网络通信技术.docx
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网络通信技术.docx
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网络通信技术
网络通信技术
班级:
Y090503
学号:
s2*******
姓名:
李清岩
GPRS与OPC在监控系统通信中的应用
通信的目的确实是传递信息。
通信中产生和发送信息的一端叫做信源,接收信息的一端叫做信宿,信源和新宿之间的通信线路称为信道。
作为一样的通信系统,信源产生的信息可能是模拟数据,也可能是数字数据。
模拟数据取持续值,而数字数据取离散值。
1.Modbus通信协议
(1)Modbus协议简介
Modbus协议是应用于电子操纵器上的一种通用语言。
通过此协议,操纵器彼此之间,操纵器经由网络(例如以太网)和其它设备之间能够通信。
它已经成为一通用工业标准。
有了它,不同厂商生产的操纵设备能够连成工业网络,进行集中监控。
此协议概念了一个操纵器能熟悉利用的消息结构,而不管它们是通过何种网络进行通信的。
它描述了一操纵器请求访问其它设备的进程,若是回应来自其它设备的请求,和如何侦测错误并记录。
它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在一Modbus网络上通信时,此协议决定了每一个操纵器须要明白它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。
若是需要回应,操纵器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
在其它网络上,包括了Modbus协议的消息转换为在此网络上利用的帧或包结构。
这种转换也扩展了依照具体的网络解决节地址,路由途径及错误检测的方式:
(2)在Modbus网络上转输
标准的Modbus口是利用一RS-232C兼容串行接口,它概念了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验、操纵器能直接或经由Modem组网。
操纵器通信利用主—从技术,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。
其它设备(从设备)依照主设备查询提供的数据作出相应反映。
典型的主设备:
主机和可编程仪表;典型的从设备:
可编程操纵器。
主设备可单独和从设备通信,也能以广播方式和所有从设备通信。
若是单独通信,从设备返回一消息作为回应,若是是以广播方式查询的,那么不作任何回应。
Modbus协议成立了主设备查询的格式:
设备(或广播)地址,功能代码,所有要发送的数据,一错误检测域。
从设备回应消息也由Modbus协议组成,包括确认要行动的域,任何要返回的数据,和一错误检测域。
若是在消息接收进程中发生一错误,或从设备不能执行其命令,从设备将成立一错误消息并把它作为回应发送出去。
(3)在其它类型网络上转输
在其它网络上,操纵器利用对等技术通信,故任何操纵都能初始和其它操纵器的通信。
如此在单独的通信进程中,操纵器既可作为主设备也可作为从设备。
提供的多个内部通道可许诺同时发生的传输进程。
在消息位,Modbus协议仍提供了主—从原那么,尽管网络通信方式是"对等"。
若是一操纵器发送一消息,它只是作为主设备,并期望从从设备取得回应。
一样,当操纵器接收到一消息,它将成立一从设备回应格式并返回给发送的操纵器。
(4)查询—回应周期
①查询
查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。
数据段包括了从设备要执行功能的任何附加信息。
例如功能代码03是要求从设备读维持寄放器并返回它们的内容。
数据段必需包括要告之从设备的信息:
从何寄放器开始读及要读的寄放器数量。
错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是不是正确的方式。
②回应
若是从设备产生一正常的回应,在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。
数据段包括了从设备搜集的数据:
象寄放器值或状态。
若是有错误发生,功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的,同时数据段包括了描述此错误信息的代码。
错误检测域许诺主设备确认消息内容是不是可用。
