DCS及現(xiàn)場總線技術(shù)第5章詳解課件

1、第5章DCS數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)DCS及現(xiàn)場總線技術(shù)第5章 DCS數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)5.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念5.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)5.3 DCS的網(wǎng)絡(luò)通信5.4 DCS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備5.5 典型DCS的通信網(wǎng)絡(luò)5.6 控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)31信息 信息是對(duì)客觀事物屬性和特性的表征。 信息是字母、數(shù)字及符號(hào)的集合，其載體可以是數(shù)字、文字、語音、視頻和圖像等。2數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是指數(shù)字化的信息。 數(shù)據(jù)是裝載信息的實(shí)體，信息則是數(shù)據(jù)的內(nèi)在含義或解釋。 數(shù)據(jù)兩種類型：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（離散）和模擬數(shù)據(jù)（連續(xù)）5.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念5.1.1基本術(shù)語3信號(hào) 數(shù)據(jù)通信中信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電磁波的表示形式。 信號(hào)有兩種

2、表示形式：模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)。4信道 信道是信息從信息的發(fā)送地傳輸?shù)叫畔⒔邮盏氐囊粋€(gè)通路。5.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成5源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)公共電話網(wǎng)發(fā)送器源點(diǎn)PC機(jī)接收器傳輸系統(tǒng)終點(diǎn)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)1）數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率是指傳輸線路上信號(hào)的傳輸速度。它有兩種表示形式：信號(hào)速率和調(diào)制速率。(1)信號(hào)速率是指每秒傳輸二進(jìn)制代碼的比特位數(shù)， (2)調(diào)制速率指單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。若信號(hào)碼元寬度為T，則碼元速率B=1/T。碼元速率也叫波特率。2）誤碼率通常把信號(hào)傳輸中的錯(cuò)誤率稱為誤碼率，它是衡量差錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)。6

3、2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)3）信道容量 指傳輸信息的最大能力，通常用單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)來表示。信道容量由信道的頻帶F和可使用的時(shí)間T及能通過的信號(hào)功率與干擾功率之比決定。 4）信道帶寬 通信系統(tǒng)中帶寬是指在給定的范圍內(nèi)可用于傳輸?shù)淖罡哳l率與最低頻率的差值。 75.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方法（分類）1模擬傳輸與數(shù)字傳輸 模擬通信系統(tǒng)信道上傳輸?shù)男盘?hào)是模擬信號(hào)。一般要經(jīng)過調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制方式再通過信道進(jìn)行傳輸。 數(shù)字通信系統(tǒng)應(yīng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼，使其變成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過調(diào)制器將其基帶信號(hào)調(diào)制成寬帶信號(hào)進(jìn)行傳輸。在信道上傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)。 82串行傳輸與并行傳輸按使用信道的多少

4、來劃分：串行傳輸：要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編成數(shù)據(jù)流，在一條串行信道上進(jìn)行傳輸，一次只傳輸一位二進(jìn)制數(shù)，接收方再把數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。 同步問題 串行傳輸優(yōu)點(diǎn)只占用一條信道，易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用廣泛。92串行傳輸與并行傳輸10串行通信方式發(fā)送端接收端發(fā)送端接收端01010001543217860101001054321786并行通信方式并行傳輸：數(shù)據(jù)以組為單位在各個(gè)并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。3同步傳輸與異步傳輸按照通信雙方協(xié)調(diào)方式的不同劃分：為保證發(fā)送的信息能夠被正確無誤地接收，要求接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個(gè)碼元的起止時(shí)間和重復(fù)頻率來接收數(shù)據(jù)，即收發(fā)雙方在時(shí)間上必須取得一致。 “同步”技術(shù)113同步傳輸與異步傳

5、輸異步傳輸中，信息以字符為單位進(jìn)行傳輸，每個(gè)信息字符都具有自己的起始位和停止位，一個(gè)字符中的各個(gè)位是同步的，但字符與字符之間的時(shí)間間隔是不確定的。同步傳輸中，信息不是以字符而是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｍㄐ畔到y(tǒng)中有專門用來使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步的時(shí)鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續(xù)工作，并且保持一定的相位關(guān)系。在這一組數(shù)據(jù)或一個(gè)報(bào)文之內(nèi)不需要啟停標(biāo)志，所以可以獲得較高的傳輸速度。*124基帶傳輸與頻帶傳輸 按照數(shù)據(jù)是否經(jīng)過調(diào)制處理后傳輸劃分： 1）基帶傳輸 數(shù)字通信信道上直接傳送數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)稱做基帶傳輸。人們把方波固有的頻帶稱為基帶。方波電信號(hào)稱為基帶信號(hào)。 134基帶傳輸與頻帶傳輸 2）載

