第6章集散控制系统的网络通信技术

1、第6章 集散控制系统的网络通信技术v6.1 网络和数据通信基本概念v6.2 网络通信基础v6.3 DCS中的控制网络标准和协议6.1 网络和数据通信基本概念通信系统是通信系统是DCS的主干，决定着系统的基本特的主干，决定着系统的基本特性。通信系统引入局部网络技术后，促进了性。通信系统引入局部网络技术后，促进了DCS的更新换代，增强了全系统的功能。的更新换代，增强了全系统的功能。 数据通信是计算机或其他数字装置与通信介质数据通信是计算机或其他数字装置与通信介质相结合，实现对数据信息的传输、转换、存储相结合，实现对数据信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。在和处理的通信技术。在DCS中，各单元之

2、间的中，各单元之间的数据信息传输就是通过数据通信系统完成的。数据信息传输就是通过数据通信系统完成的。图图 通信系统模型通信系统模型(1)(1)信号信号 或称报文，指需要传送的数据，由文本、或称报文，指需要传送的数据，由文本、数字、图片或声音等及其组合方式组成。在数据通数字、图片或声音等及其组合方式组成。在数据通信系统内部，信号是任何计算机能够识别的信息。信系统内部，信号是任何计算机能够识别的信息。(2)(2)发送装置发送装置 指具有作为二进制数据源的能力，任指具有作为二进制数据源的能力，任何能够产生和处理数据的设备。何能够产生和处理数据的设备。(3)(3)接收装置接收装置 指能够接收模拟或数字

3、形式数据的任指能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。何功能的设备。1 通信网络系统的组通信网络系统的组成成(4)(4)信道信道 信道是指发送装置与接收装置之间的信息传输信道是指发送装置与接收装置之间的信息传输通道，包括传输介质和有关的中间设备，它用来实现数通道，包括传输介质和有关的中间设备，它用来实现数据的传送。常用的传输介质是双绞线、同轴电缆、光缆、据的传送。常用的传输介质是双绞线、同轴电缆、光缆、无线电波、微波等。无线电波、微波等。 (5)(5)通信协议通信协议 通信协议是控制数据通信的一组规则、通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准，它定义了通信的内容、格式，通约定与标准，它

4、定义了通信的内容、格式，通信如何进行、何时进行等。信如何进行、何时进行等。发送装置把要发送的信息送上信道，再经过信发送装置把要发送的信息送上信道，再经过信道将信息传输到接收装置。信息在传输过程中道将信息传输到接收装置。信息在传输过程中会受到来自通信系统内外干扰的影响。会受到来自通信系统内外干扰的影响。 (1)(1) 数据信息：具有一定编码、格式和字长的数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息。数字信息。(2)(2)信息传输速率又称为比特率，是指单位时间信息传输速率又称为比特率，是指单位时间内通信系统所传输的信息量。一般以每秒钟内通信系统所传输的信息量。一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，

5、记为所能够传输的比特数来表示，记为Rb。其单。其单位是比特位是比特/秒，记为秒，记为 bit/s 或或 bps。 2 基本概念基本概念（3）传输方式信息按其在信道中的传输方向分为单工、半信息按其在信道中的传输方向分为单工、半双工和全双工三种传输方式，如下图所示。双工和全双工三种传输方式，如下图所示。（4）基带传输、载带传输与宽带传输基带传输基带传输 所谓基带，是指电信号所固有的频带。基带传输就所谓基带，是指电信号所固有的频带。基带传输就是直接将代表数字信号的电脉冲信号原样进行传输。是直接将代表数字信号的电脉冲信号原样进行传输。 优点是安装、维护投资小。优点是安装、维护投资小。 缺点是信息传送容

6、量小，每条传输线只可传送一缺点是信息传送容量小，每条传输线只可传送一路信号且传送距离较短。当传输距离较远时，需进路信号且传送距离较短。当传输距离较远时，需进行调制。行调制。载带传输与宽带传输载带传输与宽带传输 当传输距离较远时，需要用基带信号调制载波当传输距离较远时，需要用基带信号调制载波信号。在信道上传输调制信号，就是载带传输。信号。在信道上传输调制信号，就是载带传输。如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路信号可以以不同的载波频率加以区别，每路信信号可以以不同的载波频率加以区别，每路信号以载波频率为中心占据一定的频带宽度，而号以载波频率为中心占据一定

