集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

第2章集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

●集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

●集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

●集散控制系統(tǒng)的軟件體系

●集散控制系統(tǒng)的基本功能

●數(shù)據(jù)通信技術(shù)本章主要內(nèi)容2.1集散控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)本節(jié)內(nèi)容提要?集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特征●縱向分層●橫向分散●設(shè)備分級●網(wǎng)絡(luò)分層?按照功能，集散控制系統(tǒng)設(shè)備分為四級●現(xiàn)場控制級●過程控制級●過程管理級●經(jīng)營管理級?與四級設(shè)備對應(yīng)的四層網(wǎng)絡(luò)●現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)●控制網(wǎng)絡(luò)●監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)●管理網(wǎng)絡(luò)圖2.1集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)1.現(xiàn)場控制級?典型的現(xiàn)場控制級設(shè)備●各類傳感器●各類變送器●各類執(zhí)行器?現(xiàn)場控制級設(shè)備的主要任務(wù)●完成過程數(shù)據(jù)采集與處理?！裰苯虞敵霾僮髅睢崿F(xiàn)分散控制?！裢瓿膳c上級設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享。2.過程控制級?過程控制級主要設(shè)備：過程控制站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場總線服務(wù)器等。?過程控制站●產(chǎn)生控制作用?！窨梢詫崿F(xiàn)反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能。?數(shù)據(jù)采集站●接收大量的非控制過程信息；●不直接完成控制功能。?現(xiàn)場總線服務(wù)器●一臺安裝了現(xiàn)場總線接口卡與DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接口卡的計算機。?過程控制級設(shè)備的主要功能●采集過程數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理；●對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測和控制；●現(xiàn)場設(shè)備及I/O卡件的自診斷；●與過程管理級進行數(shù)據(jù)通信。3.過程管理級?過程管理級的主要設(shè)備：操作站、工程師站和監(jiān)控計算機等。?操作站●操作人員與DCS相互交換信息的人機接口設(shè)備；●DCS的核心顯示、監(jiān)視、操作和管理裝置。?工程師站●對DCS進行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護。?監(jiān)控計算機●實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制；●機組運行優(yōu)化和性能計算，先進控制策略的實現(xiàn)等。?過程管理級設(shè)備的主要功能●對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測和控制；●對DCS進行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護；●對各種設(shè)計文件進行歸類和管理?！駥崿F(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，故障檢測和數(shù)據(jù)存檔。

4.經(jīng)營管理級?經(jīng)營管理級的設(shè)備可能是廠級管理計算機，也可能是若干個生產(chǎn)裝置的管理計算機。?廠級管理系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視企業(yè)各部門的運行情況。?管理計算機的要求是具有能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)。?經(jīng)營管理級設(shè)備的主要功能●監(jiān)視企業(yè)各部門的運行情況；●實時監(jiān)控承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負(fù)荷分配和日常運行管理等任務(wù)；●日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務(wù)。2.2集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)本節(jié)內(nèi)容提要?控制站包括現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等?！駲C柜●電源●控制計算機●其他部件?操作站一般分為操作員站和工程師站?！癫僮髋_

●微處理機系統(tǒng)●圖形顯示設(shè)備

●操作鍵盤和鼠標(biāo)

●打印輸出設(shè)備等?冗余技術(shù)●冗余方式：多重化自動備用和手動備用?！袢哂啻胧和ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)冗余、操作站冗余、現(xiàn)場控制站冗余、電源冗余、輸入/輸出模塊冗余。

2.2.1現(xiàn)場控制站?主要設(shè)備：現(xiàn)場控制單元。?主要任務(wù)：進行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。?用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站?！褚悦嫦蜻B續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構(gòu)成一個可以實現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站;●

以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站；●構(gòu)成對大批量過程信號進行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。1.機柜現(xiàn)場控制站機柜中央控制室機柜間機柜間機柜組有了現(xiàn)場控制站，生產(chǎn)過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證現(xiàn)場控制單元多層I/O卡件箱電源單元通信接口接線端子板機柜正面（前面）機柜背面（后面）現(xiàn)場控制站機柜2.電源?電源系統(tǒng)的可靠性措施●每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。●采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響?！癫捎媒涣麟娮诱{(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓?！衽溆胁婚g斷供電電源UPS，以保證供電的連續(xù)性。?現(xiàn)場控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。?增加直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性措施●給主機供電與給現(xiàn)場設(shè)備供電的電源要在電氣上隔離，以減少相互間的干擾

?！癫捎萌哂嗟碾p電源方式給各功能模塊供電?！褚话阌山y(tǒng)一的主電源單元將交流電變?yōu)?4V直流電供給柜內(nèi)的直流母線，然后通過DC-DC轉(zhuǎn)換方式將24V直流電源變換為子電源所需的電壓?！裰麟娫匆话悴捎?:1冗余配置，而子電源一般采用N:1冗余配置。3.控制計算機控制器電源單元I/O卡件現(xiàn)場總線接口卡件導(dǎo)軌控制計算機?控制計算機一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。(1)CPU

●用以實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算。●可以執(zhí)行復(fù)雜的先進控制算法，如自動整定、預(yù)測控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。(2)存儲器