6、帶傳輸： 基帶傳輸不適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。用基帶信號(hào)調(diào)制載波之后，在信道上傳輸調(diào)制后的載波信號(hào)載帶傳輸。 3）寬帶傳輸 寬帶傳輸就是通過多路復(fù)用的方法把較寬的傳輸介質(zhì)的帶寬分割成幾個(gè)子信道來達(dá)到同時(shí)多路信息的傳輸模式。145單工通信與雙工通信按照通信雙方信息交互的方式劃分：1）單工：數(shù)據(jù)任何時(shí)間只能沿單方向傳輸2）半雙工：數(shù)據(jù)信息可以交替雙向傳輸3）全雙工：信息可以同時(shí)雙向傳輸15發(fā)送（a）接收單向通道雙向通道雙向通道發(fā)送發(fā)送發(fā)送發(fā)送接收接收接收接收（b）（c）5.2數(shù)據(jù)通信技術(shù)1數(shù)字信號(hào)模擬傳輸?shù)木幋a165.2.1 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)字信號(hào)1(a)調(diào)幅(b)調(diào)頻(c)調(diào)相11100002模擬信號(hào)

7、數(shù)字傳輸?shù)木幋a數(shù)字通信具有抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累、易加密等特點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)通過數(shù)字信道傳輸其操作分：采樣、量化和編碼 170.920.90.280.30.560.61.081.11.521.51.50.130.10.270.30.70.50.30.101.11.30.9D5D4D3D2D1D7D6樣本量化級(jí)編碼脈沖編碼D130011 D230011 D360110 D4111011 D5151111 D691001 D710001 3.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼18二進(jìn)制數(shù)據(jù)1(a) NRZ碼(b) Manchester編碼(c) 差分Manchester編碼00101001105.2.2 多路復(fù)用技術(shù)1頻

8、分多路復(fù)用FDM） 將具有較大帶寬的線路頻帶劃分為若干個(gè)頻率范圍，每個(gè)頻帶之間留出適當(dāng)?shù)念l率范圍，以減少信號(hào)間的相互干擾。把多路信號(hào)以不同載波頻率進(jìn)行調(diào)制，各載波頻率相互獨(dú)立，使各信號(hào)帶寬不發(fā)生混疊，從而使同一通信媒體（線路）可以同時(shí)傳輸多路信號(hào)。頻分多路復(fù)用較適合用于模擬通信，例如載波通信。 19多路復(fù)用器頻率下限頻率上限通道12143ABCD多路復(fù)用器通道2通道3通道42時(shí)分多路復(fù)用（TDM）若（信道）允許的傳輸速率大大超過每路信號(hào)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，就可利用信號(hào)時(shí)間上的交叉，在同一通信媒體傳輸多路信號(hào)。將各路傳輸信號(hào)按時(shí)間進(jìn)行分割，即把每個(gè)單位傳輸時(shí)間劃分為許多時(shí)間片（時(shí)隙），每路信號(hào)使

9、用其中之一進(jìn)行傳輸。就可使多路信號(hào)在不同時(shí)隙內(nèi)輪流、交替地使用物理信道進(jìn)行傳輸。20時(shí)分多路復(fù)用器時(shí)間112211333333322222時(shí)分多路復(fù)用器1111）同步時(shí)分多路復(fù)用（STDM） 按固定順序把時(shí)間片（時(shí)隙）分給各路信道，接收端只嚴(yán)格同步的按時(shí)間片（時(shí)隙）分割方法進(jìn)行信號(hào)分割和復(fù)原。該方法不考慮所分配信道有否數(shù)鋸要發(fā)送，因此，當(dāng)某路沒數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)會(huì)造成信道資源浪費(fèi)。212）異步時(shí)分多路復(fù)用（ATDM） 只有當(dāng)某路信道有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才分配時(shí)間片（時(shí)隙）給它。為使接收端了解數(shù)據(jù)來自什么發(fā)送站等，在所送數(shù)據(jù)中需加入發(fā)送站、接收站等附加信息。 時(shí)分多路適用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，且具有較強(qiáng)抗干擾性、易

