DCS及现场总线技术 第5章

1、第5章DCS数据通信及网络DCSDCS及现场总线技术及现场总线技术31信息信息 信息是对客观事物属性和特性的表征。信息是对客观事物属性和特性的表征。 信息是字母、数字及符号的集合，其载体可以是数字、文字、语音、信息是字母、数字及符号的集合，其载体可以是数字、文字、语音、视频和图像等。视频和图像等。2数据数据 数据是指数据是指数字化数字化的信息。的信息。 数据是装载信息的实体，信息则是数据的内在含义或解释。数据是装载信息的实体，信息则是数据的内在含义或解释。 数据两种类型：数字数据（离散）和模拟数据（连续）数据两种类型：数字数据（离散）和模拟数据（连续）5.1.1基本术语基本术语3 3信号信号

2、数据通信中信号是数据在传输过程中的电磁波数据通信中信号是数据在传输过程中的电磁波的表示形式。的表示形式。 信号有两种表示形式：模拟信号与数字信号。信号有两种表示形式：模拟信号与数字信号。4 4信道信道 信道是信息从信息的发送地传输到信息接收地信道是信息从信息的发送地传输到信息接收地的一个通路。的一个通路。5源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统公共电话网发送器源点PC机接收器传输系统终点调制解调器调制解调器PC机262 71与与 8按使用信道的多少来划分：按使用信道的多少来划分：l串行传输：串行传输：要传输的数据编成数据流，在一条串行信道要传输的数据编成数据流，在一条串行信道上进行传输，

3、一次只传输一位二进制数，接收方再把数上进行传输，一次只传输一位二进制数，接收方再把数据流转换成数据。据流转换成数据。 同步同步问题问题 串行传输优点只占用一条信道，易于实现，运用广泛。串行传输优点只占用一条信道，易于实现，运用广泛。910接收端接收端0101000154321786010100105432178611l异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息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。，但字符与字符之间的时间间隔是不

4、确定的。l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。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。在这一组数据或一个报文之内不需要启停标志，相位关系。在这一组数据或一个报文之内不需要启停标志，所以可以获得较高的传输速度。所以可以获得较高的传输速度。*12131415发送发送（a）接收接收单向通道单向通道双向通道双向通道双向通道双向通道发送发送发送发送发送发送发送发

5、送接收接收接收接收接收接收接收接收（b）（c）16数字信号数字信号1(a)调幅调幅1110000 170.920.90.280.30.560.61.081.11.521.51.50.130.10.270.30.70.50.30.101.11.30.9D5D4D3D2D1D7D6样样本本量化级量化级编码编码脉冲编码脉冲编码D130011 D230011 D360110 D4111011 D5151111 D691001 D710001 18二进制数据二进制数据1(a) NRZ码码(b) Manchester编码编码(c) 差分差分Manchester编码编码0010100110。 19。20时分

6、多路复时分多路复用器用器时间时间112211333333322222时分多路复时分多路复用器用器111212223线路交换线路交换 （Circuit Switching）此方式通信过程分三个阶段：此方式通信过程分三个阶段：l1）线路建立阶段：通过网络在）线路建立阶段：通过网络在A站与站与B站之间站之间建立建立线路连线路连接，即首先发送接，即首先发送“连接请求包连接请求包”。“连接请求包连接请求包”内含有内含有需要建立线路连接的源地址与目的地址。需要建立线路连接的源地址与目的地址。l2）数据传输阶段：通过该连接，实时、双向交换或报文分）数据传输阶段：通过该连接，实时、双向交换或报文分组。组。l3

7、）线路释放阶段：数据传输完成后，进入线路）线路释放阶段：数据传输完成后，进入线路释放释放阶段，阶段，结束此次通信。结束此次通信。242526*2728l由于增加了分组附加信息，所以增加了信道开销。由于增加了分组附加信息，所以增加了信道开销。l主要特征主要特征基于基于标记标记：不先建立连接而随时可发送数据的：不先建立连接而随时可发送数据的交换方式，称为交换方式，称为无连接交换无连接交换。2910100111010首部首部首部首部首部首部数据数据数据数据数据数据发送在前发送在前00101001110报文报文分组分组分组分组分组分组 优点：优点：l1 1）高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用

