标题：计算机控制网络
版权信息
书 名：计算机控制网络 
作　者：葛运旺
出版社： 武汉理工大学出版社
出版时间： 2005
ISBN：9787562923213
开本： 16
定价：28.00 元
内容简介
《计算机控制网络》全书共九章，本书可以作为专科学校电气类专业计算机控制网络、现场总结和集散控制系统等相关课程教材，也可以作为本科学生及工程技术人员参考资料。
目录
第一章 概述第一节 计算机控制系统的结构与发展
一、计算机控制的一般概念
二、直接数字控制系统的一般组成
三、DDC系统结构演变为DCS的必然性
四、计算机控制系统的实时性问题
第二节 控制系统的网络化发展趋势
一、ClMS体系结构及工业数据结构的层次划分
二、传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
三、现场总线技术的产生
四、基于现场总线的自动化系统结构的变化
第三节 计算机控制网络中的最新技术
一、嵌入式技术
嵌入式技术执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统，嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件（firmware），终端用户很难或者不可能改变固件。尽管绝大多数嵌入式系统是用户针对特定任务而定制的，但它们一般都是由下面几个模块组成的： 一台计算机或者微控制器，字长可能是可怜的4位或者8位、16位、32位甚至是64位。 用以保存固件的ROM（非挥发性只读存储器）。 用以存程序数据的RAM（挥发性的随机访问存储器）。 连接微控制器和开关、按钮、传感器、模数转化器、控制器、LED（发光二极管）和显示器的I/O端口。 一个轻量级的嵌入式操作系统，一般是自行编写的。 专门的单片微控制器是大多数嵌入式系统的核心。通过把若干个关键的系统组成部分集成到单个芯片上，系统设计者就可以得到小而便宜、可以操作较少外围电子设备的计算机。 嵌入式系统的一般模型并不足以定义嵌入式系统本身。例如，某些嵌入式系统常常比标准PC机箱小不了多少。这类设备有： 信息查询以及销售点终端。 某些工业控制系统。游戏控制台（例如基于x86和Windows的Xbox） 
二、开放的标准
三、先进控制技术
四、EIC一体化
五、综合自动化
复习思考题第二章 数据通信基础第一节数据通信中的一些基本概念和术语
一、模拟数据通信和数字数据通信
二、数据通信中的主要技术指标
三、通信方式
对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。
所谓单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式。例如遥控、遥测，就是单工通信方式 　单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。
通信双方采用“按——讲”（Push To Talk,PTT）单工通信属于点到点的通信。根据收发频率的异同，单工通信可分为同频通信和异频通信。
即Half-duplex Communication。这种通信方式可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。也就是说，通信信道的每一段都可以是发送端，也可以是接收端。但同一时刻里，信息只能有一个传输方向。如日常生活中的例子有步话机通信等。
全双工即Full duplex Communication，是指在通信的任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输。 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要2根数据线传送数据信号。（可能还需要控制线和状态线，以及地线）。
理论上，全双工传输可以提高网络效率，但是实际上仍是配合其他相关设备才有用。例如必须选用双绞线的网络缆线才可以全双工传输，而且中间所接的集线器（HUB），也要能全双工传输；最后，所采用的网络操作系统也得支持全双工作业，如此才能真正发挥全双工传输的威力。
比如，计算机主机用串行接口连接显示终端，而显示终端带有键盘。这样，一方面键盘上输入的字符送到主机内存；另一方面，主机内存的信息可以送到屏幕显示。通常，往键盘上打入1个字符以后，先不显示，计算机主机收到字符后，立即回送到终端，然后终端再把这个字符显示出来。这样，前一个字符的回送过程和后一个字符的输入过程是同时进行的，即工作于全双工方式。 
四、数据编码技术
第二节 传输介质
一、双绞线
双绞线（Twisted Pair）是由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕（一般以逆时针缠绕）在一起而制成的一种通用配线，属于信息通信网络传输介质。双绞线过去主要是用来传输模拟信号的，但现在同样适用于数字信号的传输
双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。 
双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成。采用这种方式，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，而且可以降低自身信号的对外干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。“双绞线”的名字也是由此而来。
