1、第5章DCS數據通信及網絡DCSDCS及現場總線技術及現場總線技術31信息信息 信息是對客觀事物屬性和特性的表征。信息是對客觀事物屬性和特性的表征。 信息是字母、數字及符號的集合，其載體可以是數字、文字、語音、信息是字母、數字及符號的集合，其載體可以是數字、文字、語音、視頻和圖像等。視頻和圖像等。2數據數據 數據是指數據是指數字化數字化的信息。的信息。 數據是裝載信息的實體，信息則是數據的內在含義或解釋。數據是裝載信息的實體，信息則是數據的內在含義或解釋。 數據兩種類型：數字數據（離散）和模擬數據（連續）數據兩種類型：數字數據（離散）和模擬數據（連續）5.1.1基本術語基本術語3 3信號信號

2、數據通信中信號是數據在傳輸過程中的電磁波數據通信中信號是數據在傳輸過程中的電磁波的表示形式。的表示形式。 信號有兩種表示形式：模擬信號與數字信號。信號有兩種表示形式：模擬信號與數字信號。4 4信道信道 信道是信息從信息的發送地傳輸到信息接收地信道是信息從信息的發送地傳輸到信息接收地的一個通路。的一個通路。5源系統源系統目的系統目的系統傳輸系統傳輸系統公共電話網發送器源點PC機接收器傳輸系統終點調制解調器調制解調器PC機262 71與與 8按使用信道的多少來劃分：按使用信道的多少來劃分：l串行傳輸：串行傳輸：要傳輸的數據編成數據流，在一條串行信道要傳輸的數據編成數據流，在一條串行信道上進行傳輸，

3、一次只傳輸一位二進制數，接收方再把數上進行傳輸，一次只傳輸一位二進制數，接收方再把數據流轉換成數據。據流轉換成數據。 同步同步問題問題 串行傳輸優點只占用一條信道，易于實現，運用廣泛。串行傳輸優點只占用一條信道，易于實現，運用廣泛。910接收端接收端0101000154321786010100105432178611l異步傳輸中，信息以字符為單位進行傳輸，每個信息字符都異步傳輸中，信息以字符為單位進行傳輸，每個信息字符都具有自己的起始位和停止位，一個字符中的各個位是同步的具有自己的起始位和停止位，一個字符中的各個位是同步的，但字符與字符之間的時間間隔是不確定的。，但字符與字符之間的時間間隔是不

4、確定的。l同步傳輸中，信息不是以字符而是以數據塊為單位進行傳輸同步傳輸中，信息不是以字符而是以數據塊為單位進行傳輸的。通信系統中有專門用來使發送裝置和接收裝置保持同步的。通信系統中有專門用來使發送裝置和接收裝置保持同步的時鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續工作，并且保持一定的的時鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續工作，并且保持一定的相位關系。在這一組數據或一個報文之內不需要啟停標志，相位關系。在這一組數據或一個報文之內不需要啟停標志，所以可以獲得較高的傳輸速度。所以可以獲得較高的傳輸速度。*12131415發送發送（a）接收接收單向通道單向通道雙向通道雙向通道雙向通道雙向通道發送發送發送發送發送發送發送發

5、送接收接收接收接收接收接收接收接收（b）（c）16數字信號數字信號1(a)調幅調幅1110000 170.920.90.280.30.560.61.081.11.521.51.50.130.10.270.30.70.50.30.101.11.30.9D5D4D3D2D1D7D6樣樣本本量化級量化級編碼編碼脈沖編碼脈沖編碼D130011 D230011 D360110 D4111011 D5151111 D691001 D710001 18二進制數據二進制數據1(a) NRZ碼碼(b) Manchester編碼編碼(c) 差分差分Manchester編碼編碼0010100110。 19。20時分

