《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)》?精品課件合集第2章技術(shù)基礎(chǔ)2.1PLC技術(shù)2.2傳感器技術(shù)2.3現(xiàn)場總線技術(shù)2.4計算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)2.5分散型控制系統(tǒng)(DCS)2.6SCADA系統(tǒng)第2章技術(shù)基礎(chǔ)2.1PLC技術(shù)2.1.1可編程控制器的基本概念可編程控制器（programmablecontroller），又稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。國際電工委員會（IEC，InternationalElectrotechnicalCommission）在1987年的可編程控制器國際標(biāo)準(zhǔn)第三稿中，對其定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。”可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備都應(yīng)按“易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能”的原則設(shè)計。由可編程控制器構(gòu)成的存儲程序控制系統(tǒng)，一般由3部分組成：并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?！笨删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備都應(yīng)按“易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能”的原則設(shè)計。由可編程控制器構(gòu)成的存儲程序控制系統(tǒng)，一般由3部分組成：（1）輸入部分：直接接收來自操作臺的操作命令，或來自被控對象的各種狀態(tài)信息，如按鈕、開關(guān)、傳感器等發(fā)出的操作命令或狀態(tài)信息。并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?！笨删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備都應(yīng)按“易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能”的原則設(shè)計。由可編程控制器構(gòu)成的存儲程序控制系統(tǒng)，一般由3部分組成：（1）輸入部分：直接接收來自操作臺的操作命令，或來自被控對象的各種狀態(tài)信息，如按鈕、開關(guān)、傳感器等發(fā)出的操作命令或狀態(tài)信息。（2）輸出部分：用來接受程序執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)，以操作各種被控對象，如電動機(jī)、電磁閥、狀態(tài)指示部件等。

并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。”可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備都應(yīng)按“易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能”的原則設(shè)計。由可編程控制器構(gòu)成的存儲程序控制系統(tǒng)，一般由3部分組成：（1）輸入部分：直接接收來自操作臺的操作命令，或來自被控對象的各種狀態(tài)信息，如按鈕、開關(guān)、傳感器等發(fā)出的操作命令或狀態(tài)信息。（2）輸出部分：用來接受程序執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)，以操作各種被控對象，如電動機(jī)、電磁閥、狀態(tài)指示部件等。（3）控制部分：采用微處理器和存儲器，執(zhí)行按照被控對象的實(shí)際要求編制并存入程序存儲器的程序，從而完成控制任務(wù)。對于使用者來說，在編制應(yīng)用程序時，可以不考慮微處理器和存儲器的復(fù)雜構(gòu)成及其使用的計算機(jī)語言，而把PLC看成是內(nèi)部由許多“軟繼電器”組成的控制器，用提供給使用者的類似于繼電器控制線路圖的編程語言進(jìn)行編程。這些“軟繼電器”的線圈、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)一般用圖2.1所示的符號表示。圖2.1“軟繼電器”的線圈與觸點(diǎn)圖2.2PLC控制系統(tǒng)組成

