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10计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 本章提要 随着计算机技术的迅速发展 将计算机用于过程控制系统 称为计算机过程控制系统 计算机过程控制系统综合了计算机生产过程和自动控制理论等方面的知识 数据通信技术是工业网络的关键技术 在一个大规模的计算机过程控制系统中 常常会有很多的测量和控制对象 即使速度很高的计算机也难以满足要求 因此必须将任务分给多个计算机 或可编程序控制器 plc 来协调运行 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 这就形成了分散控制系统 dcs 与现场总线控制系统 fcs 不同地点和不同功能的计算机 plc 之间需要交换信息 把它们按照一定的协议连接起来就构成了计算机网络以及现场总线 本章主要介绍基本的计算机过程控制系统 数据通信技术 工业网络技术 可编程序控制器系统 分散控制系统 现场总线控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 10 1计算机过程控制系统组成与分类 10 1 1计算机过程控制系统简介 计算机过程控制系统由被控对象 传感变送器 计算机装置和执行机构组成 如图10 1所示 其中控制器的核心可以是微处理器 单片计算机或微型计算机 计算机过程控制综合了计算机 生产过程和自动控制理论等方面的知识 自动控制理论是计算机控制的理论支柱 计算机技术的发展又促进了自动控制理论的应用与发展 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 计算机过程控制系统与常规过程控制系统相比而言 其主要特点体现在三个方面 控制器的核心器件 控制规律的实现方法 控制功能的灵活性与先进性 常规过程控制系统的控制器为模拟调节器 其核心器件是模拟电子器件构成的模拟电路 它由相关的模拟器件实现所需的控制规律 控制器的参数借助可调阻 容器件进行调整 若需要改变控制方案 则必须更换模拟调节器的模拟电路 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 由于计算机过程控制系统的控制器其核心是微处理器 单片计算机或微型计算机 它们不是用模拟器件实现控制规律 而是由计算机的软件实施 改变系统控制方案不必更换硬件 只是对软件进行选择 组合或补充即可 软件愈丰富 系统控制功能愈灵活 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 10 1 2计算机过程控制系统的组成 计算机控制系统已广泛应用到国防和工业领域 由于被控对象 控制功能及控制设备不同 因而计算机控制系统是千变万化的 计算机控制系统的最基本特征是一个实时系统 它由硬件和软件两大部分组成 1 硬件组成计算机控制系统的硬件一般由被控对象 生产过程 过程通道 计算机 人机联系设备 控制操作台等几部分组成 如图10 2所示 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 主机通常包括微处理器 cpu 和存储器 rom ram 它是数字控制系统的核心 主机根据由输入通道送来的命令和测量信息 按照预先编制好的控制程序 按照一定的控制规律进行信息处理 计算 形成的控制信息由输出通道送至执行机构和有关设备 测量元件和执行机构测量元件包括数字测量元件和模拟测量元件 执行机构根据需要可以接受模拟控制量和数字控制量 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 输入输出通道输入输出通道又称过程通道输入输出通道把计算机与测量元件 执行机构 生产过程和被控对象连接起来 进行信息的传递和变换 输入输出通道一般可分为模拟量输入通道 数字量输入通道 模拟量输出通道和数字量输出通道 模拟量输入输出通道主要由a d变换器和d a变换器组成 接口电路输人输出通道 控制台等设备通过接口电路传送信息和命令 接口电路一般有并行接口 串行接口和管理接口 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 控制台操作人员通过运行控制台与计算机进行 对话 随时了解生产过程和控制状态 修改控制参数 控制程序 发出控制命令 判断故障 进行人工干预等 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 2 软件组成计算机过程控制系统的硬件只是控制的躯体 系统的大脑和灵魂是各种软件 计算机控制装置配置了必要的软件 才能针对生产过程的运行状态 按照人的思维和知识进行自动控制 完成预定控制功能 计算机控制装置的软件通常分为两大类 系统软件和应用软件 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 系统软件系统软件是主机基本配置的软件 一般包括操作系统 监视程序 诊断程序 程序设计系统 数据库系统 通信网络软件等 系统软件由计算机装置设计者和制造厂提供 