实时工业网络设计与应用(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-09-08 23:20:45

点击下载

作者:李艇主编

出版社:人民邮电出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

实时工业网络设计与应用(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)

实时工业网络设计与应用(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)试读:

前言

实时工业网络是工业自动化系统在经过了计算机集成系统(CCS)、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)的不断发展之后,随着以太网步入工业控制领域,在不断地解决了实时性问题的基础上而产生的一个较新的控制网络技术。它是传感器技术、通信技术和计算机技术相互渗透、密切结合而形成的交叉学科。目前,以实时工业网络为代表的控制网络技术是自动化系统的标志性技术,其使得工业自动化系统更快地朝着分布化、智能化控制方向发展。同时,随着无线技术的快速发展,及其在工业网络方面的应用,使得工业网络更加完善、更加方便,它是对有线网络很好的补充。

随着实时工业网络在工业自动化中的广泛应用,需要我们进一步学习实时工业网络的基本知识,如何对实时工业网络进行设计,并解决实际应用中的问题。开设实时工业网络设计与应用课程的目的就是让学生在这个重要的工业控制领域探索和研究新问题、掌握新的技能以拓展自己的发展空间。

本书针对应用本科层次学生特点组织编写,以培养实时工业网络应用型人才为目标,将重点放在设计与应用方面,并给出一个实践操作的平台,以展现本书将理论与实践、系统设计与产品应用融于一体,将教材的先进性、实用性和可读性融为一体的特色。使学生看得懂、可操作、可实现,更加适应学生自主学习。

本书共7章,分为理论知识和实训两部分,参考学时为80,其中实训占32学时。

第1章实时工业网络概述,讨论实时工业网络的基本概念。

第2章数据通信与网络互连基础,通过对本章的学习,使读者对实时工业网络技术实现方法的理解有很大的帮助。

第3章常用现场总线技术,介绍主流的现场总线的体系结构和系统实现。

第4章实时工业以太网技术,重点讨论实时工业网络这一核心控制网络技术。

第5章工业无线网络技术,讨论较新应用的工业无线网络主要技术特点。

第6章实时工业网络的组态和系统集成,讨论如何对实时工业网络实现现场生产设备远程实时监控和现场数据的实时交互。

第7章实时工业网络实训,指导学生对典型控制对象的流量、液位、压力、温度等进行控制,用PLC的组态和编程实现工业网络的通信。

本书由李艇统稿,其中第1章和第2章由李艇编写,第4章由杨彬编写,第3章和第5章由李栋编写,第6章由赵春雷编写,第7章由李栋和刘继伟共同编写。

本书在编写过程中得到了天津理工大学中环信息学院领导和老师的支持与帮助,中环天仪股份有限公司专家和技术人员为此提供了具体的指导,在此谨表衷心的感谢。

本书实训中的许多实验,刘继伟同志作了大量的验证性工作,一并表示真诚的感谢。在本书编写过程中参考了大量的相关书籍和文献资料,本书编者向这些文献资料的作者致以诚挚的谢意!

限于编者的学术水平,书中存在的错误和不当之处在所难免,敬请广大读者批评指正。编者E-mail:litingcn@sina.com2013年8月2日于天津第1章实时工业网络概述

现代工业控制领域中,由于控制对象多回路性、仪器设备分散性、监控实时性以及数据管理集中性等特点,传统的分散控制已经满足不了工业控制中的诸多要求,工业控制需要一种分布式实时控制系统来实现控制任务,实时工业网络正是在此背景之下产生。它体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势。实时工业网络将通信网络引入控制系统,实现了现场设备控制的分布化和网络化,同时也加强了现场控制和上层管理之间的联系。1.1 实时工业网络的基本概念

随着现代化工业技术的飞速发展,工业生产过程的控制规模不断扩大,复杂程度不断增加,控制的精度和速度要求越来越高。实时工业网络是一种用于智能化现场设备和自动化系统(监控主机)之间的开放式、数字化、双向串行、多节点的快速通信网络。实时工业网络包括实时工业以太网、现场总线和工业无线传感器网络 WSN 等。现场总线在工业自动化领域曾经成为工业数据通信与控制网络的代名词,但随着工业自动化技术的内容不断丰富,如近年来工业以太网的发展以及各种控制和应用功能、工业控制网络的网络管理、系统管理等内容的不断扩充,现场总线已经超出了原有的定位范围,不再只是通信标准与通信技术,而成为网络系统与控制系统。因此,实时工业网络一词比现场总线更能完整地表达工业控制网络现今的技术内涵。实时工业网络更注重信号的传递和及时处理,其对系统的快速性的要求较高。图1-1给出了企业网络系统结构图,其结构按功能分层,自下而上分为五层:现场级、控制级、监视和操作级、管理级和公司级。现场信息自下向上高速传输,控制命令自上向下高速下载,构成系统的基本结构。而实时工业网络位于企业网络的底两层,属于控制网络的范畴。其与上层的信息网络紧密地集成在一起,服从信息网络的操作,同时又具有独立性和完整性。1.1.1 实时工业网络的组成

实时工业网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。如限位开关、感应开关等各类开关;条形码阅读器;光电传感器;温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器;可编程逻辑控制器PLC、PID等数字控制器;各种数据采集装置、作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设;各种调节阀、电动机控制设备、变频器、机器人以及作为现场控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。把单个分散的具有通信能力的测量控制设备作为网络节点,连接成网络系统,使它们之间可以互通、互操作,并由它们共同完成自动控制任务。图1-2给出了实时工业网络组成示意图。图1-1 企业网络系统结构图图1-2 实时工业网络组成示意图1.1.2 实时工业网络的任务

