第一章计算机网络与现场总线技术概述

工程学院自动化及测控系现场总线工业控制网络技术——计算机网络与现场总线概述刘兰军工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/192课程公共邮箱[e-mail],登录2014123456工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/193计算机网络与现场总线概述本章学习目标1）了解现场总线与计算机网络的关系2）了解计算机网络的发展过程3）掌握计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构4）掌握工业自动化的发展过程5）掌握现场总线的定义、现场总线控制系统的特点6）了解各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/194计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/195计算机网络与现场总线概述——现场总线与计算机网络1.网络资源流通传统网络：交通运输网：物质与人员流通，铁路、公路、水路、航空能源网：能源流通，煤炭、石油、天然气、电力信息是与物质、能源并列的第三大资源电信网：语音信号数据、文件、视频电视网：多媒体信号数据、文件、视频计算机网络：数据、文件数据、文件、视频工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/196计算机网络与现场总线概述——现场总线与计算机网络2.计算机网络技术的发展基础计算机技术：处理器技术、存储技术、总线技术、网络技术等通信技术：编码技术、数据交换技术、信道共享技术、差错控制技术、传输介质等工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/197计算机网络与现场总线概述——现场总线与计算机网络3.企业信息网络企业信息化需求计算机网络技术应用于企业现场自动控制、生产调度、经营管理、办公自动化、市场营销等企业信息网络市场营销层生产管理层过程监控层现场控制层因特网工业控制网络工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/198计算机网络与现场总线概述——现场总线与计算机网络4.工业控制网络又称现场总线，是应用于企业信息网的现场控制层与过程监控层的网络通信技术。企业底层运行信息工业控制网络（现场总线）工业现场设备工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/199计算机网络与现场总线概述——现场总线与计算机网络4.工业控制网络现场总线：控制技术、通信技术、计算机技术的融合计算机网络技术在工业现场的具体应用工厂底层网络工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1910计算机网络与现场总线概述——现场总线与计算机网络5.工业控制网络（现场总线）的应用特点1）现场设备的多样性：产品多样性、加工过程工艺多样性2）网络接口开放性：实现单元设备仪表间互连、互操作、互换3）高度的实时性、可靠性：产品质量保证工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1911计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1912计算机网络与现场总线概述——计算机网络的形成与发展1.计算机网络雏形阶段20世纪50年代、60年代，计算机技术与通信技术结合美国半自动地面环境防空系统美国航空公司订票系统组成：一台中心计算机+若干终端（终端不具备自主处理能力）远程联机系统或面向终端的计算机网络工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1913计算机网络与现场总线概述——计算机网络的形成与发展2.完成网络体系结构与协议研究、计算机网络形成阶段20世纪70年代，软件资源、硬件资源、数据资源共享的需求美国国防部高级研究计划局ARPA网公共数据网PDN局部网LN(环网、以太网（Ethernet）)ARPA网：计算机网络的定义、分类；提出了资源子网和通信子网两级网络的体系结构；研究了报文分组交换的数据交换方法；采用了层次结构的网络体系结构与协议体系。（因特网从ARPA网发展而来）百家争鸣，网络体系结构和协议不统一，限制了发展。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1914计算机网络与现场总线概述——计算机网络的形成与发展3.网络体系结构与协议标准化阶段20世纪80年代1）国际标准化组织（ISO）颁布了ISO/IEC7498国际标准，即开放系统互连参考模型OSIRM；ISO与CCITT(国际电话电报咨询委员会)为OSI各层制订标准协议，成为CCITT建议，包括X.21、X.29、X.75。2）ARPA网发展成为因特网，遵循TCP/IP协议，同样具有层次性结构和开放性，TCP/IP协议成为事实上的国际标准。3）局域网中Ethernet发展迅速，形成了网络结构化布线技术，在办公自动化领域应用广泛。4）光纤传输介质在高速和主干网络中获得广泛应用，网络通信带宽获得长足发展。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1915计算机网络与现场总线概述——计算机网络的形成与发展4.网络计算时代20世纪90年代以来1）计算机网络高速化趋势发展强劲：广域网（64K2M2.5G）；局域网（10M100M1G10G）。2）计算机网络功能：数据、文字语音、图像、视频3）三网融合：电信网、有线电视网、计算机网络。4）网络计算：网格、云计算等。5）计算机网络的扩展：无线传感器网络、物联网等。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1916计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1917计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念1.