10、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)接及集成化在DCS中得到了廣泛的應(yīng)用。225.2.3 通信交換技術(shù)為了降低網(wǎng)絡(luò)成本，網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間并不一定存在一條通信媒體（線路）。通信站之間的通信需要通過中間節(jié)點(diǎn)，把數(shù)據(jù)從源地址發(fā)送到目的地址。這些中間節(jié)點(diǎn)只提供一個(gè)交換設(shè)備，用它把數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。把希望通信的設(shè)備稱為站（station）把提供通信的設(shè)備稱為節(jié)點(diǎn)（node） 常用通信交換技術(shù)：線路交換、報(bào)文交換和分組交換。231線路交換 （Circuit Switching）此方式通信過程分三個(gè)階段：1）線路建立階段：通過網(wǎng)絡(luò)在A站與B站之間建立線路連接，即首先發(fā)送“連接請(qǐng)求包”。“連接請(qǐng)求包”內(nèi)含有需要建立

11、線路連接的源地址與目的地址。2）數(shù)據(jù)傳輸階段：通過該連接，實(shí)時(shí)、雙向交換或報(bào)文分組。3）線路釋放階段：數(shù)據(jù)傳輸完成后，進(jìn)入線路釋放階段，結(jié)束此次通信。241線路交換 （Circuit Switching）特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)為交換設(shè)備，完成輸入與輸出線路的物理連接兩臺(tái)主機(jī)間建立起此次通信所專有的直接物理線路連接。 節(jié)點(diǎn)交換設(shè)備不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不能改變數(shù)據(jù)內(nèi)容，不具備差錯(cuò)控制能力。優(yōu)點(diǎn)：通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用交互式通信。缺點(diǎn)：對(duì)突發(fā)性通信不適應(yīng)，線路傳輸效率往往很低，系統(tǒng)效率偏低。252報(bào)文交換（Message Switching） 報(bào)文交換存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)交換。發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按一定格式組成一個(gè)

12、數(shù)據(jù)單元報(bào)文(信息的一個(gè)邏輯單位)。當(dāng)一個(gè)站發(fā)送報(bào)文時(shí)，相關(guān)通信站點(diǎn)的通信處理器要完成報(bào)文的接受、差錯(cuò)校驗(yàn)、暫存、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功能，使報(bào)文從一個(gè)節(jié)點(diǎn)送到另一節(jié)點(diǎn)，直到目的站。262報(bào)文交換（Message Switching）優(yōu)點(diǎn)：1）節(jié)點(diǎn)通信控制可以存儲(chǔ)報(bào)文，且需要輸出的線路空閑時(shí)整個(gè)報(bào)文才能轉(zhuǎn)發(fā)。故多個(gè)報(bào)文可分時(shí)共享一條節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的信道，提高了線路利用率。2）報(bào)文交換時(shí)中間節(jié)點(diǎn)要對(duì)報(bào)文進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)和糾錯(cuò)處理，可以減少傳輸錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。3）節(jié)點(diǎn)通信控制具有路選功能，可以動(dòng)態(tài)選擇報(bào)文通過網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸效率。*273分組交換（Packet Switching）報(bào)文

13、分成若干長度較短的分組，以分組為單位進(jìn)行發(fā)送、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。分組長度比報(bào)文要短得多，差錯(cuò)檢錯(cuò)容易，糾錯(cuò)時(shí)間較少，有利于提高存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間的利用率和傳輸效率，從而大大縮短信息傳輸過程中的延滯時(shí)間。283分組交換（Packet Switching）由于增加了分組附加信息，所以增加了信道開銷。主要特征基于標(biāo)記：不先建立連接而隨時(shí)可發(fā)送數(shù)據(jù)的交換方式，稱為無連接交換。2910100111010首部首部首部數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送在前00101001110報(bào)文分組分組分組 優(yōu)點(diǎn)：1）高效：動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路是逐段占用。2）靈活：結(jié)點(diǎn)均有智能，為每個(gè)分組獨(dú)立地選擇轉(zhuǎn)發(fā)路由。3）迅速：以分組作為傳送單

