集散控制系統(tǒng)及設(shè)備

集散控制系統(tǒng)及設(shè)備任務(wù)二十七DCS的通信技術(shù)

通信技術(shù)就是研究通信設(shè)備（通常就是計(jì)算機(jī)）如何進(jìn)行信息交換。例如，使用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)大或關(guān)小操作，實(shí)際的操作過(guò)程是：該操作首先翻譯成二進(jìn)制數(shù)據(jù)(在操作站完成)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞到現(xiàn)場(chǎng)的控制計(jì)算機(jī)(在DPU中完成)，再由現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)將控制信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)閥門(mén)的卡件，通過(guò)適當(dāng)?shù)目罱K完成操作。一、數(shù)據(jù)通信的基本原理1.數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DCS計(jì)算機(jī)之間的通信依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是將物理位置不同的計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)通信裝置、設(shè)備和線路將其連接起來(lái)，并按一定標(biāo)準(zhǔn)（通信協(xié)議）完成信號(hào)和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，也有十分簡(jiǎn)單可以稱為網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)連接。（簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）人們描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，常使用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖9-1最簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這是最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，一般在描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)往往僅畫(huà)出節(jié)點(diǎn)和通信鏈路。通常，把節(jié)點(diǎn)和通信鏈路的集合統(tǒng)稱為通信子網(wǎng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本形式有三種：環(huán)形、總線形和星形，見(jiàn)下圖9-2。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可以由基本網(wǎng)絡(luò)連接而成。星型網(wǎng)：所有外圍計(jì)算機(jī)之間的通信都必須經(jīng)過(guò)中間的通信裝置。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)：通信沿著環(huán)順或逆時(shí)針進(jìn)行?？偩€形網(wǎng)絡(luò)：是目前多數(shù)電廠控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，各點(diǎn)依靠總線可以直接通信，通信速度比較高。由通信方式的不同可以將通信網(wǎng)絡(luò)分成點(diǎn)點(diǎn)子網(wǎng)（存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式）和廣播子網(wǎng)（多點(diǎn)共享子網(wǎng)）。星形網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)屬于點(diǎn)點(diǎn)子網(wǎng)（存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)）。總線網(wǎng)屬于廣播子網(wǎng)。當(dāng)一個(gè)接點(diǎn)要發(fā)送信息到另外一個(gè)接點(diǎn)時(shí)，是將帶有地址信息的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到總線上（稱為廣播），所有連接在總線上設(shè)備都要接受該信息（稱為聽(tīng)到），然后分析信息中地址和自己地址是否相同，相同在保存信息，否則將信息拋棄。2、數(shù)據(jù)傳輸方式

