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第七章 分散型测控网络技术 主讲人：朱云芳 1 1 第七章 分散型测控网络技术 数据通信技术 基本概念 两种通讯方式： 并行通讯：数据的各位同时传送，传送速度 高，距离短。 串行通讯：数据一位一位顺序传送，传送速 度低，传送距离长，几十至几千米。 2 2 串行通讯分为两种传送方式： 异步传送：依靠标志位进行通讯控制，一次 只传送一个字节。 同步传送：依靠时针进 行通讯可控制，一 次传送大量字节。 3 3 四种数字编码方式： 不归零码：码元间没有间隔，很难判定一 位的结束与另一位的开始，同步困难。 归零码：每一位中间有一个跳变，作为同 步时钟及数据。又称自同步编码。 曼彻斯特编码：同上，但只有两个电平状 态。 差动曼彻斯特编码：每位开始有无跳变来表 示0或1，电压有变化表示0，无变化表示1。 4 4 平衡和不平衡传输 不平衡方式：用单线传输 信号，以地线作为 信号的回路，接收器是用单线输 入信号的，抗干扰 能力差。 平衡方式：用双绞线传输 信号，信号在双绞 线中自成回路不通过地线，接收器以双端差动方式 输入信号，抗干扰能力强。 5 5 不平衡传输方式-RS-232C标准 特性：单端，双极性电压供电； 每个信号一根导线，双向共用一个地线 ； 不平衡的发送器和接收器，易被干扰； 传输速率20Kbps，距离15米； 连接器有25插针、9插针等设计方案。 6 6 平衡传输方式-RS-422A标准 特性：平衡，双极性电压供电； 平衡驱动和差分接收方式，取消地线 ； 抗干扰能力强； 传输速率高，距离远； 连接器采用9插针方案。 7 7 平衡传输方式-RS-485标准 特性：是RS-422的变形 与RS-422的区别： RS-422 ：两对平衡差分电路，全双工； RS-485 ：一对平衡差分电路，半双工； 允许32台驱动器和32台接收器并联。 8 8 串行通讯方式标准的比较 9 9 RS-485标准组成的多点互连系统 RS-422/485互连组成环形数据链路系统 1010 RS-232C/422A接口转换及其装置 1111 工业网络技术 网络拓扑结构：网络中互连的节点或站之间 的物理连接结构。 星形结构 环形结构 总线形 树形 1212 介质访问 控制技术(MAC)：解决信道（公共传 输通道 )的分配和使用。 (1) 冲突检测载 波侦听多路访问（CSMA/CD ）-适用于总线形 原理：结点发送信息时，首先要侦听网络 中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即 发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲 ，开始发送。 1313 （2）令牌环（Token Ring)-适用于环网 令牌控制标志，网络中只设一张令牌，并依 次沿各结点传送，它有两个状态 “空“状态：表示令牌没有被占用，当其传 至正待发送信息的结点时，该结点立即发送 ，并置令牌为“忙“状态。 “忙”状态：表示令牌被占用，即令牌正在 携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发 送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。 1414 （3）令牌总线(Token Passing Bus) -适用于总 线形式或树型 原理：把总线形传输介质的各个结点形成 一个逻辑环 ，即人为地给各个规定一个顺序 。控制方式类似于令牌环。 3种介质访问 控制技术的比较 1515 信息交换技术 （1）线路交换：在两个站之间建立一条专用的物 理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路 。 （2）报文交换：把目的站名附加在报文上，然后 交给下一结点，该结点接收整个报文，存储下 来，根据目的选择下一转发结 点，直到目的站 。 （3）分组交换：将报文分成若干分组，并在每个 分组上附加控制信息，这些报文经不同的路径 分别传送到目的站后，再组成一个完整报文。 差错控制 校验：奇偶校验、循环冗余-CRC校验。 纠错方式：重发纠错 、自动纠错 、混合纠错 。 1616 网络协议 及其层次结构 分层的好处：修改某层不会影响整个系统。 ISO的7层开放系统互连参考模型OSI。 1.物理层 功能：在信道上传输未经处理的信息。 内容：对机械、电气、连接规程进行规定 。 协议：RS-232C、 RS-485、Ethernet等。 1717 2.数据链路层 功能：将有差错的物理链路改造成对于网络 层来说是无差错的传输链 路。 内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验 传输的正确性。 协议：SDLC、802.2等。 3.网络层 功能：在网络中传输分组。 内容：控制信息交换、路由选择。 协议：X.25协议、IP协议。 1818 4.传送（传输）层 功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并 保证这些数据正确到达另一端。 内容：控制端到端的数据完整性。 协议：TCP协议等 5.会话层 功能：控制建立或结束一个通信会话的进程。 内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生 。并利用校验点，使会话在通信失效时从校验点恢复通 信 ；或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止 会话。 