北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司“無人化”項目部王凱“工業(yè)自動化通信技術(shù)”培訓(xùn)提綱通信技術(shù)基礎(chǔ)工業(yè)自動化通信技術(shù)工業(yè)自動化系統(tǒng)1.通信技術(shù)基礎(chǔ)從烽火告急到無線寬帶1.通信技術(shù)基礎(chǔ)古代的通信方法光-視覺：烽火，火炬聲波：擊鼓鳴金信鴿、旗語1.通信技術(shù)基礎(chǔ)18世紀以來的通信方法1837年,Samuel

Morse發(fā)明電報1876年,Alexander

GrahamBell發(fā)明電話1895年,Guglielmo

Marconi發(fā)明無線電1906年,電子管的發(fā)明使模擬通信得到發(fā)展20世紀50年代、60年代,半導(dǎo)體和集成電路的發(fā)展使數(shù)字通信得到發(fā)展1945年,第一臺電子計算機的問世到80年代計算機的飛速發(fā)展使數(shù)據(jù)通信成為可能1963年,第一次實現(xiàn)同步衛(wèi)星通信20世紀70年代,光導(dǎo)纖維的發(fā)明實現(xiàn)了光纖通信1974年,美國Bell實驗室提出蜂窩移動通信概念1.通信技術(shù)基礎(chǔ)通信：傳遞信息的手段，將信息從發(fā)送器傳送到接收器1.通信技術(shù)基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的一般組成信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。接收設(shè)備：從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等。1.通信技術(shù)基礎(chǔ)模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：(a)話音信號(b)抽樣信號圖1模擬信號1.通信技術(shù)基礎(chǔ)模擬信號和數(shù)字信號數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：(a)二進制信號(b)2PSK信號圖2數(shù)字信號1.通信技術(shù)基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的分類按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)：電話、工業(yè)電視、廣播、對講機數(shù)字通信系統(tǒng)：手機、互聯(lián)網(wǎng)、IP電話、數(shù)字電視1.通信技術(shù)基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖像通信系統(tǒng)……1.通信技術(shù)基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的分類按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)：串口通信、以太網(wǎng)帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)：光纖通信、寬帶通信、電力線通信調(diào)制傳輸系統(tǒng)：模擬調(diào)制（調(diào)幅、調(diào)頻）數(shù)字調(diào)制（2ASK幅移鍵控、2FSK頻移鍵控、2PSK相移鍵控）t1.通信技術(shù)基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的分類按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信……按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用1.通信技術(shù)基礎(chǔ)并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸 優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施 缺點：需要n條通信線路，成本較高1.通信技術(shù)基礎(chǔ)并行傳輸和串行傳輸串行傳輸：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸 優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用 缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施1.通信技術(shù)基礎(chǔ)異步通信與同步通信串行通信中，接收方和發(fā)送方應(yīng)使用相同的傳輸速率。但由于雙方使用的傳輸速率存在微小的誤差，會形成累積誤差而使發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)造成錯位，使接收方收到錯誤的信息。為了解決這一問題，需要使發(fā)送過程和接收過程同步。按同步的方式不同，串行通信分為異步通信和同步通信。異步通信的字符信息格式如圖，每發(fā)送1個字符（數(shù)據(jù)），由1位“起始位”開始，接著是7～8位“數(shù)據(jù)位”，然后是1位“奇偶校驗位”（也可以沒有），最后是1～2位“停止位”。雙方對格式和傳輸速率約定相同。1.通信技術(shù)基礎(chǔ)異步通信與同步通信接收方在收到停止位與起始位之間的下降沿時，將它作為接收的起點，在每一個時鐘脈沖（代表1位）的中間接收信息。由于接收的位數(shù)不多，即使雙方的時鐘頻率有微小的誤差，其累積誤差也不會過大而造成錯位。數(shù)據(jù)位后的“奇偶校驗位”用來檢測接收到的數(shù)據(jù)是否出錯。奇偶校驗分為“奇校驗（Odd）”和“偶校驗（Even）”，也可選擇“不校驗（None）”。奇偶校驗是指把發(fā)送方發(fā)送的每一個字符中數(shù)據(jù)位（包括校驗位）中“1”的個數(shù)的奇偶性與接收方接收到的每一個字符的奇偶性進行比較，如一致表示正確，不一致即表示接收到的數(shù)據(jù)有錯誤。