所有計(jì)算機(jī)通信全部采用二進(jìn)制。傳遞二進(jìn)制數(shù)共分兩種方式，即并行通信和串行通信。并行是一次同時(shí)傳遞數(shù)個(gè)二進(jìn)制位，通信接點(diǎn)之間的連線數(shù)目和通信的二進(jìn)制位數(shù)相同，長(zhǎng)距離通信十分浪費(fèi)材料。串行通信是常用的通信方式。通信節(jié)點(diǎn)通信節(jié)點(diǎn)通信節(jié)點(diǎn)通信節(jié)點(diǎn)并行通信，每傳遞一位二進(jìn)制數(shù)就需要一條線路。傳遞二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)越多，需要的線路越多，不利于長(zhǎng)距離通信，打印機(jī)多采用并行通信。串行通信最少可以使用三根線來(lái)進(jìn)行，一根通信由左向右；另一根由右向左；加上公用地共三根可以使用雙向（雙工）通信。（1）、串行異步通信（原理講解）圖9-4串行異步通信波形圖

例如：甲方向乙方傳遞1100101，7位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，增加一個(gè)偶檢驗(yàn)位，兩位停止位。所謂偶檢驗(yàn)就是在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，保證數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)加上偶檢驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)后，必須為偶數(shù)。就本例而言，數(shù)據(jù)中已經(jīng)存在4個(gè)”1“，已經(jīng)是偶數(shù)，所以偶檢驗(yàn)的檢驗(yàn)位只能添“0”，否則“1”的個(gè)數(shù)就變成奇數(shù)。偶檢驗(yàn)時(shí)，接收方（乙方）收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)連同檢驗(yàn)位一起，計(jì)算“1”的個(gè)數(shù)，如果為偶數(shù)，說(shuō)明傳輸正確。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中由于干擾將某一位改變，例如將“1”變成“0”，或者相反，都會(huì)造成“1”的個(gè)數(shù)不是偶數(shù)。電壓表01奇檢驗(yàn)和偶檢驗(yàn)類似，只不過(guò)傳輸數(shù)據(jù)要求“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。為了便于理解下面的例子假設(shè)一個(gè)時(shí)間單位（秒）傳輸一位二進(jìn)制數(shù)，既傳輸速率為1波特。當(dāng)左側(cè)的開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，右側(cè)電壓表讀數(shù)為0，表示甲方傳遞給乙方數(shù)據(jù)為0。當(dāng)左側(cè)的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，右側(cè)電壓表讀數(shù)為1，表示甲方傳遞給乙方數(shù)據(jù)為1。甲方乙方電平高度秒1012345678910傳輸數(shù)據(jù)方（甲方）數(shù)據(jù)波形圖甲方在發(fā)送數(shù)據(jù)前始終保持高電平甲方將高電平變成低電平就是告訴乙方，甲方開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)低電平（表示開(kāi)始的信號(hào)）要延長(zhǎng)一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間長(zhǎng)度。一個(gè)數(shù)據(jù)單位時(shí)間內(nèi)保持高電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“1”。一個(gè)數(shù)據(jù)單位時(shí)間內(nèi)保持高電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“1”。一個(gè)數(shù)據(jù)單位時(shí)間內(nèi)保持低電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“0”。一個(gè)數(shù)據(jù)單位時(shí)間內(nèi)保持低電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“0”。奇偶檢驗(yàn)位（本例為偶檢驗(yàn)），計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位中“1”的個(gè)數(shù)，連同本位在內(nèi)，必須為偶數(shù)個(gè)“1”。甲方使用不小于兩個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)間寬度的高電平，表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。接收數(shù)據(jù)方（乙方）數(shù)據(jù)接收過(guò)程圖電平高度秒1012345678910在發(fā)送方輸出高電平（表示發(fā)送停止）期間，接收方以1/16數(shù)據(jù)單位時(shí)間間隔，檢測(cè)是否有低電平出現(xiàn)。一旦檢測(cè)到低電平，表示對(duì)方開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)對(duì)方發(fā)送低電平后，乙方將檢測(cè)頻率放慢，1/2數(shù)據(jù)位時(shí)間寬度后，再采樣一次，如果繼續(xù)低電平表示真的數(shù)據(jù)發(fā)送開(kāi)始。