計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)1第三講、集散控制系統(tǒng)2過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史345一、ＤＣＳ的基本概念★它是４Ｃ技術(shù)的產(chǎn)物（計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)，圖形顯示技術(shù)）★它是通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站聯(lián)系起來，共同完成分級(jí)控制、集中管理的綜合控制系統(tǒng)。它的基本設(shè)計(jì)思想是危險(xiǎn)分散、控制功能分散、而操作和管理集中。英文縮寫（DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM)6二、分散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生★在復(fù)雜化過程控制需求推動(dòng)下;★在總結(jié)和吸取常規(guī)模擬儀表控制優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上;★在總結(jié)和吸取計(jì)算機(jī)控制優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上;★綜合應(yīng)用現(xiàn)代科技成果的基礎(chǔ)上。7三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：第一階段：1975-1980(初始階段).TDC2000系統(tǒng)，橫河的ECNTUM系統(tǒng)，Bailey公司N-90系統(tǒng)等★這一時(shí)期的產(chǎn)品在技術(shù)上尚存在一定的局限性；★系統(tǒng)尚采用8位或16位微處理器；★通訊所采用的是初級(jí)工業(yè)控制局部網(wǎng)絡(luò)；★有的系統(tǒng)還不具備順序控制等功能。8第二階段：1980-1985(成熟階段).隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，控制功能增強(qiáng)，系統(tǒng)軟硬件水平提高，如CPU由16位向32位發(fā)展,價(jià)格下降★是DCS的成長階段。其特點(diǎn)是：▲產(chǎn)品設(shè)計(jì)走向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化▲系統(tǒng)的適應(yīng)性及其擴(kuò)充的靈活性增強(qiáng)?！ぷ鲉卧Y(jié)構(gòu)化▲控制功能更加完善，用戶界面更加友好▲數(shù)據(jù)通訊的能力大大加強(qiáng)并向著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展▲管理功能得到分散▲可靠性進(jìn)一步提高9第三階段：(80年代中、后期)(1985)年以后擴(kuò)展階段.把過程控制／監(jiān)督控制／管理調(diào)度結(jié)合到一塊，使的系統(tǒng)功能綜合化，網(wǎng)格水平開放化.TDC3000,INFI-90等★是DCS的完善階段。目前分散控制系統(tǒng)仍在不斷融合多種先進(jìn)技術(shù)，使其規(guī)模、功能、可靠性、柔軟性、適應(yīng)性、靈活性、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性等不斷完善和提高。★至今,世界上幾十家公司已推出近百個(gè)分散控制系統(tǒng)品種，且有幾代產(chǎn)品。10四、分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用

★DCS以良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效果，顯示出強(qiáng)大的競爭力，被公認(rèn)為當(dāng)今最先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)新建的大型火電機(jī)組都積極地采用分散控制系統(tǒng)。★DCS一經(jīng)問世，在電力工業(yè)、鋼鐵冶煉等領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。不同程度上提高了單元火電機(jī)組、爐溫等的數(shù)據(jù)采集與處理、生產(chǎn)過程控制、邏輯控制、監(jiān)視報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)、操作、管理的能力和水平，加速了我國生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展11五、集散控制系統(tǒng)的基本組成它由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及高速數(shù)據(jù)通路等五部分組成。

1213三級(jí)結(jié)構(gòu)說明

1現(xiàn)場圾★現(xiàn)場級(jí)設(shè)備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近★典型的現(xiàn)場級(jí)設(shè)備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?！锢?-20mA的電信號(hào)(一般變送器)送往控制站或數(shù)據(jù)采集站，或者將控制站輸出的控制量(4—20mA的電信號(hào))轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制14

２控制級(jí)★控制級(jí)主要由過程控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成★一般在電廠中，把過程控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設(shè)備室中?！镞^程控制站接收由現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、變送器來的信號(hào)，按照一定的控制策略計(jì)算出所需的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去★過程控制站可以同時(shí)完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能★數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似。15