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)從底層到高層，分工合作2.工業(yè)自動化通信技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一種把整個工廠中各個生產(chǎn)流程和自動化控制系統(tǒng)通過各種通信設(shè)備組織為一個整體的一種通信網(wǎng)絡(luò)。在這個通信網(wǎng)絡(luò)中，可有各種不同結(jié)構(gòu)、遵守各種不同通信協(xié)議的通信系統(tǒng)存在，其中主要是工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場總線。工業(yè)以太網(wǎng)IndustrialEthernet——按IEEE802.3標準建立的開放的通信系統(tǒng)，用于傳輸大量數(shù)據(jù)，可與遠程網(wǎng)絡(luò)連接工業(yè)現(xiàn)場總線FieldBus——按現(xiàn)場總線標準建立的開放的通信系統(tǒng)，用于現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)交換點到點通信——用于2個點之間的通信，如PLC與PLC、PLC與PC、PLC與人機接口、打印機、條碼掃描器、讀卡器等設(shè)備連接。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)現(xiàn)場總線FieldBus串行通信接口：RS232C、RS422、RS485（1）RS-232C由美國EIC（電子工業(yè)聯(lián)合會）于1969年公布的通信協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定采用負邏輯，用-15～-5V表示邏輯“1”，+5～+15V表示邏輯“0”。使用9針和25針DB型連接器。當(dāng)通信距離較近時通信雙方可直接連接。最簡單的情況，在通信中不需要控制聯(lián)絡(luò)信號，只需要3根線（發(fā)送線、接收線、信號地）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信。廣泛地用于計算機與終端或外設(shè)之間的近距離通信。 2.工業(yè)自動化通信技術(shù)（1）RS-232CRS-232C采用共地傳送方式，容易引起共模干擾。RS-232C最大通信距離為15m，最高傳輸速率為19.2kbit/s，只能進行一對一的通信。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)（2）RS-422它采用平衡驅(qū)動、差分接收電路(見圖)，共模信號可以互相抵消。它從根本上取消了信號地線，從而消除了由公共地線引入的干擾。平衡驅(qū)動器相當(dāng)于2個單端驅(qū)動器，其輸入信號相同，2個輸出信號互為反相信號。最大傳輸速率為10MBit/S（此時允許的最大通信距離為12m）。最大通信距離為1200m（此時的最大傳輸速率為100Kbit/s）。一臺驅(qū)動器可以連接10臺接收器。 用于計算機與終端或外設(shè)之間的遠距離通信。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)（3）RS-422RS-422是全雙工操作，兩對平衡差分信號線分別用于發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)通過4根導(dǎo)線傳送（4線操作）。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)（3）RS-485RS485是RS-422A的變形，RS-485為半雙工，只有一對平衡差分信號線，不能同時發(fā)送和接收。使用RS-485通信接口和雙絞線可以組成串行通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)。為半雙工2線操作，一對平衡差分信號線不能同時發(fā)送和接收。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)Modbus協(xié)議RS485，電氣物理接口規(guī)范；Modbus，應(yīng)用層協(xié)議，主要包括功能碼服務(wù)規(guī)定、請求/應(yīng)答事務(wù)處理規(guī)范2.工業(yè)自動化通信技術(shù)Modbus協(xié)議Modbus幀簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）在PDU基礎(chǔ)上引入附加字段，應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）功能碼向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作2.工業(yè)自動化通信技術(shù)Modbus協(xié)議Modbus事務(wù)操作在同一時間，總線上只能有一個主站，和一個或多個從站，Modbus通信總是由主站發(fā)起，當(dāng)從站沒有收到來自主站的請求時，不會發(fā)送數(shù)據(jù)，從站之間不能相互通信。2.工業(yè)自動化通信技術(shù)

功能碼（十六進制）數(shù)據(jù)訪問比特訪問內(nèi)部比特或物理線圈讀線圈0101寫單個線圈0505寫多個線圈150F16比特訪問內(nèi)部存儲器或物理輸出存儲器讀保持寄存器0303寫單個寄存器0606寫多個寄存器1610Modbus協(xié)議Modbus功能碼2.工業(yè)自動化通信技術(shù)Modbus協(xié)議Modbus請求訪問設(shè)備存儲器2.工業(yè)自動化通信技術(shù)Modbus協(xié)議在不同的物理鏈路上應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層2.工業(yè)自動化通信技術(shù)數(shù)據(jù)單元層功能主機層數(shù)據(jù)(Data)7.

