集散控制系統(tǒng)及設(shè)備

1、工程九 集散控制系統(tǒng)及設(shè)備 集散控制系統(tǒng)的英文原名為:Distributed Control System，簡稱DCS，通常也稱為集散控制系統(tǒng)。 集散控制系統(tǒng)的控制功能，主要由計算機技computer、控制技術(shù)Control 、顯示技術(shù)CRT和通訊技術(shù)communicate來完成，普通也稱為4C技術(shù)，4C技術(shù)是DCS系統(tǒng)的四大支柱。DCS中通訊技術(shù)更為重要，操作員站的操作、工程師站系統(tǒng)的組態(tài)以及現(xiàn)場設(shè)備信息的交換都依靠通訊技術(shù)來完成。.義務(wù)二十七 DCS的通訊技術(shù) 通訊技術(shù)就是研討通訊設(shè)備通常就是計算機如何進展信息交換。例如，運用鼠標或鍵盤在計算機屏幕上對某個現(xiàn)場閥門進展開大或關(guān)小操作，實踐的

2、操作過程是：該操作首先翻譯成二進制數(shù)據(jù)(在操作站完成)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)總線傳送到現(xiàn)場的控制計算機(在DPU中完成)，再由現(xiàn)場控制計算機將控制信息發(fā)送到對應(yīng)閥門的卡件，經(jīng)過適當?shù)目罱K完成操作。.一、數(shù)據(jù)通訊的根本原理1.數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)和拓撲構(gòu)造DCS計算機之間的通訊依托計算機網(wǎng)絡(luò)來完成。計算機網(wǎng)絡(luò)是將物理位置不同的計算機或計算機系統(tǒng)經(jīng)過通訊安裝、設(shè)備和線路將其銜接起來，并按一定規(guī)范通訊協(xié)議完成信號和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。大型計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造非常復(fù)雜，也有非常簡單可以稱為網(wǎng)絡(luò)的計算機銜接。簡單的計算機網(wǎng)絡(luò)人們描畫計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造時，常運用網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造圖。.圖9-1 最簡單計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)造這是最簡單的計算機

3、網(wǎng)絡(luò)，普通在描畫網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造時往往僅畫出節(jié)點和通訊鏈路。通常，把節(jié)點和通訊鏈路的集合統(tǒng)稱為通訊子網(wǎng)。.計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造根本方式有三種：環(huán)形、總線形和星形，見以下圖9-2。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可以由根本網(wǎng)絡(luò)銜接而成。星型網(wǎng)：一切外圍計算機之間的通訊都必需經(jīng)過中間的通訊安裝。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)：通訊沿著環(huán)順或逆時針進展?？偩€形網(wǎng)絡(luò)：是目前多數(shù)電廠控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方式，各點依托總線可以直接通訊，通訊速度比較高。.由通訊方式的不同可以將通訊網(wǎng)絡(luò)分成點點子網(wǎng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)式和廣播子網(wǎng)多點共享子網(wǎng)。星形網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)屬于點點子網(wǎng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)?？偩€網(wǎng)屬于廣播子網(wǎng)。當一個接點要發(fā)送信息到另外一個接點時，是將帶有地址信息的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到總線上稱為

4、廣播，一切銜接在總線上設(shè)備都要接受該信息稱為聽到，然后分析信息中地址和本人地址能否一樣，一樣在保管信息，否那么將信息丟棄。2、數(shù)據(jù)傳輸方式一切計算機通訊全部采用二進制。傳送二進制數(shù)共分兩種方式，即并行通訊和串行通訊。并行是一次同時傳送數(shù)個二進制位，通訊接點之間的連線數(shù)目和通訊的二進制位數(shù)一樣，長間隔通訊非常浪費資料。串行通訊是常用的通訊方式。.通訊節(jié)點通訊節(jié)點通訊節(jié)點通訊節(jié)點并行通訊，每傳送一位二進制數(shù)就需求一條線路。傳送二進制數(shù)據(jù)位數(shù)越多，需求的線路越多，不利于長間隔通訊，打印機多采用并行通訊。串行通訊最少可以運用三根線來進展，一根通訊由左向右；另一根由右向左；加上公用地共三根可以運用雙向雙

