工业控制系统及应用-SCADA系统680

工业控制系统及应用——SCADA系统篇Ch1SCADA系统概述一、什么是SCADA系统SCADA的英文是SupervisoryControlAndDataAcquisition，译成中文就是监督控制与数据采集。从其名称可以看出，其包含两个层次的功能：数据采集监控、管理

图1.1所示为一个污水处理厂SCADA系统。图1.1(a)SCADA系统实例－污水处理厂监控系统图1.1（b)SCADA系统实例－油田监控系统原油（天然气）井站、油气地面开采集输、原油（天然气）处理联合站、输油（气）管道的自动化。1、定义

SCADA系统是一类功能强大的计算机远程监督控制与数据采集系统，它综合利用了计算机技术、控制技术、通信与网络技术，完成了对测控点分散的各种过程或设备的实时数据采集，本地或远程的自动控制，以及生产过程的全面实时监控，并为安全生产、调度、管理、优化和故障诊断提供必要和完整的数据及技术手段。

2、特点

一般来讲，SCADA系统特指分布式计算机测控系统，主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控，通常情况下，测控现场是无人或少人值守。二、SCADA系统组成与结构上位机：侧重监控与管理功能下位机：直接控制功能通信网络：实现上、下位机数据交换如图1.2所示。从其结构可以看出，SCADA系统具有控制分散、管理集中的“集散控制系统”的特征。图1.2SCADA系统结构1、下位机（1）下位机功能：数据采集下位机配置的各种输入设备（DI、AI等）进行数据采集控制下位机配置的各种输出设备（DO、AO等）对现场设备进行直接控制。下位机接收上位机的监控，并且向上位机传输各种现场数据。（2）下位机类型：远程终端单元RTU

RTU（RemoteTerminalUnit，RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定。

北京安控公司的Super32-LP微功耗RTU，是面向工业现场信号采集和控制的小型RTU。采用微功耗设计，内置GPRS通信模块和Zigbee无线通信接口，配合SZ系列无线仪表，极其方便的组成自来水和燃气管网测压系统。特别适合在小点数的数据采集领域使用。RTU的功能：

RTU的主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站，这时RTU可以独立的完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一个远程数据通讯单元，完成或响应本站与中心站或其它站的通讯和遥控任务。RTU的配置与程序执行：

RTU的主要配置有CPU模板、I／O（输入／输出）模板、通讯接口单元，以及通讯机、天线、电源、机箱等辅助设备。

RTU能执行的任务流程取决于下载到CPU中的程序。应用程序可用工程中常用的编程语言编写，如梯形图、C语言等。有些设备采用C语言编程。RTU的特点：（1）同时提供多种通讯端口和通讯机制。（2）提供大容量程序和数据存储空间。（3）高度集成的、更紧凑的模块化结构设计。（4）更适应恶劣环境应用的品质。

PLC（中、小型）典型的小型PLC产品有三菱的FX2N系统PLC、西门子的S7200系统、OMRON的CPM1A等。一些中、大型的SCADA系统的下位机会选用中型的PLC产品，如三菱的Q系列、西门子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。图1.3所示为下位机程序

图1.3下位机程序示例（三菱电机PLC）a、西门子S7-200b、三菱电机FX2N整体式可编程控制器

a、西门子S7-300b、三菱A系列c、A-BControl

Logix模块式可编程控制器PAC（可编程自动化控制器）作为一种开放型的自动化控制设备，PAC在SCADA系统的下位机的应用逐步增多，主要的产品有：GEFanuc公司的PACSystemsRX3i／7i、NI公司的CompactFieldPoint、Beckoff公司的CX1000、泓格科技的WinCon／LinCon系列、μPAC-7186EX、A-B公司的CompactLogix和研华公司的ADAM-5510EKW等。

泓格科技的WinCon智能仪表在一些侧重数据采集、信息集中管理与远程监管的应用中，远程控制功能要求较低。在这类SCADA系统中，大量使用各种现场仪表做下位机，如智能流量计量表、冷量热量表、智能巡检仪等。

2、上位机（1）上位机组成：

上位机系统通常包括SCADA服务器、工程师站、操作员站、WEB服务器等，这些设备通常采用以太网联网。上位机人机界面如图1.4所示。实际的SCADA系统上位机系统到底如何配置还是根据系统规模和要求而定。根据安全性要求，上位机系统还可以实现冗余，即配置两台SCADA服务器，当一台出现故障时，系统自动却换到另外一台工作。

