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文档简介
1、化工过程计算机控制通讯篇计算机控制网络系统系统是指具有某种功能的一个有机整体,它由相互相依赖,具有某种关系的若干单元或其组合构成。网络把若干“元件”连接在一起,便构成一个网络。根据“元件”的不同,而称不同的网络。例如:电话网络,输电、配电网络,通信网络,计算机网络。非电气“元件”也可以组成网络,如农田灌溉网络,交通运输网络,人体身躯的神经网络等。网络包含三个主要方面(1)连接对象与设施(也称元件或元件组合)(2)连接的对象与设施所采用的接口和介质(如公路,渠道,双绞线,光纤, 空气等)和控制机制(协议);(3)连接方式与结构(如星型,网状)计算机网络要素通讯的基础知识基础知识通讯的意义:通讯是
2、信息的传递;因此可以把它看作是在通信的一端精确地复现另一端所挑选的消息。基本概念信息和数据信息和数据: : 信息是人们要通过通信系统传递的内容。可以是语音、图像、文字等;数据是数据是传递信息的实体,而信息是数据的内容或解释。信号:信号:从通讯的角度看,信号是从通讯的角度看,信号是通讯信道上传输的各种编码的信息。有模拟信号和数字信号。信道信道:信道是传送信号的通路信道是传送信号的通路。信道本身可以是模拟的,也可以是数字方式的。用以传输模拟信号的信道叫作模拟信道,用以传输数字信号的信道叫作数字信道。信道带宽信道带宽某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信
3、道的带宽。该信道的带宽。带宽就是它所能传输电磁波的最带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差大有效频率与最小有效频率之差信道容量信道容量信道的传输能力是有一定限制的,某个信道传输数据的速率有一个上限,叫作信道的最大传输速率,即叫作信道的最大传输速率,即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。的。无噪声信道最大传输速率无噪声信道最大传输速率=2Blog=2Blog2 2V(bps)V(bps)B代表信道的带宽。V是信号有效状态的数量。对于二进制的数据信号,对于二进制的数据信号,V=2V=2,此时,无噪声信道的最大,此
4、时,无噪声信道的最大传输速率传输速率=2B (bps)=2B (bps)。如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号,即使用话音级信道,带宽3000Hz,那么最大传输速率为6000bps。现在一般拨号上网的速率都在33600bps以上,这是因为采用了特殊的编码方法,将V的值增大,自然就提高了数据传输速率。协议协议:为进行网络中的数据交换传递(通讯)而建立的规则、标准或约定。实体实体:发送或接收信号的硬件或软件进程。接口接口:相邻两层之间交互的界面,定义相邻两层之间的原语操作及上层对下层的服务。服务服务:某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提供给其相邻层。协议栈协议栈:某一系统内的各层协议集。计算
5、机网络通讯的传输介质计算机网络通讯的传输介质双绞线双绞线双绞线(双绞线(twisted pairtwisted pair)每一对双绞线由绞合每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成,每根铜线的直在一起的相互绝缘的两根铜线组成,每根铜线的直径大约径大约1mm1mm。如电话线。如电话线双绞的目的:双绞的目的:减少电磁干扰,提高传输质量。可以用于传输模拟传输或数字传输。可以用于传输模拟传输或数字传输。最便宜的传输媒介易受环境中电信号的干扰通常用于较短距离的连接传输介质传输介质同轴电缆同轴电缆(coaxial cable)同轴电缆由同轴的内外两个导体组成,内导体是一根金属线,外导体同轴电缆由同
6、轴的内外两个导体组成,内导体是一根金属线,外导体是一根圆柱形的套管,一般是细金属线编制成的网状结构,内外导体之是一根圆柱形的套管,一般是细金属线编制成的网状结构,内外导体之间有绝缘层间有绝缘层。电缆的两端需要有两端需要有终结器终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体),中间连接需要连接需要收发器收发器、T T形头形头、筒形连接器筒形连接器等器件等器件。 基带同轴电缆又分为粗缆和细缆。粗缆多用于局域网主干,支持基带同轴电缆又分为粗缆和细缆。粗缆多用于局域网主干,支持25002500米的传输距离,可以连接数千台设备,但其价格较高;细缆多用于米的传输距离,可以连接数千台设备,但其价格较高;细缆
7、多用于与用户桌面连接,级连使用可支持与用户桌面连接,级连使用可支持800800米的传输距离,但一般不超过米的传输距离,但一般不超过180180米,可以连接数千台设备。米,可以连接数千台设备。 基带同轴电缆的最大优点是抗干扰性强,而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好,极易出现故障,而且一点发生故障,整段局域网都无法通信,所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。绝缘层绝缘层内导体(铜芯)外导体(编织状)外保护层(塑料)外保护层(塑料)外导体(编织状)同轴电缆比较便宜绝缘层保护外层绝缘层外导体传输介质传输介质光缆光缆(optical fiber)光纤通信的原理光纤通信的原理 见图,入射角入射角逐渐增大,1
8、2是折射角,光纤通信的原理,是基于光线由光密介质进光密介质进入光疏介质入光疏介质时,在入射角足够大的情况下会发生全反射在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到的特性射角达到33时,发生全反射,即光波能量几乎全时,发生全反射,即光波能量几乎全部反射,部反射,这样才可以达到长距离高速传输的目的。入射光1122折射光折射光反射光3光密介质光疏介质室外光缆室外光缆,主要用于室外环境,可以架空或走地下管道。由于室外光缆所处环境比较恶劣,需要防水、防晒、防压、防化学侵蚀等,所以需要有很好保护。填充物填充物光纤(多根)钢铠外铠(塑料)外铠(塑料)钢铠填充物填充物纤芯(50100微米)保护层(塑料)保