实时工业网络的任务是要将生产现场运行的各种信息,如现场设备的运行参数、状态以及故障信息等传送到远离现场的控制室,同时又要将各种控制、维护、组态命令等传送到现场的测量控制设备中。完成现场级控制设备之间数据交换和通信,对网络运行参数具有观测和远程监控功能,并实现控制网络的互连与互操作。

实时工业网络在满足控制的实时性要求的情况下,还要解决工业环境抗干扰问题,部分工业网络还要实现总线供电等问题。

实时工业网络与普通计算机网络的区别在于其数据传输量相对较小,传输速率相对较低,多为短帧传送,但其要求通信传输的实时性要强且可靠性要高。1.1.3 实时工业网络的实时性

实时工业网络是用于完成自动化任务的网络系统。从控制网络节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面都不同于由普通计算机构成的数据网络。但其最大特点是必须满足对现场控制的实时性要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新,其系统运行不仅要求逻辑上的正确性还同时满足时限性要求。1.2 实时工业网络的分类1.2.1 工业控制网络的分类

工业控制网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。按照标准开放的程度可分为两种类型。

1.专用型工业控制网络:该网络规范是由各公司自行研制,往往是针对某一特定应用领域而设计的,具有最高的效率。但在其相互连接时其各项指标因非标准化,难以协调、推广与维护。专用型工业网络在没有较大的保证市场占有率情况下,就要走向开放型,使其成为标准或设计专用的网间连接器(Gateway)与开放型网络连接。

2.开放型工业控制网络:除了一些较简单的标准是无条件开放外,大部分是有条件开放,或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员,产品需经过该组织的测试、认证,方可在该工业网络系统中使用。其所采用的标准都会遵循ISO/OSI的7层参考模型。而工业控制网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。1.2.2 实时工业网络的分类

实时工业网络分为有线实时工业网络和无线实时工业网络,由工业控制网络发展而来,其网络研究的关键技术先后经历了集散控制系统、现场总线控制和工业以太网控制三个阶段。各阶段特性如下:(1)集散控制系统(DCS),其核心思想是集中管理、分散控制。是一种主从式的控制系统,系统的控制和管理功能都集中于主站,从节点只相当于一个执行器。这种控制系统的优点是控制方式比较简单,突出的缺点是系统的控制风险高。另外,控制系统布线复杂、抗干扰性差、灵活性和扩展性不够好。(2)现场总线(FCS),现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信、总线式的全数字化网络。将控制功能彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身来实现基本控制功能,将 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统结构,突破了DCS 系统中通信由封闭的专用网络来实现所造成的缺陷,把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。但由于现场总线种类繁多,多种现场总线互不兼容,不同公司的控制器之间不能相互实现实时数据传输,信息网络在协议上的鸿沟造成工业自动化的透明集成的障碍。

现场总线又称之为现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。目前现场总线有ProfiBus、CANbus、CC-Link 等多种标准并存,而支持现场总线的仪表种类还比较少。国际电工委员会(IEC),于2010年发布了IEC61158现场总线标准的第四版,规定了20种类型的现场总线标准,见表1-1。表1-1 IEC61158包含以下现场总线类型

图1-3给出了现场总线控制系统(FCS)与传统控制系统(如DCS)结构比较。在现场总线控制系统中现场设备具有通信能力,现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号,因而控制系统功能不再依赖控制室的计算机或控制仪表,而是直接在现场完成,例如,执行 FFH1现场总路线标准的现场仪表设备,其内部均有通信功能模块,仪表之间可以构成一个控制网络,因而实现了彻底的分散控制。(3)工业以太网(IE),严格地说工业用的以太网分为工业以太网和实时工业以太网两种。工业以太网并没有彻底地解决实时性和确定性问题,其主要是通过采用硬件手段,如屏蔽电缆、高速交换机等技术使以太网更加可靠,并用于工业中现场。而实时工业以太网在标准、协议上均有特殊的技术,真正地解决了实时性和确定性问题,是完全网络化、分布化的控制系统。与现场总线方式相比,实时工业以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、易于实现信息网络和控制网络的无缝集成等优点。因此 PLC 和现场总线厂商以及相关的行业组织纷纷引入以太网技术,借以改进和改善现场总线的性能,并提出了各自工业以太网标准。图1-3 FCS与DCS结构比较

以太网的广泛应用为工业控制网络的发展提供了良好的基础结构,工业以太网在解决了实时性和确定性两个问题,得到了较好发展。其主要特点有:

• 应用广泛的编程语言。几乎所有的编程语言(如Visual C++、Java、VisualBasic)等都支持以太网的应用开发。

• 较高的传输速率。100 Mbit/s 和 1Gbit/s 的以太网技术已逐渐成熟,高于传统现场总线最高速率的12Mbit/s(如西门子Profibus-DP),满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

• 较好的传输实时性。工业以太网采用全双工通信和交换机技术,使实时性问题得到很好的解决。

• 资源共享能力强。随着以太网技术的广泛应用,网络控制人员在互联网上的任何一台计算机都能够浏览工业控制现场的数据,实现“控管一体化”,这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

• 功能扩展性好。工业以太网支持网络的视频传输,人机界面(HMI)以及触摸屏的应用。随着以太网技术的发展,工业以太网还将会增添更多的应用。

• 可持续发展潜力大。以太网将为控制系统的后续发展提供可能性,用户在技术升级方面无需独自的研究投入,如机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能,通信协议有更高的灵活性,这些要求工业以太网都能很好地满足。(4)工业无线网络