控制系统设计人员要了解并学会使用系统软件 利用系统软件提供的环境 针对某一控制系统的具体任务 为达到控制目的进行应用软件的设计工作 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 应用软件应用软件是针对某一生产过程 依照控制系统设计人员的设计思想 为达到控制目的而设计的程序 应用软件一般包括基本运算 逻辑运算 数据采集 数据处理 控制运算 控制输出 打印输出 数据存储 操作处理 显示管理等程序 数据采集 数据处理程序服务于过程输入通道 控制输出程序服务于过程输出通道 控制运算程序是应用软件的核心 是实施系统控制方案的关键 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 随着计算机硬件技术的日臻完善 软件工作的重要性日益突出 同样的硬件 配置高性能软件 可取得良好控制效果 反之 可能达不到预定控制目的 由于应用软件是由控制系统设计者为实现本系统的特定功能而开发的软件 所以控制系统设计人员需对应用软件的设计工作量予以足够重视 应用软件应具有实时性 高可靠性 具有软件抗干扰措施 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 10 1 3计算机过程控制系统的类型 1 巡回检测和数据处理系统巡回检测和数据处理系统是计算机应用于过程控制的最早形式之一 计算机对一次企仪表产生的参数进行巡回检测 并由计算机进行必要的数据处理 如数字滤波 仪表误差修正等 对大量的数据进行记录 对过程进行集中监视 根据事先存人的各种参数的极限值 处理过程中可进行越限报警 以确保生产过程的安全 巡回检测和数据处理系统的结构图如图10 3所示 这是一个开环控制系统 计算机不直接参与过程控制 对生产过程不会直接产生影响 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 2 直接数字控制系统 ddc 直接数字控制系统 directdigitalcontr01 简称ddc 其基本组成如图10 4所示 直接数字控制系统是利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能的数字控制系统 它是在巡回检测和数据处理系统的基础上发展起来的 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 数字计算机是闭环控制系统的组成部分 计算机产生的控制量经过输出通道直接作用于生产过程 故有 直接数字控制 之称 在直接数字控制系统中 计算机通过多点巡回检测装置对过程参数进行采样 并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较形成偏差信号 然后根据预先规定的控制算法进行分析和计算 产生控制信号 通过执行机构对系统被控对象 生产过程 进行控制 直接数字控制系统具有在线实时控制 分时方式控制和灵活性 多功能性三个特点 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 1 在线实时控制 直接数字控制系统是一种在线实时控制系统 对被控对象的全部操作 信息检测和控制信息输出 都是在计算机直接参与下进行的 无需管理人员的干预 实时控制是指计算机对于外来的信息处理速度足以保证在所允许的时间区间内完成对被控对象各种状态参数的检测和处理 并形成和实施相应的控制 这个允许的时间区间的大小与计算机的计算速度 被控对象的动态特性 控制功能的复杂程度等因素有关 计算机应配有实时时钟和完整的中断系统以满足实时性要求 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 2 分时方式控制 直接数字控制系统是按分时方式进行控制的 按照固定的采样周期对所有的被控制回路逐个进行采样 依次计算并形成控制输出 以实现一个计算机对多个被控回路的控制 计算机对每个回路的操作分为采样 计算 输出三个步骤 为了在满足实时性要求的前提下增加控制回路 可以将上述三个步骤在时间上交错安排 例如对第1个回路进行控制时 可同时对第2个回路进行计算处理 而对第3个回路进行采样输入 这既能提高计算机的利用率 又能缩短对每个回路的操作时间 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 直接数字控制系统的特点是具有很大的灵活性和多功能控制能力 它除了有数据采集 打印 记录 显示和报警等功能外 还可以根据事先编好的控制程序 实现各种控制算法和控制功能 3 灵活和多功能控制 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 3 监督控制系统 scc 监督控制系统 supervisorycomputercontr01 简称scc 它是利用计算机对工业生产过程进行监督管理和控制的计算机控制系统 监督控制是一个二级控制系统 ddc计算机直接对被控对象和生产过程进行控制 其功能类似于ddc直接数字控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 