SCADA系统培训---第2章数据通信与网络技术

监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系王华忠[e-mail]2数据通信与网络技术一、引言数据通信是完成数据编码、传输、转换、存储、处理的过程，是计算机技术与通信技术相结合的产物。与一般的控制系统相比，SCADA固有的测控点分散、测控范围广的特点决定了整个通信子系统在SACDA系统的运行过程中起到了更加重要的作用。SCADA系统中的数据通信现场测控站点仪表、执行机构与下位机的通信下位机系统与SCADA服务器（上位机）的远程通信监控中心不同功能计算机之间的通信监控中心Web服务器与远程客户端的通信二、数据通信概述数据是指对数字、字母以及组合意义的一种表达。在SCADA系统中，通信数据与监控系统的各种信息紧密相关，如用数字1表示电机处于工作状态，用数字0表示电机处于停止状态；而对于温度、压力、物位、流量、电流、电压等变量可以用一定数值范围的数字来描述。1、数据通信系统组成数据通信系统是指以计算机为中心，通过数据传输信道将分布在各处的数据终端设备连接起来，以实现数据通信为目的的系统。实际的数据通信系统是千差万别的。例如，可以是两台计算机点对点近距离数据传输，可是是工业现场智能设备与控制器之间的数据通信，也可以是分布在各地的数百台甚至更多的计算机互相传送数据。数据通信系统是由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成。图2.1所示为香农定义的广义通信模型。信源发送器信道接收器信宿噪声图2.1广义通信系统模型信源为待传输数据信息的产生者。发送器将信息变换为适合于信道上传输的信号，而信宿的作用与之相反。信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质，又称传输介质。经过传输，在接收器处收到的信号在接收器处变为信息。通信传输过程会受到噪声的干扰，而噪声往往会影响接收者正确地接收和理解所收到的信息。为了把接收到的信息还原为原有信息，并为接收者所理解，需要一套实现约定的协议。协议是数据通信规则的集合，如果没有协议，两台设备即使连接也无法通信。（1）通信设备发送设备、接收设备和传输介质是通信系统的硬件。发送设备用于匹配信息源和传输介质，即将信息源产生的数据经过编码变换为信号形式，送往传输介质；接收设备则需要完成发送设备的反变换，即从带有干扰的信号中正确恢复出原有信号，并进行解码、解密等操作。SCADA系统中，由于越来越多的设备变得智能化和数字化，数字通信能力越来越强大，因此，依赖不同时刻设备的作用，许多设备既是发送设备、也是接收设备。如下位机设备与上位机通信时，当下位机向上位机传送现场仪表参数时，下位机是发送设备，上位机是接收设备；而当下位机接收上位机的控制指令，如开启某台设备，或修改下位机参数时，下位机是接收设备，而上位机是发送设备。（2）传输信道传输信道可以是简单的两条导线，也可以是由传输介质、数据中继、交换、存储、管理设备构成的网络。传输信道是为收发两地的数据流提供传输的信道，传输信道由两部分组成：一部分是传输介质，另外一部分是其他数据处理设备。传输介质分为有线介质和无线介质两种，有线介质有双绞线、同轴电缆和光纤等，无线介质则为空气。传输手段为微波、红外线、激光等，由光纤、同轴电缆、双绞线等有线介质构成有线线路，2、数据传输的几个基本概念（1）数据传输模式A：传输模式数据传输模式是指数据在信道上传输所采取的方式。B：同步技术在数据通信系统中，通信系统的接收设备与发送设备的数据序列在时间上必须取得同步，以准确地接收发来的每位数据。C：基带传输、频带传输和数字数据传输。D：通信线路工作方式（单工、半双工、全双工）几种数据传输模式数据传输模式可以分为不同的类型按数据代码传输的顺序，可以分为两种基本方式：即并行传输与串行传输；按数据传输的同步方式，可以分为同步传输与异步传输；按数据传输的流向和时间关系，可以分为单工、半双工与全双工数据传输；按照数据信号特点，可以分为基带传输、频带传输和数字数据传输。（2）数字数据传输在线路上传输的二进制数据可以采用并行模式传输或串行模式传输。在并行模式下，每一个时钟脉冲有多位数据被传送；而在串行模式下，每一个时钟脉冲只发送一位数据。而且，发送并行数据仅仅只有一种方式，而对于串行传输则有两种方式同步传输异步传输（3）同步传输与异步传输在线路上传输的二进制数据可以采用并行模式传输或串行模式传输。在并行模式下，每一个时钟脉冲有多位数据被传送；而在串行模式下，每一个时钟脉冲只发送一位数据。而且，发送并行数据仅仅只有一种方式，而对于串行传输则有两种方式同步传输异步传输A.同步传输同步传输是以一定时钟节拍来发送数据信号的。这个时钟可以是由参与通信的那些设备或器件中的一台产生的，也可以是由外部时钟信号源提供的。时钟可以有固定的频率，也可以间隔一个不规则的周期进行却换。所有传输的数据位都和这个时钟信号同步。在同步传输时，它不是独立地发送每个字符，而是连续地发送位流，并且不需要每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送，这些组合称为数据帧，或者简称为帧。B.异步传输异步传输中，每个节点有有自己的时钟信号，每个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。异步传输中，并不要求在传送信号的每一数据位时收发两端都同步。依赖起始位、数据位、停止位等来起同步作用。C.同步与异步传输比较同步传输通常要比异步传输快，传输效率较高。异步传输实现起来比较容易，对线路和收发器要求较低，实现字符同步也比较简单，收发双方的时钟信号不需要精确地同步。缺点是多传输了用于同步目的的字符，降低了传输效率。3、差错控制在数据通信过程中，由于各种干扰及传输线路本身的因素，在传输过程中会不可避免地发生错误，特别是随着无线通信应用的增多，而无线通信差错率要远高于有线通信。