一、计算机工业网络基础
• 网络拓扑结构
4．树线形结构
树线形结构的特点：
树形结构是分层结构，适用于分级管
理和分级控制系统。与星形结构相比， 由于通信线路总长度较短，故它连网 成本低，易于维护和扩展，但结构较 星形结构复杂。
一、计算机工业网络基础
• 网络传输介质
传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物 理通道，起了设备互连和传播信息的作用。传输介质可分为两大 类：有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线介质（如 卫星通信、红外通信、微波通信的载体）。
运行员 操作站 监控级
运行员 操作站
计算站
过程控制站 控制级 基本控 制单元 现场级
通信 接口 基本控 制单元
过程控制站 Cnet 基本控 制单元 基本控 制单元
通信 接口 基本控 制单元
数据采集 Cnet 基本控 制单元 Fnet 数据输入 输出单元
通信 接口 数据输入 输出单元
Cnet 数据输入பைடு நூலகம்输出单元
485 总线
下位机
本地监控 Modem 计算机 （上位机2） 下位机
电话网 Modem
...
...
下位机 PLCn 子系统1
...
下位机
远程监控 计算机
一、计算机工业网络基础
• 网络的三大功能：
（l）数据传送 （2）资源共享 （3）提高计算机的可靠性和可用性
• 网络的类型 通信网络的类型可以按不同的标准进行划分，按网络范围和计算机 之间互连的距离可分为广域网（WAN）和局域网（LAN）两种。
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层1 数据链 路层1 物理层1 路由器 网络层协议转换 数据链 路层1 物理层1 数据链 路层2 物理层2 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链 路层2 物理层2
网络1
网络2
一、计算机工业网络基础
网关又称为网间连接器，能使不同类型（异种网络操作系统）的网络 连接在一起。 下图是网关连接示意图
• 网络访问控制
信息访问控制有：查询、令牌环、令牌总线、CSMA／CD、信息槽 等。
• 信息交换技术
信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容， 它分为两类：线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为 两种：报文存储转发交换与报文分组存储转发交换。
一、计算机工业网络基础
• 网络协议及其层次结构
◆ 控制层 ★ 处于控制的中间层次
★ 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通 过网关设备与信息层相连，很多应用实时性要求较高， 包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的 报文传递等
★ 通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高 的情况下要求通信是确定的、可重复的
◆ 设备层 ★控制网络的最底层 ★面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传 感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较 为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传 送到控制层 ★通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能 和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能 化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容 易，适应现场的不同恶劣条件
采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原 则，并采用层次化的体系结构. 所谓分散控制是用多台微型计算机，分散应用于生产过程控制; 所谓集中管理是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统.
分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。
见下图:
三、集散控制系统（DCS）
至其它局域网 管理计算机 管理级 Mnet 网间连接器 局域网（LAN) 运行员 操作站 Snet 工程师 工作站
TCP/IP网 IPX/SPX网
网关
网关
X.25
二、计算机网络控制技术概述 1、典型控制网络体系结构
• 工业控制网络的基本层次
◆ 信息层 ★ 控制系统的最上层 ★ 通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较 为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高
★ 通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与 数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧 密关联 ★ 可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速 I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因 特网
二、计算机网络控制技术概述
3.控制网络与信息网络的区别
控制网络和信息网络有以下四点区别：
(1)控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系
统最基本的要求。 (2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。
