第四章 DCS的通信系統(tǒng)

1、4.1 4.1 通訊系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)和概念通訊系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)和概念1 1 通訊通訊(Communication)(Communication)：廣義地講，通訊就是傳遞信息（包括模擬信息號(hào)和數(shù)字信息）。DCS中，過(guò)程控制站之間，過(guò)程控制站與控制管理站之間，一般采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳遞。2 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(data)：欲傳送的數(shù)字、文本和圖形圖像等。3 信號(hào)信號(hào)(signal)：數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式。 第四章第四章 通訊系統(tǒng)通訊系統(tǒng)4 信號(hào)的傳送信號(hào)的傳送(Signal Transportation)：模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳送，如普通電話；模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳送，如如IP電話；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳送：將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成

2、模擬信號(hào)傳送.常分為：調(diào)幅：振幅鍵控（ASK）調(diào)頻：移頻鍵控（FSK）調(diào)相：移相鍵控（PSK）：調(diào)制效率高，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)制（Modulate）和解調(diào)（Demodulate）用的設(shè)備稱調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。 三種常用的調(diào)制方式三種常用的調(diào)制方式4 信號(hào)的傳送信號(hào)的傳送(續(xù)續(xù)1)4 信號(hào)的傳送信號(hào)的傳送(續(xù)續(xù)2)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳送，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳送， 未調(diào)制：未調(diào)制：稱基帶信號(hào)，媒體的通頻帶全部被1路信號(hào)占用；傳輸距離一般不超過(guò)1km。長(zhǎng)距離使用可加中繼器。 加調(diào)制加調(diào)制：稱寬帶信號(hào)，頻分多路復(fù)用；傳輸距離可達(dá)10km。 5 并行通訊和串行通訊并行通訊和串行通訊 并行通訊：并行通

3、訊：若干位（通常是8位）數(shù)據(jù)同時(shí)傳送；如計(jì)算機(jī)打印接口（CENTRONIC），IEEE488等。傳輸距離較近。 串行通訊：串行通訊：每次只發(fā)送1位2進(jìn)制數(shù)。如常見(jiàn)的 USB，CAN等。傳輸距離遠(yuǎn)。是經(jīng)常使用的通訊方式。如各種LAN，Internet等 。通訊方式的選擇如下表：通訊方式的選擇如下表： 毫米厘米分米米10米并行并、串并、串并、串串行芯片板儀表桌面遠(yuǎn)程6 異步通訊和同步通訊異步通訊和同步通訊異步通訊：異步通訊：無(wú)同步時(shí)鐘信號(hào)的通訊方式。如RS232，數(shù)據(jù)幀以字節(jié)為單位；同步通訊：同步通訊：有同步時(shí)鐘信號(hào)的通訊方式；數(shù)據(jù)幀以數(shù)據(jù)塊為單位。如FF。同步方式有外同步和自同步。外同步：有專用

4、同步信號(hào)線；自同步：沒(méi)有專用同步信號(hào)線。 7 信號(hào)的編碼信號(hào)的編碼單極性碼：?jiǎn)螛O性碼：信號(hào)電平是單極性的。以高低電平表示1， 0。如TTL電平。雙極性碼：雙極性碼：信號(hào)電平是雙極性的。如RS232。歸零制：歸零制：每一位二進(jìn)制信息傳送后均返回零電平的編碼。不歸零制：不歸零制：每一位二進(jìn)制信息傳送后均維持原來(lái)電平的編碼。差分碼：差分碼： 0維持， 1改變。自同步編碼：自同步編碼：以正負(fù)跳變表示0 ， 1 。如曼徹斯特（Manchester）編碼。應(yīng)用廣泛。信號(hào)中帶有同步時(shí)鐘信息，信號(hào)中無(wú)直流分量（采用雙極性碼時(shí)）。 曼徹斯特（Manchester）編碼 1 1 0 18 單工和雙工單工和雙工單工

5、通訊：?jiǎn)喂ねㄓ崳盒盘?hào)只能沿單一方向傳輸；半雙工通訊：半雙工通訊：信號(hào)可沿兩個(gè)方向傳輸，但同一時(shí)刻只能沿單一方向傳輸；全雙工通訊：全雙工通訊：信號(hào)可同時(shí)沿兩個(gè)方向傳輸。9 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)指從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)媒介。從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間的傳輸介質(zhì)構(gòu)成信道信道。它可以是無(wú)線的，也可以是有線的。用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)主要有： 9 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)(續(xù)續(xù)1)A A 銅纜：銅纜：雙絞線：雙絞線：數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)230Kbps，特殊設(shè)計(jì)的可達(dá)150Mbps。同軸電纜：同軸電纜：50，稱為基帶電纜，可達(dá)10Mbps75，公用天線電視CATV系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)?？蛇_(dá)50Mbps。 （300

