网网络控制系控制系统与运用与运用oo一、一、绪论绪论oo二、网二、网络络与数据通与数据通讯讯技技术术oo三、三、实时实时控制网控制网络络oo四、网四、网络络与控制性能分析与控制性能分析oo五、网五、网络络控制系控制系统调统调度方法度方法oo六、网六、网络络控制系控制系统统常常规规控制器的控制器的设计设计oo七、网七、网络络控制系控制系统统先先进进控制控制规规律的律的设计设计oo八、网八、网络络控制控制实验实验系系统统3.1 3.1 控制网控制网控制网控制网络络的根本概念的根本概念的根本概念的根本概念1 1、工、工、工、工业对业对象象象象对对网网网网络络的根本要求的根本要求的根本要求的根本要求 图3.1 RNA体系层次构造图1 1、工、工、工、工业对业对象象象象对对网网网网络络的根本要求的根本要求的根本要求的根本要求工业类型控制特点过程工业延续控制为主，算法复杂，速度慢，流程长，对可靠性要求高，有分散化要求制造工业逻辑控制为主，算法简单，速度快，通常不用冗余，CPU不要求太分散混合工业采集为主也混合逻辑控制，回路控制，单机控制多，要求本钱低表3.2 各种工业控制的特点2 2、控制网、控制网、控制网、控制网络络的分的分的分的分类类u随机网络：延迟时间是随机的， 如EtherNetu有界网络：延迟时间有确定的上界，如ConrolNetu常值网络：时间延迟应坚持一定， 如DeviceNet根据网络时延特征，工业自动化系统中采用的控制网络普通分为：3 3、控制网、控制网、控制网、控制网络络的特点的特点的特点的特点(1) 系统的开放性。 (2) 互可操作性与互用性。 (3) 系统构造的高度分散性。 (4) 对现场环境的顺应性。 (5) 一对构造。 (6) 可控形状。 (7) 互换性。 (8) 综合功能。 (9) 一致组态。 4 4、网、网、网、网络协议络协议和和和和层层次构造次构造次构造次构造 网络协议(Net Protocol)是为进展计算机网络中的数据交换而建立的规那么、规范或商定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通讯制定的有关通讯规那么商定的集合。 计算机网络系统是一个非常复杂的系统。将一个复杂的系统分解为假设干个容易处置的子系统，然后“分而治之。层次构造的益处在于使每一层实现一种相对独立的功能，分层构造还有利于交流、了解和规范化。 5 5、控制网、控制网、控制网、控制网络络的体系构造的体系构造的体系构造的体系构造 控制网络普通由OSI参考模型的物理层、数据链路层、运用层三层方式体系构造和通讯媒质构成，如：CAN、DeviceNet 。 也有在此根底上加数据传输层的四层方式体系构造，如：profibus。 Lon Works控制网络却比较特殊，它采用全部OSI七层方式体系构造。 而ErherNet那么采用物理层、数据链路层、传输层、网络层和运用层五层方式体系构造。图3.2 三层控制网络的体系构造3.2 3.2 介介介介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络1 1、双、双、双、双绞线绞线 图3.3 双绞线方式3.2 3.2 介介介介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络2 2、同、同、同、同轴电缆轴电缆 图3.5 同轴电缆构造3.2 3.2 介介介介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络3 3、微波、微波、微波、微波 图3.6 微波通讯 3.2 3.2 介介介介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络4 4、光、光、光、光纤纤 图3.8 光纤和光纤剖面图3.2 3.2 介介介介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络4 4、光、光、光、光纤纤 图3.9 光纤的电信号传输过程3.2 3.2 介介介介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络4 4、光、光、光、光纤纤 图3.10 单模光纤和多模光纤3.3 3.3 物理物理物理物理层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络物理层定义了网络的物理构造，传输的电磁规范，数据流的编码及网络的数据传送时间原那么，如分时复用及分频复用等，同时也决议了网络衔接类型端到端或多端衔接及物理拓扑构造等，它构建了网络通讯的根底。1 1、EIA RS232EIA RS232物理物理物理物理层协议层协议 图3.11 单端线路衔接表示图单端线路驱动器与接纳器： 1 1、EIA RS232EIA RS232物理物理物理物理层协议层协议 图3.12 RS-232C逻辑电平表示图a. 逻辑电平表示图 b. 