集散控制與現(xiàn)場總線 第2版 第3章集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)特性

3.1數(shù)據(jù)通信的基本概念3.2集散控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信3.3集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3.4習(xí)題第3章集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)特性通信就是信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程。任何通信系統(tǒng)都是由發(fā)送裝置、接收裝置、信道和信息四大部分所組成的。發(fā)送裝置將信息送上信道，信息由信道傳送給接受裝置。3.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

3.1.1基本概念通信介質(zhì)又稱傳輸介質(zhì)或信道，是連接網(wǎng)上站或節(jié)點的物理信號通路，它主要有雙絞線、同軸電纜和光纜三種。雙絞線由兩個相互絕緣的導(dǎo)體扭絞而成的線對。在線對的外面常有金屬箔組成的屏蔽層和專用的屏蔽線，如圖3-4a所示。雙絞線的成本比較低，但在傳輸距離比較遠(yuǎn)時，它的傳輸速率受到限制，一般不超過10Mbit/s3.1.2通信介質(zhì)表3-1幾種傳輸介質(zhì)的參數(shù)通信媒體信號技術(shù)最大傳輸率/Mbit/s最大傳輸距離（最大傳輸率條件下）可連接設(shè)備數(shù)雙絞線同軸電纜（50Ω）同軸電纜（75Ω）同軸電纜（75Ω）同軸電纜（75Ω）光導(dǎo)纖維數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字FDM模擬單信道模擬模擬1～21050205010幾千米幾千米1千米幾十千米1千米1千米幾十幾百幾十幾千幾十幾十傳輸介質(zhì)的參數(shù)同軸電纜它是由內(nèi)導(dǎo)體、中間絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層組成的。信號通過內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體傳輸。外導(dǎo)體總是接地的，起到了良好的屏蔽作用。有時為了增加機械強度和進(jìn)一步提高抵抗磁場干擾的能力，還在其外邊加上兩層對繞的鋼帶。同軸電纜的傳輸特性優(yōu)于雙絞線。在同樣的傳輸距離下，它的數(shù)據(jù)傳輸速率高于雙絞線，但同軸電纜的成本高于雙絞線。通信介質(zhì)光纜它的內(nèi)芯是由二氧化硅拉制成的光導(dǎo)纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層，由于內(nèi)芯和覆層的折射率不同，以一定角度進(jìn)入內(nèi)芯的光線能夠通過覆層折射回去，沿著內(nèi)芯向前傳播以減少信號的損失。在覆層的外面一般有一層被稱為Kevlar的合成纖維，用以增加光纜的機械強度，它使直徑為100μm的光纖能承受300N的抗拉力。通信介質(zhì)圖3-4傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)3.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了把集散控制系統(tǒng)中的各個組成部分連接在一起，常常需要把整個通信系統(tǒng)的功能分成若干個層次去實現(xiàn)，每一個層次就是一個通信子網(wǎng)，通信子網(wǎng)具有以下特征：通信子網(wǎng)具有自己的地址結(jié)構(gòu)通信子網(wǎng)相連可以采用自己的專用通信協(xié)議一個通信子網(wǎng)可以通過接口與其他網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備相互通信3.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)有以下幾種通信：過程控制站中基本控制單元之間的通信中央控制室中的人機聯(lián)系設(shè)備與電子設(shè)備室高層設(shè)備之間的通信現(xiàn)場設(shè)備和中央控制室設(shè)備之間的通信通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定后，要考慮的就是每個通信子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。所謂通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是指通信網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點或站相互連接的方法在集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星型、環(huán)型和總線型。星型結(jié)構(gòu)在星型結(jié)構(gòu)中，每一個節(jié)點都通過一條鏈路連接到一個中央節(jié)點上去。任何兩個節(jié)點之間的通信都要經(jīng)過中央節(jié)點。在中央節(jié)點中，有一個“智能”開關(guān)裝置來接通兩個節(jié)點之間的通信路徑。