图1.4上位机人机界面（2）上位机功能：①数据采集和状态显示

SCADA系统的首要功能就是数据采集，即首先通过下位机采集测控现场数据，然后上位机通过通信网络从众多的下位机中采集数据，进行汇总、记录和显示。通常情况下，下位机不具有数据记录功能，只有上位机才能完整地记录和保持各种类型的数据，为各种分析和应用打下基础。②远程监控。由于上位机采集数据具有全面性和完整性，监控中心的控制管理也具有全局性，能更好地实现整个系统的合理、优化运行。特别是对许多常年无人值守的现场，远程监控是安全生产的重要保证。远程监控的实现不仅表现在管理设备的开、停及其工作方式，如手动还是自动，还可以通过修改下位机的控制参数来实现对下位机运行的管理和监控。③报警和报警处理

SCADA系统上位机的报警功能对于尽早发现和排除测控现场的各种故障，保证系统正常运行起重要作用。上位机上可以以多种形式显示发生的故障的名称、等级、位置、时间和报警信息的处理或应答情况。上位机系统可以同时处理和显示多点同时报警，并且对报警的应答做记录。④事故追忆和趋势分析。上位机系统的运行记录数据，如报警与报警处理记录、用户管理记录、设备操作记录、重要的参数记录与过程数据的记录对于分析和评价系统运行状况是必不可少的。对于预测和分析系统的故障，快速地找到事故的原因并找到恢复生产的最佳方法是十分重要的，这也是评价一个SCADA系统其功能强弱重要的指标之一。⑤与其他应用系统的结合工业控制的发展趋势就是管控一体化，也称为综合自动化，典型的系统架构就是ERP／MES／PCS三级系统结构，如图1.5所示，SCADA系统就属于PCS层，是综合自动化的基础和保障。这就要求SCADA系统是开放的系统，可以为上层应用提供各种信息，也可以接收上层系统的调度、管理和优化控制指令，实现整个企业的优化运行。图1.5综合自动化体系结构（3）选用工控机或商用机

在SCADA系统发展初期，上位机系统普遍采用工控机。因为工控机在商用计算机上进行了改装与加固，以适应工业应用的要求，主要体现在：硬件结构、系统可靠性、抗干扰能力和环境适应性等。然而，近年来，随着商业机可靠性的不断增强，以及商用机与工控机之间较大的价格差距，SCADA系统选用商用机做上位机已经十分普遍。对于可靠性要求高的场合，可以通过热备等方式来实现。

3、通信网络

通信网络实现SCADA系统的数据通信，是SCADA系统的重要组成部分。与一般的过程监控相比，通信网络在SCADA系统中扮演的作用更为重要，这主要因为SCADA系统监控的过程大多具有地理分散的特点，如无线通信机站系统的监控。在一个大型的SCADA系统，包含多种层次的网络，如设备层总线，现场总线；在控制中心有以太网；而连接上、下位机的通信形式更是多样，既有有线通信，也有无线通信，有些系统还有微波、卫星等通信方式。（1）上位机系统：主要是连接上位机、服务器、通信设备、打印设备的局域网络。上位机还可以设置WEB服务器，提供远程监控网络。（2）下位机系统：包括连接I/O设备与控制器的现场总线，各种设备级总线等。

在一些应用中，现场布线不方便，会采用短距离无线通信。（3）连接上、下位机的通信网络这部分网络最复杂，形式最多样，是SCADA系统的重要特点。4、检测和执行设备（1）检测元件

SCADA系统中监控的参数按照数据类型可以分为模拟量、数字量和脉冲量等，模拟量包括温度、压力、物位、流量等典型过程参数和其他各种参数，而数字量包括设备的启／停状态等。这些信号的获取要靠各种检测元件（传感器）实现。（2）执行器执行设备接受下位机（控制器）的输出，改变操纵变量，使生产过程按照预定要求正常运行。在不同的行业中，执行器类别不一样，如在生产过程监控中，各种气动执行器得到广泛应用，典型的就是气动薄膜调节阀，还有各种开关阀门。而在制造业中，各种步进电机、变频器、伺服电机等调速设备得到广泛应用。三、SCADA系统典型架构SCADA系统的发展经历了集中式SCADA系统阶段、分布式SCADA系统阶段和网络式SCADA系统三个阶段。集中式SCADA系统是所有的监控功能依赖于一台主机（mainframe），采用广域网连接现场RTU和主机。网络协议比较简单，开放性差，功能较弱。现场RTU几乎无控制功能，只侧重数据采集。