14、位，不先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組。4）可靠：完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。節(jié)點(diǎn)處理分組的過程：收到的分組先放入緩存，再查找轉(zhuǎn)發(fā)表，后由交換機(jī)構(gòu)從緩存中將該分組取出，傳遞給適當(dāng)端口轉(zhuǎn)發(fā)。3031電路交換報(bào)文交換呼叫階段分組交換數(shù)據(jù)傳送t報(bào)文報(bào)文P1A報(bào)文報(bào)文P2P3P4P1P2P3P4P1P2P3P4BCDABCDABCD(a)線路交換(b)報(bào)文交換(c)報(bào)文分組交換數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)各個(gè)分組被獨(dú)立地處理，稱為數(shù)據(jù)報(bào)。它們可經(jīng)不同的路徑轉(zhuǎn)送到目的站，到達(dá)的次序和發(fā)送的次序可以不同，然后接收站按發(fā)送站發(fā)送次序排列。虛電路服務(wù)與電路交換有些相似，在發(fā)送分組信息以前，先要在發(fā)送站與接收站之間建立

15、一條邏輯的通路，稱為虛電路。每個(gè)分組除了信息數(shù)據(jù)外還附有虛電路標(biāo)識(shí)符，從而不需路由選擇判別就能引導(dǎo)分組送達(dá)有關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳輸結(jié)束需拆除虛電路。虛電路建立的邏輯鏈路不像電路交換是專用的，它還可為其他站分享。 32分組交換分類：5.2.4 差錯(cuò)控制技術(shù)1差錯(cuò)產(chǎn)生的原因1）噪聲干擾 （1）熱噪聲由傳輸介質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。干擾是固有的、持續(xù)存在的，幅度較小，對(duì)傳輸信號(hào)的影響較弱。提高信噪比是消除這類干擾的有效辦法。 （2）沖擊噪聲由外界電磁場干擾信號(hào)引起。干擾信號(hào)出現(xiàn)無規(guī)律，幅度較大，是引起傳輸差錯(cuò)的主要原因。加強(qiáng)屏蔽手段和采用合理的信號(hào)調(diào)制方法可減少?zèng)_擊噪聲影響。331.差錯(cuò)產(chǎn)生的原因2）傳輸失真 信號(hào)

16、在物理信道上，線路本身電氣特性隨機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變和衰減所引起的差錯(cuò)。 3）反射干擾 信號(hào)在線路上傳輸時(shí)，由于未按傳輸介質(zhì)的特性阻抗匹配鏈接，產(chǎn)生反射所造成的差錯(cuò)。 4）線間干擾 相鄰線路之間的電磁感應(yīng)引起的串線干擾。34 1）采用高質(zhì)量的通信線路 選高質(zhì)量通信線路有利于減少內(nèi)部噪聲的影響，從而減少相應(yīng)差錯(cuò)產(chǎn)生。這種方法對(duì)減少外部噪聲的影響改善不明顯，且高質(zhì)量的線路造價(jià)成本高。 2）采用差錯(cuò)控制方法 差錯(cuò)控制：數(shù)據(jù)通信過程中，檢測及糾正差錯(cuò)，把差錯(cuò)限制在數(shù)據(jù)傳輸所允許、盡可能小范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。 差錯(cuò)控制編碼是一種有效的差錯(cuò)控制方法，即對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾編碼，用以實(shí)現(xiàn)差

17、錯(cuò)控制的目的。 352. 差錯(cuò)控制技術(shù)常用的差錯(cuò)檢驗(yàn)方法奇偶校驗(yàn) 奇偶校驗(yàn)是一種經(jīng)常使用的比較簡單的校驗(yàn)技術(shù)。所謂奇偶校驗(yàn)，就是在每個(gè)碼組之內(nèi)附加一個(gè)校驗(yàn)位，使得整個(gè)碼組中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。奇偶校驗(yàn)碼是最常見的檢錯(cuò)碼，可分為垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)和水平垂直奇偶校驗(yàn)3種方式。漢明校驗(yàn) 漢明校驗(yàn)不像奇偶校驗(yàn)?zāi)菢觾H設(shè)置一位校驗(yàn)碼，而是設(shè)置若干校驗(yàn)碼，其中每個(gè)校驗(yàn)位有一定的校驗(yàn)范圍，按多個(gè)校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)。3637常用的差錯(cuò)檢驗(yàn)方法循環(huán)冗余校驗(yàn) 循環(huán)冗余校驗(yàn)的編碼和譯碼主要是做模2除法運(yùn)算，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則余數(shù)不為0，且錯(cuò)位與余數(shù)之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可據(jù)余數(shù)的數(shù)值進(jìn)行糾錯(cuò)

