Industrial Data Communications, 4th Edition

285 Pages·2007·7.23 MB·English

by  Lawrence "Larry" M. Thompson

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Industrial Data
Communications
4th Edition
By Lawrence “Larry” M. Thompson
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Printed in the United States of America.
1098765432
ISBN 978-1-934394-24-3 Ebook ISBN 978-1-937560-59-1 PDF ISBN 978-1-937560-88-1
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ISA
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Thompson, Lawrence M.
Industrial data communications I By Lawrence "Larry" M. Thompson. --
4th ed.
p. cm.
ISBN-13: 978-1-934394-24-3 (pbk.)
1. Data transmission systems. I. Title.
TK5105.T46 1997
004.6--dc22
2007036855
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ISA Resources for Measurement and Control Series (RMC)
(cid:127) Control System Documentation: Applying Symbols and Identification, 2nd Edition
(cid:127) Control System Safety Evaluation and Reliability, 2nd Edition
(cid:127) Industrial Data Communications, 4th Edition
(cid:127) Industrial Flow Measurement, 3rd Edition
(cid:127) Industrial Level, Pressure, and Density Measurement, 2nd Edition
(cid:127) Measurement and Control Basics, 4th Edition
(cid:127) Programmable Controllers, 4th Edition
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This Book Is Dedicated To
The many practitioners of various disciplines who, through no fault of their own,
have arrived at the position of needing knowledge of industrial data
communications just to survive.
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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
About the Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Chapter 1 Communication Concepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Goals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Serial and Parallel Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Data Organization: Signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Data Organization: Communications Codes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Data Organization: Error Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Data Organization: Protocol Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Protocol Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Chapter 2 Communications Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
ISO OSI Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
The Internet Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
The IEEE 802 Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Application Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Chapter 3 Serial Communication Standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
EIA/TIA Standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
TIA/EIA 232(F). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
EIA 449: Interface Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
EIA 422 and 423. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
EIA/TIA 485(A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
EIA/TIA 530. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Interface Signal Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
PC Serial Communications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Universal Serial Bus (USB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
IEEE-1394. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
SCSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
SATA (Serial ATA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
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Chapter 4 Local Area Networks (LANs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
How We Got Here . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
LAN Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
802 and Industrial LANs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Wireless LANS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
LAN Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
IEEE 802 Medium Access Control (MAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Industrial Token Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Logical Link Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
LAN Layer 3 and 4 Software: TCP/IP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Chapter 5 Network Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Object-Oriented Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Commercial Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Network Operating Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Microsoft Windows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
UNIX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Linux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Protocols Used by Vendors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Microsoft’s NetBEUI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
CIFS: Common Internet File System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Netware’s IPX/SPX Suite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
TCP/ICP Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
An Application Object Model: OPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Chapter 6 Industrial Networks and Fieldbuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
The Many. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Industrial Network Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Distributed Control Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Selected Industrial Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
DeviceNet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
ControlNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Ethernet/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
LonWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
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AS-i. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
P-Net. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Profibus/ProfiNet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Foundation Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Ethernet/TCP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Industrial Networks and Fieldbuses Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Chapter 7 Wide Area Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Wireline Transmission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Carrier Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Amplitude Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Frequency Shift Keying. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Summary: Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Wireline Modems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Summary: Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
WAN Digital Lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Synchronous Optical Network (SONET). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
The Answer: Digital Subscriber Line (DSL). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Cable Modems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
WAN for the Mobile and Outer Lands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Summary: WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Chapter 8 Internetworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Layer 2: Internetworking Equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Layer 3 Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Router Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Other Networking Devices/Protocols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Summary: Internetworking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Chapter 9 Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Defining the Types of Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Threats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
The Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225