电器智能化 第7章

第7章 电器智能化网络
（2）系统的开放性 现场设备对相关标准的一致性、公开性的认同和遵 循，使不同国家、生产厂家的遵从同一标准的设备互连 ，通过共同认可的通信协议实现信息的交换。 （3）互操作与互用性 互联的现场设备间信息可以互相交换，实现资源共 享；不同生产厂商性能相同或兼容的产品可以互相替换。 （4）现场环境适应性 必须支持不同现场环境提供的各类通信介质
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（5）第5层 — 会话层 根据不同应用进程间的约定，按照规定好的顺序正确 收、发数据，进行各种会话。 （6）第6层 — 表示层 把经介质传送的信息变换为通信双方都能理解的形式。 （7）第7层 — 应用层 用来实现不同应用进程之间的信息交换。
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7.2.5 电器智能化网络与通用信息网络的特性比较
符号传输速率 符号传输速率：单位时间内传输的码元数。（波特Baud） 传输速率 Rb=Nblog2M 2．频带利用率
信息传输速率 η= （bps / Hz） 频带宽度
η=
符号传输速率 频带宽度
（Baud / Hz）
3．误码率
Pe = lim 误码码元个数 n N →∞ 传输总码元个数 N
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7.1.1 数字通信系统的基本概念
1.数字通信系统的结构模型与信号传输
一般数字通信系统的结构模型：
信 源 编 码 器 发送端时钟 信 道 编 码 器 调 制 器 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器 接收端时钟 噪声源
信 源
信 道
信 宿
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7.1.1 数字通信系统的基本概念
7.2.2 计算机网络的分类与拓扑结构
2.广域网（WAN）
（1）覆盖物理范围：可达一个省、一个大区甚至一个国家 （2）概念结构：含有主机和通信子网
广域网结构图
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（3）拓扑结构：星型、树型、环型、全互连等。
（a）星型
（b）树型
（c）环型 （d）全互连
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7.2.2 计算机网络的分类与拓扑结构
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7.1.1 数字通信系统的基本概念
1.数字通信系统的结构模型与信号传输 数字通信系统的结构模型与信号传输
根据在信道上传输的信号类别，通信系统分为： 模拟通信系统： 模拟通信系统：信道传输模拟信号 数字通信系统：信道传输由“0”和“1”表示的数字信号 数字通信系统 电器智能化网络，信源和信宿双方都是数字化设备 数 ，信道中承载信息的信号也是数字信号，因此是一种典 型的数字通信系统。
异步方式 代码格式
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7.1.8 数字通信网络的传输介质
传输介质是连接通信网络中收发双方的物理通路，也 是被传送信息的载体。在此简要说明以下4种常用介质。 1．双绞线 有较成熟的标准和技术，价格低，安装方便，但抗电 磁干扰能力较弱，传输速度不高。 2．同轴电缆 寿命长、频带宽、特性稳定、可靠性高、维护方便、 技术成熟。抗干扰能力随传输信号频率增加而提高，适用 于高频信号传输。
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7.1.4 数据编码方式
1.基带传输数字数据编码
二进制码 单极性平衡非归零码 双极性非归零码 曼彻斯特编码 1 0 11 0 0 1
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7.1.4 数据编码方式
2.模拟数据编码
最常见的模拟数据编码有幅移键控（ASK）、频移 键控（FSK）、 相移键控（PSK）。
现场总线（Fieldbus）： 应用在工业现场环境下，连接后台管理系统与运行 现场的智能化监控设备的数字通信网络，实现后台管理 设备与现场设备之间信息的双向、串行传输。
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7.3.1 现场总线的特点及总线标准类型
1. 现场总线的技术特点
现场总线是工业现场应用的计算机通信网络，信息 采用异步串行方式传输，通常现场设备通过一对信号线 连接。 （1）现场设备的功能自治 独立于中央控制计算机完成设备本身的所有功能， 包括测量、控制、保护和自诊断以及数字通信能力。
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2．载波传输： 对数据进行模拟数据编码后进行传输。最常用的 载波传输信号编码为幅移、频移和相移键控三种 3．宽带传输： 特点是传输速率范围宽（0~400Mbps），采用光纤 作为传输介质可达10Gbps以上，可把宽带信号分成若 干条基带信道，同时可为多个基带信号提供通信路径。 4．异步传输模式ATM (Asynchronous transfer mode)： 把所有信息以一种长度较小且固定的信元来传输。
网络协议： 在计算机网络中用来规定数据格式及数据发送和接 收方式等规则，也称通信协议。 网络的分层模型： 在网络设计时，把整个网络通信中的问题按照所完 成功能的逻辑关系分解为若干子功能，如应用程序、信 息变换、数据格式分解与装配、信号编码与解码、数据 的物理传送等，每个子功能即为一个层次。