18、。檢錯(cuò)功能較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)容易。目前廣泛應(yīng)用的糾錯(cuò)編碼。5.2.5工業(yè)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn) 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)工業(yè)計(jì)算機(jī)、儀表和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程控制和管理。特點(diǎn)：1實(shí)時(shí)性好 主要數(shù)據(jù)通信信息是實(shí)時(shí)過程和操作信息，控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有良好的實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快.(快速響應(yīng)要求的開關(guān)、閥門或電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其響應(yīng)時(shí)間都在毫秒級(jí))2可靠性高 控制網(wǎng)絡(luò)必須能夠連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，任何暫時(shí)的中斷和故障都會(huì)造成巨大損失。DCS通常采用冗余技術(shù)等措施來提高系統(tǒng)的可靠性。 385.2.5工業(yè)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)3適應(yīng)惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境 運(yùn)行在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有強(qiáng)抗擾性，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和接地電位差干

19、擾。并采取差錯(cuò)控制等軟件手段，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。4開放系統(tǒng)互連 為使不同類型的DCS能夠互相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該符合開放系統(tǒng)互連的標(biāo)準(zhǔn)，使異種計(jì)算機(jī)之間能夠互相連接。 395.3 DCS的網(wǎng)絡(luò)通信5.3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信面對(duì)著諸多問題通信介質(zhì)差異、硬件接口差異、主機(jī)系統(tǒng)差異、通信協(xié)議差異、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)差異、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)差異等。對(duì)于多樣復(fù)雜的情形，很難采用簡單方式來完成網(wǎng)絡(luò)通信。正如在程序設(shè)計(jì)中面對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行模塊化處理，處理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，同樣采用了一種模塊化處理方式分層結(jié)構(gòu)每層完成一個(gè)相對(duì)簡單的特定功能，通過各層協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信功能。401網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理網(wǎng)

20、絡(luò)體系結(jié)構(gòu)采用分層描述方法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信功能劃分為多個(gè)層次，每層各自完成一定任務(wù)，而且功能相對(duì)獨(dú)立。相鄰兩層由接口連接，以便實(shí)現(xiàn)功能過渡。接口使某層通過接口向上一層提供服務(wù)。依靠層間接口連接和各層特定功能，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，完成不同類別及要求的系統(tǒng)間信息傳遞。 411網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理分層優(yōu)點(diǎn)：各層之間是獨(dú)立的；靈活性好；結(jié)構(gòu)上可分割開；易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)；能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。42分層5原則 1）層次適度 若層次過少，層次功能就多，實(shí)現(xiàn)功能就相對(duì)困難；若層次過多，層次功能較少，但運(yùn)行開銷也將增加。 2）功能確定 根據(jù)功能來劃分層次，每個(gè)層次都有自己分工，而完成這些功能都有某種確定的方式。 43分層

21、5原則 3）層次獨(dú)立 每個(gè)層次工作方式不影響其他層次，一個(gè)層次內(nèi)部變化也不影響其他層次。 4）層次關(guān)聯(lián) 這個(gè)過程既是分工，也是合作。因而，相鄰層次間工作交代是必須的，相鄰層次間存在一種工作上的聯(lián)系。445）層次分合 層次的劃分根據(jù)實(shí)際需要來定，可合并，可分解，也可取消。兩個(gè)系統(tǒng)之間要進(jìn)行通信，還要具備下述條件： (1)層次對(duì)等 通信要求在對(duì)等層次上進(jìn)行，雙方要有完成相同功能的對(duì)等層次。 (2）層次協(xié)議 對(duì)等層次通信時(shí)，要遵守一系列共同的約定（協(xié)議）。 (3）層次接口 對(duì)等層次的通信，都是一方先把信息交代給本方下一層次，再由雙方下一層次的通信，將信息送達(dá)對(duì)方下一層次，再上交給對(duì)方同等層次。層次間

