工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(杭電)復(fù)習(xí)提綱

1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)2014級(jí)復(fù)習(xí)提綱周健宇編工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)要點(diǎn)2017年6月1日第一版第一次修訂第一版前言隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空航天和國(guó)防等諸多領(lǐng)域。“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”是專門研究有關(guān)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本方法的一門課程，也是工科院校自動(dòng)控制或自動(dòng)化專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課之一。本復(fù)習(xí)要點(diǎn)面向高等院校相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，系統(tǒng)而又重點(diǎn)地論述了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本內(nèi)容。主要內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念、局域網(wǎng)技術(shù)、TCP/IP協(xié)議集、HART通信協(xié)議、Modbus總線技術(shù)、PROFIBUS總線技術(shù)以及典型工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技

2、術(shù)。這些內(nèi)容是被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的關(guān)于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)理論的基本內(nèi)容。與其他同類著作相比，本書降低了理論難度，盡量避免比較復(fù)雜、繁瑣的證明和推導(dǎo)，重點(diǎn)在于強(qiáng)化讀者的工程意識(shí)和其提高工程實(shí)踐能力。全復(fù)習(xí)要點(diǎn)共分為8個(gè)章節(jié)，基本上參考工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容，對(duì)其進(jìn)行了歸納與補(bǔ)充，其中第一、二、三、四、五、六、九、十章由周健宇編寫。另外，很多同學(xué)為本復(fù)習(xí)要點(diǎn)的編寫提供了有關(guān)素材并提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。由于編者水平有限，書中難免存在錯(cuò)誤和不妥之處，懇請(qǐng)廣大讀者不吝指正。編者2017年6月1日于杭州目錄第一版前言2第1章概述6工業(yè)控制系統(tǒng)的定義（P1）6工業(yè)控制系統(tǒng)的層次（P1）6工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

3、的發(fā)展過程（P3）6集散控制系統(tǒng)（DCS）的定義（P3）6現(xiàn)場(chǎng)總線的定義（P6）7現(xiàn)在總線控制系統(tǒng)（FCS）的優(yōu)點(diǎn)（P6）7以太網(wǎng)（Ethernet）的優(yōu)勢(shì)7第2章通信系統(tǒng)基本概念8單向數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（P11，看書表2-1）8什么是調(diào)制/解調(diào)？8比特率和波特率的定義(P12)8調(diào)制信道和信噪比的定義（P13）8不歸零、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼的定義（P14、15）9模擬數(shù)據(jù)編碼的三種方法（P16）9通信傳輸方式的三種方式（P16）9信道復(fù)用的三種方法9什么是基帶傳輸？（P17）9什么是循環(huán)冗余碼（CRC）？（P18）10什么是縱向冗余校驗(yàn)（LRC），海明碼？（P20）10OSI參考模

4、型的七層結(jié)構(gòu)以及部分層傳輸數(shù)據(jù)的單位（P22，參考表2-8）10應(yīng)用層的主要協(xié)議10物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的作用（P22-24）10中繼器的定義（P26）11網(wǎng)橋的定義（P26）11集線器與交換機(jī)的區(qū)別11網(wǎng)關(guān)的定義（P28）11第3章局域網(wǎng)技術(shù)12CSMA/CD的定義、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及退避算法（P29、P33）12以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（P35）12以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)和工作模式（P36）12第4章TCP/IP協(xié)議集13TCP/IP的特點(diǎn)（P65）13TCP/IP協(xié)議集模型及其主要協(xié)議以及與OSI參考模型的對(duì)照（P66，圖4-1，圖4-2）13IP地址的分類（P68）13子網(wǎng)掩碼與IP尋址的