第二代SCADA系统逐步向网络化、分布式过渡，但是使用的是专业网络，专业协议，但开放性较差。现场RTU具有控制功能。网络化SCADA系统以各种网络技术为基础，控制结构更加分散化，信息管理更集中。系统普遍以客户机／服务器（C／S）和浏览器／服务器结构（B／S）为基础，多数系统结构上包含这两者结构，但以C／S结构为主，B／S结构主要是为了支持Internet应用，以满足远程监控的需要。现场控制设备具有较强的控制功能和通信能力。与第二代SCADA系统相比，第三代SCADA系统在结构上更加开放，兼容性更好，可以无缝集成到全厂综合自动化系统中。第三代SCADA系统在软、硬件上开放性好，采用国际标准或主流的网络和通信协议。同时，PLC在SCADA系统中的应用更加普通。由于SCADA系统的规模可以从几百点到几万点，用户对SCAD系统的需求是多样的，因此对其系统架构提出了很高的要求。SCADA系统属于典型的分布式计算机应用系统，在这样的系统中，体系结构是软件系统中最本质的东西，良好的体系结构意味着普适、高效和稳定。由于体系结构是对复杂事务的一种抽象，良好的体系结构是普遍适用的，它可以高效地处理多种多样的个体需求。同时，体系结构在一定的时间内保持稳定。当需求发生变化时，程序员可以不用修改系统的体系结构。

1、客户机／服务器结构C／S结构中客户机和服务器之间的通信以“请求－响应”的方式进行。客户机先向服务器发出请求，服务器再响应这个请求，如图1.3所示。

C／S结构最重要的特征是：它不是一个主从环境，而是一个平等的环境，即C／S系统中各计算机在不同的场合既可能是客户机，也可能是服务器。在C／S应用中，用户只关心完整地解决自己的应用问题，而不关心这些应用问题由系统中哪台或哪几台计算机来完成。图1.3客户机／服务器结构

如在SCADA系统中，当SCADA服务器向PLC请求数据时，它是客户机，而当其他操作站向SCADA服务器请求服务时，它就是服务器。显然，这种结构可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到客户端和服务器端来实现，降低了系统的通讯开销。

2、浏览器/服务器结构

随着Internet的普及和发展，以往的主机／终端和C／S结构都无法满足当前的全球网络开放、互连、信息随处可见和信息共享的新要求，于是就出现了B／S型结构，如图1.4所示。

图1.4浏览器／服务器结构B／S结构最大特点是：用户可以通过浏览器去访问Internet上的文本、数据、图像、动画、视频点播和声音信息，这些信息都是由许许多多的Web服务器产生的，而每一个Web服务器又可以通过各种方式与数据库服务器连接，大量的数据实际存放在数据库服务器中。这种结构的最大优点是：客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户端不存在维护的问题。

3、两种结构比较（1）B／S模式的优点和缺点B／S结构的优点表现在：具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。开发简单，共享性强。B／S结构的缺点表现在：个性化特点明显降低，无法实现具有个性化的功能要求。操作是以鼠标为最基本的操作方式，无法满足快速操作的要求。页面动态刷新，响应速度明显降低。功能弱化，难以实现传统模式下的特殊功能要求。（2）C／S模式的优点和缺点C／S结构的优点表现在：由于客户端实现与服务器的直接相连，没有中间环节，因此响应速度快。操作界面漂亮、形式多样，可以充分满足客户自身的个性化要求。C／S结构的管理信息系统具有较强的事务处理能力，能实现复杂的业务流程。

C／S结构的缺点表现在：需要专门的客户端安装程序，分布功能弱，针对点多面广且不具备网络条件的用户群体，不能够实现快速部署安装和配置。兼容性差，对于不同的开发工具，具有较大的局限性。若采用不同工具，需要重新改写程序。开发成本较高，需要具有一定专业水准的技术人员才能完成。四、SCADA系统的应用1、计算机控制系统分类

计算机巡回检测和操作指导系统计算机直接数字控制系统计算机监督控制系统计算机集散控制系统现场总线控制系统工业过程计算机集成制造系统（流程CIMS）……数字计算机CRT打印机报警过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程执行机构

人……计算机巡回检测和操作指导系统直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程过程输出通道

执行机构

执行机构………………计算机直接数字控制（DDC）系统监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道

输出通道被控生产过程操作台输入通道计算机监督控制（SCC）系统控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统分布式计算机控制系统2、典型的工业控制系统

典型的工业控制系统系统包括两大类：（1）SCADA系统（2）集散控制系统

完整的计算机控制系统除了包括控制器以往，还应该有完整的人机界面，可以进行监控、报警、报表、数据记录等功能。

现场总线控制系统是一类新型的工业控制系统，目前其应用还没有得到大规模的普及。

还有一类计算机控制系统，采用工控机或商用计算机做主机，配上I/O模块，如A/D、D/A、DI、DO等。采用高级语言或组态软件编写控制程序。这种控制方式只适用于一些对控制要求不高的小系统。

