周常用通信技術(shù)

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)Computermonitoringtechnologyofhydropowerstation.2常用通信技術(shù)串行通信01PARTONE串行通信水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)通信主要是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DCE之間的通信，如圖7-1所示。在DTE和DCE之間傳輸信息時(shí)必須要協(xié)調(diào)的接口，國(guó)際組織對(duì)DTE和DCE之間物理連接的有關(guān)特性制定了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中在水電站常用的有美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的EIA-RS-232C和RS-485。RS232CEIA-RS-232定義了DTE和DCE之間接口的機(jī)械、電器及功能特性，屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)互連（OSI）所建議的七層結(jié)構(gòu)中的最底層—─物理層。最早于1962年以RS-232（推薦標(biāo)準(zhǔn)）發(fā)布，1973年修訂為EIA-232C，公布的最新版本稱為EIA-232D。EIA-RS-232具有DB-25型和DB-9型兩種連接器，分別由一個(gè)25針或9針的插頭和一個(gè)25孔或9孔插座組成。通常DTE采用DB25或DB9針式結(jié)構(gòu)，DCE采用DB25或DB9孔式結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的RS-232多采用DB-9型連接器，作為多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個(gè)串行口的連接器。每一個(gè)引腳都有特定的名稱與用途。RS232CRS-232采用負(fù)邏輯工作，邏輯“1”用負(fù)電平（范圍為-5～-15V）表示，邏輯“0”用正電平（范圍為+5～+15V）表示。RS-232的最高傳輸速率為20kb/s，常采用的速率為300、600、1200、2400、4800和9600b/s，RS-232的最大傳輸距離為15m。在實(shí)際應(yīng)用中，若碼元畸變率可超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)的4%，從而提高總負(fù)載電容，或使用特制的低電容電纜時(shí)，可使其傳輸?shù)淖畲缶嚯x超過(guò)15m。圖7-11RS-232電氣接口電路RS232CRS-232采用的是單端驅(qū)動(dòng)和單端接收電路，如圖7-11所示，這種電路是傳送數(shù)據(jù)的最簡(jiǎn)單方法。它的特點(diǎn)是：傳送每種信號(hào)只用1根信號(hào)線，而它們的地線是使用1根公用的信號(hào)地線，因此得到廣泛應(yīng)用，但也存在傳輸距離、傳輸速率有限、易受干擾等不足。目前此接口標(biāo)準(zhǔn)已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與終端、計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的就近連接。RS-232一般應(yīng)用在早期的集中式微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，作為站內(nèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的總線。EIA-RS-422A和EIA-RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)由于為了解決RS-232存在的問(wèn)題，EIA和ITU-T制定了其他標(biāo)準(zhǔn)接口：EIA-RS-449、EIA-530及X.21等。RS-499是一種物理接口功能標(biāo)準(zhǔn)，而RS-422A和RS-485則是電氣標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)在功能上保留了所有RS-232的連接線，新增10條連接線，規(guī)定用37腳的連接器。RS-422A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差分平衡的電氣接口，即采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分的接收方法，其連接方法如圖7-12所示。當(dāng)AA′線的電平比BB′線的電平高200mV時(shí)表示邏輯“1”，當(dāng)AA′線的電平比BB′線的電平低200mV表示邏輯“0”。采用雙線傳輸，從根本上消除了信號(hào)地線，因而抗共模干擾能力大大加強(qiáng)，傳輸速度和性能也比RS-232C提高很多。例如傳輸距離為1200m時(shí)，速率可達(dá)100kb/s；距離為12m時(shí)，速率可達(dá)10Mb/s。EIA-RS-422A和EIA-RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)是RS-422A接口標(biāo)準(zhǔn)的變形，其電氣特性同RS-422A，兩者的主要區(qū)別在于：RS-422為全雙工，RS-485為半雙工；RS-422只允許電路中有一個(gè)發(fā)送器，RS-485允許電路中有多個(gè)發(fā)送器；RS-422A采用兩對(duì)平衡差分信號(hào)線，RS-485只需其中的一對(duì)。圖7-12RS-422A電氣接口電路EIA-RS-422A和EIA-RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)有：①傳輸速率搞，允許的最大速率可達(dá)10Mb/s（距離15m），傳輸信號(hào)的擺幅小（20mV）。②無(wú)Modem連接傳輸距離遠(yuǎn)，采用雙絞線在不用Modem的情況下，當(dāng)速率為100kb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)1.2km。若速率下降，傳輸距離可更遠(yuǎn)。③由于采用差動(dòng)發(fā)送/接收，因此共模抑制比高、抗干擾能力強(qiáng)。