SCADA系统培训---第2章数据通信与网络技术

1、监督控制与数据采集技术监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系华东理工大学自动化系王华忠王华忠 Ch2 数据通信与网络技术一、引言数据通信是完成数据编码、传输、转换、存储、处理的过程，是计算机技术与通信技术相结合的产物。与一般的控制系统相比，SCADA固有的测控点分散、测控范围广的特点决定了整个通信子系统在SACDA系统的运行过程中起到了更加重要的作用。 SCADA系统中的数据通信现场测控站点仪表、执行机构与下位机的通信 下位机系统与SCADA服务器（上位机）的远程通信 监控中心不同功能计算机之间的通信 监控中心Web服务器与远程客户端的通信 二、数据通信概述 数据是指对数字、字母以及组合意

2、义的一种表达。在SCADA系统中，通信数据与监控系统的各种信息紧密相关，如用数字1表示电机处于工作状态，用数字0表示电机处于停止状态；而对于温度、压力、物位、流量、电流、电压等变量可以用一定数值范围的数字来描述。 1、数据通信系统组成 数据通信系统是指以计算机为中心，通过数据传输信道将分布在各处的数据终端设备连接起来，以实现数据通信为目的的系统。实际的数据通信系统是千差万别的。 例如，可以是两台计算机点对点近距离数据传输，可是是工业现场智能设备与控制器之间的数据通信，也可以是分布在各地的数百台甚至更多的计算机互相传送数据。 数据通信系统是由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信

3、协议等组成。图2.1所示为香农定义的广义通信模型。 图2.1 广义通信系统模型 信源为待传输数据信息的产生者。发送器将信息变换为适合于信道上传输的信号，而信宿的作用与之相反。信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质，又称传输介质。经过传输，在接收器处收到的信号在接收器处变为信息。通信传输过程会受到噪声的干扰，而噪声往往会影响接收者正确地接收和理解所收到的信息。为了把接收到的信息还原为原有信息，并为接收者所理解，需要一套实现约定的协议。协议是数据通信规则的集合，如果没有协议，两台设备即使连接也无法通信。 （1）通信设备）通信设备发送设备、接收设备和传输介质是通信系统的硬件。发送设备用于匹配

4、信息源和传输介质，即将信息源产生的数据经过编码变换为信号形式，送往传输介质；接收设备则需要完成发送设备的反变换，即从带有干扰的信号中正确恢复出原有信号，并进行解码、解密等操作。 SCADA系统中，由于越来越多的设备变得智能化和数字化，数字通信能力越来越强大，因此，依赖不同时刻设备的作用，许多设备既是发送设备、也是接收设备。如下位机设备与上位机通信时，当下位机向上位机传送现场仪表参数时，下位机是发送设备，上位机是接收设备；而当下位机接收上位机的控制指令，如开启某台设备，或修改下位机参数时，下位机是接收设备，而上位机是发送设备。 （2）传输信道）传输信道 传输信道可以是简单的两条导线，也可以是由传

5、输介质、数据中继、交换、存储、管理设备构成的网络。传输信道是为收发两地的数据流提供传输的信道，传输信道由两部分组成：一部分是传输介质，另外一部分是其他数据处理设备。传输介质分为有线介质和无线介质两种，有线介质有双绞线、同轴电缆和光纤等，无线介质则为空气。传输手段为微波、红外线、激光等，由光纤、同轴电缆、双绞线等有线介质构成有线线路， 2、数据传输的几个基本概念 （1）数据传输模式A：传输模式 数据传输模式是指数据在信道上传输所采取的方式。B：同步技术 在数据通信系统中，通信系统的接收设备与发送设备的数据序列在时间上必须取得同步，以准确地接收发来的每位数据。C：基带传输、频带传输和数字数据传输。

6、D：通信线路工作方式（单工、半双工、全双工） 几种数据传输模式数据传输模式可以分为不同的类型按数据代码传输的顺序，可以分为两种基本方式：即并行传输与串行传输；按数据传输的同步方式，可以分为同步传输与异步传输；按数据传输的流向和时间关系，可以分为单工、半双工与全双工数据传输；按照数据信号特点，可以分为基带传输、频带传输和数字数据传输。 （2）数字数据传输）数字数据传输 在线路上传输的二进制数据可以采用并行模式传输或串行模式传输。在并行模式下，每一个时钟脉冲有多位数据被传送；而在串行模式下，每一个时钟脉冲只发送一位数据。而且，发送并行数据仅仅只有一种方式，而对于串行传输则有两种方式同步传输异步传输