應(yīng)當(dāng)注意，PLC內(nèi)部的繼電器并不是實(shí)際的物理繼電器，它實(shí)質(zhì)上是存儲器中的某些觸發(fā)器。當(dāng)該位觸發(fā)器狀態(tài)為“1”時，相當(dāng)于繼電器接通；該位觸發(fā)器狀態(tài)為“0”時，相當(dāng)于繼電器斷開。PLC為用戶提供的繼電器一般是：輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、特殊功能繼電器等。其中輸入/輸出繼電器一般與外部輸入/輸出設(shè)備相連接，而其他繼電器與外部設(shè)備沒有直接聯(lián)系，因此可統(tǒng)稱為內(nèi)部繼電器。不同機(jī)型PLC中各類繼電器的數(shù)量及使用方法不盡相同，實(shí)際應(yīng)用中需要注意。2.1.2PLC的產(chǎn)生與發(fā)展1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快地在美國其他工業(yè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。到1971年，PLC已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分為5代。第一代為1969—1972年。這個時期的產(chǎn)品，CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。其功能也比較單一，僅能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)等功能。其中PLC特有的編程語言梯形圖一直沿用至今，成為可編程控制器的第一用戶語言。這一時期的典型產(chǎn)品有：美國DEC公司的PDP-14，日本富士公司的USC-4000，日本OMRON公司的SCY-022。第二代為1973—1975年。這個時期的產(chǎn)品已開始使用微處理器作為CPU，PLC（可編程邏輯控制器）成為真正意義上的PC（可編程控制器）（尚未正式命名），而存儲器采用半導(dǎo)體存儲器。其功能有所增加，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字運(yùn)算、傳送、比較等功能，并初步具備自診斷功能，可靠性有了一定提高。這一時期的典型產(chǎn)品有：美國哥德公司的MODICON184、284、384系列，德國西門子的SYMATICS3、S4系列，日本富士的SC系列等。我國在1974年也開始研制自己的PLC。第三代為1976—1983年。這個時期，PLC進(jìn)入了大發(fā)展階段，美國、日本、德國各有幾十個廠家生產(chǎn)PLC。這個時期的產(chǎn)品已采用8位和16位微處理器作為CPU，部分產(chǎn)品還采用了多微處理器結(jié)構(gòu)。其功能顯著增強(qiáng)，速度大大提高，并能進(jìn)行多種復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，具備完善的通信功能和較強(qiáng)的遠(yuǎn)程I/O能力，具有較強(qiáng)的自診斷功能并采用了容錯技術(shù)。1980年，美國電氣制造協(xié)會（NEMA）將PLC正式命名為可編程控制器（PC）。這一時期的典型產(chǎn)品有：美國哥德公司的584、684、884系列，德國西門子的SYMATICS5系列，日本三菱公司的MELPLAC50、550系列，日本OMRON公司的C系列等。第四代為1983年—20世紀(jì)90年代中期。這個時期的產(chǎn)品除采用16位以上的微處理器作為CPU外，內(nèi)存容量更大，有的已達(dá)數(shù)兆字節(jié)；可以將多臺PLC連接起來，實(shí)現(xiàn)資源共享；可以直接用于一些規(guī)模較大的復(fù)雜控制系統(tǒng)；編程語言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖等，還可使用高級語言；外設(shè)多樣化，可以配置CRT和打印機(jī)等。這一時期的典型產(chǎn)品有美國德州儀器公司的T1560、T1561，美國哥德公司的A5900等。第五代為20世紀(jì)90年代中期至今。RISC（精簡指令系統(tǒng)）芯片在計算機(jī)行業(yè)被大量使用，表面貼裝技術(shù)和工藝已成熟，使PLC整機(jī)的體積大大縮小。PLC使用16位和32位微處理器芯片，有的已使用RISC芯片。CPU芯片也向?qū)I(yè)化發(fā)展，系統(tǒng)程序中的邏輯運(yùn)算等標(biāo)準(zhǔn)化功能用超大規(guī)模門陣列電路固化；最小的PLC只有8個I/O點(diǎn)，最大的PLC有32K個以上I/O點(diǎn)；PLC都可以與計算機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)網(wǎng)；最快的PLC處理一步程序僅需幾十ns；軟件上使用容錯技術(shù)，硬件上使用多CPU技術(shù)；兩三百步以上的高級指令，使PLC具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和大批量數(shù)據(jù)處理能力；已開發(fā)出各種智能化模塊；以LCD顯示的人機(jī)智能接口被普遍使用，高級的已發(fā)展到觸摸式屏幕；除手持式編程器外，大量使用了功能強(qiáng)大的編程軟件。這一時期的典型產(chǎn)品有日本OMRON公司的CSI系列。2.1.3PLC的分類PLC的種類很多，其實(shí)現(xiàn)的功能、內(nèi)存容量、控制規(guī)模、外形等方面均存在較大的差異。PLC的分類沒有一個嚴(yán)格統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以按照結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)模、實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大致分類。1.按控制規(guī)模分類輸入/輸出的總路數(shù)，又稱為I/O點(diǎn)數(shù)，是表征PLC控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此按控制規(guī)模對PLC分類時，可根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的不同大致分為小型、中型和大型PLC。（1）小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)較少，一般指256點(diǎn)以下的PLC。（2）中型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)較多，一般指256點(diǎn)以上、2048點(diǎn)以下的PLC。（3）大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)較多，一般指2048點(diǎn)以上的PLC。2.按結(jié)構(gòu)形式分類PLC按照硬件的結(jié)構(gòu)形式可以分為整體式和組合式。（1）整體式PLC整體式PLC外觀上是一個長方形箱體，又稱為箱式PLC。整體式PLC的CPU、存儲器、輸入/輸出模塊安裝在同一個機(jī)箱內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，價格低，輸入/輸出路數(shù)固定，實(shí)現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，靈活性較低。（2）組合式PLC組合式PLC在硬件構(gòu)成上具有較高的靈活性，其模塊可以像拼積木一樣進(jìn)行組合，構(gòu)成具有不同控制規(guī)模和功能的PLC，因此這種PLC又稱為積木式PLC。一般大、中型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。3.按實(shí)現(xiàn)的功能分類按照PLC所能實(shí)現(xiàn)的功能不同，可以把PLC大致地分為低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī)3類。（1）低檔機(jī)：具有邏輯運(yùn)算、計時、計數(shù)、移位、自診斷、監(jiān)控等基本功能，還具有一定的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信、遠(yuǎn)程和模擬量處理功能。（2）中檔機(jī)：除具有低檔機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程、通信、子程序、中斷處理和回路控制功能。（3）高檔機(jī)：除具有中檔機(jī)的功能外，還具有帶符號數(shù)的算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)、表格、CRT、顯示、打印機(jī)打印等功能。一般，低檔機(jī)多為小型PLC，采用整體式結(jié)構(gòu)；中檔機(jī)可為大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整體式結(jié)構(gòu)，中型和大型PLC采用組合式結(jié)構(gòu)；高檔機(jī)多為大型PLC，采用組合式結(jié)構(gòu)。2.1.4PLC常用術(shù)語1.位（bit）位是PLC中邏輯運(yùn)算的基本元素，通常也稱為內(nèi)部繼電器。位實(shí)際上是PLC存儲器中的一個觸發(fā)器，有兩個狀態(tài)，即“0”和“1”，有時也稱為OFF和ON。位可以作為條件參與邏輯運(yùn)算，相當(dāng)于繼電器的觸點(diǎn)，但可以無限次地使用。位也可以作為輸出，存放邏輯運(yùn)算的結(jié)果，相當(dāng)于繼電器的線圈。在程序中一個位只能進(jìn)行一次輸出操作。2.I/O點(diǎn)（I/OPoint）PLC中可以直接和輸入設(shè)備相連接的觸點(diǎn)（位）稱為輸入點(diǎn)，可以直接和輸出設(shè)備相連接的觸點(diǎn)（位）稱為輸出點(diǎn)，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)統(tǒng)稱為PLC的I/O點(diǎn)。PLC的I/O點(diǎn)數(shù)越多，控制規(guī)模越大。有時也常用I/O點(diǎn)數(shù)來表征PLC的規(guī)模。3.通道（channel）4個二進(jìn)制位構(gòu)成一個數(shù)字，這個數(shù)字可以是0-9（用于十進(jìn)制數(shù)的表示），也可以是0～F（用十六進(jìn)制數(shù)的表示）。2個數(shù)字或8個二進(jìn)制位構(gòu)成一個字節(jié)。2個字節(jié)構(gòu)成一個字，字也可稱為通道。一個通道包含16位，或者說包含16個繼電器。4.區(qū)（area）區(qū)是相同類型通道的集合。PLC中一般有數(shù)據(jù)區(qū)、定時/計數(shù)器區(qū)、內(nèi)部繼電器區(qū)等。不同類型的PLC所具有的區(qū)的種類、容量差別較大。2.1.5PLC的硬件組成PLC是一種工業(yè)控制計算機(jī)，其組成與微型計算機(jī)基本相同。PLC的硬件一般由主機(jī)、I/O擴(kuò)展機(jī)及外部設(shè)備組成，其簡化框圖如圖2.3所示。僅有主機(jī)沒有擴(kuò)展機(jī)的構(gòu)成方式稱為基本構(gòu)成方式。帶有擴(kuò)展機(jī)的構(gòu)成方式稱為擴(kuò)展構(gòu)成方式。圖2.3PLC硬件簡化框圖1.主機(jī)（CPU模塊）在主機(jī)內(nèi)部，微處理器（CPU）通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接存儲器、接口及I/O單元，診斷PLC的硬件狀態(tài)，借助編程器接收用戶輸入的程序和數(shù)據(jù)，讀取、解釋并執(zhí)行用戶程序，按規(guī)定的時序接收輸入狀態(tài)、刷新輸出狀態(tài)，并與外部設(shè)備交換信息等。總之，由主機(jī)實(shí)現(xiàn)對整個PLC的控制和管理。（1）微處理器（CPU）PLC中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)、位片式處理器等。常用的通用微處理器有：8位處理器，如Z80A、8085、M6800、M6809等；16位微處理器，如8086、M68000等。常用的單片機(jī)有8039、803l、M680l等。常用的位片式處理器有AMD2900等。（2）存儲器PLC的存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲系統(tǒng)程序，一般采用ROM或EPROM。PLC出廠時，系統(tǒng)程序已固化在存儲器中。用戶程序存儲器用于存儲用戶的應(yīng)用程序。用戶根據(jù)實(shí)際控制的需要，用PLC的編程語言編制應(yīng)用程序，通過編程器輸入到PLC的用戶程序存儲器。中、小型PLC的用戶程序存儲器一般采用EPROM、E2PROM或加后備電池的RAM，其容量一般不超過8KB。有的PLC，其用戶程序存儲器有多種型號可供選擇，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選用。數(shù)據(jù)存儲器用于PLC的數(shù)據(jù)區(qū)、定時/計數(shù)器區(qū)、內(nèi)部繼電器區(qū)等，采用RAM。（3）I/O接口I/O接口是CPU與外部設(shè)備、I/O模塊等的連接部件，用于擴(kuò)充PLC總線的驅(qū)動能力和扇入扇出點(diǎn)數(shù)。I/O接口通常采用鎖存器或?qū)Ｓ肐/O接口芯片。2.電源PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，電源的交流輸入端一般接有尖峰脈沖吸收電路，以提高抗干擾能力。小型PLC電源的交流輸入電壓范圍一般較寬，有的小型PLC可在AC160～260V范圍內(nèi)正常工作。3.輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊即I/O模塊，是PLC與現(xiàn)場I/O設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的狀態(tài)或信息讀入主機(jī)，通過用戶程序的運(yùn)算與操作，把結(jié)果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4.功能模塊除開關(guān)量輸入/輸出外，PLC的其他輸入/輸出功能由功能模塊來實(shí)現(xiàn)。（1）模擬量輸入模塊（即A/D模塊）：該模塊用于將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量輸入到PLC內(nèi)部。模擬量輸入模塊的輸入模擬信號一般為標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號。（2）模擬量輸出模塊（即D/A模塊）：該模塊用于將PLC內(nèi)部的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，將模擬量輸出到PLC外部。模擬量輸出模塊的輸出模擬信號一般為標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號。（3）動態(tài)輸入/輸出模塊（4）溫度傳感器模塊（5）高速計數(shù)模塊（6）PID（proportionintegralderivative）模塊（7）遠(yuǎn)程I/O模塊（8）通信模塊：通信模塊用于處理通信，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。通信模塊用于構(gòu)成計算機(jī)與PLC間的網(wǎng)絡(luò)，一臺計算機(jī)可與多臺PLC構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。PLC通信模塊用于在多臺PLC間構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。5.擴(kuò)展口擴(kuò)展口是PLC的總線接口。主機(jī)與近程擴(kuò)展機(jī)之間利用擴(kuò)展口相連接。6.編程器編程器是PLC最常用的外設(shè)，也是PLC中唯一不需要通過功能模塊而直接與總線相連接的外設(shè)。它通過主機(jī)上的編程器接口直接與主機(jī)相連。編程器上有一個方式選擇開關(guān)，用于控制PLC主機(jī)的工作方式。當(dāng)方式選擇開關(guān)置于編程（PROGRAM）位置時，PLC主機(jī)處于編程方式。此時，用戶可通過編程器向PLC輸入、查詢、修改用戶程序，但PLC不運(yùn)行用戶程序。當(dāng)方式選擇開關(guān)置于監(jiān)控（MONITOR）位置時，PLC主機(jī)處于監(jiān)控方式。在監(jiān)控方式下，PLC運(yùn)行用戶程序，用戶通過編程器不能輸入和修改用戶程序，但可以查詢用戶程序，并對用戶程序的運(yùn)行情況進(jìn)行全面干預(yù)。7.其他外設(shè)PLC可帶打印機(jī)、CRT顯示器、鍵盤等外設(shè)，這些外設(shè)需通過相應(yīng)的功能模塊與PLC連接。2.1.6PLC的軟件系統(tǒng)1.系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是PLC工作的基礎(chǔ)，采用匯編語言編寫，在PLC出廠時就已固化于ROM型系統(tǒng)程序存儲器中，不需要用戶干預(yù)。2.用戶程序用戶程序又稱為應(yīng)用程序，是用戶為完成某一特定的控制任務(wù)而利用PLC的編程語言編制的程序。3.編程語言各種型號的PLC都有自己的編程語言，但這些編程語言基本可分為兩類：梯形圖語言和語句表語言。語句表語言類似于計算機(jī)匯編語言，是用指令助記符來編程的。其表達(dá)形式為：操作碼操作數(shù)（指令）（數(shù)據(jù)）LD00100表示邏輯操作開始，常開觸點(diǎn)00100與母線相連OR01000表示常開觸點(diǎn)01000與前面的觸點(diǎn)并聯(lián)ANDNOT00101表示常閉觸點(diǎn)00101與前面的觸點(diǎn)串聯(lián)OUT01000表示前面的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出給01000END表示程序結(jié)束梯形圖是類似于繼電器控制線路圖的一種編程語言，它面向控制過程，直觀易懂，是PLC編程語言中應(yīng)用最多的一種語言。圖2.4所示為電動機(jī)啟停保護(hù)控制電路的梯形圖。

