工业控制网络及SCADA;HMI技术

1、工业控制网络及SCADA/HMI技术0 序以数字串行通讯 为主意义：大到囊括整个企业的控制网络，小到局部的通讯（如变频器、仪表），FCS/DCS的优势显著。图：管控一体化网络（OPC、SCADA、Internet、无线等），智能制造生产车间，FMS定位：更好地应用于工程，开发产品的初步知识观念：两条腿走路内容：1 数字通讯基础，网络技术基础（网络结构、介质、以太网、ISO、TCP/IP模型）； 2 Modbus协议；3 Profibus-DP总线；（S7-300 Step7软件）4 CAN和基于CAN的DeviceNet总线，AB的ControlNet网络；5 基于以太网的ProfiNet及其

2、他基于以太网工作机制的网络；6 SCADA/HMI、 OPC第一章 数字通讯及网络技术基础1.1 数字通讯1 通讯及网络的类比对象对象对象最早接触的数字通讯：平原游击队，声音-电信号，无线电信号概念：分布式控制，主站，分站，智能分站，信道，传输介质（双绞线、同轴、光纤、各波段的无线），网络结构，协议Distribute,Master,Slave, Intelligent, Channel, transit media (twist ,co-aixs, fiber,wireless), topology. protocol总线的鼻祖：RS485，数字通讯中的双工，半双工,单工。232、485、4

3、22特点介质访问控制 (MAC)，介质-bus,不是net智能交通、管网控制也是典型应用。当年操作系统的类比，类比是扶人走路的拐杖。2 模拟与数字通讯方式的对比模拟信号和数字信号 模拟信号:时间上连续,包含无穷多个信号值 数字信号:时间上离散,仅包含有限数目的信号值 数字信道和模拟信道（我们所接触的主要是数字） 数字脉冲形式(离散信号)，用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态；基带(Baseband)传输:不需调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送连续模拟信号形式，用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态；宽带(Broadband)传输（载波传输）:数字信号需调制成频

4、带模拟信号后再传送,接收方需要解调例如:通过电话模拟信道传输、闭路电视的信号传输这个过程叫作解调。用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态；基本原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制 载波S(t)=Acos(t+) ,S(t)的参量包括:幅度A频率初相位,调制就是要使A或随数字基带信号的变化而变化 （1）幅移键控编码ASK（Amplitude Shift Keying）（2）频移键控编码FSK （Frequency Shift Keying）（3）相移键控编码PSK （Phase Shift Keying）多路复用:多个信息源共享一个公共信道提高线路利用率 适用场合:当信道的传

5、输能力大于每个信源的平均传输需求时 复用类型：频分复用原理FDM(FrequencyDivisionMultiplexing):整个传输频带被划分为若干个频率通道,每路信号占用一个频率通道进行传输频率通道之间留有防护频带以防相互干扰 波分复用WDM(WaveDivisionMultiplexing)-光的频分复用原理:整个波长频带被划分为若干个波长范围,每路信号占用一个波长范围来进行传输 （通过光纤打出不同颜色的单色光）时分复用原理TDM(TimeDivisionMultiplexing):把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个时隙,每路数据占用一个时隙进行传输3 数字通讯中的数据编码（

6、1）单极性归零码：有归零时间段（2）单极性非归零码 ：都是有效电平（3）（4）双极性归零、非归零码（5）差分码 ：为1则变的原则（6）曼码 选用的原因：同步问题，自含同步时钟。歧意性 差分曼码：变化少，但处理复杂数字数据的数字信号编码（1）单极性码（2）双极性码（3）归零码（RZ）：每一位二进制信息传输之后均返回零电平。（4）非归零码（NRZ）：在整个码元时间内维持有效电平。二进制数字01分别用两种电平来表示,常常用-5V表示1,+5V表示0 效率高，但缺点:存在直流分量,腐蚀等问题;不具备自同步机制,传输时必须使用外同步（5）差分码：电平变化代表“1”，不变化代表“0”。又分为2种情形：a.

