化工过程计算机控制3

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——通讯的基础知识通讯的意义：通讯是信息的传递；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；数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释。信号：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。信道带宽某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。数据通信系统的信道传输的是电磁波(包括无线电、微波、光波等)，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。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。奈奎斯特定理：

无噪声信道最大传输速率=2Blog2V(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，V=2，此时，无噪声信道的最大传输速率=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：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：发送或接收信号的硬件或软件进程。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：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：某一系统内的各层协议集。计算机网络通讯的传输介质——双绞线双绞线（twistedpair）每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。如电话线双绞的目的：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。双绞线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——同轴电缆(coaxialcable)

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。电缆的两端需要有终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体)，中间连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。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2500米的传输距离，可以连接数千台设备，但其价格较高；细缆多用于与用户桌面连接，级连使用可支持800米的传输距离，但一般不超过180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。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——光缆(opticalfiber)光纤通信的原理

见图，入射角∠１∠２∠３逐渐增大，∠1’∠2’是折射角，光纤通信的原理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到∠3时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。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。

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。光纤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电、微波、卫星、移动通信等，各种无线介质传输介质对应的电磁波谱范围如图所示。

各通信类型使用的电磁波谱范围无线通信介质主要是微波和卫星。

微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。

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：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(parallel)与串行传输(serial)

并行传输：局域网距离近，至少有8位数据同时传输，计算机内部的数据多是并行传输。

串行传输：距离较远的情况，每次由源到目的传输的数据只有一位，成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术。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。总线标准内容1.机械特性：总线引脚(信号线)数目、引脚排列位置与次序，如RS232C9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－3V～－25V，逻辑＋3V～＋25V）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120Ω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32～128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120Ω电阻。传送距离可达1000m，最大传输速率为10MbpsAD/DAAD卡：模拟信号转换为数字信号的硬件，一般可直接插在工业控制计算机上。DA：数字信号转换为模拟信号通过AD卡输入一16位短整型数unsignedcharinportbNT(unsignedshortp){asmmovdx,p;asminal,dx;return_AL;}通过DA卡输出一16位短整型数voidoutportwNT(unsignedshortp,unsignedshortv){asmmovdx,p;asmmovax,v;asmoutdx,ax;}输入输出均用整型方式，故需先把浮点数换为整型数；转换方法与卡件位数有关voidSetInputByAD(float&data,floatData0,floatDataU,shortintDABitNum,shortintport){if(DABitNum<=1){//<=8位unsignedchardad;outportb(port,addr);dad=inportb(port+1);data=float(dad);}elseif(DABitNum<=3){//12位、16位unsignedshortintdad;outportw(port,addr);dad=inportw(port+1);data=float(dad);}else{//>=32位unsignedlongdad;outportd(port,addr);dad=inportd(port+1);data=float(dad);}switch(DABitNum){case0:data/=15.0;break;//4位case1:data/=255.0;break;//8位case2:data/=4095.0;break;//12位case3:data/=65535.0;break;//16位case4:data/=1048575.0;break;//20位case5:data/=16777215.0;break;//24位}data*=(DataU-Data0);//量程data+=Data0;//零点//returndata;}shortintSetOutByDA(floatdata,floatData0,floatDataU,shortintDABitNum,shortintport){data=(data-Data0)/(DataU-Data0);if(data>1)data=1;switch(DABitNum){case0:data*=16.0;break;case1:data*=255.0;break;case2:data*=4095.0;break;case3:data*=65535.0;break;case4:data*=1048575.0;break;case5:data*=16777215.0;break;}if(DABitNum<=1){unsignedchardad=data;outportb(port,dad);inportb(port);}elseif(DABitNum<=3){unsignedshortintdad=data;outportw(port,dad);inportw(port);}else{unsignedlongdad=data;outportd(port,dad);inportd(port);}return0;}计算机网络数字通讯协议与分层思想