典型波形逻辑电平及典型波形： 1 1、EIA RS232EIA RS232物理物理物理物理层协议层协议 表3.4 RS-232引脚阐明符 号9针引脚陈列25针引脚陈列数据流向说 明ECD18I载波检测RXD23I数据接纳TXD32O数据发送DTR420O数据终端就绪GND57信号地DSR66I数据预备好RTS74O恳求发送CTS852I去除发送R I922I振铃指示1 1、EIA RS232EIA RS232物理物理物理物理层协议层协议 图3.13 RS-232C衔接表示图1 1、EIA RS232EIA RS232物理物理物理物理层协议层协议 图3.14 RS-232C通讯七线制表示图 图3.15 RS-232C通讯三线制表示图1 1、EIA RS232EIA RS232物理物理物理物理层协议层协议 图3.16 RS-232C单工通讯连线表示图2 2、EIA RS422/ RS485EIA RS422/ RS485物理物理物理物理层协议层协议 RS-485通讯网络的根本构架 图3.17 RS-485网络构架表示图2 2、EIA RS422/ RS485EIA RS422/ RS485物理物理物理物理层协议层协议 RS-485网络任务波形表示图： 图3.18 RS-485网络任务理想波形图2 2、EIA RS422/ RS485EIA RS422/ RS485物理物理物理物理层协议层协议 RS-485网络的电压偏置： 图3.19 具有偏置电阻的RS-485网络2 2、EIA RS422/ RS485EIA RS422/ RS485物理物理物理物理层协议层协议 RS-485网络的终端匹配： 图3.20 加终端匹配电阻RS-485节点3 3、ISO 11898ISO 11898物理物理物理物理层协议层协议 (1) 物理媒体协议物理媒体协议PLS子层子层 (2) 物理媒体衔接物理媒体衔接PMA子层子层 4 4、IEEE802.3IEEE802.3物理物理物理物理层协议层协议 10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-F传输媒体基带同轴电缆基带同轴电缆非屏蔽双绞线宽带同轴电缆850mm光纤对编码技术曼切斯特码曼切斯特码曼切斯特码差分PSK码曼切斯特码拓扑构造总线总线星型总线/星型星型最大段长500m185m100m1800m500m每段节点10030-33表3.5 IEEE802.3的10Mbps可选方案4 4、IEEE802.3IEEE802.3物理物理物理物理层协议层协议 图3.25 不同方式的位编码5 5、IEEE802.11IEEE802.11物理物理物理物理层协议层协议 802.11协议主要任务在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进展了一些改动，参与了高速数字传输的特性和衔接的稳定性。 802.11bHigh Rate协议，用来对802.11协议进展补充，在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又添加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率。 利用802.11b，挪动用户可以获得同Ethernet一样的性能、网络吞吐率、可用性。 3.4 3.4 数据数据数据数据链链路路路路层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络数据链路层的主要义务是为网络层提供一条无过失的传输线路，通常采用反响重纠错方式来纠正传输中出现的过失。 分成两个子层：逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)和介质控制MAC子层。图3.26 OSI参考模型与局域网协议层次 3.4 3.4 数据数据数据数据链链路路路路层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络图3.27 IEEE802.3MAC子层功能模块及接口 1 1、IEEE802.3 MACIEEE802.3 MAC子子子子层协议层协议 MAC子层规范格式：子层规范格式： 图3.28 IEEE802.3的MAC帧格式1 1、IEEE802.3 MACIEEE802.3 MAC子子子子层协议层协议 总线监听算法：总线监听算法： u 非坚持CSMAu 坚持CSMA u P-坚持CSMA 2 2、IEEE802.4/IEEE802.5 MACIEEE802.4/IEEE802.5 MAC子子子子层协议层协议 (1) IEEE802.5 MAC子层协议子层协议 图3.29 令牌环拓扑构造2 2、IEEE802.4/IEEE802.5 MACIEEE802.4/IEEE802.5 MAC子子子子层协议层协议 1字节1字节1字节帧始符SD访问控制AC帧末符EDa令牌帧格式1字节1字节1字节2或6字节2或6字节无限制4字节1字节1字节帧始符SD访问控制AC帧控制FC目的地址源地址数据校验和帧末符ED帧形状FSb数据帧格式图3.30 