基本介紹
- 書名：計算機控制網路
- 作者：葛運旺
- 出版社：武漢理工大學出版社
- 出版時間： 2005年
內容簡介,目錄,
內容簡介
目錄
第一章 概述
第一節 計算機控制系統的結構與發展
一、計算機控制的一般概念
二、直接數字控制系統的一般組成
三、DDC系統結構演變為DCS的必然性
四、計算機控制系統的實時性問題
第二節 控制系統的網路化發展趨勢
一、ClMS體系結構及工業數據結構的層次劃分
二、傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統
三、現場匯流排技術的產生
四、基於現場匯流排的自動化系統結構的變化
第三節 計算機控制網路中的最新技術
一、嵌入式技術
嵌入式技術執行專用功能並被內部計算機控制的設備或者系統，嵌入式系統不能使用通用型計算機，而且運行的是固化的軟體，用術語表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。儘管絕大多數嵌入式系統是用戶針對特定任務而定製的，但它們一般都是由下面幾個模組組成的： 一台計算機或者微控制器，字長可能是可憐的4位或者8位、16位、32位甚至是64位。 用以保存固件的ROM（非揮發性唯讀存儲器）。 用以存程式數據的RAM（揮發性的隨機訪問存儲器）。 連線微控制器和開關、按鈕、感測器、模數轉化器、控制器、LED（發光二極體）和顯示器的I/O連線埠。 一個輕量級的嵌入式作業系統，一般是自行編寫的。 專門的單片微控制器是大多數嵌入式系統的核心。通過把若干個關鍵的系統組成部分集成到單個晶片上，系統設計者就可以得到小而便宜、可以操作較少外圍電子設備的計算機。 嵌入式系統的一般模型並不足以定義嵌入式系統本身。例如，某些嵌入式系統常常比標準PC機箱小不了多少。這類設備有： 信息查詢以及銷售點終端。 某些工業控制系統。遊戲控制台（例如基於x86和Windows的Xbox）
二、開放的標準
三、先進控制技術
四、EIC一體化
五、綜合自動化
複習思考題
第二章 數據通信基礎
第一節數據通信中的一些基本概念和術語
一、模擬數據通信和數字數據通信
二、數據通信中的主要技術指標
三、通信方式
對於點對點之間的通信，按訊息傳送的方向與時間關係，通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。
所謂單工通信，是指訊息只能單方向傳輸的工作方式。例如遙控、遙測，就是單工通信方式 單工通信信道是單向信道，傳送端和接收端的身份是固定的，傳送端只能傳送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能傳送信息，數據信號僅從一端傳送到另一端，即信息流是單方向的。
通信雙方採用“按——講”（Push To Talk,PTT）單工通信屬於點到點的通信。根據收發頻率的異同，單工通信可分為同頻通信和異頻通信。
即Half-duplex Communication。這種通信方式可以實現雙向的通信，但不能在兩個方向上同時進行，必須輪流交替地進行。也就是說，通信信道的每一段都可以是傳送端，也可以是接收端。但同一時刻里，信息只能有一個傳輸方向。如日常生活中的例子有步話機通信等。
全雙工即Full duplex Communication，是指在通信的任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸。 全雙工通信允許數據同時在兩個方向上傳輸，又稱為雙向同時通信，即通信的雙方可以同時傳送和接收數據。在全雙工方式下，通信系統的每一端都設定了傳送器和接收器，因此，能控制數據同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的互動式套用（例如遠程監測和控制系統）十分有利。這種方式要求通訊雙方均有傳送器和接收器，同時，需要2根數據線傳送數據信號。（可能還需要控制線和狀態線，以及地線）。
理論上，全雙工傳輸可以提高網路效率，但是實際上仍是配合其他相關設備才有用。例如必須選用雙絞線的網路纜線才可以全雙工傳輸，而且中間所接的集線器（HUB），也要能全雙工傳輸；最後，所採用的網路作業系統也得支持全雙工作業，如此才能真正發揮全雙工傳輸的威力。