计算机网络的定义广义观点：以传输信息为主要目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合。资源共享观点：以能够相互共享资源的方式连接起来，并各自具有独立功能的计算机系统的集合。用户透明观点：计算机网络是一个对用户透明的、大的计算机系统，该系统存在一个能自动为用户管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务的资源，又称为分布式计算机系统。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1918计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念1.计算机网络的定义资源共享观点：以能够相互共享资源的方式连接起来，并各自具有独立功能的计算机系统的集合。主要特点：1）资源共享，软件、硬件、数据2）计算机具有自治特点，无主从之分3）网络中计算机遵循统一的网络协议工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1919计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念2.计算机网络的结构与组成资源子网+通信子网资源子网：主计算机系统、终端、软件资源与数据资源负责数据处理业务，向用户提供资源和网络服务主机、终端：源节点、宿节点，端节点主机：提供网络资源服务，支持上网终端：用户访问网络的界面工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1920计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念2.计算机网络的结构与组成资源子网+通信子网通信子网：网络通信控制处理机、通信线路、其他通信设备负责数据传输、存储转发等业务通信控制处理机：网络节点、转接节点、中间节点工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1921计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念3.计算机网络的拓扑结构拓扑：实体点，连接实体的线路线，研究点、线、面关系网络拓扑结构的研究内容：网络节点之间的连通关系，即通信子网的连通关系。网络拓扑结构设计的重要性：与网络性能、可靠性、费用密切相关，是网络设计的关键。网络拓扑结构设计的目的：在考虑主机和终端位置、保证一定的响应时间、吞吐量、可靠性的前提下，通过选择合适的线路、线路容量、连接方式、流量分配，使整个网络结构合理、便于维护、易于扩展、成本经济。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1922计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念3.计算机网络的拓扑结构1）星形拓扑中央节点：负责通信控制，可与网络中任何节点通信非中央节点：非中央节点不能直接通信，需通过中央节点交换数据优点：（1）控制简单，便于管理：相当于集中管理（2）便于维护，故障隔离容易缺点：（1）中央节点风险大，负担重，一旦故障，全网瘫痪（2）不能均衡合理的发挥网络的最大作用（3）网络节点之间单独连线，安装费用高工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1923计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念3.计算机网络的拓扑结构2）总线拓扑存在一条公共传输媒体，各节点均经总线接口并联在该总线上优点：（1）结构简单，节点通信负担均衡（2）易于扩充，可靠性高（3）广播信息，易于同步（4）电缆少，安装费用低缺点：（1）信号衰减，通信距离受限，远距离需加中继（2）一旦某节点出现故障，不易隔离（3）需要媒体访问控制、地址识别，带来额外软硬件开销工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1924计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念3.计算机网络的拓扑结构3）环形拓扑每个节点均有一个输入口和输出口，各节点依次相连，数据单向传输优点：（1）结构简单，节点通信负担均衡（2）传输延迟确定，适合于有特定时间要求的场合（3）增加或减少节点方便（4）电缆少，安装费用低缺点：（1）一旦某节点出现故障，全网瘫痪（2）需要一定的环维护工作，带来额外软硬件开销工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1925计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念3.计算机网络的拓扑结构4）树形拓扑同层次节点不能直接通信，需通过高层次节点，是星形拓扑的扩展适合于统计等具有信息汇聚要求的场合工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1926计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念3.计算机网络的拓扑结构5）网形拓扑（无规则网）每个节点与相邻节点相连，线路连接高冗余优点：可靠性高缺点：（1）结构复杂，成本高（2）节点需具有路由选择算法和流量控制算法在广域网中应用广泛（高可靠性）工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2019/12/1927计算机网络与现场总线概述——计算机网络的基本概念4.计算机网络的分类1）按网络拓扑结构：星形、总线、环形、树形、网形2）按网络覆盖范围：广域网WAN：远程网，几十至几千公里，国家、洲际局域网LAN：十公里以下，办公室、办公楼城域网MAN：介于WAN与LAN之间，城市中大型企业、机关联网3）按网络使用的交换方式：电路交换网、报文交换网、报文分组交换网4）按照用途：