无线通信技术目前,SCADA系统中采纳的数据通信可简单分为有线和无线两大类,其中有线通信要紧包括架设光缆、电缆或租用电信线、、DDN、ADSL等,而无线那么包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM短信/GPRS通信等。
在供水行业,由于各管网监控点散布范围广、数量多、距离远,个别点还地处偏僻,因此架设光缆、铺设电缆难度大、不符合实际,向电信部门租用专用线又要申请很多线,而且有些监控点线路难以抵达,何况采纳线路时需要等待漫长的拨号进程,速
度慢、运营本钱较高,总之SCADA系统采纳有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高,不便于大规模利用;与之相较,无线通信方式那么显得超级灵活,它具有投资较少、建设周期短、运行保护简单、性价比高等优势。
在SCADA系统中,无线通信方式要紧包括:
超短波(230MHz)无线数传、扩频(、)、卫星通信、GSM数字蜂窝通信系统等,其中卫星通信由于通信费用昂贵,只在一些特殊的领域下利用,未得以普及;而扩频通信技术尽管速度高,但只能在视距范围内传输,应用也受到限制。
因此目前国内SCADA系统较普遍采纳230MHz频段的数传电台作为传输信道。
采纳超短波数传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优势,但由于系统工作于230MHz且多采纳一般间接调制的数传电台,这就造成系统易受外界干扰、通信速度低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等先天不足,这在该公司第二水厂生产数据上传到公司调度室时取得表现,目前已改成DDN专线传输方式。
随着城市现代化、工业化进程的进展,传统的超短波通信方式正面临着愈来愈大的挑战,而GSM网络通过移动通信部门的连年建设,覆盖范围不断扩大,已成为成熟、稳固、靠得住的通信网络,专门是最近几年来推出的短消息(SMS)、GPRS等新业务,这使得SCADA系统采纳GSM网络来进行数据传输成为可能。
GPRS技术的应用及分析
应用GSM网络进行数据传输从理论分析和实际应用都是切实可行的。
就目前移动通信部门提供的效劳而言,可分为两种方式:
①短消息(SMS),通过拨打终端号码而获取数据资料短消息;②GPRS技术,核心是通过IP转换技术进行数据传输。
相较之下,采纳GPRS技术更具优势和前瞻性,符合以后的通信进展方向。
1.GPRS原理及技术特点
GPRS是通用分组无线业务GeneralPacketRadioService的英文简称,是在现有GSM系统基础上进展出来的一种新的网络业务。
GPRS采纳分组互换技术,每一个用户可同时占用多个无线信道,同一个无线信道又能够由多个用户共享,实现资源有效的利用,从而实现高速度数据传输。
GPRS支持基于标准数据通信协议的应用,能够实
现与IP网、X.25网互联互通。
GPRS具有全双工运作,间隙收发,永久在线,只有在收发数据时才占用系统资源,计费方式以数据传输量为准等特点,由于GPRS的核心层采纳IP技术,底层可利用多种传输技术,这使得它较易实现端到端的、广域的无线IP连接,以实现某种特定功能。
具有GPRS功能的移动或终端通过无线方式与GSM基站进行通信,随即登岸上GSM网络,但与电路互换式数据呼唤不同,GPRS分组是从基站发送到GPRS效劳支持节点(SGSN),而不是通过移动互换中心(MSC)连接到语音网络上。
SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信;GGSN对分组数据进行相应的处置,再发送到目的网络,如因特网或X.25网络。
来自因特网标识有移动或终端地址的IP包,由GGSN接收,再转发到SGSN,继而传送到指定的移动或终端上,
GPRS的技术特点如下:
(1)资源利用率高GPRS引入了分组互换的传输模式,用户只有在发送或接收数据期间才占用资源,这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道,从而提高了资源的利用率。
GPRS用户的计费以通信的数据量为要紧依据,表现了“取得多少、支付多少”的原那么。
事实上,GPRS用户的连接时刻可能长达数小时,却只需支付相对低廉
的连接费用。
(2)传输速度高GPRS可提供高达115Kbps的传输速度(最高值为)。
这使得GPRS终端用户能和ISDN用户一样快速地上网阅读,同时也使一些对传输速度灵敏的移动多媒体应用成为可能。
(3)接入时刻短分组互换接入时刻缩短为少于1秒,能提供快速即时的连接,可大幅度提高远程监控等工作的效率。
(4)支持IP协议和X.25协议GPRS支持因特网上应用最普遍的IP协议和协议。