22、的信息傳遞途徑就是層次間的接口。452網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的基本概念1）層次（Layer) 一個(gè)復(fù)雜的通信過程分解成若干簡單的通信過程，每個(gè)簡單過程看作是一個(gè)層次。把網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)的功能分配到各個(gè)層次中，每個(gè)層次都能實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的功能，所有的層次共同實(shí)現(xiàn)最終的網(wǎng)絡(luò)功能。462）實(shí)體（Entity ) 每一層中的活動(dòng)元素稱為實(shí)體。實(shí)體可以是軟件實(shí)體（如一個(gè)進(jìn)程），也可以是硬件實(shí)體（如某種芯片）。3）協(xié)議（Protocol） 協(xié)議兩個(gè)通信實(shí)體在相同層次上都需要遵循的規(guī)則和約定。 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間大量的數(shù)據(jù)交換需要制定一系列的通信協(xié)議。47通信協(xié)議：一套語義、語法和時(shí)序的集合，用來規(guī)定實(shí)體在通信過程中的操作。

23、語義：規(guī)定需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動(dòng)作和做出何種應(yīng)答。語法：規(guī)定用戶數(shù)據(jù)和控制信息的結(jié)構(gòu)與格式。時(shí)序：規(guī)定事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。 語義、語法、時(shí)序構(gòu)成了通信協(xié)議的3要素，規(guī)定了通信實(shí)體要做什么，怎么做，何時(shí)做。482網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的基本概念4）接口（Interface) 接口是同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層次間交換信息的連接點(diǎn)，規(guī)定了相鄰層次實(shí)體間交換信息的規(guī)則。下層實(shí)體通過接口向上層實(shí)體提供服務(wù)。接口以一個(gè)或多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）的形式存在。5）服務(wù)（Service) 每一層通信協(xié)議都是在下一層通信協(xié)議提供的服務(wù)基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，服務(wù)是下層通過接口向上層提供的支持。6）數(shù)據(jù)單元（Data Uni

24、t ) 在層次環(huán)境中，對(duì)等實(shí)體按協(xié)議進(jìn)行通信，相鄰實(shí)體按服務(wù)進(jìn)行通信，這些通信都是以數(shù)據(jù)單元形式進(jìn)行的。495.3.2 OSI參考模型結(jié)構(gòu) 50主機(jī)表示層應(yīng)用層物理層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)話層網(wǎng)絡(luò)層主機(jī)傳輸介質(zhì)通信子網(wǎng)表示層應(yīng)用層物理層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)話層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層表示層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議物理層協(xié)議傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議會(huì)話層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議5.3.3 OSI參考模型各層的功能1物理層 規(guī)定了通信介質(zhì)、驅(qū)動(dòng)電路和接收電路之間接口的電氣特性和機(jī)械特性。 信號(hào)表示方法、通信介質(zhì)、傳輸速率、接插件規(guī)格及使用規(guī)則等。 2鏈路層 作用1：確定在某一時(shí)刻由哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制鏈

25、路，即鏈路使用權(quán)的分配。 作用2：確定比特級(jí)的信息傳輸結(jié)構(gòu)，規(guī)定了數(shù)據(jù)格式，還確定了檢錯(cuò)和糾錯(cuò)方式等513網(wǎng)絡(luò)層 通信中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間可能存在多條通信路徑。 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要功能：處理信息的傳輸路徑問題。4傳輸層 確認(rèn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸任務(wù)是否己經(jīng)正確完成。 信息的確認(rèn)、誤碼的檢測、信息的重發(fā)、信息的優(yōu)先級(jí)調(diào)度等。5會(huì)話層 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信任務(wù)進(jìn)行啟動(dòng)和停止調(diào)度。526表示層 進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換，它把通信系統(tǒng)所用的信息格式轉(zhuǎn)換成應(yīng)用層所需的信息格式。7. 應(yīng)用層 嚴(yán)格說它是應(yīng)用軟件的一部分內(nèi)容。作用是召喚低層協(xié)議為其服務(wù)。 在高級(jí)語言程序中它可能是向另一節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求獲得信息的語句 在功能塊程序