6、-500MHz模擬信號(hào)）。B B 光纖：光纖：多模光纖：多模光纖： 可達(dá)數(shù)千Mbps。傳輸距離幾百米。單模光纖：?jiǎn)文９饫w：可達(dá)數(shù)千Mbps。傳輸距離遠(yuǎn)。9 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)(續(xù)續(xù)2)C C 空間：空間：短波短波：108 Hz ,如一種數(shù)傳電臺(tái)可傳送9600波特率的信號(hào)。微波：微波：109-1010 Hz。遠(yuǎn)距離通訊。紅外：紅外：1014-1015Hz。近距離通訊。 10 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星形星形 樹(shù)形樹(shù)形環(huán)形環(huán)形 總線型總線型 互連形互連形 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中常用的是總線型、樹(shù)形和環(huán)形計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義：互連的自主的計(jì)算機(jī)設(shè)備集合體。DCS中的數(shù)字通訊也是計(jì)算機(jī)之間的通訊。 計(jì)算機(jī)

7、網(wǎng)絡(luò)的組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：主機(jī)（Host）節(jié)點(diǎn)（Node）通訊鏈路（Link） 4.2 計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)的構(gòu)成計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)的構(gòu)成由于傳輸信號(hào)的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生和接收噪聲，這些由于傳輸信號(hào)的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生和接收噪聲，這些噪聲會(huì)造成誤碼。誤碼率：噪聲會(huì)造成誤碼。誤碼率： Pe=Ne/N 一般通訊系統(tǒng)誤碼率為一般通訊系統(tǒng)誤碼率為10-2-10-6，DCS系統(tǒng)中要求誤碼系統(tǒng)中要求誤碼率小于率小于10-9?？朔`碼的方法有：?？朔`碼的方法有： 自動(dòng)糾錯(cuò)自動(dòng)糾錯(cuò) 檢錯(cuò)重發(fā)檢錯(cuò)重發(fā)混合糾錯(cuò)混合糾錯(cuò) 常用的糾錯(cuò)方法有奇偶校驗(yàn)和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。常用的糾錯(cuò)方法有奇偶校驗(yàn)和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。

8、4.3 差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制4.3.1 4.3.1 概述概述 誤碼率（誤碼率（BER：bit error ratio）是衡量數(shù)據(jù)在）是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳傳輸中的誤碼輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。如果有誤。如果有誤碼就有誤碼率。碼就有誤碼率。 另外，也有將誤碼率定義為用另外，也有將誤碼率定義為用來(lái)衡量誤碼出現(xiàn)的頻率。來(lái)衡量誤碼出現(xiàn)的頻率。IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)為為1000Base-T網(wǎng)絡(luò)制定的可接受的最高限度誤碼網(wǎng)絡(luò)制定的可接受的最高限度誤碼率為率為10-10。這個(gè)誤碼率標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)脈沖振幅調(diào)。這個(gè)誤碼率

9、標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)脈沖振幅調(diào)制制(PAM-5)編碼而設(shè)定的編碼而設(shè)定的,也就是千兆以太網(wǎng)的也就是千兆以太網(wǎng)的編碼方式。編碼方式。4.3.2 奇偶校驗(yàn)奇偶校驗(yàn)奇偶校驗(yàn)碼是一種最常見(jiàn)的檢錯(cuò)碼，它分為垂直奇（偶）校驗(yàn)(如RS232中的校驗(yàn)方式)、水平奇（偶）校驗(yàn)與水平垂直奇（偶）校驗(yàn)（即方陣碼）。奇偶校驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，但檢錯(cuò)能力差，一般只用于通信要求較低的環(huán)境。奇校驗(yàn)：D0 D1 D2 DN DC =1偶校驗(yàn)：D0 D1 D2 DN DC =0式中，D0 ，D1， D2DN被校驗(yàn)的二進(jìn)制碼DC校驗(yàn)碼 4.3.3 循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼CRC（Cyclic Redundancy Code） 例 題：設(shè)：設(shè)：F(x)

10、=1011BF(x)=1011B，G(x)=10101BG(x)=10101B求：求：R(x)=R(x)=？答案：答案：1101B1101B常用CRC生成多項(xiàng)式CRC-16：X16+X15+X2+1 C R C - C C I T T （ 國(guó) 際 電 話 電 報(bào) 咨 詢 委 員 會(huì) ） ：（ 國(guó) 際 電 話 電 報(bào) 咨 詢 委 員 會(huì) ） ：X16+X12+X5+1 IEEE 8024：X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1 4.3.4 開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI物理層（Physical Layer）數(shù)據(jù)鏈路層（