IEEE 802.5的令牌帧与数据帧格式2 2、IEEE802.4/IEEE802.5 MACIEEE802.4/IEEE802.5 MAC子子子子层协议层协议 (2) IEEE802.4 MAC子层协议子层协议 图3.30 令牌总线构造3 3、ISO11898 MACISO11898 MAC子子子子层协议层协议 图3.32 CAN总线系统组成表示图3 3、ISO11898 MACISO11898 MAC子子子子层协议层协议 图3.33 CAN的帧构造3 3、ISO11898 MACISO11898 MAC子子子子层协议层协议 图3.34 CAN总线仲裁波形表示图3 3、ISO11898 MACISO11898 MAC子子子子层协议层协议 图3.35 CAN总线仲裁实践波形4 4、CC-LINK MACCC-LINK MAC子子子子层协议层协议 图3.36 CC-Link T型分支4 4、CC-LINK MACCC-LINK MAC子子子子层协议层协议 图3.37 CC-Link传输帧的根本格式4 4、CC-LINK MACCC-LINK MAC子子子子层协议层协议 图3.38 传输方式4 4、CC-LINK MACCC-LINK MAC子子子子层协议层协议 图3.39 CC-Link通讯过程5 5、802.11 MAC802.11 MAC子子子子层协议层协议 802.11的MAC和802.3协议的MAC非常类似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进展网络的可用性检测。 图3.40 接入点的遨游效力3.5 3.5 运用运用运用运用层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络1 1、运用、运用、运用、运用层层根本控制方式根本控制方式根本控制方式根本控制方式 (1) 源目的地址通讯方式源目的地址通讯方式 图3.41 经过路由器衔接的两个网络3.5 3.5 运用运用运用运用层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络1 1、运用、运用、运用、运用层层根本控制方式根本控制方式根本控制方式根本控制方式 (2)消费者消费者/消费者通讯方式消费者通讯方式 图3.42 消费者/消费者和源/目的通讯方式图示3.5 3.5 运用运用运用运用层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络2 2、CANCAN总线总线运用运用运用运用层层有界网有界网有界网有界网络处络处理方案理方案理方案理方案 图3.45 CAN总线运用层的令牌传送方式3.6 3.6 常用网常用网常用网常用网络协议络协议的的的的协议栈协议栈1 1、DeviceNet DeviceNet 协议栈协议栈 图3.46 协议层次模型描画图 图3.47 报文报文格式 DeviceNet作为基于控制网络技术的工业规范开放网络，为简单的底层工业安装与高层控制设备如工控机、PLC之间架起衔接的桥梁。3.6 3.6 常用网常用网常用网常用网络协议络协议的的的的协议栈协议栈2 2、ControlNet ControlNet 协议栈协议栈 图3.48 ControlNet协议栈 ControlNet 具有高吞吐量、资源共享、组态和编程简单、传输介质为同轴电缆和光纤、支持冗余介质、体系构造灵敏和安装费用低等特点。 ControlNet 主要用于PLC与计算机之间的通讯，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于衔接串行、并行的I/O设备、人机界面等安装。 3.6 3.6 常用网常用网常用网常用网络协议络协议的的的的协议栈协议栈3 3、CC-LINK CC-LINK 协议栈协议栈 图3.49 CC-LINK的协议栈CC-Link具有如下突出优点：1高速度大容量的数据传送；2拓扑构造有多点接入、T型分支、 星型构造；3CC-Link使分布控制成为现实；4自动刷新功能、约定站功能。3.6 3.6 常用网常用网常用网常用网络协议络协议的的的的协议栈协议栈4 4、工、工、工、工业业以太网以太网以太网以太网协议栈协议栈 图3.50 工业以太网协议栈本章小本章小结1 1 1 1、控制网、控制网、控制网、控制网络络的根本概念的根本概念的根本概念的根本概念2 2 2 2、介、介、介、介质层质层与控制网与控制网与控制网与控制网络络3 3 3 3、物理、物理、物理、物理层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络4 4 4 4、数据、数据、数据、数据链链路路路路层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络5 5 5 5、运用、运用、运用、运用层层与控制网与控制网与控制网与控制网络络6 6 6 6、常用网、常用网、常用网、常用网络协议络协议的的的的协议栈协议栈