7、（3）同步传输与异步传输）同步传输与异步传输 在线路上传输的二进制数据可以采用并行模式传输或串行模式传输。在并行模式下，每一个时钟脉冲有多位数据被传送；而在串行模式下，每一个时钟脉冲只发送一位数据。而且，发送并行数据仅仅只有一种方式，而对于串行传输则有两种方式同步传输异步传输A.同步传输同步传输 同步传输是以一定时钟节拍来发送数据信号的。这个时钟可以是由参与通信的那些设备或器件中的一台产生的，也可以是由外部时钟信号源提供的。时钟可以有固定的频率，也可以间隔一个不规则的周期进行却换。 所有传输的数据位都和这个时钟信号同步。在同步传输时，它不是独立地发送每个字符，而是连续地发送位流，并且不需要每个

8、字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送，这些组合称为数据帧，或者简称为帧。 B.异步传输异步传输 异步传输中，每个节点有有自己的时钟信号，每个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。异步传输中，并不要求在传送信号的每一数据位时收发两端都同步。依赖起始位、数据位、停止位等来起同步作用。C.同步与异步传输比较同步与异步传输比较 同步传输通常要比异步传输快，传输效率较高。异步传输实现起来比较容易，对线路和收发器要求较低，实现字符同步也比较简单，收发双方的时钟信号不需要精确地同步。缺点是多传输了用于同步目的的字符，降低了传输效率。3、差错控制 在数

9、据通信过程中，由于各种干扰及传输线路本身的因素，在传输过程中会不可避免地发生错误，特别是随着无线通信应用的增多，而无线通信差错率要远高于有线通信。因此，为了提高通信系统的传输质量而采取的检测与校正方法就差错控制。 在计算机网络中，差错控制通常是在数据链路层进行的。 差错检查是让报文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息，但它不能确定是哪一位出错，也不能纠正传输中的差错； 差错纠正是让报文中每个传输的报文分组中带有足够的冗余信息，使得接收端能发现并自动纠正传输错误。差错纠正在功能上优于差错检测，但实现复杂，造价高。差错检查原理简单，容易实现，编码与解码速度快，应用广泛。 （1）差错控制方式）差错控

10、制方式反馈纠错反馈纠错 前向纠错前向纠错 混合纠错混合纠错 （2）常用的差错检测方法）常用的差错检测方法奇偶校验码 奇偶校验码是一种最简单实用的检错码，指通过增加冗余位来使得码字某些位中“1”的个数保持为偶数或奇数的编码方式。异步通信系统中使用偶校验或奇校验这两种方法。 循环码（Cyclic Redundancy Check, CRC） 三、通用串行通信 串行接口通信接口中有两个重要的概念数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment，DTE）数据电路终接设备DCE（Data Circuit-terminating Equipment，DCE）目前最常用的有关DTE和DCE

11、之间的接口标准是EIA和ITU-T指定的标准。其中EIA（美国电子工业协会，Electrical Industrial Association，EIA）标准有EIA-232、EIA-442和EIA-449等； 数据通信接口标准主要用来定义数据通信的接口和信号方式。在通信线路的两端都要有DTE和DCE，如图2.2所示。DTE产生数据并且传输到DCE，而DCE将此信号转换成适当的形式在传输线路上进行传输。 DTEDCE接口DCEDTE接口图2.2 DTE和DCE设备的连接 在物理层：DTE可以是终端、微机、打印机、传真机等其他设备，但是一定要有一个转接设备才可以通信。DCE是指可以通过网络传输或接

12、收模拟数据或数字数据的任意一个设备，最常用的设备就是调制解调器。 1、串行通信参数 串行通信中，交换数据的双方利用传输在线路上的电压变化来达到数据交换的目的，但是如何从不断改变的电压状态中解析出其中的信息，就需要双方共同决定才行，即需要说明通信双方是如何发送数据和命令的。因此，双方为了进行通信，必须要遵守一定的通信规则，这个通信的规则就体现在对通信端口的初始化的参数上。 数据的传输速度：波特率（Baud Rate） 数据的发送单位：如ASCII码8个位形成一个字符 起始位及停止位：起始位固定为1个位，而停止位则有1、1.5及2个位等多种选择。 校验位的检查：为了预防错误的产生，使用了校验位作为

