SCADA系統(tǒng)培訓(xùn)---第2章數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集技術(shù)監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集技術(shù)華東理工大學(xué)自動(dòng)化系華東理工大學(xué)自動(dòng)化系王華忠王華忠 Ch2 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一、引言數(shù)據(jù)通信是完成數(shù)據(jù)編碼、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理的過程，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般的控制系統(tǒng)相比，SCADA固有的測(cè)控點(diǎn)分散、測(cè)控范圍廣的特點(diǎn)決定了整個(gè)通信子系統(tǒng)在SACDA系統(tǒng)的運(yùn)行過程中起到了更加重要的作用。 SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站點(diǎn)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與下位機(jī)的通信 下位機(jī)系統(tǒng)與SCADA服務(wù)器（上位機(jī)）的遠(yuǎn)程通信 監(jiān)控中心不同功能計(jì)算機(jī)之間的通信 監(jiān)控中心Web服務(wù)器與遠(yuǎn)程客戶端的通信 二、數(shù)據(jù)通信概述 數(shù)據(jù)是指對(duì)數(shù)字、字母以及組合意

2、義的一種表達(dá)。在SCADA系統(tǒng)中，通信數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)的各種信息緊密相關(guān)，如用數(shù)字1表示電機(jī)處于工作狀態(tài)，用數(shù)字0表示電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；而對(duì)于溫度、壓力、物位、流量、電流、電壓等變量可以用一定數(shù)值范圍的數(shù)字來描述。 1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)為中心，通過數(shù)據(jù)傳輸信道將分布在各處的數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信為目的的系統(tǒng)。實(shí)際的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是千差萬別的。 例如，可以是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)近距離數(shù)據(jù)傳輸，可是是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與控制器之間的數(shù)據(jù)通信，也可以是分布在各地的數(shù)百臺(tái)甚至更多的計(jì)算機(jī)互相傳送數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)信息的發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、傳輸介質(zhì)、傳輸報(bào)文、通信

3、協(xié)議等組成。圖2.1所示為香農(nóng)定義的廣義通信模型。 圖2.1 廣義通信系統(tǒng)模型 信源為待傳輸數(shù)據(jù)信息的產(chǎn)生者。發(fā)送器將信息變換為適合于信道上傳輸?shù)男盘?hào)，而信宿的作用與之相反。信道指發(fā)送器與接收器之間用于傳輸信號(hào)的物理介質(zhì)，又稱傳輸介質(zhì)。經(jīng)過傳輸，在接收器處收到的信號(hào)在接收器處變?yōu)樾畔?。通信傳輸過程會(huì)受到噪聲的干擾，而噪聲往往會(huì)影響接收者正確地接收和理解所收到的信息。為了把接收到的信息還原為原有信息，并為接收者所理解，需要一套實(shí)現(xiàn)約定的協(xié)議。協(xié)議是數(shù)據(jù)通信規(guī)則的集合，如果沒有協(xié)議，兩臺(tái)設(shè)備即使連接也無法通信。 （1）通信設(shè)備）通信設(shè)備發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備和傳輸介質(zhì)是通信系統(tǒng)的硬件。發(fā)送設(shè)備用于匹配

4、信息源和傳輸介質(zhì)，即將信息源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼變換為信號(hào)形式，送往傳輸介質(zhì)；接收設(shè)備則需要完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即從帶有干擾的信號(hào)中正確恢復(fù)出原有信號(hào)，并進(jìn)行解碼、解密等操作。 SCADA系統(tǒng)中，由于越來越多的設(shè)備變得智能化和數(shù)字化，數(shù)字通信能力越來越強(qiáng)大，因此，依賴不同時(shí)刻設(shè)備的作用，許多設(shè)備既是發(fā)送設(shè)備、也是接收設(shè)備。如下位機(jī)設(shè)備與上位機(jī)通信時(shí)，當(dāng)下位機(jī)向上位機(jī)傳送現(xiàn)場(chǎng)儀表參數(shù)時(shí)，下位機(jī)是發(fā)送設(shè)備，上位機(jī)是接收設(shè)備；而當(dāng)下位機(jī)接收上位機(jī)的控制指令，如開啟某臺(tái)設(shè)備，或修改下位機(jī)參數(shù)時(shí)，下位機(jī)是接收設(shè)備，而上位機(jī)是發(fā)送設(shè)備。 （2）傳輸信道）傳輸信道 傳輸信道可以是簡(jiǎn)單的兩條導(dǎo)線，也可以是由傳

