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任务1列车网络控制系统任务目标1.了解计算机网络的定义、组成与功能。2.了解数据通信系统的组成、数据传输的方式。3.掌握列车网络控制系统的结构与功能。项目1列车网络控制系统4.掌握列车通信网络的功能及特点。1任务重点在列车上，位于车厢不同位置的设备可以通过计算机控制网络实时接受司机发出的控制指令，并且司机可以通过计算机控制网络监视设备的状态和故障信息，在这一过程中主要涉及计算机网络、数据通信等技术。通过本任务的学习，主要掌握城市轨道交通列车网络控制系统与通信网络的结构和功能。知识准备计算机二进制、现场总线技术。知识描述(1)计算机网络概述21)计算机网络的定义计算机网络是指利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机系统、终端及其附属设备互相连接，以功能完善的网络软件(网络操作系统和网络通信协议等)实现资源共享和网络通信的计算机系统的集合，它是计算机技术和通信技术相结合的产物。2)计算机网络的功能①资源共享。所谓资源共享就是共享网络上的硬件资源、软件资源和信息资源。A.硬件资源。计算机网络的主要功能之一就是共享硬件资源，即连接在网络上的用户可以共享使用网络上的各种不同类型的硬件设备。B.软件资源。互联网上有极为丰富的软件资源，可以让大家共享。共享软件允许多个用户同时调用服务器的各种软件资源，并且保3持数据的完整性和统一性。用户可以通过使用各种类型的网络应用软件，共享远程服务器上的软件资源;也可通过一些网络应用程序，将共享软件下载到本机使用。C.信息资源。信息是一种非常重要和宝贵的资源。用户可以共享这些信息资源，可以在任何时间以任何形式去搜索、访问、浏览和获取这些信息资源。②通信功能。组建计算机网络的主要目的就是为了使分布在不同地理位置的计算机用户能够相互通信、交流信息和共享资源。计算机网络中的计算机与计算机之间或计算机与终端之间，可以快速可靠地相互传递各种信息。利用网络的通信功能，人们可以进行各种远程通信，实现各种网络上的应用。③其他功能。通过计算机网络实现的备份技术可以提高计算机系统的可靠性。43)计算机网络的系统组成根据网络的定义，一个典型的计算机网络主要由计算机系统、数据通信系统、网络软件及网络协议3大部分组成。计算机系统是网络的基本模块，为网络内的其他计算机提供共享资源;数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术;网络软件是网络的组织者和管理者，在网络协议的支持下，为网络用户提供各种服务。①计算机系统。主要完成数据信息的收集、存储、处理和输出，提供各种网络资源。②数据通信系统。主要由通信控制处理机、传输介质和网络连接设备组成。5同步3部分组成。语法指数据与控制信息的结构或格式;语义指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答。同步指事件实现顺序的详细说明。4)计算机网络的分类根据不同的分类标准，可对计算机网络作出不同的分类。按照网络覆盖的地理范围分类，可将计算机网络分为局域网、城域网、广域网3种。按照网络的传输技术，可将网络分为广播式网络和点到点网络。按照传输介质的不同，可将网络分为有线和无线两大类。按照拓扑结构的不同可将网络划分为总线型、星型、环型、混合型网络等。③网络软件及网络协议。软件一方面授权用户对网络资源的访问，帮助用户方便、安全的使用网络;另一方面管理和调度网络资源，提供网络通信和用户所需的各种网络服务。网络协议主要由语法、语义、6据转换成相应的数字信号进行传输。①模拟通信系统。以模拟信号进行通信的方式称为模拟通信，实现模拟通信的通信系统称为模拟通信系统：传统的电话、广播、电视等系统都属于模拟通信系统，模拟通信系统的模型如图1.1所示。(2)数据通信基础1)通信系统的基本组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备和信道的总和，通信的目的是传送信息。为了使信息在信道中传送，首先应将信息表示成模拟数据或数字数据，然后将模拟数据转换成相应的模拟信号或数字数7图1.1模拟通信系统模型模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制后再通过信道传输。到达信宿后，再通过解调器将信号解调出来。②数字通信系统。用数字信号作为载体来传输信息或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式称为数字通信，实现数字通信的通信系统称为数字通信系统。计算机通信、数字电话以及数字电视系统都属于数字通信系统。数字通信系统的模型如图1.2所示。8图1.2数字通信系统模型数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪声源组成，发送端和接收端之间还有时钟同步系统。时钟同步是数字通信系统的一个不可缺少的部分，为了保证接收端正确地接收数据，发送端与接收端必须有各自的发送时钟和接收时钟，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。2)数据编码与调制技术①数据编码类型。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示和传输。在一定条件下，可将模拟信号编码成数字信号，或将数字信号编码成模拟信号。其编码类型有4种，如图1.3所示。9图1.3数据编码类型10(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)。③数据的编码技术。若模拟数据或数字数据采用数字信号传输，须采用编码技术。A.模拟数据的编码。常用的一种方法称为脉冲编码调制(PulseCodeModulation，PCM)技术。采用脉冲编码调制把模拟信号数字化的3个步骤如下。a.采样：以采样频率把模拟信号的值采出，如图1.4所示。②数据调制技术。若模拟数据或数字数据采用模拟信号传输，须采用调制解调技术。A.模拟数据的调制。模拟数据的基本调制技术主要有调幅、调频和调相。B.数字数据的调制。数字数据的基本调制技术主要有移幅键控11图1.4采样b.量化：使连续模拟信号变为时间轴上的离散值。比如在图1.5中采用8个量化级，每个采样值用3位二进制表示。12图1.5量化c.编码：将离散值变成一定位数的二进制码，如图1.6所示。