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1、DCS的数据通信,一、基本概念,计算机网络和局部网络 凡将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统,通过通信设备和线路将其连接起来,由功能晚上的网络软件(网络协议、信息交换控制程序和网络操作系统)实现网络资源共享。,局部网络的主要特点: 1、数据传输速率高、误码率低; 2、可以支持几百台互相独立的设备; 3、网络的拓扑结构比较简单; 4、通信协议比较简单; 5、价格比较低廉。,性 能,高速局部网络,局域网络,计算机交换分机,传输距离,数据传输率,通信媒体,拓扑结构,可支持设备数,交换技术,101000m,120000m,1001000m,20100Mbps,120Mbps,230kbps,C
2、ATV同轴电缆、 光纤,双绞线、同轴电缆、 光纤,双绞线,总 线,总线、树、环形,星形或多级星形,几十,几百,几十,分组交换,分组交换,电路交换,数据通信 1、数据和传输数据的信号 模拟数据采用模拟信号传输;如普通的电话系统。 数字数据采用模拟型号传输; 数字数据采用数字信号传输; 模拟数据采用数字信号传输;,2、同步通信和异步通信 异步通信 每次传送一个信息字符,字符前加1位起始位0,后面加入1位校验位和12位停止位;不传送的时候连续送出1。收发双方约定每一位的持续时间,使接收端严格跟踪发送端的时标。 同步通信 不必加起始位、结束位等。可通过专门的时钟脉冲传输线,也可采用自同步的编码方式。
3、3、单工通信和双工通信,三、通信媒体共享技术 1、通信媒体,通信媒体,信号技术,最大传输率 (Mbps),最大传输距离,可连接设备数,双绞线,同轴电缆(50欧),同轴电缆(75欧),同轴电缆(75欧),同轴电缆(75欧),光纤,数字,数字,数字,FDM模拟,单信道模拟,模拟,12,10,50,20,50,10,几公里,几公里,一公里,几十公里,一公里,一公里,几十,几百,几十,几千,几十,几十,2、多路复用技术 在同一通信媒体上先把多路信号混合传输,接受后再把它们分离开来的技术。 频分多路复用(FDM) 须防干扰,避免相邻频带的串音; 时分多路复用(TDM) 适用于数字数据的传输,具较强的抗干
4、扰性,易实现自动转接及集成化,在DCS中广泛应用。,3、集线技术 4、多点线路技术 5、通信交换技术 电路交换; 报文交换; 分组交换;,四、差错控制 差错控制是数据链路层的任务,但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; 静电告饶,2、抗干扰编码 (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。,(2)循环冗余码 (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
5、干扰码。若校验位满足下列关系: a3=a0a2 a4=a0a1a2 a5=a0 a1 a4=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。,循环码与循环冗余码 若线性码C的一个码字(a0a1an-1)作循环右移1位后得到的码字还是C中的码字。 循环冗余码的特点: 1、G(x)的零次项为1,可以检出信息序列任一位出错; 2、 G(x)含有(x+1)因子,可检出奇数个位的出错; 3、能以1-0.5r-1的概率检查出长度为r+1的突发错误。,(3) 差错控制 超
6、时重发 拒绝接收 选择拒绝 探询 五、网络拓扑 总线网 环形网 星形网,二、DCS中的网络标准,(一)DCS中通信网络的特点 实时性好,动态响应快; 可靠性高; 适应恶劣的工业现场环境; 开放系统互连和互操作性。,(二) OSI参考模型 协议: 1)包括数据格式、信号电平等规定; 2)包括用于调整和差错处理的控制信息; 3)时序,包括速度匹配和排序;,各层所共有的功能: 1)封装过程; 2)分段存储; 3)连接建立; 4)流量控制; 5)差错控制; 6)多路复用;,(三) PROWAY 工业过程控制数据公路标准 PROWAY 具有三个基本的功能层:链路控制层(PLC)、媒体存取控制层(MAC)
7、和物理接收发送层(PHY). PLC子层逻辑上分为本地状态机和远程状态机。,PLC为用户提供三种服务: 由一个本地发送站使用应答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协议向一个远程站请求以提供信息。,MAC子层的功能在逻辑上分为接口机、存取控制机、接收机和发送机。 MAC决定本站何时具有对共享媒体的存取权,以及决定何时把令牌传送到后继站。,PHY子层的通信媒体为单信道同轴电缆总线,数据传输速率为1Mbps. 收发的信号是相位连续的曼彻斯特编码数据。不采用有源中断器和放大器。,(四)、MAP制造自动化协议 由GM发