6、多路復時分多路復用器用器時間時間112211333333322222時分多路復時分多路復用器用器111212223線路交換線路交換 （Circuit Switching）此方式通信過程分三個階段：此方式通信過程分三個階段：l1）線路建立階段：通過網絡在）線路建立階段：通過網絡在A站與站與B站之間站之間建立建立線路連線路連接，即首先發送接，即首先發送“連接請求包連接請求包”?！斑B接請求包連接請求包”內含有內含有需要建立線路連接的源地址與目的地址。需要建立線路連接的源地址與目的地址。l2）數據傳輸階段：通過該連接，實時、雙向交換或報文分）數據傳輸階段：通過該連接，實時、雙向交換或報文分組。組。l3

7、）線路釋放階段：數據傳輸完成后，進入線路）線路釋放階段：數據傳輸完成后，進入線路釋放釋放階段，階段，結束此次通信。結束此次通信。242526*2728l由于增加了分組附加信息，所以增加了信道開銷。由于增加了分組附加信息，所以增加了信道開銷。l主要特征主要特征基于基于標記標記：不先建立連接而隨時可發送數據的：不先建立連接而隨時可發送數據的交換方式，稱為交換方式，稱為無連接交換無連接交換。2910100111010首部首部首部首部首部首部數據數據數據數據數據數據發送在前發送在前00101001110報文報文分組分組分組分組分組分組 優點：優點：l1 1）高效：動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用

8、。）高效：動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。l2 2）靈活：結點均有智能，為每個分組獨立地選擇轉發路由。）靈活：結點均有智能，為每個分組獨立地選擇轉發路由。l3 3）迅速：以分組作為傳送單位，不先建立連接就能向其他主）迅速：以分組作為傳送單位，不先建立連接就能向其他主機發送分組。機發送分組。l4 4）可靠：完善的網絡協議；使網絡有很好的生存性。）可靠：完善的網絡協議；使網絡有很好的生存性。l節點處理分組的過程：收到的分組先放入緩存，再查找轉發節點處理分組的過程：收到的分組先放入緩存，再查找轉發表，后由交換機構從緩存中將該分組取出，傳遞給適當端口表，后由交換機構從緩存中將該分組取出，傳遞給

9、適當端口轉發。轉發。3031 323334l 1）采用高質量的通信線路）采用高質量的通信線路 選高質量通信線路有利于減少內部噪聲的影響，從而減少相選高質量通信線路有利于減少內部噪聲的影響，從而減少相應差錯產生。這種方法對減少外部噪聲的影響改善不明顯，應差錯產生。這種方法對減少外部噪聲的影響改善不明顯，且高質量的線路造價成本高。且高質量的線路造價成本高。l 2）采用差錯控制方法）采用差錯控制方法 差錯控制：數據通信過程中，檢測及糾正差錯，把差錯限制差錯控制：數據通信過程中，檢測及糾正差錯，把差錯限制在數據傳輸所允許、盡可能小范圍內的技術和方法。在數據傳輸所允許、盡可能小范圍內的技術和方法。 差錯

10、控制編碼是一種有效的差錯控制方法，即對所傳輸的數差錯控制編碼是一種有效的差錯控制方法，即對所傳輸的數據進行抗干擾編碼，用以實現差錯控制的目的據進行抗干擾編碼，用以實現差錯控制的目的。 353637l循環冗余校驗循環冗余校驗 循環冗余校驗的編碼和譯碼主要是做模循環冗余校驗的編碼和譯碼主要是做模2除法運算除法運算，如果出現錯誤，則余數不為，如果出現錯誤，則余數不為0，且錯位與余數之，且錯位與余數之間有一定的對應關系，故可據余數的數值進行糾錯間有一定的對應關系，故可據余數的數值進行糾錯。檢錯功能較強，實現容易。檢錯功能較強，實現容易。目前廣泛應用的目前廣泛應用的糾錯編碼。糾錯編碼。5.2.5工業數據

11、通信的特點工業數據通信的特點 工業控制網絡是互聯工業計算機、儀表和設備，實現工業工業控制網絡是互聯工業計算機、儀表和設備，實現工業過程控制和管理。特點：過程控制和管理。特點：l1實時性好實時性好 主要數據通信信息是實時過程和操作信息，控制網絡應具主要數據通信信息是實時過程和操作信息，控制網絡應具有良好的實時性和快速響應性，動態響應要快有良好的實時性和快速響應性，動態響應要快.(快速響應要快速響應要求的開關、閥門或電動機運轉，其響應時間都在毫秒級求的開關、閥門或電動機運轉，其響應時間都在毫秒級)l2可靠性高可靠性高 控制網絡必須能夠連續穩定的運行，任何暫時的中斷和故控制網絡必須能夠連續穩定的運行