工业无线网络,也称为工业无线传感器网络(WSN)。工业控制网络历经了从集散控制系统发展到现阶段广泛应用的工业以太网,而目前广泛研究的是工业无线网络。

无线通信技术逐渐进入工业控制网络领域为工业控制带来了诸如降低安装复杂度以及减少线缆等益处,同时其配置灵活,使用方便。目前无线通信在工业自动化领域的研究主要有:

• 无线HART 标准,其是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议。

• WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation),其是2008年10月31日,经过国际电工委员会全体成员国投票,由中国自主研发的,用于工业过程自动化的无线网络规范。

• 美国仪表系统和自动化学会ISA 的SPl00 标准。

用于工业控制的工业无线网络的发展趋势是在应用无线技术的同时,考虑工业通信的特点,以满足工作站的实时需求。未来研究领域包括无线网络的安全性、可靠性以及实时传输的效率等。值得一提的是国际上很多智能仪表都支持无线HART通信功能,HART技术的应用在仪表行业将有广阔应用前景,而对于无线HART网络的应用我国目前还处于研究阶段。1.3 实时工业网络的主要功能与发展1.3.1 实时工业网络的主要功能

实时工业网络主要解决工业现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。其主要功能体现在以下几个方面。(1)现场通信网络

实时工业网络作为一种数字式通信网络,一直延伸到生产现场中的现场设备,使过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向、串行、数字式传输。(2)现场设备互联

现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等。这些现场设备可以通过实时工业网络直接在现场实现互联,相互交换信息(部分协议支持现场设备之间数据交换)。而在集散控制系统(Distributed Control System,DCS)中,现场设备之间是不能直接交换信息的。(3)互操作性

现场设备种类繁多,一个制造商不可能提供一个工业生产过程所需要的全部设备。在一个实时工业网络控制系统中有可能连接多个制造商生产的设备。实时工业网络具有较好的互操作性,可独立于控制系统和通信协议。(4)分散功能块

实时工业网络控制系统把功能块分散到现场仪表中执行,如现场总线变送器或执行器除了具有一般变送器或执行器的功能之外,还可以运行PID控制功能块和输出特性补偿块,甚至还可以实现阀门特性自校验和阀门故障自诊断功能。(5)实时工业网络供电

实时工业网络除了传输信息之外,有的网络还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线,而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统,为实时工业网络控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。(6)开放式互联网络

实时工业网络为开放式互联网络,所有技术和标准都是公开的,用户可以集成不同制造商的通信网络,还可方便地共享网络数据库。1.3.2 实时工业网络的主要特点

实时工业网络对系统的快速性和稳定性要求较高,因此它的特点也十分突出。(1)实时工业网络上所连接的各种智能设备不存在主从关系,它们在网络上的地位是等同的,使网络通信的可靠性得到了提高。(2)实时工业网络传输全数字化信号,其抗干扰能力强,并具有自诊断和纠错功能,可提高传送精度和系统的可靠性。(3)实时工业网络可以进行双向通信,工业以太网拓扑结构简化了系统布线,缩短了工程周期,降低了安装费用和维护费用。(4)实时工业网络复杂的系统程序都由厂家来提供,用户所要开发的内容较少且设计简单,易于重构。系统开发易学、易用、易维护。1.3.3 实时工业网络的发展方向

随着控制技术、通信技术、计算机技术和网络技术的发展,企业的信息集成系统得到了迅猛发展。工业控制网络在提高生产速度、生产过程管理以及保证安全生产等方面起到越来越关键的作用。实时工业网络从最初的计算机集成控制系统 CCS 到集散控制系统 DCS,再发展到现场总线控制系统。而近年来,以太网进入工业控制领域,出现了大量基于以太网的工业控制网络。同时,随着无线技术的发展,基于工业无线网络的研究也已展开。未来发展方向主要体现在以下几个方面。(1)提高通信的实时性

改进交换技术和操作系统以支持实时通信,操作系统在优先级策略的基础上对实时性和非实时性的传输提供多队列排队方式,此外,还可以通过改善拓扑结构、如何提高在 MAC层上的数据传输的调度方法来提高实时性。(2)提高通信的安全性

安全性涉及到系统故障、电磁干扰、高温辐射以及恶意攻击等因素所带来的威胁。IEC61508针对安全通信提出了黑通道机制并制定了安全完整性等级SIL。提高工业通信的安全性,以满足SIL高级别的要求,是工业控制网络安全性发展的趋势。另外,采用数据编号、密码授权以及CRC安全校验等安全保护措施,也可作为工业控制网络安全性研究的参考。(3)提高通信可靠性

工业控制网络的通信的可靠性之所以非常重要是因为它进行不同类型网络站点之间的通信是在不同网络交换技术的基础之上的。虚拟自动化网络中包含不同的可靠区域及抽象层,可靠区域包括局部生产操作区域、自动设备区域以及远程接入区域等,其中,重点是对可靠区域的设计。(4)多总线集成

多总线相互并存且互相竞争的局面已经有了很长时间的历史,多总线集成协同完成工业控制任务,是未来发展的趋势。可以通过使用代理机制将单一总线系统中的设备映射到以工业以太网为基础的工业控制网络中。(5)实时异构网络

在未来的若干年内工业无线网络将会得到快速的发展,成为有线网络和现场总线的一个有效补充。通过有线网络与无线网络融合、广域网与局域网集成来构建实时异构网络,是未来实时工业网络研究和发展的方向。而有线网络的稳定性、可靠性与无线网络的灵活性、经济性互相补充,将会有效地促进我国工业自动化技术的发展。