8、。）高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。l2 2）灵活：结点均有智能，为每个分组独立地选择转发路由。）灵活：结点均有智能，为每个分组独立地选择转发路由。l3 3）迅速：以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主）迅速：以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组。机发送分组。l4 4）可靠：完善的网络协议；使网络有很好的生存性。）可靠：完善的网络协议；使网络有很好的生存性。l节点处理分组的过程：收到的分组先放入缓存，再查找转发节点处理分组的过程：收到的分组先放入缓存，再查找转发表，后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给适当端口表，后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给

9、适当端口转发。转发。3031 323334l 1）采用高质量的通信线路）采用高质量的通信线路 选高质量通信线路有利于减少内部噪声的影响，从而减少相选高质量通信线路有利于减少内部噪声的影响，从而减少相应差错产生。这种方法对减少外部噪声的影响改善不明显，应差错产生。这种方法对减少外部噪声的影响改善不明显，且高质量的线路造价成本高。且高质量的线路造价成本高。l 2）采用差错控制方法）采用差错控制方法 差错控制：数据通信过程中，检测及纠正差错，把差错限制差错控制：数据通信过程中，检测及纠正差错，把差错限制在数据传输所允许、尽可能小范围内的技术和方法。在数据传输所允许、尽可能小范围内的技术和方法。 差错

10、控制编码是一种有效的差错控制方法，即对所传输的数差错控制编码是一种有效的差错控制方法，即对所传输的数据进行抗干扰编码，用以实现差错控制的目的据进行抗干扰编码，用以实现差错控制的目的。 353637l循环冗余校验循环冗余校验 循环冗余校验的编码和译码主要是做模循环冗余校验的编码和译码主要是做模2除法运算除法运算，如果出现错误，则余数不为，如果出现错误，则余数不为0，且错位与余数之，且错位与余数之间有一定的对应关系，故可据余数的数值进行纠错间有一定的对应关系，故可据余数的数值进行纠错。检错功能较强，实现容易。检错功能较强，实现容易。目前广泛应用的目前广泛应用的纠错编码。纠错编码。5.2.5工业数据

11、通信的特点工业数据通信的特点 工业控制网络是互联工业计算机、仪表和设备，实现工业工业控制网络是互联工业计算机、仪表和设备，实现工业过程控制和管理。特点：过程控制和管理。特点：l1实时性好实时性好 主要数据通信信息是实时过程和操作信息，控制网络应具主要数据通信信息是实时过程和操作信息，控制网络应具有良好的实时性和快速响应性，动态响应要快有良好的实时性和快速响应性，动态响应要快.(快速响应要快速响应要求的开关、阀门或电动机运转，其响应时间都在毫秒级求的开关、阀门或电动机运转，其响应时间都在毫秒级)l2可靠性高可靠性高 控制网络必须能够连续稳定的运行，任何暂时的中断和故控制网络必须能够连续稳定的运行

12、，任何暂时的中断和故障都会造成巨大损失。障都会造成巨大损失。DCS通常采用冗余技术等措施来提高通常采用冗余技术等措施来提高系统的可靠性。系统的可靠性。 385.2.5工业数据通信的特点工业数据通信的特点l3适应恶劣工业现场环境适应恶劣工业现场环境 运行在恶劣的工业环境中，控制网络应该有强抗扰运行在恶劣的工业环境中，控制网络应该有强抗扰性，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位性，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰。并采取差错控制等软件手段，降低数据传输差干扰。并采取差错控制等软件手段，降低数据传输的误码率。的误码率。l4开放系统互连开放系统互连 为使不同类型的为使不同类型的D

