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1、第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识第2章集散控制系统基 础 知 识1第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构 集散控制系统的硬件结构集散控制系统的硬件结构 集散控制系统的软件体系集散控制系统的软件体系 集散控制系统的基本功能集散控制系统的基本功能 数据通信技术数据通信技术本章主要内容本章主要内容2第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.1 2.1 集散控系统的体系结构集散控系统的体系结构本节内容提要本节内容提要集集散散控控制制系系统统体体系系结结构构的的特征特征纵向分层纵向分层横向分散横向分散设备
2、分级设备分级网络分层网络分层按按照照功功能能，集集散散控控制制系系统统设设备备分分为四级为四级现场控制级现场控制级过程控制级过程控制级过程管理级过程管理级经营管理级经营管理级与与四四级级设设备备对对应应的的四四层层网络网络现场网络现场网络控制网络控制网络监控网络监控网络管理网络管理网络3第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.1 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构 现场网络现场网络控制网络控制网络监控网络监控网络管理网络管理网络4第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.现场控制级 典型的现场控制级设备典型的现场控制级设备各类各类传感器传感器各类
3、各类变送器变送器各类各类执行器执行器现场控制级设备的主要任务现场控制级设备的主要任务完成过程完成过程数据采集与处理。数据采集与处理。直接输出操作命令、直接输出操作命令、实现分散控制。实现分散控制。完成与上级设备的完成与上级设备的数据通信数据通信，实现网络数据库共享。，实现网络数据库共享。5第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.过程控制级过过程程控控制制级级主主要要设设备备：过过程程控控制制站站、数数据据采采集集站站和和现现场场总总线服务器线服务器等。等。过程控制站过程控制站产生控制作用。产生控制作用。可可以以实实现现反反馈馈控控制制、逻逻辑辑控控制制、顺顺序序控控制制和和批
4、批量量控控制制等等功功能。能。6第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识数据采集站数据采集站接收大量的非控制过程信息接收大量的非控制过程信息；不直接完成控制功能。不直接完成控制功能。现场总线服务器现场总线服务器一一台台安安装装了了现现场场总总线线接接口口卡卡与与DCS监监控控网网络络接接口口卡卡的的计计算算机。机。过程控制级设备的主要功能采集过程数据，进行采集过程数据，进行数据转换与处理；数据转换与处理；对生产过程进行对生产过程进行监测和控制；监测和控制；现场设备及现场设备及 I/O I/O 卡件的卡件的自诊断；自诊断；与过程管理级进行与过程管理级进行数据通信。数据通信。7第第2
5、 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.过程管理级过过程程管管理理级级的的主主要要设设备备：操操作作站站、工工程程师师站站和和监监控控计计算机算机等。等。操作站操作站操作人员与操作人员与DCS相互交换信息的相互交换信息的人机接口设备；人机接口设备；DCS的核心的核心显示、监视、操作和管理显示、监视、操作和管理装置。装置。工程师站工程师站对对DCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护。监控计算机监控计算机实现实现对生产过程的监督控制；对生产过程的监督控制；机组机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。8第第2 2章集散控制
6、系统基础知识章集散控制系统基础知识过程管理级设备的主要功能对生产过程进行对生产过程进行监测和控制；监测和控制；对对DCSDCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护 ；对各种设计文件进行对各种设计文件进行归类和管理归类和管理 。实现对生产过程的实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。监督控制，故障检测和数据存档。 9第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.经营管理级 经经营营管管理理级级的的设设备备可可能能是是厂厂级级管管理理计计算算机机，也也可可能能是是若干个若干个生产装置的管理计算机生产装置的管理计算机。厂厂级级管管理理系系统统的的主主要要功功能能是是
7、监监视视企企业业各各部部门门的的运运行行情情况。况。管管理理计计算算机机的的要要求求是是具具有有能能够够对对控控制制系系统统做做出出高高速速反反应的实时操作系统。应的实时操作系统。10第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识经营管理级设备的主要功能经营管理级设备的主要功能监视监视企业各部门的运行情况企业各部门的运行情况 ；实时监控实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务和日常运行管理等任务 ；日常管理日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务任务 。11第第2 2
8、章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2 集散控制系统的硬件结构本节内容提要本节内容提要控控制制站站包包括括现现场场控控制制站站和和数数据据采采集集站等。站等。机柜机柜电源电源控制计算机控制计算机其他部件其他部件操操作作站站一一般般分分为为操操作作员员站站和和工工程程师师站站 。操作台操作台 微处理机系统微处理机系统图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备等打印输出设备等冗余技术冗余技术冗冗余余方方式式：多多重重化化自自动备用和手动备用。动备用和手动备用。 冗冗余余措措施施：通通信信网网络络冗冗余余、操操作作站站冗冗余余、现现场场控控制制站站冗冗余余、电电
9、源源冗冗余余、输输入入/ /输输出模块冗余。出模块冗余。 12第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.1 2.2.1 现场控制站现场控制站主要设备：主要设备：现场控制单元。现场控制单元。主主要要任任务务：进进行行数数据据采采集集及及处处理理，对对被被控控对对象象实实施施闭闭环环反反馈馈控制、顺序控制和批量控制。控制、顺序控制和批量控制。用用户户可可以以根根据据不不同同的的应应用用需需求求，选选择择配配置置不不同同的的现现场场控控制制单单元元以构成现场控制站。以构成现场控制站。以以面面向向连连续续生生产产的的过过程程控控制制为为主主，顺顺序序逻逻辑辑控控制制为为辅辅，构构成
10、成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站; 以顺序控制、联锁控制功能为主以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；的现场控制站；构成对构成对大批量过程信号进行总体信息采集大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。的现场控制站。 13第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.机柜 现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证14第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）机柜背面（后面）现场控制站机柜
11、15第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.电源电源系统的可靠性措施电源系统的可靠性措施每一个现场控制站均采用每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余双电源供电，互为冗余。 采采用用超超级级隔隔离离变变压压器器，将将其其初初级级、次次级级线线圈圈间间的的屏屏蔽蔽层层可靠接地，以克服共模干扰的影响。可靠接地，以克服共模干扰的影响。采用采用交流电子调压器交流电子调压器，快速稳定供电电压。，快速稳定供电电压。配有配有不间断供电电源不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。，以保证供电的连续性。现现场场控控制制站站内内各各功功能能模模块块所所需需直直流流电电源源一一般般为为5V、