5、輸介質(zhì)、數(shù)據(jù)中繼、交換、存儲(chǔ)、管理設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。傳輸信道是為收發(fā)兩地的數(shù)據(jù)流提供傳輸?shù)男诺?，傳輸信道由兩部分組成：一部分是傳輸介質(zhì)，另外一部分是其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備。傳輸介質(zhì)分為有線介質(zhì)和無線介質(zhì)兩種，有線介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜和光纖等，無線介質(zhì)則為空氣。傳輸手段為微波、紅外線、激光等，由光纖、同軸電纜、雙絞線等有線介質(zhì)構(gòu)成有線線路， 2、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸讉€(gè)基本概念 （1）數(shù)據(jù)傳輸模式A：傳輸模式 數(shù)據(jù)傳輸模式是指數(shù)據(jù)在信道上傳輸所采取的方式。B：同步技術(shù) 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)的接收設(shè)備與發(fā)送設(shè)備的數(shù)據(jù)序列在時(shí)間上必須取得同步，以準(zhǔn)確地接收發(fā)來的每位數(shù)據(jù)。C：基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

6、D：通信線路工作方式（單工、半雙工、全雙工） 幾種數(shù)據(jù)傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式可以分為不同的類型按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞颍梢苑譃閮煞N基本方式：即并行傳輸與串行傳輸；按數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞?，可以分為同步傳輸與異步傳輸；按數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r(shí)間關(guān)系，可以分為單工、半雙工與全雙工數(shù)據(jù)傳輸；按照數(shù)據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，可以分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。 （2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸 在線路上傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)可以采用并行模式傳輸或串行模式傳輸。在并行模式下，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖有多位數(shù)據(jù)被傳送；而在串行模式下，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖只發(fā)送一位數(shù)據(jù)。而且，發(fā)送并行數(shù)據(jù)僅僅只有一種方式，而對(duì)于串行傳輸則有兩種方式同步傳輸異步傳輸

7、（3）同步傳輸與異步傳輸）同步傳輸與異步傳輸 在線路上傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)可以采用并行模式傳輸或串行模式傳輸。在并行模式下，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖有多位數(shù)據(jù)被傳送；而在串行模式下，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖只發(fā)送一位數(shù)據(jù)。而且，發(fā)送并行數(shù)據(jù)僅僅只有一種方式，而對(duì)于串行傳輸則有兩種方式同步傳輸異步傳輸A.同步傳輸同步傳輸 同步傳輸是以一定時(shí)鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的。這個(gè)時(shí)鐘可以是由參與通信的那些設(shè)備或器件中的一臺(tái)產(chǎn)生的，也可以是由外部時(shí)鐘信號(hào)源提供的。時(shí)鐘可以有固定的頻率，也可以間隔一個(gè)不規(guī)則的周期進(jìn)行卻換。 所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位都和這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步。在同步傳輸時(shí)，它不是獨(dú)立地發(fā)送每個(gè)字符，而是連續(xù)地發(fā)送位流，并且不需要每個(gè)