8、起建立的工业环境下的局域网通信标准。现有三种结构:全MAP、小MAP及增强性能结构MAP。,全MAP采用宽带同轴电缆;通信协议采用IEEE802的有关协议以及ISO的有关标准。,全 M A P,7,6,5,4,3,数据链路层,物理层,7,接 口,塌 缩 结 构,OSI的应用,有苛刻时间要求的应用,EPA MAP结构图,小MAP:只有物理层、数据链路层和应用层。目的是为了减小封装和解装的时间,以及接口的服务时间。 增强性能结构MAP:一边采用全MAP,另一边支持小MAP,两边可相互通信。应用于MAP与小MAP连接的操作员级、车间级的通信系统中。,MAP网络以节点为核心,通过网桥可以与MAP载带网
9、相连,通过网间连接器与其他网络相连。传输速率为10Mbps. (五)、现场总线标准,在DCS中,物理层与链路层常用的网络协议是以太网的网络协议,在网络层采用IP,传送层采用TCP。IEEE802提供了局域网的最小基本通信的功能。,三、DCS中应用的网络协议,(一)、以太网,在DCS中,采用CSMA/CD方式传送数据的总线网大多采用的是以太网。 结构分层 以太网的网络结构分为三层:物理层、数据链路层、高层用户层。,接收链路管理,发送链路管理,接收数据解装,发送数据封装,接收通道取数,发送通道取数,接收数据编码,发送数据编码,同轴电缆,高层用户层与数据链路层的接口,高层用户层,数据链路层,物理层,
10、物理层 采用50欧的基带同轴电缆作为通信媒体。数据传输速率是10Mbps;工作站最多1024个;工作站通过中继站可达2.5km。 每个工作站由收发器、收发器电缆、以太网接口及主机接口等组成。,物理层的一些特点: 1、 同一网络上,两个以上的数据链路之间,具有收发信息的能力; 2、检测载波的能力; 3、检测冲突的能力; 4、最大往返延迟时间是0.045ms,物理层需要完成下列功能: 1、数据编码,采用曼彻斯特编码方式; 2、发送同步和时钟信号; 3、载波检出和冲突检出; 4、位传送和接收,数据链路层 以太网的数据链路层分为数据封装和数据管理两个子层。每帧传送的数据为461500个字节,数据长度是
11、可变的。 数据链路层的控制采用CSMA/CD的方式。,6字节,目的地址,6字节,2字节,461500 字节,4字节,源地址,协议类型,数 据,帧校验序列,以太网数据帧格式,以太网得到广泛应用: 1、结构简单、易扩充、传输速率高。 2、许多公司开发出集成芯片来完成通信的功能。如Inter的局部通信控制器8256及以太网串行接口82501等等。,RS-232C标准接口,用于数字终端设备(DTE)与数字电路终端设备(DCE)之间的接口标准.属物理层所定义的内容.,机械特性,电气特性,RS-232C使用负逻辑, 即逻辑 1 用负电平 (-5-15V)表示;逻辑逻辑 0 用正电平(+5 +15V)表示;
12、 -33V为过渡区.,RS-232C的机械接口有9针、 15针和25针3种类型.,功能特性,定义接口各引脚的功能和连接关系,RS-232C接口规定了21条信号线和25个引脚的连接器.最简单的通信方式只需3根引线,最多可以用22根引线.绝大多数场合只需9根引线.,串行接口标准,1、单端通信; 2、发送端输出正电平在+5+15V,负电平在-5-15V. 3、接收器的工作电平在+3+12V与-3-12V. 4、共模抑制能力差. 5、最大传送距离约15米,最高速率为20kps. 6、适合本地设备的通信. 7、缺点: 通信距离短、速率低.,表: RS-232C的引脚及功能,RS-232C提供的标准位传输
13、速率有50、75、110、150、200、4800、9600波特等.在DCS中采用的位传输速率常用300、1200及9600bps等.,传输速率的选择应根据传输过程是否发生超限出错来决定. 当两台设备的传输速率不匹配或者一台设备不能尽快处理传送来的数据,就会出现超限出错. 解决办法: 降低传输速率.,RS-422、RS-485 最大传输距离可达1200 m,最大传输速率达1Mbps.RS-422是全双工,而RS-485为半双工.在许多智能仪器中用它作为现场总线接口.,IEEE 802.3通信协议 IEEE制定的局域网的标准,相当于OSI参考模型的第一、二层,而高层与OSI参考模型兼容. 规定了