●控制計算機的存儲器分為RAM和ROM。●在控制計算機中ROM占有較大的比例。●由于控制計算機在正常工作時運行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的辦法?！裨谌哂嗫刂朴嬎銠C系統(tǒng)中，還特別設(shè)有雙端口隨機存儲器RAM，其中存放有過程輸入輸出數(shù)據(jù)、設(shè)定值和PID參數(shù)等。(3)總線

●總線是將現(xiàn)場控制站內(nèi)部各單元連接起來的通信介質(zhì)。

(4)輸入/輸出通道

●模擬量輸入/輸出(AI/AO)●開關(guān)量輸入/輸出(SI/SO)●數(shù)字量輸入/輸出(DI/DO)●脈沖量輸入通道(PI)

①模擬量輸入輸出通道(AI/AO)

●模擬量輸入通道(AI)?模擬量輸入通道(AI)將來自在線檢測儀表和變送器的連續(xù)性模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送給CPU進行處理?！衲M量輸出通道(AO)

?模擬量輸出通道(AO)一般將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續(xù)直流信號，用于控制各種執(zhí)行機構(gòu)。②開關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO)

●開關(guān)量輸入通道(SI)主要用來采集各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥連動觸點的開、關(guān)狀態(tài)，并輸入至計算機?！耖_關(guān)量輸出通道(SO)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報警器等只具有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。③脈沖輸入通道(PI)

脈沖輸入通道(PI)將現(xiàn)場儀表（如渦輪流量計等）輸出的為脈沖信號處理后送入計算機。2.2.2操作站嵌入型臺式操作站桌面型操作站信息報警站工程師站控制站顯示器標(biāo)準(zhǔn)鍵盤主機操作站主機柜工作臺中央控制室設(shè)備?DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。●工程師站主要是技術(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機接口，可以對應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視。●工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略?！裼行┬⌒虳CS的工程師站可以用一個操作員站代替。

●操作臺

●微處理機系統(tǒng)

●外部存儲設(shè)備

●圖形顯示設(shè)備

●操作鍵盤和鼠標(biāo)

●打印輸出設(shè)備DCS操作站主要設(shè)備操作站設(shè)備2.2.3冗余技術(shù)1.冗余方式冗余技術(shù)多重化自動備用簡易的手動備用后退運轉(zhuǎn)同步運轉(zhuǎn)待機運轉(zhuǎn)同步運轉(zhuǎn)雙重化配置輸入輸出輸入輸出三重化配置?同步運轉(zhuǎn)方式●讓兩臺或兩臺以上的設(shè)備或部件同步運行，進行相同的處理，并將其輸出進行核對?！駜膳_設(shè)備同步運行，只有當(dāng)它們的輸出一致時，才作為正確的輸出，這種系統(tǒng)稱為“雙重化系統(tǒng)”(DualSystem)?！袢_設(shè)備同步運行，將三臺設(shè)備的輸出信號進行比較，取兩個相等的輸出作為正確的輸出值，這就是設(shè)備的三重化設(shè)置，?待機運轉(zhuǎn)方式●同時配備兩臺設(shè)備，使一臺設(shè)備處于待機備用狀態(tài)?！癞?dāng)工作設(shè)備發(fā)生故障時，啟動待機設(shè)備來保證系統(tǒng)正常運行。這種方式稱為1:1的備用方式。●對于N臺同樣設(shè)備，采用一臺待機設(shè)備的備用方式就稱為N:1備用。●待機運行方式是DCS中主要采用的冗余技術(shù)。?后退運轉(zhuǎn)方式●使用多臺設(shè)備，在正常運行時，各自分擔(dān)各種功能運行?！癞?dāng)其中之一發(fā)生故障時，其他設(shè)備放棄其中一些不重要的功能，進行互相備用。?簡易的手動備用方式●采用手動操作方式實現(xiàn)對自動控制方式的備用?！癞?dāng)自動方式發(fā)生故障時，通過切換成手動工作方式，來保持系統(tǒng)的控制功能。2.冗余措施●通信網(wǎng)絡(luò)的冗余：采用一備一用的配置。●操作站的冗余：采用工作冗余的方式。●現(xiàn)場控制站的冗余：有的采用1:1冗余，也有的采用N:1冗余。采用無中斷自動切換方式。●電源的冗余：除了220V交流供電外，還采用了鎳鎘電池、鉛鈣電池以及干電池等多級掉電保護措施?！褫斎?輸出模塊的冗余：部分重要卡件采用1:1冗余。●DCS軟件還采用了信息冗余技術(shù)。2.3集散控制系統(tǒng)的軟件體系本節(jié)內(nèi)容提要?系統(tǒng)軟件●實時多任務(wù)操作系統(tǒng)●面向過程的編程語言●工具軟件?應(yīng)用軟件●通信管理軟件●組態(tài)生成軟件●診斷軟件2.3.1集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件?集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件●一組支持開發(fā)、生成、測試、運行和維護程序的工具軟件。?操作系統(tǒng)●用來控制計算機系統(tǒng)中用戶程序的執(zhí)行順序。●為用戶程序與系統(tǒng)硬件提供接口軟件?！裨试S這些程序(包括系統(tǒng)程序和用戶程序)之間交換信息。