8、字符都有自己的開始位和停止位，而是把它們組合起來一起發(fā)送，這些組合稱為數(shù)據(jù)幀，或者簡(jiǎn)稱為幀。 B.異步傳輸異步傳輸 異步傳輸中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有有自己的時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)必須在時(shí)鐘頻率上保持一致，并且所有的時(shí)鐘必須在一定誤差范圍內(nèi)相吻合。異步傳輸中，并不要求在傳送信號(hào)的每一數(shù)據(jù)位時(shí)收發(fā)兩端都同步。依賴起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等來起同步作用。C.同步與異步傳輸比較同步與異步傳輸比較 同步傳輸通常要比異步傳輸快，傳輸效率較高。異步傳輸實(shí)現(xiàn)起來比較容易，對(duì)線路和收發(fā)器要求較低，實(shí)現(xiàn)字符同步也比較簡(jiǎn)單，收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要精確地同步。缺點(diǎn)是多傳輸了用于同步目的的字符，降低了傳輸效率。3、差錯(cuò)控制 在數(shù)

9、據(jù)通信過程中，由于各種干擾及傳輸線路本身的因素，在傳輸過程中會(huì)不可避免地發(fā)生錯(cuò)誤，特別是隨著無線通信應(yīng)用的增多，而無線通信差錯(cuò)率要遠(yuǎn)高于有線通信。因此，為了提高通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量而采取的檢測(cè)與校正方法就差錯(cuò)控制。 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，差錯(cuò)控制通常是在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行的。 差錯(cuò)檢查是讓報(bào)文分組中包含使接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的冗余信息，但它不能確定是哪一位出錯(cuò)，也不能糾正傳輸中的差錯(cuò)； 差錯(cuò)糾正是讓報(bào)文中每個(gè)傳輸?shù)膱?bào)文分組中帶有足夠的冗余信息，使得接收端能發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)糾正傳輸錯(cuò)誤。差錯(cuò)糾正在功能上優(yōu)于差錯(cuò)檢測(cè)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，造價(jià)高。差錯(cuò)檢查原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，編碼與解碼速度快，應(yīng)用廣泛。 （1）差錯(cuò)控制方式）差錯(cuò)控

10、制方式反饋糾錯(cuò)反饋糾錯(cuò) 前向糾錯(cuò)前向糾錯(cuò) 混合糾錯(cuò)混合糾錯(cuò) （2）常用的差錯(cuò)檢測(cè)方法）常用的差錯(cuò)檢測(cè)方法奇偶校驗(yàn)碼 奇偶校驗(yàn)碼是一種最簡(jiǎn)單實(shí)用的檢錯(cuò)碼，指通過增加冗余位來使得碼字某些位中“1”的個(gè)數(shù)保持為偶數(shù)或奇數(shù)的編碼方式。異步通信系統(tǒng)中使用偶校驗(yàn)或奇校驗(yàn)這兩種方法。 循環(huán)碼（Cyclic Redundancy Check, CRC） 三、通用串行通信 串行接口通信接口中有兩個(gè)重要的概念數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment，DTE）數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備DCE（Data Circuit-terminating Equipment，DCE）目前最常用的有關(guān)DTE和DCE

11、之間的接口標(biāo)準(zhǔn)是EIA和ITU-T指定的標(biāo)準(zhǔn)。其中EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，Electrical Industrial Association，EIA）標(biāo)準(zhǔn)有EIA-232、EIA-442和EIA-449等； 數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)主要用來定義數(shù)據(jù)通信的接口和信號(hào)方式。在通信線路的兩端都要有DTE和DCE，如圖2.2所示。DTE產(chǎn)生數(shù)據(jù)并且傳輸?shù)紻CE，而DCE將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男问皆趥鬏斁€路上進(jìn)行傳輸。 DTEDCE接口DCEDTE接口圖2.2 DTE和DCE設(shè)備的連接 在物理層：DTE可以是終端、微機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)等其他設(shè)備，但是一定要有一個(gè)轉(zhuǎn)接設(shè)備才可以通信。DCE是指可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸或接

