DCS的通讯网络体系概述课件

1第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16第5章集散控制系统的通讯网络体系(1)具有快速的实时响应能力。一般办公室自动化计算机局部网络响应时间为2s～6s，而它要求的时间为0.01s～0.5s。(2)具有极高的可靠性。须连续、准确运行，数据传送误码率为10-11～10-8。系统利用率在99.999%以上。(3)适应于恶劣环境下工作。能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰。(4)分层结构。为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构，例如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。2第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16与一般的办公室用局部网络有所不同，DCS应具有以下特点：

数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程，是计算机与通信技术结合的产物。将数据准确、及时地传送到正确的目的地是数据通信系统的基本任务。33.1数据通信和网络的基本概念第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（1）数据信息具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。（2）传输速率传输速率是指信道在单位时间内传输的信息量，一般以每秒钟所能够传输的比特(bit)来表示，单位为bit/s或者非标准单位bps。大多数集散控制系统的数据传输速率为0.5～100Mbit／s左右。41、基本概念第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（3）传输方式通信方式按照信息的传输方向分为单工、半双工和全双工三种方式。5第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16①单工（Smplex）方式：信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式。②半双工（HalfDuplex）方式：信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式。③全双工(FullDuplex)方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式。6第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（4）基带传输、载带传输与宽带传输计算机中的信息是以二进制形式存在的，这些二进制信息可以用一系列的脉冲信号来表示.

基带传输：直接将数字数据信号通过信道进行传输。基带传输不适用于远距离数据传输。当传输距离较远时，需要进行调制。

载带传输：用基带信号调制载波之后，在信道上传输调制后的载波信号。

宽带传输：在一条信道上同时传送多路信号，以不同的载波频率加以区别，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。7第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（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工作，并且保持一定的相位关系，可以获得较高的传输速度。8第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（6）串行传输与并行传输

串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式；

并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。在DCS中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式，因此本章主要讨论串行通信方式。9第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16串行传输与并行传输示意图10第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（7）载带传输中的数据表示方法载带传输是指用基带信号去调制载波信号，然后传输调制信号的方法。载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数即振幅、频率和相位，相应的三种调制方式，即调幅方式、调频方式和调相方式。11第5章DCS的通讯网络系统2022/10/1612第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16三种调制方式①调幅方式（AM），又称为幅移键控法（ASK）。用调制信号的振幅变化来表示二进制数的，例如高振幅表示为1，低振幅表示为0。②调频方式（FM），又称为频移键控法（FSK）。用调制信号的频率变化来表示二进制数的，例如用高频率表示1，用低频率表示0。③调相方式（PM），又称为相移键控法（PSK）。用调制信号的相位变化来表示二进制数的，例如用0相位表示0，用180相位表示1。13第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（8）数据通讯工作方式①线路交换方式在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接，然后再在一条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接。线路交换方式将通信过程分为3个阶段：线路建立数据通信线路拆除阶段电话系统是典型的例子。14第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16②报文交换方式不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。又将其称为存储转发方式。报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文。这个报文是由要发送的数据加上，目的地址、源地址和控制信息所组成的。15第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16存储-转发的交换方式；线路传输效率高，但需差错检验。③报文分组交换方式交换基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。由于报文分组比报文短得多，传输时比较灵活。特别是当传输出错需要重发时，它只需重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。具体实现有以下两种方法：虚电路方法和数据报方法16第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16传输线使用率高；缩短传输延迟，但增加了信道的开销。（9）通信协议网络结构问题不仅涉及到信息的传输路径，而且涉及到链路的控制。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。对于一个计算机通信网络来说，接到网络上的设备是各种各样的，有的出自不同的厂家，它们在硬件和软件上的差异使其相互间的通信具有一定的困难，这就需要建立一系列有关信息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守彼此公认的一些规则，这就是网络协议的概念。同人们交流思想一样，这些协议在功能上应该是有层次的。国际标准化组织(1SO)提出了一个开放系统互连（OpenSystemInterconnection，OSI）参考模型，简称ISO/OSI模型。17第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（10）通信可靠性18第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16在物理层应对数据进行抗干扰编码。1、产生差错的原因噪音；传输失真；载波干扰；传输反射干扰；线间串扰；静电干扰2、抗干扰编码在物理层采用差错控制的方法。（1）奇偶检验码