2.3.2集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件?在實時工業(yè)計算機系統(tǒng)中，應(yīng)用程序用來完成功能規(guī)范中所規(guī)定的功能。?DCS組態(tài)（或組態(tài)設(shè)計）●根據(jù)實際生產(chǎn)過程控制的需要，預(yù)先將DCS所提供的硬件設(shè)備和軟件功能模塊組織起來，以完成特定的任務(wù)。DCS組態(tài)硬件組態(tài)軟件組態(tài)2.4集散控制系統(tǒng)的基本功能本節(jié)內(nèi)容提要控制站的基本功能

●反饋控制●邏輯控制●順序控制●批量控制●數(shù)據(jù)采集與處理●數(shù)據(jù)通信操作站的基本功能

●顯示●操作●報警●組態(tài)●系統(tǒng)維護●報告生成

自診斷功能

●離線自診斷

●在線自診斷

●顯示故障代碼●定位故障卡件

1.反饋控制2.4.1現(xiàn)場控制站的基本功能反饋控制輸入處理控制運算回路組態(tài)輸出處理報警處理反饋控制功能分布圖(1)輸入信號處理?模擬輸入信號處理●合理性檢驗●零偏修正●規(guī)格化●工程量變換●非線性處理●開方運算●補償運算●脈沖序列的瞬時值變換及累計?對于數(shù)字信號●狀態(tài)報警及輸出方式處理。?對于脈沖序列●瞬時值變換及累積計算。①報警類型②報警限值③報警優(yōu)先級

●

報警優(yōu)先級參數(shù)●

報警鏈中斷參數(shù)●

最高報警選擇參數(shù)(2)報警處理(3)控制運算●常規(guī)PID●微分先行PID●積分分離●開關(guān)控制●時間比例式開關(guān)控制●信號選擇●比率設(shè)定常用算法●時間程序設(shè)定●Smith預(yù)估控制●多變量解耦控制●一階滯后運算●超前-滯后運算●其他運算等(4)控制回路組態(tài)?根據(jù)控制策略的需要，將一些功能模塊通過軟件連接起來，構(gòu)成檢測回路或控制回路。溫度與壓力串級控制系統(tǒng)回路組態(tài)圖(5)輸出信號處理●輸出開路檢驗●輸出上下限檢驗●輸出變化率限幅●模擬輸出●開關(guān)輸出●脈沖寬度輸出2.邏輯控制?根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關(guān)系進行的控制。?在DCS中，由邏輯功能模塊實現(xiàn)邏輯控制功能。邏輯控制功能●與(AND)●或(OR)●非(NO)●異或(XOR)●連接(LINK)●進行延時(ONDELAY)●停止延時(OFFDELAY)●觸發(fā)器(FLIP-FLOP)●脈沖(PULSE)3.順序控制?順序控制：按預(yù)定的動作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動作程序。?順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監(jiān)視等功能。?實現(xiàn)順序控制的常用方法●順序表法●程序語言方式●梯形圖法?順序表法●將控制順序按邏輯關(guān)系和時間關(guān)系預(yù)先編成順序記錄，存儲于管理文件中，然后逐項執(zhí)行。?程序語言方式●通過語言編程來實現(xiàn)順序控制。?梯形圖法（梯形邏輯控制語言）●由繼電器邏輯電路圖演變而來的一種解釋執(zhí)行程序的設(shè)計語言。?隨著DCS的發(fā)展，已出現(xiàn)了梯形邏輯與連續(xù)控制算法相結(jié)合的復(fù)合控制功能。4.批量控制?根據(jù)工藝要求，將反饋控制與邏輯、順序控制結(jié)合起來，使一個間歇式生產(chǎn)過程得到合格產(chǎn)品的控制?！穹答伩刂频膱缶盘枴窕芈窢顟B(tài)信號●模擬信號的比較、判斷、運算結(jié)果順序控制的條件信號●回路的切換●參數(shù)的變更●設(shè)定值的調(diào)整●控制算法的變更●控制方案的變更由順序控制轉(zhuǎn)換為反饋控制的條件5.輔助功能(1)控制方式選擇●手動(MAN)●自動(AUT)●串級(CAS)●計算機(COMP)(2)測量值跟蹤?在手動方式時，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的值，而跟蹤測量值。(3)輸出值跟蹤?在手動方式時，使內(nèi)存單元中PID輸出值跟蹤手操輸出值。?從手動切換到自動時，內(nèi)存單元中的自動輸出數(shù)值與手操輸出值相等，切換是無擾動的。?在自動方式時，手操器的輸出值是始終跟蹤控制器的自動輸出值的。?從自動切換到手動時，手操器的輸出值與PID的輸出值相等，切換是無擾動的。2.4.2操作站的基本功能操作站的基本功能顯示報警系統(tǒng)維護報告生成操作系統(tǒng)組態(tài)操作站的基本功能分布圖2.4.3自診斷功能?在系統(tǒng)投運前，用離線診斷程序檢查各部分的工作狀態(tài)。?系統(tǒng)運行中，各設(shè)備不斷執(zhí)行在線自診斷程序?！褚坏┌l(fā)現(xiàn)錯誤，立即切換到備用設(shè)備；●同時經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)在顯示器上顯示出故障代碼，等待及時處理；●故障代碼可以定位到卡件板，用戶只需及時更換卡件。

