第2章

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用各種通信介質(zhì)計算機網(wǎng)絡(luò)通信以傳輸協(xié)議為基準分布在不同地理位置中的計算機系統(tǒng)或計算機終端連接起來實現(xiàn)資源共享計算機網(wǎng)絡(luò)分類局域網(wǎng)是一種在小范圍內(nèi)實施的計算機網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)城域網(wǎng)是中等規(guī)模的計算機網(wǎng)絡(luò),與局域網(wǎng)相比，城域網(wǎng)的組建更復(fù)雜，功能更齊全。城域網(wǎng)廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)是一種綜合型的計算機網(wǎng)絡(luò)，廣域網(wǎng)組建十分復(fù)雜，設(shè)備眾多，且數(shù)據(jù)傳輸率較低，網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)拓撲(Topology)結(jié)構(gòu)是指用傳輸介質(zhì)互連各種設(shè)備的物理布局。網(wǎng)絡(luò)中的計算機等設(shè)備要實現(xiàn)互聯(lián)，需要以一定的結(jié)構(gòu)方式進行連接，這種連接方式就叫作“拓撲結(jié)構(gòu)”，通俗地講就是這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何連接在一起的。星型拓撲結(jié)構(gòu)總線型拓撲結(jié)構(gòu)環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)計算機通信相關(guān)技術(shù)通信方式是指通信雙方的信息交互的方式。在設(shè)計一個通信系統(tǒng)時，需要考慮使用何種通信方式。一般常見的通信方式有單工通信、半雙工通信和全雙工通信。通信方式通信是單方向的，如同在單行道上，兩臺設(shè)備只有一臺能夠發(fā)送，另一臺則只能接收單工在半雙工模式下，每臺主機均能發(fā)送和接收，但不能同時進行半雙工全雙工在全雙工模式下，雙方主機都能同時發(fā)送和接收，并且兩者能夠同步進行，這好像人們平時打電話一樣，說話的同時也能夠聽到對方的聲音并行與串行在計算機和終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通常是靠電纜或信道上的電流或電壓變化實現(xiàn)的。如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳輸，這種傳輸方式稱為并行通信并行通信串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設(shè)之間的遠距離通信串行通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上的計算機之間要進行通信必須要遵循一定的協(xié)議或規(guī)則，這些為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則或約定就被稱為協(xié)議定義(1)語義。語義是解釋控制信息每個部分的意義。它規(guī)定了通信雙方“講什么”。通信雙方要發(fā)出什么控制信息，執(zhí)行的動作和返回的應(yīng)答，主要涉及用于協(xié)調(diào)與差錯處理的控制信息。它規(guī)定了需要發(fā)出何種控制信息，以及完成的動作與做出什么樣的響應(yīng)。(2)語法。語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序。它規(guī)定了通信雙方“如何講”的問題。規(guī)定的協(xié)議元素的格式，數(shù)據(jù)及控制信息的格式，編碼和信號電平等。(3)時序。也稱為同步，時序是對事件發(fā)生順序的詳細說明。主要涉及傳輸速度匹配和順序問題。OSI（OpenSystemInterconnect）開放式系統(tǒng)互聯(lián)，一般都叫OSI參考模型，是ISO（國際標準化）組織在1985年研究的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模型。OSI參考模型定義了開放系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、層次之間的相互關(guān)系及各層所包含的可能的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議，即TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是Internet最基本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。OSI/RM參考模型TCP/IP模型應(yīng)用層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)際互聯(lián)層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)接口層物理層網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)有線傳輸介質(zhì)是指在兩個通信設(shè)備之間實現(xiàn)的物理連接部分，它能將信號從一方傳輸?shù)搅硪环?，有線傳輸介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纖。雙絞線和同軸電纜傳輸電信號，光纖傳輸光信號。無線傳輸介質(zhì)指我們周圍的自由空間。我們利用無線電波在自由空間的傳播可以實現(xiàn)多種無線通信。在自由空間傳輸?shù)碾姶挪ǜ鶕?jù)頻譜可將其分為無線電波、微波、紅外線、激光等，信息被加載在電磁波上進行傳輸。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)常見交換設(shè)備網(wǎng)卡網(wǎng)卡是網(wǎng)絡(luò)接口卡的簡稱(NetworkInterfaceCard，簡稱NIC)，是計算機局域網(wǎng)中最重要的連接設(shè)備之一，計算機通過網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò)集線器集線器的英文稱為“Hub”，“Hub”是“中心”的意思，它和雙絞線等傳輸介質(zhì)一樣，屬于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備交換機交換機（Switch）意為“開關(guān)”，是一種基于MAC（網(wǎng)卡的硬件地址）識別，交換機可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當前，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要在各個工業(yè)企業(yè)內(nèi)部。總體來說，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)“兩層三級”的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工廠OT層網(wǎng)絡(luò)主要是用于把現(xiàn)場的控制器（PLC、DCS、FCS等）、傳感器、服務(wù)器、監(jiān)控器等連接起來OT層的網(wǎng)絡(luò)工廠IT層網(wǎng)絡(luò)則負責(zé)連接信息系統(tǒng)與終端的數(shù)據(jù)通信。在不斷發(fā)展的工業(yè)自動化世界中，數(shù)據(jù)在智能、高效和快速的系統(tǒng)和軟件應(yīng)用中愈發(fā)重要。對制造業(yè)企業(yè)而言，其擁有最精確、最大價值的信息源來自O(shè)T層的數(shù)據(jù)。工廠IT層網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線的概念于1984年正式提出?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)不僅簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還使得整個控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運、檢修維護都大大簡化現(xiàn)場總線的種類主要有：基金會現(xiàn)場總線FF、ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet以及CAN等