5、工通訊。.1、串行異步通訊原理講解 圖9-4 串行異步通訊波形圖 .例如：甲方向乙方傳送1100101，7位二進制數(shù)據(jù)，添加一個偶檢驗位，兩位停頓位。所謂偶檢驗就是在傳輸數(shù)據(jù)時，保證數(shù)據(jù)中“1的個數(shù)加上偶檢驗位“1的個數(shù)后，必需為偶數(shù)。就本例而言，數(shù)據(jù)中曾經(jīng)存在4個1“，曾經(jīng)是偶數(shù)，所以偶檢驗的檢驗位只能添“0，否那么“1的個數(shù)就變成奇數(shù)。偶檢驗時，接納方乙方收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)連同檢驗位一同，計算“1的個數(shù)，假設(shè)為偶數(shù)，闡明傳輸正確。當數(shù)據(jù)傳輸過程中由于干擾將某一位改動，例如將“1變成“0，或者相反，都會呵斥“1的個數(shù)不是偶數(shù)。.電壓表01奇檢驗和偶檢驗類似，只不過傳輸數(shù)據(jù)要求“1的個數(shù)為奇數(shù)。

6、為了便于了解下面的例子假設(shè)一個時間單位秒傳輸一位二進制數(shù)，既傳輸速率為1波特。當左側(cè)的開關(guān)翻開時，右側(cè)電壓表讀數(shù)為0，表示甲方傳送給乙方數(shù)據(jù)為0。當左側(cè)的開封鎖合時，右側(cè)電壓表讀數(shù)為1，表示甲方傳送給乙方數(shù)據(jù)為1。甲方乙方.電平高度秒1012345678910傳輸數(shù)據(jù)方甲方數(shù)據(jù)波形圖甲方在發(fā)送數(shù)據(jù)前一直堅持高電平甲方將高電平變成低電平就是通知乙方，甲方開場發(fā)送數(shù)據(jù)。這個低電平表示開場的信號要延伸一位數(shù)據(jù)所占的時間長度。一個數(shù)據(jù)單位時間內(nèi)堅持高電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“1。一個數(shù)據(jù)單位時間內(nèi)堅持高電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“1。一個數(shù)據(jù)單位時間內(nèi)堅持低電平，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“0。一個數(shù)據(jù)單位時間內(nèi)堅持低電平

7、，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“0。奇偶檢驗位本例為偶檢驗，計算機數(shù)據(jù)位中“1的個數(shù)，連同本位在內(nèi)，必需為偶數(shù)個“1。甲方運用不小于兩個數(shù)據(jù)位時間寬度的高電平，表示數(shù)據(jù)傳輸終了。.接納數(shù)據(jù)方乙方數(shù)據(jù)接納過程圖電平高度秒1012345678910在發(fā)送方輸出高電平表示發(fā)送停頓期間，接納方以1/16數(shù)據(jù)單位時間間隔，檢測能否有低電平出現(xiàn)。一旦檢測到低電平，表示對方開場發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)對方發(fā)送低電平后，乙方將檢測頻率放慢，1/2數(shù)據(jù)位時間寬度后，再采樣一次，假設(shè)繼續(xù)低電平表示真的數(shù)據(jù)發(fā)送開場。否那么前次一定為干擾。以后每間隔一個數(shù)據(jù)位時間間隔，采樣一次，每次采樣結(jié)果就是甲方發(fā)送來的數(shù)據(jù)。甲方發(fā)送的停頓位必需大于兩個