将所要传送的数据码元分组，在每一组数据后面加一位奇偶检验位，使该组连检验位在内的码字中‘1’的个数为偶数

还是奇数。接收端按同样规律检查。只能发现奇数个位的出错，另对差错的位置不确定。（2）循环冗余码线性码

设传送的数据位是k位，附加检验码为r位，r=n-k，组成n位的抗干扰码，r位检验码都是有k位数据码的某几位经模2加得到的。（线性码）例子：数据位是3位，用(a0a1a2)表示；取检验码(a3a4a5a6)，由(a0a1a2

a3a4a5a6)组成抗干扰码。若校验位满足下列关系：a3=a0⊕a2a4=a0⊕a1⊕a2a5=a0

⊕

a1a6=a1⊕a2由于信息位共3位，可组成的8个抗干扰编码是：0000000；0011101；0100111；0111010；1001110；1010011；1101001；1110100。注：具有封闭性和循环性循环校验码（CRC码）：是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。生成CRC码的基本原理：任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为‘0’和‘1’取值的多项式一一对应。例如：代码1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x+1，

而多项式为x5+x3+x2+x+1对应的代码101111。CRC码是由两部分组成，前部分是信息码，就是需要校验的信息，后部分是校验码若设码字长度为N，信息字段为K位，校验字段为R位(N=K+R)，则对于CRC码集中的任一码字，存在且仅存在一个R次多项式g(x)，使得V(x)=A(x)g(x)=xRm(x)+r(x);其中:

m(x)为K次信息多项式，r(x)为R-1次校验多项式，

g(x)称为生成多项式：g(x)=g0+g1x+g2x2+...+g(R-1)x(R-1)+gRxR发送方通过指定的g(x)产生CRC码字，接收方则通过该g(x)来验证收到的CRC码字。

CRC校验码软件生成方法：

借助于多项式除法，其余数为校验字段。例如：信息字段代码为:1011001；对应m(x)=x6+x4+x3+1

假设生成多项式为：g(x)=x4+x3+1；则对应g(x)的代码为:11001

x4m(x)=x10+x8+x7+x4

对应的代码记为：10110010000；采用多项式除法:

得余数为:1010

(即校验字段为：1010）除法采用模2除(即“模2除”中间过程的减法为“模2减”，即异或运算。)

发送方：发出的传输字段为:

10110011010

信息字段

校验字段接收方：使用相同的生成码进行校验:接收到的字段/生成码（二进制除法）如果能够除尽，则正确，

通信网络系统是传递数据所需的一切技术设备的总和，一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。（1）信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。（2）发送设备功能是将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。分为信道编码与信源编码两部分。（3）传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。（4）接收设备是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。252、数据通信网络系统的构成第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

集散控制系统中的各个组成部分的相连，通常是将DCS的通信系统功能分成若干个层次来实现，每一个层次就是一个通信子网，通信子网具有以下特征：（1）通信子网具有自己的地址结构。（2）通信子网相连可以采用自己的专用通信协议。（3）一个通信子网可以通过接口与其他网络相连，实现不同网络上的设备相互通信。26第5章DCS的通讯网络系统2022/10/1627工业控制网络实际上可用生产金字塔结构来描述它的结构，不同的厂家的网络层数不同，各层功能有所差异，但都标明在整个工厂的自动化系统中，由下到上，在各层中发挥不同的作用。共同特点：上层负责生产管理，底层负责现场控制与检测，中间负责生产过程的监控及优化。�

国际标准化组织（ISO）

对企业自动化系统的建

模进行了一系列研究后

提出了这样的金字塔模

式：

企业长期生产

企业短期生产

车间在线管理

过程监控

设备控制检测与执行器驱动2022/10/16第5章DCS的通讯网络系统28公司管理级工厂与过程管理级过程监控级过程测量与控制级实际上根据我们的习惯一般划分为这样的模式

：集散控制系统有以下几种通信：（1）控制站中基本控制单元之间的通信。（2）控制站与操作站之间的通信。（3）操作站（人机接口设备）与上位管理站之间的通信。（4）现场智能I/O设备和操作站之间的通信。