12、15V(或或12 V)、以及、以及+24V。 16第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识增加直流电源系统的稳定性措施增加直流电源系统的稳定性措施给给主主机机供供电电与与给给现现场场设设备备供供电电的的电电源源要要在在电电气气上上隔隔离离，以以减少相互间的干扰减少相互间的干扰 。 采用采用冗余的双电源方式冗余的双电源方式给各功能模块供电。给各功能模块供电。一一般般由由统统一一的的主主电电源源单单元元将将交交流流电电变变为为 24V 直直流流电电供供给给柜柜内内的的直直流流母母线线，然然后后通通过过 DC-DC 转转换换方方式式将将 24V 直直流流电电源变换为子电源所需的电压。源
13、变换为子电源所需的电压。主主电电源源一一般般采采用用 1:1 冗冗余余配配 置置，而而子子电电源源一一般般采采用用 N:1 冗冗余配置。余配置。17第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.控制计算机 控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机控制计算机18第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识控控制制计计算算机机一一般般是是由由 CPUCPU、存存储储器器、输输入入 / / 输输出出通通道道等基本部分组成。等基本部分组成。(1)CPU(1)CPU 用以实现用以实现算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算。可可以以执执行行复复杂杂的的先先进进控控制制算算
14、法法，如如自自动动整整定定、预预测测控控制制、模糊控制和自适应控制等。模糊控制和自适应控制等。 19第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)存储器存储器 控制计算机的存储器分为控制计算机的存储器分为RAMRAM和和ROMROM。在控制计算机中在控制计算机中 ROM ROM 占有较大的比例占有较大的比例。由由于于控控制制计计算算机机在在正正常常工工作作时时运运行行的的是是一一套套固固定定的的程程序序，DCS中大都采用了中大都采用了程序固化的办法。程序固化的办法。在在冗冗余余控控制制计计算算机机系系统统中中，还还特特别别设设有有双双端端口口随随机机存存储储器器RAM RA
15、M ，其其中中存存放放有有过过程程输输入入输输出出数数据据、设设定定值值和和PIDPID参数等参数等。20第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)总线 总线是总线是将现场控制站内部各单元连接起来将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。的通信介质。 (4)输入/输出通道 模拟量输入模拟量输入/输出输出(AI/AO)开关量输入开关量输入/输出输出(SI/SO)数字量输入数字量输入/输出输出(DI/DO)脉冲量输入通道脉冲量输入通道 (PI) 21第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道(AI/AO)(AI/AO) 模拟量输入通
16、道模拟量输入通道(AI)(AI)模模拟拟量量输输入入通通道道(AI)(AI)将将来来自自在在线线检检测测仪仪表表和和变变送送器器的的连续性模拟电信号转换成数字信号连续性模拟电信号转换成数字信号，送给送给CPUCPU进行处理。进行处理。模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO) 模模拟拟量量输输出出通通道道(AO)(AO)一一般般将将计计算算机机输输出出的的数数字字信信号号转转换换为为4-20mADC(4-20mADC(或或1-5VDC) 1-5VDC) 的的连连续续直直流流信信号号，用用于于控制各种执行机构。控制各种执行机构。22第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识开关量输
17、入开关量输入/ /输出通道输出通道(SI/SO)(SI/SO) 开开关关量量输输入入通通道道(SI)(SI)主主要要用用来来采采集集各各种种限限位位开开关关、继继电电器器 或或电电磁磁阀阀连连动动触触点点的的开开、关关状状态态，并并输输入入至至计计算机。算机。开开关关量量输输出出通通道道(SO)(SO)主主要要用用于于控控制制电电磁磁阀阀、继继电电器器、指示灯、声光报警器指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。等只具有开、关两种状态的设备。脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI) 脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)将将现场仪表（如涡轮流量计现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信
18、号等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。处理后送入计算机。 23第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.2 2.2.2 操作站操作站嵌入型台式操作站 桌面型操作站信息报警站工程师站 控制站 显示器 标准键盘 主机 操作站主机柜 工作台 中央控制室设备中央控制室设备24第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 DCS DCS 操作站一般分为操作站一般分为操作员站和工程师站操作员站和工程师站两种两种。工工程程师师站站主主要要是是技技术术人人员员与与控控制制系系统统的的人人机机接接口口，可可以以对应用系统进行监视。对应用系统进行监视。工工程程师师站站为为用用户户提
19、提供供了了一一个个灵灵活活的的、功功能能齐齐全全的的工工作作平平台，台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。有些小型有些小型DCSDCS的的工程师站可以用一个操作员站代替工程师站可以用一个操作员站代替。 25第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 操作台操作台 微处理机系统微处理机系统 外部存储设备外部存储设备 图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备打印输出设备DCS DCS 操作站主要设备操作站主要设备操作站设备操作站设备26第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.3 2.2
20、.3 冗余技术冗余技术1. 1. 冗余方式冗余方式27第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识同同 步步 运运 转转双重化配置双重化配置输入输入输出输出输入输入输出输出三重化配置三重化配置28第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识同步运转方式同步运转方式让让两两台台或或两两台台以以上上的的设设备备或或部部件件同同步步运运行行，进进行行相相同同的的处理，并处理，并将其输出进行核对将其输出进行核对。两两台台设设备备同同步步运运行行，只只有有当当它它们们的的输输出出一一致致时时，才才作作为为正正确确的的输输出出，这这种种系系统统称称为为“双双重重化化系系统统”(Dual
21、 System)。三三台台设设备备同同步步运运行行，将将三三台台设设备备的的输输出出信信号号进进行行比比较较，取取两两个个相相等等的的输输出出作作为为正正确确的的输输出出值值，这这就就是是设设备备的的三重化设置，三重化设置，29第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识待机运转方式待机运转方式同时配备两台设备，同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。使一台设备处于待机备用状态。当当工工作作设设备备发发生生故故障障时时，启启动动待待机机设设备备来来保保证证系系统统正正常常运行。这种方式称为运行。这种方式称为1:1 的备用方式的备用方式。对对于于N台台同同样样设设备备，采采用用一