13、检查的机制。可根据实际需要选择奇校验、偶校验或无校验。2、流量控制 所谓的流量控制，是为了保证传输双方都能正确地发送和接收数据而不会漏失。如果发送的速度大于接收的速度，而接收端的处理器来不及处理，则接收缓冲区在一定时间后会溢出，造成以后发送来的数据无法进入缓冲区而漏失。解决这个问题的方法是让接收方通知发送端何时发送以及何时停止发送。 流量控制又称为握手（Hand Shaking），常用的方式有：硬件握手和软件握手两种。 3、RS-232接口特性 （1）RS-232接口特性 RS-232C接口标准所定义的内容属于国际标准化组织ISO所制订的开放式系统互联参考模型中的最低层物理层所定义的内容。 R

14、S232C接口规范的内容包括连接电缆和机械特性、电气特性、功能特性和过程特性四个方面。 机械特性:主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。电气特性:规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。功能特性:主要定义各条物理线路功能和电平电压表示何种意义。规程特性:主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系 （2）RS-232串行通信 RS-232C被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232C采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。收、发端的数据信号是相对于信号地 。传送距离最大为约15米，最高速率为20k

15、bps。RS-232C是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，所以RS-232适合本地设备之间的通信。RS-232-C物理层接口标准。 机械特性 25芯连接器， DTE （Data Terminal Equipment）为终端， DCE（Data Circuit-terminating Equipment）连接。 电气特性 采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为 “0”，最大 20Kbps，最长15m。 非平衡传输（unbalanced transmission）：所有电路共享一个公用的地线。 平衡传输（balanced transmission）：每个主要电路需要两根

16、线，没有公用的地线。 功能特性 定义了21条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容 规程特性 对不同的功能子集，有不同的规程。 RS-232-C 有14中不同的接口类型，适合于单工，半双工，全双工，同步，异步4、RS-422与RS-485串行接口 （1）RS-422串行接口 为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100Kbps时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。 RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道

17、，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。 （2）RS-485串行接口 为扩展RS-422串行通信应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围 。 RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有所改进，无论四线还

18、是二线连接方式，总线上可连接的设备最多不超过32个。RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压共模范围 。 为了提高RS-485总线通信距离，可以采用增加中继的方法对信号进行放大。 RS-485总线电缆在一般场合采用普通的双绞线就可以，在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。RS-485需要2个终端电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终端电阻，即一般在300米以下不需终端电阻，终端电阻接在传输总线的两端。RS-232、RS-422与RS-485等串行接口标准不涉及通信协议，用户可以在此基础上建立自己的高层通信协议。 5、RS-485网络的主从式通信 （

19、1）主从式协议 主从协议是RS-485网络中常用的通信协议。网段中的一个节点被指定为主节点，其他节点为从节点，由主节点负责控制该网段上的所有通信连接。为保证每个节点都有机会传送数据，主节点通常对从节点依次逐一轮询，形成严格的周期性报文传输。主节点不停地传送报文给从节点，并等待相应从节点的应答报文。 从节点如果收到了一个正确无误的报文，而且报文中的地址与自己的节点地址相同，则需要应答，才能得到报文发送的机会。如果主节点在规定的时间内收到了应答报文，就表明主从节点之间已经建立了连接，可以进行数据传输，由一个主节点对485总线的占用进行管理，任一时刻只允许一个节点向总线发送报文。从节点只有得到主节点

20、许可才可以发送报文，从节点与从节点之间不能直接通信。 许多RS485总线网络采用主从协议管理网络的控制权。由一个主节点对总线的占用进行管理，任一时刻都只允许一个节点向总线发送报文。所有从节点只有在得到主节点许可时才能有报文发送的机会。采用主从式协议时从节点之间不能直接通信。 （2）通用串行 通用串行协议（universal serial protocol）是一种工业控制网络协议，它采用串行通信和主从式介质访问控制方式，实现自控设备间通信。其总线操作过程与PROFIBUS现场总线基本相同。通用串行协议有以下主要特点： 采用EIA-485接口，支持多点通信连接，一个网段最多能连接32个节点。采用主