29第5章DCS的通讯网络系统2022/10/163、网络拓扑结构

（1）星形结构每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。因此中央节点一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪，使系统的可靠性降低。集散控制系统控制级中应用较少。30第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（2）环形结构所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定环形方向传输。传输是单方向的，不存在确定信息传输路径的问题，简化了链路控制。环形结构的主要问题是在节点数量较多时会影响通信速率。环是封闭的，不便于扩充。31第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（3）总线型结构总线型结构仅仅是一种传输介质，既不像星形网络中的中央节点那样具有信息交换的功能，也不像环形网络中的节点那样具有信息中继的功能。所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上，共享一条公用的传输线路，每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。这种结构的网络又称为广播式网络。某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时，它才能把信息送上总线。总线型结构的优点是结构简单，便于扩充。另外，当采取冗余措施时并不增加系统的复杂性。32第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

通信介质又称传输介质或信道，是连接网上站点或节点的物理信号通路。在集散控制系统中，常用的传输介质：（1）双绞线、（2）同轴电缆（3）光缆334、通信介质

第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（1）双绞线由两条相互绝缘的导体扭绞而成的线对。在线对的外面常有金属箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线。双绞线的成本比较低，但在传输距离比较远时，它的传输速率受到限制，一般不超过10Mbit/s。34第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（2）同轴电缆由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层组成。信号通过内导体和外导体传输，外导体总是接地的，起到了良好的屏蔽作用。同轴电缆的传输特性优于双绞线。在同样的传输距离下，它的数据传输速率高于双绞线，但同轴电缆的成本高于双绞线。35第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（3）光缆内芯是由二氧化硅拉制成的光导纤维，外面敷有一层玻璃或聚丙烯材料制成的覆层，由于内芯和覆层的折射率不同，以一定角度进入内芯的光线能够通过覆层折射回去，沿着内芯向前传播以减少信号的损失。在覆层的外面一般有一层被称为Kevlar的合成纤维，用以增加光缆的机械强度，它使直径为100μm的光纤能承受300N的拉力。36第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等,在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。373.2工业以太网第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16过程控制工业和自动化工业，从嵌入式系统到现场总线控制系统，都认识到了以太网和TCP/IP的重要性，以太网和TCP/IP作为世界上最为广泛应用的网络协议，它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/IP协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/O模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接，而无需任何专用设备。383.2工业以太网第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16因此可以说，工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21世纪未来工业网络的首选，它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景。工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。393.2工业以太网第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16技术优势:（1）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议使不同厂商的设备实现互联。（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。（3）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。401、工业以太网技术的特点第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（4）通信速率高，目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。（5）可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。41第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16以太网进入工业控制领域，同样也存在一些问题：（1）实时性问题：以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。这种方式很难满足工业控制领域对实时性的要求。这也是以太网技术进入工控领域的技术瓶颈。（2）对工业环境的适应性与可靠性：以太网是按办公环境设计的，需要使抗干扰能力、外观设计等符合工业现场的要求。（3）适用于工业自动化控制的应用层协议：目前信息网络中定义的应用层协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。42第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（4）本质安全和网络安全：如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本质安全问题。另外，使用了TCP/IP协议，可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。（5）QOS（QualityofService）问题：IPQOS是指IP的服务质量，亦即IP数据流通过网络时的性能，它的目的是向用户提供端到端的服务质量保证。在工厂控制底层的信号已不局限在单纯的数字和模拟量上，而是包括Audio及低分辨的Video信号，网络应能根据不同用户需求及不同的内容适度地保证实时性的要求。43第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

随着网络技术的不断发展，以上出现的问题已经完全或部分得到解决，主要在以下方面：（1）快速交换式以太网技术，采用全双工通信，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。（2）对于不同工业环境网络设备生产厂商采取了专门的抗干扰措施，使其更加符合工业需求。（3）在应用层协议方面用户可以根据需要对TCP/IP协议栈进行增减，另外还需要制定更加符合工业要求的网络协议。44第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（4）设备生产商提供适应工业环境的器件，使用密封性好、坚固、抗震动的以太网设备与连接件用来解决本质安全问题；采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理，但针对工业自动化控制网络安全问题的解决方案还需要认真研究。（5）随着网络速度的提高和网络协议的进一步完善，QOS问题也得到了解决。45第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在EthermetTCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。目前受到广泛支持并已经开发出相应产品的有以下几种主要协议。462、控制系统中的工业以太网协议

第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（1）ModbusTCP/IP

该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为ModbusTCP/IP。一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性；利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好；利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况。施耐德公司已经为Modbus注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。47第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（2）HSE（HighSpeedEthernet，高速以太网）