13图1.6编码14示。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。B.数字数据的编码。数字信号可直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。3)数据传输的方式在数字通信中，按每次传送的数据位数，传输方式可分为串行通信和并行通信两种。①串行通信。串行通信传输时，数据是一位一位地在通信线路上传输的。这时先由计算机内的发送设备，将几位并行数据经并—串转换硬件转换成串行方式，再逐位传输到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用，如图1.7所15图1.7串行通信②并行通信。并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位，如图1.8所示。接收设备可同时接收到这些数据，不需要作任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。16图1.8并行通信17送数据，另一方接收数据，如图1.9所示。无线电广播、传统的模拟电视都属于单工通信。4)串行通信数据传输方式在串行通信中，按照数据在通信线路上的传输方向，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。①单工通信。是指数据信号仅允许沿一个方向传输，即由一方发图1.9单工通信18②半双工通信。是指通信双方都能接收或发送，但不能同时接收和发送的通信方式。在这种传送方式中，通信双方只能轮流地进行发送和接收，即A站发送，B站接收;或B站发送，A站接收，如图1.10所示。图1.10半双工通信19③全双工通信。是指通信双方在同一时刻可以同时进行发送和接收数据，如图1.11所示。双工需要两条传输线。目前，在计算机网络通信系统中就是采用全双工通信的，如电话机。图1.11全双工通信20(3)网络控制系统概述1)网络控制系统的概念网络控制系统又被称为基于网络的控制系统，它是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环的反馈控制系统。狭义的网络控制系统是以网络为基础，实现传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源的共享、远程检测与控制。广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统，还包括通过Internet、企业信息网络以及企业内部网络，实现对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理以及信息分析等。典型的网络控制系统如图1.12所示。21图1.12典型的网络控制系统222)网络控制系统的组成结构及层次模型网络控制系统一般由3个部分组成，即控制器、被控对象以及通信网络，被控对象一般为连续系统，而控制器一般采用离散系统。被控对象的输出通过传感器采样的方式离散化并通过网络发送到控制的输入端。控制器进行运算后，将输出通过网络发送到被控对象的输入端，并由保持器生成分段连续函数作为连续系统的输入。常见的网络控制系统结构有径直结构和分层结构，如图1.13所示。23图1.13网络系统的径直与分层结构24感器测量数据传给主控制器。网络控制系统的层次模型如图1.14所示。在径直结构中，控制器将传感器等检测装置从现场检测到的实际参数和预定的期望参数值进行比较计算，得出相应的控制结构后，输出到执行器，作用于被控对象。在分层结构中，主控制器将计算好的参考控制信号通过网络发送给远程控制系统，远程控制器根据参考信号执行本地闭环控制，并将传251.14网络控制系统层次模型①设备层。设备层中的设备种类繁多，有智能传感器、启动器、驱动器、I/O部件、变送器、变换器等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化。来自不同厂家的设备在功能上可用相同功能的同类设备互换、实现可互换性;来自不同厂家的设备可相互通信，并可以在多个厂家的环境中完成功能，实现可互操作性。②自动化层。自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构与协议。对设备层的开放性，允许符合开放标准的设备方便接入;对信息化层的开放性，允许与信息化层互联、互通、互操作。③信息化层。信息化层已较好地实现了开放性策略，各类局域网满足IEEE802标准，信息网络的互联遵循TCP/IP协议。信息网络的开放性为实现控制网络与信息网络的集成提供了有力支持。263)控制网络的特点①传统控制系统与网络控制系统的比较。传统控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。网络化控制系统则借助网络在传感器、控制器、执行器各单元之间传递信息，通过网络连接形成控制系统。如图1.15所示为网络控制系统与传统控制系统的结构比较。由图可知，网络控制系统中，网络化的连接方式简化了控制系统各部分之间的连接关系，为系统设计、维护带来许多方便。27图1.15网络化控制系统与传统控制系统的结构比较28号取代模拟信号在数字网络上的传输，实现控制设备间的数字化互联。b.互操作性。不同厂商之间的产品可以在同一网络中相互兼容、通信，从而减小中间环节的信息处理设备，降低控制成本。c.开放性。系统扩展容易，增加或减少节点比较简单、维护性强。d.节点智能化。很多节点都是带有CPU的智能终端，能够记录、处理数据，节点之间通过网络实现信息传输和功能协调。e.控制现场化和功能分散化。网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场上执行，从而提高了系统的可靠性和安全性。②网络控制系统的优缺点。A.网络控制的优点在于：a.能以较小的信息传输代价实现远程操作和远程控制，用数字信29B.网络控制的问题主要有：a.定常性的丧失。数据到达时刻不再是定常和有规则，不能用简单的采样时间来刻画。b.完整性的丧失。由于数据在传输中可能发生丢失和出错，数据不再是完整的。c.因果性的丧失。由于网络传输时间的不确定，先产生的数据可以迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此，数据到达的次序不再遵守因果关系。d.确定性的丧失。由于数据到达的随机性，整个控