工业控制网络
数据通信与工业控制网络知识点总结
数据通信与工业控制网络知识点总结关键信息项：1、数据通信的基本概念和原理定义：＿___________________________特点：＿___________________________重要性：＿___________________________2、工业控制网络的类型和特点类型：＿___________________________各自特点：＿___________________________3、数据传输方式串行传输：＿___________________________并行传输：＿___________________________优缺点比较：＿___________________________4、通信协议常见协议：＿___________________________协议的作用和功能：＿___________________________5、网络拓扑结构总线型：＿___________________________星型：＿___________________________环型：＿___________________________优缺点分析：＿___________________________ 6、工业控制网络中的数据交换技术电路交换：＿___________________________分组交换：＿___________________________报文交换：＿___________________________ 7、差错控制技术纠错编码：＿___________________________检错编码：＿___________________________重传机制：＿___________________________ 8、网络安全与防护威胁类型：＿___________________________防护措施：＿___________________________ 9、工业控制网络的应用案例案例介绍：＿___________________________效果评估：＿___________________________11 数据通信的基本概念和原理数据通信是指在不同设备之间通过传输介质进行数据的传递和交换。
工业控制网络知识点总结
工业控制网络知识点总结一、工业控制网络的概念工业控制网络是指用于工业自动化领域的数据通信系统，其目的是实现对生产设备、工艺过程和生产信息的监控和控制。
工控网络主要包括传感器、执行器、PLC、DCS、SCADA系统等组成部分。
工控网络的设计目标是提高生产效率、降低生产成本和提高生产安全性。
二、工业控制网络的特点1. 实时性：工控网络需要能够实时响应生产过程的变化，及时更新数据和控制设备。
2. 可靠性：工控网络对通信的可靠性要求非常高，因为生产过程中可能会遇到各种干扰和故障，需要能够确保数据传输的准确性和完整性。
3. 安全性：工业控制网络需要能够防范各种网络攻击和恶意操作，保证生产过程的安全性和稳定性。
4. 实时性：工控网络需要能够实时响应生产过程的变化，及时更新数据和控制设备。
5. 可扩展性：工控网络需要能够根据生产需求进行扩展和升级，灵活适应不同的生产环境和设备组合。
三、工业控制网络的组成部分1. 传感器和执行器：传感器用于采集环境参数，例如温度、压力、流量等；执行器用于对生产设备进行控制，例如电动阀门、马达、启动器等。
2. PLC（可编程逻辑控制器）：PLC是工控网络的核心设备，用于实现对生产过程的自动控制。
PLC能够根据预先编制的程序对输入信号进行处理，并输出控制指令，实现对执行器的控制。
3. DCS（分布式控制系统）：DCS是用于对生产过程进行集中监控和控制的系统，通常包括多个控制节点和界面站，能够实现对整个生产线的远程控制。
4. SCADA系统：SCADA系统是用于对生产现场进行实时监控和数据采集的系统，能够通过图形界面对生产现场进行动态显示和实时数据查询。
四、工业控制网络的通信协议工业控制网络使用的通信协议通常包括有线和无线两种类型，其中有线协议主要用于固定式设备的数据通信，无线协议主要用于移动设备和无线传感器网络的数据通信。
1. 有线通信协议（1）Profibus：Profibus是一种用于工业自动化领域的现场总线通信协议，适用于实时数据传输和设备控制。
工业控制网络技术基础
工业控制网络技术的发展历程
早期的工业控制网络技术主要基于模 拟信号传输，随着技术的发展，逐渐 演变为数字信号传输。
近年来，随着物联网、云计算和大数 据等技术的快速发展，工业控制网络 技术也得到了不断升级和完善。
工业控制网络技术的应用场景
工业控制网络技术广泛应用于能源、化工、制造、交通等领域的自动化生产过程中。 在智能制造、智能物流、智能监控等领域，工业控制网络技术也发挥着重要作用。
工业控制网络技术基础
• 引言 • 工业控制网络技术基础知识 • 工业控制网络技术实现方式 • 工业控制网络安全防护 • 工业控制网络技术的发展趋势
01
引言
工业控制网络技术的定义
01
工业控制网络技术是指用于连接 和控制工业生产过程中的各种设 备、传感器和执行器的网络技术 。
02
它通过实时、可靠的数据传输和 控制系统，实现了对工业过程的 精确监测和控制，提高了生产效 率和安全性。
工业控制网络的设备
01
02
03
网络交换机
用于连接各个设备和系统， 实现数据传输和通信。
网关