３監(jiān)控級(jí)★監(jiān)控級(jí)監(jiān)控級(jí)的主要設(shè)備有運(yùn)行員操作站、工程師工作站和計(jì)算站?！镞\(yùn)行員操作站是運(yùn)行員與控制系統(tǒng)交換信息的人機(jī)接口設(shè)備。★工程師工作站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)所設(shè)計(jì)的工作站★工程師工作站一般由Pc機(jī)配置一定數(shù)量的外部設(shè)備所組成，例如打印機(jī)、繪圖機(jī)等?！镉?jì)算站的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對牛產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，例如機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和件能計(jì)算一般，if算站由超級(jí)微型機(jī)或小型機(jī)構(gòu)成。16４管理級(jí)★一般來說，它可能是一個(gè)發(fā)電廠長級(jí)管理汁算機(jī)，也可能是經(jīng)理、總工程帥、值班長等政管理或運(yùn)行管理人員★廠級(jí)管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測企業(yè)各部分的運(yùn)行情況?！飳芾碛?jì)算機(jī)的要求：◆能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?！裟軌蜷L期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)的人機(jī)接口◆豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機(jī)接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)等工具軟件。17第四講18ＤＣＳ的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)★１計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是將地理位置不同，而且具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過通信設(shè)備和線路連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信息交換方式、控制程序和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源(硬件、軟件、信息)共享的系統(tǒng)。

分類：遠(yuǎn)程網(wǎng)、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)19★２網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如書上１１頁圖2-2所示主機(jī)接口，又稱節(jié)點(diǎn)通信鏈路通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)。

20通信子網(wǎng)類型：★點(diǎn)對點(diǎn)子網(wǎng)★廣播子網(wǎng)。點(diǎn)對點(diǎn)子網(wǎng)的特點(diǎn)是：每一條通信鏈路只連接一對節(jié)點(diǎn)。如果不是在同一條鏈路上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間要通信，必須經(jīng)過一些中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間接通信點(diǎn)對點(diǎn)子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全連接、星形連接、環(huán)形連接、樹形連接以及不規(guī)則連接等形式，如書上１１頁圖２－３所示21廣播子網(wǎng)的特點(diǎn)：★所有節(jié)點(diǎn)共享單一的通信媒體，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息都能直接被所有節(jié)點(diǎn)接收到，而不需經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接，因此，又稱多點(diǎn)共享。廣播子網(wǎng)傳播方式：★有無線★無線其中總線網(wǎng)和環(huán)形總線網(wǎng)是有線廣播子網(wǎng)的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2-4所示，其中圖2．4a為總線網(wǎng)，圖2-4b為環(huán)形總線網(wǎng)。

22

a)總線網(wǎng)b)環(huán)形總線網(wǎng)圖2-4廣播子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)23★３通信介質(zhì)通信介質(zhì)又稱傳輸介質(zhì)或信道，是指連接網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)之間的物理信號(hào)通路。常見的通信介質(zhì)有三種：◆雙絞線◆同軸電纜◆光纜a)雙絞線b)同軸電纜C)光纜圖2—5通信介質(zhì)24對通訊介質(zhì)作進(jìn)一步說明：通訊介質(zhì)是連接系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)的物理信號(hào)通道。

在DCS中,數(shù)據(jù)通訊普遍采用的通訊介質(zhì)有以下三種：25

（一）雙絞線銅導(dǎo)線絕緣層屏蔽護(hù)套絕緣護(hù)套適應(yīng)于低速傳輸場合，最大帶寬約100kHz—1MHz，傳輸速率一般小于2Mbps。模擬信號(hào)傳輸時(shí)每5—6km要有一個(gè)放大器，數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)每2—3km需要一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。26（二）同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體中間絕緣體外屏蔽導(dǎo)體外絕緣層同軸電纜大致可分兩類：1、基帶同軸電纜（如50Ω同軸電纜）2、寬帶同軸電纜（如75Ω同軸電纜）27（三）光纜內(nèi)芯覆層合成釬維層絕緣層光纜中的信息是以光的形式傳輸?shù)?，它對電磁干擾幾乎毫無反應(yīng)。

主要缺點(diǎn)是分支、連接比較困難和復(fù)雜，需采用專用的光纜連接器。28三種通訊介質(zhì)的特點(diǎn)：

介質(zhì)