否則前次肯定為干擾。以后每間隔一個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)間間隔，采樣一次，每次采樣結(jié)果就是甲方發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。甲方發(fā)送的停止位必須大于兩個(gè)（原來(lái)約定）數(shù)據(jù)位時(shí)間寬度，否則通信失敗。（2）、串行同步通信異步的開(kāi)始位和停止位影響了通信速度，如果存在大量數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)，通信速度必然受到限制。同步通信當(dāng)對(duì)方示意開(kāi)始傳送后將大塊數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地傳送到對(duì)方，可以提高效率。傳遞數(shù)據(jù)雙方示意開(kāi)始或結(jié)束信號(hào)稱為同步，同步通信的“同步”可以由兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種稱為硬件同步在異步通信線路基礎(chǔ)上增加一條專門(mén)用于同步的“同步”線，主要是表示發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始或結(jié)束。另一種為軟同步，由發(fā)送的特殊字符表示開(kāi)始或結(jié)束。圖9-5串行同步通信數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)軟同步結(jié)構(gòu)示意圖。幀頭和幀尾分別表示數(shù)據(jù)的開(kāi)始或結(jié)束。DCS中通信多數(shù)采用同步通信模式。串行同步通信一般存在兩種形式：①在發(fā)送方和接收方之間利用一根專門(mén)的數(shù)據(jù)同步線來(lái)傳遞同步信號(hào)，稱為外同步法。②數(shù)據(jù)幀同步是將要傳遞的多位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊的前后分別加上前、后同步控制和檢驗(yàn)字段（分別稱為幀頭和幀尾），幀頭表示發(fā)送方開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，幀尾表示發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束。（3）、基帶傳輸與寬帶傳輸A）基帶傳輸（直接數(shù)據(jù)傳輸）：利用線路直接將表示數(shù)字的高低電平直接傳輸?shù)綄?duì)方。在局域網(wǎng)中經(jīng)常使用基帶傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。為了防止分布參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，一般使用曼徹斯特編碼方式。圖9-6曼徹斯特編碼波形原則1：在每個(gè)時(shí)鐘下降沿上形成數(shù)據(jù)。原則2：上跳表示0；下跳表示1。原則3：相鄰數(shù)據(jù)不同時(shí)表示數(shù)據(jù)的電平保持不變，相鄰數(shù)據(jù)不相同時(shí)，表示完數(shù)據(jù)的跳變發(fā)生后，在數(shù)據(jù)通信無(wú)效期間，變化電平準(zhǔn)備表示下一數(shù)據(jù)。B）寬帶傳輸；通過(guò)調(diào)制手段在一條通信線路上可以同時(shí)傳遞多路通信。如閉路電視系統(tǒng)。圖9-7調(diào)制解調(diào)器工作原理示意圖將串行信號(hào)（基帶信號(hào)）通過(guò)調(diào)幅或調(diào)頻方法，轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的電信號(hào)。這樣不僅可以在一條線路上實(shí)現(xiàn)多路通信，而且可以信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞。寬帶通信特點(diǎn)：存在調(diào)節(jié)解調(diào)器。撥號(hào)上網(wǎng)等需要貓的都屬于該類型3、數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)處理通信線路經(jīng)常受到干擾，通信錯(cuò)誤在所難免，如何知道對(duì)方發(fā)送出現(xiàn)錯(cuò)誤成為糾正錯(cuò)誤的關(guān)鍵。（1）奇偶檢驗(yàn)法事先約定（通信協(xié)議）一種檢驗(yàn)方法后，利用串行通信的奇偶檢驗(yàn)位來(lái)實(shí)現(xiàn)奇偶檢驗(yàn)法。發(fā)送方利用該位使數(shù)據(jù)變成偶數(shù)或奇數(shù)個(gè)“1”，對(duì)方接受數(shù)據(jù)后連同奇偶位一起計(jì)算，若為偶數(shù)或奇數(shù)表示通信成功，否則重新傳送數(shù)據(jù)。