9、护层(塑料)室内光纤,室内光纤,主要用于室内,单根光纤加上稍许保护材料。光波在纤芯上传播。纤芯是一种直径50到100微米的柔软的光导介质,成分主要是二氧化硅。在折射率 较高的纤芯外面,由折射率较低的包层包裹着,以保证在界面上光波可以发生全反射。 昂贵的传输媒介 不受电信号的干扰 使用于长距离、高速率的信号传输无线传输介质无线传输介质10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16频率(Hz)无线电微波红外紫外线双绞线卫星通信光纤同轴电缆无线电AM无线电FM地面微波通信电视各通信类型使用的电磁波谱范围无
10、线通信介质主要是微波和卫星无线通信介质主要是微波和卫星。 微波通信微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。特点:特点:只能进行可视范围内的通信;大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 微波通信主要用于几公里范围内,不适合铺设有线传输介质的情况,而且只能用于点到点的通信,速率也不高,一般为几百Kbps。 卫星通信卫星通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。商用的通信卫星一般被发射在赤道上方3.6万公里的同步轨道上,另外也有中低轨道的小卫星通信, 特点:特点:适合与很长距离的传输,如国际之间、洲际之间;费用较高。并行传输并行传输(parallel)(parallel)与串行传
11、输与串行传输(serial)(serial)b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输串行总线标准串行总线广泛应用于工业控制网络系统。主要有RS232C、RS422、RS485等标准485接口.pps。1. 机械特性:总线引脚(信号线)数目、引脚排列位置与次序,如RS232C 9 脚接头信号列表脚接头信号列表2. 电气特性:规定该总线各信号线的电气连接方式及电气参数。如RS232C 电气连接方式规定每条电路使用一条信号线,传输
12、为1对1(一根总线只能连接一台设备)传输信号为电平信号(数据 3V25V,逻辑3V25V)传送距离30m,最大传送频率(波特率)20kbpsRS422(全双工通讯) 连接线为一对平衡导线,一对接受,一对发送(故可同时接受和发送),传输信号为电流信号,故在导线与串口连接端得外接120电阻。传送距离可达1000m,最大传输速率为10Mbps。RS485(半双工):连接线为一对双绞线,最多可同时连接32128台设备。传输传输信号为电流信号,故在导线与串口连接端得外接120电阻。传送距离可达1000m,最大传输速率为10Mbps计算机网络数字通讯协议与分层计算机网络数字通讯协议与分层思想思想协议与分层
13、的必要性协议与分层的必要性 通信协议代表着标准化,规定了计算机信息通信协议代表着标准化,规定了计算机信息交换中消息格式和意义的协定,是通信双方交换中消息格式和意义的协定,是通信双方都必须遵循的一系列规则。都必须遵循的一系列规则。 为了简化网络设计的复杂性,通信协议采用为了简化网络设计的复杂性,通信协议采用分层的结构,各层协议之间既相互独立又相分层的结构,各层协议之间既相互独立又相互高效的协调工作。互高效的协调工作。工业通讯协议特点:物理层有较统一的规范,应用层五花八门。早期由各个厂商独立开发,互不兼容。目前有一些较统一的标准。发展方向:通过公用网络如互联网络通讯。控制系统网络化现场级网络技术所
14、谓现场级网络,即将所有网络接口移到各种仪表单元,从而使仪表单元具有了直接的通讯能力。仪表成了控制网络化的最小实现环节。仪表的网络化是在数字化的基础上实现的。即在仪表数字化后再增加网络通讯专用单元,简单的如485通讯模块。一些现场总线系统,如CAN,ProfiBus 的DP和PA,LonWork和FF等,有专用的集成模块。通讯实例1带RS485接口的智能仪表通讯设计不同厂家的产品在物理层和传输层的通讯模式较为规范,通讯速率从最低50BPS到最高115200BPS,大部分仪表仅支持几种常用的波特率。数据形式的定义较复杂,数据位的个数有5、6、7、8共四种,一般仪表均用7位码或8位码,停止位有1位、
15、1.5位和2位三种,而校验方式则有NONE、ODD、EVEN、MARK、SPACE五种方式。但应用层协议则变化很大,不同厂家生产的仪表的地址编码、数据段编码、校验码生成方式和下位机正确应答的时间间隔都不同 在应用层一般采用命令/应答方式,上位机发送命令报文,下位机收到后发出相应的应答报文进行响应,每一种命令报文对应着一种应答报文,如Modbus协议,采用的报文格式为:开始段+地址码+功能码+数据段+校验码+结束段,各字段的含义如下:开始段:开始段:通讯起始代码或保持无输入讯号一段时间。地址码:地址码:指示接收上位机报文的下位机地址。功能码:功能码:指示接收的下位机要完成的功能。数据段:数据段:该段的内容由功能码决定,包含了完成指定 功能所需要的信息。校验码:校验码:根据某种方式将上述数据进行处理后获得的 代码。结束段:结束段:通讯结束代码或保持无输入讯号一段时间。例:宇光仪表协议读:地址代号+52H+要读参数的代号+0+0+CRC校验码写:地址代号+43H+要写参数的代号+写入数低字节 +写入数高字节+CRC校验码读指令的CRC校验码为:要读参数的代号*256+52H+ADDRADDR为仪表地址参数值,范围是0-100。CRC为以上数整数加法后得到的余数,低字节在前,高字节在后写指令的CRC校验码为:参数代号*
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