用于实现不同协议之间的 转换，以实现设备和系统 之间的互操作性。
服务器和客户端
用于存储、处理和监控数 据，实现远程管理和控制。
03
工业控制网络技术实现方式
现场总线技术
现场总线技术是工业控制网络 中的重要组成部分，它是一种 用于连接现场设备与控制系统
工业控制网络的通信协议
Modbus协议
一种串行通信协议，用于连接工业电子设备。
EtherNet/IP协议
一种工业以太网协议，支持实时数据传输和设备 管理。
ABCD
Profinet协议
工业控制网络
工控机用CP通讯器
CP5613和CP5611的区别： 1、前者有处理器，后者没有。 2、前者可以带更多的负载。
光纤的分类
按照制造光纤所用的材料分类，有石英系光纤， 多组分玻璃光纤，塑料包层石英芯光纤，全塑 料光纤和氟化物光纤等。 按照光在光纤中的传输模式不同，可分为单模 光纤和多模光纤。 多模光纤：中心玻璃芯较粗，可以传输多种模 式的光，但因为其模间色散较大，所以传输距 离比较短，只有几千米。 单模光纤：中心玻璃芯较细，只能传输一种模 式的光，因为其模间色散较小，所以传输距离 比较长，适用于远程通讯。
PROFINET – 获得权威用户的 高度认可
优 势
获得认可
通过使用久经考验的 技术实现安全性
在生产线中应用PROFINET技术的生 在生产线中应用PROFINET技术的生 PROFINET 产企业中的一部分
Profinet
Profinet支持三种通信模 式： 1、TCP/IP标准通信：响 应时间大概在100ms量级， 对于工厂控制级来说已经 足够了。 2、实时通信（RT） ：响 应时间大概在5~10ms左 右。 3、等时同步实时通信 （IRT）：主要用于运动 控制，在100个节点下， 响应时间小于1ms，抖动 误差小于1µs，保证响应 的及时性和确定性。
Profinet
PROFINET 由PROFIBUS国际组织 （PROFIBUS International— PI）推出 新一代基于工业以太网技术的自动化总 线标准。 PROFINET为自动化通信领域提供了一 个完整的解决方案，囊括了诸如：实时 以太网、运动控制、分布式自动化、故 障安全以及网络安全等当前自动化领域 的热点话题。 作为跨供应商的技术，可以完全兼容工 业以太网和现有的现场总线（如： PROFIBUS）技术，保护现有投资。 过程 自动化
工业控制网络
1、工业控制网络技术的特点：（1）具有实时性和时间确定性（2）、信息多为短帧结构且交换频繁 3可靠性和安全性较高 4网络协议简单实用 5网络结构具有分散性 6易于实现与信息网络的集成1、工业控制网络技术包括：1.现场总线技术：一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行双向串行多节点数字通信的技术 2.工业以太网技术：采用与商用以太网兼容的技术，选择适应工业现场环境的产品构建的工业网络2、自动控制系统的发展主要经历了那几个阶段：1 气动信号控制阶段 2 模拟信号控制阶段3 集中式数字控制 4 集散式数字控制 5网络控制3、网络控制系统的优点；1结构简单、安装维护方便 2 信息集成度高3 现场设备测控功能强 4 易于实现远程控制4、控制网络与信息网络的区别：1 控制网络具有较高的数据传输实时性和系统响应实时性2控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性 3 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题5、控制网络和信息网络集成的实现方式：1 采用硬件实现 2采用DDE实现 3采用统一的协议标准实现 4采用数据库访问技术实现 5采用OPC实现第二章CAN （控制器局域网）1、CAN总线特点：1.AN为多主方式工作 2.AN网络上的节点信息分成不同的优先级3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术 4.采用报文滤波 5.直接通信距离可达10km 6结点取决于总线驱动电路 7.采用短帧结构传输时间段抗干扰能力强，有较好的检错结果 8.每次信息都有CRC检验及其他检错措施 9.通信介质可为双绞线，同轴电缆或光线选择灵活 10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能2、CAN通信模型：遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。
数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层3、报文传送类型：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧4、报文结构：1.帧的组成：由7个不同位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束5、错误类型：位错误、填充类型、CRC错误、格式错误、应答错误6、正常位时间组成：分为几个互不重叠的时间段，包括：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段27、显性隐性类：显性“0”状态以大于最小阀值的差分电压表示隐形“1”8、CAN通信控制器：（1）sja1000通信控制器实现了can总线物理层和数据链路成的所有功能。
工业控制网络课程设计