12、收模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的任意一個(gè)設(shè)備，最常用的設(shè)備就是調(diào)制解調(diào)器。 1、串行通信參數(shù) 串行通信中，交換數(shù)據(jù)的雙方利用傳輸在線路上的電壓變化來達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的，但是如何從不斷改變的電壓狀態(tài)中解析出其中的信息，就需要雙方共同決定才行，即需要說明通信雙方是如何發(fā)送數(shù)據(jù)和命令的。因此，雙方為了進(jìn)行通信，必須要遵守一定的通信規(guī)則，這個(gè)通信的規(guī)則就體現(xiàn)在對(duì)通信端口的初始化的參數(shù)上。 數(shù)據(jù)的傳輸速度：波特率（Baud Rate） 數(shù)據(jù)的發(fā)送單位：如ASCII碼8個(gè)位形成一個(gè)字符 起始位及停止位：起始位固定為1個(gè)位，而停止位則有1、1.5及2個(gè)位等多種選擇。 校驗(yàn)位的檢查：為了預(yù)防錯(cuò)誤的產(chǎn)生，使用了校驗(yàn)位作為

13、檢查的機(jī)制。可根據(jù)實(shí)際需要選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)。2、流量控制 所謂的流量控制，是為了保證傳輸雙方都能正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)而不會(huì)漏失。如果發(fā)送的速度大于接收的速度，而接收端的處理器來不及處理，則接收緩沖區(qū)在一定時(shí)間后會(huì)溢出，造成以后發(fā)送來的數(shù)據(jù)無法進(jìn)入緩沖區(qū)而漏失。解決這個(gè)問題的方法是讓接收方通知發(fā)送端何時(shí)發(fā)送以及何時(shí)停止發(fā)送。 流量控制又稱為握手（Hand Shaking），常用的方式有：硬件握手和軟件握手兩種。 3、RS-232接口特性 （1）RS-232接口特性 RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)所定義的內(nèi)容屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO所制訂的開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型中的最低層物理層所定義的內(nèi)容。 R

14、S232C接口規(guī)范的內(nèi)容包括連接電纜和機(jī)械特性、電氣特性、功能特性和過程特性四個(gè)方面。 機(jī)械特性:主要定義物理連接的邊界點(diǎn)，即接插裝置。規(guī)定物理連接時(shí)所采用的規(guī)格、引腳的數(shù)量和排列情況。電氣特性:規(guī)定傳輸二進(jìn)制位時(shí)，線路上信號(hào)的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制。功能特性:主要定義各條物理線路功能和電平電壓表示何種意義。規(guī)程特性:主要定義各條物理線路的工作規(guī)程和時(shí)序關(guān)系 （2）RS-232串行通信 RS-232C被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地 。傳送距離最大為約15米，最高速率為20k

15、bps。RS-232C是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通信而設(shè)計(jì)的，所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。RS-232-C物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。 機(jī)械特性 25芯連接器， DTE （Data Terminal Equipment）為終端， DCE（Data Circuit-terminating Equipment）連接。 電氣特性 采用非平衡型電氣特性，低于-3V為“1”，高于+4V為 “0”，最大 20Kbps，最長(zhǎng)15m。 非平衡傳輸（unbalanced transmission）：所有電路共享一個(gè)公用的地線。 平衡傳輸（balanced transmission）：每個(gè)主要電路需要兩根

16、線，沒有公用的地線。 功能特性 定義了21條線，許多子集，基本與CCITT V.24兼容 規(guī)程特性 對(duì)不同的功能子集，有不同的規(guī)程。 RS-232-C 有14中不同的接口類型，適合于單工，半雙工，全雙工，同步，異步4、RS-422與RS-485串行接口 （1）RS-422串行接口 為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100Kbps時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。 RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道

17、，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對(duì)單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn)。 （2）RS-485串行接口 為擴(kuò)展RS-422串行通信應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍 。 RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有所改進(jìn)，無論四線還