2.5數(shù)據(jù)通信技術(shù)本節(jié)內(nèi)容提要●通信系統(tǒng)的組成

●

通信類型

●傳輸方式

●串行傳輸與并行傳輸

●基帶傳輸與寬帶傳輸●異步傳輸與同步傳輸

●傳輸速率●信息編碼●數(shù)據(jù)交換方式1.數(shù)據(jù)通信原理

●局部網(wǎng)絡(luò)的概念

●局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

●傳輸介質(zhì)

●網(wǎng)絡(luò)控制方法

●差錯控制技術(shù)

2.通信網(wǎng)絡(luò)3.通信協(xié)議●通信協(xié)議的概念

●開放系統(tǒng)互連參考模型●傳輸速率

●信息編碼

●數(shù)據(jù)交換方式

●現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)

●現(xiàn)場總線通信模型

●現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

●HART總線簡介

4.現(xiàn)場總線簡介2.5.1數(shù)據(jù)通信原理?數(shù)據(jù)通信●計算機或其他數(shù)字裝置與通信介質(zhì)相結(jié)合，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲和處理的通信技術(shù)?！裨贒CS中，各單元之間的數(shù)據(jù)信息傳輸就是通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)完成的。?通信●用特定的方法，通過某種介質(zhì)將信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程。

1.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成?通信系統(tǒng)組成●信號●發(fā)送裝置●接收裝置●信道●通信協(xié)議圖2.2通信系統(tǒng)模型(1)信號(報文)●需要傳送的數(shù)據(jù)，由文本、數(shù)字、圖片或聲音等及其組合組成。(2)發(fā)送裝置

●具有作為二進制數(shù)據(jù)源的能力，任何能夠產(chǎn)生和處理數(shù)據(jù)的設(shè)備。(3)接收裝置●能夠接收模擬或數(shù)字形式數(shù)據(jù)的任何功能的設(shè)備。(4)信道

?信道●發(fā)送裝置與接收裝置之間的信息傳輸通道。●信道包括傳輸介質(zhì)和有關(guān)的中間設(shè)備。?常用的傳輸介質(zhì)●雙絞線●同軸電纜●光纜●無線電波●微波(5)通信協(xié)議

●通信協(xié)議是控制數(shù)據(jù)通信的一組規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)。●通信協(xié)議定義了通信的內(nèi)容、格式，通信如何進行、何時進行等。?發(fā)送裝置把要發(fā)送的信息送上信道，再經(jīng)過信道將信息傳輸?shù)浇邮昭b置。?信息在傳輸過程中會受到來自通信系統(tǒng)內(nèi)外干擾的影響。通信過程2.通信類型?模擬通信●以連續(xù)模擬信號傳輸信息的通信方式。?數(shù)字通信●將數(shù)字信號進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?數(shù)據(jù)信息●具有一定編碼、格式和字長的數(shù)字信息。通信類型模擬通信數(shù)字通信3.傳輸方式(l)單工方式

●信息只能沿一個方向傳輸，而不能沿相反方向傳輸。(2)半雙工方式

●信息可以沿著兩個方向傳輸，但在指定時刻，信息只能沿一個方向傳輸。(3)全雙工方式

●信息可以同時沿著兩個方向傳輸。傳輸方式單工全雙工半雙工圖2.3信息傳輸方式4.串行傳輸與并行傳輸(1)串行傳輸●數(shù)據(jù)逐位依次在信道上進行傳輸?shù)姆绞健?2)并行傳輸●數(shù)據(jù)多位同時在信道上進行傳輸?shù)姆绞健?在DCS中，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)幾乎全部采用串行傳輸方式。圖2.4串行傳輸與并行傳輸

(a)串行傳輸；(b)并行傳輸5.基帶傳輸與寬帶傳輸(1)基帶傳輸

●基帶：電信號所固有的頻帶?！窕鶐鬏敚褐苯訉㈦娒}沖信號原樣進行傳輸。(2)寬帶傳輸

●載帶傳輸：在信道上傳輸調(diào)制信號?！駥拵鬏敚簩崿F(xiàn)多路信號同時傳輸。6.異步傳輸與同步傳輸●在異步傳輸中，信息以字符為單位進行傳輸。●每個信息字符都具有自己的起始位和停止位?！褚粋€字符中的各個位是同步的，但字符與字符之間的時間間隔是不確定的?！裨谕絺鬏斨?，信息是以數(shù)據(jù)塊為單位進行傳輸?shù)?。●通信系統(tǒng)中有專門用來使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步的時鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續(xù)工作，并且保持一定的相位關(guān)系。7.傳輸速率●信息傳輸速率又稱為比特率，是指單位時間內(nèi)通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⒘??！癖忍芈室话阋悦棵腌娝軌騻鬏數(shù)谋忍財?shù)來表示，記為Rb。●信息傳輸速率的單位是比特/秒，記為bit/s或bps。

