分散型测控网络技术ppt课件

.,1,第七章分散型测控网络技术,.,2,第七章分散型测控网络技术数据通信技术基本概念两种通讯方式：并行通讯：数据的各位同时传送，传送速度高，距离短。串行通讯：数据一位一位顺序传送，传送速度低，传送距离长，几十至几千米。,.,3,串行通讯分为两种传送方式：异步传送：依靠标志位进行通讯控制，一次只传送一个字节。同步传送：依靠时针进行通讯可控制，一次传送大量字节。,.,4,四种数字编码方式：不归零码：码元间没有间隔，很难判定一位的结束与另一位的开始，同步困难。归零码：每一位中间有一个跳变，作为同步时钟及数据。又称自同步编码。曼彻斯特编码：同上，但只有两个电平状态。差动曼彻斯特编码：每位开始有无跳变来表示0或1，电压有变化表示0，无变化表示1。,.,5,平衡和不平衡传输不平衡方式：用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的，抗干扰能力差。平衡方式：用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器以双端差动方式输入信号，抗干扰能力强。,.,6,不平衡传输方式-RS-232C标准特性：单端，双极性电压供电；每个信号一根导线，双向共用一个地线；不平衡的发送器和接收器，易被干扰；传输速率20Kbps，距离15米；连接器有25插针、9插针等设计方案。,.,7,平衡传输方式-RS-422A标准特性：平衡，双极性电压供电；平衡驱动和差分接收方式，取消地线；抗干扰能力强；传输速率高，距离远；连接器采用9插针方案。,.,8,平衡传输方式-RS-485标准特性：是RS-422的变形与RS-422的区别：RS-422：两对平衡差分电路，全双工；RS-485：一对平衡差分电路，半双工；允许32台驱动器和32台接收器并联。,.,9,串行通讯方式标准的比较,.,10,RS-485标准组成的多点互连系统RS-422/485互连组成环形数据链路系统,.,11,RS-232C/422A接口转换及其装置,.,12,工业网络技术网络拓扑结构：网络中互连的节点或站之间的物理连接结构。星形结构环形结构总线形树形,.,13,介质访问控制技术(MAC)：解决信道（公共传输通道)的分配和使用。(1)冲突检测载波侦听多路访问（CSMA/CD）-适用于总线形原理：结点发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。,.,14,（2）令牌环（TokenRing)-适用于环网令牌控制标志，网络中只设一张令牌，并依次沿各结点传送，它有两个状态空状态：表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为忙状态。“忙”状态：表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。,.,15,（3）令牌总线(TokenPassingBus)-适用于总线形式或树型原理：把总线形传输介质的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控制方式类似于令牌环。3种介质访问控制技术的比较,.,16,信息交换技术（1）线路交换：在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。（2）报文交换：把目的站名附加在报文上，然后交给下一结点，该结点接收整个报文，存储下来，根据目的选择下一转发结点，直到目的站。（3）分组交换：将报文分成若干分组，并在每个分组上附加控制信息，这些报文经不同的路径分别传送到目的站后，再组成一个完整报文。差错控制校验：奇偶校验、循环冗余-CRC校验。纠错方式：重发纠错、自动纠错、混合纠错。,.,17,网络协议及其层次结构分层的好处：修改某层不会影响整个系统。ISO的7层开放系统互连参考模型OSI。1.物理层功能：在信道上传输未经处理的信息。内容：对机械、电气、连接规程进行规定。协议：RS-232C、RS-485、Ethernet等。,.,18,2.数据链路层功能：将有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无差错的传输链路。内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。协议：SDLC、802.2等。3.网络层功能：在网络中传输分组。内容：控制信息交换、路由选择。协议：X.25协议、IP协议。,.,19,4.传送（传输）层功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据正确到达另一端。内容：控制端到端的数据完整性。协议：TCP协议等5.会话层功能：控制建立或结束一个通信会话的进程。内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生。并利用校验点，使会话在通信失效时从校验点恢复通信；或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。协议：HTTP，SMTP(简单邮件文件传输）等。,.,20,6.