上述方式，近年还可以采用分布式数据采集模块，通过数字通信的方式与控制软件通信，这样可以节约电缆。

2、SCADA系统与其它计算机控制系统的比较SCADA系统集中了PLC系统的现场测控功能强和DCS系统的组网通讯能力的两大优点，性能价格比高，特别适合测控点极为分散，对控制的要求不是特别高的场合。

PLC

系统，即可编程控制器系统，适用于工业现场的测量控制，现场测控功能强，性能稳定，可靠性高，技术成熟，使用广泛，价格合理。

PLC多作为SCADA系统的下位机。

DCS

系统（集散控制系统），适用于测控点数多、测控精度高、测控速度快的工业现场，其特点是分散控制和集中监视，具有组网通讯能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，但系统的价格昂贵。

SCADA系统在结构上体现为上、下位机的结构，下位机完成设备的直接控制，而上位机侧重于信息集中管理，上、下位机通过通信网络连接。由于SCADA系统的控制对象分布可能极为分散，因此，SCADA系统的通信通常比DCS要复杂，通信的形式也会多种多样。

SCADA系统可以集成不同厂家的各种测控产品，开放性更好。而某一过程的DCS控制系统通常是某固定型号的。

随着技术的不断进步，各种控制方案层出不穷，一个具体的工业控制问题可以有不同的解决方案。但总体上来说，还是遵循传统的思路，即在制造业的控制中，还是首选PLC，而过程控制系统首选DCS。而对于监控点十分分散的控制过程，多数还是会选SCADA系统，只是随着应用的不同，下位机的选择会有不同。当然，由于控制技术的不断融合，在实际应用中，有些控制系统的选型还是具有一定的灵活性。极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度。极大地减低了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了工作过程中第一位的人员的安全性。通过生产过程的集中控制和管理，极大地提高企业作为一个整体效率的竞争能力，提高了产品质量和生产的效率。系统通过对设备生产趋势的保留和处理，可提高预测突发事件的能力，在紧急情况下的快速反应和处理能力，可极大地减少生命和财产的损失，从而可带来潜在的社会和经济效益。2、采用SCADA系统的好处在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化有着不可替代的作用。3、典型应用领域（1）电力SCADA

SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平上起到了很大的作用。在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。（2）铁道电气化SCADA系统（3）武广高铁SCADA系统在武广高铁上采用SCADA技术建立了铁路防灾系统。武广高铁全长995公里，有10个车站，3个数据调度中心，分别位于武昌新火车站、长沙火车站和广州南站内。全线共设置155个防灾监控单元，包括2处监控数据处理设备、2处调度监控设备。该系统实现了对远程无人值守站点、环境恶劣站点的监控。系统设有风速监测站点109个、雨量监测站点51个、异物监测站点125个楼宇自动化生产线管理机械人、机件臂系统其它生产行业无人工作站系统

（3）其它应用领域无人值守工作站无线通讯基站网；邮电通讯机房空调网；电力系统配电网；铁路系统电力系统调度网；铁路系统道口，信号管理系统；坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网；石油和天然气等各种管道监控管理系统；地铁、铁路自动收费系统；交通安全监侧；城市供热、供水系统监控和调度；环境、天文和气象无人检测网络的管理；其它各种需要实时监控的设备。本章主要知识点什么是SCADA系统。SCADA系统功能、结构、组成。SCADA系统典型架构。SCADA系统与其它计算机控制系统的比较。SCADA系统的应用本课程学习分专题介绍远程学习结合面授、辅导实验教学要求：熟悉VB语言、PLC考试方式：开卷工业控制系统及应用—SCADA系统篇Ch2数据通信与网络技术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，可以看成SCADA系统的神经系统。通讯由于介质的不同大体可以分为如下的三种类型：有线、无线和网络。单独把网络拿出来是因为近些年网络技术发展很快，目前网络成了传输SCADA信息的一个很重要的方式。信道分类也可以分为半双工和全双工的信道，但是有时即使信道是全双工的，而协议是半双工的，系统也工作在半双工状态。SCADA网络系统的网络通讯方式在无线方式上常用的包括GPRS/CDMA,ZIGBEE,无线以太网等。有线方式常用的包括以太网、ADSL、CABLEMODEM等。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（SCADA服务器、客户机、数据库服务器等）监控中心Web服务器与远程客户端的通信