8.信息編碼?信息在通過通信介質(zhì)進行傳輸前必須先轉(zhuǎn)換為電磁信號。?將信息轉(zhuǎn)換為信號需要對信息進行編碼。?數(shù)字-模擬編碼：用模擬信號表示數(shù)字信息的編碼。?在模擬傳輸中，發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生一個高頻信號作為基波，來承載信息信號。?移動鍵控：將信息信號調(diào)制到載波信號上，這種形式的改變稱為調(diào)制(移動鍵控)，信息信號被稱為調(diào)制信號。?數(shù)字信息是通過改變載波信號的一個或多個特性(振幅、頻率或相位)來實現(xiàn)編碼的。?載波信號是正弦波信號，它有三個描述參數(shù)，即振幅、頻率和相位，所以相應(yīng)地也有三種調(diào)制方式，即調(diào)幅方式、調(diào)頻方式和調(diào)相方式。編碼方法幅移鍵控相移鍵控頻移鍵控(1)幅移鍵控法(AmplitudeShiftKeying，ASK)●用調(diào)制信號的振幅變化來表示二進制數(shù)?！窭缬酶哒穹硎?，用低振幅表示0，如圖2.5(a)所示。(2)頻移鍵控法(FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK)●用調(diào)制信號的頻率變化來表示二進制數(shù)的?！窭缬酶哳l率表示1，用低頻率表示0，如圖2.5(b)所示。(3)相移鍵控法(Phaseshiftkeying，PSK)●用調(diào)制信號的相位變化來表示二進制數(shù)?！窭缬?°相位表示0，用180°相位表示1，如圖2.5(c)所示。圖2.5三種調(diào)制方式9.數(shù)據(jù)交換方式數(shù)據(jù)交換方式線路交換報文分組交換報文交換(1)線路交換方式通信過程線路建立數(shù)據(jù)通信線路拆除兩個節(jié)點之間，事先建立起一條實際的物理連接。在這條實際的物理連接上交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交換完成之后再拆除物理連接。(2)報文交換方式（存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式）●經(jīng)由中間節(jié)點的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換?！駡笪慕粨Q方式交換的基本數(shù)據(jù)單位是一個完整的報文；源地址數(shù)據(jù)控制信息目的地址報文的組成(3)報文分組交換方式

●基本數(shù)據(jù)單位是一個報文分組。●報文分組是一個完整的報文按順序分割開來的比較短的數(shù)據(jù)組。2.5.2通信網(wǎng)絡(luò)?計算機網(wǎng)絡(luò)●把分布在不同地點且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設(shè)備和介質(zhì)連接起來，在功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件和協(xié)議的管理下，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的資源共享?！馜CS的通信網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上就是計算機網(wǎng)絡(luò)。1.局部網(wǎng)絡(luò)的概念?局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LocalAreaNetwork，LAN)●一種分布在有限區(qū)域內(nèi)的計算機網(wǎng)絡(luò)?！駥⒎植荚诓煌乩砦恢蒙系亩鄠€具有獨立工作能力的計算機系統(tǒng)連接起來，并配置了網(wǎng)絡(luò)軟件的一種網(wǎng)絡(luò)?！裼脩裟軌蚬蚕砭W(wǎng)絡(luò)中的所有硬件、軟件和數(shù)據(jù)等資源。2.局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)●網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互連的方法。?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型●星型●環(huán)型●總線型●樹型●菊花鏈(1)星型結(jié)構(gòu)●每一個節(jié)點都通過一條鏈路連接到中央節(jié)點上。●任何兩個節(jié)點之間的通信都要經(jīng)過中央節(jié)點?！裨谥醒牍?jié)點中，有一個“智能”開關(guān)裝置，用來接通兩個節(jié)點之間的通信路徑。●中央節(jié)點的構(gòu)造比較復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就要癱瘓。圖2.6星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2)環(huán)型結(jié)構(gòu)●所有的節(jié)點通過鏈路組成一個封閉的環(huán)路?！裥枰l(fā)送信息的節(jié)點將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸?！癞?dāng)信息到達接收節(jié)點時，該節(jié)點識別信息中的目的地址?！袢襞c自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認(rèn)標(biāo)記，以便由發(fā)送節(jié)點清除。圖2.7環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(3)總線型結(jié)構(gòu)●所有的工作站都通過相應(yīng)的硬件接口直接接到總線上。●所有的節(jié)點都共享一條公用的傳輸線路?！衩看沃荒苡梢粋€節(jié)點發(fā)送信息?！裥畔⒂砂l(fā)送它的節(jié)點向兩端擴散。圖2.8總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(4)樹型結(jié)構(gòu)●樹型拓?fù)湫螤钕褚豢玫怪玫臉?，頂端有一個帶分支的根，每個分支還可延伸出子分支?！癞?dāng)節(jié)點發(fā)送信息時，根接收該信息，然后再重新廣播發(fā)送到全網(wǎng)。圖2.9樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(5)菊花鏈型結(jié)構(gòu)●用一個網(wǎng)段分別連接兩個節(jié)點的聯(lián)接器?！穸鄠€節(jié)點的聯(lián)接器依次互連，從而形成一個鏈狀通信網(wǎng)絡(luò)。圖2.10菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.傳輸介質(zhì)?傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。?常見傳輸介質(zhì)●雙絞線●同軸電纜●光纜常見傳輸介質(zhì)雙絞線光纜同軸電纜(1)雙絞線

●雙絞線是由兩條相互絕緣的導(dǎo)體扭絞而成的線對?！裨诰€對的外面常有金屬箔組成的屏蔽層和專用的屏蔽線，●當(dāng)傳輸距離比較遠時，其傳輸速率受到限制，一般不超過10Mbps。