22、一台台待待机机设设备备的的备备用用方方式式就就称称为为 N:1 备用备用。待机运行方式是待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术中主要采用的冗余技术。30第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识后退运转方式后退运转方式使用多台设备，在正常运行时，使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行各自分担各种功能运行。当当其其中中之之一一发发生生故故障障时时，其其他他设设备备放放弃弃其其中中一一些些不不重重要要的功能，进行互相备用的功能，进行互相备用。31第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识简易的手动备用方式简易的手动备用方式采用采用手动操作手动操作方式实现对方
23、式实现对自动控制自动控制方式的方式的备用备用。当当自自动动方方式式发发生生故故障障时时，通通过过切切换换成成手手动动工工作作方方式式，来来保持系统的控制功能。保持系统的控制功能。 32第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.冗余措施通信网络的冗余：通信网络的冗余：采用采用一备一用一备一用的配置。的配置。操作站的冗余操作站的冗余：采用采用工作冗余工作冗余的方式。的方式。现现场场控控制制站站的的冗冗余余：有有的的采采用用 1:1 冗冗余余，也也有有的的采采用用N:1 冗余冗余。采用无中断自动切换方式。采用无中断自动切换方式。电电源源的的冗冗余余：除除了了 220V 交交流流供供电
24、电外外，还还采采用用了了镍镍镉镉电电池、铅钙电池以及干电池池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。等多级掉电保护措施。输入输入/输出模块的冗余：部分输出模块的冗余：部分重要卡件重要卡件采用采用 1:1 冗余冗余。DCS软件软件还采用了还采用了信息冗余技术信息冗余技术。33第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.3 集散控制系统的软件体系本节内容提要本节内容提要软件体系软件体系组态软件、控制层软件和监控软件的功能组态软件、控制层软件和监控软件的功能34第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识DCS软件主要分为：软件主要分为： 组态软件、控制层软件、监控软件组态软
25、件、控制层软件、监控软件（1）组态软件：安装于工程师站。完成系统控制层软件和监）组态软件：安装于工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。控软件的组态功能。 根据根据实际生产过程控制的需要实际生产过程控制的需要，预先将预先将DCS所提供的硬所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。，以完成特定的任务。 要做的组态主要包括：要做的组态主要包括：l硬件配置硬件配置l数据库组态数据库组态l控制算法组态控制算法组态l流程显示及操作画面组态流程显示及操作画面组态l报表组态报表组态l编译和下装编译和下装35第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基
26、础知识（2）控制层软件：特指运行于现场控制站的）控制层软件：特指运行于现场控制站的控制器中的软件，针对控制对象，完成控制控制器中的软件，针对控制对象，完成控制功能。功能。其基本功能：其基本功能：I/O数据的采集、数据预处理、数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出数据的输出。36第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识（3）监控软件）监控软件 指操作员站或工程师站上的软件，主要完指操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形成操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息的显示处理、对现与画面
27、的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理。场各类检测数据的集中处理。37第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4 集散控制系统的基本功能本节内容提要本节内容提要控制站的基本功能控制站的基本功能 反馈控制反馈控制逻辑控制逻辑控制顺序控制顺序控制批量控制批量控制数据采集与处理数据采集与处理数据通信数据通信操作站的基本功能操作站的基本功能 显示显示操作操作报警报警组态组态系统维护系统维护报告生成报告生成 自诊断功能自诊断功能 离线自诊断离线自诊断 在线自诊断在线自诊断 显示故障代码显示故障代码定位故障卡件定位故障卡件 38第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制
28、系统基础知识1.反馈控制2.4.1 2.4.1 现场控制站的基本功能现场控制站的基本功能反馈控制反馈控制输入处理输入处理控制运算控制运算回路组态回路组态输出处理输出处理报警处理报警处理反馈控制功能分布图反馈控制功能分布图39第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)输入信号处理输入信号处理模拟输入信号处理模拟输入信号处理合理性检验合理性检验零偏修正零偏修正 规格化规格化 工程量变换工程量变换 非线性处理非线性处理 开方运算开方运算 补偿运算补偿运算 脉冲序列的瞬时值变换及累计脉冲序列的瞬时值变换及累计40第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识对于对于数字
29、信号数字信号状态报警及输出方式处理。状态报警及输出方式处理。对于脉冲序列对于脉冲序列瞬时值变换及累积计算。瞬时值变换及累积计算。 41第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识报警类型报警类型 仪仪表表异异常常报报警警、绝绝对对值值报报警警、偏偏差差报报警警、速速率率报警以及累计值报警报警以及累计值报警等等。报警限值报警限值 为为了了实实现现预预报报警警，DCS中中通通常常还还设设置置了了多多重重报报警限，如上限、上上限、下限、下下限等。警限，如上限、上上限、下限、下下限等。 报警优先级报警优先级 报警优先级参数报警优先级参数 报警链中断参数报警链中断参数 最高报警选择参数最高报警
30、选择参数 (2)(2)报警处理报警处理42第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)控制运算控制运算常规常规 PID 微分先行微分先行PID积分分离积分分离开关控制开关控制时间比例式开关控制时间比例式开关控制信号选择信号选择比率设定比率设定常 用 算 法时间程序设定时间程序设定 Smith 预估控制预估控制多变量解耦控制多变量解耦控制一阶滞后运算一阶滞后运算超前超前-滞后运算滞后运算其他运算等其他运算等43第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4) 控制回路组态根根据据控控制制策策略略的的需需要要，将将一一些些功功能能模模块块通通过过软软件件连连接接起
31、来起来，构成检测回路或控制回路。，构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图温度与压力串级控制系统回路组态图44第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(5)输出信号处理输出开路检验输出开路检验输出上下限检验输出上下限检验输出变化率限幅输出变化率限幅模拟输出模拟输出开关输出开关输出脉冲宽度输出脉冲宽度输出 45第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.逻辑控制根据输入变量的状态，根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制按逻辑关系进行的控制。在在DCS中，由中，由逻辑功能模块逻辑功能模块实现逻辑控制功能。实现逻辑控制功能。逻 辑 控 制 功 能与与 (
32、 AND )或或 ( OR )非非 ( NO )异或异或 ( XOR )连接连接 ( LINK )进行延时进行延时 ( ON DELAY )停止延时停止延时 ( OFF DELAY )触发器触发器 ( FLIP - FLOP) 脉冲脉冲 ( PULSE )46第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.顺序控制顺顺序序控控制制：按按预预定定的的动动作作顺顺序序或或逻逻辑辑，依依次次执执行行各各阶阶段动作程序段动作程序。顺顺序序控控制制中中可可以以兼兼用用反反馈馈控控制制、逻逻辑辑控控制制和和输输入入 / 输输出监视出监视等功能。等功能。实现顺序控制的常用方法实现顺序控制的常用方法
