工业控制网络技术基础简介

（一）通信系统的构成

什么是通信？简单地说，不同的系统经由线路相互交换数据，就是通信。通信的主要目的是将数据从一端传送到另一端，达到数据交换的目的。例如，从人与人之间的对话、计算机与设备之间的数据交换到计算机与计算机间的数据传送，乃至于广播或卫星都是通信的一种。一个完整的通信系统一般包括信息源、信息接受者、发送设备、接受设备和传输介质几部分。单向数字通信系统的结构可用图6-1表示。

图6-1　单向数字通信系统的结构

信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者，信息源输出分为模拟信号和数字信号两种，在数字通信系统中传输的是数字化后的信息，这些信息可能是原始数据，也可能是计算机处理后的数据，甚至是某些指令等。发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的信号通过编码变换成易于传送的信号形式，送往传输介质。有时为了达到某些特殊要求而进行各种处理，如保密处理、纠错编码处理等。传输介质是指发送设备到接收设备之间信号传递所经的媒介，包括有线的和无线的，有线传输介质有同轴电缆、双绞线和光缆等；无线传输介质有电磁波、红外线等。信号在介质中传输时必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等，其任务的关键是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来。

在工业控制网络中，发送设备与接收设备往往都与数据源紧密连接为一个整体。许多测量控制装置既是发送设备又是接收设备。在工业控制网络系统中典型的发送与接收设备有：①各种变送器、传感器、执行机构；②各种数据采集与控制装置，如DCS、FCS；③智能仪表，如无纸记录仪、显示仪表、多功能控制仪；④可编程逻辑控制器PLC；⑤变频器、视觉识别系统、伺服驱动器、机器人；⑥作为监控操作设备的监控计算机、数据服务器或工作站；⑦网络连接设备，如中继器、网桥、网关等。

（二）数据的通信方式

根据通信的不同特点，数据通信方式的分类有多种，如分成并行通信和串行通信；同步通信和异步通信；单工、半双工和全双工通信。

1.并行通信和串行通信

（1）并行通信。并行通信是指一条信息的各位数据被同时传送的通信方式，以字节、字或双字为单位并行传输，每一个数据位都要单独占用一根数据线。并行通信的速度快，适用于近距离的数据通信，例如：计算机或PLC各种内部总线就是以并行方式传送数据的，另外，在PLC底板上，各种模块之间通过底板总线交换数据也以并行方式进行。但在长距离的数据通信中，并行传输所需要的通信电缆费用将大大增加，成本很高，此时一般采用串行通信。

（2）串行通信。串行通信是指组成一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式，串行通信时数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，比较便宜，成本低，传送的距离可以很长，但串行传送的速度要慢一些，并且要注意传输中的同步问题，使得收发双方在时间基准上保持一致。

在工业生产中，串行通信因其成本低、传输距离远而得到广泛的应用。常用的通用串行通信接口有RS-232、RS-485等，是由美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）正式公布的，是异步串行通信中应用最广泛的标准总线，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。计算机上一般都有1～2个标准RS-232串口，即通道COM1和COM2。近距离的传输可以采用RS-232接口，当需要几百米上千米的远距离传输时则采用RS-485接口（两线差分平衡传输），如果要求通信双方均可主动发送数据，必须采用RS-422（四线差分平衡传输），RS-232通过转换器可以变成RS-485，当需要多个RS-485接口时，可以在PC上插入基于PCI总线的专用板卡（如PCI1612板卡）。

2.异步通信和同步通信

在串行通信中，同步是十分重要的，当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时，每次发出一个字符（或一个数据帧）的数据信号，要求接收器必须能识别出该字符（或该帧）数据信号的开始和结束，以便在适当的时刻正确地读取该字符（或该帧）数据信号的每一位信息。下面介绍两种基本串行通信方式。

（1）异步通信。在异步通信方式中，数据以字符为单位依次传输，两个字符之间可以有间隔，间隔时间是任意的。发送方发送一个字符数据时，先发送一个起始位（逻辑0，低电平），之后以相同的速率发送字符的各个位及奇偶校验位，接收方以同样的速率接收，最后用个停止位（逻辑1，高电平）作为一个字符传送结束的标志。一般而言，数据位有5、6、7或8位，停止位有1、1.5或2位，是否有奇偶校验位可根据实际需要而定。前后两个字符的间隔时间是任意的，此时处于空闲状态，线上的状态是高电平，可以理解成停止位的延续，之后，接收方收到一个低电平信号表示一个新的字符传送过程的开始。可见，在一个字符的传送过程中，收发双方基本保持同步，所谓异步只是指两个字符之间的间隔的不确定性。在异步通信中，双方的同步并不是基于同一个时钟，会有一定的差异，位数越多，差异越明显，但是，每次只传送一个字符，接收方每次都利用起始位进行同步关系的校正，也就是说收发双方在每一个字符上都是同步的，不会造成误差的积累。异步通信对时钟的要求不高，设备简单容易实现。