5、計(jì)算（P69）13IP路由表包含什么信息？（P72）13傳輸層協(xié)議的定義（P73）：14滑動(dòng)窗口的運(yùn)算以及簡(jiǎn)述三次握手的過程（P75，圖4-8）14UDP與TCP的區(qū)別（P77）14第5章HART通信協(xié)議15HART通信協(xié)議設(shè)計(jì)哪些OSI層？（P85）15HART的幀格式（P89）15Modbus協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)（P100）15Modbus主/從通信方式（P101）15Modbus幀報(bào)文格式（P102，表6-2）16Modbus功能碼分類（P107，表6-4）16第9章PROFIBUS與PROFInet總線技術(shù)16PROFIBUS的兼容子協(xié)議（P173）16第10章典型工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)17工業(yè)

6、以太網(wǎng)的定義與響應(yīng)時(shí)間（P194）17工業(yè)以太網(wǎng)提高實(shí)時(shí)性的措施（P195）17為什么采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，典型的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)？（P198，表10-1）17第1章概述工業(yè)控制系統(tǒng)的定義（P1）所謂工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，通俗地講，是指應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它是隨工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生與發(fā)展起來的，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。（3C技術(shù):Computer、Communication、Control）工業(yè)控制系統(tǒng)的層次（P1）工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)從底向上依次為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)、過程控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)等幾個(gè)層次。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程（P3）工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬信號(hào)傳輸，數(shù)字信號(hào)傳

7、輸，現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)無線通信等幾個(gè)階段。集散控制系統(tǒng)（DCS）的定義（P3）集散控制系統(tǒng)（DCS）是一種比較典型的運(yùn)用數(shù)字傳輸技術(shù)的控制系統(tǒng)，集散控制系統(tǒng)從該角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉或?qū)Ｓ玫牟痪呋ゲ僮餍缘姆植际讲僮飨到y(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線的定義（P6）現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)?，F(xiàn)在總線控制系統(tǒng)（FCS）的優(yōu)點(diǎn)（P6） 全數(shù)字化； 可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量與控制； 雙向的數(shù)據(jù)傳輸； 自診斷； 節(jié)省布線及控制室空間； 儀表功能的多重化； 開放性； 互操作性； 智能化與自治性。以太網(wǎng)（Ethernet）的優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用廣泛； 成本低廉； 通信速率高； 控制算法簡(jiǎn)單；

8、 軟硬件資源豐富； 不需要中央控制站； 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅?易于與Internet連接。第2章通信系統(tǒng)基本概念單向數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（P11，看書表2-1）什么是調(diào)制/解調(diào)？調(diào)制：調(diào)制:將各種數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(hào)(已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào))。解調(diào)：在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào)。比特率和波特率的定義(P12)比特率：通信系統(tǒng)每秒傳輸數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)。波特率：每秒傳輸信號(hào)的個(gè)數(shù)，即每秒傳輸信號(hào)波形的變化次數(shù)。調(diào)制信道和信噪比的定義（P13）調(diào)制信道（模擬信道）是傳輸模擬信號(hào)的信道；編碼信道（數(shù)字信道）是傳輸數(shù)字信號(hào)的信道。信噪比：信噪比是指信號(hào)功率S與噪聲功率N

9、的比值，信噪比一般用10lgS/N表示，單位為dB。不歸零、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼的定義（P14、15）不歸零編碼：最簡(jiǎn)單的編碼方案，它傳送一個(gè)“0”時(shí)把電壓升高，而傳送一個(gè)“1”時(shí)則使用低電平。曼徹斯特編碼：通常用于局域網(wǎng)傳輸，每一位的中間有一個(gè)跳變，每個(gè)比特周期被氛圍兩個(gè)相等的時(shí)間段。差分曼徹斯特編碼：比特間隙中間的跳變用于攜帶同步信息，每個(gè)比特間隙的開始位置的開始位置有跳變代表比特“0”，沒有跳變代表比特“1”。模擬數(shù)據(jù)編碼的三種方法（P16）幅移鍵控（ASK），頻移鍵控（FSK），相移鍵控（PSK）。通信傳輸方式的三種方式（P16）單工傳輸（Simplex Transmissi