對照梯形圖和前面的語句表程序，可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)梯形圖可以很方便地寫出語句表，根據(jù)語句表也可以很方便地畫出梯形圖。在實(shí)際應(yīng)用中，往往利用梯形圖進(jìn)行編程，根據(jù)梯形圖利用編程器將語句表程序輸入PLC。2.1.7PLC的擴(kuò)展構(gòu)成在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常遇到僅用主機(jī)不能滿足控制要求的情況。例如，有的場合控制規(guī)律不太復(fù)雜，但信號較多，這時僅用主機(jī)就可能出現(xiàn)I/O點(diǎn)數(shù)不夠用，而選用高檔PLC，雖然I/O點(diǎn)數(shù)夠用，但成本較高。在這種情況下，應(yīng)考慮采用主機(jī)帶擴(kuò)展機(jī)的方式。1.近程擴(kuò)展方式當(dāng)CPU主機(jī)上的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足需要時，或組合式PLC選用的模塊較多在主機(jī)上安裝不開時，可通過擴(kuò)展口進(jìn)行近程擴(kuò)展。在構(gòu)成近程擴(kuò)展方式時，一般采用主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)多于擴(kuò)展機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)的方式。近程擴(kuò)展方式如圖2.5所示。圖2.5近程擴(kuò)展方式2.通信聯(lián)網(wǎng)方式PLC有多種通信模塊，利用這些通信模塊，配以適當(dāng)?shù)耐ㄐ胚m配器，可以構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)。（1）HOSTLink通信PLC與上位機(jī)的連接通信稱為HOSTLink通信。一臺CPM2A與一臺上位機(jī)通信稱為1∶1方式；一臺上位機(jī)與多臺CPM2A通信稱為1∶N方式。（2）同級連接系統(tǒng)ControllerLink網(wǎng)ControllerLink是一種工廠自動化網(wǎng)絡(luò)形式，它可在CSl、CQM1、C200H、CVM1等PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此外，還可以與帶ControllerLink支持卡的上位機(jī)進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收操作。圖2.6ControllerLink的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.8PLC的工作方式當(dāng)PLC運(yùn)行時，CPU就要執(zhí)行用戶程序中的操作。但是CPU不可能同時執(zhí)行多個操作，只能分時地一個一個地執(zhí)行。PLC利用系統(tǒng)軟件在其內(nèi)部建立了輸入、輸出映像區(qū)，當(dāng)PLC的CPU執(zhí)行用戶程序時，從輸入映像區(qū)中讀取輸入信號的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的操作。各種PLC均采用掃描方式工作，但其掃描時間有所不同。所謂掃描時間，是PLC兩次執(zhí)行用戶程序之間的時間間隔，又稱為掃描周期或循環(huán)周期。2.1.9PLC的基本功能1.邏輯控制功能邏輯控制功能實(shí)際上就是位處理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC設(shè)置有“與（AND）”、“或（OR）”、“非（NOT）”等邏輯指令，利用這些指令，根據(jù)外部現(xiàn)場（開關(guān)、按鈕或其他傳感器）的狀態(tài)，按照指定的邏輯進(jìn)行運(yùn)算處理后，將結(jié)果輸出到現(xiàn)場的被控對象（電磁閥、電動機(jī)等）。2.定時控制功能定時控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有許多可供用戶使用的定時器，其功能類似于繼電器線路中的時間繼電器。定時器的設(shè)定值（定時時間）可以在編程時設(shè)定，也可以在運(yùn)行過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改，使用方便靈活。3.計數(shù)控制功能計數(shù)控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC為用戶提供了許多計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)到某一數(shù)值時，產(chǎn)生一個狀態(tài)信號，利用該狀態(tài)信號實(shí)現(xiàn)對某個操作的計數(shù)控制。計數(shù)器的設(shè)定值可以在編程時設(shè)定，也可以在運(yùn)行過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改。4.步進(jìn)控制功能PLC為用戶提供若干個移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)由時間、計數(shù)或其他指定邏輯信號為轉(zhuǎn)步條件的步進(jìn)控制。即在一道工序完成以后，在轉(zhuǎn)步條件控制下，自動進(jìn)行下一道工序。5.數(shù)據(jù)處理功能大部分PLC都具有數(shù)據(jù)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、譯碼編碼等操作。中、大型PLC數(shù)據(jù)處理功能更加齊全，可完成開方、PID運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算等操作，還可以和CRT、打印機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)程序、數(shù)據(jù)的顯示和打印。6.回路控制功能許多PLC具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，可以方便地完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。7.通信聯(lián)網(wǎng)功能許多PLC采用通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制、多臺PLC之間的同位鏈接、PLC與計算機(jī)之間的通信等。8.監(jiān)控功能PLC設(shè)置了較強(qiáng)的監(jiān)控功能。利用編程器或監(jiān)視器，操作人員可對PLC有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。9.停電記憶功能PLC內(nèi)部的部分存儲器所使用的RAM設(shè)置了停電保持器件（如備用電池等），以保證斷電后這部分存儲器中的信息能夠長期保存。10.故障診斷功能PLC可以對系統(tǒng)構(gòu)成、某些硬件狀態(tài)、指令的合法性等進(jìn)行自診斷，若發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警并顯示錯誤類型，如屬嚴(yán)重錯誤則自動停止運(yùn)行。PLC的故障自診斷功能，大大提高了PLC控制系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性。2.1.10PLC的特點(diǎn)1.靈活通用在實(shí)現(xiàn)一個控制任務(wù)時，PLC具有很高的靈活性。首先，PLC產(chǎn)品已系列化，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，在機(jī)型上具有很大的選擇余地。2.安全可靠PLC完善的自診斷功能，能及時診斷出PLC系統(tǒng)的軟、硬件故障，并能保護(hù)故障現(xiàn)場，保證PLC控制系統(tǒng)的工作安全性。3.環(huán)境適應(yīng)性好PLC具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可應(yīng)用于較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。4.使用方便、維護(hù)簡單