18、是二線連接方式，總線上可連接的設(shè)備最多不超過32個(gè)。RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓共模范圍 。 為了提高RS-485總線通信距離，可以采用增加中繼的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。 RS-485總線電纜在一般場(chǎng)合采用普通的雙絞線就可以，在要求比較高的環(huán)境下可以采用帶屏蔽層的同軸電纜。RS-485需要2個(gè)終端電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時(shí)可不需終端電阻，即一般在300米以下不需終端電阻，終端電阻接在傳輸總線的兩端。RS-232、RS-422與RS-485等串行接口標(biāo)準(zhǔn)不涉及通信協(xié)議，用戶可以在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議。 5、RS-485網(wǎng)絡(luò)的主從式通信 （

19、1）主從式協(xié)議 主從協(xié)議是RS-485網(wǎng)絡(luò)中常用的通信協(xié)議。網(wǎng)段中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被指定為主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制該網(wǎng)段上的所有通信連接。為保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)傳送數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)通常對(duì)從節(jié)點(diǎn)依次逐一輪詢，形成嚴(yán)格的周期性報(bào)文傳輸。主節(jié)點(diǎn)不停地傳送報(bào)文給從節(jié)點(diǎn)，并等待相應(yīng)從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答報(bào)文。 從節(jié)點(diǎn)如果收到了一個(gè)正確無誤的報(bào)文，而且報(bào)文中的地址與自己的節(jié)點(diǎn)地址相同，則需要應(yīng)答，才能得到報(bào)文發(fā)送的機(jī)會(huì)。如果主節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到了應(yīng)答報(bào)文，就表明主從節(jié)點(diǎn)之間已經(jīng)建立了連接，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對(duì)485總線的占用進(jìn)行管理，任一時(shí)刻只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送報(bào)文。從節(jié)點(diǎn)只有得到主節(jié)點(diǎn)

20、許可才可以發(fā)送報(bào)文，從節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信。 許多RS485總線網(wǎng)絡(luò)采用主從協(xié)議管理網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的占用進(jìn)行管理，任一時(shí)刻都只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送報(bào)文。所有從節(jié)點(diǎn)只有在得到主節(jié)點(diǎn)許可時(shí)才能有報(bào)文發(fā)送的機(jī)會(huì)。采用主從式協(xié)議時(shí)從節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信。 （2）通用串行 通用串行協(xié)議（universal serial protocol）是一種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它采用串行通信和主從式介質(zhì)訪問控制方式，實(shí)現(xiàn)自控設(shè)備間通信。其總線操作過程與PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線基本相同。通用串行協(xié)議有以下主要特點(diǎn)： 采用EIA-485接口，支持多點(diǎn)通信連接，一個(gè)網(wǎng)段最多能連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用主

21、從訪問技術(shù)，構(gòu)成單主控制網(wǎng)絡(luò)。報(bào)文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。報(bào)文長(zhǎng)度可變，也可固定，配置靈活。通信速率可根據(jù)實(shí)際情況選擇9600bps、19.2Kbps、38.4 Kbps、93.75 Kbps及187.5 Kbps。 通用串行協(xié)議既可以像其他主從協(xié)議那樣，由主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的輪詢組成周期性的報(bào)文通信。 通用串行協(xié)議還支持廣播式通信。在廣播模式下，主節(jié)點(diǎn)給總線上所有從節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，報(bào)文地址域的字段無效，從節(jié)點(diǎn)無需對(duì)收到的廣播報(bào)文發(fā)應(yīng)答信息。 6、串口服務(wù)器 串行通信接口是大量的自動(dòng)化儀表和控制裝置的基本通信接口，在自動(dòng)化領(lǐng)域仍然廣泛使用。計(jì)算機(jī)的串口數(shù)量有限，雖然可以采用串口擴(kuò)展卡來增加PC的串口數(shù)量，但