26、中可以是從控制單元中讀取過程變量的輸入功能塊。535.3.4 OSI參考模型的數(shù)據(jù)傳輸54主機(jī)A質(zhì)表示層應(yīng)用層物理層進(jìn)程a理傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)話層網(wǎng)絡(luò)層物介DU主機(jī)B進(jìn)程bDUPDUAPDUPPDUSPDUTPDUNBitsHAHSHPHTHNHDTD表示層應(yīng)用層物理層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)話層網(wǎng)絡(luò)層5.3.5 DCS的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)1PROWAY通信標(biāo)準(zhǔn) 不同DCS制造廠商的DCS若符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就能進(jìn)行相互通信。 PROWAY具有三個(gè)基本功能層： 1、鏈路控制層（PLC） 2、媒體存取控制層（MAC） 3、物理接收、發(fā)送層（PHY） PLC和MAC子層構(gòu)成參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，PHY子層對(duì)應(yīng)于參

27、考模型的物理層。555.4 DCS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備5.4.1通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1星型結(jié)構(gòu) 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過一條鏈路連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)上去。任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過中央節(jié)點(diǎn)。 在中央節(jié)點(diǎn)中，有一個(gè)“智能”開關(guān)裝置來接通兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信路經(jīng)。 因此，中央節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造是比較復(fù)雜，可靠性比較差，在DCS中應(yīng)用得較少。56所有節(jié)點(diǎn)通過鏈路組成一個(gè)環(huán)形。需要發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸。 當(dāng)信息到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)識(shí)別信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認(rèn)標(biāo)記，以便由發(fā)送節(jié)點(diǎn)清除。由于傳輸是單方向的，所以不存在確定信息傳輸路徑的問題，這可以

28、簡化鏈路的控制。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可以將該節(jié)點(diǎn)旁路，以保證信息暢通無阻。572環(huán)型結(jié)構(gòu) 所有的節(jié)點(diǎn)都共享一條公用的傳輸線路，所以每次只能由一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，信息由發(fā)送它的節(jié)點(diǎn)向兩端擴(kuò)散。此型又稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)。 某節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息之前，必須保證總線上沒有其他信息正在傳輸。它才能把信息送上總線。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)由詢問信息中鑒別出接收地址與自己的地址相符時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)便做好準(zhǔn)備，接收后面所傳送的信息。 總線結(jié)構(gòu)突出的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于擴(kuò)充。583總線型結(jié)構(gòu)5.4.2通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì) 1雙絞線 雙絞線最普通的通信介質(zhì)，適應(yīng)于低速傳輸場合，用來傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)，模擬傳輸時(shí)每56km要有一個(gè)放大器，數(shù)字傳輸

29、時(shí)每23km需要一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。雙絞線的最大帶寬約為100kHz1MHz，傳輸速率一般小于2Mbps。591雙絞線*60絕緣層聚氯乙烯套層銅芯聚氯乙烯套層絕緣層銅芯屏蔽層（a）（b）雙絞線特點(diǎn)：簡單、成本低、比較可靠，但高頻時(shí)損耗較大，傳輸距離不宜太長。2同軸電纜 由內(nèi)導(dǎo)體、中間支撐絕緣體、外屏蔽導(dǎo)體和外絕緣層構(gòu)成。同軸電纜分類：(1) 基帶同軸電纜（50同軸電纜），基帶同軸電纜專門用于數(shù)字傳輸，其傳輸速率可達(dá)10Mbps 。(2) 寬帶同軸電纜（75同軸電纜），寬帶同軸電纜既可用于模擬傳輸（如視頻信號(hào)傳輸），也可用于數(shù)字傳輸，當(dāng)用于數(shù)字傳輸時(shí)，其傳輸速率可達(dá)50Mbps。同軸電纜具有較高傳輸通頻

30、帶、較低傳輸損耗、較強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)61銅芯絕緣層絕緣保護(hù)套層外導(dǎo)體屏蔽層由光導(dǎo)纖維組成的可進(jìn)行光信號(hào)傳輸?shù)男滦屯ㄐ沤橘|(zhì)。光纖以光的“有”和“無”形成“1”和“0”二進(jìn)制信息，以光脈沖形式進(jìn)行信息傳輸。62銅芯絕緣層包帶層外導(dǎo)體屏蔽層加強(qiáng)芯填充物光纖及其包層遠(yuǎn)供電線外套3光纜63光纖通信的特點(diǎn):1）傳輸信號(hào)頻帶寬、通信容量大、信號(hào)衰減小、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)。2）光纖有著非常高的數(shù)據(jù)傳輸率（Gb/s）和極低的誤碼率（10-10）。3）原材料資源豐富。4）抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，適用于一些特殊環(huán)境下的布線。3光纜64三種通信介質(zhì)特點(diǎn)比較 介質(zhì) 項(xiàng)目雙絞線同軸電纜光纜傳輸介質(zhì)價(jià)格較低較高較高連接件