工业控制网络课程设计一、教学目标本课程旨在通过学习工业控制网络的基本概念、原理和技术，使学生掌握工业控制网络的基本知识，提高学生分析和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.了解工业控制网络的基本概念和分类；2.掌握工业控制网络的体系结构和工作原理；3.熟悉工业控制网络的主要技术和应用。
4.能够分析工业控制网络系统的组成和功能；5.能够设计和实现简单的工业控制网络系统；6.能够运用所学知识分析和解决工业控制网络实际问题。
情感态度价值观目标：1.培养学生对工业控制网络技术的兴趣和好奇心；2.培养学生团队合作精神和自主学习能力；3.培养学生关注工业控制网络技术的发展和应用，提高学生的社会责任感和创新意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.工业控制网络的基本概念和分类：工业控制网络的定义、分类和特点；2.工业控制网络的体系结构和工作原理：工业控制网络的体系结构、数据传输方式和通信协议；3.工业控制网络的主要技术和应用：工业控制网络的关键技术、常见应用场景和案例分析。
教学内容将按照教材的章节进行安排，每个章节都有相应的教学目标和教学内容，确保学生的学习具有连贯性和系统性。
三、教学方法为了提高教学效果和学生的学习兴趣，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
1.讲授法：通过教师的讲解，使学生了解和掌握工业控制网络的基本概念、原理和技术；2.讨论法：通过小组讨论，培养学生的思考能力和团队合作精神；3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生更好地理解和应用所学知识；4.实验法：通过动手实验，培养学生的实践能力和创新能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的学习材料；2.参考书：提供相关的参考书籍，丰富学生的知识体系；3.多媒体资料：制作课件、教案等多媒体资料，提高教学效果；4.实验设备：准备实验设备，为学生提供实践操作的机会。
工业控制网络(现场总线)
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.2 LLC子层和MAC子层
LLC子层旳主要功能： 接受过滤是指LLC子层经过对报文整个标识符 或部分标识符旳屏蔽/筛选来决定是否接受报文； 超载告知是指在发生超载条件时，LLC子层发 送超载帧以示通告，从而延迟下一种数据帧或远 程帧； 恢复管理是指在发送期间，对于丢失仲裁旳或 已损旳报文，LLC子层具有自动重发旳功能。
3.2.2.1 CAN节点旳分层构造
3.2.2.2 帧格式和帧类型
1．数据帧 数据帧由7个不同旳位场构成：帧起始、
仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答 场、帧结束
3.2.2.2 帧格式和帧类型
3.2.2.2 帧格式和帧类型
3.2.2.2 帧格式和帧类型
2．远程帧 3．错误帧 4．超载帧 5．帧间空间
3.2.1.4 错误类型和界定
➢填充错误(Stuff Error) 在应使用位填充措施进行编码旳报文中，
出现了第6个连续相同旳位电平时，将检出一 种填充错误。
3.2.1.4 错误类型和界定
➢CRC错误(CRC Error) CRC序列是由发送器完毕旳CRC计算成果
构成旳。接受器以与发送器相同旳措施计算 CRC。假如计算成果与接受到旳CRC序列不 相同，则检出一种CRC错误。
变沿（和在低位速率旳情况下，选择旳“显性”至“隐 性”旳跳变沿）都将被用于重同步。
3.2.1.6 CAN振荡器容差旳提升
为使振荡器容差最大值由目前旳0.5%提升到 1.5%，并与目前CAN指标向前兼容，CAN2.0进 行了下列修正：
1.若一种CAN节点在间歇场旳第3位采样到一种 显性位，则它将此位了解为帧起始位；
工业控制网络
工业控制网络(简称控制网络)是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术，随着自动控制、网络、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断涌现，工业控制网络系统已经成为自动控制系统发展的主流方向，工业控制网络技术在自动控制领域中的作用与日俱增。
它已经成为当今自动控制领域研究的热点，被誉为跨世纪的自控新技术。
工业控制网络能将具有数字通信能力的测控仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，把控制设备连接成相互沟通信息，共同完成自动控制任务的网络系统。
其特点：
●可靠性和安全性高；
●网络协议简单实用；
●网络结构分散性；
●易于实现与信息网络的集成。
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哈尔滨工业大学远程教育学院 2011年秋季学期工业控制网络试题纸（开卷，时间：90分钟）（所有答案必须写在答题纸上）一、名词解释（共8分，每题1分）1、DCS 答：集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统2、CAN 答：控制器局域网。
3、CSMA/CD 答：载波监听多路访问/冲突检测。