因此，中央節(jié)點的構(gòu)造是比較復(fù)雜的，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就要癱瘓。因此，這種系統(tǒng)的可靠性是比較低的，在分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用得較少。集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)在環(huán)型結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點通過鏈路組成一個環(huán)形。需要發(fā)送信息的節(jié)點將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸。當(dāng)信息到達(dá)接收節(jié)點時，該節(jié)點識別信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認(rèn)標(biāo)記，以便由發(fā)送節(jié)點清除由于傳輸是單方向的，所以不存在確定信息傳輸路徑的問題，這可以簡化鏈路的控制。當(dāng)某一節(jié)點故障時，可以將該節(jié)點旁路，以保證信息暢通無阻。為了進(jìn)一步提高可靠性，在某些集散控制系統(tǒng)中采用雙環(huán)，或者在故障時支持雙向傳輸。環(huán)型結(jié)構(gòu)的主要問題是在節(jié)點數(shù)量太多時會影響通信速度，另外，環(huán)是封閉的，不便于擴充集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型結(jié)構(gòu)與星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)相比，總線型結(jié)構(gòu)采用的是一種完全不同的方法。這時的通信網(wǎng)絡(luò)僅僅是一種傳輸介質(zhì)，它既不像星型網(wǎng)絡(luò)中的中央節(jié)點那樣具有信息交換的功能，也不像環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點那樣具有信息中繼的功能。所有的站都通過相應(yīng)的硬件接口直接接到總線上。由于所有的節(jié)點都共享一條公用的傳輸線路，所以每次只能由一個節(jié)點發(fā)送信息，信息由發(fā)送它的節(jié)點向兩端擴散。這就如同廣播電臺發(fā)射的信號向空間擴散一樣。所以，這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差錯控制集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)是在條件比較惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作的，因此，在信息傳輸過程中，各種各樣的干擾可能造成傳輸錯誤。這些錯誤輕則會使數(shù)據(jù)發(fā)生變化，重則會導(dǎo)致生產(chǎn)過程事故。因此必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，檢錯和糾錯統(tǒng)稱為差錯控制3.1.4通信控制方式傳輸錯誤及可靠性指標(biāo)在通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⑹嵌M(jìn)制信息，它只有0和1兩種狀態(tài)，因此，傳輸錯誤或者是把0誤傳為1，或者是把1誤傳為0。根據(jù)錯誤的特征，可以把它們分為兩類，一類稱為突發(fā)錯誤，突發(fā)錯誤是由突發(fā)噪聲引起的，其特征是誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)；另一類稱為隨機錯誤，隨機錯誤是由隨機噪聲引起的，它的特征是誤碼與其前后的代碼是否出錯無關(guān)通信控制方式鏈路控制在共享鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，鏈路控制是一個關(guān)鍵問題。由于網(wǎng)上連接著許多設(shè)備，它們彼此間要頻繁地交換信息，這些信息都要通過鏈路進(jìn)行傳輸，所以必須確定在什么時間里，在什么條件下，哪些節(jié)點可以得到鏈路的使用權(quán)，這就是鏈路的控制問題。鏈路的控制方式分為集中式和分散式兩種。集中式控制是指網(wǎng)絡(luò)中有單獨的集中式控制器，由它控制各節(jié)點之間的通信。星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)便采用這種控制方式，控制機構(gòu)集中在星型網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點內(nèi)。分散式是指網(wǎng)絡(luò)中沒有集中式鏈路控制器，各節(jié)點之間的通信由它們各自的控制器來控制，環(huán)型及總線型網(wǎng)絡(luò)一般采用分散鏈路控制方式。通信控制方式3.2集散控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信

