工业控制网络及SCADAHMI技术.docx
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工业控制网络及SCADAHMI技术
工业控制网络及SCADA/HMI技术
0序
以数字串行通讯为主
意义:
大到囊括整个企业的控制网络,小到局部的通讯(如变频器、仪表),FCS/DCS的优势显著。
图:
管控一体化网络(OPC、SCADA、Internet、无线等),智能制造生产车间,FMS
定位:
更好地应用于工程,开发产品的初步知识
观念:
两条腿走路
内容:
1数字通讯基础,网络技术基础(网络结构、介质、以太网、ISO、TCP/IP模型);
2Modbus协议;
3Profibus-DP总线;(S7-300Step7软件)
4CAN和基于CAN的DeviceNet总线,AB的ControlNet网络;
5基于以太网的ProfiNet及其他基于以太网工作机制的网络;
6SCADA/HMI、OPC
第一章数字通讯及网络技术基础
1.1数字通讯
1通讯及网络的类比
最早接触的数字通讯:
《平原游击队》,声音---电信号,无线电信号
概念:
分布式控制,主站,分站,智能分站,信道,传输介质(双绞线、同轴、光纤、各波段的无线),网络结构,协议
Distribute,Master,Slave,Intelligent,Channel,transitmedia(twist,co-aixs,fiber,wireless),topology.protocol
总线的鼻祖:
RS485,数字通讯中的双工,半双工,单工。
232、485、422特点
介质访问控制(MAC),介质->bus,不是net
智能交通、管网控制也是典型应用。
当年操作系统的类比,类比是扶人走路的拐杖。
2模拟与数字通讯方式的对比
模拟信号和数字信号
模拟信号:
时间上连续,包含无穷多个信号值
数字信号:
时间上离散,仅包含有限数目的信号值
数字信道和模拟信道(我们所接触的主要是数字)
数字脉冲形式(离散信号),用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态;基带(Base band)传输:
不需调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。
连续模拟信号形式,用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态;宽带(Broad band)传输(载波传输):
数字信号需调制成频带模拟信号后再传送,接收方需要解调。例如:
通过电话模拟信道传输、闭路电视的信号传输。这个过程叫作解调。
用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态;
基本原理:
用数字信号对载波的不同参量进行调制。
载波 S(t) = Acos(ωt+ψ),S(t)的参量包括:
幅度A、频率ω、初相位ψ,调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。
(1)幅移键控编码ASK(AmplitudeShiftKeying)
(2)频移键控编码FSK(FrequencyShiftKeying)
(3)相移键控编码PSK(PhaseShiftKeying)
多路复用:
多个信息源共享一个公共信道。提高线路利用率。适用场合:
当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时。
复用类型:
频分复用原理FDM (Frequency Division Multiplexing):
整个传输频带被划分为若干个频率通道,每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。
波分复用WDM (Wave Division Multiplexing)-光的频分复用。原理:
整个波长频带被划分为若干个波长范围,每路信号占用一个波长范围来进行传输。(通过光纤打出不同颜色的单色光)
时分复用原理TDM (Time Division Multiplexing):
把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个时隙,每路数据占用一个时隙进行传输。
3数字通讯中的数据编码
(1)单极性归零码:
有归零时间段
(2)单极性非归零码:
都是有效电平
(3)(4)双极性归零、非归零码
(5)差分码:
为1则变的原则
(6)曼码
选用的原因:
同步问题,自含同步时钟。
歧意性
差分曼码:
变化少,但处理复杂
数字数据的数字信号编码
(1)单极性码
(2)双极性码
(3)归零码(RZ):
每一位二进制信息传输之后均返回零电平。
(4)非归零码(NRZ):
在整个码元时间内维持有效电平。
二进制数字0、1分别用两种电平来表示,常常用-5V表示1,+5V表示0。效率高,但缺点:
存在直流分量,腐蚀等问题;不具备自同步机制,传输时必须使用外同步。
(5)差分码:
电平变化代表“1”,不变化代表“0”。
又分为2种情形:
a.起始为高电平b.起始为低电平。
差分码:
“为1则变”的原则。
问题所在:
上述最简单的基带信号的最大问题就是当出现一长串的连1或0时,在接收端无法收到的比特流中提取位同步信号,(无法同步,收发时刻不统一)。
出现了曼码。
(6)曼彻斯特编码(就是采脉冲沿,定义0、1与上升沿、下降沿的对应关系)
码元本身分为两半,前半个时段所传信号是该时间段传递比特值的反码,而后半个时段传递的是比特值本身。
(这种定义的典型应用是使用802.3协议的基带同轴电缆和CSMA/CD机制的双绞线中,ControlNet等现场总线中使用的曼彻斯特编码的定义与上述定义正好相反。
其中:
{L,H}=0,{H,L}=1。
)(说明此处有歧义)
用电压的变化表示0和1,规定在每个码元的中间发生跳变:
高→低的跳变代表0,低→高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。
优点:
数据自同步传输。
(不用对准,无累计误差)
差分曼彻斯特编码(略)是对曼彻斯特编码的一种改进,保留了曼彻斯特编码作为“自含时钟编码”的优点,仍将每比特中间的跳变作为同步之用,但是每比特的取值则根据其开始处是否出现电平的跳变来决定。
差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术,但变化少,可以获得较好的抗干扰性能,更适用于高频(有其概率统计学的支撑)。
这种定义使用在802.5令牌环双绞线网络中。
缺点:
需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍,即效率50%)。
普通的差分码在一个码元内无跳变,不同于曼码。
差分曼码是普通的差分码和曼码的结合。
4数字通讯中数据的同步方式
意义:
双方要同步、节拍一致(何时开始的、位边界在哪、一个码元多长时间)
手电筒的哪一次闪烁是一个字节的开始呢?