7、起始为高电平b.起始为低电平。差分码：“为1则变”的原则。问题所在：上述最简单的基带信号的最大问题就是当出现一长串的连1或0时，在接收端无法收到的比特流中提取位同步信号，（无法同步，收发时刻不统一）。出现了曼码。（6）曼彻斯特编码（就是采脉冲沿，定义0、1与上升沿、下降沿的对应关系）码元本身分为两半，前半个时段所传信号是该时间段传递比特值的反码，而后半个时段传递的是比特值本身。（这种定义的典型应用是使用802.3协议的基带同轴电缆和CSMA/CD机制的双绞线中，ControlNet等现场总线中使用的曼彻斯特编码的定义与上述定义正好相反。其中：L，H=0，H，L=1。）（说明此处有歧义）用电压的

8、变化表示0和1,规定在每个码元的中间发生跳变:高低的跳变代表0,低高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号这种编码也称为自同步码(Self-SynchronizingCode)优点：数据自同步传输。（不用对准，无累计误差）差分曼彻斯特编码（略）是对曼彻斯特编码的一种改进，保留了曼彻斯特编码作为“自含时钟编码”的优点，仍将每比特中间的跳变作为同步之用，但是每比特的取值则根据其开始处是否出现电平的跳变来决定。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但变化少，可以获得较好的抗干扰性能，更适用于高频（有其概率统计学的支撑）。这种定义使用在802.5令牌环双绞线网络中。缺点

9、:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍，即效率50%)普通的差分码在一个码元内无跳变，不同于曼码。差分曼码是普通的差分码和曼码的结合。4 数字通讯中数据的同步方式意义：双方要同步、节拍一致（何时开始的、位边界在哪、一个码元多长时间）手电筒的哪一次闪烁是一个字节的开始呢？位同步的方式：内同步，外同步（字符同步是异步方式，是异步制，以字符为边界，8N1，没有时钟，是基于字节的同步，每个字符重新同步，漂移不积累。启示：0；停止：1；这样，抓住再同步的机会。效率：8/11，72%帧同步数据同步方式:目的是使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间位边界重复频率等) 有三种同步方法:位同步

10、字符同步帧同步 （1）位同步目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步,有下面两种方式: 外同步发送端发送数据时同时发送同步时钟信号,（即送信号，还要送时钟，不可行）。自同步通过特殊编码(如曼彻斯特编码),这些数据编码信号包含了同步信号,接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率 （2）字符同步以字符为边界实现字符的同步接收,也称为起止式或异步制（异步方式）每个字符的传输需要:1个起始位58个数据位1,1.5,2个停止位 （没有位的时钟，靠一个字节一同步，基于字节的同步，1.5位是按照时间计算）字符同步的作用: 频率的漂移不会积累,每个字符开始时都会重新同步 每两个字符之间的间隔时间

11、不固定 增加了辅助位,所以效率低例如,采用1个起始位8个数据位2个停止位时,其效率为8/1172% （3）帧同步：更高层的同步，如CAN的开始帧5 差错控制误码率 误码是必然的，正确是必须的发现： 主要是接受方 receiver改正错误：接收方必查出具体位置，自己改 （FEC前向错误纠正）重发，不去改 （ARQ自动重发请求）发现错误： 奇偶校验a普通奇偶校验：只能发现奇数个错误，图，自己画分析b 垂直奇偶校验： 图 ，不实用c 水平垂直奇偶校验：图 ，与LRC 纵向冗余校验LongitudinalRedundancyCheck不同如果只有1个错误，可定位并纠正，在交叉点如果2个错误，能够发现，

12、但不能纠正（知道错了，不知错在哪，更多则更无法识别）“发现”的能力显著提高，只有“井”字的错误才不能发现简单方便，但还有漏检（万分之一）(但也不行。高层协议也能发现其) CRC cyclic redundancy check广泛规则：模2运算：0+0=0；0-0=0；0+1=1；0-1=1；1+0=1；1-0=1；1+1=0；1-1=0；异或运算不考虑进位、借位的二进制加减。原理举例110011 生成多项式G(x)=X4+X3+1 (11001)11001）11001100001100111001校验过程：接受端处理 11001）1100111001为0则OK，否则Error 重发。 提取信息