⑤能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)共線通信，允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器對(duì)。RS-485用于多站互連非常方便，可節(jié)約昂貴的信號(hào)線，同時(shí)可高速遠(yuǎn)距離傳送。目前RS-485的應(yīng)用十分廣泛，也大量使用在分散式廠站監(jiān)控系統(tǒng)中，效果良好。現(xiàn)場(chǎng)總線02PARTONE現(xiàn)場(chǎng)總線在過(guò)去的幾十年中，工業(yè)過(guò)程控制儀表一直采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)。隨著微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，微處理器在過(guò)程控制裝置、變送器、調(diào)節(jié)閥等儀表裝置中的應(yīng)用不斷增加，出現(xiàn)了智能變送器、智能調(diào)節(jié)閥等高新技術(shù)儀表產(chǎn)品，現(xiàn)代化的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)儀表裝置的速率、精度、成本等諸多方面都有更高的要求，從而需要用數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)代替現(xiàn)行的模擬信號(hào)傳輸技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱為FieldControlSystem，簡(jiǎn)稱FCS。第一代控制系統(tǒng)為20世紀(jì)50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)（PCS），第二代為4～20mA等電動(dòng)模擬控制系統(tǒng)，第三代為數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)，第四代為20世紀(jì)70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)（DCS）?，F(xiàn)場(chǎng)總線是在現(xiàn)地主要自動(dòng)化裝置和控制層的自動(dòng)化設(shè)備之間，通過(guò)共用通信介質(zhì)進(jìn)行雙向傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可尋址設(shè)備多點(diǎn)連接的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)際上是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表與其他自動(dòng)化設(shè)備所建立的全數(shù)字化、雙向及多支路的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)模式現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制訂的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型建立的。OSⅠ參考模型共分七層，即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一層的功能以及對(duì)上一層所提供的服務(wù)。從OSⅠ模式的角度來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線由OSⅠ參考模型的第一層(物理層)、第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)、第七層(應(yīng)用層)組成。考慮到現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制功能和具體應(yīng)用增加了第八層用戶層，見(jiàn)圖7-13。圖7-13現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)模式在應(yīng)用層，用戶變量可將尋址項(xiàng)解釋給網(wǎng)絡(luò)，從而使鏈路層執(zhí)行流量控制和差錯(cuò)控制，具有一定的網(wǎng)絡(luò)功能。物理層負(fù)責(zé)確定通過(guò)物理媒介傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)的形式，包括硬件種類、傳輸方式、傳輸速率、電氣和機(jī)械選擇以及供電方式等?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有如下優(yōu)點(diǎn)：①統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議簡(jiǎn)單；②完備定義的協(xié)議信息；③系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可更換模塊；④接口標(biāo)準(zhǔn)化；⑤容易重新配置；⑥設(shè)備地址易調(diào)整；⑦限壓于500V；⑧電磁兼容性好、容錯(cuò)性好；⑨成本低等。現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議目前，我國(guó)在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控中應(yīng)用較多的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是控制器局域網(wǎng)(ControllerAreaNetwork，簡(jiǎn)稱CAN)協(xié)議，CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有如下優(yōu)越的技術(shù)特性：①CAN總線通信方式靈活，可以采用多主方式進(jìn)行工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；②總線沖突裁決時(shí)間短，采用非破壞性總線裁決技術(shù)，節(jié)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)不同的實(shí)時(shí)要求劃分不