3.2.1DCS中通信的特點集散控制系統(tǒng)是以微型機為核心的4C技術(shù)競相發(fā)展并緊密結(jié)合的產(chǎn)物，而通信技術(shù)在集散控制系統(tǒng)中占有重要的地位。所謂集散控制系統(tǒng)，即分散過程控制單元以達(dá)到對過程對象加以控制，而集中監(jiān)視和操作管理單元，以達(dá)到綜合信息全局管理的目的。計算機網(wǎng)絡(luò)連接了這些過程控制單元（也稱I/O站）、監(jiān)視操作站（也稱操作員站）和系統(tǒng)的管理單元（也稱工程師站）。當(dāng)I/O站、操作員站和工程師站分布在一個局部區(qū)域時，連接它們的網(wǎng)絡(luò)稱為局部網(wǎng)絡(luò)（LAN：LocalAreaNetwork）。計算機局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了集散控制系統(tǒng)的發(fā)展。然而集散控制系統(tǒng)所完成的是工業(yè)控制，因此其通信系統(tǒng)與一般辦公室用局部網(wǎng)絡(luò)有所不同，工業(yè)控制用通信系統(tǒng)有如下幾個特點：快速實時響應(yīng)能力具有極高的可靠性適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境工業(yè)控制用通信系統(tǒng)有如下幾個特點：集散控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)必須連續(xù)運行，通信系統(tǒng)的任何中斷和故障都可能造成停產(chǎn)，甚至引起設(shè)備和人身事故。因此通信系統(tǒng)必須具有極高的可靠性。一般集散控制系統(tǒng)通信系統(tǒng)采用雙網(wǎng)備份方式，以提高可靠性。2.具有極高的可靠性集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)計算機局部網(wǎng)絡(luò)，它能及時的傳輸現(xiàn)場過程信息和操作管理信息，因此網(wǎng)絡(luò)必須具有很好的實時性，一般辦公自動化計算機局部網(wǎng)響應(yīng)時間可在幾秒范圍內(nèi)，而工業(yè)計算機網(wǎng)的響應(yīng)時間應(yīng)在0.01～0.5s，高優(yōu)先級信息對網(wǎng)絡(luò)存取時間則不應(yīng)超過10ms。1.快速實時響應(yīng)能力集散控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)必須在惡劣的工業(yè)環(huán)境中正常工作，工業(yè)現(xiàn)場存在各種干擾，這些干擾一般可分為四類，它們是①電源干擾：由電源系統(tǒng)竄入網(wǎng)絡(luò)的上升時間約1us和2.5kV峰值的脈沖；②雷擊干擾：雷擊時，靠近傳輸線任意一點的干擾電位基本上是10us上升到5000V，20us下降到2500V的脈沖，俗稱10/20us脈沖；③電磁干擾：如觸點電弧、電力線上的浪涌電流、發(fā)動機不正常點火、大型機電設(shè)備的突然啟動等，都會帶來較強的電磁干擾；④噪聲干擾：熱噪聲是由分子熱運動引起的隨機噪聲，它的強度分布在很寬的頻譜范圍。雖然這些脈沖持續(xù)的時間約為10ms數(shù)量級，但對傳輸速率9600b/s的信息將意味著96位數(shù)據(jù)受干擾而出錯，采用屏蔽和合理的調(diào)制可以改善沖擊噪聲的影響。3.適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境OSI參考模型國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalStandardOrganization，ISO)制訂的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7498“信息處理系統(tǒng)一開放系統(tǒng)互連一基本參考模型”(InformationProcessingSystems-OpenSystemsInterconnection-BasicReferenceModel)是信息處理領(lǐng)域內(nèi)的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一。它為協(xié)調(diào)研制系統(tǒng)互連的各類標(biāo)準(zhǔn)提供共同的基礎(chǔ)，同時，規(guī)定了研制標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的范圍，為保持所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相容性提供了共同的參考。標(biāo)準(zhǔn)為研究、設(shè)計、實現(xiàn)和改造信息處理系統(tǒng)提供了功能上和概念上的框架。3.2.2OSI參考模型表3-2OSI模型的各層及其定義層次定義1．物理有關(guān)在物理鏈路上傳輸非結(jié)構(gòu)的比特流，包括的參數(shù)有信號電壓幅度和比特寬度，涉及建立、維修和拆除物理鏈路所需的機械的、電氣的、功能的和過程的特性（RS-232，RS-449）2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路把一條不可靠的傳輸通道轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l可靠的通道,發(fā)送帶有檢查的數(shù)據(jù)塊(幀)；使用差錯檢測和幀確認(rèn)(HDLC,SDLC,BiSync)3．網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組,分組可以是獨立傳輸?shù)?數(shù)據(jù)報)或者是通過一條預(yù)先建立的網(wǎng)絡(luò)連接(虛電路)傳輸?shù)?