PLC的用戶界面十分友好，給使用者帶來了很大的方便。PLC控制系統(tǒng)的維護(hù)非常簡單，利用PLC的自診斷功能和監(jiān)控功能，可以迅速查找到故障點(diǎn)，及時排除。5.速度較慢、價格較高2.2傳感器技術(shù)傳感器（transducer/sensor）是獲取信息的工具。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器設(shè)計、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，它是信息技術(shù)的三大支柱（傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)）之一。2.2.1傳感器的地位和作用人們?yōu)榱烁纳茩C(jī)器性能和提高機(jī)器的自動化程度，需要實(shí)時地測量反映機(jī)器工作狀態(tài)的信息，并利用這些信息去控制機(jī)器，使之處于最佳工作狀態(tài)。為了便于測量和控制，傳感器就應(yīng)運(yùn)而生了，它能將各種被測控量（信息）檢出并轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的可用信號（一般為電信號）。傳感器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中的地位可用圖2.9說明。

由此可見，在自動檢測與自動控制系統(tǒng)中，傳感器位于系統(tǒng)之首，直接感知外界信息，其作用相當(dāng)于人的“五官”。傳感器正確感受信息并將其按相應(yīng)規(guī)律轉(zhuǎn)換為可用信號，對系統(tǒng)測控質(zhì)量起決定作用。自動化程度越高，系統(tǒng)對傳感器的依賴性就越大，因此傳感器是自動檢測與自動控制系統(tǒng)的重要部件。圖2.9傳感器在自動化生產(chǎn)過程中的地位傳感器也是信息采集系統(tǒng)的首要部件，它既是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，傳感器技術(shù)已與通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，并成為現(xiàn)代測量技術(shù)與自動化技術(shù)的重要基礎(chǔ)?？梢栽O(shè)想，如果沒有高保真和性能可靠的傳感器，沒有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲得與精密檢測就成了一句空話，通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)也就成了無源之水、無本之木；現(xiàn)代測量與自動化技術(shù)也會隨之變成水中之月、鏡中之花?，F(xiàn)階段，從宇宙探索、海洋開發(fā)到國防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從環(huán)境保護(hù)、災(zāi)情預(yù)報到包括生命科學(xué)在內(nèi)的每一項現(xiàn)代科學(xué)研究，從生產(chǎn)過程的檢測與控制到人民群眾的日常生活等，幾乎都離不開傳感器和傳感器技術(shù)。事實(shí)表明，傳感器和傳感器技術(shù)已經(jīng)滲入到新技術(shù)革命的所有領(lǐng)域，涉及國民經(jīng)濟(jì)的每個部門，進(jìn)入了大眾生活的各個方面?？梢?，應(yīng)用、研究和發(fā)展傳感器與傳感器技術(shù)，是信息化時代的必然要求。所以，國內(nèi)外都將傳感器列為高技術(shù)，在美、日等發(fā)達(dá)國家傳感器備受重視?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展。特別是微電子加工技術(shù)、微計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，使傳感器技術(shù)得到飛速發(fā)展，傳感器的體積越來越小，精度越來越高，數(shù)字化、多功能化、智能化、集成化等已成趨勢。2.2.2傳感器的定義和組成傳感器有時也稱為換能器、變換器、變送器或探測器。其主要特征是能感知和檢測某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。根據(jù)GB7665—87，傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成（見圖2.10）。敏感元件（sensingelement）是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）與檢出被測對象的待測信息的部分，如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，它將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的變形。轉(zhuǎn)換元件（transductionelement）是指傳感器中能將敏感元件所感受（或響應(yīng)）與檢出的待測信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸和（或）測量的信號的部分，如應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件，它將彈性膜片在壓力作用下的變形轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻值的變化。如果敏感元件直接輸出電信號，則這種敏感元件同時兼為轉(zhuǎn)換元件，如熱電偶將溫度變化直接轉(zhuǎn)換成熱電勢輸出。圖2.10傳感器組成框圖2.2.3傳感器的分類傳感器的種類繁多、原理各異，檢測對象涉及各種參數(shù)，通常一種傳感器可以檢測多種參數(shù)，一種參數(shù)又可以用多種傳感器檢測。所以傳感器的分類至今尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要按工作原理、輸入信息和應(yīng)用范圍來分類。1.按工作原理分類按傳感器的工作原理不同，傳感器大體上可分為物理型、化學(xué)型及生物型三大類，如圖2.11所示。物理型傳感器是利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器，它又可以分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。圖2.11傳感器的分類