13、CS能够互相连接，进行数据交换能够互相连接，进行数据交换，控制网络应该符合开放系统互连的标准，使异种计，控制网络应该符合开放系统互连的标准，使异种计算机之间能够互相连接。算机之间能够互相连接。 3940l网络体系结构采用分层描述方法网络体系结构采用分层描述方法将整个网络通将整个网络通信功能划分为多个层次，每层各自完成一定任务，信功能划分为多个层次，每层各自完成一定任务，而且功能相对独立。相邻两层由接口连接，以便实而且功能相对独立。相邻两层由接口连接，以便实现功能过渡。现功能过渡。l接口接口使某层通过接口向上一层提供服务。依靠使某层通过接口向上一层提供服务。依靠层间接口连接和各层特定功能，可实现

14、有机结合，层间接口连接和各层特定功能，可实现有机结合，完成不同类别及要求的系统间信息传递。完成不同类别及要求的系统间信息传递。4142分层分层5原则原则l 1）层次适度）层次适度 若层次过少，层次功能就多，实现功能就相对困难；若若层次过少，层次功能就多，实现功能就相对困难；若层次过多，层次功能较少，但运行开销也将增加。层次过多，层次功能较少，但运行开销也将增加。l 2）功能确定）功能确定 根据功能来划分层次，每个层次都有自己分工，而完成根据功能来划分层次，每个层次都有自己分工，而完成这些功能都有某种确定的方式。这些功能都有某种确定的方式。 434445l1）层次（）层次（Layer) 一个复杂

15、的通信过程分解成若干简单的通信过程，每个一个复杂的通信过程分解成若干简单的通信过程，每个简单过程看作是一个层次。把网络需要实现的功能分配简单过程看作是一个层次。把网络需要实现的功能分配到各个层次中，每个层次都能实现相对独立的功能，所到各个层次中，每个层次都能实现相对独立的功能，所有的层次共同实现最终的网络功能。有的层次共同实现最终的网络功能。4647l语义：语义：规定需要发出何种控制信息，完成何种动作和规定需要发出何种控制信息，完成何种动作和做出何种应答。做出何种应答。l语法：语法：规定用户数据和控制信息的结构与格式。规定用户数据和控制信息的结构与格式。l时序：时序：规定事件实现顺序的详细说明

16、。规定事件实现顺序的详细说明。 语义、语法、时序构成了通信协议的语义、语法、时序构成了通信协议的3 3要素，规定要素，规定了通信实体要做什么，怎么做，何时做。了通信实体要做什么，怎么做，何时做。4849 50主机主机表示层表示层应用层应用层物理层物理层传输层传输层数据链路层数据链路层会话层会话层网络层网络层主机主机传输介质传输介质通信子网通信子网表示层表示层应用层应用层物理层物理层传输层传输层数据链路层数据链路层会话层会话层网络层网络层物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层表示层协议表示层协议应用层协议应用层协议物理层协议物理层协议传输层协议传

17、输层协议数据链路层协议数据链路层协议会话层协议会话层协议网络层协议网络层协议l1物理层物理层 规定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械规定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。特性。 信号表示方法、通信介质、传输速率、接插件规格及使信号表示方法、通信介质、传输速率、接插件规格及使用规则等。用规则等。l 2链路层链路层 作用作用1：确定在某一时刻由哪一个节点控制链路，即链路使用权的：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。分配。 作用作用2：确定比特级的信息传输结构，规定了数据格式，还确定了：确定比特级的信息传输结构，规定了数据格式，还确定

18、了检错和纠错方式等检错和纠错方式等5152535.3.4 OSI参考模型的数据传输参考模型的数据传输54主机A质表示层应用层物理层进程a理传输层数据链路层会话层网络层物介DU主机B进程bDUPDUAPDUPPDUSPDUTPDUNBitsHAHSHPHTHNHDTD表示层应用层物理层传输层数据链路层会话层网络层5556所有节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节所有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的方向点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。传输。 当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址当信息到达接收节点时，该节点识

19、别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。以便由发送节点清除。l由于传输是单方向的，所以不存在确定信息传输路径的由于传输是单方向的，所以不存在确定信息传输路径的问题，这可以简化链路的控制。问题，这可以简化链路的控制。l当某一节点发生故障时，可以将该节点旁路，以保证信当某一节点发生故障时，可以将该节点旁路，以保证信息畅通无阻。息畅通无阻。57所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以每次只能由所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以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。此型又一个节点发送