实时工业网络是一个以智能传感器、自动控制技术、计算机技术、通信技术和网络技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术,在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景,被誉为21世纪最有希望的自动化技术。未来的工业控制网络将会在提高生产速度、合理高效加工、管理生产过程以及保证安全生产等先进制造及工业控制领域起到越来越重要的作用。1.4 小结

实时工业网络是工业控制自动化技术的核心,它是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。本章主要针对实时工业网络的基本概念做了详细论述。从实时工业网络的组成、任务和实时性要求着手,主要对实时工业网络的分类、特点和功能做了重点介绍。从总体上了解实时工业网络的基本概念以及实时工业网络的发展方向。1.5 习题

1.实时工业网络与现场总线的主要区别有哪些?

2.请描述实时工业网络控制系统的基本结构。

3.实时工业网络的主要任务是什么?

4.实时工业网络按照网络研究的关键技术分为哪些类型?主要区别是什么?

5.实时工业网络的主要功能是什么?其未来发展方向如何?第2章数据通信与网络互连基础

数据通信技术是网络互连技术发展的基础,也是工业控制网络信息传输技术的基础。本章将对数据通信的基本概念、通信参考模型、网络互连基础、实时工业网络通信基础进行较系统的分析。学习本章内容将对理解实时工业网络技术的实现方法有很大的帮助。2.1 数据通信基础2.1.1 基本概念

通信的目的是交换信息。数据通信是指在不同计算机及其相关设备之间传送表示信息的二进制代码0、1序列的过程。而数据通信要由通信系统来完成其信息传输的过程。通信系统是指用于进行通信的硬件设备、软件和传输介质的集合。

1.通信系统的组成

通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。一般由信息源和信息接收者,发送、接收设备,传输介质组成。(1)信息源和接收者:信息源和接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据,是数字化的信息。这些信息可能是原始数据,也可能是经计算机处理后的结果,还可能是某些指令或标志。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。(2)发送设备:发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来,即将信息源产生的消息信号经过编码,变换为便于传送的信号形式,送往传输媒介。信源编码是将模拟信号变换为数字信号,而信道编码是将数字信号与传输介质相匹配,提高传输的可靠性或有效性。发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理,如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。(3)传输介质:传输介质是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有:双绞线、同轴电缆、光缆、无线与卫星通信信道。

2.数据通信方式(1)串行通信与并行通信:数据通信按照字节使用的信道数,可以分为串行通信与并行通信,计算机通常用8位的二进制代码来表示一个字符,串行通信是指将待传送的每个字符的8位二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送的通信方式。并行通信是指将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送的通信方式。图2-1分别给出了串行通信与并行通信两种不同的通信方式。(2)单工、半双工与全双工通信:数据通信按照信号传送方向与时间的关系,可分为单工通信、半双工通信与全双工通信。其中,单工通信的信号只能向一个方向传输,任何时候都不能改变信号的传送方向。半双工通信的信号可以双向传输,但是信号传输必须交替进行,一个时间段只能向一个方向传输信号。全双工通信的信号可以同时双向传输,使用的是可以双向同时传输信号的信道。图2-2分别给出了单工、半双工与全双工通信方式示意图。图2-1 串行通信与并行通信图2-2 单工、半双工与全双工通信(3)同步通信与异步通信:同步是指要求通信双方在时间基准上保持一致。数据通信中的同步包括位同步(Bit Synchronous)和字符同步(Character Synchronous)。位同步要求接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率,来校正自己的时间基准与时钟频率。字符同步是指保证收发双方正确传输字符的过程。实现字符同步的方法有同步式传输和异步式传输两种。同步传输将字符组织成组,以组为单位进行数据传送。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符 SYN,每个数据字符内不加附加位。接收端收到同步字符 SYN后,根据SYN来确定数据字符的起始与终止。同步传输的工作原理如图2-3所示。图2-3 同步传输的工作原理

异步传输的特点是:每个字符作为一个独立的整体进行发送,字符之间的时间间隔可以是任意的。为了实现字符同步,每个字符的第一位前加1位起始位(逻辑“1”),字符的最后一位后加1、1.5或2位终止位(逻辑“0”)。异步传输的比特流结构如图2-4所示。图2-4 异步传输的比特流结构2.1.2 通信网络的拓扑结构

在分布控制系统中应用较多的拓扑结构是星形、环形和总线型。

1.星形结构

在星形结构中,每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。中央节点有一个开关装置来接通两个节点之间的通信路径。因此,中央节点的构造是比较复杂的,一旦发生故障,整个通信系统就要瘫痪。因此,这种系统的可靠性是比较低的,在分布控制系统中应用得较少。

2.环形结构

图2-5给出了环形拓扑结构。在环形拓扑结构中,节点之间通过链路构成闭合的环形。环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输。需要发送信息的节点将信息送到环上,信息在环上只能按某一确定的方向传输。图2-5 环形拓扑结构

3.总线型结构

图2-6给出了总线型拓扑结构。其所有节点都通过网卡连接到作为公共传输介质的总线上。所有节点都可以通过总线发送或接收数据,但是一段时间内只允许一个节点通过总线发送数据。当一个节点通过总线以“广播”方式发送数据时,其他节点只能以“收听”方式接收数据。同时,由于总线作为公共传输介质为多个节点共享,就可能出现同时有两个或两个以上的节点通过总线发送数据的情况,因此会出现冲突而造成传输失败。图2-6 总线型拓扑结构2.1.3 网络传输介质