屏蔽雙絞線結(jié)構(gòu)圖(2)同軸電纜

●同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、中間絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層構(gòu)成?！裥盘柾ㄟ^內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體傳輸。●外導(dǎo)體一般是接地的，起屏蔽作用?！窕鶐S電纜(如50Ω同軸電纜)用于基帶傳輸?！駥拵S電纜(如75Ω電視天線電纜)用于寬帶傳輸。●同軸電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離、可支持的節(jié)點數(shù)、抗干擾等性能優(yōu)于雙絞線，成本也高于雙絞線，但低于光纖。(3)光纜

●光纜的內(nèi)芯是由二氧化硅拉制成的光導(dǎo)纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層?！裼捎趦?nèi)芯和覆層的折射率不同，以一定角度進入內(nèi)芯的光線能夠通過覆層折射回去，沿著內(nèi)芯向前傳播以減少信號的損失?！袢绻獾娜肷浣亲銐虼?，就會出現(xiàn)全反射，光也就從輸入端傳到了輸出端?！褚驗楣饫|中的信息是以光的形式傳播的，電磁干擾對它幾乎毫無影響，所以，光纜具有良好的抗干擾性能。光纜的構(gòu)成圖2.11傳輸介質(zhì)圖2.12光在纖芯中的傳播原理4.網(wǎng)絡(luò)控制方法?網(wǎng)絡(luò)控制方法：●在通信網(wǎng)絡(luò)中，使信息從發(fā)送裝置迅速而正確地傳遞到接收裝置的管理機制。?常用的方法：●查詢●令牌傳送●自由競爭●存儲轉(zhuǎn)發(fā)(1)查詢式

●中，如星型網(wǎng)絡(luò)或具有主站的總線型用于主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)?！裰髡疽来卧儐柛髡臼欠裥枰ㄐ?，收到通信應(yīng)答后再控制信息的發(fā)送與接收?！癞?dāng)多個從站要求通信時，按站的優(yōu)先級安排發(fā)送。(2)自由競爭式

?控制策略：●競爭發(fā)送●廣播式傳輸●載體偵聽●沖突檢測●沖突時退回●再試發(fā)送(3)令牌傳送

●有一個稱為令牌（Token）的信息段在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間依次傳遞?！窳钆朴锌?、忙兩種狀態(tài)，開始時為空閑?！窆?jié)點只有得到空令牌時才具有信息發(fā)送權(quán)，同時將令牌置為忙?！窳钆蒲鼐W(wǎng)絡(luò)而行，當(dāng)信息被目標(biāo)節(jié)點取走后，令牌被重新置為空。?令牌傳送的方法實際上是一種按預(yù)先的安排讓網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點依次輪流占用通信線路的方法。?令牌是一組特定的二進制代碼，它按照事先排列的某種邏輯順序沿網(wǎng)絡(luò)而行。?只有獲得令牌的節(jié)點才有權(quán)控制和使用網(wǎng)絡(luò)。?令牌傳送的次序是由用戶根據(jù)需要預(yù)先確定的，而不是按節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的物理次序傳送的。圖2.13令牌傳遞過程示意圖(4)存儲轉(zhuǎn)發(fā)式

信息傳送過程：●源節(jié)點發(fā)送信息，到達它的相鄰節(jié)點；●相鄰節(jié)點將信息存儲起來，等到自己的信息發(fā)送完，再轉(zhuǎn)發(fā)這個信息，直到把此信息送到目的節(jié)點；●目的節(jié)點加上確認(rèn)信息(正確)或否認(rèn)信息(出錯)，向下發(fā)送直至源站；●源節(jié)點根據(jù)返回信息決定下一步動作，如取消信息或重新發(fā)送。5.差錯控制技術(shù)?在信息傳輸過程中，各種各樣的干擾可能造成傳輸錯誤。?這些錯誤輕則會使數(shù)據(jù)發(fā)生變化，重則會導(dǎo)致生產(chǎn)過程事故。?必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，檢錯和糾錯統(tǒng)稱為差錯控制。(1)差錯控制(2)傳輸錯誤及可靠性指標(biāo)?在通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⑹嵌M制信息，它只有0和1兩種狀態(tài)。●如果把0誤傳為1，或者把1誤傳為0就是傳輸錯誤。?兩類錯誤①突發(fā)錯誤：由突發(fā)噪聲引起的，其特征是誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)；②隨機錯誤：隨機錯誤是由隨機噪聲引起的，它的特征是誤碼與其前后的代碼是否出錯無關(guān)。?DCS的傳輸速率一般在0.5～100Mbps左右。?傳輸速率越大，每一位二進制代碼(又稱碼元)所占用的時間就越短，波形就越窄，抗干擾能力就越差，可靠性就越低。?誤碼率是指通信系統(tǒng)所傳輸?shù)目偞a元數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所占的比重(取統(tǒng)計平均值)，即Pe=pw/pt（2-3）式中Pe——誤碼率；Pw——出錯的碼元數(shù)；pt——傳輸?shù)目偞a元數(shù)。?誤碼率越低，通信系統(tǒng)的可靠性就越高。?在DCS中，常用每年出現(xiàn)多少次誤碼來代替誤碼率。?對大多數(shù)DCS來說，這一指標(biāo)大約在每年0.01次到4次左右。(3)反饋重發(fā)糾錯方式(ARQ)?在發(fā)送端，首先要對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進行某種運算，產(chǎn)生能檢測錯誤的幀校驗序列，然后把校驗序列與數(shù)據(jù)一起發(fā)往對方。?在接收端，根據(jù)事先約定的編碼運算規(guī)則及校驗序列，檢查數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否有出錯，并通過反饋信道把判決結(jié)果發(fā)回發(fā)送端。?發(fā)送端收到反饋信號若標(biāo)明傳送有錯，則發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)，直到接收端返回信號標(biāo)明接收正確為止。?ARQ方式中，必須有一個反饋信道，并且只用于點對點的通信方式。?檢錯編碼的方法很多，常用的有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余校驗碼CRC。①奇偶檢驗