7、的频带宽度，而整个信道的带宽为各路载波信号所分享，实现整个信道的带宽为各路载波信号所分享，实现多路信号同时传输，这就是宽带传输。多路信号同时传输，这就是宽带传输。 （5）异步传输与同步传输在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。确定的。在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专门

8、用来使发送装置和接进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。在这一组数据或一工作，并且保持一定的相位关系。在这一组数据或一个报文之内不需要启个报文之内不需要启 / 停标志，所以可以获得较高的停标志，所以可以获得较高的传输速度。传输速度。(a)串行传输；(b)并行传输 （6）串行传输与并行传输6.2 6.2 网络通信基础网络通信基础1.计算机网络与局部网络计算机网络与局部网络所谓计算机网络是把分布在不同地点且具有独所谓计算机网络是把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机

9、系统通过通信设备和介质立功能的多个计算机系统通过通信设备和介质连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中资源共享为目标的系统。理下，以实现网络中资源共享为目标的系统。DCS的通信网络实质就是计算机网络，因为系的通信网络实质就是计算机网络，因为系统中的每一个节点工作站和网络接口相当于一统中的每一个节点工作站和网络接口相当于一个计算机系统。个计算机系统。 局部区域网络局部区域网络 (Local Area Network，LAN)，简称为局域网络或局域网，是一种，简称为局域网络或局域网，是一种分布在有限区域内的计算机网络，是利用分布在有限区域内

10、的计算机网络，是利用通信介质将分布在不同地理位置上的多个通信介质将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置了网络软件的一种网络，用户能够并配置了网络软件的一种网络，用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。源。 2. 通信数据编码通信数据编码v模拟数据和数模拟数据和数字数据都可以字数据都可以用模拟信号或用模拟信号或数字信号来表数字信号来表示，因而也可示，因而也可以用这些形式以用这些形式传播，右图为传播，右图为示意图。示意图。 模拟信号用连续变化的电磁波来表示数据模拟数据声音电 话模拟信

11、号数字数据 二进制电压脉冲MODEM模拟信号数字信号用电压脉冲序列来表示数据模拟数据模拟信号数字信号数字数据直接表示或编码编码/解码器v下图给出了对数字数据的模拟信号进行调制的三种基本形式：下图给出了对数字数据的模拟信号进行调制的三种基本形式：调幅键控法调幅键控法ASK,调频键控法调频键控法FSK,调相键控法调相键控法PSK。v a bcv图图 数字数据的模拟信号调制数字数据的模拟信号调制va)调幅键控法调幅键控法ASK b)调频键控法调频键控法FSK c)调相键控法调相键控法PSK101101ttv101101ttv101101ttvv图图 数字信号编码数字信号编码va) NRZ编码编码 b

12、) 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 c) 微分曼彻斯特编码微分曼彻斯特编码00110HLHLHLa)b)c)模拟数据采用数字信号传输模拟数据采用数字信号传输v利用数字信号对利用数字信号对模拟数据进行编模拟数据进行编码的最常见的例码的最常见的例子是脉码调制子是脉码调制PCM（Pluse Code Modu lation)，它常用，它常用于对声音信号进于对声音信号进行编码。脉码调行编码。脉码调制是以采样定理制是以采样定理为基础的。为基础的。5121514119765321505.0112.3515.0514.211.29.37.156.44.63.011.97数字信号模拟数据数字数据PCM0101110

13、0111111101011100101110110010100110010ttv图图 脉码调制脉码调制3.传输介质 传输介质是通信网络的物质基础。常见的传输传输介质是通信网络的物质基础。常见的传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。介质主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。图图 传输介质传输介质 无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP塑料外壳色标塑料绝缘层铜导线铜导线塑料外壳金属屏蔽层外套屏蔽层（外导体）绝缘层内导体内导体绝缘层屏蔽层（外导体）外套单芯光纤4芯光纤分散型多芯光纤光纤缓冲层抗拉线外壳抗拉线外壳纤芯纤芯剥皮线抗拉线外壳4. 4.传输技术传输技术通信的传输技术包括通信的共享技术与通信的交换