表示层功能：实现不同信息格式和编码之间的转换。内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式的转换；输入输出格式的转换。例如：HTML语言7.应用层功能：规定允许的报文集合，及每个报文所采取的动作。内容：解决数据传输完整性问题或发送/接收设备的速度不匹配的问题。例如：IE浏览器。,.,21,OSI模型和各协议的对照,.,22,IEEE802标准1981年提出，描述了物理层，并为数据链路层划分了两个子层。IEEE802标准与OSI模型的关系,.,23,IEEE802标准规定各层的功能物理层：数据的封装/拆封、数据的发送/接收，并通过介质存取部件收发数据信号。介质存取控制层：介质存取，支持CSMA/CD、TokenBus、TokenRing。逻辑链路控制层：寻址、排序、差错控制等功能。,.,24,工业网络的性能评价和选型工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。令牌环与令牌总线的性能比较：传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；总线形是多点连接，传输效率低。总线上形成的逻辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。确定性：两种控制结构的确定性相同。,.,25,工业网络的选型1.大型系统采用-分散型控制DCS模式，分三级：分散过程控制级：特征：各单元间横向联系少，数据量小，数据包短，地理分布区域小。选型：令牌总线、主从总线或星形结构集中操作监控级特征：数据处理量大，数据包长，横向联系多；选型：令牌总线,.,26,综合信息管理级特征：该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广。适合选型：令牌环结构。2.中小型系统的工业网络选型若只有集中操作监控级和分散过程控制级，两级均使用令牌总线，或监控级选用令牌环。老企业技术改造：星形结构。,.,27,第七章分散型测控网络技术分散型控制系统(DCS)分散型控制系统(DCS)分布式、集散式。原则：分散控制、集中操作、综合管理、分而自治。综合4C技术：计算机，控制，通讯，显示。发展趋势：以计算机集成制造系统（CIMS）为目标，应用新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等，实现过程控制自动化与信息管理自动化结合的管控一体化综合集成系统。,.,28,DCS的三级体系结构：分散过程控制级集中操作监控级综合信息管理级,.,29,（1）分散过程控制级（面向生产过程）功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能。装置：现场控制站（工业控制机）可编程序控制器（PLC）智能调节器其它测控装置,.,30,（2）集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）功能：以操作监视位主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。组成：监控计算机工程师显示操作站操作员显示操作站,.,31,（3）综合信息管理级功能：实现整个企业的综合信息管理。组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统，应用了MIS系统。DCS的特点：硬件积木化软件模块化控制系统组态应用通讯网络可靠性高,.,32,现场总线（Fieldbus)技术概念现场总线：连接工业过程现场设备和控制系统的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。现场总线控制系统(FCS)：现场总线和现场设备组成的控制系统。现场总线结构体系及其特点(1)采用现场通信网络现场总线把通信延伸到生产现场及设备。,.,33,FCS,.,34,(2)现场设备通过一对传输线互连现场设备：变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备、监控设备。(3)产品实现互操作基于同一总线标准的不同品牌产品可以统一组态，实现“即接即用”。(4)功能块分散化FCS去除了DCS的I/O单元和控制站，将DCS功能块分散到现场设备中，构成虚拟控制站。,.,35,虚拟控制站的优点：可以灵活选用各种功能块，实现所需的控制系统，实现彻底的分散控制。例：流量控制回路。(5)采用通信线供电用于低功耗现场仪表。,.,36,(6)开放式互连网络现场总线标准一般参照OSI模型设计，是开放行的互连网络，可与同层或不同层互连。,.,37,FCS与DCS的比较模拟仪表和DCS的缺点：,.,38,（1）信息集成能力不强，容易导致失控：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，获取信息量有限，导致信息集成能力不强。（2）互操作性差。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性。