SCADA服务器/数据库服务器与MES等企业级应用软件的通信一、数据通信概述

数据是指对数字、字母以及组合意义的一种表达。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。通信传输的信息语音、图像、文字、数据等信息的类别连续信息信息的状态随时间而连续变化离散信息信息的状态是可列的或是离散的通信中的两种基本传输信号模拟信号和数字信号模拟通信以模拟信号作为载体来传输信息数字通信以数字信号作为载体来传输信息数据通信若信息源产生的是数据，则整个通信过程称为数据通信调制在发送端用基带（电信号所固有的频带）脉冲对载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化，以便于电信号的远传振幅调制ASK(AmplitudeShiftKeying）用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化频率调制FSK(FrequencyShiftKeying)用原始脉冲信号去控制载波的频率变化相位调制PSK(PhaseShiftKeying）用原始脉冲信号去控制载波的相位变化报文与通信协议报文：文本、命令、参数值、图片、声音等经过数字化后的传送信息通信协议：通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则。协议的关键要素是语法、语义和时序（1）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。工业数据通信系统中典型的发送与接收设备各种变送器、传感器各种数据采集装置可编程逻辑控制器PLC，PID控制器等作为监视操作设备的监控计算机或工作站各种调节阀门电机控制设备变频器工业机器人网络连接设备，如中继器、网桥、网关等（2）传输信道

传输信道可以是简单的两条导线，也可以是由传输介质、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。通信线路的工作方式单工通信

半双工通信全双工通信

通信线路的三种工作方式

发送

单向信道

接收

发送接收

单向信道

接收发送

发送接收

双向信道

接收发送(c)全双工通信(b)半双工通信(a)单工通信基带传输与频带传输基带是指电信号所固有的频带，直接将这些电脉冲信号进行传输，就称为基带传输，它不适合远距离传输先进行调制使其频率变窄，再传输，则称为频带传输串行传输与并行传输数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行传输数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输帧传输（必须采用ASCII码传输）将要传输的信息（数据）组成一个包首先发送数个同步字符（SYN）随后开始发送帧起始字符（STX）紧接着发送数据最后发送帧结束字符（ETX）采用帧传输的优缺点传输速率高，占用CPU时间少，数据可靠；缺点是要将原码转化成ASCII码，效率下降了一半（2）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A.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。传输速率单位时间内传送的信息量,调制速率单位时间内所能调制的调制次数,单位是波特数据信号速率单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒数据传输速率单位时间内传送的数据量,单位常用字符/分表示多路复用技术把多路信号用一条信道进行传输，以提高效率依据信号频率参量、时间参量以及码型结构上的差别的信号分割频分多路复用（FDM）把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每条小频段都可以看作是一条子信道，相邻频段之间留有一空闲频段，以保证数据在各自频段上可靠地传输

实现相对简单，技术成熟，能较充分地利用信道频带

时分多路复用（TDM）信道的传输时间分割成许多时间段，每路信号占用一个指定的时间段，在此时间段内，该路信号占用整个信道进行传输这种方法接收端与发送端的时序必须严格同步码分多路复用（CDMA）按照码型结构的差别来分割信号在同样的时间内使用同样的频带进行通信，不会造成相互干扰数据交换技术现实中的数据通信需要通过有中间结点的网络来把数据从源地发送到目的地。通常将希望通信的一批设备称为站，而将提供通信的一批设备称为结点，这些结点以某种方式用传输链路相互连接起来。

一般的交换网络DC7421635

B

AE

F＝通信网络结点＝网络站一般使用的交换技术线路交换、报文交换、分组交换线路交换（Circuitswitching）通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的通信线路在两个站之间建立一个实际的物理连接线路交换方式的通信包括3个阶段：

线路建立、数据传送、线路拆除优点：数据传输可靠，延迟小缺点：线路利用率不高报文交换（messageswitching）不需要在两个站之间建立一条专用通路将一个目的地址附加在报文上，然后把报文从网络的一个结点传送到另一个结点每个结点接收整个报文，暂存这个报文，然后发送到下一个结点报文交换是一种存储转发（storeandforward）的方式特点：线路可被多个传输使用，利用率高；一对多，可设优先级的传输；传输延时大分组交换（packetswitching）与报文交换的主要差别：在分组交换网络中，限制所传输的数据单位的长度，以提高网络的利用率。有两种方法管理这些分组：数据报和虚电路数据报方式“数据报”指独立处理的每个分组每个分组的传输都是独立地寻径同一报文的不同分组可能经过不同路径,每条路径的传输时间可能不同到达目的站后按顺序重组。虚电路方式在数据传输前先建立站与站之间的一条逻辑连接路径，非物理线路连接每个分组传输都使用同一条路径传输不会出现分组乱序的情况不同的交换技术适用于不同的场合：报文交换不合适交互式通信较轻的和/或间歇式负载，线路交换最合算的两个站之间有很重的和持续的负载，使用租用的线路交换线最为合算当有一批必须交换中等数据到大量数据的设备时，宁可用分组交换方法，这种技术的线路利用率最为有效。数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文。虚电路分组交换适宜于长交换和减轻各站的处理负担。交换技术的比较线路交换：在数据传送之前必须先设置一条完全的通路，在线路释放以前，该通路将被一对用户完全占用。对于突发式的通信，线路交换效率不高。报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，在传送报文时，同时只占用一段通道；在交换结点中需要缓冲存储，报文需要排队，不能满足实时通信的要求。分组交换：和报文交换方式类似，但报文分组传送，并规定了最大的分组长度；在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文。分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术。3、差错控制