應(yīng)用層與應(yīng)用程序接口，提供常用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)6.

表示層處理數(shù)據(jù)表示形式，加密和解密，把機器相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成獨立于機器的數(shù)據(jù)5.

會話層建立、維護和管理應(yīng)用間會話(Session)段(Segments)或報文(Message)4.

傳輸層Reliabledeliveryofpacketsbetweenpointsonanetwork.控制數(shù)據(jù)流量，進行調(diào)試及錯誤處理，確?？煽客ㄐ琶浇閷影?Packet)/數(shù)據(jù)報(Datagram)3.

網(wǎng)絡(luò)層尋址、路由、傳輸數(shù)據(jù)報，通過網(wǎng)絡(luò)擁塞程度、服務(wù)質(zhì)量、發(fā)送優(yōu)先權(quán)等來決定節(jié)點間的最佳通信路徑幀(Frame)2.

數(shù)據(jù)鏈路層管理物理層的位數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)受損、丟失甚至重復(fù)傳輸錯誤等問題位(Bit)1.

物理層定義電子及物理設(shè)備規(guī)范，例如針腳、電壓、線纜等；控制信號的發(fā)送和接收OSI參考模型2.工業(yè)自動化通信技術(shù)CAN總線一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，包括了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可以多主方式工作，不分主從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（信息）可以分成不同的優(yōu)先級，滿足不同實時要求采用非破壞性仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，解決兩個節(jié)點同時發(fā)送信息的問題節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能2.工業(yè)自動化通信技術(shù)CAN幀StartofFrameIdentifier11bitsID10RTRIDEID0RB0DLC3DLC0ReservedBits4bitsDataLengthCodeCRC15bitsDelACKDel仲裁段12控制段6數(shù)據(jù)段8N(0￡N￡8)CRC段15AckField2EndofFrame70000111111111幀幀用途1.數(shù)據(jù)幀用于一個節(jié)點傳送信息到其他任一或所有節(jié)點2.遠程幀用于一個節(jié)點主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息3.錯誤幀如果節(jié)點在接收過程中檢測到錯誤，它就會發(fā)送一個錯誤幀4.過載幀當(dāng)一個節(jié)點正忙于處理接收的信息，可以通知其它節(jié)點暫緩發(fā)送報文5.幀間隔幀與幀之間的間隔2.工業(yè)自動化通信技術(shù)數(shù)據(jù)單元層功能主機層數(shù)據(jù)(Data)7.

應(yīng)用層與應(yīng)用程序接口，提供常用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)6.

表示層處理數(shù)據(jù)表示形式，加密和解密，把機器相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成獨立于機器的數(shù)據(jù)5.

會話層建立、維護和管理應(yīng)用間會話(Session)段(Segments)或報文(Message)4.

傳輸層Reliabledeliveryofpacketsbetweenpointsonanetwork.控制數(shù)據(jù)流量，進行調(diào)試及錯誤處理，確?？煽客ㄐ琶浇閷影?Packet)/數(shù)據(jù)報(Datagram)3.

網(wǎng)絡(luò)層尋址、路由、傳輸數(shù)據(jù)報，通過網(wǎng)絡(luò)擁塞程度、服務(wù)質(zhì)量、發(fā)送優(yōu)先權(quán)等來決定節(jié)點間的最佳通信路徑幀(Frame)2.

數(shù)據(jù)鏈路層管理物理層的位數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)受損、丟失甚至重復(fù)傳輸錯誤等問題位(Bit)1.