10、on），全雙工傳輸（Duplex Transmission），半雙工傳輸（Half-Duplex Transmission）。信道復(fù)用的三種方法頻分復(fù)用（FDM），時(shí)分復(fù)用（TDM），碼分復(fù)用（CDM）。什么是基帶傳輸？（P17）人們把方波固有的頻帶稱為基帶，方波電信號(hào)稱為基帶信號(hào)，在信道上直接傳送數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)稱為基帶傳輸。什么是循環(huán)冗余碼（CRC）？（P18）循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check, CRC)又稱多項(xiàng)式碼。是一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或電腦文件等數(shù)據(jù)產(chǎn)生簡(jiǎn)短固定位數(shù)校驗(yàn)碼的一種散列函數(shù)，主要用來檢測(cè)或校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。什么是縱向冗余校驗(yàn)（L

11、RC），海明碼？（P20）縱向冗余校驗(yàn)（LRC）是一種從縱向通道上的特定比特串產(chǎn)生校驗(yàn)比特的錯(cuò)誤檢測(cè)方法，在Modbus總線中被用于幀校驗(yàn)。海明碼（Hamming）是一種可以糾正一位差錯(cuò)的編碼。OSI參考模型的七層結(jié)構(gòu)以及部分層傳輸數(shù)據(jù)的單位（P22，參考表2-8）OSI參考模型從下到上分別為物理層（傳輸單位-位）、數(shù)據(jù)鏈路層（傳輸單位-幀）、網(wǎng)絡(luò)層（傳輸單位-段）、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。應(yīng)用層的主要協(xié)議FTP（文件傳輸協(xié)議），DNS（域名系統(tǒng)），SMTP(簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議)，POP（郵局協(xié)議版本），LMAP（郵件訪問協(xié)議），HTTP（超文本傳輸協(xié)議），Telnet（遠(yuǎn)程終端協(xié)議）。

12、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的作用（P22-24）數(shù)據(jù)層：在信道上傳輸原始比特流數(shù)據(jù)鏈路層：把相鄰兩節(jié)點(diǎn)的不可靠物理鏈路變?yōu)榭煽繜o差錯(cuò)的邏輯鏈路并傳輸。網(wǎng)絡(luò)層：提供IP傳輸報(bào)，實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議。傳輸層：提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更可靠的傳輸。中繼器的定義（P26）又稱重發(fā)器，是一種地層網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，主要完成物理信號(hào)放大和再生功能。網(wǎng)橋的定義（P26）網(wǎng)橋又稱橋接器，是工作在OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。集線器與交換機(jī)的區(qū)別集線器的主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行再生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時(shí)把所有節(jié)點(diǎn)集中在以它為中心的節(jié)點(diǎn)上。它工作于OSI參考模型的物理層。

13、交換機(jī)（Switch）意為“開關(guān)”是一種用于電（光）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它可以為接入交換機(jī)的任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的電信號(hào)通路。網(wǎng)關(guān)的定義（P28）網(wǎng)關(guān)是比網(wǎng)橋和路由器更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，包括不同網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互連。第3章局域網(wǎng)技術(shù)CSMA/CD的定義、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及退避算法（P29、P33） 定義：CSMA/CD是具有沖突檢測(cè)功能的載波監(jiān)聽多路訪問介質(zhì)訪問控制方法，主要是為解決如何爭(zhēng)用一個(gè)廣播型的共享傳輸信道而設(shè)計(jì)的，能夠決定誰該占用信道。 特點(diǎn)：先聽后說，邊說邊聽。 優(yōu)勢(shì)：站點(diǎn)無需依靠中心控制就能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。 退避算法（二進(jìn)制指數(shù)退避算法）：TN=