在数据通信过程中，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。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）差错控制方式反馈纠错前向纠错混合纠错差错控制的工作方式有两类：接收端检测到接收的数据有差错时，接收端自动纠正差错；接收端检测出错误后不是自动纠错，而是反馈给发送端一个表示错误的应答信号，要求重发，直到正确接收为止。目前常用的差错控制方式有以下3种。（2）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（CyclicRedundancyCheck,CRC）

纠错码虽然能纠正数据的错误，但是纠错码的冗余位比检错码多得多，也就是说，它的编码效率比检错码低得多，会使网络传输效率降低。而CRC码是一种检错率高、编码效率高的检错码。

二、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（DataTerminalEquipment，DTE）数据电路终接设备DCE（DataCircuit-terminatingEquipment，DCE）目前最常用的有关DTE和DCE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，ElectricalIndustrialAssociation，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。

DCE将此信号转换成适当的形式在传输线路上进行传输。

图2.2DTE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。调制解调器的作用利用公用电话网实现数据的远距离传输实现模拟信号与数据信号的转换数据通信系统中的调制解调器终端设备计算机设备调制解调器调制解调器公用电话网通讯控制器传输控制器调制解调器的分类半双工和全双工（传输方式）低速、中速和高速（工作速率）正交幅度键控、频移键控、相移键控和幅相键控等（调制方式）窄带、音频、宽带、短程、多端口和多点调制解调器等（线路业务类型）同步和异步（按同步方式）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（BaudRate）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，使用了校验位作为检查的机制。可根据实际需要选择奇校验、偶校验或无校验。采用奇校验报文加上校验位后应保证“1”码元个数为奇数采用偶校验报文加上校验位后应保证“1”码元个数为偶数奇偶校验方法只有在出错码元个数是奇数的情况下才有效，当出错码元个数成偶数时，此法无能为力循环冗余校验简称循环码或CRC码循环冗余校验的特点有严密的数学结构，检错能力强、实现简单容易线性码[用（n，k）来表示]循环码的性质：任一码组的每一次循环左移或右移，所得的新码组仍是该码中的一码组生成多项式CRC-16循环码的编码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（HandShaking），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。

RS232C接口规范的内容包括四个方面连接电缆和机械特性电气特性功能特性规程特性

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20kbps。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（DataTerminalEquipment）为终端，DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）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（unbalancedtransmission）：所有电路共享一个公用的地线。平衡传输（balancedtransmission）：每个主要电路需要两根线，没有公用的地线。功能特性定义了21条线，许多子集，基本与CCITTV.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，异步远程通信示意图远程通信过程呼叫建立阶段（RI、RTS、CTS、DSR）数据传输阶段（双工、半双工，RTS、CTS）拆线阶段（RTS=OFF，CTS=OFF）RS-232C远程通信示意图计算机或终端设备计算机或终端设备调制解调器调制解调器公用电话网“空”调制解调器连接方式将两台计算机直接连接，实现快速数据通讯让通信双方在没有调制解调器的情况下依次完成有调制解调器时的信号作用过程空”调制解调器连接方法之一RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI23456782022计算机23456782022RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI计算机“空”调制解调器连接方式空”调制解调器连接方法之二RXDTXDGND237计算机237RXDTXDGND计算机空”调制解调器连接方法之三RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTR234567820计算机234567820RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTR计算机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电平TTL电平TTL电平发送器接收器RS-422电气连接图+－

RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，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。TXDRS-485总线接收允许发送控制RS-485接口示意图TTL电平发送器接收器+－RXD

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。即何时控制发送器发送数据或接收机接收数据，则标准未作规定，要由用户自己决定。

5、RS-485网络的主从式通信（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）通用串行协议通用串行协议（universalserialprotocol）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：