14、物理层、逻辑链路层(LLC)和媒体存取控制层(MAC).,设置LLC的原因: OSI参考模型的数据链路层中缺少对包含多个源和目的地址的链路进行访问管理所需的逻辑功能.主要服务功能是差错控制和流量控制. IEEE 802.2规定在同一LLC子层中,可以有多种媒体存取的方式,采用单一的结构不能满足各种应用的需要.,MAC,对通信媒体的使用进行管理.包含控制定位以及存取方式. 在IEEE802的MAC协议中,采用分布式控制方法. 特点:控制功能分散到各个通信站,控制的实现是随机的或者有序的.,IEEE 802.3协议是带有冲突检测的载波侦听多路存取控制协议(CSMA/CD).总线网、树形网最常用的媒
15、体存取控制协议.,当通信媒体忙时,发信站可按下列三种算法工作: 非坚持协议; l-坚持协议; P-坚持协议.,但若两个信息帧发生冲突,则两个帧发送的整个期间,通信媒体都无法正常使用. 采取的规则: 1) 发现冲突,立即停止发送该帧,并发一个阻塞信号,通知网上各站; 2) 发送阻塞信号后,等待一个随机分布的时间,然后按CSMA方式重发该帧.,前导码,DA,SA,Lenth,LLC,PAD,FCS,SFD,8,1,2,6,2,6,2,0-1500,4,CSMA/CD的MAC帧格式,IEEE 802.4 总线网的令牌总线媒体存取控制协议.具有下列管理功能: 1、填加通信站的功能; 2 、减少通信站的
16、功能; 3 、逻辑环初始化的功能; 4 、错误排除功能; 5 、优先控制功能.,前导码,SD,FF,DA,LLC,FCS,ED,SA,1,0,1,1,2,6,4,1,2,6,令牌总线的MAC帧格式,CSMA/CD和令牌传递媒体存取控制协议是DCS中采用较多的两种存取协议. CSMA/CD:提供均等的发信机会,算法简单;成本低;可靠性高;负载小时,有较高信道吞吐量;负载较大时,仍能稳定工作. 令牌传递媒体存取控制: 吞吐量高,负荷变化的影响较小;对信号幅度要求不苛刻,支持优先级通信,但算法复杂,有较大的延迟.,IEEE 802.5 令牌环形网络媒体存取控制协议. 为了令牌环上只有一个令牌环运动,
17、不允许有两个站同时发送数据,令牌环的控制站应具有下列功能: 1 启动和令牌丢失; 2 数据帧无休止循环; 3 多重令牌;,IEEE 802.2 逻辑链路层控制协议. 向高层用户提供三种服务: 1、无确认无连接服务 2、面向连接服务 3、有确认无连接服务.,与ISO的参考模型中数据链路层比较: 1、IEEE 802.2所处理的链路由许多通信站共同访问; 2、对媒体存取细节不过问 3、提供一些网络层功能,不存在路由选择.,AC,DA,SA,DSAP,SSAP,C,DATA,FCS,LLC 帧格式,IP网际通信协议 在DCS中存在不同局域网之间的互联和同类局域网之间的互联. 网络互联的基本要求: 1
18、 、 网络之间提供数据传输的链路 2 、不同网络提供数据的差错控制、流量控制、路由选择等服务;,3 、尽量减少各个网络的软件、硬件、通信协议、性能的影响; 4 、尽量降低成本; 5 、 提供会计功能,记录状态信息.,IP网际通信协议 表示在两个位于不同网络的用户进程之间进行通信的过程和相应的信息包交换.,用户A,TP,LLC,MAC,物理,IP,用户B,TP,LLC,MAC,物理,IP,IP,LLC,MAC,物理,IP,LLC,MAC,物理,A- a-G1,G2- c-B,b,a:,LMH-1,IPH,TPH,DATA,LH-1,IPH,TPH,DATA,b:,c:,LMH-2,IPH,TPH
19、,DATA,NH-1,IP 工作原理,TCP TCP 用于提供应用程序之间的通信,主要包括格式化的信息流,提供可靠的端到端的差错控制和流量控制,提供不同应用程序的识别. 在DCS与其他网络进行大量的数据交换时,需采用TCP传输控制协议.,现场总线通信协议,用户数据,FMS-PCI,用户数据,FAS-PCI,DLL-PCI,FMS-PCI,用户数据,FAS-PCI,FMS-PCI,用户数据,DLL-PCI,FAS-PCI,FMS-PCI,用户数据,FCS,EFD,PRE,SFD,用户程序,现场总线信息规范 FMS,现场总线访问子层 FAS,数据链路层 DLL,物理层 PL,现场总线,现场总线采用曼彻斯特编码. H1总线允许存在支线,主线的长度在使用屏蔽双绞线时不超过1900 m, 最多可以连接32个现场总线设备. H2总线不允许存在支线,网络也只能是总线拓扑.,现场总线中的用户程序是采用模块来实现的.包括资源模块、功能模块和转换器模块. 设备描述采用DDL编制.某一设备的设备描述就是该设备的驱动程序.根据DD来对该设备进行操作.,AI,OUT,现场总线设备,现场总线设备,PID,OUT,IN,IN,AO,变送器,控制阀,功能模块连接成单回路控制系统,
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