化工過程計算機控制3

1、化工過程計算機控制通訊篇計算機控制網(wǎng)絡系統(tǒng)系統(tǒng)是指具有某種功能的一個有機整體，它由相互相依賴，具有某種關系的若干單元或其組合構成。網(wǎng)絡把若干“元件”連接在一起，便構成一個網(wǎng)絡。根據(jù)“元件”的不同，而稱不同的網(wǎng)絡。例如：電話網(wǎng)絡，輸電、配電網(wǎng)絡，通信網(wǎng)絡，計算機網(wǎng)絡。非電氣“元件”也可以組成網(wǎng)絡，如農(nóng)田灌溉網(wǎng)絡，交通運輸網(wǎng)絡，人體身軀的神經(jīng)網(wǎng)絡等。網(wǎng)絡包含三個主要方面（1）連接對象與設施（也稱元件或元件組合）（2）連接的對象與設施所采用的接口和介質（如公路，渠道，雙絞線，光纖， 空氣等）和控制機制（協(xié)議）；（3）連接方式與結構（如星型，網(wǎng)狀）計算機網(wǎng)絡要素通訊的基礎知識基礎知識通訊的意義：通訊是

2、信息的傳遞；因此可以把它看作是在通信的一端精確地復現(xiàn)另一端所挑選的消息?；靖拍钚畔⒑蛿?shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù): : 信息是人們要通過通信系統(tǒng)傳遞的內(nèi)容?？梢允钦Z音、圖像、文字等；數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)是傳遞信息的實體，而信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。信號：信號：從通訊的角度看，信號是從通訊的角度看，信號是通訊信道上傳輸?shù)母鞣N編碼的信息。有模擬信號和數(shù)字信號。信道信道：信道是傳送信號的通路信道是傳送信號的通路。信道本身可以是模擬的，也可以是數(shù)字方式的。用以傳輸模擬信號的信道叫作模擬信道，用以傳輸數(shù)字信號的信道叫作數(shù)字信道。信道帶寬信道帶寬某個信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就是某個信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就是該信

3、道的帶寬。該信道的帶寬。帶寬就是它所能傳輸電磁波的最帶寬就是它所能傳輸電磁波的最大有效頻率與最小有效頻率之差大有效頻率與最小有效頻率之差信道容量信道容量信道的傳輸能力是有一定限制的，某個信道傳輸數(shù)據(jù)的速率有一個上限，叫作信道的最大傳輸速率，即叫作信道的最大傳輸速率，即信道容量。信道的最大傳輸速率是與信道帶寬有直接聯(lián)系信道容量。信道的最大傳輸速率是與信道帶寬有直接聯(lián)系的。的。無噪聲信道最大傳輸速率無噪聲信道最大傳輸速率=2Blog=2Blog2 2V(bps)V(bps)B代表信道的帶寬。V是信號有效狀態(tài)的數(shù)量。對于二進制的數(shù)據(jù)信號，對于二進制的數(shù)據(jù)信號，V=2V=2，此時，無噪聲信道的最大，此

4、時，無噪聲信道的最大傳輸速率傳輸速率=2B (bps)=2B (bps)。如果我們使用模擬電話系統(tǒng)傳輸二進制信號，即使用話音級信道，帶寬3000Hz，那么最大傳輸速率為6000bps?，F(xiàn)在一般撥號上網(wǎng)的速率都在33600bps以上，這是因為采用了特殊的編碼方法，將V的值增大，自然就提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。協(xié)議協(xié)議：為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換傳遞（通訊）而建立的規(guī)則、標準或約定。實體實體：發(fā)送或接收信號的硬件或軟件進程。接口接口：相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之間的原語操作及上層對下層的服務。服務服務：某一層及其以下各層的一種能力，通過接口提供給其相鄰層。協(xié)議棧協(xié)議棧：某一系統(tǒng)內(nèi)的各層協(xié)議集。計算

5、機網(wǎng)絡通訊的傳輸介質計算機網(wǎng)絡通訊的傳輸介質雙絞線雙絞線雙絞線（雙絞線（twisted pairtwisted pair）每一對雙絞線由絞合每一對雙絞線由絞合在一起的相互絕緣的兩根銅線組成，每根銅線的直在一起的相互絕緣的兩根銅線組成，每根銅線的直徑大約徑大約1mm1mm。如電話線。如電話線雙絞的目的：雙絞的目的：減少電磁干擾，提高傳輸質量?？梢杂糜趥鬏斈M傳輸或數(shù)字傳輸?？梢杂糜趥鬏斈M傳輸或數(shù)字傳輸。最便宜的傳輸媒介易受環(huán)境中電信號的干擾通常用于較短距離的連接傳輸介質傳輸介質同軸電纜同軸電纜(coaxial cable)同軸電纜由同軸的內(nèi)外兩個導體組成，內(nèi)導體是一根金屬線，外導體同軸電纜由同