传输介质是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆、无线与卫星通信信道。

1.传输介质的特性

传输介质的特性对网络中数据通信质量的影响很大,这些特性主要有以下6点。(1)物理特性:对传输介质物理性质的描述。(2)传输特性:传输介质允许传送数字或模拟信号,以及调制技术、传输容量与传输的频率范围。(3)连通特性:允许点-点连接或多点连接。(4)地理范围:传输介质的最大传输距离。(5)抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。(6)相对价格:包括器件、安装和维护费用。

2.双绞线的主要特性

双绞线(Twist-Pair)是综合布线工程中最常用的一种传输介质,如图2-7所示。双绞线由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。每对线都可以作为一条通信线路,各线对螺旋排列的目的是使线对之间的电磁干扰最小。图2-7 双绞线

双绞线可以分为两种类型:屏蔽双绞线(STP,Shielded Twisted Pair)与非屏蔽双绞线(UTP,Unshielded Twisted Pair)。其中 STP 内有一层金属隔离膜,在数据传输时可减少电磁干扰,图2-8给出了屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线的结构。

常见的双绞线有3类线、5类线和超5类线,6类线以及较新的7类线。常用的5类线,其带宽为l00MHz,用于语音传输和最高传输速率为 100Mbit/s 的数据传输,甚至可能支持155Mbit/s的ATM数据传输。

超 5 类线的衰减更小,具有更小的延迟误差,主要用于千兆位以太网(l000Mbit/s)。6类线提供2倍于超5类线的带宽。传输速率大于1Gbit/s,应用于全双工的高速网络。图2-8 屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线结构

3.光缆的主要特性

光缆是传输介质中性能最好、应用最广泛的一种。图2-9给出了光缆的结构。光纤是一种直径为50~100μm的柔软、能传导光波的介质,各种玻璃和塑料可以用来制造光纤,其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来,就可以构成一条光纤通道,将多条光纤组成一束可以构成一条光缆。图2-9 光缆的结构

光纤通信的特点是传输信号的频带宽,通信容量大,传输速率可以达到几千 Mbit/s;信号衰减极小,传输距离长,它可以在 6~8km 的距离内,在不使用中继器的情况下实现高速传输;抗干扰能力强,因光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响,能在长距离、高速率的传输中保持低误码率;由于光缆具有低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率与安全保密性好的特点,目前得到广泛的应用。2.1.4 数据交换技术

数据通信系统中通常采用三种数据交换方式:线路交换方式、报文交换方式和报文分组交换方式。

1.电路交换方式

线路交换(Circuit Switching)与电话交换方式的工作过程相似。在两台计算机进行数据交换之前,首先要在通信子网中建立实际的物理线路连接。图2-10 给出了线路交换方式的工作原理示意图。图2-10 线路交换方式的工作原理示意图

2.存储转发交换(简称为报文交换)方式

存储转发交换与电路交换方式的区别主要表现在两个方面:(1)发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元(报文或报文分组)进入通信子网。(2)通信子网中的节点是通信控制处理机,它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路径选择和转发功能。

在存储转发交换方式中可以分为两类:报文交换与分组交换。由于分组交换检错容易并且重发时间较短,因此它成为公用数据交换网的主要交换技术。在实际应用中,分组交换又可分为数据报方式和虚电路方式两种类型。

3.数据报方式

数据报方式是存储转发交换方式的一种类型。在数据报方式中,分组传输时不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源主机发送的每个分组都可以独立选择传输路径,每个分组在通信子网中可能通过不同传输路径到达目的主机。图2-11给出了数据报方式的工作原理示意图。

从图中可以看出数据报方式的主要有以下4个特点。(1)同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网。(2)同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复与丢失现象。(3)每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址。(4)数据报方式的传输时延较大,适用于突发性通信,不适用于长报文、会话式通信。图2-11 数据报方式的工作原理示意图

4.虚电路方式

虚电路方式试图将数据报与线路交换方式相结合起来,以达到最佳的数据交换效果。图2-12所示给出了虚电路方式的工作原理示意图。图2-12 虚电路方式的工作原理示意图

虚电路方式在分组发送之前,需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路。一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送,因此分组不必带目的地址、源地址等信息。节点只需要进行差错检测,而不需要进行路由选择。虚电路方式具有分组交换与电路交换的优点,因此在计算机网络中得到广泛的应用。2.1.5 差错控制方法

当数据从信源出发经过通信信道时,由于通信信道总是有一定的噪声存在,信号到达信宿时是信号与噪声的叠加。接收端在取样时判断信号电平。如果噪声对信号叠加结果在电平判决时出错,就说明出现传输错误。也就是出现了接收与发送数据不一致的现象,称之为传输差错(简称为差错)。

1.误码率的定义

误码率是指二进制码元在传输过程中出错的概率,它在数值上近似满足以下等式:

P=N/Nee

式中,N为传输的二进制码元总数,N为被传错的码元数。e

由于差错的出现具有随机性。在实际测量一个数据传输系统时,只有被测量的二进制码元数越大,才会越接近于真正的误码率值。

2.检错码与纠错码

在计算机通信中,人们提出在承认传输过程中会产生差错的前提下,有效地检测出错误并进行纠正,以便提高信道传输质量。这种方法称为差错检测与校正,简称为差错控制。

差错控制的主要目的是减少通信信道的传输错误,目前还不可能检测和校正所有的错误。人们在设计差错控制方法时提出了两种策略。(1)为每个分组添加足够的冗余信息,以便在接收端发现并自动纠正传输差错,这种方法就是纠错码方法。(2)分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息,但是不能确定传输差错的位置,并且自己不能纠正传输差错,这种方法就是检错码方法。