双绞线一般由两根22-26号绝缘铜导线相互缠绕而成，实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的。典型的双绞线有四对的，也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的。这些我们称之为双绞线电缆。在双绞线电缆（也称双扭线电缆）内，不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在3.81cm至14cm内，按逆时针方向扭绞。相邻线对的扭绞长度在1.27cm以上，一般扭线的越密其抗干扰能力就越强，与其他传输介质相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速率等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。
二、同轴电缆
同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）。同轴电缆分50Ω 基带电缆和75Ω宽带电缆两类。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。 
同轴电缆由里到外分为四层：中心铜线（单股的实心线或多股绞合线），塑料绝缘体，网状导电层和电线外皮。中心铜线和网状导电层形成电流回路。因为中心铜线和网状导电层为同轴关系而得名。
同轴电缆传导交流电而非直流电，也就是说每秒钟会有好几次的电流方向发生逆转。
如果使用一般电线传输高频率电流，这种电线就会相当于一根向外发射无线电的天线，这种效应损耗了信号的功率，使得接收到的信号强度减小。
同轴电缆的设计正是为了解决这个问题。中心电线发射出来的无线电被网状导电层所隔离，网状导电层可以通过接地的方式来控制发射出来的无线电。
同轴电缆也存在一个问题，就是如果电缆某一段发生比较大的挤压或者扭曲变形，那么中心电线和网状导电层之间的距离就不是始终如一的，这会造成内部的无线电波会被反射回信号发送源。这种效应减低了可接收的信号功率。为了克服这个问题，中心电线和网状导电层之间被加入一层塑料绝缘体来保证它们之间的距离始终如一。这也造成了这种电缆比较僵直而不容易弯曲的特性。
同轴电缆(Coaxial)是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。
目前，常用的同轴电缆有两类：50Ω和75Ω的同轴电缆。75Ω同轴电缆常用于CATV网，故称为CATV电缆，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。50Ω同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为1～2OMHz，总线型以太网就是使用50Ω同轴电缆，在以太网中，50Ω细同轴电缆的最大传输距离为185米，粗同轴电缆可达1000米。
三、光纤
四、无线介质
第三节 差错控制方法
一、差错的产生原因及其控制方法
二、奇偶校验码
奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中"1"的个数恒为奇数或偶数的编码方法,它是一种检错码。在实际使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种。
三、循环冗余码（CRC）
第四节 多路复用
一、频分多路复用
二、波分多路复用
波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种
其主要特性指标为插入损耗和隔离度
由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长l1,l2通过同一光纤传送时，在与分波器中输入端l2的功率与l1输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。
充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱（1310nm-1550nm）极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。
具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。
对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。
由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少,当出现故障时，恢复起来也迅速方便。
有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本
三、时分多路复用
第五节 数据交换技术
一、电路交换
二、报文交换
三、分组交换
复习思考题第三章 计算机网络第一节 概述
一、计算机网络的组成
二、计算机网络的主要功能
三、计算机网络分类
虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。下面简要介绍这几种计算机网络。局域（Local Area Network；LAN） 通常我们常见的“LAN”就是指局域网，这是我们最常见、应用最广的一种网络。现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。 