通用串行协议采用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、38.4Kbps、93.75Kbps及187.5Kbps。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）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串口设备联网方式串行通信应用实例（1）被控对象介绍一氧化碳中－低温变换反应中测量和控制的参数有：脱氧槽温度、饱和器温度、恒温槽与反应器间管道温度、中变反应器温度、低变反应器温度、中变和低变反应器中间管道温度、配气流量、中变后引出分析的气体流量、系统内部与外部差压、中变和低变后的二氧化碳气体含量（进而可对其它组分进行物料衡算）。（2）系统结构采用两级分布式测控结构，系统硬件结构如图所示。现场总线选用RS-485总线，直接将智能仪表挂接在RS-485总线上，通过RS-232/485转接器与PC机串口连接。系统配置了6台智能仪表（宇电AI-808），RS-232/485转换器一块，并为每个节点设备分配一个唯一的地址。

温度控制由智能仪表完成，而上位机只对下位机实现远程监控功能，一方面接收现场智能仪表传送来的温度等采集数据，另一方面对现场智能仪表的温度控制设定值和其它参数进行更改。数据的上传下达通过RS-485总线并在通信软件的控制下完成。系统硬件结构图（3）仪表读写指令通信主要是上位机与AI-808系列现场智能仪表的通信，采用主从通信方式，上位机为主节点，其他智能仪表为从节点，从节点的地址是从1～6。宇电AI仪表采用16进制数据格式来表示各种指令代码及数据，仪表指令有读指令和写指令，仅用两条指令能够实现对仪表的所有操作。其读、写指令的格式为：读指令：仪表地址代码＋52H＋要读的参数代号＋0＋0＋CRC校验码。写指令：仪表地址代码＋43H＋要写的参数代号＋写入数低字节＋写入数高字节＋CRC校验码。其中仪表地址代码的基数为80H。要读写的参数种类共有26个，具体包括给定值、上／下限报警、控制方式、小数点位置等，每个参数都有一个代号。无论是读还是写，仪表都返回以下数据：测量值＋给定值＋输出值及报警状态＋所读/写参数值＋CRC校验码测控软件采用VisualBasic开发。对AI仪表的串口通信采用了MsComm控件，并以查询方式读端口数据。

对AI仪表的通信参数设置可选择为：波特率9.6Kbps、无奇偶效验、8个数据位、2个停止位。串行通信程序代码如下（4）通信程序设计PrivateSubtmrInstrument_Timer（）DiminstringDimcommbyte（5）AsByteDimt1，t2MSComm1.CommPort=2’设置通信端口MSComm1.InputMode=1’输入模式MSComm1.Settings=“9600，n，8，2”’通信参数设置’MSComm控件读取接收缓冲区中全部的内容。MSComm1.InputLen=0MSComm1.DTREnable=False’使DTR线无效MSComm1.RTSEnable=True’使RTS线有效MSComm1.PortOpen=True’打开通信端口commbyte（0）=128+mInstrumentID’仪表基地址为80H，即十进制的128。commbyte（1）=128+mInstrumentID’十进制67相当于43H，表示写设定值（”0”是设定值操作的代号）。commbyte（2）=67＋0commbyte（3）=0commbyte（4）=mTempSet（i）（0）’写设定值低字节commbyte（5）=mTempSet（i）（1）’写设定值高字节MSComm1.Output=commbyte’发送指令Do’查询输入缓冲区DoEvents’根据输入缓冲区字节判断通信是否成功LoopUntilMSComm1.InBufferCount>=7instring=MSComm1.Input’读输入缓冲区MSComm1.PortOpen=False’关闭串口t1=instring（0）’读低字节（低八位）t2=instring（1）’读高字节（高四位）’显示温度，’mFloatIndex表示仪表设置有几位小数点，可以从仪表中读出。txtTemp（mInstrumentID）.Text=Str（（t1+t2*256）/mFloatIndex）EndSub7、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。图2.5主从查询-回应周期表(2)、常用Modbus协议Modbus协议消息帧的定义常用的Modbus通讯协议有两种报文帧格式，一种是ModbusASCII，一种是ModbusRTU。一般来说，通讯数据量少采用ModbusASCII协议，通讯数据数据量大而且是二进制数值时，多采用ModbusRTU协议。Modbus/TCPModbus/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。三、SCADA系统中的网络技术1、通信网络概述通信网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。通信网络分类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）网络的拓扑结构基本的网络拓扑结构有四种，分别是星形、总线形和还形和混合形。星形结构星形结构由中央结点和分支结点所构成，各个分支结点均与中央结点具有点到点的物理连接，分支结点之间没有直接的物理通路分支结点中央结点星形结构示意图总线结构采用无源传输媒体作为广播总线，利用电缆抽头将各种入网设备接入总线；为了防止传输信号的反射，总线两端使用终接器（也称终端适配器）计算机终接器