8、原來商定數(shù)據(jù)位時間寬度，否那么通訊失敗。.2、串行同步通訊 異步的開場位和停頓位影響了通訊速度，假設(shè)存在大量數(shù)據(jù)需求傳送時，通訊速度必然遭到限制。 同步通訊當對方表示開場傳送后將大塊數(shù)據(jù)延續(xù)不斷地傳送到對方，可以提高效率。傳送數(shù)據(jù)雙方表示開場或終了信號稱為同步，同步通信的“同步可以由兩種方式來實現(xiàn)，一種稱為硬件同步在異步通訊線路根底上添加一條專門用于同步的“同步線，主要是表示發(fā)送數(shù)據(jù)開場或終了。另一種為軟同步，由發(fā)送的特殊字符表示開場或終了。.圖9-5串行同步通訊數(shù)據(jù)塊構(gòu)造軟同步構(gòu)造表示圖。幀頭和幀尾分別表示數(shù)據(jù)的開場或終了。DCS中通訊多數(shù)采用同步通訊方式。串行同步通訊普通存在兩種方式：在發(fā)

9、送方和接納方之間利用一根專門的數(shù)據(jù)同步線來傳送同步信號，稱為外同步法。數(shù)據(jù)幀同步是將要傳送的多位二進制數(shù)據(jù)，組成一個數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊的前后分別加上前、后同步控制和檢驗字段分別稱為幀頭和幀尾，幀頭表示發(fā)送方開場發(fā)送數(shù)據(jù)，幀尾表示發(fā)送數(shù)據(jù)終了。.3、基帶傳輸與寬帶傳輸A基帶傳輸直接數(shù)據(jù)傳輸：利用線路直接將表示數(shù)字的高低電平直接傳輸?shù)綄Ψ?。在局域網(wǎng)中經(jīng)常運用基帶傳輸方式進展數(shù)據(jù)傳送。為了防止分布參數(shù)對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，普通運用曼徹斯特編碼方式。圖9-6曼徹斯特編碼波形 原那么1：在每個時鐘下降沿上構(gòu)成數(shù)據(jù)。原那么2：上跳表示0；下跳表示1。原那么3：相鄰數(shù)據(jù)不同時表示數(shù)據(jù)的電平堅持不變，相鄰數(shù)據(jù)不一樣時

10、，表示完數(shù)據(jù)的跳變發(fā)生后，在數(shù)據(jù)通訊無效期間，變化電平預(yù)備表示下一數(shù)據(jù)。.B寬帶傳輸；經(jīng)過調(diào)制手段在一條通訊線路上可以同時傳送多路通訊。如閉路電視系統(tǒng)。圖9-7調(diào)制解調(diào)器任務(wù)原理表示圖將串行信號基帶信號經(jīng)過調(diào)幅或調(diào)頻方法，轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的電信號。這樣不僅可以在一條線路上實現(xiàn)多路通訊，而且可以信號遠間隔傳送。寬帶通訊特點：存在調(diào)了解調(diào)器。撥號上網(wǎng)等需求貓的都屬于該類型.3、數(shù)據(jù)傳輸中的過失處置 通訊線路經(jīng)常遭到干擾，通訊錯誤在所難免，如何知道對方發(fā)送出現(xiàn)錯誤成為糾正錯誤的關(guān)鍵。1奇偶檢驗法事先商定通訊協(xié)議一種檢驗方法后，利用串行通訊的奇偶檢驗位來實現(xiàn)奇偶檢驗法。發(fā)送方利用該位使數(shù)據(jù)變成偶數(shù)或

11、奇數(shù)個“1，對方接受數(shù)據(jù)后連同奇偶位一同計算，假設(shè)為偶數(shù)或奇數(shù)表示通訊勝利，否那么重新傳送數(shù)據(jù)。.2垂直程度奇偶檢驗法每一個串行通訊數(shù)據(jù)稱為程度檢驗發(fā)送一定數(shù)量程度數(shù)據(jù)后，補發(fā)一個專門用于垂直檢驗的檢驗數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)窄脈沖的干擾.3循環(huán)檢驗碼 循環(huán)檢驗碼不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤，而且利用CRC余碼還可以糾正錯誤數(shù)據(jù)。是目前計算機通訊常用的檢驗碼。信息碼校驗碼碼字0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 11 1 0 10 0 1 1 1 0 10 1 00 1 1 10 1 0 0 1 1 10 1 11 0 1 00 1 1 1 0 1 01 0 01 1 1 01 0 0 1 1