6、軸的內(nèi)外兩個導體組成，內(nèi)導體是一根金屬線，外導體是一根圓柱形的套管，一般是細金屬線編制成的網(wǎng)狀結構，內(nèi)外導體之是一根圓柱形的套管，一般是細金屬線編制成的網(wǎng)狀結構，內(nèi)外導體之間有絕緣層間有絕緣層。電纜的兩端需要有兩端需要有終結器終結器(用50歐姆或75歐姆的電阻連接內(nèi)外導體)，中間連接需要連接需要收發(fā)器收發(fā)器、T T形頭形頭、筒形連接器筒形連接器等器件等器件。 基帶同軸電纜又分為粗纜和細纜。粗纜多用于局域網(wǎng)主干，支持基帶同軸電纜又分為粗纜和細纜。粗纜多用于局域網(wǎng)主干，支持25002500米的傳輸距離，可以連接數(shù)千臺設備，但其價格較高；細纜多用于米的傳輸距離，可以連接數(shù)千臺設備，但其價格較高；細纜

7、多用于與用戶桌面連接，級連使用可支持與用戶桌面連接，級連使用可支持800800米的傳輸距離，但一般不超過米的傳輸距離，但一般不超過180180米，可以連接數(shù)千臺設備。米，可以連接數(shù)千臺設備。 基帶同軸電纜的最大優(yōu)點是抗干擾性強，而且支持多點連接。缺點是物理可靠性不好，極易出現(xiàn)故障，而且一點發(fā)生故障，整段局域網(wǎng)都無法通信，所以基本已被非屏蔽雙絞線所取代。絕緣層絕緣層內(nèi)導體(銅芯)外導體(編織狀)外保護層(塑料)外保護層(塑料)外導體(編織狀)同軸電纜比較便宜絕緣層保護外層絕緣層外導體傳輸介質傳輸介質光纜光纜(optical fiber)光纖通信的原理光纖通信的原理 見圖，入射角入射角逐漸增大，1

8、2是折射角，光纖通信的原理，是基于光線由光密介質進光密介質進入光疏介質入光疏介質時，在入射角足夠大的情況下會發(fā)生全反射在入射角足夠大的情況下會發(fā)生全反射的特性射角達到的特性射角達到33時，發(fā)生全反射，即光波能量幾乎全時，發(fā)生全反射，即光波能量幾乎全部反射，部反射，這樣才可以達到長距離高速傳輸?shù)哪康?。入射?122折射光折射光反射光3光密介質光疏介質室外光纜室外光纜，主要用于室外環(huán)境，可以架空或走地下管道。由于室外光纜所處環(huán)境比較惡劣，需要防水、防曬、防壓、防化學侵蝕等，所以需要有很好保護。填充物填充物光纖(多根)鋼鎧外鎧(塑料)外鎧(塑料)鋼鎧填充物填充物纖芯(50100微米)保護層(塑料)保

9、護層(塑料)室內(nèi)光纖，室內(nèi)光纖，主要用于室內(nèi)，單根光纖加上稍許保護材料。光波在纖芯上傳播。纖芯是一種直徑50到100微米的柔軟的光導介質，成分主要是二氧化硅。在折射率 較高的纖芯外面，由折射率較低的包層包裹著，以保證在界面上光波可以發(fā)生全反射。 昂貴的傳輸媒介 不受電信號的干擾 使用于長距離、高速率的信號傳輸無線傳輸介質無線傳輸介質10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16頻率(Hz)無線電微波紅外紫外線雙絞線衛(wèi)星通信光纖同軸電纜無線電AM無線電FM地面微波通信電視各通信類型使用的電磁波譜范圍無

10、線通信介質主要是微波和衛(wèi)星無線通信介質主要是微波和衛(wèi)星。 微波通信微波通信是指用頻率在100MHz到10GHz的微波信號進行通信。特點：特點：只能進行可視范圍內(nèi)的通信；大氣對微波信號的吸收與散射影響較大。 微波通信主要用于幾公里范圍內(nèi)，不適合鋪設有線傳輸介質的情況，而且只能用于點到點的通信，速率也不高，一般為幾百Kbps。 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是指利用人造衛(wèi)星進行中轉的通信方式。商用的通信衛(wèi)星一般被發(fā)射在赤道上方3.6萬公里的同步軌道上，另外也有中低軌道的小衛(wèi)星通信， 特點：特點：適合與很長距離的傳輸，如國際之間、洲際之間；費用較高。并行傳輸并行傳輸(parallel)(parallel)與串行傳

11、輸與串行傳輸(serial)(serial)b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行數(shù)據(jù)傳輸(b)串行數(shù)據(jù)傳輸串行總線標準串行總線廣泛應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。主要有RS232C、RS422、RS485等標準485接口.pps。1. 機械特性：總線引腳(信號線)數(shù)目、引腳排列位置與次序，如RS232C 9 腳接頭信號列表腳接頭信號列表2. 電氣特性：規(guī)定該總線各信號線的電氣連接方式及電氣參數(shù)。如RS232C 電氣連接方式規(guī)定每條電路使用一條信號線，傳輸

