01dcs的通讯网络体系

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1、1第5章 DCS的通讯网络系统*第第5 5章章 集散控制系统的通讯网络体系集散控制系统的通讯网络体系(1) 具有快速的实时响应能力。一般办公室自动化计算机局 部网络响应时间为2s6s，而它要求的时间为0.01s0.5s 。 (2) 具有极高的可靠性。须连续、准确运行，数据传送误码 率为10-1110-8。系统利用率在99.999%以上。 (3) 适应于恶劣环境下工作。能抗电源干扰、雷击干扰、电 磁干扰和接地电位差干扰。 (4) 分层结构。为适应集散系统的分层结构，其通信网络 也必须具有分层结构，例如分为现场总线、车间级网络系 统和工厂级网络系统等不同层次。2第5章 DCS的通讯网络系统*与一般

2、的办公室用局部网络有所不同， DCS应具有以下特点： 数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形 式进行信息交换的过程，是计算机与通信技术结合的产物 。将数据准确、及时地传送到正确的目的地是数据通信系统 的基本任务。 33.1 数据通信和网络的基本概念 第5章 DCS的通讯网络系统*（1）数据信息 具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。（2）传输速率 传输速率是指信道在单位时间内传输的信息量，一般以每 秒钟所能够传输的比特(bit)来表示，单位为bit/s或者非标准 单位bps。 大多数集散控制系统的数据传输速率为0.5100Mbits左 右。41、基本概念 第5章 DCS

3、的通讯网络系统*（3）传输方式 通信方式按照信息的传输方向分为单工、半双工和全双工三 种方式 。5第5章 DCS的通讯网络系统*单工（Smplex）方式：信息只能沿单方向传输的通 信方式称为单工方式。半双工（Half Duplex）方式：信息可以沿着两个方 向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方 式称为半双工方式。全双工(Full Duplex)方式：信息可以同时沿着两个 方向传输的通信方式称为全双工方式。6第5章 DCS的通讯网络系统*（4）基带传输、载带传输与宽带传输 计算机中的信息是以二进制形式存在的，这些二进 制信息可以用一系列的脉冲信号来表示. 基带传输：直接将数字数据信号通

4、过信道进行传输。基 带传输不适用于远距离数据传输。当传输距离较远时， 需要进行调制。 载带传输：用基带信号调制载波之后，在信道上传输调 制后的载波信号。 宽带传输：在一条信道上同时传送多路信号，以不同的 载波频率加以区别，整个信道的带宽为各路载波信号所 分享，实现多路信号同时传输。7第5章 DCS的通讯网络系统*（5）异步传输与同步传输 在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个 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，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的 。 在同步传输中，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

5、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，可以获得较高的传输速 度。8第5章 DCS的通讯网络系统*（6）串行传输与并行传输 串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道 上进行传输的方式； 并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道 上进行传输的方式。 在DCS中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方 式，因此本章主要讨论串行通信方式。9第5章 DCS的通讯网络系统*串行传输与并行传输示意图 10第5章 DCS的通讯网络系统*（7）载带传输中的数据表示方法 载带传输是指用基带信号去调制载波信号，然后 传输调制信号的方法。 载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数即振 幅、

6、频率和相位，相应的三种调制方式，即调幅方式 、调频方式和调相方式。11第5章 DCS的通讯网络系统*12第5章 DCS的通讯网络系统*三种调制方式 调幅方式（AM），又称为幅移键控法（ASK）。用调 制信号的振幅变化来表示二进制数的，例如高振幅表示 为1，低振幅表示为0。 调频方式（FM），又称为频移键控法（FSK）。用调 制信号的频率变化来表示二进制数的，例如用高频率表 示1，用低频率表示0。 调相方式（PM），又称为相移键控法（PSK）。用调 制信号的相位变化来表示二进制数的，例如用0相位表示 0，用180相位表示1。13第5章 DCS的通讯网络系统*（ 8）数据通讯工作方式 线路交换方式

7、 在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际 的物理连接，然后再在一条实际的物理连接上交换数 据，数据交换完成之后再拆除物理连接。 线路交换方式将通信过程分为3个阶段： u 线路建立 u 数据通信 u 线路拆除阶段电话系统是典型的例子。14第5章 DCS的通讯网络系统* 报文交换方式 不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间 节点的存储转发功能来实现数据交换。又将其称为存储 转发方式。 报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报 文。这个报文是由要发送的数据加上，目的地址、源地 址和控制信息所组成的。15第5章 DCS的通讯网络系统*存储-转发的交换方式；线路传输效率高，但 需差错检验。报

8、文分组交换方式交换 基本数据单位是一个报文分组。 报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比 较短的数据组。由于报文分组比报文短得多，传输时 比较灵活。特别是当传输出错需要重发时，它只需重 发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发 整个报文。 具体实现有以下两种方法： 虚电路方法和数据报方 法 16第5章 DCS的通讯网络系统*传输线使用率高；缩短传输延迟，但增加了信道的开销。（9）通信协议 网络结构问题不仅涉及到信息的传输路径，而且涉及到 链路的控制。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管 理的规则被称为协议。 对于一个计算机通信网络来说，接到网络上的设备是各 种各样的，有的出自不同