33、顺序表法顺序表法程序语言方式程序语言方式梯形图法梯形图法47第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识顺序表法顺序表法将将控控制制顺顺序序按按逻逻辑辑关关系系和和时时间间关关系系预预先先编编成成顺顺序序记记录录，存储于管理文件中，然后逐项执行存储于管理文件中，然后逐项执行。程序语言方式程序语言方式通过语言编程来实现顺序控制通过语言编程来实现顺序控制。梯形图法梯形图法（梯形逻辑控制语言梯形逻辑控制语言）由由继继电电器器逻逻辑辑电电路路图图演演变变而而来来的的一一种种解解释释执执行行程程序序的的设设计语言计语言。随随着着 DCS 的的发发展展，已已出出现现了了梯梯形形逻逻辑辑与与连连续
34、续控控制制算算法法相结合相结合的复合控制功能。的复合控制功能。 48第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.批量控制根根据据工工艺艺要要求求，将将反反馈馈控控制制与与逻逻辑辑、顺顺序序控控制制结结合合起起来来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。反馈控制的报警信号反馈控制的报警信号回路状态信号回路状态信号模拟信号的比较、判断、运算结果模拟信号的比较、判断、运算结果顺序控制的条件信号顺序控制的条件信号49第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识回路的切换回路的切换参数的变更参数的变更设定值的调整设定值的调整控制算法的变
35、更控制算法的变更控制方案的变更控制方案的变更由顺序控制转换为反馈控制的条件由顺序控制转换为反馈控制的条件50第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5.辅助功能(1)控制方式选择手动手动( MAN ) 自动自动( AUT ) 串级串级( CAS ) 计算机计算机( COMP ) (2)测量值跟踪在在手手动动方方式式时时，使使本本回回路路的的设设定定值值不不再再保保持持原原来来的的值值，而跟踪测量值。而跟踪测量值。51第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)输出值跟踪在在手手动动方方式式时时，使使内内存存单单元元中中 PID 输输出出值值跟跟踪踪手手操操输输出值
36、。出值。从从手手动动切切换换到到自自动动时时，内内存存单单元元中中的的自自动动输输出出数数值值与与手操输出值相等，手操输出值相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。 在在自自动动方方式式时时，手手操操器器的的输输出出值值是是始始终终跟跟踪踪控控制制器器的的自动输出值自动输出值的。的。从从自自动动切切换换到到手手动动时时，手手操操器器的的输输出出值值与与PID的的输输出出值值相等，相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。 52第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4.2 2.4.2 操作站的基本功能操作站的基本功能操作站的操作站的基本功能基本功能显示显示报警报警系统维护系统维护报
37、告生成报告生成操作操作系统组态系统组态操作站的基本功能分布图操作站的基本功能分布图53第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1. 1.显示显示 它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路的测量值的测量值(PV)、设定值、设定值(SV)及控制输出值及控制输出值(MV)。 在显示器上，工艺设备和控制设备等的各种状态等能以字符在显示器上，工艺设备和控制设备等的各种状态等能以字符方式、模拟方式、图形及色彩等多种方式显示出来。方式、模拟方式、图形及色彩等多种方式显示出来。2. 2.操作操作 操作站可对全系统每个控制回路进行操作
38、，对设定值、控操作站可对全系统每个控制回路进行操作，对设定值、控制输出值、控制算式中的常数值、顺控条件值和操作值进行调整，制输出值、控制算式中的常数值、顺控条件值和操作值进行调整，对控制回路中的各种操作方式对控制回路中的各种操作方式 ( 如手动、自动、串级、计算机、如手动、自动、串级、计算机、顺序手动等顺序手动等 ) 进行切换。对报警限设定值、顺控定时器及计数器进行切换。对报警限设定值、顺控定时器及计数器的设定值进行修改和再设定。的设定值进行修改和再设定。54第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3. 3.报警报警 操作站以画面方式、色彩操作站以画面方式、色彩 ( 或闪光或闪光
39、 ) 方式、模拟方式、数方式、模拟方式、数字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各种类型的报警。种类型的报警。4. 4.系统组态系统组态 DCS实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行，这就是系统组态。状态运行，这就是系统组态。55第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 应用组态软件用来建立功能模块，包括输入模块、输出模应用组态软件用来建
40、立功能模块，包括输入模块、输出模块、运算模块、反馈控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块块、运算模块、反馈控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块和程序模块等，将这些功能模块适当的组合，而构成控制回路，和程序模块等，将这些功能模块适当的组合，而构成控制回路，以实现各种控制功能。以实现各种控制功能。 应用组态方式有填表式、图形式、窗口式及混合式等。应用组态方式有填表式、图形式、窗口式及混合式等。 组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控制级和过程管理级。制级和过程管理级。 设备组态的顺序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级；设备组态的顺
41、序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级； 功能组态的顺序恰好相反，先过程控制级，后过程管理级。功能组态的顺序恰好相反，先过程控制级，后过程管理级。56第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5. 5.系统维护系统维护 当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。6. 6.报告生成报告生成 根据生产管理需要，操作
42、站可以打印各种班报、日报、操根据生产管理需要，操作站可以打印各种班报、日报、操作日记及历史记录，还可以拷贝流程图画面等。作日记及历史记录，还可以拷贝流程图画面等。57第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识自诊断功能自诊断功能在系统投运前，用在系统投运前，用离线诊断程序检查离线诊断程序检查各部分的工作状态。各部分的工作状态。系统运行中，各设备不断执行系统运行中，各设备不断执行在线自诊断程序在线自诊断程序。一旦发现错误，立即切换到备用设备；一旦发现错误，立即切换到备用设备；同同时时经经过过通通信信网网络络在在显显示示器器上上显显示示出出故故障障代代码码，等等待待及及时时处理处理；故
43、障代码可以故障代码可以定位到卡件定位到卡件板，用户只需及时板，用户只需及时更换卡件。更换卡件。 58第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5 数据通信技术本节内容提要本节内容提要通信系统的组成通信系统的组成 通信类型通信类型 传输方式传输方式 串行传输与并行传输串行传输与并行传输 基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输异步传输与同步传输异步传输与同步传输 传输速率传输速率 信息编码信息编码 数据交换方式数据交换方式1. 1.数数 据据 通通 信信 原原 理理 59第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识局部网络的概念局部网络的概念 局部网络拓扑结构局部网络拓扑结