31、價(jià)格低較低高標(biāo)準(zhǔn)化程度高較高低連接簡單需專用連接器需復(fù)雜連接器件和連接工藝敷設(shè)簡單稍復(fù)雜簡單抗干擾能力較好很好特別好環(huán)境的適應(yīng)性較好較好特別好適用網(wǎng)絡(luò)類型環(huán)形網(wǎng)總線型或環(huán)形網(wǎng)目前多用于環(huán)形網(wǎng)4 無線電波 電磁波頻譜10KHz1GHz之間為無線電頻率，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域主要是傳輸頻率在2.4GHz的工業(yè)頻段，其傳輸距離較短，所需的功率較低。5 微波 微波可穿透電離層進(jìn)入宇宙空間，不能靠電離層反射來進(jìn)行傳播，靠微波接力或是衛(wèi)星轉(zhuǎn)播進(jìn)行微波接力，傳播距離一般在50km左右，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播，須在兩個(gè)通信終端間建立中繼站。6 紅外 采用光發(fā)射二極管、激光二極管來進(jìn)行站與站之間的數(shù)據(jù)交換。紅外設(shè)備發(fā)出的

32、光，一般只包含電磁波或小范圍電磁頻譜中的光子。傳輸信號(hào)可以直接或經(jīng)過墻面、天花板反射后，被接收裝置收到。*655.4.3通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)設(shè)備1、物理層互連設(shè)備 中繼器（Repeater） 把接收到的弱信號(hào)分離，并再生放大。 集線器（Hub） 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)間的中央節(jié)點(diǎn) 。2、數(shù)據(jù)鏈路層互連設(shè)備 網(wǎng)橋（Bridge） 局域網(wǎng)間的橋梁，屬于網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，作用是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)和通信手段，交換器（Switch） 新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過交換設(shè)備提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。*665.4.3通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)設(shè)備3、網(wǎng)絡(luò)層互連設(shè)備 路由器（Router） 工作在網(wǎng)橋的上一層，因此，路由器的功能比網(wǎng)橋更強(qiáng)。除了具有網(wǎng)橋的全部功能外，還具有

33、路徑選擇功能。 4、應(yīng)用層互連設(shè)備網(wǎng)關(guān)（Gateway） 當(dāng)連接不同類型而協(xié)議差別又較大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要選網(wǎng)關(guān)設(shè)備。其功能體現(xiàn)在OSI模型最高層，它將協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)重新分組，以便在兩個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。 675.5 典型DCS的通信網(wǎng)絡(luò)5.5.1 JX-300X DCS的通信網(wǎng)絡(luò)685.6 控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別：1.控制網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)最基本的要求。過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.01s0.5s，制造自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.5s2.0s, 信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間要求為2.0s6.Os。故信息網(wǎng)的實(shí)時(shí)性可忽略。2控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?/p>

34、、可靠性。應(yīng)具有在高溫、潮濕、震動(dòng)、腐蝕、電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長時(shí)間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抵抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾。還應(yīng)具有本質(zhì)安全性能。*69控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別：3控制系統(tǒng)中，由于分散的單一用戶要借助控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入某個(gè)系統(tǒng)，通信方式多使用廣播或組播方式；在信息網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)自主系統(tǒng)與另一個(gè)自主系統(tǒng)一般都使用一對(duì)一通信方式。4工業(yè)現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)總線供電。而通常IT信息網(wǎng)絡(luò)缺少此措施。*705.6.2控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的互連技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)互連具有以下重要意義：控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間互連，建立綜合實(shí)時(shí)的信息庫，有利于管理層的決策；現(xiàn)場控制信息和生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息能及時(shí)在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)交換；建立分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)保持一致性、完整性和互操作性；可對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)等，節(jié)省大量的投資和人力；為企業(yè)提供完善的信息資源，在完成內(nèi)部管理的同時(shí)，加強(qiáng)與外部信息的交流。71OPC（OLE for Process Control）技術(shù)用于過程控制的OLE技術(shù)，是一項(xiàng)面向工業(yè)過程控制的數(shù)據(jù)交換軟件技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是從微軟的OLE（對(duì)象鏈接和嵌入）技術(shù)發(fā)展而來