HSE是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线H2之后的新作。

HSE是以太网协议IEEE802.3、TCP/IP协议族与FFH1的结合体。

FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Intemet的集成。48第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（3）ProfiNetProfibus国际组织针对工业控制要求和Profibus技术特点，提出了基于以太网的ProfiNet的网络方案，它主要包含3方面的技术：①基于组件对象模型(COM)的分布式自动化系统；②规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；③提供了一个独立于制造商的系统模型，包括设备层和系统层。49第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（4）Ethernet/IPEthernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它是由ODVA（OpenDevicenetVendorsAssociation）和ControlNetInternational两大工业组织推出的最新成员，与DeviceNet和ControlNet一样，它们都是基于CIP（ControlandInformationProtocol)协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式信息(包括用于组态、参数设置、诊断等)的有效传输。50第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几个方面。（1）混合Ethernet/Fieldbus的网络结构信息网络和控制网络的一种典型的集成形式。以太网正在逐步向现场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合。现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统。

企业信息层采用以太网，而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现两者的信息交换。513、工业以太网的应用现状第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（2）专用工业以太控制网络利用工业以太网单独作为控制网络是工业以太网的发展方向之一，也是工业控制领域的研究热点之一。德国JetterAG公司的新一代控制系统JetWeb，是融现场总线技术、100Mb/s以太网技术、CNC技术、PLC技术、可视化人机接口技术和全球化生产管理技术为一体的工业自动化控制系统，提出“网络就是控制器”的观点，是取代所有底层现场总线的工业网络结构。这种工业控制网络是将以太网贯穿于整个网络各层次，使它成为透明的覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，其良好的可扩展性和互连性，使之成为真正意义上的全开放网络体系结构的大统一。52第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（3）基于Web的网络监控平台嵌入式以太网是最近网络应用热点，就是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通，从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。企业内利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。简单办法就是采用独立的以太网控制器，连接具有TCP/IP界面的控制主机以及具有RS232或RS485接口的现场设备。以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁。53第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

为了消除以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。为此，国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网(Real-timeEthernet，RTE)标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。国内以浙江大学、浙江中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“863”计划的支持下，开展了EPA(EthenetforPlantAutomation)技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，目前已取得了以下成果：（1）以太网应用于现场设备间通信的关键技术；（2）起草了EPA国家标准；（3）开发基于以太网的观场总线控制设备及相关软件。工业以太网已成为现场总线中的主流技术。攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性。可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备，网络化控制系统和系统软件。54第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

世界上各DCS厂商长期以来一直致力于DCS通讯网络的完善和发展。尽管各厂商生产DCS的通讯体系和网络类型有所差别，但是发展方向却是一致的，即提高通讯实时性、增加有效传输带宽和加强系统可靠性。各DCS一般都采用分层体系，将整个通讯系统合理划分为多个层次，每一层的通讯速度和网络类型都有所不同。但是，从工业控制的角度出发，一个完善的通讯系统应该满足以下两方面要求：（1）通讯等待时间不因通讯负荷上升而显著增加；（2）最大通讯延时应可控制。553.3集散控制系统的通信网络体系

第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16ISO/OSI七层参考模型561、OSI参考模型以及常见的网络设备第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（1）OSI参考模型①物理层。规定通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。②链路层。由许多节点共享的。这层协议的作用是确定在某一时刻由哪一个节点控制链路，即链路使用权的分配。同时还确定了检错和纠错方式，以及每一帧信息的起始和停止标记的格式。③网络层。主要功能就是处理信息的传输路径问题。在由多个子网组成的通信系统中，还负责处理一个子网与另一个子网之间的地址变换和路径选择。④传输层。确认两个节点之间的信息传输任务是否已经正确完成。其中包括：信息的确认、误码的检测、信息的重发、信息的优先级调度等。⑤会话层。对两个节点之间的通信任务进行启动和停止调度。⑥表示层。进行信息格式的转换，它把通信系统所用的信息格式转换成它上一层，也就是应用层所需的信息格式。⑦应用层。严格说，这一层不是通信协议结构中的内容，而是应用软件或固件中的一部分内容。它的作用是召唤低层协议为其服务。57第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（2）常见的网络设备从OSI参考模型的角度可以看出，常见的网络设备：物理层的中继器(Repeater)：通过复制位信号延伸网段长度；数据链路层的网桥(Bridge)：在局域网之间存储或转发数据帧；网络层的路由器(Router)：在不同网络间存储转发分组信号；传输层及传输层以上的网关(Gateway)：进行协议转换，提供更高层次的接口。

