第七章集散控制系统的通信网络与系统特性

2.1数据通信的基本概念2.1.1基本概念2.1.2通信介质2.1.3数据通信系统网络结构2.1.4通信控制方式2.2集散控制系统中的网络通信2.3DCS的网络存取控制技术2.4集散控制系统中应用的网络协议第2章集散型控制系统的通信网络与系统特性2.1数据通信的基本概念2.1.1基本概念通信■

数据信息■传输速率单工、半双工、全双工——信息的传输方式基带传输、载带传输、宽带传输异步传输、同步传输串行传输、并行传输调频、调幅、调相——载带传输中的数据表示方法线路交换、报文交换、报文分组交换（虚电路、数据报）——数据交换方式通信协议通信：信息从一处传输到另一处的过程。一个通信系统由发送装置、接收装置、信道和信息四部分组成。发送装置将信息送上信道，信息由信道传送给接收装置。数据信息：具有一定的编码、格式和字长的数字信息。传输速率：信道在单位时间内传输的信息量，单位：bit/s单工（Simplex）：信息沿单方向传输的通信方式。半双工（Halfduplex）：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。全双工（Fullduplex）：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。基带传输：直接将代表二进制信息的脉冲信号通过信道进行传输方式。载带传输：用基带信号调制载波后，在信道上传输调制后的载波信号，是为载带传输。宽带传输：在一条信道上同时传送多路信号，各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。异步传输：信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有起始位和停止位，字符之间的传输时间间隔不确定。同步传输：信息以数据块为单位进行传输，在这一组数据或报文之内不需启/停标志，可以获得较高的传输速度。串行传输：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：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。调幅（AM）/幅移键控法（ASK）：调制信号的振幅变化（高振幅/低振幅）以表示二进制数。调频（FM）/频移键控法（FSK）：调制信号的频率变化（高频率/低频率）以表示二进制数。调相（PM）/频移键控法（PSK）：调制信号的相位变化（0相位/180°相位）以表示二进制数。线路交换：一种数据交换方式，在需要交换数据的两个节点之间建立起一条实际的物理连接（通路）。存储转发：一种数据交换方式，两个节点之间的数据交换经由中间节点的存储转发功能实现。报文交换：一种数据交换方式，基本数据单位是一个完整的报文。报文分组交换：一种数据交换方式，基本数据单位是一个报文分组。比较灵活。虚电路：报文分组交换时用到的方法，在发送前，在两个节点之间建立一条逻辑信道。在经过其他节点时需排队等待转发。数据报：报文分组交换时用到的方法，根据先后次序给各分组报文编号，无需事先建立逻辑连接，虽经中间节点转发会造成混乱，接收点可根据序号恢复报文原来的顺序。通信协议：计算机通信网络中信息传递的控制、管理和转换的规则。2.1.2通信介质

通信介质又称传输介质或信道，是指连接网上各节点之间的物理信号通路。常见的通信介质有双绞线、同轴电缆和光缆三种。双绞线：把两根平行导线按一定节距绞合在一起，外面包裹金属箔屏蔽层的信号线称为双绞线，如下页图a所示。同轴电缆：由内导体、用于固定内导体的电介质绝缘层、外导体和外绝缘层构成。如下页图b所示。光缆：光缆的内芯是由SiO2拉制而成的光导纤维，外面敷有一层覆层，两层折射率不同。在覆层外面有一层合成纤维和绝缘层。如下页图c所示。a）双绞线

b）同轴电缆c）光缆2.1.3数据通信系统网络结构一、计算机网络的定义

计算机网络是将地理位置不同，而且具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路将它们连接起来，由功能完善的网络软件(网络协议、信息交换方式、控制程序和网络操作系统)实现网络资源(硬件、软件、信息)共享的系统。从所覆盖的地域范围大小来分类，计算机网络可划分为远程网、局域网和分布式多处理机三类。远程网的传输距离可达数千米以上，分布式多处理机的传输距离仅限于几米以内，而局域网的传输距离介于两者之间，约几百米到几千米。二、网络结构计算机网络

拓扑结构就是计算机网络结构，它是指网络的节点与主机之间实现互连的方式，如右图所示。

其中方框代表网络中的计算机，又称主机；圆圈代表主机与通信线路之间的接口，又称节点；节点之间的通信线路称为通信链路。通常把节点和通信链路的集合统称为通信子网，而把所有主机统称为资源子网。1.通信子网的特征通信子网具有自己的地址结构。通信子网相连可以采用自己的专用通信协议。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。通信子网分为点对点子网和广播子网两种。