12、，任何暫時的中斷和故障都會造成巨大損失。障都會造成巨大損失。DCS通常采用冗余技術等措施來提高通常采用冗余技術等措施來提高系統的可靠性。系統的可靠性。 385.2.5工業數據通信的特點工業數據通信的特點l3適應惡劣工業現場環境適應惡劣工業現場環境 運行在惡劣的工業環境中，控制網絡應該有強抗擾運行在惡劣的工業環境中，控制網絡應該有強抗擾性，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和接地電位性，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和接地電位差干擾。并采取差錯控制等軟件手段，降低數據傳輸差干擾。并采取差錯控制等軟件手段，降低數據傳輸的誤碼率。的誤碼率。l4開放系統互連開放系統互連 為使不同類型的為使不同類型的D

13、CS能夠互相連接，進行數據交換能夠互相連接，進行數據交換，控制網絡應該符合開放系統互連的標準，使異種計，控制網絡應該符合開放系統互連的標準，使異種計算機之間能夠互相連接。算機之間能夠互相連接。 3940l網絡體系結構采用分層描述方法網絡體系結構采用分層描述方法將整個網絡通將整個網絡通信功能劃分為多個層次，每層各自完成一定任務，信功能劃分為多個層次，每層各自完成一定任務，而且功能相對獨立。相鄰兩層由接口連接，以便實而且功能相對獨立。相鄰兩層由接口連接，以便實現功能過渡?，F功能過渡。l接口接口使某層通過接口向上一層提供服務。依靠使某層通過接口向上一層提供服務。依靠層間接口連接和各層特定功能，可實現

14、有機結合，層間接口連接和各層特定功能，可實現有機結合，完成不同類別及要求的系統間信息傳遞。完成不同類別及要求的系統間信息傳遞。4142分層分層5原則原則l 1）層次適度）層次適度 若層次過少，層次功能就多，實現功能就相對困難；若若層次過少，層次功能就多，實現功能就相對困難；若層次過多，層次功能較少，但運行開銷也將增加。層次過多，層次功能較少，但運行開銷也將增加。l 2）功能確定）功能確定 根據功能來劃分層次，每個層次都有自己分工，而完成根據功能來劃分層次，每個層次都有自己分工，而完成這些功能都有某種確定的方式。這些功能都有某種確定的方式。 434445l1）層次（）層次（Layer) 一個復雜

15、的通信過程分解成若干簡單的通信過程，每個一個復雜的通信過程分解成若干簡單的通信過程，每個簡單過程看作是一個層次。把網絡需要實現的功能分配簡單過程看作是一個層次。把網絡需要實現的功能分配到各個層次中，每個層次都能實現相對獨立的功能，所到各個層次中，每個層次都能實現相對獨立的功能，所有的層次共同實現最終的網絡功能。有的層次共同實現最終的網絡功能。4647l語義：語義：規定需要發出何種控制信息，完成何種動作和規定需要發出何種控制信息，完成何種動作和做出何種應答。做出何種應答。l語法：語法：規定用戶數據和控制信息的結構與格式。規定用戶數據和控制信息的結構與格式。l時序：時序：規定事件實現順序的詳細說明

16、。規定事件實現順序的詳細說明。 語義、語法、時序構成了通信協議的語義、語法、時序構成了通信協議的3 3要素，規定要素，規定了通信實體要做什么，怎么做，何時做。了通信實體要做什么，怎么做，何時做。4849 50主機主機表示層表示層應用層應用層物理層物理層傳輸層傳輸層數據鏈路層數據鏈路層會話層會話層網絡層網絡層主機主機傳輸介質傳輸介質通信子網通信子網表示層表示層應用層應用層物理層物理層傳輸層傳輸層數據鏈路層數據鏈路層會話層會話層網絡層網絡層物理層物理層數據鏈路層數據鏈路層網絡層網絡層物理層物理層數據鏈路層數據鏈路層網絡層網絡層表示層協議表示層協議應用層協議應用層協議物理層協議物理層協議傳輸層協議傳