●奇偶檢驗是在傳遞字節(jié)后附加一位校驗位。該校驗位根據(jù)字節(jié)內(nèi)容取l或0?！衿嫘ｒ灂r傳送字節(jié)與校驗位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)?！衽夹ｒ灂r傳送字節(jié)與校驗位中“1”的數(shù)目為偶數(shù)。●接收端按同樣的校驗方式對收到的信息進行校驗。●如發(fā)送時規(guī)定為奇校驗時，若收到的字符及校驗位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)，則認(rèn)為傳輸正確，否則，認(rèn)為傳輸錯誤。②循環(huán)冗余碼校驗

●在傳輸?shù)男畔⒅邪凑找?guī)定附加一定數(shù)量的冗余位?！裼辛巳哂辔?，真正有用的代碼數(shù)就少于所能組合成的全部代碼數(shù)?！癞?dāng)代碼在傳輸過程中出現(xiàn)錯誤，并且使接收到的代碼與有用的代碼不一致時，說明發(fā)生了錯誤。

?為了提高檢錯和糾錯能力，可以在信息后面按一定規(guī)則附加若干個冗余位，使信息的合法狀態(tài)之間有很大差別，一種合法信息錯誤成另一合法信息的可能性就會大大減小。?編碼：發(fā)送端在信息碼的后面，按一定的規(guī)則附加冗余碼組成傳輸碼組的過程。?譯碼：在接收端按相同規(guī)則檢測和糾錯的過程。?編碼和譯碼都是由硬件電路配合軟件完成的。?在DCS中應(yīng)用較多的是循環(huán)冗余碼(CyclicRedundancyCode，CRC)校驗方法。2.5.3通信協(xié)議?網(wǎng)絡(luò)通信功能包括兩大部分，即數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。?在通信過程中，信息從開始發(fā)送到結(jié)束發(fā)送可分為若干個階段，相應(yīng)的通信控制功能也分成一組組操作。?一組組通信控制功能應(yīng)當(dāng)遵守通信雙方共同約定的規(guī)則，并受這些規(guī)則的約束。?通信協(xié)議：對數(shù)據(jù)傳輸過程進行管理的規(guī)則。1.通信協(xié)議的概念?通信協(xié)議的關(guān)鍵要素：(1)語法

●語法(Syntax)包括數(shù)據(jù)格式、信號電平等規(guī)定。(2)語義

●語義(Semantics)是比特流每部分的含義。一個特定比特模式如何理解，基于這種理解采取何種動作等。(3)時序

●時序(Timing)規(guī)定了速度匹配和排序?！癜〝?shù)據(jù)何時發(fā)送，以什么速率發(fā)送，使發(fā)送與接收方能夠無差錯地完成數(shù)據(jù)通信等。?開放系統(tǒng)互連(OpenSystemsInterconnection，OSI)參考模型，簡稱ISO/OSI模型。?通信系統(tǒng)之間相互交換信息所共同使用的一組標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則，凡按照該模型建立的網(wǎng)絡(luò)就可以互連。?開放系統(tǒng)互連是彼此開放的系統(tǒng)通過共同使用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)信息的交換。2.開放系統(tǒng)互連參考模型?開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)是信息處理領(lǐng)域內(nèi)最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。?該標(biāo)準(zhǔn)將開放系統(tǒng)的通信功能分為七層，描述了分層的意義及各層的命名和功能。?在分層結(jié)構(gòu)中，每一層執(zhí)行部分通信功能。?一層依靠相鄰的低一層完成較原始的功能，并和該層的具體細(xì)節(jié)分離，?一層為相鄰的高一層提供服務(wù)。?兩個相互通信的系統(tǒng)都有共同的層次結(jié)構(gòu)，一個系統(tǒng)的N層與另一個系統(tǒng)的N層之間的相互通信遵循一套“協(xié)議”。圖2.14開放系統(tǒng)互連參考模型?兩個系統(tǒng)相互通信時應(yīng)具有相同的層次結(jié)構(gòu)。?同等層之間應(yīng)建立同等層的通信關(guān)系，?在物理層，通過通信介質(zhì)上實際傳輸?shù)谋忍亓鲗崿F(xiàn)信息的傳輸。?如果把要傳送的信息稱為“報文”，它也可以是數(shù)據(jù)，每一層上的標(biāo)記則稱為“報頭”。?物理層是通信設(shè)備的硬件，是把封裝后的信息由物理層放到通信線路上傳輸。?由此可見，從第7層到第2層根本沒有進行站Sl到站S2的傳送，都是軟件方面的處理，直到第一層才靠硬件(傳輸介質(zhì))真正進行傳送。?到達接收站之后，按照相反的順序逐層向上。?每經(jīng)過一層就去掉一個報頭，到應(yīng)用層之后，所有的報頭報尾都去掉了，最后只剩數(shù)據(jù)或報文本身。?至此，站S1到站S2的通信結(jié)束。?反之，從站S2到站Sl的通信過程也是這樣進行的，只不過方向相反而已。?ISO/OSI模型由七層組成，從下至上分別為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會話層、表示層及應(yīng)用層。?可以認(rèn)為低層實際上是高層的接口，每一層都詳細(xì)地規(guī)定了通信協(xié)議和任務(wù)，一旦這一層的任務(wù)完成，它上面或下面層的任務(wù)就開始執(zhí)行。2.5.4現(xiàn)場總線簡介?現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向、串行、數(shù)字式、多節(jié)點的通信網(wǎng)絡(luò)，被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（Infranet）。?現(xiàn)場總線可以支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，可以與工廠自動化控制設(shè)備互連，實現(xiàn)現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級通信。?由于現(xiàn)場總線遵循國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，因而具有開放、互聯(lián)、兼容和互操作的特性，使得集散控制系統(tǒng)的功能更加強大。1.現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)?現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)是通信協(xié)議。?IEC(國際電工委員會)等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，通過了十幾種總線標(biāo)準(zhǔn)。(1)IECTC65(國際電工委員會第65技術(shù)委員會)

