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1、3.1 数据通信的基本概念 3.2 集散控制系统中的网络通信 3.3 集散控制系统中应用的网络协议 3.4 习题,第3章集散控制系统的通信网络与系统特性,通信就是信息从一处传输到另一处的过程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息四大部分所组成的。发送装置将信息送上信道，信息由信道传送给接受装置。,3.1 数据通信的基本概念 3.1.1 基本概念,通信介质又称传输介质或信道，是连接网上站或节点的物理信号通路，它主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。 双绞线 由两个相互绝缘的导体扭绞而成的线对。在线对的外面常有金属箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线，如图3-4a所示。双绞线的成本比较低，但在传输
2、距离比较远时，它的传输速率受到限制，一般不超过10Mbit/s,3.1.2 通信介质,表3-1 几种传输介质的参数,传输介质的参数,同轴电缆 它是由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层组成的。信号通过内导体和外导体传输。外导体总是接地的，起到了良好的屏蔽作用。有时为了增加机械强度和进一步提高抵抗磁场干扰的能力，还在其外边加上两层对绕的钢带。同轴电缆的传输特性优于双绞线。在同样的传输距离下，它的数据传输速率高于双绞线，但同轴电缆的成本高于双绞线。,通信介质,光缆 它的内芯是由二氧化硅拉制成的光导纤维，外面敷有一层玻璃或聚丙烯材料制成的覆层，由于内芯和覆层的折射率不同，以一定角度进入内芯的光线能够
3、通过覆层折射回去，沿着内芯向前传播以减少信号的损失。在覆层的外面一般有一层被称为Kevlar的合成纤维，用以增加光缆的机械强度，它使直径为100m的光纤能承受300N的抗拉力。,通信介质,图3-4 传输介质,传输介质,3.1.3数据通信系统网络结构,为了把集散控制系统中的各个组成部分连接在一起，常常需要把整个通信系统的功能分成若干个层次去实现，每一个层次就是一个通信子网，通信子网具有以下特征： 通信子网具有自己的地址结构 通信子网相连可以采用自己的专用通信协议 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,3.1.3数据通信系统网络结构,集散控制系统有以下几种通信： 过
4、程控制站中基本控制单元之间的通信 中央控制室中的人机联系设备与电子设备室高层设备之间的通信 现场设备和中央控制室设备之间的通信 通信系统的结构确定后，要考虑的就是每个通信子网的网络拓扑结构问题。所谓通信网络的拓扑结构就是指通信网络中各个节点或站相互连接的方法 在集散控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线型。,星型结构 在星型结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。在中央节点中，有一个“智能”开关装置来接通两个节点之间的通信路径。因此，中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。因此，这种系统的可靠性是比较低的，
5、在分散控制系统中应用得较少。,集散控制系统中应用较多的拓扑结构,环型结构 在环型结构中，所有的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 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。当某一节点故障时，可以将该节点旁路，以保证信息畅通无阻。为了进一步提高可靠性，在某些集散控制系统中采用双环，或者在故障时支持双向传输。环型结构的主要问题是在节点数量太多时会影响通信速度，另外，环是封闭的，不便于扩充,集
6、散控制系统中应用较多的拓扑结构,总线型结构 与星型和环型结构相比，总线型结构采用的是一种完全不同的方法。这时的通信网络仅仅是一种传输介质，它既不像星型网络中的中央节点那样具有信息交换的功能，也不像环型网络中的节点那样具有信息中继的功能。所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。由于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。这就如同广播电台发射的信号向空间扩散一样。所以，这种结构的网络又称为广播式网络,集散控制系统中应用较多的拓扑结构,差错控制 集散控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干
7、扰可能造成传输错误。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制,3.1.4 通信控制方式,传输错误及可靠性指标 在通信网络上传输的信息是二进制信息，它只有0和1两种状态，因此，传输错误或者是把0误传为1，或者是把1误传为0。根据错误的特征，可以把它们分为两类，一类称为突发错误，突发错误是由突发噪声引起的，其特征是误码连续成片出现；另一类称为随机错误，随机错误是由随机噪声引起的，它的特征是误码与其前后的代码是否出错无关,通信控制方式,链路控制 在共享链路的网络结构中，链路控制是一个关键问题。由于网上连接着许多设备，它
8、们彼此间要频繁地交换信息，这些信息都要通过链路进行传输，所以必须确定在什么时间里，在什么条件下，哪些节点可以得到链路的使用权，这就是链路的控制问题。 链路的控制方式分为集中式和分散式两种。集中式控制是指网络中有单独的集中式控制器，由它控制各节点之间的通信。星型结构的网络便采用这种控制方式，控制机构集中在星型网络的中央节点内。分散式是指网络中没有集中式链路控制器，各节点之间的通信由它们各自的控制器来控制，环型及总线型网络一般采用分散链路控制方式。,通信控制方式,3.2集散控制系统中的网络通信 3.2.1 DCS中通信的特点,集散控制系统是以微型机为核心的4C技术竞相发展并紧密结合的产物，而通信技