比如，計算機主機用串列接口連線顯示終端，而顯示終端帶有鍵盤。這樣，一方面鍵盤上輸入的字元送到主機記憶體；另一方面，主機記憶體的信息可以送到螢幕顯示。通常，往鍵盤上打入1個字元以後，先不顯示，計算機主機收到字元後，立即回送到終端，然後終端再把這個字元顯示出來。這樣，前一個字元的回送過程和後一個字元的輸入過程是同時進行的，即工作於全雙工方式。
四、數據編碼技術
第二節 傳輸介質
一、雙絞線
雙絞線（Twisted Pair）是由兩條相互絕緣的導線按照一定的規格互相纏繞（一般以逆時針纏繞）在一起而製成的一種通用配線，屬於信息通信網路傳輸介質。雙絞線過去主要是用來傳輸模擬信號的，但現在同樣適用於數位訊號的傳輸
雙絞線是由一對相互絕緣的金屬導線絞合而成。採用這種方式，不僅可以抵禦一部分來自外界的電磁波干擾，而且可以降低自身信號的對外干擾。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起，一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發出的電波抵消。“雙絞線”的名字也是由此而來。
雙絞線一般由兩根22-26號絕緣銅導線相互纏繞而成，實際使用時，雙絞線是由多對雙絞線一起包在一個絕緣電纜套管里的。典型的雙絞線有四對的，也有更多對雙絞線放在一個電纜套管里的。這些我們稱之為雙絞線電纜。在雙絞線電纜（也稱雙扭線電纜）內，不同線對具有不同的扭絞長度，一般地說，扭絞長度在3.81cm至14cm內，按逆時針方向扭絞。相鄰線對的扭絞長度在1.27cm以上，一般扭線的越密其抗干擾能力就越強，與其他傳輸介質相比，雙絞線在傳輸距離，信道寬度和數據傳輸速率等方面均受到一定限制，但價格較為低廉。
二、同軸電纜
同軸電纜從用途上分可分為基帶同軸電纜和寬頻同軸電纜（即網路同軸電纜和視頻同軸電纜）。同軸電纜分50Ω 基帶電纜和75Ω寬頻電纜兩類。基帶電纜又分細同軸電纜和粗同軸電纜。基帶電纜僅僅用於數字傳輸，數據率可達10Mbps。
同軸電纜的設計正是為了解決這個問題。中心電線發射出來的無線電被網狀導電層所隔離，網狀導電層可以通過接地的方式來控制發射出來的無線電。
同軸電纜也存在一個問題，就是如果電纜某一段發生比較大的擠壓或者扭曲變形，那么中心電線和網狀導電層之間的距離就不是始終如一的，這會造成內部的無線電波會被反射回信號傳送源。這種效應減低了可接收的信號功率。為了克服這個問題，中心電線和網狀導電層之間被加入一層塑膠絕緣體來保證它們之間的距離始終如一。這也造成了這種電纜比較僵直而不容易彎曲的特性。
同軸電纜(Coaxial)是指有兩個同心導體，而導體和禁止層又共用同一軸心的電纜。最常見的同軸電纜由絕緣材料隔離的銅線導體組成，在裡層絕緣材料的外部是另一層環形導體及其絕緣體，然後整個電纜由聚氯乙烯或特氟綸材料的護套包住。
目前，常用的同軸電纜有兩類：50Ω和75Ω的同軸電纜。75Ω同軸電纜常用於CATV網，故稱為CATV電纜，傳輸頻寬可達1GHz，目前常用CATV電纜的傳輸頻寬為750MHz。50Ω同軸電纜主要用於基帶信號傳輸，傳輸頻寬為1～2OMHz，匯流排型乙太網就是使用50Ω同軸電纜，在乙太網中，50Ω細同軸電纜的最大傳輸距離為185米，粗同軸電纜可達1000米。
三、光纖
四、無線介質
第三節 差錯控制方法
一、差錯的產生原因及其控制方法
二、奇偶校驗碼
奇偶校驗碼是一種通過增加冗餘位使得碼字中"1"的個數恆為奇數或偶數的編碼方法,它是一種檢錯碼。在實際使用時又可分為垂直奇偶校驗、水平奇偶校驗和水平垂直奇偶校驗等幾種。
三、循環冗餘碼（CRC）
第四節 多路復用
一、頻分多路復用
二、波分多路復用
波分復用(WDM)是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在傳送端經復用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，並耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸的技術；在接收端，經解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然後由光接收機作進一步處理以恢復原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術，稱為波分復用。