14、通信的传输技术包括通信的共享技术与通信的交换技术。技术。（1）通信的共享技术）通信的共享技术 （a）多路复用技术）多路复用技术 分为：频分多路复用和时分多路复用和波分多分为：频分多路复用和时分多路复用和波分多路复用路复用 。 （b）集线技术）集线技术 （c）多点线路技术）多点线路技术（2）通信的交换）通信的交换技术技术 在数据通信系统在数据通信系统中，通常采用线中，通常采用线路交换、报文交路交换、报文交换、报文分组交换、报文分组交换等三种数据交换等三种数据交换方式。换方式。1234567ABCDEF通信网节点站图图 交换通信网络示意图交换通信网络示意图分组交换的数据报方式分组交换的数据报方式

15、v 在数据报方式在数据报方式中，每个报文分中，每个报文分组作为一个独立组作为一个独立的信息单位来对的信息单位来对待，这正像在报待，这正像在报文交换网中每个文交换网中每个报文独立对待一报文独立对待一样。下面以一个样。下面以一个例子来说明数据例子来说明数据报的概念报的概念。 1234567ABCDEF1 2 31233121 2 3分组交换虚电路方式分组交换虚电路方式 1234567ABCDEF1 2 3123121 2 33虚电路（路由）交换技术的比较交换技术的比较 电路交换电路交换 在数据传送开始之前必须先设置一条完全在数据传送开始之前必须先设置一条完全的通路。在线路释放以前，该通路将由一对用

16、户完的通路。在线路释放以前，该通路将由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。报文交换报文交换 报文从源点传送到目的地采用存储转发的报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，在传送报文时，同时只占用一段通道。在交方式，在传送报文时，同时只占用一段通道。在交接结点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，报接结点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，报文交换不能满足实时通信的要求。文交换不能满足实时通信的要求。分组交换分组交换 交换方式与报文交换类似，但报文被分成交换方式与报文交换类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分分组

17、传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，在目的地需要重新组装报文。分组交换组交换中，在目的地需要重新组装报文。分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术。技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术。v在集散控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线在集散控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线型。型。 通信网络的拓扑结构通信网络的拓扑结构(a)星形结构；星形结构； (b)环型结构；环型结构； (c)总线型结构总线型结构 5. 网络拓扑结构网络拓扑结构 树形拓扑树形拓扑端点头端端点6. 差错控制差错控制v产生差错的原因产生差错的原因 噪音噪音 、传输失真、载波干扰、传

18、输反射干扰、线、传输失真、载波干扰、传输反射干扰、线间串扰、静电干扰间串扰、静电干扰v抗干扰编码抗干扰编码 主要是物理层对应数据进行抗干扰编码主要是物理层对应数据进行抗干扰编码 检错码：奇偶校验码最简单的检错码检错码：奇偶校验码最简单的检错码 纠错码：循环冗余码是一种纠错码：循环冗余码是一种v差错控制差错控制 差错控制是数据链路层的服务差错控制是数据链路层的服务（1）、超时重发）、超时重发（2）、拒绝接收）、拒绝接收（3）、选择拒绝）、选择拒绝（4）、探询）、探询6.3 DCS6.3 DCS中的控制网络标准和协议中的控制网络标准和协议1. 集散控制系统中网络通信的要求集散控制系统中网络通信的要

19、求(1) 实时性好，动态响应快实时性好，动态响应快(2) 可靠性高可靠性高(3) 适应恶劣的工业现场环境适应恶劣的工业现场环境(4) 开放系统互连和互操作性开放系统互连和互操作性图图 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型2、OSI参考模型参考模型3.3.其它网络标准其它网络标准(1)(1)、PROWAYPROWAY工业过程控制用数据公路标准工业过程控制用数据公路标准a a、 PROWAYPROWAY 是一种专门用于过程控制的网络协议，由国际电工委员会是一种专门用于过程控制的网络协议，由国际电工委员会的的WG6工作委员会制订。以工作委员会制订。以IEEE802.2IEEE802.2、IEEE