12、1 01 0 10 0 1 11 0 1 0 0 1 11 1 01 0 0 11 1 0 1 0 0 11 1 10 1 0 01 1 1 0 1 0 0要發(fā)送的三位信息碼防止發(fā)送錯誤的四位檢驗碼構(gòu)成的可以檢驗錯誤的發(fā)送碼字。該碼字特點：全0除外，任何一個數(shù)據(jù)向左或右循環(huán)挪動一位，會變成另外一個碼字，所以稱為循環(huán)碼。循環(huán)是線性碼的一種。顯然對這種碼的全0，全“1都會被對方發(fā)現(xiàn)是錯誤碼，只需將該碼字一切碼左或右循環(huán)挪動一位，方能讓對方接受，顯然這樣的干擾出現(xiàn)的幾率幾乎為0.如何生成循環(huán)碼例：設(shè)信息碼系列m=101，采用生成多項式gx=1+x2+x3+x4，將其生成7，3發(fā)送碼。1將要發(fā)送的碼寫

13、成多項式方式例如要發(fā)送二進制110，那么多項式方式為：2將以上多項式兩邊同乘以X7-3，即X4.3運用第2步生成的多項式除以“生成多項式一種循環(huán) 碼只能找到一個類似多項式。.4將第2步得到的多項式和第3步余數(shù)相加得到的多項 式相加成為要發(fā)送的碼字。將以上多項式變成二進制為：1101001其實對于7，3碼來講只能發(fā)送7個信息碼。第三步得到的余數(shù)X3+1稱為循環(huán)冗余碼，簡稱CRC。.4、12、16、32位生成多項式gx表達式如下： .二、數(shù)據(jù)通訊的傳輸介質(zhì)1. 雙絞線1 物理構(gòu)造 雙絞線由兩根均勻陳列成螺旋狀的絕緣銅導線組成。通常，一定數(shù)量的這樣的雙絞線捆成一電纜，外面包著硬的維護性護套。詳細構(gòu)造

14、見圖9-11雙絞線構(gòu)造表示圖。雙絞線兩根導線絞扭，可減少兩根導線之間的電磁干擾。圖9-11雙絞線構(gòu)造表示圖.圖9-12雙絞線功能闡明 從左側(cè)來看：發(fā)送組一條為數(shù)據(jù)線，另一條為地線從左側(cè)來看：接受組，一條為數(shù)據(jù)線，一條為地。.2 傳輸特性雙絞線可以傳輸模擬信號也可以傳輸數(shù)字信號。傳輸模擬信號時，大約數(shù)公里就需求一個信號放大器。傳輸數(shù)字信號時，每23公里需求一個中繼轉(zhuǎn)發(fā)器主要作用是信號整形。在局域網(wǎng)絡(luò)中，雙絞線多用于一個建筑物內(nèi)的信號傳送。 2. 同軸電纜 同軸電纜有細纜和粗纜之分，除運用的接頭不同外，細纜柔軟容易彎曲在現(xiàn)場布線比較方便，但傳輸間隔不如粗纜遠。粗纜外層屏蔽鞏固不易彎曲，尤其對于復(fù)雜

15、空間布線不方便，但傳輸間隔比細纜遠。.1 物理構(gòu)造同軸電纜由兩個導體組成，其外導體是一個空心圓柱形導體，它圍裹著一個內(nèi)芯線導體，外導體除了有導電作用外，還具有屏蔽電磁場防止干擾的作用。圖9-13詳細構(gòu)造見.3. 光導纖維電纜1 物理構(gòu)造光導纖維由兩層折射率不同的資料構(gòu)成。內(nèi)層物質(zhì)具有非常高的折射率，光線傳輸主要靠內(nèi)層進展。外層物質(zhì)幾乎對光線沒有折射，光線一旦接觸到外層就會被外層資料所吸收，外層相當于是光的絕緣體，主要作用防止光纖之間光信號的相互關(guān)擾。 圖9-14光纖內(nèi)部構(gòu)造表示圖光導纖維的外層有吸收光線的物質(zhì)，以保證光纖之間的相互關(guān)擾。.2 傳輸特性在沒有轉(zhuǎn)發(fā)器的情況下，普通傳輸間隔為數(shù)十公里