因此，为了提高通信系统的传输质量而采取的检测与校正方法就差错控制。在计算机网络中，差错控制通常是在数据链路层进行的。差错检查是让报文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息，但它不能确定是哪一位出错，也不能纠正传输中的差错；差错纠正是让报文中每个传输的报文分组中带有足够的冗余信息，使得接收端能发现并自动纠正传输错误。差错纠正在功能上优于差错检测，但实现复杂，造价高。差错检查原理简单，容易实现，编码与解码速度快，应用广泛。（1）差错控制方式反馈纠错前向纠错混合纠错（2）常用的差错检测方法奇偶校验码奇偶校验码是一种最简单实用的检错码，指通过增加冗余位来使得码字某些位中“1”的个数保持为偶数或奇数的编码方式。异步通信系统中使用偶校验或奇校验这两种方法。循环码（CyclicRedundancyCheck,CRC）三、通用串行通信串行接口通信接口中有两个重要的概念数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment，DTE）数据电路终接设备DCE（DataCircuit-terminatingEquipment，DCE）目前最常用的有关DTE和DCE之间的接口标准是EIA和ITU-T指定的标准。其中EIA（美国电子工业协会，ElectricalIndustrialAssociation，EIA）标准有EIA-232、EIA-442和EIA-449等；数据通信接口标准主要用来定义数据通信的接口和信号方式。在通信线路的两端都要有DTE和DCE，如图2.2所示。DTE产生数据并且传输到DCE，而DCE将此信号转换成适当的形式在传输线路上进行传输。DTEDCE接口DCEDTE接口图2.2DTE和DCE设备的连接在物理层：DTE可以是终端、微机、打印机、传真机等其他设备，但是一定要有一个转接设备才可以通信。DCE是指可以通过网络传输或接收模拟数据或数字数据的任意一个设备，最常用的设备就是调制解调器。1、串行通信参数串行通信中，交换数据的双方利用传输在线路上的电压变化来达到数据交换的目的，但是如何从不断改变的电压状态中解析出其中的信息，就需要双方共同决定才行，即需要说明通信双方是如何发送数据和命令的。因此，双方为了进行通信，必须要遵守一定的通信规则，这个通信的规则就体现在对通信端口的初始化的参数上。数据的传输速度：波特率（BaudRate）数据的发送单位：如ASCII码8个位形成一个字符起始位及停止位：起始位固定为1个位，而停止位则有1、1.5及2个位等多种选择。校验位的检查：为了预防错误的产生，使用了校验位作为检查的机制。可根据实际需要选择奇校验、偶校验或无校验。2、流量控制所谓的流量控制，是为了保证传输双方都能正确地发送和接收数据而不会漏失。如果发送的速度大于接收的速度，而接收端的处理器来不及处理，则接收缓冲区在一定时间后会溢出，造成以后发送来的数据无法进入缓冲区而漏失。解决这个问题的方法是让接收方通知发送端何时发送以及何时停止发送。流量控制又称为握手（HandShaking），常用的方式有：硬件握手和软件握手两种。3、RS-232接口特性（1）RS-232接口特性RS-232C接口标准所定义的内容属于国际标准化组织ISO所制订的开放式系统互联参考模型中的最低层—物理层所定义的内容。RS232C接口规范的内容包括连接电缆和机械特性、电气特性、功能特性和过程特性四个方面。机械特性:主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。电气特性:规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。功能特性:主要定义各条物理线路功能和电平电压表示何种意义。规程特性:主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系（2）RS-232串行通信RS-232C被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232C采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。收、发端的数据信号是相对于信号地。传送距离最大为约15米，最高速率为20kbps。RS-232C是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，所以RS-232适合本地设备之间的通信。RS-232-C物理层接口标准。•机械特性–25芯连接器，DTE（DataTerminalEquipment）为终端，DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）连接。•电气特性–采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为“0”，最大20Kbps，最长15m。–非平衡传输（unbalancedtransmission）：所有电路共享一个公用的地线。–平衡传输（balancedtransmission）：每个主要电路需要两根线，没有公用的地线。•功能特性–定义了21条线，许多子集，基本与CCITTV.24兼容•规程特性–对不同的功能子集，有不同的规程。–RS-232-C有14中不同的接口类型，适合于单工，半双工，全双工，同步，异步4、RS-422与RS-485串行接口（1）RS-422串行接口为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100Kbps时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。（2）RS-485串行接口为扩展RS-422串行通信应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有所改进，无论四线还是二线连接方式