而且由于GSM网络覆盖面广,使得GPRS能提供Internet和其它分组网络的全世界性无线接入。
利用GPRS来实现数据传输
基于GPRS技术的SCADA系统是以GSM为网络平台,充分利用了GPRS的技术特点和优势,实现高速、永久在线、透明数据传输的数据通信网络系统。
1.大体工作原理
在GPRS模块上实现TCP/IP协议,在应用程序端安装数据中心软件,数据中心拥有固定的IP地址(或域名),GPRS模块登岸上GSM网络后,自动连接到数据中心,向数据中心报告其IP地址,并维持和保护链路的连接,GPRS模块监测链路的连接情形,一旦发生异样,GPRS模块自动从头成立链路,数据中心和GPRS模块之间就能够够通过IP地址用TCP/IP协议进行双向通信,实现透明的、靠得住的数据传输。
2.数据通信进程
现场监控点通过数据搜集模块将数据存储到内存,当接收到命令数据时,通过接口电路,将带时刻标签的数据发送到已登岸网络并具有IP地址的GPRS模块,后通过数据编码并由指向地发送到GSM网络。
数据经GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处置,转换成在公网数据传送的格式,最终传送到公网顶用户效劳器IP地址。
效劳器同意到数据后,通过公司内部网将数据传送到SCADA系统,后通过系统软件对数据进行还原显示,同时将数据存储到数据库中。
3.系统应用GPRS技术的优势
(1)永久在线GPRS模块一开机就能够自动附着到GPRS网络上,并与数据中心成立通信链路,随时收发用户数据设备的数据,具有很高的实时性。
(2)按测压点费GPRS模块一直在线,依照接收和发送数据包的数量来收取费用,没有数据流量的传递时不收费用。
(3)高速传输、误码率低GPRS网络的传输速度最快将达到160Kbps,速度的高低取决于移动运营商的网络设置,依照中国移动的网络情形,目前可提供20~40Kbps的稳固数据传输。
(4)组网简单、迅速、灵活系统能够通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络,接入便利,节省接入投资。
(5)通信链路由专业运营商保护由于采纳中国移动的GPRS数据业务,因此链路保护也由中国移动负责,免去通信链路保护的后顾之忧。
OPC全称是OLEforProcessControl,它的显现为基于Windows的应用程序和现场进程操纵应用成立了桥梁。
在过去,为了存取现场设备的数据信息,每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。
由于现场设备的种类繁多,且产品的不断升级,往往给用户和软件开发商带来了庞大的工作负担。
通常如此也不能知足工作的实际需要,系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、靠得住性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。
在这种情形下,OPC标准应运而生。
OPC标准以微软公司的OLE技术为基础,它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的,在OPC技术中利用的是OLE2技术,OLE标准予诺多台微机之间互换文档、图形等对象。
COM是ComponentObjectModel的缩写,是所有OLE机制的基础。
COM是一种为了实现与编程语言无关的对象而制定的标准,该标准将Windows下的对象概念为独立单元,可不受程序限制地访问这些单元。
这种标准能够使两个应用程序通过对象化接口通信,而不需要明白对方是如何创建的。
例如,用户能够利用C++语言创建
一个Windows对象,它支持一个接口,通过该接口,用户能够访问该对象提供的各类功能,用户能够利用VisualBasic,C,Pascal,Smalltalk或其它语言编写对象访问程序。
在WindowsNT4.0操作系统下,COM标准扩展到可访问本机之外的其它对象,一个应用程序所利用的对象可散布在网络上,COM的那个扩展被称为DCOM(DistributedCOM)。
通过DCOM技术和OPC标准,完全能够创建一个开放的、可互操作的操纵系统软件。
OPC采纳客户/效劳器模式,把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家,以OPC效劳器的形式提供给用户,解决了软、硬件厂商的矛盾,完成了系统的集成,提高了系统的开放性和可互操作性。
OPC效劳器通常支持两种类型的访问接口,它们别离为不同的编程语言环境提供访问机制。