这种网络的特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。这些都将在后面详细介绍。城域网（Metropolitan Area Network；MAN） 这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10￣100公里，它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。 
城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。广域网（Wide Area Network；WAN） 这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决循径问题。这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps￣45Mbps 如：邮电部的CHINANET，CHINAPAC，和CHINADDN网。 
上面讲了网络的几种分类，其实在现实生活中我们真正遇得最多的还要算是局域网，因为它可大可小，无论在单位还是在家庭实现起来都比较容易，应用也是最广泛的一种网络，所以在下面我们有必要对局域网及局域网中的接入设备作一个进一步的认识。无线网随着笔记本电脑（notebook computer）和个人数字助理 
（ Personal Digital Assistant，PDA）等便携式计算机的日益普及和发展，人们经常要在路途中接听电话、发送传真和电子邮件阅读网上信息以及登录到远程机器等。然而在汽车或飞机上是不可能通过有线介质与单位的网络相连接的，这时候可能会对无线网感兴趣了。虽然无线网与移动通信经常是联系在一起的，但这两个概念并不完全相同。表1 - 2给出了它们之间的对比。例如当便携式计算机通过P C M C I A卡接入电话插口，它就变成有线网的一部分。另一方面，有些通过无线网连接起来的计算机的位置可能又是固定不变的，如在不便于通过有线电缆连接的大楼之间就可以通过无线网将两栋大楼内的计算机连接在一起。 
无线网特别是无线局域网有很多优点，如易于安装和使用。但无线局域网也有许多不足之处：如它的数据传输率一般比较低，远低于有线局域网；另外无线局域网的误码率也比较高，而且站点之间相互干扰比较厉害。用户无线网的实现有不同的方法。国外的某些大学在它们的校园内安装许多天线，允许学生们坐在树底下查看图书馆的资料。这种情况是通过两个计算机之间直接通过无线局域网以数字方式进行通信实现的。另一种可能的方式是利用传统的模拟调制解调器通过蜂窝电话系统进行通信。目前在国外的许多城市已能提供蜂窝式数字信息分组数据（ Cellular Digital Packet Data，C D P D）的业务，因而可以通过C D P D系统直接建立无线局域网。无线网络是当前国内外的研究热点，无线网络的研究是由巨大的市场需求驱动的。无线网的特点是使用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络，而这一特性使其具有强大的应用前景。当前已经出现了许多基于无线网络的产品，如个人通信系统（ Personal CommunicationS y s t e m，P C S）电话、无线数据终端、便携式可视电话、个人数字助理（ P D A）等。无线网络的发展依赖于无线通信技术的支持。目前无线通信系统主要有：低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线L A N和无线WA N等。
四、网络拓扑结构
第二节 OSI基本参考模型
一、物理层
二、数据链路层
三、网络层
四、传输层
五、会话层
六、表示层
七、应用层
第三节 局域网
一、局域网的主要技术
二、局城网标准
三、局域网的媒体访问控制方法
四、局域网交换机 第四节 以太网
一、以太网与802.3
二、快速以太网
三、千兆位以太网
第五节 无线局域网
一、概述
二、扩频通信技术
三、802.11无线局域网
第六节 TCP/IP协议
一、概述
二、网络接口层
三、网络层
四、传输层
五、应用层
复习思考题第四章 现场总线第一节 现场总线国际标准
一、工业现场对现场总线的要求
二、现场总线技术概念
三、现场总线的发展现状
第二节 串行通信总线
一、EIARS-232-C标准
二、RS-422与RS-423接口标准
三、RS-485总线标准
第三节 CAN总线
第四节 基金会现场总线FFH1
一、ISO/OSI参考模型与FF通信模型的对应关系
二、基金会现场总线的网络通信结构
三、网络拓扑结构
四、传输介质
五、H1网络的组成部件
六、FF现场总线软件系统结构
第五节 PROFIBUS 一、PROFIBUS概貌
二、PROFIBUS-DP
三、PROFIBUS-PA
第六节 LonWorks现场总线
一、NeuronChip神经元专用芯片
二、LonTalk通信协议
三、LonBuilder及NodeBuilder开发工具
四、LonWorks技术的应用
复习思考题第五章 控制级网络第一节ARCNET控制网络
一、ARCNET的时间确定性
二、定向信息传送
三、广播信息
四、节点进网与退网
五、ARCNET网络的连接方式
六、ARCNET帧结构
七、扩展ARCNET网络
第二节 光纤分布式数据接口FDDI
一、FDDI标准
二、FDDI的帧结构
三、典型的拓扑结构
四、主要特点
第三节 工业以太网
一、以太网的优点
二、工业以太网的概念
三、工业以太网的关键技术
第四节 几种主要的工业以太网