21、从访问技术，构成单主控制网络。报文结构简单、可靠。报文长度可变，也可固定，配置灵活。通信速率可根据实际情况选择9600bps、19.2Kbps、38.4 Kbps、93.75 Kbps及187.5 Kbps。 通用串行协议既可以像其他主从协议那样，由主节点对从节点的轮询组成周期性的报文通信。 通用串行协议还支持广播式通信。在广播模式下，主节点给总线上所有从节点发送报文，报文地址域的字段无效，从节点无需对收到的广播报文发应答信息。 6、串口服务器 串行通信接口是大量的自动化仪表和控制装置的基本通信接口，在自动化领域仍然广泛使用。计算机的串口数量有限，虽然可以采用串口扩展卡来增加PC的串口数量，但

22、它要占用主机资源，并可能导致系统不稳定，同时连接的终端数目和距离有限。随着企业信息化的要求不断提高以及远程监控的需要，些串口设备与信息网络连接也变得十分迫切。 通过串口服务器设备制造厂家自带的软件，可以把计算机之外的接口虚拟到计算机上，成为计算机的一个串口，应用程序可以象使用计算机上自带的串口一样用使用这些虚拟出来的串口。串口服务器通常带有1个10/100M网络接口和1个或多个异步RS-232/RS-485串行接口。 串口服务器不占用主机资源，且具有终端服务器的功能，可将现有的传统的串口设备立即转换成具备网络接口的外设 图2.3 基于RS485总线串口设备与计算机连接 串口服务器应用方式（a）

23、串口设备共用一个串口服务器 （b） 每个串口设备配一个串口服务器图2.4 串口设备联网方式四、MODBUS通信协议 （1）概述Modbus 协议是一种Modicon 公司开发的通信协议，最初目的是实现可编程控制器之间的通信。改进的Modbusplus（MB+）网络，可连接32 个结点，利用中继器可扩至64 个结点。 该协议逐渐被认可，成为一种标准的通讯协议，只要按照这种协议进行数据通讯或传输，不同的系统就可以通讯。 1、协议概述 Modbus 协议定义了一种公用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它制定了信息帧的格式，描述了服务端请求访问其它设备等客户端的过程，如怎样回应来自其它设

24、备的请求，以及怎样侦测错误并记录。通过Modbus 协议在网络上通信时，必须清楚每个控制器的设备地址，根据每个设备地址来决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并按照Modbus 协议发出。 （2）主从查询回应 Modbus 协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据和错误检测域。从设备回应消息也由Modbus 协议构成，包括确认要行动的域、要返回的数据和错误检测域。 主设备的查询消息设备地址功能代码数据段错误检测从设备的回应消息设备地址功能代码数据段错误检测图2.5 主从查询-回应周期表 2、常用Modbus 协议 （1）Modbus 协议消息帧

25、的定义 常用的Modbus 通讯协议有两种报文帧格式，一种是Modbus ASCII，一种是ModbusRTU。一般来说，通讯数据量少采用Modbus ASCII协议，通讯数据数据量大而且是二进制数值时，多采用Modbus RTU 协议。（2）Modbus /TCP Modbus/TCP 是Modbus 协议族中的新成员，它是建立在标准的TCP 协议基础上的Modbus 协议扩展。借助于TCP 对Internet 的支持，可以实现PLC、I/O 模块和其他控制设备的透明连接，为工业自动化领域的软硬件开发商提供一个网络时代的设备信息通讯标准。 五、SCADA系统中的网络技术1、通信网络概述通信网

26、络是用各种通信手段和一定的连接方式，将终端设备、传输系统、交换系统等连接起来的通信整体，或由一些彼此关联的分系统组成的完整的通信系统。通信网络的基本构成要素是终端设备、传输链路、转接交换设备及接入部分。除了这些硬件设备外，为了保证网络能正确合理的运行，用户间快速接续，并有效地相互交换信息，达到通信质量一致，运转可靠性和信息透明性等要求，还必须有管理网络运行的软件，如标准、信令、协议等。 按照能实现的业务种类不同，通信网可以划分为电话通信网、计算机通信网、数据通信网、广播电视网以及综合业务数字网；按照网络所服务的范围不同，通信网可以分为本地网、长途网及国际网；按照传输介质的不同，通信网可以分为微