直接数字控制系统的设定值是事先规定的 但监督控制系统可以通过对外部信息的检测 根据当时的工艺条件和控制状态 按照一定的数学模型和优化准则 在线计算最优设定值 并及时送至下一级ddc计算机 实现自适应控制 使控制过程始终处于最优状态 监督控制系统结构图如图10 5所示 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 4 集散控制系统 dcs 集散控制系统 distributedcontrolsystems 简称dcs 也称分布式控制系统 是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路 同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统 集散控制系统是控制 contr01 计算 computer 数据通讯 communication 和屏幕 crt 阴极射线管屏幕 显示技术的综合应用 通常也将集散控制称为4c技术 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 集散控制系统采用微处理器分别控制各个回路 而用中小型工业控制计算机或高性能的微机理机实现上一级的控制 各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息 集散控制系统具有数据获取 直接数字控制 人机交互以及监督和管理等功能 生产过程的控制系统经历了从模拟控制系统 直接数字控制系统 计算机监督控制系统 多级控制系统到集散控制系统的发展过程 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 计算机多级控制系统是按照企业组织生产的层次和等级配置多台计算机来综合实施信息管理和生产过程控制的数字控制系统 通常计算机多级控制系统由直接数字控制系统 计算机监督控制系统和管理信息系统三级组成 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 计算机监督控制系统 直接数字控制系统 计算机多级控制系统 管理信息系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 直接数字控制系统 ddc 位于多级控制系统的最末级 其任务是直接控制生产过程 实施多种控制功能 并完成数据采集 报警等功能 直接数字控制系统通常由若干台小型计算机或微型计算机构成 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 监督控制系统 scc 是多级控制系统的第二级 指挥直接数字控制系统的工作 在有些情况下 监督控制也可以兼顾一些直接数字控制系统的工作 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 管理信息系统 mis 主要进行计划和调度 指挥监督控制系统工作 按照管理范围还可以把管理信息系统分为若干个等级 如车间级 工厂级 公司级等 管理信息系统的工作通常由中型计算机或大型计算机来完成 多级控制系统的示意图如图10 6所示 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 多级控制系统存在一些问题 因而应用受到限制 在此基础上发展起来的集散控制系统是生产过程中的一种比较完善的控制和管理系统 在集散控制系统中 按地区把微处理机安装在测量装置与执行机构附近 将控制功能尽可能分散 管理功能相对集中 这种分散化的控制方式会提高系统的可靠性 不像在直接数字控制系统中那样 当计算机出现故障时会使整个系统失去控制 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 在集散控制系统中 当管理级出现故障时 过程控制级仍有独立的控制能力 个别控制回路出现故障也不会影响全局 相对集中的管理方式有利于实现功能标准化的模块化设计 与计算机多级控制相比 集散控制系统在结构上更加灵活 布局更加合理 成本更低 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 集散控制系统通常具有二层结构模式 三层结构模式和四层结构模式 图10 7给出了二层结构模式的集散控制系统的结构形式 第一级为前端计算机 也称下位机 直接控制单元 前端机直接面对控制对象完成实时控制 前端处理功能 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 第二层称为中央处理机 它一旦失效 设备的控制功能依旧能得到保证 在前端计算机和中央处理机间再加一层中间层计算机 便构成了三层结构模式的集散控制系统 四层结构模式的集散控制系统中 第一层为直接控制级 第二层为过程管理级 第三层为生产管理级 第四层为经营管理级 集散控制系统具有硬件组装积木化 软件模块化 组态控制系统 应用先进的通信网络并具有开放性 可靠性等特点 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 5 现场总线 