总线结构示意图环形结构环接口设备通过传输媒体串接形成闭合环路，它们之间具有点到点的连接，入网设备通过环接口设备接入环路闭合回路计算机

环形结构示意图混合形结构混合形结构是将上述各种拓扑混合起来的结构，常见的有树形、环星形等。闭合回路计算机环星形结构示意图（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、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；提供高数据传输速率（10Mb/s～10Gb/s）、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、维护与扩展；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。局域网的应用领域个人计算机局域网大型计算设备群的后端网络存储区域网络办公室与实验室的网络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网络；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求；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；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；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，形成国际性的远程网络；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，达到资源共享的目的。最大的广域网是internet。三者的区别从设备中，一般局域网/城域网用网桥、集线器，hub等，而广域网的交换设备是交换机和路由器；（3）网络互连利用某种技术（或者网络互连部件），将两个或者两个以上具有独立自治能力的计算机网络联接起来扩大资源共享的范围、提高网络的性能、降低成本、提高安全性等同构网络与异构网络类型相同（主要指执行的协议相同）的网络称为同构网络，类型不同的网络称为异构网络，ClMS环境下的网络互连体现为：局域网与局域网（LAN／LAN）的互连局域网与广域网（LAN／WAN）局域网经广域网的互连实施网络互连时应遵循的准则执行网络互连的部件应当提供协调子网不同特性的能力，

例如：编址方案、分组大小、访问机制和协议转换等不能为提高网络之间传输的性能而影响各个子网内部的传输功能和传输性能网络之间的信息传输量远小于网络内部的信息传输量网络互连的关键是网络互连部件的实现网络互连部件既可以是专门设备，也可以利用各子网原有的结点其内部不仅可以执行各子网的协议，成为子网的一部分，更主要的是实现不同子网协议之间的转换，保证执行两种不同协议的网络间可以进行互连通信协议转换包括协议数据格式的转换、地址映射、速率匹配、网间流量控制等协议转换通常是以降低协议的复杂度来体现的中继器（Repeater）用于互连两个相同类型的网段（如两个以太网段），其主要功能是延伸网段和改变传输媒体中继器是一种硬部件，执行物理层协议，实现网段之间的电气信号的接收和再生中继器的本身不执行信号的过滤功能，一端的信号（包括各种噪声）必然地会出现在中继器的另一端，故容易引起网络信息的拥塞集线器（HUB）是一种典型（特殊）的中继器交换机，一种更新、更实用的集线设备

网桥（Bridge）用于互连两个独立的子网，实现帧的存储、转发（而中继器仅是网络的延伸，转发所有的电气信号）执行OSI数据链路层及其下层的协议转换，适用于相同网络或仅在低两层实现上有差别的网络之间的互连将实际上分离的局域网连成一个逻辑上单一的局域网，使互相间的访问变得透明网桥具有的功能特点地址过滤帧限制监控功能其工作过程包括接收帧、检查帧和转发帧3个部分缓冲能力网桥应当具有一定的缓冲（存储—转发）能力，透明性网桥的引入不应影响原有子网的通信能力透明桥(transparentbridge)也称学习桥或自适应桥桥内部动态地维护地址映射表，根据该地址映射表，网桥决定收到的帧被转发到对应的子网，或者通过该子网作进一步的转发对于收到的每个帧，网桥都执行地址表扩充和帧转发地址表扩充从帧中取出信源结点地址，并填写地址表帧转发从帧中取出信宿结点地址，并查找地址表源地址路径选择桥（又称为指定路径桥）桥的原理来源于IBM的令牌环它假定发送结点知道所发送的帧是送往本地局域网还是送给其它的局域网，并且在帧格式的头部包括该帧传递的确切路径RI（路由信息）由一系列的段号所构成，每个段号包括网号和网桥号两部分确定路径的基本思想指定路径桥可以获得最佳的路径，其缺点是易于形成“广播风暴”路由器（Router）用于互连两个或多个独立的子网。子网可以是不同类型的网络，执行OSI网络层及其下层的协议转换，可用于联接仅在低三层有差异的网络（通信子网）路由具有的特点寻址能力路由选择分段/合段路由可对分组进行分段/合段，使得互连能力不受子网分组长度的影响网关（Gateway）执行OSI传输层及其以上各层协议转换，或实现不同体系结构的网络协议转换的互连部件称为网关网关通常通过软件的方法予以实现，并且与特定的应用服务一一对应网关技术已成为网络用户使用大型主机资源的通用和经济的工具。例如，在一台计算机上安装网关软件，而其它的计算机可以通过该网关访问大型主机，享用大型主机的资源。3、控制网络与现场总线控制网络属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制没备可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一计算或其他能力也许远不及普通PC机也可能没有键盘、显示器等人机交互接口，甚至不带有CPU、单片机，只带有简单的通信接口具有通信能力的以