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协议分层网络数据交换过程
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7.2.4 开放系统互连参考模型
“开放系统互连”OSI（Open System Interconnection） 模型把开放式系统划分为7个层次：
OSI参考模型结构
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（1）第1层 — 物理层 提供建立、保持及断开与网络物理连接的各种条件。 （2）第2层 — 数据链路层 用来完成网络中各节点间数据链路的建立、保持和 拆除功能。 （3）第3层 — 网络层 规定连接、维持和拆除网络连接的协议。 （4）第4层 — 传输层 进行开放系统间数据的收发确认，完成它们之间数 据的传输控制。
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（5）OSI模型相容性 连接在总线上的各站点智能化设备必须具有相同的 体系结构和相同的对等层协议。
2.现场总线的国际标准类型
类型1：Foundation Fieldbus H1（IEC现场总线基金会） 类型2：Control Net（美国Rockwell公司） 类型3：PROFIBUS（德国Siemens公司）
7.1.3 信道的最大数据传输速率
信道的数据传输速率：单位时间内信道能传输的二进 制数的位数（即比特数）。 奈奎斯特定理：
C = 2B log 2 V (bps)
香农定理：
C = B log 2 (1 + S / N )(bps)
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7.1.4 数据编码方式
数字通信传递的信息是数据或数据化的信号，其基 本单位为只有0或1的二元码码元。在通信网络中，必须 以一定的物理形式来表示数据0和1。 模拟数据编码：用模拟信号的不同幅值、不同相位 或不同频率来表示数据0和1。 数字数据编码：用高、低电平的脉冲表示数据0和1。
1.局域网（LAN）
与其他网络主要区别： （1）覆盖物理范围：几百米至十几千米； （2）网络使用的传输技术：一般使用共享通道，传输介 质可以是双绞线、通信电缆、光纤等； （3）常用的拓扑结构：总线结构和环型结构。
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常用的拓扑结构:
（a）总线结构
（b）环型结构
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数字通信系统中常用的信道介质有双绞线、同 轴电缆、光缆、无线电波、微波、卫星通信信道等。 数字通信传输方式 基带传输 频带传输
2.数字通信系统的主要性能指标 数字通信系统的主要性能指标
1．传输速率（信息和符号） 信息传输速率 传输速率：每秒钟传输的信息量。（比特bit/s） 信息传输速率
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电器智能化网络本质上是一种控制网络，与通用信息 网络有着显著的区别。 在电器智能化应用系统等控制系统中特别强调信息的 可靠性和实时性。电器智能化网络强调在恶劣环境下的数 据传输完整性和可靠性。在煤矿等特殊的应用场合下，网 络还应具备本质的安全性能。
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7.3 电器智能化网络中常用的现场总线
7.1.2 信道的截止频率与带宽
截止频率： 某一频率分量的幅值在到达接收端时被衰减到原来 的0.707（能量衰减了一半），这个频率即为该信道的截 止频率。相应的，该频率也为信道的带宽。
1 0.707
fC
f
0
fC
f
f C1
fC2
f
通信信道一般幅频特性
低通滤波器信道带宽
带通滤波器信道带宽
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7.2.1 计算机通信网络的基本特点
计算机通信网络是一种完成多台计算机之间信息交换 的分布式网络，不同于一台主机加多台主机构成的主从式 通信系统，更不同于一台计算机带多个终端设备的多用户 计算机系统。 计算机网络的特点主要表现为以下三个方面： （1）连接在网络上的所有计算机独立自治 （2）网络中各计算机相互连接 （3）计算机间信息交换具有物理上和逻辑上的双重含义
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7.1.6 多路复用技术
多路复用：在同一传输介质上并列传输若干数据源 信号的方法。 常见的多路复用技术有三种： 时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)： 将数据传输周期划分为若干时间片，每个信源占用一个。 频分多路复用FDM(Freqency division multiplexing)： 采用频率变换或调制，使不同信源信息具有不同频率。 波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing)： 采用不同波长的光波来传输不同信源数据。
本质：计算机通信网络
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7.1 数字通信基础
数字通信是采用数字量 数字通信 数字量进行信息传递 交换的通信 信息传递和交换 数字量 信息传递 交换 方式，是实现计算机通信的基础， 是电器智能化网络中现场设备与后台管理系统之 间、各现场设备之间、各不同的局部网络之间传输信息 的基本形式。 电器智能化网络是一种采用数字通信技术网络。