（3）可靠性差：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。（4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。,.,39,FCS的优点：（1）增强了现场级信息集成能力：可从现场设备获取大量丰富信息，满足CIMS系统的信息集成要求。现场总线还可实现设备状态、故障、参数信息传送，完成远程参数化工作。（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性强：产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。（3）系统可靠性高、可维护性好：现场总线控制系统以总线方式替代一对一的I/O连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。,.,40,（4）降低了系统及工程成本对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。,.,41,工业控制系统性能比较,.,42,FF（现场总线基金会）现场总线技术FF由FIP和ISP，在1994年合并而成。FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成。高速H2总线发展计划已取消。(1)FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工业产生现场设备连接。(2)FF_HSE：则采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。,.,43,低速网络H1：4层协议：物理层、数据链路层、应用层、用户层。物理层、数据链路层、应用层参照OSI的模型的1，2，7层，并增加了用户层。其中，应用层由现场总线报文规范FMS和现场总线访问子层FAS组成。,.,44,(1)H1物理层传输介质：电缆、光纤、无线通信。传输速率和距离：31.25Kbps,1900m（加中继延长)。网络拓扑：总线型、树型、点对点型。支持总线供电：总线上既传送数字信号，又要为现场设备提供电源能量。数字信号以31.25Hz的频率调制到932V的直流供电电压上。该总线供电方式支持本质安全，可在防爆等环境下使用。,.,45,(2)H1数据链路层介质访问控制MAC：采用令牌总线方式，连接到总线上的站点组成一个逻辑环，站点只有取得令牌才能发送数据帧。逻辑链路控制LLC：由链路活动调度器(LinkactionshedulerLAS)进行控制，确保了控制系统中的信息传输的及时性，LAS的功能：认知新设备并将其加入链路中；从链路中除去没有响应的设备；在链路上发布数据链路时间和调度时间；在调度时间内轮询以缓冲区存储数据的设备；在调度时间之间优先级驱动的令牌给某设备。,.,46,(3)H1应用层由现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS组成，现场总线访问子层FAS：处于FMS和DLL之间，提供三类服务：发布/索取、客户机/服务器、报告分发，这些服务称为虚拟通信关系VCR。现场总线报文规范FMS：规定了访问应用进程AP的报文格式及服务。FMS通过调用VCR在现场设备之间传递报文。,.,47,(4)H1用户层规定标准的功能块供用户组态成系统。基本功能块：模拟量输入AI；模拟量输出AO；开关输入DI；开关输出DO等控制选择CS；P、PD控制；PID、PI、I控制等,.,48,高速网络HSE：6层协议：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、用户层。物理层、数据链路层、应用层参照OSI的模型的1，2，3，4，7层，并增加了用户层。(1)HSE物理层：IEEE802.3u，支持高速以太网，从100M/s到1.0G/s或更高。(2)数据链路层：CSMA/CD介质访问控制协议。(3)网络层、传输层：TCP/IP,.,49,.,50,(4)应用层在HSE中称为现场设备访问层FDA，包括了套接字映射协议机制、应用关系、FDA服务协议机制、虚拟通信关系VCR等通信实体。功能就是：根据用户层应用程序的需要，向用户层提供3种协议规定的服务：FMS服务、SM服务和冗余服务。(5)用户层包括功能块应用进程、系统管理、通信栈网络管理等实体。系统管理和网络管理负责HSE系统和通信栈的运行和通信管理；不同设备的功能块应用进程利用通信栈进行相互通信、调用，以完成特定的功能。,.,51,.,52,.,53,.,54,.,55,几种现场总线介绍LonWorks现场总线LonWorks的发布：1992年，美国埃施朗(Echelon)公司。在国内的主要应用场合：数字化智能社区、智能建筑等。涉及内容：暖通、空调、照明、给排水、供配电、电梯，以及保安门禁、火灾报警等的监测控制。,.,56,楼宇控制的相关内容HVAC（HeatingVentilatingandAirConditioning）采暖、通风和空调,.,57,LonWorks的核心LonTalk协议LonTalk协议的特点：遵循由国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI模型，提供OSI参考模型所定义的全部七层服务。