fieldbus 控制系统随着数字通信技术的发展极大地推进着现场级信息网络技术的发展 在国际上出现了现场总线技术 近几年现场总线技术一直是国际自动化领域的热点 现场总线的概念包含两方面内容 首先 现场总线是一种通信标准 是全数字化 双向 多信息 多主站通信规程的可应用之技术 把控制功能分散到现场装置中 并能实现以数字形式宽范围的通信 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 其次 现场总线的通信标准是开放的 控制系统中的现场仪表装置 用户可自由选择不同厂商的符合标准的产品 利用现场总线构成所需控制系统 开放性是现场总线的主要标志之一 现场总线型控制系统结构示意图如图10 8所示 图中变送器 调节器 变送调节器 执行器均为直接挂接在现场总线fb上的全数字化仪表装置 彼此之间以符合现场总线协议规定进行信息交换 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 现场总线技术必将导致新一代现场仪表装置的推出 必将导致新一代过程控制系统的形成 由于现场总线是开放的 可互操作的 传统的dcs输入 输出结构将被淘汰 现场总线型控制系统中i o接口设备 接线板 布线均减小 控制室面积缩小 维护费用降低 现场总线型控制系统将演变为cips的低层部分 以适应未来的市场竞争 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 6 现场总线集散控制型控制系统随着计算机技术的发展 通用pc机及其系统软件 工具软件的性能迅速提高 而价格直趋下跌 这促使技术人员舍弃dcs的专用计算机体系结构及其独家自成体系的系统软件 而采用通过pc机及商品化系统软件 并将先进的现场总线技术融于系统之中 淘汰dcs的输人输出结构 从而推出一种面貌全新的现场总线集散控制型控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 近几年国际上如日本横河 美国霍尼韦尔 德国西门子等公司先后推出了这种具有开放性 全集成化的控制系统 例如横河的csl000采用开放的windowsnt4 0操作系统 以通用的pc机作为操作平台 有虚拟测试功能 可在pc机上进行工程组态和测试工作 可以运行其他的基于windowsnt应用软件 符合foundation现场总线协议 确保现场数据信息快速传递 在需要时 提供24h全球网络支持 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 10 2数据通信技术 不同系统或不同计算机之间的通信主要采用并行通信或串行通信两种方式 并行数据通信是指数据的各位同时传送 可以用字并行传送 也可以用字节并行传送 显然 并行传送的速度高 但传送的距离很短 通常小于lom 串行数据通信是数据一位一位顺序传送 因此不同系统或计算机之间只用很少的几条信号即可完成数据交换 显然 串行传送的速度低 但传送的距离很长 通常可达几十至几千米 甚至更远 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 发展串行通信的目的是为了在长距离间有效地传送数据 并尽可能减少通信线的条数 串行通信可分为异步和同步传送两种 在数据传输中 数字信号是以串行方式传送的 即一条传输线上所传输的数字状态 1 或 0 是以单位时间内高电子和低电平来表示的 一段时间内传输线上高低电子变换 在逻辑上即能表示所传输的一串数据 而在物理上则是一串不同宽度的脉冲 其传输速率是每秒内表示数字状态所用单位时间的数目 在通信中称为波特率 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 对于传输数字信号来说 最普遍而最简单的方法是用两个不同的电压来表示数字位的两个状态 1或0 例如 零电压表示0 而恒定的正电压表示1 或者用恒定的负电压表示0 而恒定的正电压表示1 如图10 9所示 该图用四种不同的脉冲代码来传输数字信号10110010 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 图10 9 a 属于不归零码nrz 在码元之间没有间隔 所以难以判定一位的结束和另一位的开始 需要有某种方法来使发送端和接收端同步 图10 9 b c 属于归零码rz 它们的共同点是每一位的中间有一个跳变 位中间的跳变既作为同步时钟 也作为数据 从高到低的跳变表示1 从低到高的跳变表示o 接收端利用位中间跳变很容易分离出同步时钟脉冲 因此 这两种传输编码得到广泛应用 由于时钟数据包含于信号数据流中 所以这两种编码被人们称为自同步编码 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 通常把图10 9 c 称为曼彻斯特 manchester 编码 它的改进形式如图10 9 d 所示 用每位开始有无跳变来表示0或1 即只要有电压变化 不管其变化方向如何 就表示0 而无电压变化就表示1 人们把这种编码称为差动曼彻斯特编码 在使用双绞线作传输介质的网络中 这种编码是非常方便的 由于变化的极性无关紧要 