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)別低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)別高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不受任何影響繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突裁決時(shí)間；③傳送接收數(shù)據(jù)方式多樣，有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(成組)，全局廣播幾種方式；④總線直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，通訊速率最高可達(dá)1Mb/s，總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)，理論值可達(dá)2000多個(gè)；⑤對(duì)工作環(huán)境要求不高，采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送時(shí)間短，尤其適合在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下工作，每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢驗(yàn)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷與總線的聯(lián)系，以使總線的其他操作不受影響?，F(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議除CAN協(xié)議外，其他典型的協(xié)議還有PROFIBUS、WORLDFIP、LONWORKS、FOUNDATIONFIELDBUS、PNET等。這些協(xié)議在我國(guó)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中也有應(yīng)用，只是沒(méi)有CAN協(xié)議應(yīng)用廣泛。但就世界范圍而言，這些協(xié)議各有各的主打市場(chǎng)和應(yīng)用范圍。PROFIBUS是最快的總線，每秒可傳輸12Mb，是一種快速通信協(xié)議，現(xiàn)已成為歐洲的標(biāo)準(zhǔn)（EN50170），在歐洲應(yīng)用非常廣泛；WORLDFIP總線以法國(guó)市場(chǎng)為主，其產(chǎn)品占法國(guó)市場(chǎng)的60%左右的份額，歐洲約為25％，主要應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、加工自動(dòng)化、鐵路運(yùn)輸、地鐵和過(guò)程自動(dòng)化等領(lǐng)域；LONWORKS主要應(yīng)用于分布式智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于智能化樓宇；FOUNDATIONFIELDBUS簡(jiǎn)稱FF現(xiàn)場(chǎng)總線，它的應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主；PNET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)應(yīng)用廣泛，是丹麥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等。現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)隨著現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線的作用已被越來(lái)越多的人所重視，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控，能使水電站生產(chǎn)過(guò)程各回路均保持相對(duì)的獨(dú)立性，同時(shí)以通信方式將監(jiān)測(cè)所需的信號(hào)送至工作站。作為新一代控制系統(tǒng)，F(xiàn)CS采用了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，不但突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷，并且把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型的全分布式結(jié)構(gòu)。開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通信是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的最顯著的特征。以太網(wǎng)03PARTONE以太網(wǎng)目前，在新建的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元或集中式控制系統(tǒng)，而現(xiàn)地控制單元與電站主控層之間的通信網(wǎng)絡(luò)（即局域主干網(wǎng)）大多采用工業(yè)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)即以太局域網(wǎng)協(xié)議，創(chuàng)建于美國(guó)Xeros公司的PARC研究中心（PaloAltoResearchCenter），其名字來(lái)源于檢測(cè)“以太網(wǎng)（Ether）”的一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)。自1982年以太網(wǎng)協(xié)議被IEEE采納成為標(biāo)準(zhǔn)以后，經(jīng)歷了20年的風(fēng)風(fēng)雨雨。在這20年中，以太網(wǎng)技術(shù)作為局域網(wǎng)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)勝了令牌總線、令牌環(huán)、Wangnet、25MATM等技術(shù)，成為局域網(wǎng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)技術(shù)當(dāng)前在局域網(wǎng)范圍市場(chǎng)占有率超過(guò)90％。