?2003年IEC通過了修訂的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，共有10種類型，其內(nèi)容見表2.1。表2.1IEC61158現(xiàn)場總線類型類型編號現(xiàn)場總線名稱主要支持的公司1FFH1Emerson(美)2ControlNetRockwell(美)3ProfibusSiemens(德)4P-NetProcessData(丹麥)5FFHSEEmerson(美)6SwiftNetBoeing(美)7WorldFIPAlstom(法)8InterBusPhoenixContact(德)9FFFMSEmerson(美)10ProfiNetSiemens(德)(2)IECTC17(國際電工委員會第l7技術(shù)委員會)

?IEC62026有4種現(xiàn)場總線類型，即AS-i(ActuatorSensorInterface，執(zhí)行器傳感器接口，Siemens公司)；DeviceNet(設(shè)備網(wǎng)，Rockwell公司)；SDS(SmartDistributedSystem，靈巧式分散型系統(tǒng)，Honeywell公司)及Seriplex(串聯(lián)多路控制總線)。(3)ISO11898與ISO11519

?ISO有一種CAN(控制局域網(wǎng))現(xiàn)場總線類型，即CANISO11898(1Mbps)和CANISO11519(125kbps)，主要由德國RobertBosch公司支持。2.現(xiàn)場總線通信模型?現(xiàn)場總線系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的要求，對ISO/OSI參考模型進行了優(yōu)化，除去了實時性不強的中間層，并增加了用戶層，這樣構(gòu)成了現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)模型。圖2.15FFH1模型3.現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?基金會現(xiàn)場總線分高速、低速兩種規(guī)范。?低速總線H1的傳輸速率為31.25kpbs；?高速總線HSE的傳輸速度為1Mpbs和2.5Mpbs兩種。?低速現(xiàn)場總線H1支持點對點連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而高速現(xiàn)場總線HSE只支持總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2.16基金會現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?所有的節(jié)點(現(xiàn)場總線儀表)都通過通信接口直接連接到公用通信總線上，任何一個節(jié)點向網(wǎng)上發(fā)送的信號能被總線上所有其他節(jié)點接收。?總線型結(jié)構(gòu)接口簡單，擴充容易，成本較低，通過適當(dāng)?shù)耐ㄐ趴刂撇呗钥梢杂休^好的通信實時性。?一條總線的長度和可接入的節(jié)點數(shù)都是有限的。?在工業(yè)控制系統(tǒng)中常用冗余總線方式及分層分級的結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)通信能力及通信信道的可靠性。3.HART總線簡介?HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)是可尋址遠程傳感器總線的簡稱。?特點是保持了模擬的4～20mADC信號，數(shù)字通信可以疊加在兩根相同的雙絞上，而不干擾模擬電流回路。?HART總線以ISO/OSI模型為參考，采用第1、2、7三層。?HART總線傳輸速率較低，為1200bps，新版本的協(xié)議已將傳輸速率提高到9600bps，通信距離最遠可達3000m。(1)HART編碼

?HART采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控(FSK)技術(shù)，將數(shù)字信號作為交流信號疊加在4～20mA的直流信號上，如圖2.17所示。?“0”和“1”對應(yīng)的位分別被編碼為2200Hz和1200Hz的正弦波，如圖2.18所示。?傳送時將信息比特轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的正弦波。?接收時將一定頻率的正弦波轉(zhuǎn)換回對應(yīng)狀態(tài)的信息比特。?HART標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點●頻率信號是完全對稱的正弦波，沒有增加直流成分?！駭?shù)字通信信號不會干擾4～20mADC的模擬信號，這就使數(shù)字通信與模擬信號并存而不相互干擾?！駭?shù)字通信對模擬的4～20mA信號不產(chǎn)生任何干擾?！裼梢粋€HART通信芯片完成信號的調(diào)制和解調(diào)。(2)HART信號傳輸

?FSK信號的傳輸是在電流回路上調(diào)制一個幅度大約在0.5mA的交流信號。?被動的設(shè)備（如多