44、构 传输介质传输介质 网络控制方法网络控制方法 差错控制技术差错控制技术 2. 2. 通通 信信 网网 络络3. 3.通信协议通信协议通信协议的概念通信协议的概念 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型60第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识传输速率传输速率 信息编码信息编码 数据交换方式数据交换方式 现场总线的国际标准现场总线的国际标准 现场总线通信模型现场总线通信模型 现场总线的网络拓扑结构现场总线的网络拓扑结构 HART总线简介总线简介 4. 4.现场总线简介现场总线简介 61第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5.1 2.5.1 数据通信原理数
45、据通信原理数据通信数据通信计计算算机机或或其其他他数数字字装装置置与与通通信信介介质质相相结结合合，实实现现对对数数据据信息的传输、转换、存储和处理信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。的通信技术。在在DCS中中，各各单单元元之之间间的的数数据据信信息息传传输输就就是是通通过过数数据据通通信系统完成的。信系统完成的。通信通信用用特特定定的的方方法法，通通过过某某种种介介质质将将信信息息从从一一处处传传输输到到另另一一处的过程。处的过程。 62第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.数据通信系统的组成通信系统组成通信系统组成信号信号发送装置发送装置接收装置接收装置信道信道通信
46、协议通信协议图图2.2 通信系统模型通信系统模型63第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)信号信号 ( (报文报文) )需需要要传传送送的的数数据据，由由文文本本、数数字字、图图片片或或声声音音等等及及其其组组合组成。合组成。(2)(2)发送装置发送装置 具具有有作作为为二二进进制制数数据据源源的的能能力力，任任何何能能够够产产生生和和处处理理数数据的设备据的设备。(3)(3)接收装置接收装置 能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。64第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)(4)信道信道 信道信道
47、发送装置与接收装置之间的发送装置与接收装置之间的信息传输通道信息传输通道。信道包括信道包括传输介质传输介质和有关的和有关的中间设备中间设备。常用的传输介质常用的传输介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆无线电波无线电波微波微波65第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(5)(5)通信协议通信协议 通信协议是控制数据通信的一组通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准规则、约定与标准。通通信信协协议议定定义义了了通通信信的的内内容容、格格式式，通通信信如如何何进进行行、何何时进行时进行等。等。发发送送装装置置把把要要发发送送的的信信息息送送上上信信道道，再再经经过过信信道道将
48、将信信息传输到接收装置。息传输到接收装置。信信息息在在传传输输过过程程中中会会受受到到来来自自通通信信系系统统内内外外干干扰扰的的影影响。响。通信过程通信过程66第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2. 通信类型模拟通信模拟通信以以连续模拟信号传输信息连续模拟信号传输信息的通信方式。的通信方式。数字通信数字通信将将数字信号进行传输数字信号进行传输的通信方式。的通信方式。数据信息数据信息具有一定具有一定编码、格式和字长编码、格式和字长的数字信息。的数字信息。通信类型通信类型模拟通信模拟通信数字通信数字通信67第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.传输方式(l
49、)(l)单工方式单工方式 信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。(2)(2)半双工方式半双工方式 信信息息可可以以沿沿着着两两个个方方向向传传输输，但但在在指指定定时时刻刻，信信息息只只能能沿一个方向传输。沿一个方向传输。(3)(3)全双工方式全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输。信息可以同时沿着两个方向传输。 传输方式传输方式单工单工全双工全双工半双工半双工68第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.3 信息传输方式信息传输方式69第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.串行传输与并行传输(1)
50、(1)串行传输串行传输数据数据逐位依次逐位依次在信道上进行传输的方式。在信道上进行传输的方式。(2)(2)并行传输并行传输数据数据多位同时多位同时在信道上进行传输的方式。在信道上进行传输的方式。在在DCS中，数据通信网络几乎全部采用中，数据通信网络几乎全部采用串行传输串行传输方式。方式。 70第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图2.4 串行传输与并行传输(a)串行传输；(b)并行传输 71第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5. 基带传输与宽带传输(1)(1)基带传输基带传输 基带：电信号所固有的频带。基带：电信号所固有的频带。基带传输：直接基带传输：直接
51、将电脉冲信号原样进行传输将电脉冲信号原样进行传输。(2)(2)宽带传输宽带传输 载带传输：在信道上传输调制信号。载带传输：在信道上传输调制信号。宽带传输：实现多路信号同时传输。宽带传输：实现多路信号同时传输。72第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识6. 6.异步传输与同步传输异步传输与同步传输在异步传输中，信息在异步传输中，信息以字符为单位以字符为单位进行传输。进行传输。每个信息字符都具有自己的每个信息字符都具有自己的起始位和停止位起始位和停止位。一一个个字字符符中中的的各各个个位位是是同同步步的的，但但字字符符与与字字符符之之间间的的时时间间隔是不确定的。间间隔是不确定的。
52、在同步传输中，信息是在同步传输中，信息是以数据块为单位以数据块为单位进行传输的。进行传输的。通通信信系系统统中中有有专专门门用用来来使使发发送送装装置置和和接接收收装装置置保保持持同同步步的的时时钟钟脉脉冲冲，使使两两者者以以同同一一频频率率连连续续工工作作，并并且且保保持持一定的相位关系。一定的相位关系。73第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识7. 7.传输速率传输速率信信息息传传输输速速率率又又称称为为比比特特率率，是是指指单单位位时时间间内内通通信信系系统统所传输的信息量所传输的信息量。比比特特率率一一般般以以每每秒秒钟钟所所能能够够传传输输的的比比特特数数来来表表示示
53、，记记为为Rb。信息传输速率的单位是信息传输速率的单位是比特比特/秒，记为秒，记为 bit/s 或或 bps。 74第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识8.信息编码信信息息在在通通过过通通信信介介质质进进行行传传输输前前必必须须先先转转换换为为电电磁磁信信号。号。将信息转换为信号将信息转换为信号需要对信息进行编码。需要对信息进行编码。数字数字-模拟编码模拟编码：用模拟信号表示数字信息的编码。：用模拟信号表示数字信息的编码。在在模模拟拟传传输输中中，发发送送设设备备产产生生一一个个高高频频信信号号作作为为基基波波，来承载信息信号。来承载信息信号。移移动动键键控控：将将信信息息信
54、信号号调调制制到到载载波波信信号号上上，这这种种形形式式的的改改变变称称为为调调制制 ( 移移动动键键控控 )，信信息息信信号号被被称称为为调调制制信信号。号。75第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识数数字字信信息息是是通通过过改改变变载载波波信信号号的的一一个个或或多多个个特特性性 ( 振振幅、频率或相位幅、频率或相位 )来实现编码的。来实现编码的。载载波波信信号号是是正正弦弦波波信信号号，它它有有三三个个描描述述参参数数，即即振振幅幅、频频率率和和相相位位，所所以以相相应应地地也也有有三三种种调调制制方方式式，即即调调幅幅方方式、调频方式和调相方式。式、调频方式和调相方式