20、802.4IEEE802.4为基础。为基础。 b b、 PROWAYPROWAY协议适合功能站之间应答式短信息包的交换，不适合太长的协议适合功能站之间应答式短信息包的交换，不适合太长的文件，采用令牌传送的介质存取控制技术文件，采用令牌传送的介质存取控制技术 c c、 PROWAYPROWAY它规定了对应参考模型的第一、第二层协议、接口和媒体，它规定了对应参考模型的第一、第二层协议、接口和媒体，也就是只规定了也就是只规定了PROWAYPROWAY的下三层的协议即的下三层的协议即链路控制层（链路控制层（PLC)PLC)、媒体、媒体存取控制层存取控制层( (MAC)MAC)、物理接收发送层物理接收发

21、送层( (PHY)PHY)。其余留给用户自己定义其余留给用户自己定义 d、与与OSI参考模型的分层比较：参考模型的分层比较：链路控制层（链路控制层（PLC)PLC)、媒体存取控制层、媒体存取控制层( (MAC)MAC)构成参考模型的链路层，物理接收发送层构成参考模型的链路层，物理接收发送层( (PHY)PHY)对应于参考模型对应于参考模型的物理层的物理层e、PROWAY协议层次结构与协议层次结构与OSI模型的关系模型的关系PROWAYOSI模型模型5、应应用用层层5C、 应用功能应用功能5B、数据解释数据解释5A、 应用耦合应用耦合7、应用层、应用层6、表示层、表示层5、会话层、会话层4网网络

22、络层层4B、通信接口通信接口4A、网络控制网络控制4、传输层、传输层3、网络层、网络层3、链路控制层、链路控制层2、链路层、链路层2、媒体存取控制层、媒体存取控制层1、物理接收发送层、物理接收发送层1、物理层、物理层f、 PROWAY下三层的功能下三层的功能 （1）链路控制层（链路控制层（PLC)PLC)功能功能 A A、有一个本地发送站使用应答（立即响应）协议有一个本地发送站使用应答（立即响应）协议向另一个远程应答站发送数据。向另一个远程应答站发送数据。 B B、由一个本地站无确认或重复发送数据给一个、由一个本地站无确认或重复发送数据给一个、几个或者所有远程接收站几个或者所有远程接收站 C

23、C、由一个本地站是用应答（直接相应）协议向一由一个本地站是用应答（直接相应）协议向一个远程站请求以提供信息个远程站请求以提供信息 （2 2）媒体存取控制层）媒体存取控制层( (MAC)MAC)功能功能 （3 3）物理接收发送层）物理接收发送层( (PHY)PHY)功能功能。(2)、MAPMAP制造自动化协议制造自动化协议由美国通用汽车公司发起的，建立了工业环境下的局域网通由美国通用汽车公司发起的，建立了工业环境下的局域网通信标准，称为制造自动化协议信标准，称为制造自动化协议MAP，参照参照OSIOSI参考模型和参考模型和PROWAYPROWAY的分层模型，的分层模型，MAPMAP现已有三种结构

24、：现已有三种结构：1 1、全、全MAP MAP 与与OSIOSI参考模型中的分层一一对应参考模型中的分层一一对应2 2、小、小MAP MAP 减小封装和解装时间，减小封装和解装时间，它只有物理层、链路层和它只有物理层、链路层和应用层，成为塌缩结构，有良好的实时性，常应用于应用层，成为塌缩结构，有良好的实时性，常应用于DCSDCS的现场控制级和操作员级的通信。的现场控制级和操作员级的通信。3 3、增强性能结构的、增强性能结构的MAP MAP 介于小介于小MAPMAP与全与全MAPMAP之间，它的一之间，它的一边采用全边采用全MAPMAP，另一边支持小另一边支持小MAPMAP，两边可以相互通信，因