光波分復用器的主要類型有熔融拉錐型，介質膜型，光柵型和平面型四種
其主要特性指標為插入損耗和隔離度
由於光鏈路中使用波分復用設備後，光鏈路損耗的增加量稱為波分復用的插入損耗。當波長l1,l2通過同一光纖傳送時，在與分波器中輸入端l2的功率與l1輸出端光纖中混入的功率之間的差值稱為隔離度。
充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至數倍。目前我們只是利用了光纖低損耗譜（1310nm-1550nm）極少一部分，波分復用可以充分利用單模光纖的巨大頻寬約25THz，傳輸頻寬充足。
具有在同一根光纖中，傳送2個或數個非同步信號的能力，有利於數位訊號和模擬信號的兼容，與數據速率和調製方式無關，線上路中間可以靈活取出或加入信道。
對已建光纖系統，尤其早期鋪設的芯數不多的光纜，只要原系統有功率餘量，可進一步增容，實現多個單向信號或雙向信號的傳送而不用對原系統作大改動，具有較強的靈活性。
由於大量減少了光纖的使用量，大大降低了建設成本、由於光纖數量少,當出現故障時，恢復起來也迅速方便。
有源光設備的共享性，對多個信號的傳送或新業務的增加降低了成本
三、時分多路復用
第五節 數據交換技術
一、電路交換
二、報文交換
三、分組交換
複習思考題
第三章 計算機網路
第一節 概述
一、計算機網路的組成
二、計算機網路的主要功能
三、計算機網路分類
雖然網路類型的劃分標準各種各樣，但是從地理範圍劃分是一種大家都認可的通用網路劃分標準。按這種標準可以把各種網路類型劃分為區域網路、城域網、廣域網和網際網路四種。區域網路一般來說只能是一個較小區域內，城域網是不同地區的網路互聯，不過在此要說明的一點就是這裡的網路劃分並沒有嚴格意義上地理範圍的區分，只能是一個定性的概念。下面簡要介紹這幾種計算機網路。
局域
（Local Area Network；LAN） 通常我們常見的“LAN”就是指區域網路，這是我們最常見、套用最廣的一種網路。現在區域網路隨著整個計算機網路技術的發展和提高得到充分的套用和普及，幾乎每個單位都有自己的區域網路，有的甚至家庭中都有自己的小型區域網路。很明顯，所謂區域網路，那就是在局部地區範圍內的網路，它所覆蓋的地區範圍較小。區域網路在計算機數量配置上沒有太多的限制，少的可以只有兩台，多的可達幾百台。一般來說在企業區域網路中，工作站的數量在幾十到兩百台次左右。在網路所涉及的地理距離上一般來說可以是幾米至10公里以內。區域網路一般位於一個建築物或一個單位內，不存在尋徑問題，不包括網路層的套用。
這種網路的特點就是：連線範圍窄、用戶數少、配置容易、連線速率高。目前區域網路最快的速率要算現今的10G乙太網了。IEEE的802標準委員會定義了多種主要的LAN網：乙太網（Ethernet）、令牌環網（Token Ring）、光纖分散式接口網路（FDDI）、異步傳輸模式網（ATM）以及最新的無線區域網路（WLAN）。這些都將在後面詳細介紹。
城域網
（Metropolitan Area Network；MAN） 這種網路一般來說是在一個城市，但不在同一地理小區範圍內的計算機互聯。這種網路的連線距離可以在10￣100公里，它採用的是IEEE802.6標準。MAN與LAN相比擴展的距離更長，連線的計算機數量更多，在地理範圍上可以說是LAN網路的延伸。在一個大型城市或都市地區，一個MAN網路通常連線著多個LAN網。如連線政府機構的LAN、醫院的LAN、電信的LAN、公司企業的LAN等等。由於光纖連線的引入，使MAN中高速的LAN互連成為可能。
城域網多採用ATM技術做骨幹網。ATM是一個用於數據、語音、視頻以及多媒體應用程式的高速網路傳輸方法。ATM包括一個接口和一個協定，該協定能夠在一個常規的傳輸信道上，在比特率不變及變化的通信量之間進行切換。ATM也包括硬體、軟體以及與ATM協定標準一致的介質。ATM提供一個可伸縮的主幹基礎設施，以便能夠適應不同規模、速度以及定址技術的網路。ATM的最大缺點就是成本太高，所以一般在政府城域網中套用，如郵政、銀行、醫院等。