4、PDU 答：PDU：协议数据单元。
5、半双工通信答：信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。
6、ODV A 答：开放式设备网供货商协会；7、UCMM 答：未连接报文管理器；8、MAC 答：介质访问控制二、填空题（共22分，每空0.5分）1、安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信通信的数据总线称为现场总线。
2、现场总线控制系统软件包括：组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件、设备编程软件、系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件1、现场总线（系统）硬件包括（通信线）和（连接在通信线上的设备），软件包括（组态工具软件）、（组态通信软件）、（监控组态软件）和（设备编程软件）系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。
等。
3、进入“工业控制系统用现场总线”国际标准IEC61158（第4版）20种现场总线中的4种类型：、、、。
答：IEC/TS61158、CIP、PROFIBUS、P-NET 、FF HSE、SwiftNet、WorldFIP、INTERBUS、FF H1、PROFINET、TCnet、EtherCAT、Ethernet Powerlink、EPA、MODBUS-RTPS、SERCOS-Ⅰ,Ⅱ、VNET/IP 、CC-Link、SERCOS-Ⅲ、HART二十种现场总线中写出5种即可。
给出进入国际标准IEC62026中的2种现场总线类型：（AS-i）、（DeviceNet）。
4、PROFIBUS由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS三部分组成。
6、模拟数据编码的三种编码方法为幅度键控ASK、频移键控FSK 和相移键控PSK。
3、TCP/IP参考模型的4层分别是：主机至网络层、互联网层、传输层和应用层2、CAN远程帧由6个不同的位场组成，按由先到后发到总线上的顺序，分别是：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。
5、在CAN总线中存在5种不同的错误类型，即位错误、填充错误、CRC错误、形式错误和应答错误。
7、DeviceNet现场总线支持位选通、轮询、状态改变、周期4种I/O数据触发方式。
8、DeviceNet主站是为过程控制器采集和分配I/O数据的设备。
DeviceNet对象用于提供到DeviceNet上的一个物理连接的配置及状态。
DeviceNet现场总线网络上节点数最多可达64个，支持125bps、250bps、500 bps三种波特率，总线长度可达500米。
9、ControlNet现场总线中，最大网络速度为5Mbps，网络刷新时间为2--100ms，物理介质为RG6同轴电缆、光纤。
10、服务原语的4种类型为：请求、指示、响应、证实原语。
4、无证实服务包括请求和指示2个原语。
3、国际标准IEC61158对现场总线的定义是：安装在制造或（过程）区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的（数字式）、（串行）、（多点）通信的数据总线称为现场总线。
4、请给出两种不同类型的介质访问控制方式：（载波监听多路访问/冲突检测）和（令牌访问控制方式）。
6、标准格式的CAN数据帧最短为（44）位，不计填充位最长为（108）位，总线长度最长可达（10 ）km，报文标识符可达（2032，）个，采用（非破坏性逐位仲裁）机制来解决总线访问冲突。
7、CAN的超载帧包括两个位场：（超载标志）和（超载界定符）。
8、DeviceNet现场总线由美国（Rockwell）公司推出，国际组织（ODV A）负责组织和管理。
三、单选题（共10分，每小题1分）1、下面哪个现场总线国际标准是关于低压开关设备和控制设备的：答：（B）A. IEC61158B. IEC62026C. ISO11898D. IEC600682、下列哪种现场总线是建筑业国际公认的现场总线标准？答：（A ）A. LonworksB. HARTC. CC-LinkD. Sensoplex23、在CAN总线中，当错误计数值大于多少时，说明总线被严重干扰？答：（A）A. 96B. 127C. 128D. 2554、双绞线按规则螺旋结构排列的目的是（B ）A. 使各线对之间易于区别B. 使各线对之间的电磁干扰最小C. 使各线对的韧性更强D. 以上皆不是5、ISO11898对CAN总线典型电平规定如下：答：（B ）A. 显性：VCAN–H＝VCAN–L＝2.5V，Vdiff =0V；隐性：VCAN–H＝3.5V，VCAN–L=1.5V，Vdiff =2V。
B. 隐性：VCAN–H＝VCAN–L＝2.5V，Vdiff =0V；显性：VCAN–H＝3.5V，VCAN–L=1.5V，Vdiff =2V。
C. 显性：VCAN–H＝1.75V，VCAN–L=3.25V，Vdiff =-1.5V；隐性：VCAN–H＝4V，VCAN–L＝1V，Vdiff =3V。