（2）同步通信。同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧，其传输单位是帧，每帧含有多个字符，字符之间没有间隙，字符前后也没有起始位和停止位。同步通信中的同步包括位同步和帧同步两个层次。位同步是指在传送数据流的过程中，收发对每一个数据位都要准确地保持同步，可以在发送端与接收端之间设置专门的时钟线，这叫外同步，比如I2C总线采用的就是外同步；还可以在数据传输中嵌入同步时钟，如曼彻斯特编码，这叫内同步。帧同步是在每个帧的开始和结束都附加标志序列，接收端通过检查这些标志实现与发送端帧级别上的同步。在数据传输量较大时，同步通信的效率高于异步通信。

串行通信的速度一般用波特率来表示，波特率是指串行通信时每秒传输数据的位数，其单位为波特（Baud）。注意：串行通信双方的波特率、数据传输格式必须事先约定一致。

3.单工、半双工及全双工通信

根据通信双方的分工和信号传输方向，串行通信有单工、半双工及全双工三种方式。

（1）单工方式。参与通信的双方分工明确，在任意时刻，只能由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。例如，收音机作为接收器只能收听由电台发送的信息。

（2）半双工方式。通信双方设备中的每一个既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。

（3）全双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。

（三）网络拓扑结构

所谓拓扑，是一种研究与大小、形状无关的线和面特性的方法，由数学上图论演变而来。在网络中，把计算机等网络单元抽象为点，把网络中的通信媒体（如电缆）抽象为线，从而抽象出网络的拓扑结构，即用网络拓扑结构来描述组成计算机网络的各个节点所构成的物理布局。常见的网络拓朴结构有总线型、星形、环形及树形等结构。

1.星形结构

星形结构中，每个节点均以一条单独信道与中心节点相连。任何两个节点间要通信必须通过中心节点转接，中心节点是控制中心。星形结构的优点是建网容易、控制简单。它的缺点是网络共享能力差，网络可靠性低，如果一旦中心节点出现故障，则全网瘫痪。

2.树形结构

树形结构网络是天然的分级结构。其特点是网络成本低，结构比较简单。在网络中，任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，并且，网络中节点扩充方便、灵活，寻查链路路径比较简单。非常适合于分主次、分等级的层次型管理系统。

3.环形结构

网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的一个闭合环形结构网，数据在环上单向流动。由于各节点共享环路，因此需要采取措施（如令牌控制）来协调控制各节点的发送。环形结构的优点是无信道选择问题，缺点是不便于扩充，系统响应延时大。

4.总线型结构

总线型结构是最普遍使用的一种网络拓扑结构，它是将各个节点和一根总线相连。总线型结构的优点是结构简单、灵活、可扩充性好、可靠性高、资源共享能力强。但由于同环形结构一样采用共享通道，因此需处理多站争用总线的问题。以太网就是采用这种网络拓扑结构。(www.xing528.com)

（四）差错控制技术

信号在传输过程中，会因为各种干扰造成信号的失真，造成通信的接收端所收二进制数和发送端实际发送的不一致，由“1”变为“0”，或由“0”变为“1”，这就是差错。差错控制是指在数据通信过程中，发现差错、并对差错进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能小的范围内。

最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。差错控制编码可分为检错码和纠错码。

1.检错码

检错码是指能自动发现差错的编码。

2.纠错码

纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。

奇偶校验码是通过增加冗余位来使得码字中“1”的个数保持奇或偶数的编码方法，是一种检错码。海明码是由R Hamming首次提出的，它是一种可以纠正一位差错的编码，而且编码效率要比正反码高。一般说来纠错码的编码效率比检错码的编码效率低，因而在通信网络中用得更多的还是检错码。奇偶校验码作为一种检错码虽然简单，但是漏检率较高，在计算机网络和数据通信中用得最广泛的检错码是一种漏检率低得多也便于实现的循环冗余码。

（五）ISO/OSI参考模型

为了促进计算机网络的发展，实现计算机网络构件（包括硬件和软件）的标准化和网络的互连互通，国际标准化组织（ISO）在1984年正式公布了开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）基本参考模型，即ISO/OSI，“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。OSI模型将计算机网络划分为7个层次，每层完成一个明确定义的功能集合，并按协议相互通信。每层向上层提供所需要的服务，同时为了完成本层协议也要使用下层提供的服务。

如图6-2所示，7个层次由下向上依次是：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层与应用层。

图6-2　OSI参考模型

在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，即图中和H7、H6、…、H1，统称为报头。到最底层成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。

因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，而高层的控制信息对于它来说又只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息通过虚通信直接给了对方一样。

图6-3　数据的实际传送过程

1.物理层

定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容。

2.数据链路层

比特流被组织成数据链路协议数据单元（通常称为帧），并以其为单位进行传输，帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。数据链路层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。

3.网络层

数据以网络协议数据单元（分组）为单位进行传输。网络层关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这就要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互联的问题。

4.传输层

传输层是第一个端到端，也即主机到主机的层次。传输层提供的端到端的透明数据传输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，由此用统一的传输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网上。传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。

5.会话层

会话层是进程到进程的层次，其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信（也称为对话）。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。在半双工情况下，会话层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据。会话层还提供在数据流中插入同步点的机制，使得数据传输因网络故障而中断后，可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。

6.表示层

表示层为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换。为了让采用不同编码方法的计算机在通信中能相互理解数据的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构，并将计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。

7.应用层

应用层是开放系统互连环境的最高层。不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送访问和管理（FTAM）、传送标准电子邮件的文电处理系统（MHS）、使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终端（VT）协议等都属于应用层的范畴。