协议：HTTP，SMTP(简单邮 件文件传输）等。 1919 6.表示层 功能：实现不同信息格式和编码之间的转换 。 内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式 的转换；输入输出格式的转换。 例如：HTML语言 7.应用层 功能：规定允许的报文集合，及每个报文所 采取的动作。 内容：解决数据传输完整性问题或发送/接收 设备的速度不匹配的问题。 例如：IE浏览器。 2020 OSI模型和各协议的对照 2121 IEEE 802标准 1981年提出，描述了物理层，并为数据链 路层划分了两个子层。 IEEE 802标准与OSI模型的关系 2222 IEEE 802标准规定各层的功能 物理层：数据的封装/拆封、数据的发送/接收 ，并通过介质存取部件收发数据信号。 介质存取控制层：介质存取，支持CSMA/CD、 Token Bus、Token Ring 。 逻辑链 路控制层：寻址、排序、差错控制等功 能。 2323 工业网络的性能评价和选型 工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。 令牌环与令牌总线的性能比较： 传输速率：环形是点到点连接，传输效率高； 总线形是多点连接，传输效率低。总线上形成的逻 辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。 吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总 线。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独 占介质；令牌环是顺序循环访问 ，一定条件下有并 行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递 。 稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。 确定性：两种控制结构的确定性相同。 2424 工业网络的选型 1.大型系统采用-分散型控制DCS模式，分三级： 分散过程控制级： 特征：各单元间横向联系少，数据量小，数据 包短，地理分布区域小。 选型：令牌总线、主从总线或星形结构 集中操作监控级 特征：数据处理量大，数据包长，横向联系多 ； 选型：令牌总线 2525 综合信息管理级 特征：该级数据多且传输量大，系统按功能 横向分布，地域范围广。 适合选型：令牌环结构。 2. 中小型系统的工业网络选型 若只有集中操作监控级和分散过程控制级， 两级均使用令牌总线，或监控级选用令牌环。 老企业技术改造：星形结构。 2626 第七章 分散型测控网络技术 分散型控制系统(DCS) 分散型控制系统(DCS)分布式、集散式。 原则：分散控制、集中操作、综合管理、分而 自治。 综合4C技术：计算机，控制，通讯，显示。 发展趋势：以计算机集成制造系统（CIMS） 为目标，应用新的控制方法、现场总线 智能化 仪表、专家系统、局域网络等，实现过 程控制自 动化与信息管理自动化结合的管控一体化综合集 成系统。 2727 DCS的三级体系结构：分散过程控制级 集中操作监控级 综合信息管理级 2828 （1）分散过程控制级（面向生产过程） 功能：完成生产过程的数据采集、调节控制 等功能。 装置：现场控制站（工业控制机） 可编程序控制器（PLC） 智能调节器 其它测控装置 2929 （2）集中操作监控级（面向操作员和系统工程 师） 功能：以操作监视位主要任务，兼有部分 管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件， 对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量 评估。 组成：监控计算机 工程师显示操作站 操作员显示操作站 3030 （3）综合信息管理级 功能：实现整个企业的综合信息管理。 组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂 自动化服务系统，应用了MIS系统。 DCS的特点： 硬件积木化 软件模块化 控制系统组态 应用通讯网络 可靠性高 3131 现场总线 （Fieldbus)技术 概念 现场总线 ：连接工业过程现场设备 和控制 系统的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。 现场总线 控制系统(FCS)：现场总线 和现场 设备组 成的控制系统。 现场总线结 构体系及其特点 (1) 采用现场通信网络 现场总线 把通信延伸到生产现场 及设备。 3232 FCS 3333 (2)现场设备 通过一对传输线 互连 现场设备 ：变送器、执行器、服务器和网 桥、辅助设备、监控设备。 (3)产品实现互操作 基于同一总线标 准的不同品牌产品可以统一 组态，实现 “即接即用” 。 (4)功能块分散化 FCS去除了DCS的I/O单元和控制站，将DCS 功能块分散到现场设备 中，构成虚拟控制站。 3434 虚拟控制站的优点：可以灵活选用各种功 能块，实现所需的控制系统，实现彻 底的分散控 制。 例：流量控制回路。 (5)采用通信线供电 用于低功耗现场仪 表。 3535 (6)开放式互连网络 现场总线标 准一般参照OSI模型设计，是开 放行的互连网络，可与同层或不同层互连。 3636 FCS与DCS的比较 模拟仪表和DCS的缺点： 3737 （1）信息集成能力不强，容易导致失控： 控制器 与现场设备 之间靠I/O连线连 接，传送4-20mA模 拟量信号或24VDC等开关量信号，获取信息量有限 ，导致信息集成能力不强。 （2）互操作性差。不同厂家产品之间缺乏互操作 性、互换性。 （3）可靠性差：对于大范围的分布式系统，大量 的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了 系统的不可靠性。 （4）可维护性不高：由于现场级设备 信息不全， 现场级设备 的在线故障诊断、报警、记录功能不 强。另一方面也很难完成现场设备 的远程参数设 定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。 3838 FCS的优点： （1）增强了现场级 信息集成能力：可从现场设 备获取大量丰富信息，满足CIMS系统的信息集成 要求。现场总线还 可实现设备 状态、故障、参数 信息传送，完成远程参数化工作。 （2）开放式、互操作性、互换性、可集成性强： 产品只要使用同一总线标 准，就具有互操作性、互 换性，因此设备具有很好的可集成性。 （3）系统可靠性高、可维护性好：现场总线 控制 系统以总线方式替代一对一的I/O连线，减少了由 接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场 级设备 的在线故障诊断、报警、记录功能，可完 成现场设备 的远程参数设定、修改等参数化工作 ，也增强了系统的可维护性。 3939 （4）降低了系统及工程成本 对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省 去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用， 降低了系统及工程成本。 4040 工业控制 系统性能 比较 4141 FF（现场总线 基金会）现场总线 技术 FF由FIP和ISP，在1994年合并而成。 FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成。 高速H2总线发 展计划已取消。 (1)FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结 构模型，采用令牌总线介质访问 技术，用于 工业产生现场设备连 接。 (2)FF_HSE：则采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业( 离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高 级控制等场合。 4242 低速网络H1： 4层协议 ：物理层、数据链路层、应用层 、用户层。物理层、数据链路层、应用层参 照OSI的模型的1，2，7层，并增加了用户层。 其中，应用层由现场总线报 文规范FMS和 现场总线访问 子层FAS组成。 4343 (1)H1物理层 传输介质：电缆、光纤、无线通信。 传输速率和距离：31.25Kbps, 1900m（加 中继延长)。 网络拓扑：总线型、树型、点对点型。 支持总线供电： 总线上既传送数字信号，又要为现场设 备提供电源能量。数字信号以31.25Hz的频率 调制到932V的直流供电电压 上。 该总线 供电方式支持本质安全，可在防 爆等环境下使用。 4444 (2)H1数据链路层 介质访问 控制MAC：采用令牌总线方式， 连接到总线上的站点组成一个逻辑环 ，站点只 有取得令牌才能发送数据帧。 逻辑链 路控制LLC：由链路活动调度器 (Link action sheduler LAS)进行控制，确保了控制 系统中的信息传输的及时性，LAS的功能： 认知新设备并将其加入链路中； 从链路中除去没有响应的设备； 在链路上发布数据链路时间和调度时间； 在调度时间内轮询以缓冲区存储数据的设备 ； 在调度时间之间优先级驱动 的令牌给某设备 。 4545 (3)H1应用层 由现场总线访问 子层FAS和现场总线报 文规范FMS组成， 现场总线访问 子层FAS：处于FMS和 DLL之间，提供三类服务：发布/索取、客户 机/服务器、报告分发，这些服务称为虚拟通 信关系VCR。 现场总线报 文规范FMS：规定了访问应 用进程AP的报文格式及服务。FMS通过调用 VCR在现场设备 之间传递报 文。 4646 (4)H1用户层 规定标准的功能块供用户组态 成系统。 基本功能块： 模拟量输入 AI； 模拟量输出 AO； 开关输入DI； 开关输出DO等 控制选择 CS； P、PD控制； PID、PI、I控制等 4747 高速网络HSE： 6层协议 ：物理层、数据链路层、网络层 、传输层 、应用层、用户层。物理层、数据 链路层、应用层参照OSI的模型的1，2，3，4 ，7层，并增加了用户层。 (1) HSE物理层： IEEE 802.3u，支持高速以太网，从100M/s 到1.0G/s或更高。 (2)数据链路层： CSMA/CD介质访问 控制协议。 (3)网络层、传输层 ： TCP/IP 4848 4949 (4)应用层 在HSE中称为现场设备访问层 FDA，包括 了套接字映射协议机制、应用关系、FDA服务 协议机制、虚拟通信关系VCR等通信实体。 功能就是：根据用户层应 用程序的需要， 向用户层提供3种协议规 定的服务：FMS服务 、SM服务和冗余服务。 (5)用户层 包括功能块应用进程、系统管理、通信栈 网络管理等实体。系统管理和网络管理负责 HSE系统和通信栈的运行和通信管理；不同设 备的功能块应用进程利用通信栈进行相互通 信、调用，以完成特定的功能。 5050 5151 5252 5353 5454