55、。编码方法编码方法幅移键控幅移键控相移键控相移键控频移键控频移键控76第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)幅移键控法幅移键控法(Amplitude Shift Keying ，ASK) 用调制信号的用调制信号的振幅变化振幅变化来表示二进制数。来表示二进制数。例如用高振幅表示例如用高振幅表示 1，用低振幅表示，用低振幅表示 0，如图，如图 2.5(a) 所示。所示。(2)(2)频移键控法频移键控法(Frequency Shift Keying ，FSK) 用调制信号的用调制信号的频率变化频率变化来表示二进制数的。来表示二进制数的。例如用高频率表示例如用高频率表示 1
56、，用低频率表示，用低频率表示 0，如图，如图 2.5(b) 所示。所示。(3)(3)相移键控法相移键控法(Phase shift keying ，PSK ) 用调制信号的用调制信号的相位变化相位变化来表示二进制数。来表示二进制数。例如用例如用0相位表示相位表示 0，用，用 180相位表示相位表示 1，如图，如图 2.5(c) 所示。所示。 77第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.5 三种调制方式三种调制方式78第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识9.数据交换方式数据交换方式数据交换方式线路交换线路交换报文分组交换报文分组交换报文交换报文交换79第第2
57、 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)线路交换方式线路交换方式通信过程通信过程线路建立线路建立数据通信数据通信线路拆除线路拆除两个节点之两个节点之间，事先建间，事先建立起一条实立起一条实际的物理连际的物理连接。接。在这条实际在这条实际的物理连接的物理连接上交换数据。上交换数据。数据交换完数据交换完成之后再拆成之后再拆除物理连接。除物理连接。80第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)报文交换方式（存储转发方式）报文交换方式（存储转发方式）经由中间节点的经由中间节点的存储转发功能存储转发功能来实现数据交换。来实现数据交换。报文交换方式交换的基本数据
58、单位是报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文一个完整的报文；源地址源地址数据数据控制信息控制信息目的目的地址地址报文的组成报文的组成(3)(3)报文分组交换方式报文分组交换方式 基本数据单位是一个基本数据单位是一个报文分组报文分组。报报文文分分组组是是一一个个完完整整的的报报文文按按顺顺序序分分割割开开来来的的比比较较短短的的数据组。数据组。81第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5.2 2.5.2 通信网络通信网络计算机网络计算机网络把把分分布布在在不不同同地地点点且且具具有有独独立立功功能能的的多多个个计计算算机机系系统统通通过过通通信信设设备备和和介介质质连
59、连接接起起来来，在在功功能能完完善善的的网网络络软软件件和协议的管理下，以实现网络中的和协议的管理下，以实现网络中的资源共享资源共享。DCS的通信网络的通信网络实质实质上上 就是计算机网络。就是计算机网络。 82第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.局部网络的概念局部区域网络局部区域网络 (Local Area Network (Local Area Network，LAN)LAN)一种一种分布在有限区域内分布在有限区域内的计算机网络。的计算机网络。将将分分布布在在不不同同地地理理位位置置上上的的多多个个具具有有独独立立工工作作能能力力的的计计算机系统连接起来，算机系统连接
60、起来，并配置了网络软件的一种网络。并配置了网络软件的一种网络。用户能够用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。等资源。 83第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.局部网络拓扑结构网络拓扑结构网络拓扑结构网络节点互连的方法。网络节点互连的方法。网络拓扑结构类型网络拓扑结构类型星型星型环型环型总线型总线型树型树型菊花链菊花链84第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)星型结构星型结构每每一一个个节节点点都都通通过过一一条条链链路路连接到中央节点上。连接到中央节点上。任任何何两两个个节节点点之之间间的的通通信信都都
61、要经过中央节点。要经过中央节点。在在中中央央节节点点中中，有有一一个个“智智能能”开开关关装装置置，用用来来接接通通两两个节点之间的通信路径。个节点之间的通信路径。中中央央节节点点的的构构造造比比较较复复杂杂，一一旦旦发发生生故故障障，整整个个通通信信系系统就要瘫痪。统就要瘫痪。图图2.6 星型拓扑结构星型拓扑结构 85第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)环型结构环型结构所所有有的的节节点点通通过过链链路路组组成成一一个个封闭的环路封闭的环路。需需要要发发送送信信息息的的节节点点将将信信息息送送到到环环上上，信信息息在在环环上上只只能能按按某一确定的方向传输某一确
62、定的方向传输。当当信信息息到到达达接接收收节节点点时时，该该节节点点识别信息识别信息中的目的地址。中的目的地址。若若与与自自己己的的地地址址相相同同，就就将将信信息息取取出出，并并加加上上确确认认标标记记，以便由发送节点清除。以便由发送节点清除。图图2.7 环型拓扑结构环型拓扑结构86第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)总线型结构总线型结构所所有有的的工工作作站站都都通通过过相相应应的的硬硬件件接接口口直直接接接接到到总总线上。线上。所所有有的的节节点点都都共共享享一一条条公公用的传输线路。用的传输线路。每每次次只只能能由由一一个个节节点点发发送送信息。信息。信信
63、息息由由发发送送它它的的节节点点向向两两端扩散。端扩散。 图图2.8 总线型拓扑结构总线型拓扑结构87第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)(4)树型结构树型结构树树型型拓拓扑扑形形状状像像一一棵棵倒倒置置的的树树，顶顶端端有有一一个个带带分分支支的的根根，每个分支还可延伸出子分支。每个分支还可延伸出子分支。当当节节点点发发送送信信息息时时，根根接接收收该该信信息息，然然后后再再重重新新广广播播发发送到全网。送到全网。88第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.9 树型拓扑结构树型拓扑结构 89第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(
64、5)(5)菊花链型结构菊花链型结构用一个网段分别连接两个节点的联接器。用一个网段分别连接两个节点的联接器。多多个个节节点点的的联联接接器器依依次次互互连连，从从而而形形成成一一个个链链状状通通信信网网络。络。 图图2.10 菊花链型拓扑结构菊花链型拓扑结构90第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.传输介质 传传输输介介质质是是通通信信网网络络的物质基础。的物质基础。常见传输介质常见传输介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆常见常见传输介质传输介质双绞线双绞线光缆光缆同轴电缆同轴电缆91第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)双绞线双绞线 双双绞绞
65、线线是是由由两两条条相相互互绝绝缘缘的导体扭绞而成的导体扭绞而成的线对。的线对。在在线线对对的的外外面面常常有有金金属属箔箔组组成成的的屏屏蔽蔽层层和和专专用用的的屏屏蔽线，蔽线，当当传传输输距距离离比比较较远远时时，其其传传输输速速率率受受到到限限制制，一一般般不超过不超过 10 Mbps。 屏蔽双绞线屏蔽双绞线结构图结构图92第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)同轴电缆同轴电缆 同轴电缆由同轴电缆由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层构成。构成。信号通过内导体和外导体传输。信号通过内导体和外导体传输。外导体外导体一般是接地的