負(fù)責(zé)路由選擇和擁擠控制(X．25第三層)4．傳送在端點之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳送，提供端到端的錯誤恢復(fù)和流控制5．會話提供在兩個進(jìn)程之間建立、維護(hù)和結(jié)束連接（會話）的手段，可以提供檢查點和再啟動服務(wù)、隔離服務(wù)6．表示通常完成有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口和公共的通信服務(wù)，例如加密、文本壓縮和重新格式化7．應(yīng)用給開放系統(tǒng)互連OSI環(huán)境的用戶提供服務(wù)，例如事務(wù)服務(wù)程序、文件傳送協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理OSI模型的各層及其定義圖3-5開發(fā)系統(tǒng)互連OSI模型：連接和封裝連接和封裝封裝過程封裝處理是實現(xiàn)協(xié)議最通用的方法。采用封裝技術(shù)，使高一層的數(shù)據(jù)不包含低層協(xié)議的控制信息。即相鄰層之間保持了相對的獨立性。這樣，低層實現(xiàn)的方法發(fā)生變化將不影響高層功能的執(zhí)行(接口關(guān)系不變)。相鄰兩層之間的接口或者界面(Interface)定義了本層的基本操作以及向上一層提供的服務(wù)。分段存儲通過信息的分組、傳送、重組來進(jìn)行信息的通信。連接建立為了實現(xiàn)兩個系統(tǒng)(N)層實體之間的連接，在每一個(N)實體的服務(wù)訪問點(ServiceAccessPoints,SAP)內(nèi)定義一個連接端點(ConnectionEndPoint,CEP)。每一層都可向上一層提供有連接或者無連接服務(wù)。有連接服務(wù)通過在發(fā)送端和接收端之間建立并保持虛電路實現(xiàn)。無連接服務(wù)在內(nèi)部通信中采用數(shù)據(jù)報的方法。流量控制當(dāng)同等層的兩個通信實體的發(fā)送和接收的速度不一致時，會造成信息的丟失或者網(wǎng)絡(luò)死鎖。數(shù)據(jù)流量控制是一種由(N)實體完成的功能，它限制從另一個(N)實體接收數(shù)據(jù)的數(shù)量和速率，這樣，流量控制能保證接收端的(N)實體不至于發(fā)生數(shù)據(jù)溢出。差錯控制指用以檢測和糾正兩個同等層實體之間數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生差錯的機制。

多路復(fù)用多路復(fù)用可以在兩個方向上進(jìn)行。向上(Upward)多路復(fù)用指單個(N-1)級連接多個(N)級連接復(fù)用。它是為了有效利用(N-1)服務(wù)或者在只有一個(N-1)級連接的環(huán)境下提供多個(N)級連接。向下(Downward)多路復(fù)用，又稱分叉(Splitting)，指一個(N)級連接建立在多個(N-1)級連接之上，以便將(N)級連接上的信息量分散在各個(N-1)級連接上。它常用于改善可靠性、性能或者效率。根據(jù)OSI參考模型，為滿足工業(yè)過程控制實時性的要求，由國際電工委員會的WG6工作委員會制訂了用于集散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)PROWAY。它有三種結(jié)構(gòu)，其中，PROWAYC標(biāo)準(zhǔn)是以美國電氣和電子工程師學(xué)會(IEEE)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802．2和IEEE802．4為基礎(chǔ)的。它規(guī)定了參考模型的第一層、第二層協(xié)議、接口和媒體。按照這個標(biāo)準(zhǔn)，不同集散控制系統(tǒng)制造廠商的集散控制系統(tǒng)，只要符合這個標(biāo)準(zhǔn)，就能進(jìn)行相互通信。2.PROWAY工業(yè)過程控制用數(shù)據(jù)公路標(biāo)準(zhǔn)由一個本地發(fā)送站使用應(yīng)答(立即響應(yīng))協(xié)議向一個遠(yuǎn)程應(yīng)答站發(fā)送數(shù)據(jù)。由一個本地站無確認(rèn)或重復(fù)地發(fā)送數(shù)據(jù)給一個、幾個或者所有遠(yuǎn)程接收站。由一個本地站使用應(yīng)答(直接響應(yīng))協(xié)議向一個遠(yuǎn)程站請求以提供信息。

PLC為用戶提供三種基本服務(wù)：由美國通用汽車公司(GeneralMotor)發(fā)起的，現(xiàn)已有幾千家公司參加的MAP用戶集團(tuán)建立了在工業(yè)環(huán)境下的局域網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，稱為制造自動化協(xié)議(ManufactureAutomationProtocol)。參照OSI參考模型和PROWAY的分層模型，MAP現(xiàn)已有三種結(jié)構(gòu)：全MAP(FullMAP)、小MAP(MiniMAP)及增強性能結(jié)構(gòu)(EnhancedPerformanceArchitecture)MAP(EPAMAP)。3.MAP制造自動化協(xié)議圖3-6MAP結(jié)構(gòu)圖MAP結(jié)構(gòu)圖MAP網(wǎng)絡(luò)以節(jié)點為核心，通過網(wǎng)橋可以與MAP載帶網(wǎng)相連，通過網(wǎng)間連接器可以與其他網(wǎng)絡(luò)相連。