11、Data Link Layer）網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）傳送層（Transport Layer）會(huì)話層（Session Layer）表示層（Presentation Layer）應(yīng)用層（Application Layer） OSI通訊協(xié)議模型示意圖一物理層一物理層它是通信網(wǎng)上各設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、終端、通信處理機(jī)等）之間的物理接口，負(fù)責(zé)將信息從一臺(tái)設(shè)備傳送到另一臺(tái)設(shè)備。物理層協(xié)議規(guī)定了通訊接口的： 機(jī)械特性：機(jī)械特性：其中機(jī)械特性規(guī)定連接器（或插座）的規(guī)格及其安裝。如RS232接口，它定義的接插件是D25和D9標(biāo)準(zhǔn)連接器。設(shè)備端是陰，導(dǎo)線端是陽(yáng)。 電氣特性：電氣特性：電氣特性規(guī)定了數(shù)字

12、信號(hào)的電壓高低、傳輸距離和傳送速率等。如RS232接口，它定義-5-15V為邏輯1，+5+15V為邏輯0。從TTL電平到RS232電平必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 功能特性：功能特性：功能特性定義連接器內(nèi)各插腳的功能。如數(shù)據(jù)發(fā)送端、數(shù)據(jù)接收端、信號(hào)地等； 過(guò)程特性：過(guò)程特性：規(guī)定信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，應(yīng)答與操作過(guò)程，以便正確地發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。1 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：數(shù)據(jù)幀的打包和拆包，包括加上和去除幀頭幀尾，校驗(yàn)字 數(shù)據(jù)鏈路的建立和拆除，包括同步、站址確認(rèn)、收發(fā)關(guān)系的確定等。信息傳輸，包括信息格式、數(shù)量、信息流量調(diào)節(jié)方案等。傳輸差錯(cuò)控制，校驗(yàn)，以及一套防止信息丟失、重復(fù)和失序的方法

13、。異常情況處理，包括如何發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的異常情況及發(fā)現(xiàn)后的處理過(guò)程。二、數(shù)據(jù)鏈路層二、數(shù)據(jù)鏈路層A、異步通訊的數(shù)據(jù)幀、異步通訊的數(shù)據(jù)幀：幀幀 （Frame），是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)幕締挝?。），是?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)幕締挝?。同步幀和異步幀各舉一例說(shuō)明： 起始位（起始位（0） 數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位 校驗(yàn)位校驗(yàn)位 結(jié)束位（結(jié)束位（1） 1位位 5-8位位 0-1位位 1-2位位 2 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀采用小幀結(jié)構(gòu)。例如RS232C 的幀格式：例在RS232中，待發(fā)送的數(shù)據(jù)是0111 0000B，采用偶校驗(yàn)，1位停止位。則發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是：0 001110000011100001 11B1B實(shí)際上，在RS232中，起始

14、位起始位和停止位停止位是由硬件自動(dòng)加上的，數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位是由程序決定的。B、同步通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議、同步通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議例：高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC（High-level Data Link Control） F:定界符：1字節(jié) 01111110，啟始和終止定界，幀同步A:地址： 1-2字節(jié)，全1為廣播，其余為接受站地址C:控制字段：1字節(jié)，表示幀類型，幀編號(hào)，命令和控制信息I:數(shù)據(jù)：通常不大于256字節(jié)，F(xiàn)CS：CRC校驗(yàn)碼。G（X）= X16 + X12 + X5 + 1FACIFCSFR R（X X）F F（X X）* * X XK K / G/ G（X X）= Q= Q（X X）RR（X

15、X）3 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù) 介質(zhì)復(fù)用方法：介質(zhì)復(fù)用方法：頻分：頻分：多路信號(hào)各使用不同頻段傳輸信號(hào)時(shí)分：時(shí)分：多路信號(hào)各使用不同時(shí)段傳輸信號(hào)預(yù)約：各節(jié)點(diǎn)按約定時(shí)間使用鏈路輪轉(zhuǎn)：各節(jié)點(diǎn)輪流使用鏈路爭(zhēng)用：各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身需要隨時(shí)使用鏈路調(diào)度：由主節(jié)點(diǎn)（或鏈路活動(dòng)調(diào)度器）控制和分配鏈路使用權(quán)A 帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access With Collision DetectionCarrier Sense Multiple Access With Collision Detection）介質(zhì)復(fù)用方法：介質(zhì)復(fù)用方法：爭(zhēng)用標(biāo)準(zhǔn)