66、，一般是接地的，起屏蔽作用。起屏蔽作用。93第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识基带同轴电缆基带同轴电缆 (如如 50同轴电缆同轴电缆 )用于基带传输。用于基带传输。宽带同轴电缆宽带同轴电缆 (如如75电视天线电缆电视天线电缆)用于宽带传输。用于宽带传输。同同轴轴电电缆缆的的数数据据传传输输速速率率、传传输输距距离离、可可支支持持的的节节点点数数、抗抗干干扰扰等等性性能能优优于于双双绞绞线线，成成本本也也高高于于双双绞绞线线，但但低低于于光纤。光纤。94第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)光缆光缆 光光缆缆的的内内芯芯是是由由二二氧氧化化硅硅拉拉
67、制制成成的的光光导导纤纤维维，外外面面敷敷有有一层一层玻璃或聚丙烯材料制成的覆层。玻璃或聚丙烯材料制成的覆层。由由于于内内芯芯和和覆覆层层的的折折射射率率不不同同，以以一一定定角角度度进进入入内内芯芯的的光光线线能能够够通通过过覆覆层层折折射射回回去去，沿沿着着内内芯芯向向前前传传播播以以减减少信号的损失。少信号的损失。如如果果光光的的入入射射角角足足够够大大，就就会会出出现现全全反反射射，光光也也就就从从输输入端传到了输出端。入端传到了输出端。因因为为光光缆缆中中的的信信息息是是以以光光的的形形式式传传播播的的，电电磁磁干干扰扰对对它它几乎毫无影响，所以，几乎毫无影响，所以，光缆具有良好的抗
68、干扰性能。光缆具有良好的抗干扰性能。95第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识光缆的构成光缆的构成96第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图 2.11 传输介质传输介质 97第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图 2.12 光在纤芯中的传播原理光在纤芯中的传播原理 98第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.网络控制方法网络控制方法：网络控制方法：在在通通信信网网络络中中，使使信信息息从从发发送送装装置置迅迅速速而而正正确确地地传传递递到到接收装置的接收装置的管理机制管理机制。常用的方法常用的方法：查询查询令牌传送令牌传
69、送自由竞争自由竞争存储转发存储转发99第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)查询式查询式 中中，如如星星型型网网络络或或具具有有主主站站的的总总线线型型用用于于主主从从结结构构网网络络网络。网络。主主站站依依次次询询问问各各站站是是否否需需要要通通信信，收收到到通通信信应应答答后后再再控控制制信息的发送与接收。信息的发送与接收。当多个从站要求通信时，按站的当多个从站要求通信时，按站的优先级安排发送。优先级安排发送。 100第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)自由竞争式自由竞争式 控制策略控制策略：竞争发送竞争发送广播式传输广播式传输载体
70、侦听载体侦听冲突检测冲突检测冲突时退回冲突时退回再试发送再试发送 101第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)令牌传送令牌传送 有有一一个个称称为为令令牌牌（TokenToken）的的信信息息段段在在网网络络中中各各节节点点之之间依次传递。间依次传递。令牌令牌有空、忙两种状态有空、忙两种状态，开始时为空闲。，开始时为空闲。节节点点只只有有得得到到空空令令牌牌时时才才具具有有信信息息发发送送权权，同同时时将将令令牌牌置为忙。置为忙。令令牌牌沿沿网网络络而而行行，当当信信息息被被目目标标节节点点取取走走后后，令令牌牌被被重重新置为空。新置为空。102第第2 2章集散控制
71、系统基础知识章集散控制系统基础知识令令牌牌传传送送的的方方法法实实际际上上是是一一种种按按预预先先的的安安排排让让网网络络中中各节点依次轮流占用通信线路各节点依次轮流占用通信线路的方法。的方法。令令牌牌是是一一组组特特定定的的二二进进制制代代码码，它它按按照照事事先先排排列列的的某某种逻辑顺序沿网络而行。种逻辑顺序沿网络而行。只有只有获得令牌的节点才有权控制和使用网络。获得令牌的节点才有权控制和使用网络。103第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识令令牌牌传传送送的的次次序序是是由由用用户户根根据据需需要要预预先先确确定定的的，而而不不是按节点在网络中的物理次序传送的。是按节点
72、在网络中的物理次序传送的。图图 2.13 令牌传递过程示意图令牌传递过程示意图 104第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)(4)存储转发式存储转发式 信息传送过程：信息传送过程：源节点源节点发送信息发送信息，到达它的，到达它的相邻节点相邻节点；相相邻邻节节点点将将信信息息存存储储起起来来，等等到到自自己己的的信信息息发发送送完完，再再转发这个信息，直到把此信息送到目的节点；转发这个信息，直到把此信息送到目的节点；目目的的节节点点加加上上确确认认信信息息 (正正确确) 或或否否认认信信息息 (出出错错)，向向下发送直至源站；下发送直至源站；源源节节点点根根据据返返回回信信
73、息息决决定定下下一一步步动动作作，如如取取消消信信息息或或重重新发送。新发送。105第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5.差错控制技术 在在信信息息传传输输过过程程中中，各各种种各各样样的的干干扰扰可可能能造造成成传传输输错错误。误。这这些些错错误误轻轻则则会会使使数数据据发发生生变变化化，重重则则会会导导致致生生产产过过程事故。程事故。必必须须采采取取一一定定的的措措施施来来检检测测错错误误并并纠纠正正错错误误，检检错错和和纠错统称为差错控制。纠错统称为差错控制。 (1)(1)差错控制差错控制106第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)传输错误
74、及可靠性指标传输错误及可靠性指标在在通通信信网网络络上上传传输输的的信信息息是是二二进进制制信信息息，它它只只有有0和和1两种状态。两种状态。如果把如果把0误传为误传为1，或者把，或者把1误传为误传为0就是就是传输错误传输错误。两类错误两类错误突突发发错错误误：由由突突发发噪噪声声引引起起的的，其其特特征征是是误误码码连连续续成成片出现；片出现；随随机机错错误误：随随机机错错误误是是由由随随机机噪噪声声引引起起的的，它它的的特特征征是误码与其前后的代码是否出错无关。是误码与其前后的代码是否出错无关。107第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识DCS的传输速率一般在的传输速率一般
75、在 100Mbps100Mbps 左右。左右。传传输输速速率率越越大大，每每一一位位二二进进制制代代码码 (又又称称码码元元) 所所占占用用的的时时间间就就越越短短，波波形形就就越越窄窄，抗抗干干扰扰能能力力就就越越差差，可可靠性就越低。靠性就越低。误误码码率率是是指指通通信信系系统统所所传传输输的的总总码码元元数数中中发发生生差差错错的的码元数所占的比重码元数所占的比重 ( 取统计平均值取统计平均值 )，即，即Pe = pw / pt Pe = pw / pt （2-32-3）式中式中 Pe Pe误码率；误码率； Pw Pw出错的码元数出错的码元数； pt传输的总码元数。传输的总码元数。 1
76、08第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识误码率越低，通信系统的可靠性就越高。误码率越低，通信系统的可靠性就越高。在在DCS中，常用每年出现多少次误码来代替误码率。中，常用每年出现多少次误码来代替误码率。对对大大多多数数DCS来来说说，这这一一指指标标大大约约在在每每年年 0.01 0.01 次次到到 4 4 次左右。次左右。 109第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)反馈重发纠错方式反馈重发纠错方式(ARQ)(ARQ)在在发发送送端端，首首先先要要对对所所发发送送的的数数据据进进行行某某种种运运算算，产产生生能能检检测测错错误误的的帧帧校校验验序
77、序列列，然然后后把把校校验验序序列列与与数数据据一起发往对方一起发往对方。在在接接收收端端，根根据据事事先先约约定定的的编编码码运运算算规规则则及及校校验验序序列列，检检查查数数据据在在传传输输过过程程中中是是否否有有出出错错，并并通通过过反反馈馈信信道道把判决结果发回发送端。把判决结果发回发送端。发发送送端端收收到到反反馈馈信信号号若若标标明明传传送送有有错错，则则发发送送端端重重发发数据数据，直到接收端返回信号标明接收正确为止。，直到接收端返回信号标明接收正确为止。110第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识ARQ方方式式中中，必必须须有有一一个个反反馈馈信信道道，并并且且