物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)將被測量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。例如，熱電偶制成的溫度傳感器，就是利用金屬導(dǎo)體材料的溫差電動勢效應(yīng)和不同金屬導(dǎo)體間的接觸電動勢效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對溫度的測量?；瘜W(xué)傳感器是利用敏感材料與物質(zhì)間的電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)和有機(jī)化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，如氣體傳感器、濕度傳感器和離子傳感器等。生物傳感器是利用材料的生物效應(yīng)構(gòu)成的傳感器，如酶傳感器、微生物傳感器、生物量（血液成分、血壓、心音、血蛋白、激素、筋肉強(qiáng)力等）傳感器、組織傳感器、免疫傳感器等。2.按輸入信息分類傳感器按輸入量分類有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、磁傳感器等。這類傳感器通常以輸入量（被測量）命名，這樣使得對傳感器的應(yīng)用很方便。3.按應(yīng)用范圍分類根據(jù)傳感器的應(yīng)用范圍不同，通?？蓪⑵浞譃楣I(yè)用、農(nóng)用、民用、科研用、醫(yī)用、軍用、環(huán)保用和家電用傳感器等。若按具體使用場合，還可分為汽車用、艦船用、飛機(jī)用、宇宙飛船用、防災(zāi)用傳感器等。如果根據(jù)使用目的不同，又可分為計測用、監(jiān)視用、檢查用、診斷用、控制用和分析用傳感器等。2.2.4傳感器技術(shù)的特點(diǎn)目前，包括傳感器的研究、設(shè)計、試制、生產(chǎn)、檢測與應(yīng)用等各項內(nèi)容在內(nèi)的傳感器技術(shù)，已逐漸形成了一門相對獨(dú)立的專門學(xué)科。與其他學(xué)科相比它具有以下特點(diǎn)：1.內(nèi)容的離散性傳感器技術(shù)所涉及和利用到的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)中的基本“效應(yīng)”“反應(yīng)”和“機(jī)理”，不僅為數(shù)甚多，而且往往彼此獨(dú)立，甚至完全不相關(guān)。2.知識的密集性傳感器技術(shù)是以材料的力、熱、聲、光、電磁等功能效應(yīng)和功能形態(tài)變換原理為理論基礎(chǔ)，并綜合了物理學(xué)、微電子學(xué)、化學(xué)、生物工程、材料科學(xué)、精密機(jī)械、微細(xì)加工和試驗測量等方面的知識和技術(shù)而形成的一門科學(xué)，具有突出的知識密集性和學(xué)科邊緣性，所以它與許多基礎(chǔ)學(xué)科和專業(yè)工程學(xué)關(guān)系極為密切。3.技術(shù)（工藝）的復(fù)雜性傳感器的制造涉及許多的高新技術(shù)，如薄膜技術(shù)、集成技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、鍵合技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)，以及多功能化、智能化技術(shù)等。傳感器的制造工藝難度大、要求高。4.品種的多樣化與用途的廣泛性傳感器與傳感器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、生產(chǎn)過程和日常生活各個領(lǐng)域，幾乎無處不使用傳感器，無處不需要傳感器技術(shù)。因為需要測量的量（待測量）種類很多，而且一種待測量往往可用多種傳感器來檢測（如線位移傳感器，其品種有近20種之多），所以傳感器產(chǎn)品的品種極為復(fù)雜、繁多。而傳感器作為一種商品，用戶對其品種的要求通常很多，但對每一品種需求的數(shù)量往往甚少，品種多、數(shù)量少的矛盾不僅使傳感器成為高價位商品，而且有礙傳感器的快速發(fā)展。2.2.5傳感器系統(tǒng)的基本特性傳感器系統(tǒng)的基本特性是指系統(tǒng)的輸出-輸入特性，即系統(tǒng)輸出信號與輸入（被測物理量）信號之間的關(guān)系。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器在穩(wěn)態(tài)信號[x(t)＝常量]作用下，其輸出-輸入關(guān)系稱為靜態(tài)特性。1.線性度2.靈敏度3.分辨率和分辨力4.遲滯5.重復(fù)性6.精度2.傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號的響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能夠真實(shí)地再現(xiàn)隨時間變化著的輸入量能力的反映。理想的傳感器，其輸出量與輸入量的時間函數(shù)表達(dá)式應(yīng)該相同。但實(shí)際上二者只能在一定的頻率范圍內(nèi)，在允許的動態(tài)誤差條件下保持所謂的一致。動態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來描述，對于連續(xù)時間系統(tǒng)主要有3種形式：時域中的微分方程，復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)，頻率域中的頻率特性。傳感器動態(tài)特性由其本身的固有屬性所決定。2.2.6綜合監(jiān)控系統(tǒng)用傳感器1.光電感煙探測器2.感溫探測器3.火焰探測器4.氣體探測器5.離子感煙傳感器6.濕敏電阻式傳感器光電感煙探測器光電感煙探測器也是點(diǎn)型探測器，它是利用起火時產(chǎn)生的煙霧能夠改變光的傳播特性這一基本性質(zhì)而研制的。根據(jù)煙粒子對光線的吸收和散射作用。光電感煙探測器又分為遮光型和散光型兩種。工作原理：光電感煙火災(zāi)探測器的工作原理是一感光電極處于激光照射下發(fā)生電信號，當(dāng)火災(zāi)煙霧遮蔽激光時，電極失電，發(fā)出報警信號。感溫探測器感溫探測器簡介火災(zāi)時物質(zhì)的燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使周圍溫度發(fā)生變化。感溫探測器是對警戒范圍中某一點(diǎn)或某一線路周圍溫度變化時響應(yīng)的火災(zāi)探測器。它是將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號以達(dá)到報警目的。感溫探測器分類根據(jù)監(jiān)測溫度參數(shù)的不同，一般用于工業(yè)和民用建筑中的感溫式火災(zāi)探測器有定溫式、差溫式、差定溫式等幾種。定溫式探測器定溫式探測器是在規(guī)定時間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升超過某個定值時啟動報警的火災(zāi)探測器。它有線型和點(diǎn)型兩種結(jié)構(gòu)。其中線型是當(dāng)局部環(huán)境溫度上升達(dá)到規(guī)定值時，可熔絕緣物熔化使兩導(dǎo)線短路，從而產(chǎn)生火災(zāi)報警信號。點(diǎn)型定溫式探測器利用雙金屬片、易熔金屬、熱電偶熱敏半導(dǎo)體電阻等元件，在規(guī)定的溫度值上產(chǎn)生火災(zāi)報警信號。差溫式探測器差溫式探測器是在規(guī)定時間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升速率超過某個規(guī)定值時啟動報警的火災(zāi)探測器。它也有線型和點(diǎn)型兩種結(jié)構(gòu)。線型差溫式探測器是根據(jù)廣泛的熱效應(yīng)而動作的，點(diǎn)型差溫式探測器是根據(jù)局部的熱效應(yīng)而動作的，主要感溫器件是空氣膜盒、熱敏半導(dǎo)體電阻元件等。差定溫式探測器差定溫式探測器結(jié)合了定溫和差溫兩種作用原理并將兩種探測器結(jié)構(gòu)組合在一起。差定溫式探測器一般多是膜盒式或熱敏半導(dǎo)體電阻式等點(diǎn)型組合式探測器?；鹧嫣綔y器火焰探測器（flamedetector）是探測在物質(zhì)燃燒時，產(chǎn)生煙霧和放出熱量的同時，也產(chǎn)生可見的或大氣中沒有的不可見的光輻射。雙紅外探測器火焰探測器又稱感光式火災(zāi)探測器，它是用于響應(yīng)火災(zāi)的光特性，即探測火焰燃燒的光照強(qiáng)度和火焰的閃爍頻率的一種火災(zāi)探測器。根據(jù)火焰的光特性，目前使用的火焰探測器有三種：一種是對火焰中波長較短的紫外光輻射敏感的紫外探測器；另一種是對火焰中波長較長的紅外光輻射敏感的紅外探測器；第三種是同時探測火焰中波長較短的紫外線和波長較長的紅外線的紫外/紅外混合探測器。具體根據(jù)探測波段可分為：單紫外、單紅外、雙紅外、三重紅外、紅外/紫外、附加視頻等火焰探測器。根據(jù)防爆類型可分為：隔爆型、本安型。氣體檢測儀器氣體檢測儀器是一種檢測氣體濃度的儀器。檢測氣體：天然氣，液化石油氣，煤氣，氫氣，醇，苯等可燃或有毒氣體。離子感煙傳感器

這是一種用于火災(zāi)報警的當(dāng)外電離室有煙霧進(jìn)入時，部分正、負(fù)離子被吸附在煙霧中燃燒生成微粒（燃燒生成的微粒比離子大1000倍左右），使它們在電場中的運(yùn)動速度大大降低，并且在運(yùn)動中不斷有正、負(fù)離子中和，使離子數(shù)減少。煙霧濃度越高，離子數(shù)愈少，離子電流便愈小，相當(dāng)于等效電阻增大。而內(nèi)電離室是密封的，煙霧不能進(jìn)入，兩極板間的離子電流是恒定不變的，其等效電阻也是不變的。濕敏電阻式傳感器濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)2.3.1現(xiàn)場總線的定義1984年，現(xiàn)場總線的概念得到正式提出。國際電工委員會對現(xiàn)場總線（Fieldbus）的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。它是用于過程自動化或制造自動化中的、實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備與高層設(shè)備之間互聯(lián)的、全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)。通過它可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的分布式控制，在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。簡單地說，現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)最底層的一種總線型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)。這種總線是用作現(xiàn)場控制系統(tǒng)的、直接與所有受控（設(shè)備）節(jié)點(diǎn)串行相連的通信網(wǎng)絡(luò)。

注意：

不同的機(jī)構(gòu)和不同的人可能對現(xiàn)場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認(rèn)現(xiàn)場總線的本質(zhì)體現(xiàn)在以下6個方面：（1）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。（2）現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)。依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)。（3）互操作性。用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。（4）分散功能塊。FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。（5）通信線供電。通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵。（6）開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。2.3.2主流現(xiàn)場總線

雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，但由于各個國家各個公司的利益之爭，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。

目前世界上存在著大約40種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司的PROFIBUS，挪威的FINT，Echelon公司的Lonworks，PhenixContact公司的INTERBUS，RoberBosch公司的CAN以及ASI（ActraturSensorInterface），基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundationFieldbus），WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有80%左右的市場。下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。1.基金會現(xiàn)場總線

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。

基金會現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開放化系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kb/s，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。基金會現(xiàn)場總線的物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。2.CAN