纠错码方法虽然有自身的优点,但是实现复杂、造价高、费时间,因此目前很少采用。虽然检错码方法需要通过重传机制达到纠错,但是原理简单、实现容易、编码与解码速度快,因此这种方法得到了广泛的使用。

3.差错控制机制(1)反馈重发机制

接收端可以通过检错码检查数据是否出错,如果发现数据在传输过程中出错,则通常采用反馈重发方法来纠正。图2-13给出了反馈重发纠错的实现机制。(2)反馈重发机制的分类

反馈重发纠错方法可以分为停止等待方式和连续工作方式。

在停止等待方式中,发送方在发送完一个数据帧后,要等待接收方的应答帧(ACK 或NAK)到来。应答帧若为 ACK 则表示上一帧已经正确接收,发送方就可以发送下一个数据帧,若应答帧为NAK则表示发送错误,要重发出错的数据帧。图2-14给出了停止等待方式的工作原理示意图。停止等待方式协议简单,但是系统通信效率低。

针对停止等待方式的缺点,人们提出了连续工作方式。有拉回方式和选择重发方式两种。在拉回方式中,发送方可以连续向接收方发送数据帧,接收方对接收的数据帧进行校验,然后向发送方发回应答帧。拉回方式的工作原理如图2-15(a)所示。选择重发方式与拉回方式不同点在于:在选择重发方式中,如果发送方接到传输出错的数据帧的应答帧后,只重发出错的数据帧。图2-15(b)给出了选择重发方式的工作原理示意图。图2-13 反馈重发纠错的实现机制图2-14 停止等待方式的工作原理示意图图2-15 连续工作方式的工作原理示意图2.2 通信参考模型2.2.1 OSI参考模型的基本概念

1974 年,国际标准化组织(ISO,International Organization for Standardization)发布了著名的ISO/IEC 7498标准,它定义了网络互连的7层框架,就是开放系统互连(OSI,Open System Interconnection)参考模型。在OSI框架下,进一步详细规定了每层的功能,以实现开放系统环境中的互连性、互操作性与应用的可移植性。

1.OSI参考模型的结构

OSI 是分层体系结构的一个实例,每一层是一个模块,用于执行某种主要功能,并具有自己的一套通信协议。用于相同层的两个功能之间通信的协议称为对等协议。根据分而治之的原则,ISO将整个通信功能划分为7个层次,图2-16给出了OSI参考模型的结构。OSI七层模型从下到上分别为物理层(PH,Physical Layer)、数据链路层(DL,Data Link Layer)、网络层(N,Network Layer)、传输层(T,Transport Layer)、会话层(S,Session Layer)、表示层(P,Presentation Layer)和应用层(A,Application Layer)。

OSI参考模型将信息从某层传送到下层是通过命令方式实现,这里的命令称为原语(Primitive)。被传送的信息称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。在PDU 进入下层之前,会在PDU 中加入新的控制信息,这种控制信息称为协议控制信息(PCI,Protocol Control Information)。接着,在PDU中加入发送给下层的指令,这些指令称为接口控制信息(ICI, Interface Control Information)。PDU、PCI 与ICI 共同组成了接口数据单元(IDU,Interface Data Unit)。下层接收到IDU后,就会从IDU中去掉ICI,这时的数据包被称为服务数据单元(SDU, Service Data Unit)。随着SDU 一层层向下传送,每一层都要加入自己的信息。图2-16中所示的CCP指的是通信控制处理机。图2-16 OSI参考模型的结构意图

2.层次划分的主要原则(1)网中各节点都具有相同的层次。(2)不同节点的同等层具有相同的功能。(3)同一节点内相邻层之间通过接口通信。(4)每层可以使用下层提供的服务,并向上层提供服务。(5)不同节点的同等层通过协议来实现同等层之间的通信。

3.OSI参考模型各层功能(1)物理层

物理层的主要功能是:利用传输介质为数据链路层提供物理连接,以实现数据流的透明传输。物理层的设计主要涉及物理层接口的机械、电气、功能和过程特性以及传输介质等问题。(2)数据链路层

数据链路层的主要功能是:在物理层提供的数据流传输服务的基础上,数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接,传输以“帧”为单位的数据包,并采用差错控制和流量控制方法,使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。(3)网络层

网络层的主要功能是:为数据在节点之间传输创建逻辑链路,通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最佳的路径,以及实现路由选择、拥塞控制与网络互连等功能。(4)传输层

传输层的主要功能是:向用户提供可靠的端到端的服务,使高层用户屏蔽通信子网的细节,是计算机通信体系结构中最关键的一层。(5)会话层

会话层的主要功能是:负责维护节点的会话进程之间的通信,以及提供管理数据交换等功能。(6)表示层

表示层的主要功能是:用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式,主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。(7)应用层

应用层的主要功能是:为应用软件提供各种服务,如文件服务器、数据库、电子邮件与其他网络服务等。

从网络实现的功能看,底4层(物理层、数据链路层、网络层和传输层)主要提供数据传输功能,以节点到节点之间的通信为主;上3层(会话层、表示层和应用层)则以提供用户与应用程序之间的处理功能为主。