（2）垂直水平奇偶檢驗(yàn)法每一個(gè)串行通信數(shù)據(jù)稱為水平檢驗(yàn)發(fā)送一定數(shù)量水平數(shù)據(jù)后，補(bǔ)發(fā)一個(gè)專門(mén)用于垂直檢驗(yàn)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)窄脈沖的干擾（3）循環(huán)檢驗(yàn)碼循環(huán)檢驗(yàn)碼不僅可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而且利用CRC余碼還可以糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。是目前計(jì)算機(jī)通信常用的檢驗(yàn)碼。信息碼校驗(yàn)碼碼字0000000000000000111010011101010011101001110111010011101010011101001110101001110100111101001110100111101001110100要發(fā)送的三位信息碼防止發(fā)送錯(cuò)誤的四位檢驗(yàn)碼形成的可以檢驗(yàn)錯(cuò)誤的發(fā)送碼字。該碼字特點(diǎn)：全0除外，任何一個(gè)數(shù)據(jù)向左或右循環(huán)移動(dòng)一位，會(huì)變成另外一個(gè)碼字，所以稱為循環(huán)碼。循環(huán)是線性碼的一種。顯然對(duì)這種碼的全0，全“1”都會(huì)被對(duì)方發(fā)現(xiàn)是錯(cuò)誤碼，只有將該碼字所有碼左或右循環(huán)移動(dòng)一位，方能讓對(duì)方接受，顯然這樣的干擾出現(xiàn)的幾率幾乎為0如何生成循環(huán)碼例：設(shè)信息碼系列m=101，采用生成多項(xiàng)式g（x）=1+x2+x3+x4，將其生成（7，3）發(fā)送碼。1）將要發(fā)送的碼寫(xiě)成多項(xiàng)式形式例如要發(fā)送二進(jìn)制110，則多項(xiàng)式形式為：2）將以上多項(xiàng)式兩邊同乘以X7-3，即X43）使用第2步生成的多項(xiàng)式除以“生成多項(xiàng)式”一種循環(huán)碼只能找到一個(gè)類似多項(xiàng)式。4）將第2步得到的多項(xiàng)式和第3步余數(shù)相加得到的多項(xiàng)式相加成為要發(fā)送的碼字。將以上多項(xiàng)式變成二進(jìn)制為：1101001其實(shí)對(duì)于（7，3）碼來(lái)講只能發(fā)送7個(gè)信息碼。第三步得到的余數(shù)X3+1稱為循環(huán)冗余碼，簡(jiǎn)稱CRC。4、12、16、32位生成多項(xiàng)式g（x）表達(dá)式如下：二、數(shù)據(jù)通信的傳輸介質(zhì)1.雙絞線（1）物理結(jié)構(gòu)雙絞線由兩根均勻排列成螺旋狀的絕緣銅導(dǎo)線組成。通常，一定數(shù)量的這樣的雙絞線捆成一電纜，外面包著硬的保護(hù)性護(hù)套。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9-11雙絞線結(jié)構(gòu)示意圖。雙絞線兩根導(dǎo)線絞扭，可減少兩根導(dǎo)線之間的電磁干擾。圖9-11雙絞線結(jié)構(gòu)示意圖圖9-12雙絞線功能說(shuō)明

從左側(cè)來(lái)看：發(fā)送組一條為數(shù)據(jù)線，另一條為地線從左側(cè)來(lái)看：接受組，一條為數(shù)據(jù)線，一條為地。（2）傳輸特性雙絞線可以傳輸模擬信號(hào)也可以傳輸數(shù)字信號(hào)。傳輸模擬信號(hào)時(shí)，大約數(shù)公里就需要一個(gè)信號(hào)放大器。傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，每2~3公里需要一個(gè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)器（主要作用是信號(hào)整形）。在局域網(wǎng)絡(luò)中，雙絞線多用于一個(gè)建筑物內(nèi)的信號(hào)傳遞。2.同軸電纜

同軸電纜有細(xì)纜和粗纜之分，除使用的接頭不同外，細(xì)纜柔軟容易彎曲在現(xiàn)場(chǎng)布線比較方便，但傳輸距離不如粗纜遠(yuǎn)。粗纜外層屏蔽堅(jiān)硬不易彎曲，尤其對(duì)于復(fù)雜空間布線不方便，但傳輸距離比細(xì)纜遠(yuǎn)。（1）物理結(jié)構(gòu)同軸電纜由兩個(gè)導(dǎo)體組成，其外導(dǎo)體是一個(gè)空心圓柱形導(dǎo)體，它圍裹著一個(gè)內(nèi)芯線導(dǎo)體，外導(dǎo)體除了有導(dǎo)電作用外，還具有屏蔽電磁場(chǎng)防止干擾的作用。圖9-13具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)3.光導(dǎo)纖維電纜1）物理結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維由兩層折射率不同的材料構(gòu)成。內(nèi)層物質(zhì)具有非常高的折射率，光線傳輸主要靠?jī)?nèi)層進(jìn)行。外層物質(zhì)幾乎對(duì)光線沒(méi)有折射，光線一旦接觸到外層就會(huì)被外層材料所吸收，外層相當(dāng)于是光的絕緣體，主要作用防止光纖之間光信號(hào)的相互干擾。