13、码，重复发送端的操作，R=R则OK练习G(x)=X4+X+1 信息码：10110，求Remainder（CRC码）？（1111）G(x)=X4+X3+1 信息码：1101011011，求Remainder？（1110）CRC总结：能力强，无处不在，有数学依据，是“发现”不是“改正”不是绝对的正确，是概率的正确（极高：所有奇数个错误，所有双比特错误，所有小于等于校验位长度的错）以太网等用的checksum与CRC不同，模2，模256都是常用的。CRC也可靠硬件来实现。6 海明码（纠错）纠正需要更多的冗余信息两个码字不同位的数目称为海明距离编码集的海明距离：任何两个码字的海明距离的最小值， 举例0

14、000011111可纠正2比特错（往哪个方向靠，按什么原则？只能是最大概率原则）实际的海明码是单比特位纠错编码 例 H: ASCII 1001000（7位）在1,2,4,8位插入校验位P1,P2,P4,P8 1 0 0 1 0 0 03=1+2;5=1+4;9=1+81:(3，5，7，9，11) P1=D3+D5+D7+D9+D11（偶校验：偶数个1则为0）2:(3，6，7，10，11) 4:(5，6，7) 8:(9，10，11) 偶校验：1:0,2:0,4:1,8:0结果： 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 （11位）如果0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 （11位） 第五

15、位错，S1错，S2对，S4错，S8对，S8S4S2S1=0101，即5思考： 分析A 1000001，如果为00100001001从左到右的2n位为校验位，使其所负责的集合服从规定的奇偶校验。效率7/11,单个位能够纠正，否则不能，只能重发。介质条件差时用，发小包为好。第1.2局域网1.网络结构星、树、环、总线、不规则（完整型），各自特点2.介质种类、各自特点双绞线，同轴，光纤，无线（超短波、微波）3. 802.3, 4, 5 MAC是共性问题，共享（不是交换等方式），bus只有一个！以太网：局域网中的802.3CSMA/CD是其本质、CSMA/CA（802.11）（无线冲突难测）Carrie

16、 sense multiple access collision detect 结构、介质全可以不同先听后发，边听边发、冲突停止、随机延迟再发（有算法）比喻：无人主持的讨论会上，有礼貌的人们在说。也像车少时的黄灯闪烁。802.4告诉我们物理与逻辑的结构不是一回事交出令牌的条件（1）发完了；（2）根本就没有数据要发；（3）时间到！维护令牌是大家的责任，上、下线自如是有规划，有控制，有组织有纪律的网络令牌与CSMA/CD的比较实时性 负载敏感性 低 高价格通用性 技术发展的偶然性与必然性第1.3网络协议模型网络是复杂的事情，复杂程度并不低于操作系统，任务不同分层为好：各层任务明确，服务、接口、协议

17、都清晰；谁也不是从芯片做到Java、ASP的，就象不能专机与螺钉都做，标准化才有创新金正日的例子，服务、接口、协议三者关系图上层下层LLC头不是被包在里面，而是被翻译为MAC头。ISO/OSI TCP/IP对比物理层：电气特性数据链路层：MAC、LLC 相邻两点的无差错传输MAC地址是身份证ID网络层：IP地址是核心，组织上给的名(机械学院 年 班 号，重名没问题)找到目标的路很多，是端对端的关注路由，交换方法、逻辑地址（IP）、拆包/组包不关注是否到达，只关心找没找到传输层：TCP/UDP，报文必须正确（可靠传输报文），Socket封装好会话层表示层应用层：QQ1.3.2 DLC (data

18、 link control layer)帧，什么是帧(Frame)高层层层打包到DLC， LLC头要翻译成MAC头，再0、1码文DLC的作用：不可靠的物理层，可靠的数据传输，哪层都有责任，但DLC主要负责为什么叫Link：链接，相邻的两个点，直接连接，逻辑连接总体任务：差错检测、控制、流量控制；变有差错为无差错。具体：MAC：对总线的“交通”管理，总线占用，奇偶校验。CSMA/CD就是MAC功能LLC：与媒体接入无关的都放在这 帧：成帧，收发差错（帧）接上级服务请求LLC、MAC封装成MAC帧、拆卸帧，物理 三者的关系图在LLC 子层的上面看不到具体的局域网。即，局域网对LLC子层是透明的。只有下到MAC子层才能看见所连接的是采用什么标准的局域网。LLC子层主要包含 DSAP, SSAP和control字段，其中DSAP和SSAP用以标示上层协议为何例如，0x42, 0x42就是我们熟悉的经典生成树协议Classic Sp