中继器、网桥，路由器和网关是不同层次的网络互联设备。58第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

中继器是接受一个线路中的报文信号，将其进行整形放大、重新复制，并将新生成的复制信号转发至下—个网段或转发到其他介质段。主要作用在于延长电缆和光缆的传输距离。中继器也是一个再生器。59中继器（物理层）第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16采用中继器延长网络

网桥是存储转发设备，用来连接同一类型的局域网。网桥将数据帧送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层，通过物理传输介质送到另一个子网或网段。网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。60网桥（数据链路层）第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16通过网桥连接的网段

网桥与中继器的区别在于：网桥（Bridge）像一个聪明的中继器。中继器从一个网络电缆里接收信号，放大它们，将其送入下一个电缆。相比较而言，网桥对从关卡上传下来的信息更敏锐一些。网桥是一种对帧进行转发的技术，根据MAC分区块，可隔离碰撞。网桥将网络的多个网段在数据链路层连接起来。

网桥起到了过滤信号包的作用，利用它可以控制网络拥塞，同时隔离出现了问题的链路。因此只可以将网桥应用在使用相同协议的网段之间。网桥有简单网桥,学习网桥,多点网桥61第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16

对存在多个子网络或网段的网络系统，路由器是很重要的部分。路由器可以在多个互联设备之间中继数据包。它们对来自某个网络的数据包确定路线，发送到互联网络中任何可能的目的网络中。62路由器（网络层）第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16互联网中的路由器63网桥与路由器的区别

网桥是一个简单的相关设备。它唯一的目的是把被许多正在共享的物理网络分割成多个小部分。网桥通常只有2个端口；超过2个端口的网桥称为switch。网桥不考虑用户在网上使用的协议（TCP/IP，IPX，AppleTalk，ect。），因为它们是在数据链路层工作。这既是一个优点，同时也是一个缺点；因为它们工作在一个简单的层上，网桥可以盲目的以高速操作，但是它们会不加选择的传输数据，我们几乎不能对它的工作进行控制。

路由器工作在网络层——他们事实上知道在网络上传输数据的协议。正因为它们知道协议，所以他们能按规则来决定将怎样处理特定的数据。为此，路由器在为不同目的或不同组织的连接网络是很有用的。用户可以申请规则或过滤器来使特定的数据通过，而不使其他的数据不通过。或者安排为某种目的服务的数据进入特定的网络连接，其他的数据跳过这连接。

由于路由器处理网络层的数据，因此它们更容易互连不同的数据链路层，如令牌环网段和以太网段。网桥通常比路由器难控制。象IP等协议有复杂的路由协议，使网管易于管理路由；IP等协议还提供了较多的网络如何分段的信息（即使其地址也提供了此类信息）。而网桥则只用MAC地址和物理拓扑进行工作。因此网桥一般适于小型较简单的网络。

网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。技术上与它所连接的两个网络的具体协议有关，因而用于不同网络间转换连接的网关是不相同的。64网关（传输层或传输层以上）第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI7层协议的顶层--应用层。

一般说来，DCS通讯网络系统均属于局域网范围，因此局域网的各种类型对DCS来讲都是可用的，但是DCS的局域网具有更高的要求。目前DCS主要采用令牌网和工业以太网两大类，近年随着各种高速局城网技术的出现，FDDI（光纤分布式数据接口）网和交换式以太网也相继引入DCS。从发展角度看，以太网和FDDI将在DCS主干通讯网络中得到进一步使用：以太网的优势是廉价、高速，低负荷时具有良好的性能，对中小型DCS来讲不失为一个比较理想的选择；而FDDI作为一种确定性的高速、高容错性网络，能够满足大型复杂系统自动化控制的苛刻要求。652、DCS的通讯网络