22、它要占用主機(jī)資源，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)連接的終端數(shù)目和距離有限。隨著企業(yè)信息化的要求不斷提高以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，些串口設(shè)備與信息網(wǎng)絡(luò)連接也變得十分迫切。 通過串口服務(wù)器設(shè)備制造廠家自帶的軟件，可以把計(jì)算機(jī)之外的接口虛擬到計(jì)算機(jī)上，成為計(jì)算機(jī)的一個(gè)串口，應(yīng)用程序可以象使用計(jì)算機(jī)上自帶的串口一樣用使用這些虛擬出來的串口。串口服務(wù)器通常帶有1個(gè)10/100M網(wǎng)絡(luò)接口和1個(gè)或多個(gè)異步RS-232/RS-485串行接口。 串口服務(wù)器不占用主機(jī)資源，且具有終端服務(wù)器的功能，可將現(xiàn)有的傳統(tǒng)的串口設(shè)備立即轉(zhuǎn)換成具備網(wǎng)絡(luò)接口的外設(shè) 圖2.3 基于RS485總線串口設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接 串口服務(wù)器應(yīng)用方式（a）

23、串口設(shè)備共用一個(gè)串口服務(wù)器 （b） 每個(gè)串口設(shè)備配一個(gè)串口服務(wù)器圖2.4 串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式四、MODBUS通信協(xié)議 （1）概述Modbus 協(xié)議是一種Modicon 公司開發(fā)的通信協(xié)議，最初目的是實(shí)現(xiàn)可編程控制器之間的通信。改進(jìn)的Modbusplus（MB+）網(wǎng)絡(luò)，可連接32 個(gè)結(jié)點(diǎn)，利用中繼器可擴(kuò)至64 個(gè)結(jié)點(diǎn)。 該協(xié)議逐漸被認(rèn)可，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，只要按照這種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊或傳輸，不同的系統(tǒng)就可以通訊。 1、協(xié)議概述 Modbus 協(xié)議定義了一種公用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它制定了信息幀的格式，描述了服務(wù)端請(qǐng)求訪問其它設(shè)備等客戶端的過程，如怎樣回應(yīng)來自其它設(shè)

24、備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。通過Modbus 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，必須清楚每個(gè)控制器的設(shè)備地址，根據(jù)每個(gè)設(shè)備地址來決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并按照Modbus 協(xié)議發(fā)出。 （2）主從查詢回應(yīng) Modbus 協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus 協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、要返回的數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢測(cè)域。 主設(shè)備的查詢消息設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)段錯(cuò)誤檢測(cè)從設(shè)備的回應(yīng)消息設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)段錯(cuò)誤檢測(cè)圖2.5 主從查詢-回應(yīng)周期表 2、常用Modbus 協(xié)議 （1）Modbus 協(xié)議消息幀

25、的定義 常用的Modbus 通訊協(xié)議有兩種報(bào)文幀格式，一種是Modbus ASCII，一種是ModbusRTU。一般來說，通訊數(shù)據(jù)量少采用Modbus ASCII協(xié)議，通訊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制數(shù)值時(shí)，多采用Modbus RTU 協(xié)議。（2）Modbus /TCP Modbus/TCP 是Modbus 協(xié)議族中的新成員，它是建立在標(biāo)準(zhǔn)的TCP 協(xié)議基礎(chǔ)上的Modbus 協(xié)議擴(kuò)展。借助于TCP 對(duì)Internet 的支持，可以實(shí)現(xiàn)PLC、I/O 模塊和其他控制設(shè)備的透明連接，為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的軟硬件開發(fā)商提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的設(shè)備信息通訊標(biāo)準(zhǔn)。 五、SCADA系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1、通信網(wǎng)絡(luò)概述通信網(wǎng)

26、絡(luò)是用各種通信手段和一定的連接方式，將終端設(shè)備、傳輸系統(tǒng)、交換系統(tǒng)等連接起來的通信整體，或由一些彼此關(guān)聯(lián)的分系統(tǒng)組成的完整的通信系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成要素是終端設(shè)備、傳輸鏈路、轉(zhuǎn)接交換設(shè)備及接入部分。除了這些硬件設(shè)備外，為了保證網(wǎng)絡(luò)能正確合理的運(yùn)行，用戶間快速接續(xù)，并有效地相互交換信息，達(dá)到通信質(zhì)量一致，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和信息透明性等要求，還必須有管理網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的軟件，如標(biāo)準(zhǔn)、信令、協(xié)議等。 按照能實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)種類不同，通信網(wǎng)可以劃分為電話通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)以及綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)；按照網(wǎng)絡(luò)所服務(wù)的范圍不同，通信網(wǎng)可以分為本地網(wǎng)、長(zhǎng)途網(wǎng)及國(guó)際網(wǎng)；按照傳輸介質(zhì)的不同，通信網(wǎng)可以分為微