14、R×A×2N式中：R隨機(jī)數(shù)；A時(shí)間片（可選總線循環(huán)一周的時(shí)間）；N連續(xù)沖突的次數(shù)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（P35）以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為總線型、星型、環(huán)形和樹形。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)和工作模式（P36） 傳輸介質(zhì)：以太網(wǎng)可以采用同軸電纜、雙絞線和光纖等介質(zhì)傳輸。 工作模式：半雙工和全雙工。第4章TCP/IP協(xié)議集TCP/IP的特點(diǎn)（P65） 開放式的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?？擅赓M(fèi)使用且與具體的計(jì)算機(jī)硬件或操作系統(tǒng)無關(guān)。 與物理網(wǎng)絡(luò)硬件無關(guān)。 通用的尋址方案。TCP/IP協(xié)議集模型及其主要協(xié)議以及與OSI參考模型的對(duì)照（P66，圖4-1，圖4-2）IP地址的分類（P68）A類:126.2

15、55.255.254；B類：54;C類:54;D類：54；E類（實(shí)驗(yàn)研發(fā)用）.：或55子網(wǎng)掩碼與IP尋址的計(jì)算（P69）IP路由表包含什么信息？（P72）路由表包含以下信息：目的IP地址，下一站路由器，標(biāo)志以及網(wǎng)絡(luò)接口。傳輸層協(xié)議的定義（P73）：傳輸層有兩種主要協(xié)議：一種是面向連接的協(xié)議（TCP），一種是無連接的協(xié)議（UDP）。將TCP的PDU稱為段，而將UDP的PDU稱為數(shù)據(jù)報(bào)。IP所提供的服務(wù)是在兩個(gè)主機(jī)間傳遞數(shù)據(jù)，而

16、TCP和UDP的任務(wù)則是將傳遞服務(wù)延伸到各個(gè)主機(jī)的諸多進(jìn)程之間。TCP協(xié)議被用來在一個(gè)不可靠的互聯(lián)網(wǎng)中為應(yīng)用程序提供可靠的端點(diǎn)間的字節(jié)流服務(wù)。所有的TCP連接都是全雙工和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的。有時(shí)，一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)也稱為套接字。滑動(dòng)窗口的運(yùn)算以及簡(jiǎn)述三次握手的過程（P75，圖4-8）UDP與TCP的區(qū)別（P77） UDP是無連接的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接。 UDP不需維護(hù)連接狀態(tài)。 UDP信息包的標(biāo)題很短。 UDP不保證可靠交付。 UDP是面向報(bào)文的。第5章HART通信協(xié)議HART通信協(xié)議設(shè)計(jì)哪些OSI層？（P85）HART采用OSI簡(jiǎn)化模型的第1、2、7層，即物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)

17、用層。HART的幀格式（P89）在HART協(xié)議中，有三種幀，即主設(shè)備到從設(shè)備或成組模式從設(shè)備的幀、從設(shè)備到主設(shè)備的幀和成組模式從設(shè)備到主設(shè)備的幀。Modbus協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)（P100） 豐富的功能碼。 具有出錯(cuò)應(yīng)答功能。 主/從設(shè)備通信機(jī)理。 支持多種電氣接口。 不用專用的芯片與硬件，完全采用市售的標(biāo)準(zhǔn)部件。Modbus主/從通信方式（P101）Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主/從協(xié)議，在同一時(shí)間，只能將一個(gè)主站連接到總線，將一個(gè)或多個(gè)從站（最大數(shù)量247）連接到相同串行總線。主站用兩種模式向從站發(fā)出Modbus協(xié)議請(qǐng)求：?jiǎn)尾ツＪ胶蛷V播模式。Modbus幀報(bào)文格式（P102，表6-2）Modbus功能碼分類（P107，表6-4）功能碼分為3類：公共功能碼，用戶自定義功能碼和保留功能碼。TCP的·502端口是為Modbus協(xié)議通信保留的，在默認(rèn)狀態(tài)下，強(qiáng)制監(jiān)聽這個(gè)端口。第9章PROFIBUS與PROFInet總線技術(shù)PROFIBUS的兼容子協(xié)議（P173）PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即FROFIBUS-DP（范圍最?。?，F(xiàn)ROFIBUS-PA，F(xiàn)ROFIBUS-FMS（車間級(jí)，范圍最大），主要使用主/從方式，通常周期性地與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。FROFIn