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng)）最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為2層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，具有自動關(guān)閉功能和較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（5Kb/s），通信速率最高可達(dá)1Mb/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。3.Lonworks

它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部７層通信協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，通信速率從300bit/s～1.5Mb/s不等，直接通信距離可達(dá)2700m（78Kb/s），被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實(shí)現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。4.DeviceNet

DeviceNet是一種低成本的通信連接，也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級陣地功能。DeviceNet基于CAN技術(shù)，傳輸速率為125～500Kb/s，每個網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為64。其通信模式為：生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation，開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會）。5.PROFIBUS

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA是用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。從圖2.15可看出這3種系列在應(yīng)用中的區(qū)別與聯(lián)系。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kb/s～12Mb/s，最大傳輸距離在9.6Kb/s下為1200m，在12Mb/s下為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點(diǎn)。如下圖為PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA在自動化系統(tǒng)中的位置6.HART

HART是（HighwayAddressableRemoteTransducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速數(shù)據(jù)鏈路路）的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3層，支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。由于它采用模擬數(shù)字信號混合，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。7.CC-LinkCC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，在1996年11月由三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出。其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mb/s的高速傳送至現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。它不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被我國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。8.WorldFIP

WorldFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨(dú)立，總部設(shè)在法國。它在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。9.INTERBUS

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000年2月成為國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC61158）。INTERBUS采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)性。它采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通信，具有低速度、高效率的特點(diǎn)，并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛?；該總線的實(shí)時性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國際現(xiàn)場總線的領(lǐng)先者。10.Modbus總線

Modbus是MODICON公司于1979年開發(fā)的一種工業(yè)總線通信協(xié)議。它是一種在工業(yè)領(lǐng)域方面廣泛應(yīng)用的真正開放、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信。Modbus總線以其通用、成熟的第三方標(biāo)準(zhǔn)測試軟件及較低的成本，為用戶使用提供了諸多優(yōu)勢。由于Modbus是制造業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境下真正的開放協(xié)議，得到了工業(yè)界的廣泛支持，是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。還由于其協(xié)議簡單、容易實(shí)施和性能價格比高，得到了全球400多個廠家的支持，使用的設(shè)備節(jié)點(diǎn)超過了700萬個，有多達(dá)250個硬件廠商提供Modbus兼容產(chǎn)品。Modbus現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有良好的應(yīng)用。

此外，較有影響的現(xiàn)場總線還有：丹麥ProcessData公司提出的P-Net，該總線主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、食品等行業(yè)；SwiftNet現(xiàn)場總線，主要在航空航天等領(lǐng)域使用。2.3.3現(xiàn)場總線的發(fā)展和以太網(wǎng)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機(jī)、通信技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化、家庭自動化等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀?、提高可靠性、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善，另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況來看，大多數(shù)現(xiàn)場總線都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個市場。2.4計算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)2.4.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)目前還沒有統(tǒng)一的精確定義。通常情況下，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制下，利用某種傳輸介質(zhì)和通信手段，把地理上分散的計算機(jī)、通信設(shè)備及終端等相互連接在一起，以達(dá)到相互通信和資源共享（如硬盤、打印機(jī)等）目的的計算機(jī)系統(tǒng)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)兩個部分組成。通信子網(wǎng)包含傳輸介質(zhì)、通信設(shè)備等，主要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、轉(zhuǎn)接以及變換等工作；資源子網(wǎng)則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種資源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)可分別建設(shè)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可提供的服務(wù)有數(shù)據(jù)通信、資源共享、遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)信息的集中和綜合處理。2.4.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類按網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍劃分，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）、廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork，WAN）和城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork，MAN）。1.局域網(wǎng)一種覆蓋一座或幾座大樓、一個校園或者一個廠區(qū)等地理區(qū)域的小范圍的計算機(jī)網(wǎng)。一般是方圓幾千米以內(nèi)。2.城域網(wǎng)一種界于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間，覆蓋一個城市的地理范圍，用來將同一區(qū)域內(nèi)的多個局域網(wǎng)互連起來的中等范圍的計算機(jī)網(wǎng)。3.廣域網(wǎng)一種用來實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)的局域網(wǎng)或城域網(wǎng)的互連，可提供不同地區(qū)、城市和國家之間的計算機(jī)通信的遠(yuǎn)程計算機(jī)網(wǎng)。也稱遠(yuǎn)程網(wǎng)。通?？缃雍艽蟮奈锢矸秶?，所覆蓋的范圍從幾十公里到幾千公里，它能連接多個城市或國家，或橫跨幾個洲并能提供遠(yuǎn)距離通信，形成國際性的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。3種網(wǎng)絡(luò)的主要特征見表2.1。網(wǎng)絡(luò)分類縮寫大致分布距離跨越地理范圍傳輸速率局域網(wǎng)LAN10m房間4Mb/s～2Gb/s100m建筑物幾km校園城域網(wǎng)MAN10km城市50Kb/s～100Mb/s廣域網(wǎng)WAN10～1000km城市、國家和洲9.6Kb/s～45Mb/s按網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸技術(shù)劃分，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有：廣播式網(wǎng)絡(luò)（BroadcastNetworks），點(diǎn)-點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)（Point-to-PointNetworks）。1.廣播式傳輸網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)在共用介質(zhì)中傳輸。利用一個共同的傳輸介質(zhì)把各個站點(diǎn)連接起來，使網(wǎng)上站點(diǎn)共享一條信道，其中任意一個站點(diǎn)輸出，其他站點(diǎn)均可接收。適宜范圍較小或保密性要求低的網(wǎng)絡(luò)。如總線形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、微波衛(wèi)星網(wǎng)等；2.點(diǎn)-點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以點(diǎn)到點(diǎn)的方式在計算機(jī)或通信設(shè)備中傳輸。如星形、樹形、網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)等。按傳輸速率劃分，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有：低速網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為幾十bit/s～10kb/s；中速網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為幾十Kb/s～幾十Mb/s；高速網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為100Mb/s～幾Gb/s。按傳輸媒體劃分，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為：有線計算機(jī)網(wǎng)，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光纖等；無線計算機(jī)網(wǎng)，傳輸介質(zhì)有無線電波、微波、紅外線、激光等。按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指拋開網(wǎng)絡(luò)中的具體設(shè)備，用點(diǎn)和線抽象出網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)）劃分。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為星型、總線形、環(huán)形、樹形、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是一種以中央節(jié)點(diǎn)為中心，把若干外圍節(jié)點(diǎn)連接起來的輻射式互聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)適用于局域網(wǎng)，特別是近年來連接的局域網(wǎng)大都采用這種連接方式。星型網(wǎng)絡(luò)示意圖星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