9、的厂家，它们在硬件和软件上的差 异使其相互间的通信具有一定的困难，这就需要建立一系列 有关信息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守 彼此公认的一些规则，这就是网络协议的概念。 同人们交流思想一样，这些协议在功能上应该是有层次 的。国际标准化组织(1SO)提出了一个开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）参考模型，简称ISO/OSI模 型。17第5章 DCS的通讯网络系统*（10）通信可靠性18第5章 DCS的通讯网络系统*在物理层应对数据进行抗干扰编码。1、产生差错的原因 噪音；传输失真；载波干扰；传输反射干扰；线间串扰；静电干扰2、抗干扰编码 在

10、物理层采用差错控制的方法。（1）奇偶检验码将所要传送的数据码元分组，在每一组 数据后面加一位奇偶检验位，使该组连检 验位在内的码字中1的个数为偶数 还是奇 数。接收端按同样规律检查。只能发现奇数个位的出错，另对差错的位置 不确定。（2）循环冗余码 线性码设传送的数据位是k位，附加检验码为r 位，r=n-k，组成n位的抗干扰码，r位检验码都是有k位数据码的某几位经模2加 得到的。（线性码）例子： 数据位是3位，用(a0a1a2)表示； 取检验码(a3a4a5a6)， 由(a0a1a2 a3a4a5a6)组成抗干扰码。 若校验位满足下列关系：a3=a0a2a4=a0a1a2 a5=a0 a1 a6

11、=a1a2由于信息位共3位，可组成的8个抗干扰编 码是： 0000000；0011101；0100111；0111010； 1001110；1010011；1101001；1110100。注：具有封闭性和循环性循环校验码（CRC码）： 是数据通信领域中最常用的一种差错校验码， 其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。生成CRC码的基本原理： 任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为0和1取值的 多项式一一对应。 例如：代码1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x+1，而多项式为x5+x3+x2+x+1对应的代码101111。CRC码是由两部分组成，前部分是信息码，就是需

12、要校验的信息，后部分是校验 码若设码字长度为N，信息字段为K位，校验字段为R位(N=K+R)， 则对于CRC码集中的任一码字，存在且仅存在一个R次多项式g(x)，使得 V(x)=A(x)g(x)=xRm(x)+r(x); 其中: m(x)为K次信息多项式， r(x)为R-1次校验多项式，g(x)称为生成多项式： g(x)=g0+g1x+ g2x2+.+g(R-1)x(R-1)+gRxR 发送方通过指定的g(x)产生CRC码字，接收方则通过该g(x)来验证收到的CRC码字。 CRC校验码软件生成方法：借助于多项式除法，其余数为校验字段。 例如：信息字段代码为: 1011001；对应m(x)=x6

13、+x4+x3+1 假设生成多项式为：g(x)=x4+x3+1；则对应g(x)的代码为: 11001x4m(x)=x10+x8+x7+x4 对应的代码记为：10110010000； 采用多项式除法: 得余数为: 1010 (即校验字段为：1010） 除法采用模2除(即“模2除”中间过程的减法为“模2减”，即异或运算。) 发送方：发出的传输字段为: 1 0 1 1 0 0 1 1 0 10信息字段 校验字段 接收方：使用相同的生成码进行校验:接收到的字段/生成码（二进制除法）如果能够除尽 ，则正确， 通信网络系统是传递数据所需的一切技术设备的总和 ，一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒

14、 介几部分组成。 （1）信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源 和离散信息源。 （2）发送设备功能是将信息源产生的消息信号经过编码 ，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。分为信 道编码与信源编码两部分。 （3）传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经 媒介。 （4）接收设备是完成发送设备的反变换，即进行解调、 译码、解密等。 252、数据通信网络系统的构成第5章 DCS的通讯网络系统* 集散控制系统中的各个组成部分的相连，通常是将 DCS的通信系统功能分成若干个层次来实现，每一个层次就是一个通信子网，通信子网具有以下特征： （1）通信子网具有自己的地址结构。 （2）通信子网相连

15、可以采用自己的专用通信协议。 （3）一个通信子网可以通过接口与其他网络相连， 实现不同网络上的设备相互通信。26第5章 DCS的通讯网络系统*27工业控制网络实际 上可用生产金字塔结构来描述它的结构，不同的厂家的网络层数不同，各层功能有所差异，但都标明在整个工厂的自动化系统中，由下到上，在各层中发挥不同的作用。共同特点：上层负责生产管理，底层负责现场 控制与检测，中间负责生产过程的监控及优化。 国际标 准化组织 （ISO） 对企业自动化系统的建 模进行了一系列研究后 提出了这样 的金字塔模 式：企业长 期生产企业短期生产车间 在线管理过程监控设备 控制检测 与执行器驱动*第5章 DCS的通讯网络系统28公司管理级工厂与过程管理级过程监控级过程测量与控制级实际上根据我们的习惯一般划分为这样 的模式 ：集散控制系统有以下几种通信：（1）控制站中基本控制单元之间的通信。（2）控制站与操作站之间的通信。（3）操作站（人机接口设备）与上位管理站之间的通信。（4）现场智能I/O设备和操作站之间的通信。29第5章 DCS的通讯网络系统*3、网络拓扑结构 （1）星形结