第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（１）令牌网令牌网通讯技术采用被称为令牌的特殊格式帧来控制网络上各个节点的发送权，该令牌按照特定的顺序在各个节点之间传递，由于每一个节点持有令牌的时间是有限制的，这样任何一个网上节点等待令牌到来的时间都是可控的，即存在一个最大等待时间，因此任何一个网上节点在特定的时间间隔内都有机会拿到令牌进行数据传送，这种传输特性就是网络传输的确定性。研究表明，令牌网在90％通讯负荷下仍能够保证很好的性能，除此之外，令牌网技术下可以设定各种数据帧的优先级，从而可以保证重负荷下关键数据的及时传送。66第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16按照网络拓扑结构划分，令牌网可以分为令牌环网和令牌总线网两大类。令牌环网技术是最早实现的令牌网技术，整个环路是通过一段点到点的链路连接起来的，从而易于令牌传输技术的实现。但缺点就是所有节点与环路之间的干线耦合器为有源器件，其可靠性降低。令牌总线网则综合了总线网和令牌环网的优点，在物理上是一个总线网，但在逻辑上又是一个令牌网，因而它不仅具有总线网接入方便和可靠性高的优点，而且具有令牌网的传输无冲突和有确定性的最大传输时延的优点，因此，令牌总线技术得到了越来越广泛的应用。最大缺点就是媒体接入层的算法实现相对复杂。67第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16（２）交换式以太网交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接。从交换机流入的数据直接从它相连的目的站接口流出。网络的性能主要由传输和接受的元件的性能决定。通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，提供每个用户的独占点到点的链路。每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，从而不需要竞争底层传输信道，建立了真正意义上的地理位置分散的网络，同时网络的宽带问题得到了妥善解决。

68第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16交换式以太网克服了传统以太网的缺点，总线竞争的不存在大大提高了整个系统的网络性能，使原来的“共享式”带宽变成了“独占式”带宽，较好地解决带宽问题。但是交换式以太网同样不能控制最大传输时延。69第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16交换式以太网（３）FDDI网

FDDI是英文FiberDistributedDataInterface的缩写，中文译为光纤分布式数据接口，通讯方式同样采用了成熟的令牌传输技术，因而该网络是完全确定性的，在不发生数据丢失或者精度降低的情况下可以保证重要数据的及时传递，因此FDDI是一种可用于传递过程控制信息的高速高带宽网络。在设计上FDDI不仅采用了全冗余及容错技术，而且充分考虑了与各种LAN和WAN的互连，因此具有成熟的标准硬件和软件用于同常规LAN的连接，从而取消了常见DCS使用的复杂冗余机制和特殊网关的要求，提高了系统可靠性。70第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16与普通令牌网相比，FDDI的突出优点就是其与生俱采的全冗余性和高容错性。根据IS09314.2规定，标准FDDI网络由两个数据传输方向相反的光纤环组成。在正常情况下，只有一个环路在工作，另一个环路处于备用。当运行环路出现故障时，不管是链路故障还是站点故障，FDDI可自动重新配置，同时启动备用环路工作，使整个网络得以继续工作，71第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16FDDI容错性示意图由此可见，与常规DCS中采用的其它冗余通讯网络相比，FDDI不仅允许一个环路出现故障，而且允许两个环路都出现故障时仍能够保证整个通讯系统的正常通讯，甚至在环路出现多处故障的情况下，整个网络仍然可以自动配置成多个分离的小环网继续工作。72第5章DCS的通讯网络系统2022/10/165.4.1现场控制总线的产生5.4.2现场控制总线的特点5.4.3现场总线技术介绍735.4现场控制总线第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。1、模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。2、集中式数字控制系统集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。(一台计算机取代控制室的几乎所有仪表)745.4.1现场控制总线的产生第5章DCS的通讯网络系统2022/10/163、集散控制系统（DCS）集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。

在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。755.4.1现场控制总线的产生第5章DCS的通讯网络系统2022/10/164、现场总线控制系统（FCS）

FCS正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向和多站点的串行通信网络，从各类变送器、传感器、人机接口或有关装置获取信息，通过控制器向执行器传送信息，构成现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)。它与传统的DCS相比有很多优点，是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。根据国际电工委员标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。765.4.1现场控制总线的产生第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16现场总线的概述（FieldBus）

传统控制系统现场仪表(I/O)控制器一对一连接4~20mA0~10mA24VDC……80年代开始智能现场设备普遍应用a.包含CPUb.能直接数字通信c.具有很强的功能例如，智能化变送器除了具有常规意义上的信号测量和变送功能以外，往往它还具有自诊断、报警、在线标定甚至PID运算等功能……智能现场设备与主机系统间待传输的信息量急剧增加。现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设备的监控。现场总线定义按照国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它也被称为开发式、数字化、多点通信的底层控制网络。网络节点包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享网络体系通信总线在现场设备中的延伸生产控制网络结构