16、。光纖不受電磁干擾或電磁噪聲的影響，誤碼率極低，可實現(xiàn)遠間隔、高速率傳輸，有很好的嚴密性。三、DCS中常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議國際化規(guī)范組織ISO于1978年3月公布了網(wǎng)絡(luò)開方系統(tǒng)互連參考模型，簡稱OSI。1982年4月構(gòu)成國際標準參考模型，以指點計算機網(wǎng)絡(luò)的開展和建立。OSI規(guī)范共制定了7層分層協(xié)議，從低層到高層分別為：.第一層 物理層：普通運用電路來實現(xiàn)，在它上層第二層鏈路層控制下，按一定編碼方式，將二進制數(shù)發(fā)送給對方電路。物理層對通訊電路作了詳細詳細的規(guī)范，各廠家只需按此規(guī)范制造通訊電路，各廠家通訊電路就可以隨意互換。第二層 鏈路層：對于總線型網(wǎng)絡(luò)銜接在網(wǎng)絡(luò)上的計算機相互可以直接通訊，確定其通訊方

17、式；對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)完成通訊鏈路的銜接與撤除等。第三至第六層協(xié)議和總線型網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。內(nèi)容較專業(yè)，這里不再詳述。第七層 運用層：各種運用程序。例如，現(xiàn)場運轉(zhuǎn)人員操作界面對應(yīng)的程序、熱工人員運用的系統(tǒng)組態(tài)程序等。.1.以太協(xié)議Ethernet1以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造一條電纜線路上最多可以銜接100個設(shè)備，稱為一段經(jīng)過中繼設(shè)備整形放大可以將兩個段銜接起來。.2 通訊原理由于是總線網(wǎng)廣播網(wǎng)所以任何兩點之間都可以直接通訊。采取廣播方式優(yōu)點是通訊方便但能夠會呵斥數(shù)據(jù)碰撞同時向總線發(fā)送信息。以太協(xié)議中的CSMA/CD協(xié)議，專門針對此類問題而制定。該協(xié)議規(guī)定，發(fā)送信息的計算機首先偵聽接受網(wǎng)絡(luò)上信息網(wǎng)絡(luò)上能否有信息在發(fā)送，假設(shè)

18、能接納到信息闡明有節(jié)點在發(fā)送信息，隨機等待一段時間后再偵聽。否那么經(jīng)過總線向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。在發(fā)送信息期間也要將發(fā)送信息再接納，察看能否為本人發(fā)送出的信息，假設(shè)不是闡明總線上發(fā)生了信息碰撞，隨機等待后繼續(xù)發(fā)送?？傊?guī)那么為，誰“搶占了總線誰發(fā)言。.Ethernet多采用基帶傳送方式，總線上的信號運用曼徹斯特編碼，由于這種編碼每個數(shù)據(jù)位至少有一個跳變，因此方便實現(xiàn)載波偵聽。64位48位48位16位461500位32位包前同步字符目的站地址源站地址類型數(shù)據(jù)CRC.圖9-16 Ethernet協(xié)議及層間接口以太網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定了物理層電路信號規(guī)那么，運用曼徹斯特編碼格式。數(shù)據(jù)鏈路層那么由硬件和軟件共同來實現(xiàn)。主要有兩個義務(wù)：一是數(shù)據(jù)打包分幀、安裝數(shù)據(jù)地址和過失處置等；二是鏈路管理，保證數(shù)據(jù)準確發(fā)送和接納，如總線數(shù)據(jù)碰撞檢測、通訊方式選擇、過失檢驗等 .2. IEEE802.2協(xié)議IEEE802.2協(xié)議是電氣和電子工程協(xié)會Institute Of Electrical and Electronics Ehgineers制定的局域網(wǎng)規(guī)范。IEEE802.2協(xié)議也是針對總線網(wǎng)制定的通訊協(xié)議，和Ethernet協(xié)議幾乎完全一樣 。IEEE802.2協(xié)議比Ethernet協(xié)議更加詳細，實踐上IEEE802.2