16、：標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3IEEE802.3適用網(wǎng)絡(luò)：適用網(wǎng)絡(luò)：總線型CSMACSMA控制方案控制方案：發(fā)送前先監(jiān)聽(tīng)鏈路是否空閑，是則可以發(fā)送，否則等待；在發(fā)送的同時(shí)，對(duì)總線進(jìn)行檢測(cè)（偵聽(tīng)）。如果檢測(cè)到?jīng)_突，則發(fā)送一個(gè)阻塞信號(hào)，同時(shí)暫時(shí)終止發(fā)送，避讓一定時(shí)間后，再次檢測(cè)總線。當(dāng)總線空閑時(shí)再次發(fā)送。CSMA/CD示意示意 T1 T1 1 1 T2 T2 2 2 TN TN N N T3 T3 3 3CSMA避讓策略：避讓策略：不堅(jiān)持：不堅(jiān)持：如果鏈路忙，等待一段隨機(jī)時(shí)間后再試I I堅(jiān)持堅(jiān)持：如果鏈路忙，繼續(xù)偵聽(tīng)，直到鏈路空閑后立即發(fā)送P P堅(jiān)持堅(jiān)持：如果鏈路忙，繼續(xù)偵聽(tīng)，到鏈路空閑后，以P概率發(fā)

17、送，（1-P）概率等待一個(gè)單位時(shí)間段后再試帶優(yōu)先權(quán)避讓帶優(yōu)先權(quán)避讓：各節(jié)點(diǎn)按其優(yōu)先權(quán)的高低采用不同的避讓時(shí)間。如果物理驅(qū)動(dòng)為OC門（單向電壓），也可以采用硬件優(yōu)先權(quán)避讓法。B 令牌環(huán)節(jié)制訪問(wèn)控制令牌環(huán)（Token Ring）標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.5介質(zhì)復(fù)用方法：爭(zhēng)用令牌實(shí)際上是一個(gè)標(biāo)記信息：空令牌：0111 1111忙令牌：0111 1110適用網(wǎng)絡(luò)：環(huán)行IUIUA AIUIUIUIUC CB B0111 11110111 11110111 11100111 1110令牌環(huán)工作過(guò)程示意INFI90系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙重化雙重化C 令牌傳遞總線Token Buss or Token Passing

18、 Buss適用總線適用總線:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.4邏輯環(huán)：邏輯環(huán)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線型的，但該網(wǎng)段上的每個(gè)站點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）在邏輯上被聯(lián)結(jié)成一個(gè)環(huán)。做法是每個(gè)站點(diǎn)都預(yù)先知道它的先行站點(diǎn)PS和后繼站點(diǎn)NS。令牌：令牌：令牌傳遞總線上也有如令牌總線上傳輸?shù)姆Q為令牌的控制幀，令牌在總線上按排好的順序輪轉(zhuǎn)。持有令牌的站如果有發(fā)送要求，就可以發(fā)送；否則，將令牌交給下一個(gè)站點(diǎn)。令牌傳遞總線示意令牌傳遞總線示意 2 2 1 14 14 1 3 31 41 4 2 22 32 3 4 4設(shè)順序?yàn)?-2-4-3-1D 有鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS的鏈路訪問(wèn)控制LASLAS（LINK Active Sche

19、dulerLINK Active Scheduler）介質(zhì)復(fù)用方法：介質(zhì)復(fù)用方法：調(diào)度LASLAS：鏈路活動(dòng)調(diào)度器，負(fù)責(zé)一個(gè)網(wǎng)段的通訊調(diào)度。調(diào)度時(shí)間表：調(diào)度時(shí)間表：LAS內(nèi)有一各該網(wǎng)段上通訊節(jié)點(diǎn)的名單以及各節(jié)點(diǎn)使用通訊鏈路的調(diào)度時(shí)間表。LAS根據(jù)該表分配通訊鏈路的使用權(quán)。令牌：令牌：LAS根據(jù)調(diào)度時(shí)間表用令牌分配通訊鏈路的使用權(quán)。適用網(wǎng)絡(luò)：適用網(wǎng)絡(luò)：總線型受調(diào)度通訊過(guò)程示意圖受調(diào)度通訊過(guò)程示意圖 XXXX XXXX：2 21 1 YYYYYYYY：4 4LAS LAS ZZZZZZZZ：5 5 2 2 N N 3 3第五章第五章 DCS的可靠性設(shè)計(jì)的可靠性設(shè)計(jì)可靠性是工控系統(tǒng)的生命可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)DCS中提高可靠性的措施4.1 可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)niinFnMTTF11limMTTRMTBFMTTRAniinBnMTBF11lim 平均無(wú)故障時(shí)間 MTTF（Mean Time to Failure） 故障間平均時(shí)間 MTBF（Mean Time Between Failures） 平均修復(fù)時(shí)間 MTTR（Mean Time to Repair） 整機(jī)利用率 A： niinRnMTTR11lim4.2 提高可靠性的措施提高可靠性的措施 1、元器件的篩選、元器件的篩選和老化：和老化： 右圖為電子產(chǎn)品的典型失效率曲線。老化就