78、只只用用于于点点对对点的通信方式。点的通信方式。 检检错错编编码码的的方方法法很很多多，常常用用的的有有奇奇偶偶校校验验码码和和循循环环冗冗余校验码余校验码 CRC CRC。111第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识奇偶检验奇偶检验 奇奇偶偶检检验验是是在在传传递递字字节节后后附附加加一一位位校校验验位位。该该校校验验位位根根据字节内容取据字节内容取l或或0。奇校验奇校验时传送字节与校验位中时传送字节与校验位中“1”“1”的数目为奇数的数目为奇数。偶校验偶校验时传送字节与校验位中时传送字节与校验位中“1”“1”的数目为偶数的数目为偶数。接收端接收端按同样的校验方式对收到的信息
79、进行按同样的校验方式对收到的信息进行校验校验。如如发发送送时时规规定定为为奇奇校校验验时时，若若收收到到的的字字符符及及校校验验位位中中“1”的的数数目目为为奇奇数数，则则认认为为传传输输正正确确，否否则则，认认为为传传输错误。输错误。112第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识循环冗余码校验循环冗余码校验 在传输的信息中在传输的信息中按照规定附加一定数量的冗余位按照规定附加一定数量的冗余位。有有了了冗冗余余位位，真真正正有有用用的的代代码码数数就就少少于于所所能能组组合合成成的的全全部代码数。部代码数。当当代代码码在在传传输输过过程程中中出出现现错错误误，并并且且使使接接收收
80、到到的的代代码码与与有用的代码不一致时有用的代码不一致时，说明发生了错误。说明发生了错误。 113第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识为为了了提提高高检检错错和和纠纠错错能能力力，可可以以在在信信息息后后面面按按一一定定规规则则附附加加若若干干个个冗冗余余位位，使使信信息息的的合合法法状状态态之之间间有有很很大大差差别别，一一种种合合法法信信息息错错误误成成另另一一合合法法信信息息的的可可能能性性就就会大大减小。会大大减小。编编码码：发发送送端端在在信信息息码码的的后后面面，按按一一定定的的规规则则附附加加冗冗余码组成传输码组的过程。余码组成传输码组的过程。译码译码：在接收端
81、按相同规则检测和纠错的过程。：在接收端按相同规则检测和纠错的过程。编码和译码都是由编码和译码都是由硬件电路配合软件完成硬件电路配合软件完成的。的。在在 DCS中中 应应 用用 较较 多多 的的 是是 循循 环环 冗冗 余余 码码 (Cyclic (Cyclic Redundancy CodeRedundancy Code，CRC)CRC)校验校验方法。方法。 114第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5.3 2.5.3 通信协议通信协议网络通信功能包括两大部分，即网络通信功能包括两大部分，即数据传输和通信控制数据传输和通信控制。在在通通信信过过程程中中，信信息息从从开开始
82、始发发送送到到结结束束发发送送可可分分为为若若干干个个阶段，相应的阶段，相应的通信控制功能也分成一组组操作通信控制功能也分成一组组操作。一一组组组组通通信信控控制制功功能能应应当当遵遵守守通通信信双双方方共共同同约约定定的的规规则则，并受这些规则的约束。并受这些规则的约束。通信协议：通信协议：对数据传输过程进行管理的规则。对数据传输过程进行管理的规则。1.通信协议的概念115第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识通信协议的关键要素：通信协议的关键要素：(1)(1)语法语法语法语法( Syntax )包括包括数据格式、信号电平数据格式、信号电平等规定。等规定。(2)(2)语义语义
83、语语义义( Semantics )是是比比特特流流每每部部分分的的含含义义。一一个个特特定定比比特模式如何理解，基于这种理解采取何种动作等。特模式如何理解，基于这种理解采取何种动作等。(3)(3)时序时序时序时序( Timing )规定了规定了速度匹配和排序速度匹配和排序。包包括括数数据据何何时时发发送送，以以什什么么速速率率发发送送，使使发发送送与与接接收收方方能够无差错地完成数据通信等。能够无差错地完成数据通信等。116第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识开开放放系系统统互互连连(Open Systems Interconnection，OSI) 参参考模型，简称考模型，
84、简称 ISO/OSI ISO/OSI 模型。模型。通通信信系系统统之之间间相相互互交交换换信信息息所所共共同同使使用用的的一一组组标标准准化化规则，规则，凡按照该模型建立的网络就可以互连凡按照该模型建立的网络就可以互连。开开放放系系统统互互连连是是彼彼此此开开放放的的系系统统通通过过共共同同使使用用适适当当的的标准实现信息的交换。标准实现信息的交换。117第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.开放系统互连参考模型开开放放系系统统互互连连参参考考模模型型( OSI) 是是信信息息处处理理领领域域内内最最重重要的标准之一。要的标准之一。该该标标准准将将开开放放系系统统的的通通信
85、信功功能能分分为为七七层层，描描述述了了分分层层的意义及各层的命名和功能。的意义及各层的命名和功能。 118第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识在分层结构中，在分层结构中，每一层执行部分通信功能每一层执行部分通信功能。一一层层依依靠靠相相邻邻的的低低一一层层完完成成较较原原始始的的功功能能，并并和和该该层层的具体细节分离，的具体细节分离，一层为相邻的高一层提供服务。一层为相邻的高一层提供服务。两两个个相相互互通通信信的的系系统统都都有有共共同同的的层层次次结结构构，一一个个系系统统的的 N 层层与与另另一一个个系系统统的的 N 层层之之间间的的相相互互通通信信遵遵循循一一套套
86、“协议协议”。 119第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图 2.14 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型120第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识两个系统相互通信时应两个系统相互通信时应具有相同的层次结构具有相同的层次结构。同等层之间应同等层之间应建立同等层的通信关系建立同等层的通信关系，在在物物理理层层，通通过过通通信信介介质质上上实实际际传传输输的的比比特特流流实实现现信信息的传输。息的传输。如如果果把把要要传传送送的的信信息息称称为为“报报文文”，它它也也可可以以是是数数据据，每一层上的标记则称为每一层上的标记则称为“报头报头”。121第第2
87、 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识物物理理层层是是通通信信设设备备的的硬硬件件，是是把把封封装装后后的的信信息息由由物物理理层放到通信线路上传输。层放到通信线路上传输。由由此此可可见见，从从第第 7 层层到到第第 2 层层根根本本没没有有进进行行站站 Sl 到到站站S2的的传传送送，都都是是软软件件方方面面的的处处理理，直直到到第第一一层层才才靠靠硬硬件件(传输介质传输介质)真正进行传送。真正进行传送。到达接收站之后，到达接收站之后，按照相反的顺序逐层向上按照相反的顺序逐层向上。每每经经过过一一层层就就去去掉掉一一个个报报头头，到到应应用用层层之之后后， 所所有有的的报头报尾都去
88、掉了，最后只剩数据或报文本身。报头报尾都去掉了，最后只剩数据或报文本身。至此，站至此，站 S1 到站到站S2的通信结束。的通信结束。反反之之，从从站站 S2 到到站站 Sl 的的通通信信过过程程也也是是这这样样进进行行的的，只只不过不过方向相反方向相反而已。而已。 122第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 ISO/OSI 模模型型由由七七层层组组成成，从从下下至至上上分分别别为为物物理理层层、链路层、网络层、传送层、会话层、链路层、网络层、传送层、会话层、 表示层及应用层。表示层及应用层。可可以以认认为为低低层层实实际际上上是是高高层层的的接接口口，每每一一层层都都详详细细地地规规定定了了通通信信协协议议和和任任务务，一一旦旦这这一一层层的的任任务务完完成成，它它上面或下面层的任务就开始执行。上面或下面层的任务就开始执行。123
