第2章数据通信与网络技术

监控与数据采集(SCADA)系统及其应用/王华忠

监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系 王华忠hzwang@

监控与数据采集(SCADA)系统及其应用/王华忠

Ch2 数据通信与网络技术

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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。

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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

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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。

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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。

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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。噪声

信源

发送器

信道

接收器

信宿

图2.1 广义通信系统模型

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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。

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(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。

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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。

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(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，

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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)

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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。

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(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

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(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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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(1)差错控制方式

反馈纠错 前向纠错 混合纠错

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