17、輸層協議數據鏈路層協議數據鏈路層協議會話層協議會話層協議網絡層協議網絡層協議l1物理層物理層 規定了通信介質、驅動電路和接收電路之間接口的電氣特性和機械規定了通信介質、驅動電路和接收電路之間接口的電氣特性和機械特性。特性。 信號表示方法、通信介質、傳輸速率、接插件規格及使信號表示方法、通信介質、傳輸速率、接插件規格及使用規則等。用規則等。l 2鏈路層鏈路層 作用作用1：確定在某一時刻由哪一個節點控制鏈路，即鏈路使用權的：確定在某一時刻由哪一個節點控制鏈路，即鏈路使用權的分配。分配。 作用作用2：確定比特級的信息傳輸結構，規定了數據格式，還確定了：確定比特級的信息傳輸結構，規定了數據格式，還確定

18、了檢錯和糾錯方式等檢錯和糾錯方式等5152535.3.4 OSI參考模型的數據傳輸參考模型的數據傳輸54主機A質表示層應用層物理層進程a理傳輸層數據鏈路層會話層網絡層物介DU主機B進程bDUPDUAPDUPPDUSPDUTPDUNBitsHAHSHPHTHNHDTD表示層應用層物理層傳輸層數據鏈路層會話層網絡層5556所有節點通過鏈路組成一個環形。需要發送信息的節所有節點通過鏈路組成一個環形。需要發送信息的節點將信息送到環上，信息在環上只能按某一確定的方向點將信息送到環上，信息在環上只能按某一確定的方向傳輸。傳輸。 當信息到達接收節點時，該節點識別信息中的目的地址當信息到達接收節點時，該節點識

19、別信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認標記，與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認標記，以便由發送節點清除。以便由發送節點清除。l由于傳輸是單方向的，所以不存在確定信息傳輸路徑的由于傳輸是單方向的，所以不存在確定信息傳輸路徑的問題，這可以簡化鏈路的控制。問題，這可以簡化鏈路的控制。l當某一節點發生故障時，可以將該節點旁路，以保證信當某一節點發生故障時，可以將該節點旁路，以保證信息暢通無阻。息暢通無阻。57所有的節點都共享一條公用的傳輸線路，所以每次只能由所有的節點都共享一條公用的傳輸線路，所以每次只能由一個節點發送信息，信息由發送它的節點向兩端擴散。此型又一個節點發送

20、信息，信息由發送它的節點向兩端擴散。此型又稱為廣播式網絡。稱為廣播式網絡。 某節點發送信息之前，必須保證總線上沒有其他信息正在某節點發送信息之前，必須保證總線上沒有其他信息正在傳輸。它才能把信息送上總線。當某個節點由詢問信息中鑒別傳輸。它才能把信息送上總線。當某個節點由詢問信息中鑒別出接收地址與自己的地址相符時，這個節點便做好準備，接收出接收地址與自己的地址相符時，這個節點便做好準備，接收后面所傳送的信息。后面所傳送的信息。 總線結構突出的特點是結構簡單，便于擴充?？偩€結構突出的特點是結構簡單，便于擴充。58 59*60絕緣層絕緣層聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層銅芯銅芯聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層絕緣層

21、絕緣層銅芯銅芯屏蔽層屏蔽層（a）（b）同軸電纜分類：同軸電纜分類：l(1) 基帶同軸電纜（基帶同軸電纜（50同軸電纜），基帶同軸電纜專門用于數字同軸電纜），基帶同軸電纜專門用于數字傳輸，其傳輸速率可達傳輸，其傳輸速率可達10Mbps 。l(2) 寬帶同軸電纜（寬帶同軸電纜（75同軸電纜），寬帶同軸電纜既可用于模擬同軸電纜），寬帶同軸電纜既可用于模擬傳輸（如視頻信號傳輸），也可用于數字傳輸，當用于數字傳輸時傳輸（如視頻信號傳輸），也可用于數字傳輸，當用于數字傳輸時，其傳輸速率可達，其傳輸速率可達50Mbps。l同軸電纜具有較高傳輸通頻帶、較低傳輸損耗、較強抗干擾能力等同軸電纜具有較高傳輸通頻帶、