位同步的方式:
内同步,外同步(
字符同步是异步方式,是异步制,以字符为边界,8N1,没有时钟,是基于字节的同步,每个字符重新同步,漂移不积累。
启示:
0;停止:
1;这样,抓住再同步的机会。
效率:
8/11,<72%
帧同步
数据同步方式:
目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。有三种同步方法:
位同步、字符同步、帧同步。
(1)位同步
目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步,有下面两种方式:
外同步—发送端发送数据时同时发送同步时钟信号,(即送信号,还要送时钟,不可行)。
自同步—通过特殊编码(如曼彻斯特编码),这些数据编码信号包含了同步信号,接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
(2)字符同步
以字符为边界实现字符的同步接收,也称为起止式或异步制(异步方式)。每个字符的传输需要:
1个起始位、5~8个数据位、1,1.5,2个停止位。(没有位的时钟,靠一个字节一同步,基于字节的同步,1.5位是按照时间计算)
字符同步的作用:
频率的漂移不会积累,每个字符开始时都会重新同步。
每两个字符之间的间隔时间不固定。
增加了辅助位,所以效率低。例如,采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时,其效率为8/11<72%。
(3)帧同步:
更高层的同步,如CAN的开始帧
5差错控制
误码率误码是必然的,正确是必须的
发现:
主要是接受方receiver
改正错误:
①接收方必查出具体位置,自己改(FEC前向错误纠正)
②重发,不去改(ARQ自动重发请求)
发现错误:
1奇偶校验
a普通奇偶校验:
只能发现奇数个错误,
图,自己画分析
b垂直奇偶校验:
图,不实用
c水平垂直奇偶校验:
图,与LRC纵向冗余校验Longitudinal Redundancy Check不同
如果只有1个错误,可定位并纠正,在交叉点
如果2个错误,能够发现,但不能纠正(知道错了,不知错在哪,更多则更无法识别)
“发现”的能力显著提高,只有“井”字的错误才不能发现
简单方便,但还有漏检(万分之一)(但也不行。
高层协议也能发现其)
2CRCcyclicredundancycheck
广泛
规则:
模2运算:
0+0=0;0-0=0;0+1=1;0-1=1;1+0=1;1-0=1;1+1=0;1-1=0;异或运算
不考虑进位、借位的二进制加减。
原理举例
110011生成多项式G(x)=X^4+X^3+1(11001)
11001)1100110000
1100111001
校验过程:
接受端处理
①11001)1100111001
为0则OK,否则Error重发。
②提取信息码,重复发送端的操作,R’=R则OK
练习
G(x)=X^4+X+1信息码:
10110,求Remainder(CRC码)?
(1111)
G(x)=X^4+X^3+1信息码:
1101011011,求Remainder?
(1110)
CRC总结:
能力强,无处不在,有数学依据,是“发现”不是“改正”
不是绝对的正确,是概率的正确(极高:
所有奇数个错误,所有双比特错误,所有小于等于校验位长度的错)
以太网等用的checksum与CRC不同,模2,模256都是常用的。
CRC也可靠硬件来实现。
6海明码(纠错)
纠正需要更多的冗余信息
两个码字不同位的数目称为海明距离
编码集的海明距离:
任何两个码字的海明距离的最小值,举例
0000011111可纠正2比特错(往哪个方向靠,按什么原则?
