DCS的通讯网络体系概述课件.ppt
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1、,1,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,第5章 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,2022/11/30,与一
2、般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。,3,3.1 数据通信和网络的基本概念,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(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。,4,1、基本概念
3、,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(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,2022/11/30,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,2022/11/30,(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
4、,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,2022/11/30,(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
5、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,2022/11/30,(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,2022/11/30,串行传输与并行传输示意图,10,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/3
6、0,(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、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,2022/11/30,12,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,三种调制方式,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),
7、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,2022/11/30,( 8)数据通讯工作方式 线路交换方式 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: 线路建立 数据通信 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,2022/11/30,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。
8、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,2022/11/30,存储-转发的交换方式;线路传输效率高,但 需差错检验。,报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,2022/11/30,传输线使用率高;缩
9、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I
10、SO/OSI模型。,17,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(10)通信可靠性,18,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,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
11、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=a0a2,a4=a0a1a2a5=a0 a1a6=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。,
12、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+g
13、1x+ 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+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: 11001 x4m(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
14、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。,25,2
15、、数据通信网络系统的构成,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,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,2022/11/30,27,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。
16、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,2022/11/30,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
17、信。,29,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,3、网络拓扑结构,(1)星形结构 每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上。 任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。因此中央节点一旦发生故障,整个通信系统就要瘫痪,使系统的可靠性降低。 集散控制系统控制级中应用较少。,30,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(2)环形结构 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环形方向传输。 传输是单方向的,不存在确定信息传输路径的问题,简化了链路控制。 环形结构的主要问题是在节点数量较多时会影响通信速率。环是封闭的,不便
18、于扩充。,31,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(3)总线型结构 总线型结构仅仅是一种传输介质,既不像星形网络中的中央节点那样具有信息交换的功能,也不像环形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,共享一条公用的传输线路,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。 这种结构的网络又称为广播式网络。某节点发送信息之前,必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时,它才能把信息送上总线。 总线型结构的优点是结构简单,便于扩充。另外,当采取冗余措施时并不增加系统的复杂性。,32,第5章 DCS的通讯网络系统,2022
19、/11/30,通信介质又称传输介质或信道,是连接网上站点或节点的物理信号通路。 在集散控制系统中,常用的传输介质: (1)双绞线、 (2)同轴电缆 (3)光缆,33,4、通信介质,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(1)双绞线 由两条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。 双绞线的成本比较低,但在传输距离比较远时,它的传输速率受到限制,一般不超过10Mbit/s。,34,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(2)同轴电缆 由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层组成。 信号通过内导体和外导体传输,外导体总是接地的,起到了
20、良好的屏蔽作用。 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。,35,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(3)光缆 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的拉力。,36,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,以太网随着技术的成熟,交换技术的应用,
21、高速以太网的发展等,在工业自动化领域上正迅速增长,几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展,高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟,而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议,以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向,具有很大的发展潜力。,37,3.2 工业以太网,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,过程控制工业和自动化工业,从嵌入式系统到现场总线控制系统,都认识到了以太网和TCP/IP 的重要性,以太网和TCP/ IP 作为世界上最为广泛应用的网络协议,它将成为过程级和控制级的主要
22、传输技术。带TCP/ IP 协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/ O 模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接,而无需任何专用设备。,38,3.2 工业以太网,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,因此可以说,工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台,从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21 世纪未来工业网络的首选,它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络,有着广阔的应用和发展前景。工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。,39,3.2 工业以太网,第
23、5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,技术优势: (1)Ethernet 是全开放、全数字化的网络,遵照网络协议使不同厂商的设备实现互联。(2)以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成企业级管控一体化的全开放网络。(3)软硬件成本低廉,由于以太网技术已经非常成熟, 支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持,有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。,40,1、工业以太网技术的特点,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(4)通信速率高,目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用,千兆以太网技术也逐渐成熟,10G以太网也正在研究,其
24、速率比目前的现场总线快很多。(5)可持续发展潜力大,在这信息瞬息万变的时代,企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络,信息技术与通信技术的发展将更加迅速,也更加成熟,由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。,41,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,以太网进入工业控制领域,同样也存在一些问题:(1)实时性问题:以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式,其本质上是非实时的。这种方式很难满足工业控制领域对实时性的要求。这也是以太网技术进入工控领域的技术瓶颈。(2)对工业环境的适应性与可靠性:以太网是按办公环境设计的,需要使抗干扰能力、外观设计等符合工业现场
25、的要求。(3)适用于工业自动化控制的应用层协议:目前信息网络中定义的应用层协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。,42,第5章 DCS的通讯网络系统,2022/11/30,(4)本质安全和网络安全:如果用在易燃易爆的危险工作场所,必须考虑本质安全问题。另外,使用了TCP/IP 协议,可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。(5)QOS(Quality of Service)问题:IP QOS是指IP的服务质量,亦即IP数据流通过网络时的性能,它的目的是向用户提供端到端的服务质量保证。在工厂控制底层的信号已不局限在单纯的数字和模拟量上,
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