,.,58,LonTalk协议固化在每一个LonWorks设备的神经元芯片中或片外存储器中，1999年发布了该协议的参考代码。LonTalk协议的特点：(1)LonTalk协议的物理层：支持多种传输介质不同的介质通过路由器实现互联；支持总线型、环型、树型等拓扑结构；,.,59,(2)LonTalk协议的数据链路层：采用改进的带预测的P-PersistentCSMA/CD算法，减少冲突的出现，提高传输效率。支持优先级。(3)LonTalk协议的网络层网络地址采用域（255个子网）、子网（127个节点）、节点三层结构支持大网络。每个神经元芯片有唯一的48位ID地址。,.,60,(4)LonTalk协议的传送层、会话层：四类报文服务，并支持网络认证：应答方式或端对端的应答服务；请求/响应方式；非应答重发方式；非应答方式(5)LonTalk协议的表示层采用网络变量作表示层数据，简化分布式应用的编程。(6)LonTalk协议的应用层：用NeuronC语言在神经元芯片中编程,.,61,LonWorks的神经元芯片（NeuronChip）芯片内有3个8位CPU，使用CMOSCLSI技术高度集成，集采集、控制于一体：第1个CPU为介质访问控制MAC处理器，处理LonTalk协议的第一层和第二层；第2个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的第三层到第六层；第3个CPU为应用处理器，它执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。LonWorks网络上的装置都必须有1个神经元芯片。,.,62,LonTalk的6层已经在购买的神经元芯片中完成，用户只需编写应用程序。,.,63,LonWorks的发展趋势LonWorks已经发展到第三代，采用了电力载波通信技术，具有了远程抄表、信息化家电的应用前景。采用了LNS网络管理操作系统，实现了与IP网络的无缝连接。应用场合向工业自动化扩展。,.,64,PROFIBUS现场总线技术PROFIBUS是九十年代初制定的德国国家工业现场总线协议标准EN50170，于1996年得到欧洲所有国家标准化机构的认可。应用领域：制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。中国市场占有率第一的现场总线技术。,.,65,PROFIBUS由三个兼容部分组成：(1)PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。可取代办24VDC或4-20mA信号传输。(2)PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。(3)PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。,.,66,PROFIBUS的三部分：,.,67,PROFIBUS协议结构：符合OSI模型,.,68,PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口（LowerLayerInterface-LLI）FMS：向用户提供了可选用的通信服务。LLI：协调通信关系，提供第二层访问接口PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。用户接口规定了设备可调用的应用功能，并详细说明设备行为。PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。支持本征安全性和总线供电。,.,69,PROFIBUS三种类型的物理层：RS485：适用于DP和FMS；光纤FO：适用于DP和FMS；IEC1158-2：适用于PA。RS-485称之为H2，采用屏蔽双绞铜线；传输速率：9.6Kbit/s12Mbit/s；站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。(2)光纤FO在电磁干扰很大的环境下应用，采用专用总线插头转换RS-485信号和光纤导体信号。,.,70,(3)IEC1158-2支持本征安全和总线供电；传送数据以31.25Kbit/s调制供电电压；采用藕合器将IEC1158-2与RS-485连接。,.,71,PROFIBUS的数据链路层DP、FMS、PA的数据链路层相同采用主从结构，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从传送方式。,.,72,PROFIBUS技术的发展重点发展PROFIBUS-DP、-PA，放弃FMS，发展综合以太网技术、允许集成PROFIBUS和其他现场总线技术的PROFInet技术。,.,73,DeviceNet现场总线技术DeviceNet技术属“开放DeviceNet厂商协会”ODVA组织，该组织拥有罗克韦尔自动化、ABB、欧姆龙等300多家著名自动化设备厂商会员。DeviceNet是从CAN（ControllerAreaNetwork）总线的基础上发展得到