它是將網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備通過相應(yīng)的硬件接口直接連接到公共總線上，結(jié)點(diǎn)之間按廣播方式通信，一個結(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，總線上的其它結(jié)點(diǎn)均可“收聽”到。最著名的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以太網(wǎng)Ethernet?？偩€型網(wǎng)絡(luò)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)各結(jié)點(diǎn)通過通信線路組成閉合回路，環(huán)中數(shù)據(jù)只能單向傳輸，信息在每臺設(shè)備上的延時時間是固定的。特別適合實(shí)時控制的局域網(wǎng)系統(tǒng)。最著名的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是令牌環(huán)網(wǎng)TokenRing樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是一種層次結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)按層次連結(jié)，信息交換主要在上下結(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，相鄰結(jié)點(diǎn)或同層結(jié)點(diǎn)之間一般不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)又稱作無規(guī)則結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)結(jié)是任意的，沒有規(guī)律。目前廣域網(wǎng)基本上采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)星型結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、便于管理，通常以集線器Hub作為中央節(jié)點(diǎn)，便于維護(hù)和管理中心結(jié)點(diǎn)是全網(wǎng)絡(luò)的可靠瓶頸，中心結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的癱瘓?？偩€型結(jié)構(gòu)簡單布線容易、可靠性較高，易于擴(kuò)充所有的數(shù)據(jù)都需經(jīng)過總線傳送，總線成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，出現(xiàn)故障診斷較為困難。環(huán)形結(jié)構(gòu)簡單，適合使用光纖，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸延遲確定環(huán)網(wǎng)中的每個結(jié)點(diǎn)均成為網(wǎng)絡(luò)可靠性的瓶頸，任意結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障都會造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，另外故障診斷也較困難。樹形連結(jié)簡單，維護(hù)方便，適用于匯集信息的應(yīng)用要求資源共享能力較低，可靠性不高，任何一個工作站或鏈路的故障都會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)可靠性高，比較容易擴(kuò)展結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一結(jié)點(diǎn)都與多點(diǎn)進(jìn)行連結(jié)，因此必須采用路由算法和流量控制方法。按交換方式劃分，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有：電路交換網(wǎng)，如電話系統(tǒng)；報文交換，如電報；分組交換（信元交換），如因特網(wǎng)、ATM網(wǎng)絡(luò)。1.電路交換在發(fā)端和收端之間建立電路連接，并保持到通信結(jié)束的一種交換方式。2.報文交換這種方式不要求在兩個通信結(jié)點(diǎn)之間建立專用通路。結(jié)點(diǎn)把要發(fā)送的信息組織成一個數(shù)據(jù)包——報文，該報文中含有目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的地址，完整的報文在網(wǎng)絡(luò)中一站一站地向前傳送。每一個結(jié)點(diǎn)接收整個報文，檢查目標(biāo)結(jié)點(diǎn)地址，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的交通情況在適當(dāng)?shù)臅r候轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點(diǎn)。