从网络产品的角度看,对于局域网来说,下3层(物理层、数据链路层和网络层)直接由网卡的功能来实现,上4层则由网络操作系统来实现。

4.OSI环境中的数据传输过程

图2-17给出了OSI环境中的信息流。OSI环境中的信息流动过程包括以下几步(见图2-17)。图2-17 OSI摸型的数据流示意图(1)当应用进程A的数据信息传送到应用层时,应用层为数据信息加上本层的控制报头后,组织成应用层的数据服务单元,然后再传输到表示层。(2)表示层接收到这个信息单元后,加上本层的控制报头,组成表示层的数据服务单元,再传送到会话层。依此类推,数据传送到传输层。(3)传输层接收到这个信息单元后,加上本层的控制报头,就构成了传输层的数据服务单元,它被称为报文(Message)。(4)传输层的报文传送到网络层时,由于网络层数据单元的长度有限制,传输层长报文将被分成多个较短的数据字段,加上网络层的控制报头,就构成了网络层的数据服务单元,它被称为分组(Packet)。(5)网络层的分组传送到数据链路层时,加上数据链路层的控制信息,就构成了数据链路层的数据服务单元,它被称为帧(Frame)。(6)数据链路层的帧传送到物理层后,物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去。当比特流到达目的节点计算机B时,再从物理层依次逐层上传,每层对各层的控制报头进行处理,将用户数据信息上传高层,最终将进程A的数据送给计算机B的进程B。进程A的数据在OSI环境中经过复杂的处理过程才能传送到另一台计算机的应用进程B,对于每台计算机的应用进程来说,OSI环境中数据信息流的复杂处理过程是透明的。进程A的数据信息就像是直接传送给应用进程B一样,这是开放系统在网络通信过程中本质的作用。2.2.2 TCP/IP参考模型

1.TCP/IP参考模型的层次

TCP/IP参考模型可以分为应用层、传输层、互连层和主机-网络层4个层次。图2-18所示为TCP/IP参考模型及与OSI参考模型的层次对应关系。图2-18 TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系

其中,TCP/IP参考模型的应用层与OSI参考模型的应用层相对应;TCP/IP参考模型的传输层与 OSI 的传输层相对应;TCP/IP 参考模型的的互连层与 OSI 参考模型的网络层相对应;TCP/IP参考模型的主机-网络层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应。在TCP/IP参考模型中,OSI参考模型的表示层、会话层没有对应的协议。

2.TCP/IP参考模型各层的功能(1)主机-网络层

在TCP/IP参考模型中,主机-网络层是参考模型的最低层,它负责通过网络发送和接收IP数据包。TCP/IP参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议,如局域网协议或其他一些协议。

在 TCP/IP 的主机-网络层中,包括各种物理网协议,如局域网的 Ethernet、局域网的Token Ring等。当这种物理网被用来传输IP 数据包时,我们就可以认为它是这层的内容。这体现了TCP/IP协议的兼容性和适应性,这也为TCP/IP的成功奠定了基础。(2)互连层

在TCP/IP参考模型中,互连层负责将源主机的数据包发送到目的主机,源主机与目的主机可以在一个网络中,也可以在不同的网络中。互连层的主要功能就是发送数据包并对数据包进行路径选择。(3)传输层

在TCP/IP参考模型中,传输层负责在应用进程之间的端-端通信。其主要功能是:在源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会话的端-端的连接。与OSI参考模型的传输层功能相似。在TCP/IP参考模型的传输层,定义了两种协议,既传输控制协议(TCP,Transport Control Protocol)和用户数据报协议(UDP,User Datagram Protocol)。

TCP协议是一种可靠的面向连接的协议,它允许将一台主机的字节流无差错地传送到目的主机。TCP协议将应用层的字节流分成多个字节段,然后将一个个字节段传送到互连层,发送到目的主机。当互连层将接收到的字节段传送给传输层时,传输层再将多个字节段还原成字节流传送到应用层。TCP协议同时要完成流量控制功能,协调收发双方的发送与接收速度,以达到正确传输的目的。

UDP协议是一种不可靠的无连接协议,它主要用于不要求分组顺序到达的传输中,分组传输顺序检查与排序由应用层完成。(4)应用层

在TCP/IP参考模型中,应用层包括了所有的高层协议,并且总是不断有新的协议加入。2.3 网络互连基础2.3.1 网络互连的基本概念

网络互连(Internetworking)是指将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来,构成更大规模的互连网络系统,以实现互连网络中的数据资源共享。互连的网络可以是相同或不同类型的网络,互连设备可以运行相同或不同协议的设备。互连网络中的所有资源都应成为整个网络的资源。互连网络的资源共享与物理网络结构无关。互连网络应屏蔽各网络在协议、服务与管理等方面的差异。

1.网络互连的功能

网络互连最基本的功能就是在不同网络之间传送数据时的寻址与路由选择。其扩展功能是当网络互连提供不同服务时所需要的功能,包括协议转换、分组长度变换、分组重新排序、差错检测等功能。

2.网络互连的层次

根据OSI参考模型的层次划分,网络协议分别属于不同的层次,因此网络互连一定存在着互连层次的问题。根据网络层次的结构模型,网络互连可以分为三个层次。(1)数据链路层互连

实现数据链路层互连的设备是网桥(Bridge)。网桥起到数据接收、转发与地址过滤的作用,它可以用来实现多个网络之间的数据交换。图2-19给出了数据链路层互连的结构。当使用网桥实现两个网络的数据链路层互连时,互连网络的数据链路层与物理层协议可以相同或不同。图2-19 数据链路层互连的结构(2)网络层互连