22、較低傳輸損耗、較強抗干擾能力等優點優點61銅芯銅芯絕緣層絕緣層絕緣保護套層絕緣保護套層外導體屏蔽層外導體屏蔽層l由光導纖維組成的可進行光信號傳輸的新型通信介質。由光導纖維組成的可進行光信號傳輸的新型通信介質。l光纖以光的光纖以光的“有有”和和“無無”形成形成“1”和和“0”二進制信息，以二進制信息，以光脈沖形式進行信息傳輸。光脈沖形式進行信息傳輸。62銅芯銅芯絕緣層絕緣層包帶層包帶層外導體屏蔽層外導體屏蔽層加強芯加強芯填充物填充物光纖及其包層光纖及其包層遠供電線遠供電線外套外套63光纖通信的特點光纖通信的特點: :1 1）傳輸信號頻帶寬、通信容量大、信號衰減小、傳輸距）傳輸信號頻帶寬、通信容量

23、大、信號衰減小、傳輸距離長、抗干擾能力強。離長、抗干擾能力強。2 2）光纖有著非常高的數據傳輸率（）光纖有著非常高的數據傳輸率（Gb/sGb/s）和極低的誤碼）和極低的誤碼率（率（10-1010-10）。）。3 3）原材料資源豐富。）原材料資源豐富。4 4）抗化學腐蝕能力強，適用于一些特殊環境下的布線。）抗化學腐蝕能力強，適用于一些特殊環境下的布線。64 介質介質 項目項目雙絞線雙絞線同軸電纜同軸電纜光纜光纜傳輸介質價格傳輸介質價格較低較低較高較高較高較高連接件價格連接件價格低低較低較低高高標準化程度標準化程度高高較高較高低低連接連接簡單簡單需專用連接器需專用連接器需復雜連接器件和連接工藝需復

24、雜連接器件和連接工藝敷設敷設簡單簡單稍復雜稍復雜簡單簡單抗干擾能力抗干擾能力較好較好很好很好特別好特別好環境的適應性環境的適應性較好較好較好較好特別好特別好適用網絡類型適用網絡類型環形網環形網總線型或環形網總線型或環形網目前多用于環形網目前多用于環形網l4 4 無線電波無線電波 電磁波頻譜電磁波頻譜10KHz10KHz1GHz1GHz之間為無線電頻率，在工業過程控制領域主要之間為無線電頻率，在工業過程控制領域主要是傳輸頻率在是傳輸頻率在2.4GHz2.4GHz的工業頻段，其傳輸距離較短，所需的功率較低。的工業頻段，其傳輸距離較短，所需的功率較低。l5 5 微波微波 微波可穿透電離層進入宇宙空間

25、，不能靠電離層反射來進行傳播，靠微波可穿透電離層進入宇宙空間，不能靠電離層反射來進行傳播，靠微波接力或是衛星轉播進行微波接力，傳播距離一般在微波接力或是衛星轉播進行微波接力，傳播距離一般在50km50km左右，要實左右，要實現遠距離傳播，須在兩個通信終端間建立中繼站。現遠距離傳播，須在兩個通信終端間建立中繼站。l6 6 紅外紅外 采用光發射二極管、激光二極管來進行站與站之間的數據交換。紅外采用光發射二極管、激光二極管來進行站與站之間的數據交換。紅外設備發出的光，一般只包含電磁波或小范圍電磁頻譜中的光子。傳輸信設備發出的光，一般只包含電磁波或小范圍電磁頻譜中的光子。傳輸信號可以直接或經過墻面、天