点对点子网的特点：每一条通信链路只连接一对节点。点对点子网又称存储转发子网。点对点子网的拓扑结构主要有全连接、星形连接、环形连接、树形连接以及不规则连接等形式，如下图所示。2.通信子网——

点对点子网点对点子网拓扑结构广播子网拓扑结构3.通信子网——

广播子网

广播子网的特点：所有节点共享单一的通信媒体，任何一个节点发出的信息都能直接被所有节点接收到，而不需经过中间节点的转接，又称多点共享。广播子网有无线和有线两种传播方式。其中总线网和环形总线网是有线广播子网的常见拓扑结构，如下图所示。

在集散控制系统中应用较多的拓扑结构是星形、环形和总线型。星形：中央节点构造复杂，可靠性较低。环形：信息在传输中需要节点进行中继，节点数量太多会影响通信速度，另外环是封闭的，不便于扩充。总线型：在某一时刻网络中只能有一个信息正在传输。对总线的电气性能要求很高，通信距离不能太长。结构简单，便于扩充。三、不同网络结构的特点

2.1.4通信控制方式差错控制对干扰可能造成的传输错误进行检错和纠错统称为差错控制。传输错误包括突发错误和随机错误。突发错误由突发噪声引起，特征是误码连续成片出现。随机错误由随机噪声引起，特征是误码与其前后的代码是否出错无关。可靠性指标：误码率=出错的码元数/传输的总码元数在集散控制系统中常用每年出现误码的次数表示（0.01~4次/年）链路控制即对网络中各节点链路使用权的调配。分为集中式（星形）和分散式（环形、总线型）。2.2DCS的网络存取控制技术

在DCS中，常用的存取访问控制技术有：

1.轮询(Poll)2.令牌传送(TokenPassing)3.带有冲突检测的载波监听多路存取

(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD)2.2.1轮询(Poll)

轮询主要适用于集中控制的网络（如星形网、树形网和有总线控制器的总线网），在DCS中称为1对n的控制方式。它是由主站（或总线控制器）向其他站（节点）逐个查询，根据被查询站的应答信息，确定该站是否要发信，并确定是否让其发信，待这一站发送完信息后，通知主站，让主站再继续查询。下图表示轮询的工作过程。轮询的优点是结构简单，网络访问分配情况可以预先确定；它的缺点是访问速度慢，效率低，等待时间很长，CPU利用率不高，可靠性差等。轮询工作过程2.2.2令牌传送(TokenPassing)

令牌传送适用于环形网或在逻辑序列上将节点连接成环的总线网。在采用广播方式的DCS中称为n对n的控制方式。它是由环上有一个称为令牌的信息包沿环中各节点依次传送信息的。该令牌有闲、忙两种状态。下页图归纳了上述令牌传送的工作过程。令牌传送的优点是不需要网络控制器，网络访问分配情况可以预先确定，所以它适用于大型总线网络系统；缺点是当令牌丢失或信息包在环上无限制地循环时，必须由指定的监视节点向网络中注入一个新令牌或将信息包撤消。a)b)c)d)令牌传送的工作原理在令牌环网中有一个令牌(Token)沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅是控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点计算机只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的。

令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。希望传送数据的计算机必须首先检测到“闲”令牌，将它置为“忙”的状态，然后在该令牌后面传送数据。当所传数据被目的节点计算机接收后，数据被从网中除去，令牌被重新置为“闲”。

2.2.3带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)

带有冲突检测的载波侦听多路访问技术适用于总线网。由于接在总线上的各个站共享一条广播式的传输线，为防止信息在传输线上发生“碰撞”的情况，可以采用“先听后讲，边讲边听”的办法，即CSMA/CD技术。CSMA/CD工作原理如右图所示。这种方法的优点是网络结构简单，易实现，可靠性高，允许节点迅速地访问通信网络；它的缺点是通信响应时间不确定，如果网络分布区域较广，则通信效率会降低。CSMA/CD工作原理CSMA/CD是carriersensemultipleaccess/collisiondetected的缩写，可把它翻成“载波侦察听多路访问/冲突检测”，或“带有冲突检测的载波侦听多路访问”。所谓载波侦听（carrier

sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要侦听总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。所谓多路访问（multipleaccess)，意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。所谓冲突（collision），意思是若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称数据冲突又称碰撞。为了减少冲突发生后的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision

detected）。CSNM/CD媒体访问控制方法的工作原理，可以概括如下：

先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说；

听，即监听、检测；说，即发送数据。上面几句是说在发送数据前，先监听总线是否空闲。若总线忙，则不发送。若总线空闲，则把准备好的数据发送到总线上。在发送数据的过程中，工作站边发送边检测总线，是否自己发送的数据有冲突。若无冲突则继续发送直到发完全部数据；若有冲突，则立即停止发送数据，但是要发送一个加强冲突的JAM信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突，然后，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。csma/cd是用于半双工模式下的，这种模式下才有发生碰撞的可能。2.3DCS中的网络通信2.3.1DCS中通信的特点1、2、3、4、2.3.2网络的体系结构1.网络体系结构设计的思想2.OSI参考模型：七层3.PROWAY（工业过程控制用数据公路标准）4.MAP（制造自动化协议）2.3.3现场总线标准2.3.4现场总线通信协议2.3.1DCS中通信的特点DCS的通信网络将工程师站、操作员站、现场控制站连接起来，以达到危险分散、控制功能分散、显示与管理集中的工业控制目的，因此，它与一般办公室用的局部网络有区别，主要由以下特点：实时响应能力■高可靠性适应恶劣的工业现场环境■分层结构2.3.2网络的体系结构1.网络体系结构设计的思想

网络体系结构的主要目的是解决网络的逻辑结构和功能划分问题，也就是用层次清晰的结构化设计方法，将计算机网络按功能分出若干个层次，以找出不同的计算机网络系统之间互连和通信的方法和结构。网络体系结构只是从功能上描述计算机网络的结构，即计算机网络设置多少层，每层提供哪些功能，而不涉及每层硬件和软件的组成以及如何实现问题。网络体系结构是抽象的。

下层将功能封装起来通过一个统一的接口提供给上层使用，这样上层就不用再因为下层的不同而分别考虑问题了。如数据链路层的帧传输就不用考虑不同物理层介质的比特率（即传输速率）不同的问题，网络层的包传输同样不会考虑链路层的帧结构不同问题……上层是通过直接调用已封装好的下层功能进行更高层次功能的实现。和编程中的接口思想类似。（1）分层的作用（a）功能分工的原则（b）隔离稳定的原则（c）分支扩张的原则（d）方便实现的原则（2）分层的原则（3）网络协议由于网络设备的生产厂家不同，型号也不一定相同，在硬件和软件上的差异给通信带来许多困难。所以，必须有一套使网络全体“成员”共同遵守的“约定”，以便实现彼此通信和共享资源，这就是人们常说的网络协议。协议指连网和通信技术中正式规定的技术规范，它定义了数据发送和接收工作中必经的过程。协议规定了网络中数据传输时使用的格式、定时方式、顺序和检错。两个通信实体在进行通信时，须遵从相互接受的一组约定和规则，以使通信双方在通信内容、如何通信以及何时通信等方面相互配合。这些约定和规则的集合称为协议。协议由语义、语法、时序三部分组成。语义（Syntax）是对协议元素的含义进行解释，不同的协议元素所规定的语义是不同。语法（Semantics）是指数据与控制信息的结构或格式，确定通信时采用的数据格式、编码及信号电平等。时序（Timing）是对事件实现顺序的详细说明，指出事件的顺序以及速度匹配。（4）网络协议的组成（5）工业网络中常用的通信协议（分层方式）开放系统互连参考模型(TheReferenceModelofOpenSystemInterconnection，OSI）IEEE802标准制造业自动化通信协议(ManufacturedAutomationProtocol，MAP)过程数据高速公路协议(ProcessDataHiWay：PROWAY)

小结：计算机通信网络分成很多层，每一层都要实现一定的功能，为了实现该层的功能，就必须为该层规定好本层的协议，同时相邻层之间也必须有数据传输，我们称之为接口服务。简单地说，网络分成多层，每层都有各自的协议，相邻层之间要有接口服务。我们将这种层和协议的集合称为网络的体系结构。2．OSI参考模型关于网络体系模型，国际上不同的组织提出了许多的模型，其中国际标准化组织（ISO，InternationalStandardOrganization）提出的开放系统互联（OSI，OpenSystemsInterconnection）模型最为著名，它的开放性使得任何两台遵守OSI参考模型和有关协议的系统都可以进行连接。OSI参考模型将整个网络通信的功能划分为七个层次。OSI将计算机网络体系结构分为相对独立的七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层。