廣域網
（Wide Area Network；WAN） 這種網路也稱為遠程網，所覆蓋的範圍比城域網（MAN）更廣，它一般是在不同城市之間的LAN或者MAN網路互聯，地理範圍可從幾百公里到幾千公里。因為距離較遠，信息衰減比較嚴重，所以這種網路一般是要租用專線，通過IMP（接口信息處理）協定和線路連線起來，構成網狀結構，解決循徑問題。這種城域網因為所連線的用戶多，總出口頻寬有限，所以用戶的終端連線速率一般較低，通常為9.6Kbps￣45Mbps 如：郵電部的CHINANET，CHINAPAC，和CHINADDN網。
上面講了網路的幾種分類，其實在現實生活中我們真正遇得最多的還要算是區域網路，因為它可大可小，無論在單位還是在家庭實現起來都比較容易，套用也是最廣泛的一種網路，所以在下面我們有必要對區域網路及區域網路中的接入設備作一個進一步的認識。
無線網
隨著筆記本電腦（notebook computer）和個人數字助理
（ Personal Digital Assistant，PDA）等攜帶型計算機的日益普及和發展，人們經常要在路途中接聽電話、傳送傳真和電子郵件閱讀網上信息以及登錄到遠程機器等。然而在汽車或飛機上是不可能通過有線介質與單位的網路相連線的，這時候可能會對無線網感興趣了。雖然無線網與移動通信經常是聯繫在一起的，但這兩個概念並不完全相同。表1 - 2給出了它們之間的對比。例如當攜帶型計算機通過P C M C I A卡接入電話插口，它就變成有線網的一部分。另一方面，有些通過無線網連線起來的計算機的位置可能又是固定不變的，如在不便於通過有線電纜連線的大樓之間就可以通過無線網將兩棟大樓內的計算機連線在一起。
無線網特別是無線區域網路有很多優點，如易於安裝和使用。但無線區域網路也有許多不足之處：如它的數據傳輸率一般比較低，遠低於有線區域網路；另外無線區域網路的誤碼率也比較高，而且站點之間相互干擾比較厲害。用戶無線網的實現有不同的方法。國外的某些大學在它們的校園內安裝許多天線，允許學生們坐在樹底下查看圖書館的資料。這種情況是通過兩個計算機之間直接通過無線區域網路以數字方式進行通信實現的。另一種可能的方式是利用傳統的模擬數據機通過蜂窩電話系統進行通信。目前在國外的許多城市已能提供蜂窩式數字信息分組數據（ Cellular Digital Packet Data，C D P D）的業務，因而可以通過C D P D系統直接建立無線區域網路。無線網路是當前國內外的研究熱點，無線網路的研究是由巨大的市場需求驅動的。無線網的特點是使用戶可以在任何時間、任何地點接入計算機網路，而這一特性使其具有強大的套用前景。當前已經出現了許多基於無線網路的產品，如個人通信系統（ Personal CommunicationS y s t e m，P C S）電話、無線數據終端、攜帶型可視電話、個人數字助理（ P D A）等。無線網路的發展依賴於無線通信技術的支持。目前無線通信系統主要有：低功率的無繩電話系統、模擬蜂窩系統、數字蜂窩系統、移動衛星系統、無線L A N和無線WA N等。
四、網路拓撲結構
第二節 OSI基本參考模型
一、物理層
二、數據鏈路層
三、網路層
四、傳輸層
五、會話層
六、表示層
七、套用層
第三節 區域網路
一、區域網路的主要技術
二、局城網標準
三、區域網路的媒體訪問控制方法
四、區域網路交換機 第四節 乙太網
一、乙太網與802.3
二、快速乙太網
三、千兆位乙太網
第五節 無線區域網路
一、概述
二、擴頻通信技術
三、802.11無線區域網路
第六節 TCP/IP協定
一、概述
二、網路接口層
三、網路層
四、傳輸層
五、套用層
複習思考題
第四章 現場匯流排
第一節 現場匯流排國際標準
一、工業現場對現場匯流排的要求
二、現場匯流排技術概念
三、現場匯流排的發展現狀
第二節 串列通信匯流排
一、EIARS-232-C標準
二、RS-422與RS-423接口標準
三、RS-485匯流排標準
第三節 CAN匯流排
第四節 基金會現場匯流排FFH1
一、ISO/OSI參考模型與FF通信模型的對應關係
二、基金會現場匯流排的網路通信結構
三、網路拓撲結構
四、傳輸介質
五、H1網路的組成部件
六、FF現場匯流排軟體系統結構