3.分組交換分組交換是以分組為單位進(jìn)行傳輸和交換的，它是一種存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，即將到達(dá)交換機(jī)的分組先送到存儲器暫時存儲和處理，等到相應(yīng)的輸出電路有空閑時再送出。按適用范圍劃分，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有：公用網(wǎng)，如CHINAPAC；專用網(wǎng)，如微軟公司的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。2.4.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)硬件和網(wǎng)絡(luò)軟件組成。1.網(wǎng)絡(luò)硬件網(wǎng)絡(luò)硬件是指在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中所采用的物理設(shè)備，包括以下內(nèi)容：（1）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：提供網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)中至少有一臺服務(wù)器，允許有多臺服務(wù)器。對服務(wù)器的要求是速度快、硬盤和內(nèi)存容量大、處理能力強(qiáng)。服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)中共享的資源大多都集中在服務(wù)器上。（2）工作站：即用戶機(jī)，是除服務(wù)器以外的聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)工作站，簡稱工作站。一方面工作站可以當(dāng)做一臺普通計算機(jī)使用，處理用戶的本地事務(wù)；另一方面，工作站能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行彼此通信，以及使用服務(wù)器管理的各種共享資源。（3）聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，通過這些設(shè)備，各主機(jī)才能達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)、共享信息的目的。網(wǎng)絡(luò)中主要的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)卡）、中繼器、集線器、網(wǎng)橋、交換機(jī)以及路由器，另外在無線局域網(wǎng)中，還有無線接入設(shè)備AP等。目前，最常用的設(shè)備是交換機(jī)與路由器。①網(wǎng)絡(luò)適配器。網(wǎng)絡(luò)適配器（networkadapter；NA）又稱網(wǎng)卡（NetworkInterfaceCard；NIC），是LAN的通信接口，實(shí)現(xiàn)LAN通信中物理層和介質(zhì)訪問控制層的功能。一方面，網(wǎng)卡要完成計算機(jī)與電纜系統(tǒng)的物理連接；另一方面，它要根據(jù)所采用MAC介質(zhì)訪問控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的封裝和拆封，還要進(jìn)行差錯校驗和相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信管理。如在總線LAN中，要進(jìn)行載波偵聽和沖突監(jiān)測及處理。②中繼器。中繼器是一種在信號傳輸過程中放大信號的設(shè)備，它是網(wǎng)絡(luò)物理層的一種介質(zhì)連接設(shè)備。由于信號在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中有衰減和受噪聲影響，有用的數(shù)據(jù)信號變得越來越弱。為了保證有用數(shù)據(jù)的完整性，并在一定范圍內(nèi)傳送，要用中繼器把接收到的弱信號放大以保持與原數(shù)據(jù)相同。使用中繼器就可以使信號傳送的距離更遠(yuǎn)。③集線器。集線器（Hub）是一種信號再生轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層，相當(dāng)于一個多口的中繼器，能實(shí)現(xiàn)簡單的加密和地址保護(hù)。集線器通過接口與網(wǎng)絡(luò)工作站相連。如果希望連接的計算機(jī)數(shù)目超過集線器的端口數(shù)時，可以采用集線器堆疊或級連的方式來擴(kuò)展。隨著網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的發(fā)展，交換機(jī)的價格逐漸降低，集線器正逐步被交換機(jī)取代。④網(wǎng)橋。網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，在局域網(wǎng)之間存儲和轉(zhuǎn)發(fā)幀（Frame）。網(wǎng)橋的特點(diǎn)是：每一條鏈路都屬于一個單獨(dú)的碰撞域，網(wǎng)橋連接的所有設(shè)備屬于同一廣播域。⑤交換機(jī)。交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，在LAN之間存儲和轉(zhuǎn)發(fā)幀。交換機(jī)的特點(diǎn)是：每一條鏈路都屬于一個單獨(dú)的碰撞域，交換機(jī)連接的所有設(shè)備屬于同一廣播域。交換機(jī)與集線器的不同之處在于交換機(jī)的每個端口都可以獲得同樣的帶寬。⑥路由器。路由器（Router）是網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)設(shè)備，可將多個不同的邏輯網(wǎng)（即子網(wǎng)）相互連接從而形成一個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)橋或傳統(tǒng)交換機(jī)互聯(lián)起來的網(wǎng)絡(luò)則是一個單個的邏輯網(wǎng)。路由器具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇路徑的功能，能在多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境中建立靈活的連接，可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質(zhì)訪問方法連接各種子網(wǎng)。路由器只接收源端或其他路由器的信息，屬于網(wǎng)絡(luò)層的一種互聯(lián)設(shè)備。它不關(guān)心各子網(wǎng)使用的硬件設(shè)備，但要求運(yùn)行與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議一致的軟件。⑦三層交換機(jī)。第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)。它將第二層交換機(jī)和第三層路由器兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，成為一個有機(jī)的整體，是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制，是新一代局域網(wǎng)路由和交換技術(shù)。第三層交換機(jī)能夠代替路由器執(zhí)行傳統(tǒng)路由器的大多數(shù)功能，它應(yīng)該具有路由的基本特征。（4）傳輸介質(zhì)：有同軸電纜、雙絞線、光纜、無線電、微波等。而適用于局域網(wǎng)的導(dǎo)向傳輸介質(zhì)主要有3類：雙絞線、同軸電纜和光纖。①雙絞線（twistedpair；TP）。雙絞線分為兩類屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair，STP)與非屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)，如圖2.17所示。局域網(wǎng)中UTP分為3類、4類、5類和超5類4種。②同軸電纜。同軸電纜由一根空心的外圓柱導(dǎo)體和一根位于中心軸線的內(nèi)導(dǎo)線組成，兩導(dǎo)體間用絕緣材料隔開，如圖2.18所示。同軸電纜既可以用于基帶傳輸，又可以用于寬帶傳輸。用于局域網(wǎng)的同軸電纜都是基帶同軸電纜。③光纖。光纖傳輸是應(yīng)用光學(xué)原理，由光發(fā)送機(jī)產(chǎn)生光束，將電信號變?yōu)楣庑盘?，再把光信號?dǎo)入光纖，在另一端由光接收機(jī)接收光纖上傳來的光信號，并把它變?yōu)殡娦盘?，?jīng)解碼后再處理，如圖2.19所示。光纖分為單模光纖和多模光纖。單模光纖是由激光作光源，僅有一條光通路，傳輸距離長，在2km以上；多模光纖是由二極管發(fā)光，低速短距離：屏蔽型雙絞線，在2km以內(nèi)。④無線傳輸介質(zhì)。無線傳輸介質(zhì)包括無線電、微波、衛(wèi)星、移動通信等。當(dāng)通信線路要通過高山或島嶼，或通信距離很遠(yuǎn)時，鋪設(shè)電纜就不是一件很容易的事，既昂貴又費(fèi)時，但利用無線電波在自由空間的傳播就可較快地實(shí)現(xiàn)通信。無線傳輸所使用的頻段很廣，人們現(xiàn)在已經(jīng)利用了多個波段進(jìn)行通信，短波和無線電微波是常用的兩種。各種無線介質(zhì)傳輸介質(zhì)對應(yīng)的電磁波譜范圍如圖2.20所示。圖2.20無線傳輸介質(zhì)的電磁波譜范圍2.網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議和軟件在網(wǎng)絡(luò)通信中扮演了極為重要的角色。網(wǎng)絡(luò)軟件可大致分為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件是控制和管理網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)資源分配與共享功能的網(wǎng)絡(luò)軟件，它為用戶提供了訪問網(wǎng)絡(luò)和操作網(wǎng)絡(luò)的友好界面。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件是指為某一個應(yīng)用目的而開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)軟件，它為用戶提供一些實(shí)際的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件既可用于管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)本身，也可用于某一個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。2.4.4綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的選擇綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括站級局域網(wǎng)、中央級局域網(wǎng)和全線骨干網(wǎng)，并且為了使監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息層/控制層/設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)流動，在車站還存在基礎(chǔ)層控制網(wǎng)絡(luò)。因此，綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)存在多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)工程需要及信息傳輸帶寬要求等進(jìn)行選擇，采用不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)決定了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（802.3）和TCP/IP協(xié)議成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流，本節(jié)將主要介紹綜合監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)常用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。1.Ethernet（以太網(wǎng)）當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)是以太網(wǎng)家族。以太網(wǎng)系列技術(shù)是目前局域網(wǎng)組網(wǎng)首選的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。歷史上在局域網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用過多種網(wǎng)絡(luò)類型，包括以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)等。最后，以太網(wǎng)以低廉的價格、簡單的配置、方便的管理成為局域網(wǎng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并占據(jù)了90%以上的市場份額，成為校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、城域網(wǎng)建設(shè)中日益重要的選擇。（1）10Mb/s以太網(wǎng)10Mb/s以太網(wǎng)又叫傳統(tǒng)以太網(wǎng)（Ethernet），簡記為10ME，誕生于20世紀(jì)70年代。1983年IEEE正式批準(zhǔn)其為第一個以太網(wǎng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定其采用CSMA/CD作為介質(zhì)訪問控制方法，標(biāo)準(zhǔn)帶寬是10Mb/s。（2）快速以太網(wǎng)（FastEthernet，F(xiàn)E）快速以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)率是100Mb/s?？焖僖蕴W(wǎng)保留了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的所有特征，即相同的幀格式、相同的介質(zhì)訪問方法CSMA/CD、相同的組網(wǎng)方法。用戶只要更換一張網(wǎng)卡，再配上一個100Mb/s的集線器，就可以很方便地由10Base-T以太網(wǎng)直接升級到100Mb/s以太網(wǎng)，而不必改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？焖僖蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)又分為100Base-TX、100Base-FX、100Base-T43個子類。其中100代表傳輸速率為100Mb/s，Base代表基帶傳輸。T4代表使用4根雙絞線，這4根線是語音級的（3類雙絞線）；TX指用2根雙絞線，這2根雙絞線是數(shù)據(jù)級的（5類雙絞線）；FX是光纖。100Base-TX、100Base-FX統(tǒng)稱為100Base-X標(biāo)準(zhǔn)。X是extendedspecification的縮寫，為擴(kuò)展規(guī)范。（3）千兆以太網(wǎng)（GigabitEthernet，GE）千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)率是1000Mb/s。隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)分布計算、桌面視頻會議等應(yīng)用對帶寬提出了新的要求，同時，100Mb/s快速以太網(wǎng)也要求主干網(wǎng)、服務(wù)器一級有更高的帶寬。人們迫切需要更高性能的網(wǎng)絡(luò)，并且它應(yīng)該與現(xiàn)有的以太網(wǎng)產(chǎn)品保持最大的兼容性。為此，IEEE提出了千兆位以太網(wǎng)技術(shù)。千兆以太網(wǎng)技術(shù)包括兩個標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3z與IEEE802.3ab。（4）萬兆以太網(wǎng)（10GigabitEthernet，10GE）。萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)率是10000Mb/s。萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.ae委員會制定，于2002年正式完成。萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)意味著以太網(wǎng)具有更高的帶寬（10G）和更遠(yuǎn)的傳輸距離（最長傳輸距離可達(dá)40km）。萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括10GBase-X、10GBase-R、10GBase-W,3種類型。（5）工業(yè)以太網(wǎng)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，以太網(wǎng)也可分為民用以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)。民用以太網(wǎng)是指普遍應(yīng)用在條件較好的辦公環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)，這類網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的適用性較差。隨著工廠自動化程度的提高，計算機(jī)技術(shù)逐步進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，逐漸形成了工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)吸收普通以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，針對工廠特殊的惡劣環(huán)境和要求進(jìn)行了優(yōu)化改良。工業(yè)以太網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：①實(shí)時性要求高。在工業(yè)控制的應(yīng)用中，控制響應(yīng)時間要求達(dá)到了幾ms到幾十ms，數(shù)據(jù)傳輸具有確定性。②對有效性和可靠性有較高的要求。工業(yè)級交換機(jī)采用以太網(wǎng)邏輯環(huán)技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。冗余網(wǎng)絡(luò)切換時間可限制在500ms以內(nèi)，這樣當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單點(diǎn)故障時，網(wǎng)絡(luò)可在短時間內(nèi)恢復(fù)，保證正常通信。③對工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性要求高。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的條件比較惡劣，主要包括兩個方面，一是電磁干擾嚴(yán)重，二是高溫、高濕、振動、粉塵和水等。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備在設(shè)備制造和應(yīng)用上有較高要求。2.FDDIFDDI（FiberDistributedDataInterface，光纖分布式數(shù)據(jù)接口）是一個使用光纖作為傳輸媒介的令牌環(huán)形網(wǎng)。它先是被ANSI的標(biāo)準(zhǔn)委員會X3T9.5通過成為美國的標(biāo)準(zhǔn)，隨后被ISO通過成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9314。FDDI也常被劃分在城域網(wǎng)MAN的范圍內(nèi)。FDDI的產(chǎn)品在1988年問世。FDDI主要是用作校園環(huán)境的主干網(wǎng)，其主要特性如下：（1）使用基于IEEE802.5令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)的MAC協(xié)議，分組長度最大為4500Byte。（2）利用多模光纖進(jìn)行傳輸，并使用有容錯能力的雙環(huán)拓?fù)?。?）數(shù)據(jù)率為100Mb/s，光信號碼元傳輸速率為125MBaud。（4）可以安裝1000個物理連接（若都是雙連接站，則為500個站），最大站間距離為2km（多模光纖），環(huán)路長度為100km，即光纖總長度為200km。（5）具有動態(tài)分配帶寬的能力，故能同時提供同步和異步數(shù)據(jù)服務(wù)。令牌環(huán)(tokenring)介質(zhì)訪問控制協(xié)議IEEE802.5是在IBM公司提出的標(biāo)記環(huán)規(guī)范基礎(chǔ)上確定的一種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。令牌環(huán)工作原理：令牌環(huán)采用單向令牌作為介質(zhì)訪問控制方法，在令