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。

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、1.5位和2位三种,而校验方式则有NONE、ODD、EVEN、MARK、SPACE五种方式。485物理层通讯设计.pps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：通讯起始代码或保持无输入讯号一段时间。地址码：指示接收上位机报文的下位机地址。功能码：指示接收的下位机要完成的功能。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：根据某种方式将上述数据进行处理后获得的代码。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*256+43H+参数值+ADDR无论是读还是写，仪表都返回以下数据:测量值PV+给定值SV+输出值MV及报警状态+所读/写参数值+CRC校验码例如，将ADDR为1的仪表的给定值（参数代号0）写为100.0℃(整数为1000），用BASIC语言（VB）的编程方法如下：1、物理层编程：初始化通讯口，包括与仪表相同的波特率，数据位8，停止位2，无校验，如果采用RS485通讯口，要注意某些型号的RS485通讯口（或RS232/RS485通讯转换器）对RTS、DTR等控制线有一定的要求。2、VB编程指令如下：COMM1.OUTPUT=CHR$(129)+CHR$(129)+CHR$(67)+CHR$(0)+CHR$(232)+CHR$(3)+CHR$(44)+CHR$(4)485通讯程序设计现场总线控制系统(FCS)发展历程现场总线的思想产生于上个世纪的80年代，90年代初期才有供设计用的相应标准推出。美国仪表1984年开始制定现场总线标准，但到1992年国际电工委员会才批准SP50物理层标准。德国1986年开始制定标准，到1990年完成最初的Profibus总线标准，而到1994年才推出过程控制用的现场总线Profibus–PA(ProcessAutomation)几种现场总线系统HART(HighwayAddressableRemoteTransducer):美国1986年研制。CAN(ControlAreaNetwork)：德国Bosch公司开发。最初为汽车的检测和控制设计。现为国际标准化组织的ISO11898标准。LonWorks美国Echelon公司的测控网络，主要应用于电力系统和楼宇自动化。ProfiBus(ProcessFieldBus):德国1991年正式公布，最大特点是具有在防爆区连接的安全特性。ProfiBus－FMS用于一般自动化，ProfiBus－PA用于过程控制，ProfiBus－DP用于加工自动化FF(FieldbusFoundation):现场总线基金会推出的现场总线系统。该基金会是国际公认的唯一不附属任何企业的国际标准化组织，现有成员120余家。FF最后标准在2000年获得通过并正式公布·现场总线标准——LonWorksLonWorks(LocalOperatingNetwork).本身就是一个局域网。网络功能和兼容性均强。其基础组件Neuron芯片同时具备通讯和控制功能，并且固化了OSI7层协议.网络通讯介质不限。通讯速率可达1.25Mb.网络节点可达32000个。现场总线标准——ProfiBus符合德国标准DIN19245T1＋T2和欧洲标准。应用广泛。系统由主从站组成。主站有网络控制权，可以主动发送信息。从站只能接收和响应。通讯协议的基础是OSI的7层模型。现场总线标准——FFFF总线系统的通讯协议是参考OSI模型，但进行了改造。保留了第一层(物理层)，第二层(数据链路层)和第七层的应用层。并且对应用层进行较大的改造，将其分为现场总线存取和应用服务两部分。基于ODBC的远程数据传送ODBC(openDataBaseConnectivity):开放数据连接，是应用程序与关系数据库的通用编程接口，许多数据库系统(SQLServer,Oracle,Access,Foxpro)都提供了标准的ODBC环境。一般情况下，应用程序可以通过SQL语言实现对ODBC数据库的远程调用。比如要从某一数据库名为dbo.acdata的表中取最新的数据，可以用下述SQL语言实现select*fromdbo.acdatawheretimestamp>=(selectmax(timestamp)fromdbo.acdata)一般ODBC系统依赖于DSN(DataSoueceName)的使用新型工控网络通讯——OPC通讯服务硬件市场的八国联军现象，使控制系统的通讯集成和编程变得困难。解决思路：制定统一的应用服务标准，由硬件厂商提供OPC服务器端软件(通讯服务软件)，软件人员按照OPC标准开发客户端软件，采用OLE技术直接由硬件厂商提供的通讯服务程序中读写数据。OPC的产生OPC(OLEforProcessControl——用于过程控制的OLE)是一个工业标准，它是许多世界领先的自动化和软、硬件公司与微软公司合作的结晶。这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。管理该标准的组织是OPC基金会。该基金会的会员单位在世界范围内超过220个。包括了世界上几乎全部的控制系统、仪器仪表和过程控制系统的主要供应商。OPC基金会的先驱——一支由Fisher-Rosemount、Rockwell软件公司、Opto22、Intellution和IntuitiveTechnology公司组成的“特别工作组”——在经过一年工作后，开发出一个基本的、可运行的OPC规范。简化的第一阶段的标准在1996年8月发布。OPC概述

OPC是基于Microsoft公司的DistributedInternetApplication（DNA）构架和ComponentObjectModel（COM）技术的，根据易于扩展性而设计的。OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。OPC的相关知识COM--CommonObjectModel组件对象模型COM提供了接口和内部组件通信的标准。通过COM，一个实际应用可以采用其它任何一个应用对象或操作系统的特征，或者允许软件组件的升级而不会对整个应用系统的运行造成影响。开发者和系统集成商能够使用COM创建定制的解决方案。COM是一个二进制标准，是DCOM、ActiveX和OLE技术的核心。OPC的相关知识OLE--对象链接和嵌入OLE用于在不同的应用之间，甚至在多种类型信息之间进行集成，以实现高度的应用兼容性。OLE技术基于COM，并且考虑到了可重用的、即插即用对象的开发，并且这些对象在多个应用之间是可相互操作的。OLE还规定了可重用的、基于组件的软件开发规范，使得在这样的软件开发中，任何软件供应商能以任何语言编写软件组件。OPC的相关知识OLEAutomation--OL