位于的底层1.IEC611581984年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线标准。IEC61158-2现场总线物理层规范于1993年正式成为国际标准；IEC61158.3和IEC61158.4链路服务定义和协议规范经过5轮投票于1998年2月成为FDIS标准；以及IEC611585和IEC61158.6应用层服务定义和协议规范于1997年10月成为FDIS标准；1998年9月，IEC61158的四个FDlS草案进行最后一轮投票，决定是否成为国际标准，投票结果是未获通过。四个FDIS只能按照IEC的规定，作为技术报告发表。795.4.3现场总线技术介绍第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16根据执委会作出的CAl05/19决议，SC65C/WG6对IEC61158技术报告进行了全面修改，原来的IEC技术报告作为Typel，其他总线遵照IEC原技术报告格式作为Type1～Type8进入IEC61158。这样一来，新的现场总线标准将包括八种类型现场总线。(1)TypelIEC61158技术规范。(2)Type2ControlNet现场总线。(3)Type3Profibus现场总线。(4)Type4P-Net现场总线。(5)Type5FFHSE(HighSpeedEther-net)。(6)Type6SwiftNet现场总线。(7)Type7WorldFIP现场总线。(8)Type8Interbus现场总线。修改后的IEC61158国际标准在1999年12月的投票中最终获得通过。80第5章DCS的通讯网络系统2022/10/16现场总线控制系统现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站——现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。

FCS控制层原理图

现场总线的结构

按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参考模型建立的。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层，如图所示。

工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级

IBMCompatibleASCIIPrinterPlotterTowerboxDataASCIIPrinterASCIIPrinter工厂管理级工厂骨干网车间监控网车间监控级现场级网络现场设备级现场总线的结构特点IPC、PLC……I/O子系统…………Ethernet/HighwayFiledbusController/GetwayFiledbusDCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统FCS采用的是一个完全分散的控制方式

现场总线控制系统兴起于90年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可以直接进行数字通信，通常我们把FCS称为第五代控制系统。※50年代之前的气动仪表控制系统称作第一代※单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代※集中型计算机控制系统称为第三代※第四代控制系统是指70年代中期以后发展起来的DCS作为新一代控制系统：一方面：FCS突破了DCS采用专用通信网络的局限，采用了基于开放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面：FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。

需要提醒的是，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用，在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色。(1)全数字化通信

(2)开放型的互联网络

(3)互可操作性与互用性

(4)现场设备的智能化

(5)系统结构的高度分散性

(6)对现场环境的适应性

现场总线的技术特征

现场总线的特点现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。现场总线的优点现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。现场总线国际标准化概况基本情况——现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。

1999年形成了一个由8个类型组成的IEC61158现场总线国际标准

IEC61158成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一IEC61158现场总线标准※IEC61158国际标准只是一种模式，8种类型都是平等的※各组织按照IEC技术报告Type1的框架组织各自的行规，但不改变各组织专有的行规（Profile）。※IEC标准的其中Type2～Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2～Type8之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。IEC61158Type1：IEC61158技术报告★Type2：ControlNetType3：Profibus★

Type4：P－NetType5：FFHSE

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Type6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：Interbus以上8种总线采用完全不同的通信协议！现场总线标准:2003年4月，IEC61158Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。Type1TS61158现场总线Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线Type3Profibus现场总线Type4P-NET现场总线Type5FFHSE现场总线Type6SwiftNet现场总线Type7WorldFIP现场总线Type8Interbus现场总线Type9FFH1现场总线Type10PROFInet现场总线IEC61158Type1现场总线IEC61158Type1是IEC推荐的现场总线标准

网络协议物理层数据链路层应用层用户层——考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的采用ISO/OSI的简化模型。

物理层功能——物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能

传输介质——有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输类型

低速现场总线H1高速现场总线H2传输速率为31.25kbps主要用于现场级它能够通过总线为现场仪表供电，并支持带总钱供电设备的本质安全。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和其它高速数据传输的应用，其传输速率为1Mbps、2.5Mbps和100Mbps。(HSE)

数据链路层应用层数据链路层负责实现链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。总线访问控制采用链路活动调度器LAS方式，LAS拥有总线