物理層定義電子及物理設(shè)備規(guī)范，例如針腳、電壓、線纜等；控制信號的發(fā)送和接收OSI參考模型2.工業(yè)自動化通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標準通道，100ms

TCP/IP和UDP/IP參數(shù)和配置診斷數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)商數(shù)據(jù)通道實時通道RT，10ms高性能周期用戶數(shù)據(jù)傳輸事件驅(qū)動消息/報警實時通道IRT，<1ms同步用戶數(shù)據(jù)傳輸抖動誤差<1μsec實時性RTIRTReal-time

1Ethernet(以太網(wǎng))TCP/UDP

PROFINET應(yīng)用IT應(yīng)用舉例HTTPSNMPDHCP...標準數(shù)據(jù)過程數(shù)據(jù)IP

23123PROFINET原理應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層2.工業(yè)自動化通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)ModbusTCP原理應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層2.工業(yè)自動化通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)

EtherNet/IP原理Ethernet(IEEE802.3)應(yīng)用層CIP設(shè)備描述數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層EthernetCSMA/CD(IEEE802.3)InternetProtocolUDPTCPCIP協(xié)議封裝CIP報文路由，連接管理CIP數(shù)據(jù)管理服務(wù)顯式報文，IO報文CIP應(yīng)用層應(yīng)用對象庫電機閥門驅(qū)動器控制器其他CIP以太網(wǎng)2.工業(yè)自動化通信技術(shù)2.工業(yè)自動化通信技術(shù)設(shè)備號，對象號，實例號，屬性號支架#1支架#2支架#3地址#4傳感器#5采煤機壓力#1左滾筒右滾筒牽引電流電流溫度CIP對象模型2.工業(yè)自動化通信技術(shù)幾種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)比較協(xié)議EtherNet/IPPROFINETModbus

TCP性能實時性較好，適用于實時控制實時性好，適用于實時控制實時性差，不適用于實時控制兼容性基于以太網(wǎng)需要專用路由器基于以太網(wǎng)大范圍組網(wǎng)能力有有無技術(shù)實施難度設(shè)備接口需要改造、開發(fā)難度高設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)均需要改造、開發(fā)難度高簡單、無需改造可用資源芯片、模塊、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議棧支持芯片、模塊、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議棧支持所有設(shè)備均具有該接口通訊模式點對點、廣播、雙向點對點、廣播、雙向點對點、查詢-響應(yīng)組織ODAV組織、Rockwell、施耐德PROFIBUS組織、西門子ODVA組織、廣泛支持3.工業(yè)自動化系統(tǒng)大工業(yè)時代的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.工業(yè)自動化系統(tǒng)3.工業(yè)自動化系統(tǒng)1．現(xiàn)場設(shè)備層主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，例如分布式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)和開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。一般采用現(xiàn)場總線。2．控制層又稱為車間監(jiān)控層，用來完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，實現(xiàn)車間級設(shè)備的監(jiān)控。車間級監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)控、設(shè)備故障報警及維護等。通常還具有生產(chǎn)統(tǒng)計、生產(chǎn)調(diào)度等車間級生產(chǎn)管理功能。3.信息層將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。信息層控制層現(xiàn)場設(shè)備層3.工業(yè)自動化系統(tǒng)OPC出現(xiàn)之前軟件驅(qū)動程序

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軟件驅(qū)動程序軟件驅(qū)動程序軟件驅(qū)動程序3.工業(yè)自動化系統(tǒng)圖形用戶界面ＧＵＩ上層軟件需要為不同的總線編寫各自驅(qū)動程序，因而需要得到底層設(shè)備制造商的支持或則正好相反，底層設(shè)備制造上提供設(shè)備時，同時提供上層軟件的驅(qū)動程序頁描述過程數(shù)據(jù)庫頁邏輯顯示操作數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場總線1現(xiàn)場總線2驅(qū)動程序總線類型2總線類型1I/O設(shè)備3.工業(yè)自動化系統(tǒng)OPC出現(xiàn)以前，上層應(yīng)用需要為每種不同的設(shè)備（控制系統(tǒng)、智能設(shè)備）開發(fā)新的驅(qū)動程序,現(xiàn)在工業(yè)界定義了信息交換的標準,基于Microsoft的OLE,稱OPC(OLEforProcessControl）每個設(shè)備供應(yīng)商可以隨同他們的設(shè)備提交一個OPCServer.OPCclient訪問OPCServer獲取數(shù)據(jù)，用于HMI、SCADA等顯示請求