項(xiàng)目雙絞線同軸電纜光纜傳輸介質(zhì)價(jià)格較低較高較高連接件價(jià)格低較低高標(biāo)準(zhǔn)化程度高較高低連接簡單需專用連接器需復(fù)雜連接器和工藝敷設(shè)簡單稍復(fù)雜簡單抗干擾能力較好很好特別好環(huán)境的適應(yīng)性較好較好特別好適用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)形網(wǎng)總線型或環(huán)形網(wǎng)目前多用于環(huán)形網(wǎng)29★

4

數(shù)據(jù)通信

通信的目的就是傳輸信息(如語言、文字、數(shù)碼、符號(hào)、圖像等)。傳輸信息的實(shí)體就是數(shù)據(jù)◆數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)◆模擬數(shù)據(jù)

★信息的傳送有以下4種組合形式：

◆1．模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳送

◆2．模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳送

◆3．?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳送

◆4．?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳送

30通信的類型存在兩大類通信方式：非電通信和電通信。其中電通信在工業(yè)過程中的應(yīng)用極為普通，它可分為三種類型：1．模擬通信：是以模擬信號(hào)傳輸信息的通信方式。例如：在常規(guī)控制系統(tǒng)中采用的010mA或420mA或05V的模擬電信號(hào)。2．?dāng)?shù)字通信：是將模似電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。例如：A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的信息傳輸。313．?dāng)?shù)據(jù)通信：是一種通過計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字裝置與通信線路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息（具有一定編碼、格式和位長要求的數(shù)字信息）的傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和處理的通信技術(shù)。

數(shù)據(jù)通信與數(shù)字通信的不同之處是：

數(shù)字通信的信息源發(fā)出的是模擬信號(hào)；數(shù)據(jù)通信的信息源發(fā)出的是數(shù)字信息。數(shù)據(jù)通信是本章討論的主題32根據(jù)不同的分類方法加以說明。數(shù)據(jù)通信方式特點(diǎn)：線路投資省，傳輸速度比并行通信的速度慢。（一）按數(shù)據(jù)位的傳送方式分，有：1．并行通信方式：將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的所有位同時(shí)傳送的方式，如圖所示。特點(diǎn)：傳送速度快，線路成本高。發(fā)送裝置接收裝置100101002．串行通信方式：將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位順序傳送的方式，如圖所示。發(fā)送裝置接收裝置10010100只適用于近距離的數(shù)據(jù)通信。適用于長距離傳送。33（二）按信息的傳送方向分，有：發(fā)送裝置接收裝置AB發(fā)送裝置接收裝置接收裝置發(fā)送裝置AB發(fā)送裝置接收裝置接收裝置發(fā)送裝置AB2．半雙工（Halfduplex）通信方式：允許信息在兩個(gè)方向上傳輸，但在同一時(shí)刻只限于一個(gè)方向的傳輸，如圖所示。3．全雙工（Fullduplex）通信方式。允許信息同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行傳輸，如圖所示。

1．單工（Simplex）通信方式：只允許信息沿一個(gè)方向（而不能作反向）傳輸。如圖所示。342．調(diào)制/解調(diào)連接的通信方式：將計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后進(jìn)行調(diào)制，然后在雙芯傳送線上發(fā)送；而接收端對收到的信息進(jìn)行解調(diào)，然后經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換使數(shù)據(jù)復(fù)原，如圖所示。（三）按連接方式分，有：1．總線連接的通信方式：將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的總線通過緩沖轉(zhuǎn)換器直接相連。如圖所示。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)通信控制調(diào)制解調(diào)通信控制調(diào)制解調(diào)35計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)I/O接口I/O接口3．過程I/O連接的通信方式：利用計(jì)算機(jī)的輸入/輸出接口的功能傳送數(shù)據(jù)的，如圖所示。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)高速通道接口高速通道接口…………高速數(shù)據(jù)通道4．高速數(shù)據(jù)通道連接的通信方式：采用二進(jìn)制串行高速傳送的方式，如圖所示。36★實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼方法有多種，常用的3種編碼方式：如書上圖2—7所示◆不歸零制編碼(NRZ)◆曼徹斯特(Manchester)編碼：重點(diǎn)掌握◆差分曼徹斯特編碼37★