理論的可帶節(jié)點數(shù)可達(dá)248個，實際應(yīng)用在成百個。MAP的寬帶頻率范圍從59．75MHz至95.75MHz。采用頻分多路復(fù)用方式，數(shù)字信息經(jīng)調(diào)制后由較低頻道頻率發(fā)送，以較高頻道頻率接收。依據(jù)IEEE802．4的標(biāo)準(zhǔn)，MAP采用令牌傳送方式進(jìn)行信息管理。數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbit/s。MAP節(jié)點把高層功能的實現(xiàn)安排在節(jié)點智能部分來完成。在MAP節(jié)點中有節(jié)點微處理器與節(jié)點的本地總線相連接。總線帶有存儲器、外部設(shè)備和MAC子層的接口，使LLC子層及其上面各層的通信由軟件實現(xiàn)。MAC子層及物理層的實現(xiàn)采用大規(guī)模集成芯片完成。MAP協(xié)議及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表3-3MAP協(xié)議及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)層名稱MAP協(xié)議對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)層名稱MAP協(xié)議對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用公共應(yīng)用服務(wù)規(guī)范（CASE）制造信息服務(wù)（MMS）文件傳送和管理（FTAM）網(wǎng)絡(luò)管理目錄服務(wù)ISO8650/2(DP)RS-511ISO8571(DP)IEEE802.1GM工作草案會話會話協(xié)議ISO8237(IS)傳送OSI傳送層ISO8073(IS)網(wǎng)絡(luò)無連接方式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ISO8473(DIS)鏈路無確認(rèn)無連接鏈路控制令牌總線媒體存取IEEE802.2IEEE802.4表示OSI表示層ISO8823(DP)物理10Mbps寬帶媒體IEEE802.4MAP協(xié)議及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)分層采用了OSI模型的第一、二和七層。與EPAMAP結(jié)構(gòu)相似，但在應(yīng)用層分為現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS兩個子層。在現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中，把第二層和第七層合并，稱為通信棧。按傳輸速率，現(xiàn)場總線可分為低速(傳輸速率31.25kbps)和高速(傳輸速率1Mbps和2.5Mbps)兩類；按是否可使用于本安場所，現(xiàn)場總線可分為本安型和非本安型兩類；按供電來源，現(xiàn)場總線可分為獨立電源總線和自帶電源總線兩類；也可按電源類型分為交流和直流，按電平類型分為電壓和電流等。3.2.3現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)圖3-7現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖表3-4現(xiàn)場總線類型及允許的最大長度電纜類型H1(31.25kbit/s)H2(1.0Mbit/s)H2(2.5Mbit/s)規(guī)格最大長度/m規(guī)格最大長度/m規(guī)格最大長度/mA型：屏蔽雙絞線B型：屏蔽多絞線C型：無屏蔽多絞線D型：多芯導(dǎo)線18AWG22AWG26AWG16AWG1900120040020022AWG－－－750－－－22AWG－－－500－－－現(xiàn)場總線類型及允許的最大長度按ISO參考模型，現(xiàn)場總線采用開放系統(tǒng)互連參考模型的第一、二和第七層，并把第二層和第七層合并稱為通信棧。H1現(xiàn)場總線采用的傳輸速率是31.25kbps。其前導(dǎo)碼在不采用中繼器時是一個字節(jié)，即是10101010。幀開始定界碼和結(jié)束定界碼是由加有特定的無同步跳變編碼的N+和N-編碼組成?，F(xiàn)場總線采用曼徹斯特編碼。當(dāng)高電平跳變到低電平時表示數(shù)字1，從低電平跳變到高電平表示數(shù)字0。特殊碼沒有用于同步的跳變，在時鐘周期內(nèi)高電平表示N+，低電平表示N-。H1現(xiàn)場總線允許存在支線，主線的長度在使用屏蔽雙絞線時不得超過1900m。它的支線長度與所連接的現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)量有關(guān)。