9、术在集散控制系统中占有重要的地位。所谓集散控制系统，即分散过程控制单元以达到对过程对象加以控制，而集中监视和操作管理单元，以达到综合信息全局管理的目的。计算机网络连接了这些过程控制单元（也称I/O站）、监视操作站（也称操作员站）和系统的管理单元（也称工程师站）。当I/O站、操作员站和工程师站分布在一个局部区域时，连接它们的网络称为局部网络（LAN：Local Area Network）。计算机局部网络技术的迅速发展，极大地促进了集散控制系统的发展。然而集散控制系统所完成的是工业控制，因此其通信系统与一般办公室用局部网络有所不同，工业控制用通信系统有如下几个特点：,快速实时响应能力 具有极高的可
10、靠性 适应恶劣的工业现场环境,工业控制用通信系统有如下几个特点：,集散控制系统的通信系统必须连续运行，通信系统的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故。因此通信系统必须具有极高的可靠性。一般集散控制系统通信系统采用双网备份方式，以提高可靠性。,2.具有极高的可靠性,集散控制系统的通信网络是工业计算机局部网络，它能及时的传输现场过程信息和操作管理信息，因此网络必须具有很好的实时性，一般办公自动化计算机局部网响应时间可在几秒范围内，而工业计算机网的响应时间应在0.010.5s，高优先级信息对网络存取时间则不应超过10ms。,1.快速实时响应能力,集散控制系统的通信系统必须在恶劣的工业
11、环境中正常工作，工业现场存在各种干扰，这些干扰一般可分为四类，它们是电源干扰：由电源系统窜入网络的上升时间约1us和2.5kV峰值的脉冲；雷击干扰：雷击时，靠近传输线任意一点的干扰电位基本上是10us上升到5000V，20us下降到2500V的脉冲，俗称10/20us脉冲；电磁干扰：如触点电弧、电力线上的浪涌电流、发动机不正常点火、大型机电设备的突然启动等，都会带来较强的电磁干扰；噪声干扰：热噪声是由分子热运动引起的随机噪声，它的强度分布在很宽的频谱范围。虽然这些脉冲持续的时间约为10ms数量级，但对传输速率9600b/s的信息将意味着96位数据受干扰而出错，采用屏蔽和合理的调制可以改善冲击噪
12、声的影响。,3.适应恶劣的工业现场环境,OSI参考模型 国际标准化组织(International Standard Organization，ISO)制订的国际标准ISO7498“信息处理系统一开放系统互连一基本参考模型”(Information Processing Systems-Open Systems Interconnection-Basic Reference Model)是信息处理领域内的最重要标准之一。它为协调研制系统互连的各类标准提供共同的基础，同时，规定了研制标准和改进标准的范围，为保持所有相关标准的相容性提供了共同的参考。标准为研究、设计、实现和改造信息处理系统提供了功
13、能上和概念上的框架。,3.2.2 OSI参考模型,表3-2 OSI模型的各层及其定义,OSI模型的各层及其定义,图3-5 开发系统互连OSI模型：连接和封装,连接和封装,封装过程 封装处理是实现协议最通用的方法。采用封装技术，使高一层的数据不包含低层协议的控制信息。即相邻层之间保持了相对的独立性。这样，低层实现的方法发生变化将不影响高层功能的执行(接口关系不变)。相邻两层之间的接口或者界面(Interface)定义了本层的基本操作以及向上一层提供的服务。 分段存储 通过信息的分组、传送、重组来进行信息的通信。,连接建立 为了实现两个系统(N)层实体之间的连接，在每一个(N)实体的服务访问点 (
14、Service Access Points, SAP)内定义一个连接端点 (Connection End Point, CEP)。每一层都可向上一层提供有连接或者无连接服务。有连接服务通过在发送端和接收端之间建立并保持虚电路实现。无连接服务在内部通信中采用数据报的方法。,流量控制 当同等层的两个通信实体的发送和接收的速度不一致时，会造成信息的丢失或者网络死锁。数据流量控制是一种由(N)实体完成的功能，它限制从另一个(N)实体接收数据的数量和速率，这样，流量控制能保证接收端的(N)实体不至于发生数据溢出。 差错控制 指用以检测和纠正两个同等层实体之间数据传输时产生差错的机制。,多路复用 多路复用
15、可以在两个方向上进行。向上(Upward)多路复用指单个(N-1)级连接多个(N)级连接复用。它是为了有效利用(N-1)服务或者在只有一个(N-1)级连接的环境下提供多个(N)级连接。向下(Downward)多路复用，又称分叉(Splitting)，指一个(N)级连接建立在多个(N-1)级连接之上，以便将(N)级连接上的信息量分散在各个(N-1)级连接上。它常用于改善可靠性、性能或者效率。,根据OSI参考模型，为满足工业过程控制实时性的要求，由国际电工委员会的WG6工作委员会制订了用于集散控制系统数据通信的标准PROWAY。它有三种结构，其中，PROWAY C标准是以美国电气和电子工程师学会(
16、IEEE)的局域网标准IEEE8022和IEEE8024为基础的。它规定了参考模型的第一层、第二层协议、接口和媒体。按照这个标准，不同集散控制系统制造厂商的集散控制系统，只要符合这个标准，就能进行相互通信。,2. PROWAY工业过程控制用数据公路标准,由一个本地发送站使用应答(立即响应)协议向一个远程应答站发送数据。 由一个本地站无确认或重复地发送数据给一个、几个或者所有远程接收站。 由一个本地站使用应答(直接响应)协议向一个远程站请求以提供信息。,PLC为用户提供三种基本服务：,由美国通用汽车公司(General Motor)发起的，现已有几千家公司参加的MAP用户集团建立了在工业环境下的局域网通信标准，称为制造自动化协议(Manufacture Automation Protocol)。参照OSI参考模型和PROWAY的分层模型，MAP现已有三种结构：全MAP(Full MAP)、小MAP(Mini MAP)及增强性能结构(Enhanced Performance Architecture)MAP(EPA MAP) 。,3. MAP制造自动化协议,图