27、波通信网、光纤通信网及无线通信网；按照拓扑结构形式，通信网可以分为线形、环形、星形、网形和复合形等基本结构形式。 2、计算机网络拓扑结构与分类 （1 1）网络的拓扑结构）网络的拓扑结构 基本的网络拓扑结构有四种，分别是星形、环形、总线形和树形。 图2.6 星形拓扑结构示意图 图2.7 环形拓扑结构示意图 图2.8 总线形拓扑结构示意图 图2.9 树形拓扑结构示意图（2）计算机网络的分类 对于SCADA系统来说，按照网络覆盖范围的大小来分类比较合适，通常可以分为局域网城域网广域网 局域网的技术特点覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围

28、内的计算机、终端与各校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；类信息处理设备连网的需求；提供高数据传输速率（提供高数据传输速率（10Mb/s10Gb/s）、）、低误码率的高质量数据传输环境；低误码率的高质量数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；展；从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共 享介质式局域网与交换式局域网两类。享介质式局域网与交换式局域网两类。局域网的应用领域个人计算机局域网个人计算机局域网大型计算设备群的后端网络大型计算设备群的后端网络存储区域网络存储区域网

29、络办公室与实验室的网络办公室与实验室的网络企业与学校的主干网企业与学校的主干网 城域网的技术特点 城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络；网络； 城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求；求； 实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能；等多种信息的传输功能； 城域网在技术上与局域网相似。城域网在技术上与局域网相似。广域网的技术特点广域网也称为远程网；广域网也称为远程网；

30、覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；际性的远程网络；通信子网主要使用分组交换技术；通信子网主要使用分组交换技术；它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。达到资源共享的目的。最大的广域网是最大的广域网是internetinternet。三者的区别从设备中，一般局域网从设备中，一般局域网/ /城域网用网桥、集线器，城域网用网桥、集线器，hubhub等，而广域等，而广域网的交换设备是交换机和路由器；网的交换设备

31、是交换机和路由器；3、网络传输介质传输介质是数据通信的物理通路，是信号从发送设备到接收设备传递所经过的媒介，是通信系统中传送信息的载体，也是通信系统重要的硬件设备之一。 SCADA系统中，通常采用多种类型的传输介质，既有有线介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等，也有无线传输介质，如电磁波、红外线、微波。（1 1）有线传输介质）有线传输介质A:双绞线 双绞线（Twisted Pair,TP）是模拟数据及数字数据信号传输最通用的传输介质。双绞线采用了一对互相绝缘的导体以螺旋形式相互缠绕而成的，线芯一般是铜线。将两根导线缠绕在一起，可以使它们发射和接收的电磁干扰相互抵消。 双绞线按其电气特性而进行分级或

32、分类，一般分为:屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP） 屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。 常用的双绞线包括3类线和5类线。3类线是由两根拧在一起的线构成，一般在塑料外壳里有4对这样的线，外壳起到保护和约束的作用；5类双绞线比3类双绞线拧得更密、更绝缘，这使得它传输信号的距离更长，传输质量更好。局域网中最常用的双绞线一般都是非屏蔽的5类4对（即8根导线）的电缆线，这种电缆线的传输速率可达到100Mbps。 B:同轴电缆 双绞线同轴电缆（Coaxial Cable）是SCADA系统

33、中主干传输线路上广泛使用的一种传输介质，它可以携带较高频率的载波信号，其频率范围为100kHz500MHz。 同轴电缆是按照“同轴”形式构成线对，最里层是内芯，向外依次为绝缘层、屏蔽层，最外层则是起屏蔽作用的塑料外壳，内芯和屏蔽层构成一对导体。 同轴电缆根据其直径大小可以分为粗同轴电缆与细同轴电缆。粗缆适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性高，安装时不需要切断电缆，可以根据需要灵活调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器电缆，安装难度大，所以总体造价高。细缆安装则比较简单，造价低，安装中要切断电缆，在两端装上BNC网络连接头，然后接在T型连接器两端。 C:光纤 光纤是一种光传输介质，是光导纤维的简称。它是一种能够传导光信号的极细而柔软的传输介质。光纤由光纤芯和包层两部分组成。纤芯与包层是两种光学性质不同的物