因此 当把设备接到通信网上时 完全可以不考虑哪条线应该接哪个端子 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 在异步通信中 发送的每一个数据字符均带有起始位 停止位和可选择的奇偶位 数据之间没有特殊关系 也没有发送或接收时钟 异步通信的信息格式如图10 10所示 电平由高到低的起始位通知接收信息 并在所期望的数据间隔期间启动时钟提供锁存脉冲 停止位表示该字符传送结束并返回到标志 连续的1 状态 每个字符的位数可视使用的要求而改变 10 2 1异步传送与同步传送 10 2 1 1异步传送 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 异步方式对于低速数据通信来说是理想的 例如终端操作 在这种操作中 允许间断操作 但开销较大 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 同步通信需要与数据一起传送时钟信息 数据流中每一个连续不断的数据位均要由一个基本数据时钟控制 并定时在某个特定的时间间隔上 时钟信息可以通过一根信号线进行传送 也可以通过将信息中的时钟代码化来实现 例如曼彻斯特编码方法 如图10 11 a b 所示 10 2 1 1同步传送 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 在同步通信方式的一帧信息中 可以将多个要传送的字符放在同步字符的后面 这样 每个字符的起始位和停止位就不需要了 因此 与异步通信相比较 信息中每个字符的开销可以大大减少 由于每一位信息均要被同步时钟采样 这就可以提高数据速率和准确率 同步通信的帧格式可有多种 单同步格式如图10 12 a 所示 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 每一帧的开始需要一个同步字符 所发送的时钟保证在每一位的中间采样该位数据 由给定的数据所形成的帧来管理控制所需的信息传送 与异步传送的奇偶校验相类似 这里采用循环冗余码 crc 来检测传输中的错误 双同步格式如图10 12 b 所示 在每一帧的数据前面需要两个同步字符 使用特殊字符进一步形成帧的字同步格式有多种方法 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 图10 12 c 所示为ibm双同步格式 由专门的字符定义帧头 soh 正文的头 stx 和正文的尾 etx 若以上字符的任何一个作为数据出现在正文中 那是很容易识别的 并不会当作管理字符 显然 一旦出错 该帧要被重发才行 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 异步传送是面向字符的 在异步传送中通常采用ascii编码 例如 a 字符的ascii编码的传送情况如图10 13所示 图10 13是单个字符的传送定时图 由图可知 空闲或等待状态为高电平 每个字符以1个 0 位开始 即起始位 随后是8个数据位 也可以是较少的位数 随后是1 1个半或2个停止位 数位之间的时间间隔是固定的时间周期 这个周期是由发送器和接收器中的局部时钟决定的 10 2 2面向字符和面向位的传送 10 2 2 1面向字符的传送 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 目前常用的波特率为300 600 1200 2400 4800 9600 最高为19 2k 在1个字节的8位数据内 最先发送的是最低有效位 因此 图中数据发送的顺序为10000010 其代表的ascii码为字符a 数据后为奇偶校验位 若最低位书写在右边时就是01000001 41h 接收端应承认这就是a字符的正确编码 显然 在异步传送中 起始位和停止位分别表明一个字符编码的传送开始和结束 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 然而 它们更为重要的目的是为了使接收器中的局部时钟与新接收字符再同步 其主要工作原理如下 由于发送和接收的两端不同步 接收器就必须有1个机构来寻找1个新接收字符在何时开始 另外 由于接收和发送端的时钟不可能完全一样 它们的频率可能有差异 接收器要用字符传送速率某倍频的局部时钟 如64倍频 16倍频时钟来采样被传送字符 如图10 14所示 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 显然 最好的办法是接收器尽可能在接近位周期中心的地方采样每个数位 若接收器准确地寻找到第1位的起始点 那么就可以在起始位后的半个位周期的地方采样起始位 此后 接收器每等待1个位周期就采样1个数位 直至最后1位 通常一个字符要占用10或11个数位 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 由于发送器和接收器时钟速率有差异 按上述的采样方法 每次采样就不能保证是数位的中心 很可能向左或向右偏移 只要在10或11个位周期内这种偏移的累积不超过半个数位 字符就可以正确接收 因为新字符的传送会重新开始同步 