20、信息，信息由发送它的节点向两端扩散。此型又称为广播式网络。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。它才能把信息送上总线。当某个节点由询问信息中鉴别传输。它才能把信息送上总线。当某个节点由询问信息中鉴别出接收地址与自己的地址相符时，这个节点便做好准备，接收出接收地址与自己的地址相符时，这个节点便做好准备，接收后面所传送的信息。后面所传送的信息。 总线结构突出的特点是结构简单，便于扩充。总线结构突出的特点是结构简单，便于扩充。58 59*60绝缘层绝缘层聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层铜芯铜芯聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层绝缘层

21、绝缘层铜芯铜芯屏蔽层屏蔽层（a）（b）同轴电缆分类：同轴电缆分类：l(1) 基带同轴电缆（基带同轴电缆（50同轴电缆），基带同轴电缆专门用于数字同轴电缆），基带同轴电缆专门用于数字传输，其传输速率可达传输，其传输速率可达10Mbps 。l(2) 宽带同轴电缆（宽带同轴电缆（75同轴电缆），宽带同轴电缆既可用于模拟同轴电缆），宽带同轴电缆既可用于模拟传输（如视频信号传输），也可用于数字传输，当用于数字传输时传输（如视频信号传输），也可用于数字传输，当用于数字传输时，其传输速率可达，其传输速率可达50Mbps。l同轴电缆具有较高传输通频带、较低传输损耗、较强抗干扰能力等同轴电缆具有较高传输通频带、

22、较低传输损耗、较强抗干扰能力等优点优点61铜芯铜芯绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层外导体屏蔽层外导体屏蔽层l由光导纤维组成的可进行光信号传输的新型通信介质。由光导纤维组成的可进行光信号传输的新型通信介质。l光纤以光的光纤以光的“有有”和和“无无”形成形成“1”和和“0”二进制信息，以二进制信息，以光脉冲形式进行信息传输。光脉冲形式进行信息传输。62铜芯铜芯绝缘层绝缘层包带层包带层外导体屏蔽层外导体屏蔽层加强芯加强芯填充物填充物光纤及其包层光纤及其包层远供电线远供电线外套外套63光纤通信的特点光纤通信的特点: :1 1）传输信号频带宽、通信容量大、信号衰减小、传输距）传输信号频带宽、通信容量

23、大、信号衰减小、传输距离长、抗干扰能力强。离长、抗干扰能力强。2 2）光纤有着非常高的数据传输率（）光纤有着非常高的数据传输率（Gb/sGb/s）和极低的误码）和极低的误码率（率（10-1010-10）。）。3 3）原材料资源丰富。）原材料资源丰富。4 4）抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线。）抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线。64 介质介质 项目项目双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆传输介质价格传输介质价格较低较低较高较高较高较高连接件价格连接件价格低低较低较低高高标准化程度标准化程度高高较高较高低低连接连接简单简单需专用连接器需专用连接器需复杂连接器件和连接工艺需复

24、杂连接器件和连接工艺敷设敷设简单简单稍复杂稍复杂简单简单抗干扰能力抗干扰能力较好较好很好很好特别好特别好环境的适应性环境的适应性较好较好较好较好特别好特别好适用网络类型适用网络类型环形网环形网总线型或环形网总线型或环形网目前多用于环形网目前多用于环形网l4 4 无线电波无线电波 电磁波频谱电磁波频谱10KHz10KHz1GHz1GHz之间为无线电频率，在工业过程控制领域主要之间为无线电频率，在工业过程控制领域主要是传输频率在是传输频率在2.4GHz2.4GHz的工业频段，其传输距离较短，所需的功率较低。的工业频段，其传输距离较短，所需的功率较低。l5 5 微波微波 微波可穿透电离层进入宇宙空间