第五節 PROFIBUS 一、PROFIBUS概貌
二、PROFIBUS-DP
三、PROFIBUS-PA
第六節 LonWorks現場匯流排
一、NeuronChip神經元專用晶片
二、LonTalk通信協定
三、LonBuilder及NodeBuilder開發工具
四、LonWorks技術的套用
複習思考題
第五章 控制級網路
第一節ARCNET控制網路
一、ARCNET的時間確定性
二、定向信息傳送
三、廣播信息
四、節點進網與退網
五、ARCNET網路的連線方式
六、ARCNET幀結構
七、擴展ARCNET網路
第二節 光纖分散式數據接口FDDI
一、FDDI標準
二、FDDI的幀結構
三、典型的拓撲結構
四、主要特點
第三節 工業乙太網
一、乙太網的優點
二、工業乙太網的概念
三、工業乙太網的關鍵技術
第四節 幾種主要的工業乙太網
一、IDA&Modbus/TCP工業乙太網
二、Etlaernet/IP工業乙太網
三、FFHSE高速乙太網
四、PROFInet工業乙太網
複習思考題
第六章 集散控制系統（DCS）組成與結構
第一節 集散控制系統概念
一、各類控制系統的特點與比較
二、分散式控制系統的組成及體系結構
第二節 新一代分散式控制系統
一、促進第四代DCS形成的原因
二、第四代DCS的體系結構
三、第四代DCS的技術特點
第三節 幾種典型的DCS結構與特點
一、Honeywell公司的ExperionPKS系統
二、Foxlooro公司的A2系統
三、ABB公司的Industrialrr系統
四、Emerson公司的P1antweb系統
五、西門子SIMATICPCS76.0
六、和利時公司的HOLLIAS系統
複習思考題
第七章 系統的可靠性
第一節 系統可靠性指標
一、可靠度R（t）
二、失效率λ（t）
三、平均故障間隔時間
四、平均故障修復時間MTTR
五、平均壽命
六、利用率
第二節 提高系統利用率的措施
一、提高元器件和設備的可靠性
二、提高系統對環境的適應能力
三、容錯技術的套用
四、DCS的分散化結構
五、全系統的多級操作控制
六、故障自診斷技術
七、DCS的遠程診斷和維護
第三節 DCS容錯與冗餘設計
一、容錯與冗餘的概念
二、分散式控制系統的冗餘設計
三、DCS雙機冗餘系統的實現
四、集散控制系統的電源冗餘
五、過程通道冗餘措施
第四節 DCS的接地措施
一、接地的作用
二、接地要求和方法
複習思考題
第八章 組態軟體簡介
第一節 組態軟體概述
一、組態/組態軟體的基本概念及其特點
二、組態軟體的發展趨勢
第二節 組態軟體的系統構成
一、以使用軟體的工作階段劃分
二、按照成員構成劃分
第三節 組態軟體的圖形開發環境
一、基本概念
二、圖形開發環境的工作桌面
第四節 組態軟體的I/O設備驅動
一、設備驅動程式在組態軟體中所處地位及數據流圖
二、設備驅動程式完成的主要功能
三、設備驅動程式能夠連線的設備種類
四、設備驅動程式的技術指標
五、使用設備驅動程式的注意事項
第五節 組態軟體接口程式
一、DDE（動態數據交換）
二、OLE（對象連結與嵌入）
三、DLL（動態程式庫）
四、COM（組件對象模型）
五、ActiveX
六、DCOM（分散式COM）
七、COM+
八、ODBC（開放的資料庫連線）
第六節 OPC
一、OPC發展史
二、OPC對傳統的過程控制系統結構改進
三、OPC與分散式控制
第七節 工控程式語言IEC61131-3
一、IEC61131概述
二、IEC61131-3國際標準的主要特點
三、IEC61131-3的套用情況
四、IEC61131-3梯形圖編程（LD）
五、功能框圖（FunctionBlockDiagram，FBD）語言
六、順序功能流程圖（SFC）
七、結構化文本（ST）
八、指令表（IL）
複習思考題
第九章 集散控制系統的設計與套用
第一節 集散控制系統的評價
一、技術性能評價
二、使用性評價
三、可靠性與經濟性評價
第二節 集散控制系統的選擇
一、選擇原則
二、評價方法
第三節 集散控制系統的設計
一、方案論證
二、方案設計
第四節 集散控制系統的調試、安裝與驗收
一、集散控制系統的調試
二、集散控制系統的安裝
三、集散控制系統的驗收
四、DCS的管理、維護和套用軟體的再開發
複習思考題
參考文獻