25、两边可以相互通信，因此，它常应用于此，它常应用于MAPMAP与小与小MAPMAP连接的操作员级、车间级的通连接的操作员级、车间级的通信。信。4、增强性能结构的、增强性能结构的MAP结构图结构图全全MAP77塌塌缩缩结结构构6接接口口543数据链路层数据链路层物理层物理层(3)、现场总线标准、现场总线标准当微处理器进入过程控制系统的检测、变送及执行机构等当微处理器进入过程控制系统的检测、变送及执行机构等现场设备时，提出了现场总线标准的问题。现场总线标准现场设备时，提出了现场总线标准的问题。现场总线标准的结构分层采用了的结构分层采用了OSIOSI模型的第一、二和七层。在现场总线模型的第一、二和七层

26、。在现场总线标准中，把第二层和第七层合并，称为通信栈。标准中，把第二层和第七层合并，称为通信栈。数据物理层通信栈物理层通信栈数据甲站乙站OSI模型中的二、七层变换成物理信号送到现场总线媒体4. IEEE通信协议通信协议应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层逻辑链控制子层LLC介质访问控制子层MAC物理层IEEE 802数据传输信号、编码介质OSIIEEE 802标准标准 7654321ISO/OSI802.3CSMA/CD物理规范物理规范802.4令牌总线访问方式访问方式物理规范访问方式令牌环物理规范访问方式城域网802.5802.6802.2 逻辑链控制（LLC）IEEE 802 标

27、准802.1 参考文件(1)、IEEE802.3通行协议通行协议 它是带有冲突检测的载波侦听多路媒体存取控制协议，它是带有冲突检测的载波侦听多路媒体存取控制协议，是总线网、树型网最常用的媒体存取控制协议。这种协议是总线网、树型网最常用的媒体存取控制协议。这种协议属于随机访问型，即争用形协议。属于随机访问型，即争用形协议。a、采用媒体争用通信方式（、采用媒体争用通信方式（CSMA）是否空闲？按一定时间算法等待是，OK否，重发是否收到信号发送数据发信息YNb、采用先侦听后发送（、采用先侦听后发送（CSMA/CD）方式方式 在基带时，没有侦听，采用冲突在基带时，没有侦听，采用冲突是否冲突？停止发送发

28、送一个冲突信号通知各网站等待一个随机分布时间按CSMA方式 重发发送Y发送后(2)(2)、IEEE802.4IEEE802.4通信协议通信协议它是总线网的令牌总线媒体存取控制协议，令牌传递式它是总线网的令牌总线媒体存取控制协议，令牌传递式总线网的物理结构是用总线把各个通信站连接起来的网络，总线网的物理结构是用总线把各个通信站连接起来的网络，这些站被指定一个逻辑的顺序，在逻辑上，这些站是环型这些站被指定一个逻辑的顺序，在逻辑上，这些站是环型连接的，各个站的逻辑顺序可以和它们的物理位置完全无连接的，各个站的逻辑顺序可以和它们的物理位置完全无关。关。1 1、添加通信站的功能、添加通信站的功能2 2、

29、减少通信站的功能、减少通信站的功能3 3、逻辑环初始化功能、逻辑环初始化功能4 4、错误排除功能、错误排除功能从第一站开始传输接到令牌的站在一定时间内有媒体存取控制权发送多个信息帧或探询其它站并得到响应把令牌传到下一个逻辑顺序上的站重复以上动作(3)、IEEE802.5通信协议通信协议它是令牌环行网络媒体存取控制协议，在环型网络上，它是令牌环行网络媒体存取控制协议，在环型网络上，有一个令牌信号（其格式为有一个令牌信号（其格式为8个个1）沿环运行，当令牌到达）沿环运行，当令牌到达一个通信站时，若该站没有数据要发送，就把令牌送到下一个通信站时，若该站没有数据要发送，就把令牌送到下游站相当于发送了一个长度为游站相当于发送了一个长度为0的帧，若要发送数据，则的帧，若要发送数据，则先把令牌的最后一位的先把令牌的最后一位的1改为改为0，并把本站的数据帧接在它，并把本站的数据帧接在它的后面发送出去，数据帧的长度不受限制，数据帧发完后，的后面发送出去，数据帧的长度不受限制，数据帧