圖9-14光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖光導(dǎo)纖維的外層有吸收光線的物質(zhì)，以保證光纖之間的相互干擾。（2）傳輸特性在沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)器的情況下，一般傳輸距離為數(shù)十公里。光纖不受電磁干擾或電磁噪聲的影響，誤碼率極低，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率傳輸，有很好的保密性。三、DCS中常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）于1978年3月公布了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)方系統(tǒng)互連參考模型，簡(jiǎn)稱OSI。1982年4月形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參考模型，以指導(dǎo)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和建設(shè)。OSI標(biāo)準(zhǔn)共制定了7層分層協(xié)議，從低層到高層分別為：第一層物理層：一般使用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，在它上層（第二層）鏈路層控制下，按一定編碼形式，將二進(jìn)制數(shù)發(fā)送給對(duì)方電路。物理層對(duì)通訊電路作了詳細(xì)具體的規(guī)范，各廠家只要按此規(guī)范制作通訊電路，各廠家通訊電路就可以隨意互換。第二層鏈路層：對(duì)于總線型網(wǎng)絡(luò)（連接在網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)相互可以直接通信），確定其通信方式；對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)完成通信鏈路的連接與拆除等。第三至第六層協(xié)議和總線型網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)。內(nèi)容較專業(yè)，這里不再詳述。第七層應(yīng)用層：各種應(yīng)用程序。例如，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員操作界面對(duì)應(yīng)的程序、熱工人員使用的系統(tǒng)組態(tài)程序等。1.以太協(xié)議（Ethernet）（1）以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一條電纜線路上最多可以連接100個(gè)設(shè)備，稱為一段通過(guò)中繼設(shè)備（整形放大）可以將兩個(gè)段連接起來(lái)。（2）通信原理由于是總線網(wǎng)（廣播網(wǎng)）所以任何兩點(diǎn)之間都可以直接通信。采取廣播方式優(yōu)點(diǎn)是通信方便但可能會(huì)造成數(shù)據(jù)碰撞（同時(shí)向總線發(fā)送信息）。以太協(xié)議中的CSMA/CD協(xié)議，專門(mén)針對(duì)此類問(wèn)題而制定。該協(xié)議規(guī)定，發(fā)送信息的計(jì)算機(jī)首先偵聽(tīng)（接受網(wǎng)絡(luò)上信息）網(wǎng)絡(luò)上是否有信息在發(fā)送，若能接收到信息說(shuō)明有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息，隨機(jī)等待一段時(shí)間后再偵聽(tīng)。否則通過(guò)總線向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。在發(fā)送信息期間也要將發(fā)送信息再接收，觀察是否為自己發(fā)送出的信息，若不是說(shuō)明總線上發(fā)生了信息碰撞，隨機(jī)等待后繼續(xù)發(fā)送?？傊?guī)則為，誰(shuí)“搶占了”總線誰(shuí)發(fā)言。Ethernet多采用基帶傳送模式，總線上的信號(hào)使用曼徹斯特編碼，由于這種編碼每個(gè)數(shù)據(jù)位至少有一個(gè)跳變，因此方便實(shí)現(xiàn)載波偵聽(tīng)。64位48位48位16位46~1500位32位包前同步字符目的站地址源站地址類型數(shù)據(jù)CRC圖9-16Ethernet協(xié)議及層間接口以太網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定了物理層（電路）信號(hào)規(guī)則，使用曼徹斯特編碼格式。數(shù)據(jù)鏈路層則由硬件和軟件共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要有兩個(gè)任務(wù)：一是數(shù)據(jù)打包（分幀）、安裝數(shù)據(jù)地址和差錯(cuò)處理等；二是鏈路管理，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送和接收，如總線數(shù)據(jù)碰撞檢測(cè)、通信方式選擇、差錯(cuò)檢驗(yàn)等2.IEEE802.2協(xié)議IEEE802.2協(xié)議是電氣和電子工程協(xié)會(huì)（InstituteOfElectrical