实现网络层互连的设备是路由器(Router)。网络层互连主要解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。图2-20给出了网络层互连的结构。如果两个网络的网络层协议相同,这时需要解决的主要是路由选择问题。如果两个网络的网络层协议不同,这时就要使用多协议路由器(Multiprotocol Router)。当使用路由器实现两个网络的网络层互连时,互连网络的网络层及其以下各层协议可以相同或不同。图2-20 网络层互连的结构(3)高层互连

实现高层互连的设备是网关(Gateway)。这里的高层是指传输层及其以上各层协议。图2-21给出了高层互连的结构。高层互连使用的网关多数是应用层网关,通常被称为应用网关。当使用应用网关实现两个网络的高层互连时,互连网络的应用层及其以下各层协议可以相同或不同。图2-21 高层互连的结构

从网络互连的角度看,网络的互连、互通与互操作表示不同含义。

互连(Interconnection)是指两个网络之间至少有一条物理连接线路,它为两个网络的数据交换提供了物质基础,但是并不能保证两个网络一定能进行数据交换,这要取决于两个网络的通信协议是否相互兼容。

互通(Intercommunication)是指两个网络之间能进行数据交换。仅涉及通信的两台计算机之间的端-端连接与数据交换,为不同计算机系统之间的互操作提供必要的条件。

互操作(Interoperability)是指网络中不同计算机系统之间具有透明访问对方资源的能力,其由高层软件来实现,一般要使用应用网关。

因此,互连是网络互通的基础,互通是网络互连的手段,互操作则是网络互连的目的。2.3.2 网络互连设备

不同层次的网络互连采用不同的互连设备,物理层使用中继器(Repeater),通过复制位信号延伸网段长度;数据链路层使用网桥(bridge),在局域网之间存储或转发数据帧;网络层使用路由器( Router )在不同网络间存储转发分组信号;传输层及其以上,使用网关(gateway)进行协议转换,提供高层的接口。(1)中继器

当传输距离超过了传输介质的最大长度时,信号将会因衰减或噪声干扰而影响数据的完整性,通过中继器相连接延伸网段长度。中继将信号进行整形放大、重新复制,并将新生成的复制信号转发至下一网段。(2)网桥

将一个大型局域网划分为多个用网桥(或路由器)互连的子网,使每个子网成为一个独立的小型局域网。从而可以改善网络性能。

网桥在数据链路层完成数据帧的接收、转发与地址过滤功能,它用来实现多个局域网之间的数据交换。当使用网桥实现数据链路层的互连时,允许互连网络的物理层协议不同,但数据链路层以上各层要采用相同的协议。图2-22给出了网桥的工作原理示意图。(3)路由器

路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备。当使用路由器实现网络层的互连时,允许互连网络的数据链路层与物理层协议不同,但是网络层及以上各层要采用相同的协议。路由器可以有效隔离互连的多个局域网的广播通信量,互连的每个局域网都是独立的子网。图2-22 网桥的工作原理示意图

图2-23给出了路由器的工作原理示意图。当一个分组进入路由器时,路由器检查分组的源节点与目的节点的IP地址,根据路由器中的相关信息,启动路由器算法决定该分组应传输给哪个路由器或节点。图2-23 路由器的工作原理示意图

实现路由器的工作原理比较简单,只需要在计算机中安装多块相同或不同类型的网卡。每块网卡独立完成各自的帧发送与接收功能。路由器软件完成分组的接收、转发与路由选择功能。目前大多数网络操作系统服务器端都提供了路由器软件功能。(4)网关

网关是在高层实现多个网络互连的设备。当使用网关实现高层的互连时,允许互连网络的网络层、数据链路层与物理层协议不同,但是网络层以上各层要采用相同的协议。

网关通过使用适当的硬件与软件实现不同网络协议之间的转换功能。一般来说,由硬件提供不同网络的接口,由软件实现不同网络协议之间的转换。网关实现协议转换的方法通常是制定一种标准的网间报文格式。图2-24给出了网间报文格式的网关结构示意图。图2-24 网间报文格式的网关示意图

网关可以实现不同通信协议、不同网络操作系统之间的互连。其实现技术与所连接的两个网络的具体协议有关,不同网络间转换连接的网关是不相同的。网关允许在具有不同协议和报文组的两个网络之间传输数据。当报文从一个网段到另一个网段的传送中,网关把报文重新封装成新的报文。在此过程中网关要完成报文的接收、翻译与发送。2.3.3 实时工业网络的互连

实时工业网络通过网络互连实现不同网段之间的网络连接与数据交换,包括在不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间实现互连。

实时工业网络中同种协议的网段互连采用网桥,不同类型的协议网段之间采用网关。通过网桥、网关、路由器等互连设备将不同网段、子网连接成企业应用的控制网络系统。

在工业数据通信中,网关一般是使用两个微处理器和两套各自独立的芯片组。每个微处理器都知道自己本地的网络协议语言,在两个微处理器之间设置一个基本的翻译器。I/O 数据通过微处理器,在网段之间传递。可以把一个现场设备的信号送往另一种不同协议的网络。例如,把HART网段的数据通过网关送往工业以太网网段等。2.4 实时工业网络通信基础

在工业生产过程中,存在大量检测工艺参数数值与状态的变送器和控制生产过程的控制设备,在这些测量设备和控制设备之间以及这些设备与计算机之间要遵照通信协议并利用数据传输技术传递数据信息。而实时工业网络的数据通信所传送的数据内容通常是生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。图2-25给出了实时工业网络数据通信系统示例。图2-25 实时工业网络数据通信系统示例

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书


相关推荐

最新文章


© 2020 txtepub下载