只能是最大概率原则)
实际的海明码是单比特位纠错编码
例
H:
ASCII1001000(7位)
在1,2,4,8位插入校验位P1,P2,P4,P8
︻︻1︻001︻000
3=1+2;5=1+4;…9=1+8…
1:
∈(3,5,7,9,11)P1=D3+D5+D7+D9+D11(偶校验:
偶数个1则为0)
2:
∈(3,6,7,10,11)
4:
∈(5,6,7)
8:
∈(9,10,11)
偶校验:
1:
0,2:
0,4:
1,8:
0
结果:
00110010000(11位)
如果00111010000(11位)第五位错,S1错,S2对,S4错,S8对,S8S4S2S1=0101,即5
思考:
分析’A‘1000001,如果为00100001001
从左到右的2^n位为校验位,使其所负责的集合服从规定的奇偶校验。
效率<7/11,单个位能够纠正,否则不能,只能重发。
介质条件差时用,发小包为好。
第1.2局域网
1.网络结构
星、树、环、总线、不规则(完整型),各自特点
2.介质种类、各自特点
双绞线,同轴,光纤,无线(超短波、微波)
3.802.3,4,5
MAC是共性问题,共享(不是交换等方式),bus只有一个!
以太网:
局域网中的802.3
CSMA/CD是其本质、CSMA/CA(802.11)(无线冲突难测)
Carriesensemultipleaccesscollisiondetect
结构、介质全可以不同
先听后发,边听边发、冲突停止、随机延迟再发(有算法)
比喻:
无人主持的讨论会上,有礼貌的人们在说。
也像车少时的黄灯闪烁。
802.4告诉我们物理与逻辑的结构不是一回事
交出令牌的条件
(1)发完了;
(2)根本就没有数据要发;(3)时间到!
维护令牌是大家的责任,上、下线自如
是有规划,有控制,有组织有纪律的网络
令牌与CSMA/CD的比较
实时性√×
负载敏感性低高
价格通用性×√
技术发展的偶然性与必然性
第1.3网络协议模型
网络是复杂的事情,复杂程度并不低于操作系统,任务不同
分层为好:
各层任务明确,服务、接口、协议都清晰;谁也不是从芯片做到Java、ASP的,就象不能专机与螺钉都做,标准化才有创新
金正日的例子,
服务、接口、协议三者关系图
上层
下层
LLC头不是被包在里面,而是被翻译为MAC头。
ISO/OSITCP/IP对比
物理层:
电气特性
数据链路层:
MAC、LLC相邻两点的无差错传输
MAC地址是身份证ID
网络层:
IP地址是核心,组织上给的名(机械学院年班号,重名没问题)
找到目标的路很多,是端对端的
关注路由,交换方法、逻辑地址(IP)、拆包/组包
不关注是否到达,只关心找没找到
传输层:
TCP/UDP,报文必须正确(可靠传输报文),Socket封装好
会话层
表示层
应用层:
1.3.2DLC(datalinkcontrollayer)
帧,什么是帧(Frame)
高层层层打包到DLC,LLC头要翻译成MAC头,再→0、1码文
DLC的作用:
不可靠的物理层,可靠的数据传输,哪层都有责任,但DLC主要负责
为什么叫Link:
链接,相邻的两个点,直接连接,逻辑连接
总体任务:
差错检测、控制、流量控制;变有差错为无差错。
具体:
MAC:
对总线的“交通”管理,总线占用,奇偶校验。
CSMA/CD就是MAC功能
LLC:
与媒体接入无关的都放在这→帧:
成帧,收发差错(帧)接上级服务请求
LLC、MAC封装成MAC帧、拆卸帧,物理三者的关系图
在LLC子层的上面看不到具体的局域网。
即,局域网对LLC子层是透明的。
只有下到MAC子层才能看见所连接的是采用什么标准的局域网。
LLC子层主要包含DSAP,SSAP和control字段,其中DSAP和SSAP用以标示上层协议为何例如,0x42,0x42就是我们熟悉的经典生成树协议ClassicSpanningTree。
LLC层协议定义了对等LLC层实体之间进行数据通信的服务规范,提供了两种服务:
不确认无连接服务和面向连接的服务,并且还定义了网络层与LLC层接口和LLC层与MAC层接口。
DSAP(目的访问服务点)
SSAP(源访问服务点)
C(控制)
I(信息)
LCC帧结构
LLC的头部包含:
∙DSAP(DestinationServiceAccessPoint)字节,8位比特
∙SSAP(SourceServiceAccessPoint)字节,8位比特
∙Control(控制)字段,8或16位比特
有了SAP,站点就能在LLC层只用一个接口同时服务于几个高层协议。
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