12、為1對1（一根總線只能連接一臺設備）傳輸信號為電平信號（數(shù)據(jù) 3V25V，邏輯3V25V）傳送距離30m,最大傳送頻率(波特率）20kbpsRS422（全雙工通訊） 連接線為一對平衡導線，一對接受，一對發(fā)送（故可同時接受和發(fā)送），傳輸信號為電流信號，故在導線與串口連接端得外接120電阻。傳送距離可達1000m，最大傳輸速率為10Mbps。RS485（半雙工）：連接線為一對雙絞線，最多可同時連接32128臺設備。傳輸傳輸信號為電流信號，故在導線與串口連接端得外接120電阻。傳送距離可達1000m，最大傳輸速率為10Mbps計算機網(wǎng)絡數(shù)字通訊協(xié)議與分層計算機網(wǎng)絡數(shù)字通訊協(xié)議與分層思想思想?yún)f(xié)議與分層

13、的必要性協(xié)議與分層的必要性 通信協(xié)議代表著標準化，規(guī)定了計算機信息通信協(xié)議代表著標準化，規(guī)定了計算機信息交換中消息格式和意義的協(xié)定，是通信雙方交換中消息格式和意義的協(xié)定，是通信雙方都必須遵循的一系列規(guī)則。都必須遵循的一系列規(guī)則。 為了簡化網(wǎng)絡設計的復雜性，通信協(xié)議采用為了簡化網(wǎng)絡設計的復雜性，通信協(xié)議采用分層的結構，各層協(xié)議之間既相互獨立又相分層的結構，各層協(xié)議之間既相互獨立又相互高效的協(xié)調工作。互高效的協(xié)調工作。工業(yè)通訊協(xié)議特點：物理層有較統(tǒng)一的規(guī)范，應用層五花八門。早期由各個廠商獨立開發(fā)，互不兼容。目前有一些較統(tǒng)一的標準。發(fā)展方向：通過公用網(wǎng)絡如互聯(lián)網(wǎng)絡通訊。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化現(xiàn)場級網(wǎng)絡技術所

14、謂現(xiàn)場級網(wǎng)絡，即將所有網(wǎng)絡接口移到各種儀表單元，從而使儀表單元具有了直接的通訊能力。儀表成了控制網(wǎng)絡化的最小實現(xiàn)環(huán)節(jié)。儀表的網(wǎng)絡化是在數(shù)字化的基礎上實現(xiàn)的。即在儀表數(shù)字化后再增加網(wǎng)絡通訊專用單元，簡單的如485通訊模塊。一些現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如CAN，ProfiBus 的DP和PA，LonWork和FF等，有專用的集成模塊。通訊實例1帶RS485接口的智能儀表通訊設計不同廠家的產(chǎn)品在物理層和傳輸層的通訊模式較為規(guī)范，通訊速率從最低50BPS到最高115200BPS，大部分儀表僅支持幾種常用的波特率。數(shù)據(jù)形式的定義較復雜，數(shù)據(jù)位的個數(shù)有5、6、7、8共四種，一般儀表均用7位碼或8位碼，停止位有1位、

15、1.5位和2位三種,而校驗方式則有NONE、ODD、EVEN、MARK、SPACE五種方式。但應用層協(xié)議則變化很大，不同廠家生產(chǎn)的儀表的地址編碼、數(shù)據(jù)段編碼、校驗碼生成方式和下位機正確應答的時間間隔都不同 在應用層一般采用命令/應答方式，上位機發(fā)送命令報文，下位機收到后發(fā)出相應的應答報文進行響應，每一種命令報文對應著一種應答報文，如Modbus協(xié)議，采用的報文格式為：開始段+地址碼+功能碼+數(shù)據(jù)段+校驗碼+結束段，各字段的含義如下：開始段：開始段：通訊起始代碼或保持無輸入訊號一段時間。地址碼：地址碼：指示接收上位機報文的下位機地址。功能碼：功能碼：指示接收的下位機要完成的功能。數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段：該段的內(nèi)容由功能碼決定，包含了完成指定 功能所需要的信息。校驗碼：校驗碼：根據(jù)某種方式將上述數(shù)據(jù)進行處理后獲得的 代碼。結束段：結束段：通訊結束代碼或保持無輸入訊號一段時間。例：宇光儀表協(xié)議讀：地址代號+52H+要讀參數(shù)的代號+0+0+CRC校驗碼寫：地址代號+43H+要寫參數(shù)的代號+寫入數(shù)低字節(jié) +寫入數(shù)高字節(jié)+CRC校驗碼讀指令的CRC校驗碼為：要讀參數(shù)的代號*256+52H+ADDRADDR為儀表地址參數(shù)值，范圍是0-100。CRC為以上數(shù)整數(shù)加法后得到的余數(shù)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后寫指令的CRC校驗碼為：參數(shù)代號*