與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)的明顯優(yōu)勢(shì)在于物美價(jià)廉。由于現(xiàn)場(chǎng)總線需要特定的芯片的支持，而這些芯片的使用數(shù)量和價(jià)格都無(wú)法與以太網(wǎng)相應(yīng)部分相抗衡。市場(chǎng)需要技術(shù)成熟、成本低的通信技術(shù)，而以太網(wǎng)能夠滿足這些要求，便于以較低的價(jià)格獲得高性能、低成本的控制網(wǎng)絡(luò)。在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，以物美價(jià)廉的以太網(wǎng)設(shè)備代替控制網(wǎng)絡(luò)中相對(duì)昂貴的專用總線設(shè)備是趨勢(shì)之一。目前新建的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用的局域主干網(wǎng)基本上是以太網(wǎng)，包括國(guó)產(chǎn)的和引進(jìn)的系統(tǒng)都是如此。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式以太網(wǎng)采用基于介質(zhì)共享的方式工作。當(dāng)一個(gè)站需要發(fā)送一幀信息時(shí)，它先監(jiān)聽(tīng)信道（即載波偵聽(tīng)），如果信道不忙即開(kāi)始發(fā)送；如果信道忙，則等待到信道空閑時(shí)再發(fā)送數(shù)據(jù)。但發(fā)送時(shí)可能出現(xiàn)沖突，即可能有多個(gè)站同時(shí)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑，并發(fā)送數(shù)據(jù)（即多路訪問(wèn)）。為此，各站在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)要進(jìn)行沖突檢測(cè)，一旦發(fā)送沖突，立即停止發(fā)送，并等待一段時(shí)間后再重新發(fā)送。等待時(shí)間由相應(yīng)的算法規(guī)定，此算法即為“載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)”（CSMA/CD）算法。為了保證互聯(lián)性，20世紀(jì)70年代末美國(guó)Digital、Intel公司與Xeros公司共同建立了被稱為DIX的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，目前使用的是DIXV2版，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷饺鐖D7-14所示。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式圖7-14中幀頭表示幀的開(kāi)始，并使接收端實(shí)現(xiàn)幀的同步；目的和源地址各24位，用以表示數(shù)據(jù)的始發(fā)端和目的地；類型表示數(shù)據(jù)的性質(zhì)和高層使用協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可變，允許46～1500個(gè)字節(jié)；幀檢驗(yàn)序列則用來(lái)監(jiān)測(cè)傳輸中的差錯(cuò)。圖7-14以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷揭蕴W(wǎng)的通信協(xié)議這里介紹一種較通用的以太網(wǎng)通信協(xié)議即TCP/IP協(xié)議，TCP/IP協(xié)議與開(kāi)放互聯(lián)模型ISO相比，采用了更加開(kāi)放的方式，它已經(jīng)被美國(guó)國(guó)防部認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。TCP/IP協(xié)議可以用在各種各樣的信道和底層協(xié)議（如T1、X.25以及RS-232串行接口）之上。確切地說(shuō)，TCP/IP協(xié)議是包括TCP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP（UserDatagramProtocol）協(xié)議、ICMP（InternetControlMessageProtocol）協(xié)議和其他一些協(xié)議的協(xié)議組。TCP/IP協(xié)議并不完全符合OSI的七層參考模型。傳統(tǒng)的開(kāi)放式系統(tǒng)互連參考模型，是一種通信協(xié)議的7層抽象參考模型，其中每一層執(zhí)行某一特定任務(wù)。該模型的目的是使各種硬件在相同的層次上相互通信。而TCP/IP通訊協(xié)議采用了四層結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成自己的需求。應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層接口層對(duì)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)媒體的管理，定義如何使用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)（如Ethernet、SerialLine等）來(lái)傳送數(shù)據(jù)編輯應(yīng)用程序間溝通的層，如簡(jiǎn)單電子郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)協(xié)議（Telnet）等。負(fù)責(zé)提供基本的數(shù)據(jù)包傳送功能，讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達(dá)目的主機(jī)（但不檢查是否被正確接收），如網(wǎng)際協(xié)議（IP）。在此層中，它提供了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，如傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）等，TCP和UDP給數(shù)據(jù)包加入傳輸數(shù)據(jù)并把它傳輸?shù)较乱粚又校@一層負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)，并且確定數(shù)據(jù)已被送達(dá)并接收。TCP/IP通訊協(xié)議的四層結(jié)構(gòu)以