一、IDA&Modbus/TCP工业以太网
二、Etlaernet/IP工业以太网
三、FFHSE高速以太网
四、PROFInet工业以太网
复习思考题第六章 集散控制系统（DCS）组成与结构第一节 集散控制系统概念
一、各类控制系统的特点与比较
二、分布式控制系统的组成及体系结构
第二节 新一代分布式控制系统
一、促进第四代DCS形成的原因
二、第四代DCS的体系结构
三、第四代DCS的技术特点
第三节 几种典型的DCS结构与特点
一、Honeywell公司的ExperionPKS系统
二、Foxlooro公司的A2系统
三、ABB公司的Industrialrr系统
四、Emerson公司的P1antweb系统
五、西门子SIMATICPCS76.0
六、和利时公司的HOLLIAS系统
复习思考题第七章 集散系统的可靠性第一节 系统可靠性指标
一、可靠度R（t）
二、失效率λ（t）
三、平均故障间隔时间
四、平均故障修复时间MTTR
五、平均寿命
六、利用率
第二节 提高系统利用率的措施
一、提高元器件和设备的可靠性
二、提高系统对环境的适应能力
三、容错技术的应用
四、DCS的分散化结构
五、全系统的多级操作控制
六、故障自诊断技术
七、DCS的远程诊断和维护
第三节 DCS容错与冗余设计
一、容错与冗余的概念
二、分布式控制系统的冗余设计
三、DCS双机冗余系统的实现
四、集散控制系统的电源冗余
五、过程通道冗余措施
第四节 DCS的接地措施
一、接地的作用
二、接地要求和方法
复习思考题第八章 组态软件简介第一节 组态软件概述
一、组态/组态软件的基本概念及其特点
二、组态软件的发展趋势
第二节 组态软件的系统构成
一、以使用软件的工作阶段划分
二、按照成员构成划分
第三节 组态软件的图形开发环境
一、基本概念
二、图形开发环境的工作桌面
第四节 组态软件的I/O设备驱动
一、设备驱动程序在组态软件中所处地位及数据流图
二、设备驱动程序完成的主要功能
三、设备驱动程序能够连接的设备种类
四、设备驱动程序的技术指标
五、使用设备驱动程序的注意事项
第五节 组态软件接口程序
一、DDE（动态数据交换）
二、OLE（对象链接与嵌入）
三、DLL（动态链接库）
四、COM（组件对象模型）
五、ActiveX
六、DCOM（分布式COM）
七、COM+
八、ODBC（开放的数据库连接）
第六节 OPC
一、OPC发展史
二、OPC对传统的过程控制系统结构改进
三、OPC与分布式控制
第七节 工控编程语言IEC61131-3
一、IEC61131概述
二、IEC61131-3国际标准的主要特点
三、IEC61131-3的应用情况
四、IEC61131-3梯形图编程（LD）
五、功能框图（FunctionBlockDiagram，FBD）语言
六、顺序功能流程图（SFC）
七、结构化文本（ST）
八、指令表（IL）
复习思考题第九章 集散控制系统的设计与应用第一节 集散控制系统的评价
一、技术性能评价
二、使用性评价
三、可靠性与经济性评价
第二节 集散控制系统的选择
一、选择原则
二、评价方法
第三节 集散控制系统的设计
一、方案论证
二、方案设计
第四节 集散控制系统的调试、安装与验收
一、集散控制系统的调试
二、集散控制系统的安装
三、集散控制系统的验收
四、DCS的管理、维护和应用软件的再开发
复习思考题
参考文献
前言
随着通信技术、计算机网络技术、控制技术和软件技术的发展，计算机控制系统正在向网络化方向发展，为了适应这种趋势，我们编写了此书。全书包括四部分内容：计算机通信与网络基础、工业以太网与现场总线、集散控制系统及应用、组态软件。全书共需70学时。
本书共分九章。第一章概述了计算机控制系统的网络化发展趋势和计算机控制网络中的最新技术。第二章和第三章介绍了控制网络必备的基础知识，包括计算机通信中的一些常用术语、交换技术、差错控制、计算机网络定义和特点、计算机网络标准、TCP/IP、局域网及介质访问控制方法等。第四章为现场总线，主要介绍RS-485和lEC现场总线标准，包括FF、CAN、Profibus、DeviceNet、HART和Lonworks等。第五章主要讲述控制级网络ARCNET、FDDI和工业以太网。第六章讲述集散控制系统的组成与体系结构、集散控制系统的基本控制器、工程师站和操作员站以及新一代集散控制系统组成与特点。第七章为集散控制系统的可靠性，主要介绍集散控制系统可靠性指标、提高集散控制系统利用率的措施、DCS容错与冗余设计和DCS的抗干扰措施。第八章为组态软件简介，主要介绍组态软件的基本概念和特点、组态软件基本构成、组态软件的图形开发环境、组态软件的I/O设备驱动、组态软件程序接口（包括ActiveX、OLE、DDE、COM、OPC等）。第九章为集散控制系统设计与应用，主要介绍集散控制系统的评价、集散控制系统的选择、集散控制系统的设计、集散控制系统的调试、安装与验收。
本次编写分工如下：第一、四、五、七章由葛运旺老师编写，第二、八章由罗尚民老师编写，第六、九章由蒋建虎老师编写，第三章由路纲老师编写，全书由葛运旺老师任主编并统一定稿。宋书中教授审阅了全书，并提出了宝贵意见。
本书在编写过程中参考和利用了大量文献资料，很多资料取自网上或公司产品样本，无法在参考文献中一一列出，在此谨向原作者们表示衷心的感谢。
由于控制系统发展很快，特别是近年来现场总线、工业以太网和软件的高速发展，网间设备层出不穷，控制系统网络结构千变万化，控制系统应用领域迅速扩张和延伸，很多内容无法得到翔实的资料，加上作者学识水平有限，本书所介绍的内容还不够深入，错误和不妥之处也在所难免，恳请读者批评指正。[1]