(3)在企业自动化系统中，分散的单一用户必须借助控制网络进
入系统，所以通信方式多使用广播和组播方式，在信息网络中某个 自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式。
常用仪表
现场总线仪表
常用仪表
三、集散控制系统（DCS）
2.集散控制系统（DCS）的特点
• 分散性和集中性
• 自治性和协调性
• 灵活性和扩展性 • 先进性和继承性
• 可靠性和适应性
• 友好性和新颖性
三、集散控制系统（DCS）
3.集散控制系统（DCS）的体系结构
主要有三代产品 •第一代DCS的基本结构
主计算机 操作站 网关
第一、二代DCS基本上为封闭系统，
不同系统之间无法互连，第三代DCS
MAP或MAP 兼容网络 LAN
局域网(LAN)遵循开放系统互连参考 模型的7层通信协议,符合国际标准，
节点工作站
节点装置
比较容易构成信息集成系统。
智能变送器
智能仪表
三、集散控制系统（DCS）
电厂DCS实例
三、集散控制系统（DCS）
操作站 监控机
其基本结构由监控机、操作
高速数据通道
站、数据采集装置、过程控 制单元及高速数据通道等5部 分组成。
数据采集装置
过程控制单元
三、集散控制系统（DCS）
3.集散控制系统（DCS）的体系结构
•第二代DCS的基本结构 组成：
主计算机 操作站 系统管理站
(1)局部网络 (LAN) ；
(2)节点工作站，即指过样控制单(PCU)； (3)中央操作站，它是挂接在LAN上的节点
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层
一、计算机工业网络基础
• 网络互连
网络互连是指采用网络互连设备将同 一类型的网络或不同类型的网络及其 产品相互连接起来组成地理覆盖范围 更大，功能更强的网络。 网络互连常用设备有： 中继器、网桥、路由器、网关。 中继器是网络物理层的一种介质连接设 备，是延长网络距离的最简 单、最廉
一、计算机工业网络基础
• 网络拓扑结构
1．星形结构
星形结构的特点：
hub
（1）结构简单，便于管理。
（2）控制简单，建网容易，通信功能简单。
（3）网络延迟时间小，传输误差较低。
一、计算机工业网络基础
• 网络拓扑结构
2．环形结构
环形结构的特点：
（1）在环路上，每个节点的地位是相同的，每个
节点都可以获得网络的控制权。 （2）不需要进行路径选择，控制比较简单，意味
LAN LAN
工作站，负责对全系统的信息进行综合管 理，是系统的主操作站；
子 系 统
网关
网关 一般工业网
过程控制单元
(4)系统管理站，又称为系统管理模块； (5)主计算机，也称管理计算机；
(6)网关(GateWay)。
三、集散控制系统（DCS）
3.集散控制系统（DCS）的体系结构
•第三代DCS的基本结构
2.现场总线的优点
•一对N结构
•可靠性高 •可控状态
•互可操作性与互换性
•系统结构的高度分散性 •系统的开放性
四、现场总线控制系统(FCS)
3.现场总线对自动化领域的变革
现场总线对当今的自动化领域带来的变革是：
•用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表；
•用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式； •用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表；
数据链路层 MAC1 物理层1 MAC1 物理层1 MAC2 物理层2 MAC2 物理层2 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 LLC LLC 网桥 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 LLC 数据链路层
价的互连设备。 网桥同类型网络之间的互连设备。
网段1
网段2
一、计算机工业网络基础
路由器属于OSI网络层的一种互连设备，对应于网络层进行数据分组 转发，用路由器连接的网络可以使用在数据链路层和物理层互不相同 的协议。下面为路由器工作原理：
二、计算机网络控制技术概述
2、控制网络的特点
从技术上讲，控制网络有以下一些技术特点： (1)要求有高实时性和良好的时间确定性； (2)传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁； (3)容错能力强，可靠性、安全性好； (4)控制网络协议简单实用，工作效率高； (5)控制网络结构具有高度分散性； (6)控制设备的智能化与控制功能的自治性； (7)与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成。
•用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；
•用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS； •变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；
•变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。
四、现场总线控制系统(FCS)
4.FCS对 DCS的变革
•FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现 场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。
一、计算机工业网络基础
• 网络协议及其层次结构
利用分层方法，可以容易地实现 网际联网、网络配置间的连接。为了 实现计算机系统之间的互连，1977年 国际标准化组织（ISO）提出了开放 系统互连参考模型OSI（Open System Interconnection／Reference Model）。这个网络层次结构模型规 定了七个功能层，每层都使用它自己 的协议。