26、花板反射后，被接收裝置收到。號可以直接或經過墻面、天花板反射后，被接收裝置收到。*655.4.3通信網絡的互聯設備通信網絡的互聯設備1 1、物理層互連設備、物理層互連設備 中繼器（中繼器（RepeaterRepeater） 把接收到的弱信號分離，并再生放大。把接收到的弱信號分離，并再生放大。 集線器（集線器（HubHub） 網絡傳輸介質間的中央節點網絡傳輸介質間的中央節點 。2 2、數據鏈路層互連設備、數據鏈路層互連設備 l網橋（網橋（BridgeBridge） 局域網間的橋梁，屬于網絡層設備，作用是擴展網絡局域網間的橋梁，屬于網絡層設備，作用是擴展網絡和通信手段，和通信手段，l交換器（交換器

27、（SwitchSwitch） 新的網絡技術，通過交換設備提高網絡傳輸性能。新的網絡技術，通過交換設備提高網絡傳輸性能。*663 3、網絡層互連設備、網絡層互連設備 l路由器（路由器（RouterRouter） 工作在網橋的上一層，因此，工作在網橋的上一層，因此，路由器的功能比網橋更強。除了具有網橋的全部功路由器的功能比網橋更強。除了具有網橋的全部功能外，還具有路徑選擇功能。能外，還具有路徑選擇功能。 4 4、應用層互連設備、應用層互連設備l網關（網關（GatewayGateway） 當連接不同類型而協議差別又當連接不同類型而協議差別又較大的網絡時，要選網關設備。其功能體現在較大的網絡時，要選網

28、關設備。其功能體現在OSIOSI模型最高層，它將協議進行轉換，數據重新分組，模型最高層，它將協議進行轉換，數據重新分組，以便在兩個不同類型的網絡系統之間進行通信。以便在兩個不同類型的網絡系統之間進行通信。 6768l1.控制網絡中控制網絡中是控制系統最基本的要求。是控制系統最基本的要求。l過程控制系統的響應時間要求為過程控制系統的響應時間要求為0.01s0.01s0.5s0.5s，l制造自動化系統的響應時間要求為制造自動化系統的響應時間要求為0.5s0.5s2.0s,2.0s, 信息網絡的響應時間要求為信息網絡的響應時間要求為2.0s2.0s6.Os6.Os。故信息網的實時性可忽略。故信息網的

29、實時性可忽略。l2控制網絡強調在惡劣環境下數據傳輸的完整性、控制網絡強調在惡劣環境下數據傳輸的完整性、。應具有應具有在高溫、潮濕、震動、腐蝕、電磁干擾等工業環境中長時間、連續、在高溫、潮濕、震動、腐蝕、電磁干擾等工業環境中長時間、連續、可靠、完整地傳送數據的能力，并能抵抗工業電網的浪涌、跌落和尖可靠、完整地傳送數據的能力，并能抵抗工業電網的浪涌、跌落和尖峰干擾。還應具有本質安全性能。峰干擾。還應具有本質安全性能。*69l3控制系統中，由于分散的單一用戶要借助控制控制系統中，由于分散的單一用戶要借助控制網絡網絡進進入某個系統，通信方式多使用廣播或組播入某個系統，通信方式多使用廣播或組播方式方式；

30、在信息網；在信息網絡中某個自主系統與另一個自主系統一般都使用一對一通絡中某個自主系統與另一個自主系統一般都使用一對一通信方式。信方式。l4工業現場總線控制網絡可以實現工業現場總線控制網絡可以實現總線供電總線供電。而通常。而通常IT信息網絡缺少此措施。信息網絡缺少此措施。*7071*72操作員站操作員站工程師站工程師站實時數據服務實時數據服務現場控制站現場控制站網絡通信網絡通信在運行監控軟件在運行監控軟件的控制網節點上，的控制網節點上，其軟件層次結構其軟件層次結構如右圖如右圖運運行行監監控控節節點點OPC客戶端客戶端監控平臺監控平臺現場控制站現場控制站操作員站操作員站OPC服務端服務端網絡通信網絡通信OPC服服務務端端在運行在運行OPC服服務器務器的控制網節的控制網節點上，其軟件層點上，其軟件層次結構如右圖次結構如右圖ESOP