5數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本任務(wù)就是高效、無差錯(cuò)地傳送數(shù)據(jù)，但任何傳輸信道(或傳輸過程)都會(huì)存在一定程度的噪聲或干擾，導(dǎo)致接收端收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列R與發(fā)送端發(fā)送出來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列C不一致，即產(chǎn)生“差錯(cuò)”。

例如：C=0100l101011…R=01100l10001…C與R比較，可知第3、5、7、8、10位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)生了錯(cuò)誤。38常用的抗干擾編碼有：奇偶校驗(yàn)碼，循環(huán)冗余碼。1．奇偶校驗(yàn)碼◆垂直奇偶校驗(yàn)◆水平奇偶校驗(yàn)◆水平垂直奇偶校驗(yàn)

2．循環(huán)冗余碼39循環(huán)冗余校驗(yàn)的編碼和檢錯(cuò)方法：◆是通過位移寄存器◆觸發(fā)器等硬件予以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)已制成各種適應(yīng)不同生成多項(xiàng)式的專用集成電路芯片供選用，使得編碼和檢錯(cuò)電路的實(shí)現(xiàn)更為簡單方便。40★

６數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率——單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量。2．信道容量——信道所具有的最大傳輸能力3．誤碼率——二進(jìn)制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。41第五講42一、ＤＣＳ的通信網(wǎng)絡(luò)１、ＤＣＳ通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好能適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境分層結(jié)構(gòu)高可靠性43

與一般的商用局域網(wǎng)絡(luò)（郵電通信網(wǎng)絡(luò)、辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)等）不同，用于ＤＣＳ工業(yè)控制局域網(wǎng)具有自己突出的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．具有快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力2．具有惡劣環(huán)境的適應(yīng)性3．具有極高的可靠性4．具有合理的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)44２、ＤＣＳ通信網(wǎng)絡(luò)形式：主－從通信方式45同等－－同等網(wǎng)絡(luò)形式：46３、通信網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成傳輸介質(zhì)：電纜／光纜／雙絞線接口電子設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器／網(wǎng)絡(luò)適配器等47４、通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)48圖２-６通信網(wǎng)絡(luò)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(a)星形結(jié)構(gòu)(b)環(huán)形結(jié)構(gòu)(c)總線結(jié)構(gòu)(d)復(fù)合結(jié)構(gòu)(e)樹形結(jié)構(gòu)圖２-６通信網(wǎng)絡(luò)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(a)星形結(jié)構(gòu)(b)環(huán)形結(jié)構(gòu)(c)總線結(jié)構(gòu)(d)復(fù)合結(jié)構(gòu)(e)樹形結(jié)構(gòu)49二、ＤＣＳ的通信協(xié)議定義：在網(wǎng)絡(luò)上定義數(shù)據(jù)資料傳輸規(guī)范的協(xié)議.ＤＣＳ中常用的通信協(xié)議有：IEEE802標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議美國通用汽車公司MAP協(xié)議PROWAY標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議50

在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，對所有的站點(diǎn)來說，它們都要共享網(wǎng)絡(luò)中的資源。但由于掛接在網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)或設(shè)備是各種各樣的，可能出自于不同的生產(chǎn)廠家，型號(hào)也不盡相同，它們在硬件及其軟件上的差異，給相互間的通信帶來一定的困難。因此，需要有一套所有“成員”共同遵守的“約定”，以便實(shí)現(xiàn)彼此的通信和資源共享。這種約定稱為“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”。（一）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議51為了便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，國際上一些標(biāo)準(zhǔn)化組織已在工業(yè)控制局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化方面做了大量地工作。本節(jié)扼要介紹目前較有影響的協(xié)議結(jié)構(gòu)框架和有關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于1977年成立了一個(gè)研究通信任務(wù)體系結(jié)構(gòu)的分委員會(huì)，針對網(wǎng)絡(luò)通信在功能上的層次，提出了開放系統(tǒng)互連（OpenSystemInterconnection簡稱OSI）參考模型，從而定義了任何計(jì)算機(jī)互連時(shí)通信任務(wù)的結(jié)構(gòu)框架。１、協(xié)議層次參考模型如圖所示。52OSI參考模型層次分明，每一層都具有相對獨(dú)立的功能來完成一塊通信子任務(wù)，并且下層為上層提供服務(wù)，各層之間的相互依賴關(guān)系確定。這使得