基金會現(xiàn)場總線FF?；饡F(xiàn)場總線FF(FieldbusFoundation)是針對過程自動化而設(shè)計的，是通過數(shù)字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。

ProfiBus自1984年開始研制現(xiàn)場總線產(chǎn)品，現(xiàn)已成為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，歐洲市場占有率大于40%，廣泛應(yīng)用于加工自動化、樓宇自動化、過程自動化、發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域。WorldFip現(xiàn)場總線組織成立于1987年。目前已有一百多個成員，其中許多是工控領(lǐng)域的世界著名大公司，如Honeywell、西技來克（Cegelec）、阿爾斯通（Alstom）、施耐德（Schneider）等ControlNet的基礎(chǔ)技術(shù)是在RockwellAutomation企業(yè)于1995年10月公布。1997年7月成立了ControlNetInternational組織，Rockwell轉(zhuǎn)讓此項技術(shù)給該組織CAN(ControllerAreaNetwork)稱為控制局域網(wǎng)，屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線規(guī)范了任意兩個CAN節(jié)點之間的兼容性，包括電氣特性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議，CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)（ETHERNET）技術(shù)世界上應(yīng)用最廣泛、最為常見的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于世界各地的局域網(wǎng)和企業(yè)骨干網(wǎng)，由Xerox公司于1973年提出并實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)顧名思義，就是封裝在以太網(wǎng)協(xié)議中的特殊工業(yè)協(xié)議，以確保在需要執(zhí)行特定操作的時間和位置發(fā)送和接收正確信息，達到工業(yè)環(huán)境使用需求。具體地來說，工業(yè)以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3系列標準和TCP/IP上的分布式實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，適用于數(shù)據(jù)量傳輸量大，傳輸速度要求較高的場合工業(yè)以太網(wǎng)交換機工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。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)備之間可以通信德國倍福公司發(fā)明的以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（EtherCAT），自2003年以來一直在EtherCAT技術(shù)集團旗下公司發(fā)展壯大。EtherCAT屬于開放的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，為自動化的總線項目提供實時通信，目前最高速率可提升至千兆級與EtherCAT不同的是，Profinet（過程現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)）是由西門子公司在1987年聯(lián)合十四家機構(gòu)五個研究所推出的現(xiàn)場總線標準，其目的即是推動一種串列的現(xiàn)場總線，能夠滿足現(xiàn)場設(shè)備接口最基本的連接需求Ethernet/IP是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系，最初于2000年推出，是一種主要由羅克韋爾自動化公司提供的應(yīng)用層工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，由開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(ODVA)提供支持Powerlink由貝加萊B&R公司開發(fā)，并由EthernetPowerlink標準化組(EthernetPowerlinkStandardisationGroup，EPSG)支持。

Powerlink協(xié)議對第三、四層的TCP(UDP)/IP棧進行了擴展標識解析體系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識是指能夠唯一識別機器、產(chǎn)品、算法、工序等制造業(yè)物理資源和虛擬資源的身份符號。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析是指能夠根據(jù)標識編碼查詢目標對象網(wǎng)絡(luò)位置或者相關(guān)信息的系統(tǒng)裝置。概述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系主要由標識編碼和標識解析兩部分構(gòu)成，標識編碼指為人、機、物等實體對象和算法、工藝等虛擬對象賦予全球唯一的身份標識，類似于互聯(lián)網(wǎng)中的名字服務(wù)解析體系主流的標識解析體系Handle系統(tǒng)是一套由國際DONA基金會組織運行和管理的全球分布式管理系統(tǒng)對象標識符（ObjectIdentifier，OID）是由ISO/IEC、ITU共同提出的標識機制，用于對任何類型的對象、概念或事物進行全球統(tǒng)一命名，一旦命名，該名稱終生有效GS1（GlobalStandard1）是由國際物品編碼協(xié)會建立的一種標識體系。GS1由三大體系構(gòu)成，包括編碼體系、載體體系、數(shù)據(jù)交換體系，可以對物品供應(yīng)鏈全生命周期的各類數(shù)據(jù)信息進行標識我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析系統(tǒng)的整體架構(gòu)采用分層、分級模式構(gòu)建，面向各行業(yè)、各類工業(yè)企業(yè)提供標識解析公共服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下標識解析體系發(fā)展趨勢工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析本質(zhì)是將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識翻譯為物體或相關(guān)信息服務(wù)器地址，并在此基礎(chǔ)上增加查詢物品屬性數(shù)據(jù)的過程，從而支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。傳統(tǒng)互