27、波通信網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)及無線通信網(wǎng)；按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，通信網(wǎng)可以分為線形、環(huán)形、星形、網(wǎng)形和復(fù)合形等基本結(jié)構(gòu)形式。 2、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分類 （1 1）網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四種，分別是星形、環(huán)形、總線形和樹形。 圖2.6 星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 圖2.7 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 圖2.8 總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 圖2.9 樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（2）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類 對(duì)于SCADA系統(tǒng)來說，按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的大小來分類比較合適，通?？梢苑譃榫钟蚓W(wǎng)城域網(wǎng)廣域網(wǎng) 局域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機(jī)關(guān)、覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機(jī)關(guān)、校園、工廠等有限范圍

28、內(nèi)的計(jì)算機(jī)、終端與各校園、工廠等有限范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)、終端與各類信息處理設(shè)備連網(wǎng)的需求；類信息處理設(shè)備連網(wǎng)的需求；提供高數(shù)據(jù)傳輸速率（提供高數(shù)據(jù)傳輸速率（10Mb/s10Gb/s）、）、低誤碼率的高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境；低誤碼率的高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境；一般屬于一個(gè)單位所有，易于建立、維護(hù)與擴(kuò)一般屬于一個(gè)單位所有，易于建立、維護(hù)與擴(kuò)展；展；從介質(zhì)訪問控制方法的角度，局域網(wǎng)可分為共從介質(zhì)訪問控制方法的角度，局域網(wǎng)可分為共 享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)兩類。享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)兩類。局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域個(gè)人計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)個(gè)人計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)大型計(jì)算設(shè)備群的后端網(wǎng)絡(luò)大型計(jì)算設(shè)備群的后端網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)

29、絡(luò)辦公室與實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)辦公室與實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)企業(yè)與學(xué)校的主干網(wǎng)企業(yè)與學(xué)校的主干網(wǎng) 城域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn) 城域網(wǎng)是介于廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的一種高速城域網(wǎng)是介于廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的一種高速網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)； 城域網(wǎng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要滿足幾十公里范圍內(nèi)的城域網(wǎng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要滿足幾十公里范圍內(nèi)的大量企業(yè)、機(jī)關(guān)、公司的多個(gè)局域網(wǎng)互連的需大量企業(yè)、機(jī)關(guān)、公司的多個(gè)局域網(wǎng)互連的需求；求； 實(shí)現(xiàn)大量用戶之間的數(shù)據(jù)、語音、圖形與視頻實(shí)現(xiàn)大量用戶之間的數(shù)據(jù)、語音、圖形與視頻等多種信息的傳輸功能；等多種信息的傳輸功能； 城域網(wǎng)在技術(shù)上與局域網(wǎng)相似。城域網(wǎng)在技術(shù)上與局域網(wǎng)相似。廣域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)廣域網(wǎng)也稱為遠(yuǎn)程網(wǎng)；廣域網(wǎng)也稱為遠(yuǎn)程網(wǎng)；