D. 隐性：VCAN–H＝1.75V，VCAN–L=3.25V，Vdiff =-1.5V；显性：VCAN–H＝4V，VCAN–L＝1V，Vdiff =3V。
6、CAN总线中，若具有下列报文ID的4个标准格式数据帧争用总线，胜出的是：答：（C ）A. 11001100001B. 11001101001C. 11001000001D. 1100100001011、CAN总线中，若具有下列报文ID的4个标准格式数据帧争用总线，胜出的是B最小值A. 11011000010B. 1101C.1101D. 110111000107、使用晶振频率为16MHz的独立CAN控制器SJA1000，若BTR0=01Hex，BTR1=1Chex，则由其所决定的位速率是（参见附页）：答：（C）A. 1MbpsB. 500kbpsC. 250kbpsD. 125kbps8、在DeviceNet现场总线中，优先级最高的报文组是答：（A ）A. 组1报文B. 组2报文C. 组3报文D. 组4报文9、在DeviceNet中，报文组被分为几组？答：（C）A. 2B. 3C. 4D. 以上都不是10、在DeviceNet现场总线I/O连接中，使用分段协议取决于下面哪种情况？答：（D）A. 须发送的数据超过7字节B. 须发送的数据超过8字节C. 生产_连接_长度属性值超过7D. 生产_连接_长度属性值超过810、DeviceNet位选通命令和响应报文可在一个主站与它的从站间快速传送的I/O数据是A. 少量的B. 大量的C. 随机的D. 以上都不是答：（A ）11、ControlNet使用的MAC机制为答：（D ）A. CSMA/CDB.令牌环C.非破坏性逐位仲裁机制D.隐性令牌传递机制12、下面哪个国际标准是工业控制系统用的现场总线国际标准？AA. IEC61158B. IEC62026C. ISO11898D. ISO1151913、现场总线设备主要有6类，下列设备中哪个不属于总线设备？DA. 变送器/传感器B. 执行器C. 控制器D. 普通按钮开关14、下列选项中哪个不属于现场总线的技术特点？DA. 现场总线是现场通信网络B. 现场总线是数字通信网络C. 现场总线是开放互连网络D. 现场总线系统是集散控制系统4、下列选项中哪个不属于数字数据编码方式？CA. 单极性码B. 双极性码C. 频移键控数据编码D. 非归零码5、服务原语可以分为请求、指示、响应、证实4类，无证实服务不包括下面哪个原语？CA. 请求B. 指示C. 响应6、TCP/IP参考模型由4层组成，下列选项中哪个不属于TCP/IP参考模型？DA. 互联网层B. 传输层C. 应用层D. 表示层7、下列选项中哪个不属于常用的网络传输介质？CA. 同轴电缆B. 双绞线C. 电力线D. 光纤8、CAN是哪个世纪、哪个年代由德国Bosch公司推出的？CA. 19世纪80年代B. 19世纪90年代C. 20世纪80年代D. 20世纪90年代9、CAN总线错误帧的字节长度为AA. 14~20位B. 14位C. 6~12位D. 20位10、CAN网络上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达：AA. 110B. 32C. 64D.12812、CAN的数据帧由7个不同的位场组成，下列选项中哪个不属于CAN数据帧的位场？CA. 帧起始B. 控制场C. 错误标志D. 仲裁场13、CAN的正常位时间由同步段、传播时间段、相位缓冲段1和相位缓冲段2这4个时间段组成，若总线被采样1次，其采样点位于CA. 同步段的终点B. 传播时间段的终点C. 相位缓冲段1的终点D.相位缓冲段2的终点6、CAN控制器接口PCA82C250的作用可归纳为：( )答：BA. 驱动和隔离B. 驱动和保护C. 保护和隔离D. 以上都不是15、DeviceNet的网络速度为125kbps时，总线长度应为AA. 500mB. 250mC. 125mD. 以上都不是17、根据DeviceNet预定义主／从连接组的规定，若从站有状态改变事件要主动告知主站，使用的报文是AA. 组1报文ID DB. 组1报文ID FC. 组2报文ID 2D. 组2报文ID 57、ControlNet不支持下面哪种I/O数据触发方式？AA. 位选通B. 轮询C. 状态改变D. 周期四、判断题（共14分，每小题1分）1、数据通信方式可分为单工通信和半双工通信两种。
答：×2、常见的网络拓扑结构有星形、环形和总线形等。
答：√2、CAN总线数据帧的数据长度码DLC指明数据场的字节数目，为4位，允许的数据字节数目为0，1，……，14，15。
答：×10、广播式网络可以实现多点传送。
答：√4、下层可以向上层提供面向连接的服务和无连接的服务这两种不同的服务形式，其中面向连接的服务更可靠。
答：√5、OSI参考模型有6层，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、表示层和应用层。
×6、CAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。
答：√7、CAN总线的最大网络速度为10Mbps。
答：×8、CAN数据帧中的远程发送请求位即RTR位为显性。
答：√9、CAN的报文传送由3种不同类型的帧表示和控制，它们是错误帧、远程帧和超载帧。
答：×10、CAN可以分为物理层和数据链路层，其数据链路层又可分为逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层。