（P28/表2-2/图2-5）这样，一个复杂而庞大的问题就简化为了几个易研究、处理的相对独立的局部问题。2．OSI参考模型层次的划分层号中文名称英文名称英文名称缩写7应用层applicationlayerA6表示层presentationlayerP5会话层sessionlayerS4传输层transportlayerT3网络层networklayerN2数据链路层dataLinklayerDL1物理层physicallayerPHOSI七层模型示意图L7，应用层。系统与用户之间的接口，包括：文件传送访问和管理FTAM、虚拟终端VT、事务处理TP、远程数据库访问RDA、制造报文规范MMS、目录服务DS等协议。L6，表示层。负责数据的压缩/解压缩、加密/解密、不同系统之间数据格式的转换。L5，会话层。在两个节点之间建立端连接。为端系统的应用程序之间提供了对话控制机制。此服务包括建立连接是以全双工还是以半双工的方式进行设置，也可以在层4中处理双工方式。各层的核心功能L4，传输层。常规数据递送－面向连接或无连接。为会话层用户提供一个端到端的可靠、透明和优化的数据传输服务机制。包括全双工或半双工、流控制和错误恢复服务，在端到端之间正确的传输消息（也叫作报文）。L3，网络层。本层通过寻址来建立两个节点之间的连接，为源端的运输层送来的分组，选择合适的路由和交换节点，正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。它包括通过互连网络来路由和中继数据，数据单元是分组（也叫作包）。L2，数据链路层。在此层将数据分帧，并处理流控制。屏蔽物理层，为网络层提供一个数据链路的连接，在一条有可能出差错的物理连接上，进行几乎无差错的数据传输。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址，数据单元是帧。L1，物理层。处于OSI参考模型的最底层。主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明的传送比特流。数据单元是比特。OSI环境中数据的传输过程各层共有功能封装过程分段存储连接建立流量控制差错控制多路复用分三层：链路控制层（PLC）、媒体存取控制层（MAC）和物理接受发送层（PHY）具有控制实时性，满足供应过程控制的要求。3．PROWAY（工业过程控制用数据公路标准）分三种结构：全MAP、小MAP和增强性能结构MAP。全MAP：七层，参照OSI参考模型小MAP：三层，物理层、链路层及应用层。有较好的实时响应，广泛应用于实际DCS的现场控制级和操作员级的通信系统中。增强性能结构MAP：介于上述二者之间。4．MAP（制造自动化协议）2.3.3现场总线标准现场总线的标准结构分层采用了OSI模型的第一、二和第七层，并把第二层和第七层合并为通信栈。较新技术，代表不同利益集团，产生多个标准现场总线电缆的标准（33页表2-4）2.3.4现场总线通信协议不同总线类型对应不同通信协议Profibus、FF总线、CAN总线、LonWorks总线、ControlNet、DeviceNet第五章讲物理层和数据链路层——以太网局域网——IEEE802网络层——IP传输层——TCP2.4集散控制系统中应用的网络协议以太网(Ethernet)。指的是由Xerox公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

它不是一种具体的网络，是一种技术规范。

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。2.4.1以太网以太网插头RJ45RJ45接口通常用于数据传输，最常见的应用为网卡接口。

RJ45是各种不同接头的一种类型（例如：RJ11也是接头的一种类型，不过它是电话上用的），10100basetxRJ45接口是常用的以太网接口，支持10兆和100兆自适应的网络连接速度.2.4.2常用物理层标准接口RS-232C（PC机常用、串口）RS-449（是RS232的后继,它允许更长的电缆距离）RS-485（RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点，使其成为首选的串行接口）RS-232/RS-232C个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)所制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“RecommendedStandard推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。IEEE—（InstituteOfElectricalandElectronicsEngineers）电气和电子工程师协会IEEE802—局域网标准与IEEE802有关的其它网络协议

IEEE802.1—概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。

IEEE802.2—逻辑链路控制LLC。

IEEE802.4—令牌总线网

IEEE802.5—令牌环形网IEEE802.6—城域网IEEE802.11—无线局域网2.4.3IEEE协议族2.4.4TCP/IP网际通信协议（InternetProtocol—IP）/传输控制协议（TransmissionControlProtocol—TCP）TCP/IP是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为TCP/IP协议族。包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNETFTP、SMTP、ARP、TFTP等许多协议。IP(InternetworkingProtocol)网间网协议UDP(UserDatagramProtocol)用户数据报协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)互联网控制信息协议SMTP(SimpleMailTransferProtocol)简单邮件传输协议SNMP(SimpleNetworkmanageProtocol)简单网络管理协议FTP(FileTransferProtocol)文件传输协议ARP(AddressResolationProtocol)地址解析协议从协议分层模型方面来讲，T