25、，不能靠电离层反射来进行传播，靠微波可穿透电离层进入宇宙空间，不能靠电离层反射来进行传播，靠微波接力或是卫星转播进行微波接力，传播距离一般在微波接力或是卫星转播进行微波接力，传播距离一般在50km50km左右，要实左右，要实现远距离传播，须在两个通信终端间建立中继站。现远距离传播，须在两个通信终端间建立中继站。l6 6 红外红外 采用光发射二极管、激光二极管来进行站与站之间的数据交换。红外采用光发射二极管、激光二极管来进行站与站之间的数据交换。红外设备发出的光，一般只包含电磁波或小范围电磁频谱中的光子。传输信设备发出的光，一般只包含电磁波或小范围电磁频谱中的光子。传输信号可以直接或经过墙面、天

26、花板反射后，被接收装置收到。号可以直接或经过墙面、天花板反射后，被接收装置收到。*655.4.3通信网络的互联设备通信网络的互联设备1 1、物理层互连设备、物理层互连设备 中继器（中继器（RepeaterRepeater） 把接收到的弱信号分离，并再生放大。把接收到的弱信号分离，并再生放大。 集线器（集线器（HubHub） 网络传输介质间的中央节点网络传输介质间的中央节点 。2 2、数据链路层互连设备、数据链路层互连设备 l网桥（网桥（BridgeBridge） 局域网间的桥梁，属于网络层设备，作用是扩展网络局域网间的桥梁，属于网络层设备，作用是扩展网络和通信手段，和通信手段，l交换器（交换器

27、（SwitchSwitch） 新的网络技术，通过交换设备提高网络传输性能。新的网络技术，通过交换设备提高网络传输性能。*663 3、网络层互连设备、网络层互连设备 l路由器（路由器（RouterRouter） 工作在网桥的上一层，因此，工作在网桥的上一层，因此，路由器的功能比网桥更强。除了具有网桥的全部功路由器的功能比网桥更强。除了具有网桥的全部功能外，还具有路径选择功能。能外，还具有路径选择功能。 4 4、应用层互连设备、应用层互连设备l网关（网关（GatewayGateway） 当连接不同类型而协议差别又当连接不同类型而协议差别又较大的网络时，要选网关设备。其功能体现在较大的网络时，要选网

28、关设备。其功能体现在OSIOSI模型最高层，它将协议进行转换，数据重新分组，模型最高层，它将协议进行转换，数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。 6768l1.控制网络中控制网络中是控制系统最基本的要求。是控制系统最基本的要求。l过程控制系统的响应时间要求为过程控制系统的响应时间要求为0.01s0.01s0.5s0.5s，l制造自动化系统的响应时间要求为制造自动化系统的响应时间要求为0.5s0.5s2.0s,2.0s, 信息网络的响应时间要求为信息网络的响应时间要求为2.0s2.0s6.Os6.Os。故信息网的实时性可忽略。故信息网的

29、实时性可忽略。l2控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、。应具有应具有在高温、潮湿、震动、腐蚀、电磁干扰等工业环境中长时间、连续、在高温、潮湿、震动、腐蚀、电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抵抗工业电网的浪涌、跌落和尖可靠、完整地传送数据的能力，并能抵抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。还应具有本质安全性能。峰干扰。还应具有本质安全性能。*69l3控制系统中，由于分散的单一用户要借助控制控制系统中，由于分散的单一用户要借助控制网络网络进进入某个系统，通信方式多使用广播或组播入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式方式；

30、在信息网；在信息网络中某个自主系统与另一个自主系统一般都使用一对一通络中某个自主系统与另一个自主系统一般都使用一对一通信方式。信方式。l4工业现场总线控制网络可以实现工业现场总线控制网络可以实现总线供电总线供电。而通常。而通常IT信息网络缺少此措施。信息网络缺少此措施。*7071*72操作员站操作员站工程师站工程师站实时数据服务实时数据服务现场控制站现场控制站网络通信网络通信在运行监控软件在运行监控软件的控制网节点上，的控制网节点上，其软件层次结构其软件层次结构如右图如右图运运行行监监控控节节点点OPC客户端客户端监控平台监控平台现场控制站现场控制站操作员站操作员站OPC服务端服务端网络通信网络通信OPC服服务务端端在运行在运行OPC服服务器务器的控制网节的控制网节点上，其软件层点上，其软件层次结构如右图次结构如右图ESOP