时间tr

（6）振荡周期T

6.2过程控制系统的数学模型

6.2.1被控过程的数学模型

一个过程控制系统由被控过程和检查控制仪表两部分组成

1、建立被控过程数学模型的目的

（1）设计过程控制系统和整定调节器的参数

（2）指导生产工艺及其设备的设计

（3）对被控过程进行仿真研究

2、被控过程数学模型的类型

建立过程数学模型的方法

（1）解析法

（2）实验辨识法（3）混合法

6.3.1基本控制规律

控制规律，就是指控制器输出的变化量随输入偏差变化的规律。

位式控制

位式控制中最常用的双位控制。

当测量值大于给定值时，控制器输出为最大；当测量值小于给定值时，控制器的输出为最小。

控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，也称为开关控制。

PID控制器

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

2.比例（P）控制器

比例控制器是一种最简单的控制器，其控制规律：

式中：

p（t）为调节器输出；Kp为比例系数；e（t）为系统输出偏差。

由上式可以看出，控制器的输出与偏差成正比。

因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的控制作用，具有控制及时的特点。

比例环节对偏差是即时反映的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

3、比例积分（PI）控制

所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。

积分方程为：

式中：

Ti是积分时间常数，它表示积分速度的大小，Ti越大，积分速度越慢，积分作用越弱。

积分作用的响应特性曲线。

积分环节主要用来消除静差和提高控制精度。

消除静差的办法是在P基础上加I，构成PI控制器，规律为

4.比例积分微分（PID）控制

微分环节反映了偏差信号的变化趋势（变化速率），从而能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

在PID控制器中，比例环节控制当前，即时控制；

积分环节控制过去，累积控制。

微分环节控制未来，超前控制。