30、覆蓋的地理范圍從幾十公里到幾千公里；覆蓋的地理范圍從幾十公里到幾千公里；覆蓋一個(gè)國(guó)家、地區(qū)，或橫跨幾個(gè)洲，形成國(guó)覆蓋一個(gè)國(guó)家、地區(qū)，或橫跨幾個(gè)洲，形成國(guó)際性的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)；際性的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)；通信子網(wǎng)主要使用分組交換技術(shù)；通信子網(wǎng)主要使用分組交換技術(shù)；它將分布在不同地區(qū)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來，它將分布在不同地區(qū)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來，達(dá)到資源共享的目的。達(dá)到資源共享的目的。最大的廣域網(wǎng)是最大的廣域網(wǎng)是internetinternet。三者的區(qū)別從設(shè)備中，一般局域網(wǎng)從設(shè)備中，一般局域網(wǎng)/ /城域網(wǎng)用網(wǎng)橋、集線器，城域網(wǎng)用網(wǎng)橋、集線器，hubhub等，而廣域等，而廣域網(wǎng)的交換設(shè)備是交換機(jī)和路由器；網(wǎng)的交換設(shè)備

31、是交換機(jī)和路由器；3、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是數(shù)據(jù)通信的物理通路，是信號(hào)從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備傳遞所經(jīng)過的媒介，是通信系統(tǒng)中傳送信息的載體，也是通信系統(tǒng)重要的硬件設(shè)備之一。 SCADA系統(tǒng)中，通常采用多種類型的傳輸介質(zhì)，既有有線介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纖等，也有無線傳輸介質(zhì)，如電磁波、紅外線、微波。（1 1）有線傳輸介質(zhì)）有線傳輸介質(zhì)A:雙絞線 雙絞線（Twisted Pair,TP）是模擬數(shù)據(jù)及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)傳輸最通用的傳輸介質(zhì)。雙絞線采用了一對(duì)互相絕緣的導(dǎo)體以螺旋形式相互纏繞而成的，線芯一般是銅線。將兩根導(dǎo)線纏繞在一起，可以使它們發(fā)射和接收的電磁干擾相互抵消。 雙絞線按其電氣特性而進(jìn)行分級(jí)或

32、分類，一般分為:屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，STP）非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP） 屏蔽雙絞線在雙絞線與外層絕緣封套之間有一個(gè)金屬屏蔽層。 常用的雙絞線包括3類線和5類線。3類線是由兩根擰在一起的線構(gòu)成，一般在塑料外殼里有4對(duì)這樣的線，外殼起到保護(hù)和約束的作用；5類雙絞線比3類雙絞線擰得更密、更絕緣，這使得它傳輸信號(hào)的距離更長(zhǎng)，傳輸質(zhì)量更好。局域網(wǎng)中最常用的雙絞線一般都是非屏蔽的5類4對(duì)（即8根導(dǎo)線）的電纜線，這種電纜線的傳輸速率可達(dá)到100Mbps。 B:同軸電纜 雙絞線同軸電纜（Coaxial Cable）是SCADA系統(tǒng)

33、中主干傳輸線路上廣泛使用的一種傳輸介質(zhì)，它可以攜帶較高頻率的載波信號(hào)，其頻率范圍為100kHz500MHz。 同軸電纜是按照“同軸”形式構(gòu)成線對(duì)，最里層是內(nèi)芯，向外依次為絕緣層、屏蔽層，最外層則是起屏蔽作用的塑料外殼，內(nèi)芯和屏蔽層構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)體。 同軸電纜根據(jù)其直徑大小可以分為粗同軸電纜與細(xì)同軸電纜。粗纜適用于比較大型的局部網(wǎng)絡(luò)，它的標(biāo)準(zhǔn)距離長(zhǎng)，可靠性高，安裝時(shí)不需要切斷電纜，可以根據(jù)需要靈活調(diào)整計(jì)算機(jī)的入網(wǎng)位置。但粗纜網(wǎng)絡(luò)必須安裝收發(fā)器電纜，安裝難度大，所以總體造價(jià)高。細(xì)纜安裝則比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝中要切斷電纜，在兩端裝上BNC網(wǎng)絡(luò)連接頭，然后接在T型連接器兩端。 C:光纖 光纖是一種光傳輸介質(zhì)，是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。它是一種能夠傳導(dǎo)光信號(hào)的極細(xì)而柔軟的傳輸介質(zhì)。光纖由光纖芯和包層兩部分組成。纖芯與包層是兩種光學(xué)性質(zhì)不同的物