这两种接口是:
自动化接口(Automationinterface);自概念接口(Custominterface)。
自动化接口一般是为基于脚本编程语言而概念的标准接口,能够利用VisualBasic、Delphi、PowerBuilder等编程语言开发OPC效劳器的客户应用。
而自概念接口是专门为C++等高级编程语言而制定的标准接口。
什么缘故需要OPC技术
具体可从以下二点说明:
第一、关于初期的运算机系统,为了实现不同的硬件和软件所组成的运算机之间的数据互换和通信,必需要花费很多时刻去开发独自的通信程序。
可是正是由于此刻有了数据互换和通信的工业标准,才有能够实现像互联网那样,使不同的运算机彼此连接为庞大网络。
因此在开发企业的信息系统时,假设采纳符合工业标准的数据库和客户-效劳器接口,能够使有效的精力更多地投入到应用程序本身功能的开发中去。
第二、工业制造系统也存在一样的问题。
也确实是使由不同的供给商提供的机械设备不必专门的软件开发就能够够相互连接。
例如在实现象那样多层生产操纵信息系统时,从处置设备数据的现场设备层,到进行进程处置的进程操纵系统层,以至最上层的生产治理层,成立和普及一个有效的数据互换工业标准将是当务之急。
在这种情形下,利用微软Windows视窗中的OLE/COM技术实现工业制造系统进程操纵中的数据互换标准化,正是OPC本来的目的所在[30]。
OPC效劳器
OPC效劳器由3类对象组成:
效劳器(SERVER)、组(GROUP)、和数据项(ITEM)。
效劳器对象保留效劳器和效劳器作为OPC组对象容器的所有信息。
OPC组对象保留组对象的信息,并提供组织OPC数据项的机制。
OPC组对象为客户提供了组织数据的一种方式。
例如,一个组可能代表一个特殊设备的数据项。
OPCCLIENT能够通过组对象来读写数据,并能够设定OPC效劳器应该提供给OPCCLIENT的数据更新速度。
OPC标准概念了2种组对象:
公共组和私有组。
公共组由多个客户共享,局部组只隶属于一OPC客户。
全局组对所有连接在效劳器的应用程序都有效,而私有组只能对成立他的CLIENT有效。
在一个SERVER中,能够有假设干个组。
OPC数据项代表到OPC效劳器的数据源连接,并非是数据源,数据项是读写数据的最小逻辑单位(在实际应用中,可能是物理设备的寄放器或寄放器的某一名),数据项不提供对外接口,不能作为单独的对象供OPCCLIENT访问,必需隶属于某一个组,所有对OPC数据项的访问必需通过包括OPC数据项的组对象,即必需通过组对象才能够访问到OPC数据项[31]。
在一个组对象中,客户能够加入多个OPC数据项。
每一个数据项包括3个变量:
值(Value)、品质(Quality)和时刻戳(TimeStamp)。
数据值是以VARIANT形式表示的。
OPCCLIENT应用程序
1.OPC接口
OPC标准有两种接口方式:
自概念接口(CustomInterface)和自动化接口(AutomationInterface)[32]。
自概念接口是一组COM接口,要紧用于采纳C++语言的的应用程序开发;自动化接口是自动化的OLE接口,要紧用于采纳VB,DELPHI等基于脚本编程语言的应用程序开发。
关于客户端应用程序的开发,采纳自概念接口的方式运行效率高,但开发难度大;采纳自动化接口的方式运行效率低,但开发简单。
利用这两种接口与OPC效劳器的
关于散布式的对象上的OPC客户程序的开发,OPC标准采纳DCOM技术实现效劳器和客户程序的通信。
2.访问OPC效劳器进行数据交互
OPC效劳器可分为三层结构,SERVER,GROUP和ITEM。
在实际访问OPC效劳器时,第一步要完成COM库的初始化,然后创建一个效劳器对象,成立与效劳器的连接,取得效劳器对象的接口;第二步要添加组对象,并设定数据刷新速度,死区等参数;第三步添加数据项对象,数据项对象有只读,只写等属性,能够依如实际需
要设置属性。
OPC客户和OPC效劳器进行数据交互有2种访问方式:
同步和异步方式。
同步方式实现较为简单,客户向效劳器发出读写请求,然后等待效劳器返回信息,当客户数据较少而且同效劳器交互的数据量比较少的时候能够采纳这种方式,但是当网络堵塞或大量客户访问时,会造成系统的性能效率下降。
异步方式实现较为复杂,客户向效劳器发出读写请求后,效劳器立刻返回信息表示请求已同意,客户能够进行其他处置,当效劳器完成读写操作后,通过挪用回调函数,通知客户程序操作完成,并传递相应的信息,因此异步方式的效率更高,能够幸免多客户大数据请求的阻塞,并能够最大限度地节省CPU和网络资源。
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