3.2.4現(xiàn)場總線通信協(xié)議現(xiàn)場總線各層數(shù)據(jù)的封裝格式圖3-8現(xiàn)場總線各層數(shù)據(jù)的封裝格式設(shè)備數(shù)與支線長度的關(guān)系表3-5設(shè)備數(shù)與支線長度的關(guān)系所連接設(shè)備數(shù)/臺1～1213～1415～1819～2425～32支持長度/m1209060301現(xiàn)場總線的六種物理層的實施方案表3－6現(xiàn)場總線的六種物理層的實施方案傳輸速率傳輸電平網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偩€電源類型設(shè)備數(shù)電纜長度/m支纜長度/m31.25kbps31.25kbps31.25kbps1.0Mbps1.0Mbps1.0Mbps電壓電壓電壓電壓電壓電壓總線/樹總線/樹總線/樹總線總線總線無DCDC無AC無本安本安2-322-322-322-322-322-32190019001900750750750120120120現(xiàn)場總線的設(shè)備描述體系圖3-9現(xiàn)場總線的設(shè)備描述體系功能模塊連接成單回路控制圖3-10功能模塊連接成單回路控制的組態(tài)連接圖在集散控制系統(tǒng)中，通信的實現(xiàn)需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在物理層和鏈路層，常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層采用IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在傳送層采用TCP傳送控制協(xié)議。而IEEE802協(xié)議提供了局域網(wǎng)的最小基本通信的功能。。3.3集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在以太網(wǎng)由Zilog公司的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來，1980年由DEC、Intel、Xerox三家公司聯(lián)合宣布了以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范。以太網(wǎng)是著名的總線網(wǎng)，集散控制系統(tǒng)中采用CSMA/CD方式，處理數(shù)據(jù)的總線網(wǎng)大多采用以太網(wǎng)。以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和高層用戶層?？刂破鞑寮逋瓿蓴?shù)據(jù)鏈路層的功能，同軸電纜側(cè)的收發(fā)器完成物理層的功能。3.3.1以太網(wǎng)1.物理層圖3-12以太網(wǎng)各層的功能圖3-13以太網(wǎng)構(gòu)成的例子以太網(wǎng)的分層及物理實現(xiàn)圖3-11以太網(wǎng)的分層及物理實現(xiàn)2.數(shù)據(jù)鏈路層圖3-14以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀格式圖3-1582586的引腳RS-232C的電氣特性如下：發(fā)送端最大輸出電壓(無負(fù)載時)：25V(絕對值)最小輸出電壓(負(fù)載時)：5～15V(絕對值)電源切斷時最小輸出阻抗：300Ω短路時的最大輸出電流：500mA(絕對值)轉(zhuǎn)換速度：最大30V／μs(2)接收端輸入阻抗：3～7kΩ輸入臨界值：3V(絕對值)輸入電壓：最大25V(絕對值)3.3.2常用物理層標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232C的機械特性：圖3-16RS-232C機械特性3.3.3IEEE協(xié)議族IEEE802.3協(xié)議IEEE802.4通信協(xié)議IEEE802.5通信協(xié)議IEEE802.2通信協(xié)議1.IEEE802.3協(xié)議IEEE802.3協(xié)議是帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取控制協(xié)議，?？s寫為CSMA／CD(CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection)。它是總線網(wǎng)、樹形網(wǎng)最常用的媒體存取控制協(xié)議。這種協(xié)議屬于隨機訪問型，即爭用型協(xié)議。這表明，為了在一個多點共享的通信媒體上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用讓各個站以隨機的方式發(fā)送信息，爭用通信媒體。2.IEEE802.4通信協(xié)議IEEE802.4通信協(xié)議是總線網(wǎng)的令牌總線媒體存取控制協(xié)議。令牌總線(Token-passbus)網(wǎng)是一種較新的技術(shù)。它是從令牌環(huán)網(wǎng)借鑒而來。令牌傳遞式總線網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)是用總線把各個通信站連接起來的網(wǎng)絡(luò)。這些站被指定一個邏輯的順序，在邏輯上這些站是環(huán)形連接的。各個站的邏輯順序可以和它們的物理位置完全無關(guān)。3.IEEE802.5通信協(xié)議IEEE802.5通信協(xié)議是令牌環(huán)形網(wǎng)絡(luò)媒體存取控制協(xié)議。令牌環(huán)(Token-ring)技術(shù)可能是最早的環(huán)控制技術(shù)。在美國它已成為最普遍的環(huán)存取技術(shù)。在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上，有一個叫做令牌的信號(其格式為8位“1”)沿環(huán)運動。當(dāng)令牌到達(dá)一個通信站時，若該站沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就把令牌轉(zhuǎn)送