图10 14表示采用16倍频局部时钟的接收器 其工作原理如下 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 若检测到起始位开始 则内部计数器清 0 并对16倍频的位同步时钟计数 当计数值达到8时 它已到达起始位的中间 此时 采样起始位 同时清除计数器 接着 当计数值达到16时 采样传送数位波形 同时 计数器清 0 重新计数 该过程一直重复进行到最后采样停止位 若停止位被正确采样 则该字符接收完毕并装入缓冲器 该字符传送结束 过程便回到第1步准备接收新的字符 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 在本例中 若接收和发送两端的时钟频率之偏差在10或11个位周期内 其累积不超过8个局部时钟周期 传送即能正确进行 用目前的技术 特别是采用石英晶体产生时钟 出错率不高于5 还是容易做到的 由上述字符的传送过程可知 在接收器中要采用倍频时钟对被传送字符编码再同步 因此 异步传送的速度是比较慢的 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 异步传送中传送的是字符编码 面向位的传送协议则使用位置上的定位控制字符 而不是组合编码 目前普遍使用的面向位传送的协议主要是同步数据链路协议 sdlc 和高级同步数据链路协议 hdlc sdlc已用于ibm系统网络体系中 经国际标准化组织修改后成为hdlc sdlc实际上是hdlc的一个子集 这两种协议对于全双工或半双工来说都是理想的 通常的应用包括终端到终端 终端到cpu cpu到cpu等 sdlc的信息格式如图10 15所示 10 2 2 1面向位的传送 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 图中 标志是一个字节的固定的位序列 01111110 以这组码作为一帧数据的开始和结束 为防止数据信息中位序列与标志符混淆 许多串行通信控制器 scc 都有自动 零 插入和 零 删除 以便完成数据字段中标志的透明度 即保护标志的唯一性 在单同步和双同步格式中有专用管理字符 在sdlc信息中没有管理字符 而是在开始标志之后紧跟的8位定义为地址字符 下一个8位定义为控制字符 以后的位为数据 结束标志既表示帧的结束 又表示下一帧的开始 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 8位的控制字段用来表示帧的类型 借以传送命令和接收设备的状态 规定了三种类型的帧 即本帧是信息传输格式还是管理格式 或者是非顺序格式 当控制字段是信息帧格式 简称信息帧 时才允许传送消息 信息传输格式表示本帧含有最多7个顺序信息字节和1个作为发送 接收控制信号的挂号 终止位 这个挂号 终止位表示发送或接收操作是否正在进行 1个挂号位发送到从站表示需要进行一次传送 1个终止位由从站发送出则表示响应 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 管理格式用来表示准备好或忙条件 例如检测从站的状态 控制字段的第三种格式为非顺序的信息传输 用于数据链路管理 包括节点或从站的初始化和同步 例如 主站可以通过控制段中的不同内容了解从站的状态或改变从站的状态 从站对所有可能的输人帧以不同的应答来表明自身的状态或改变自身的状态 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 控制段中的顺序号用来防止帧的丢失和重复发送 其中 n 为接收计数 n 为发送计数 主站保留全部从站的n 和n 从站只存自身的n 和n 主站通过控制段的信息帧序号应答从站前面已接收到的情况 或确认 或是一个含有错误序号的信息帧 由于序号占有3位 故允许多达7个帧传输完成后 才去查询从站 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 sdlc和hdlc协议简化了环形通信 从节点在转发器方式下工作 节点转发带有一位时间延迟的输入信息块 从节点可以捕获这个环路并且可将它的信息块插入到数据流中 环路的sdlc帧结构与图10 15中标准sdlc的信息格式是相同的 但在sdlc环路方式中的结束挂号 eop 字符在标准的sdlc协议中未曾定义 该字符包括7个二进制 1 后面紧跟一个二进制 0 eop字符控制环路的活动 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 sdlc使用crc来检测传输中的错误 sdlc有一个应答字段 如图10 15所示 即控制字段中的3位 若一个从节点接收到一个错误传送 则通知发送者先前的传送未被接收 在新的起始周期之后 原来的发送者要重新发送该信息 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 高级同步数据链路协议 hdlc 的信息格式与sdlc格式相同 但是 sdlc的信息字符必须是8的倍数 而hdlc的信息字段可以是任意位数 此外 在更高层的协议中还存在一些差别 例如 在hdlc中 能够请求特定的帧传送 而在sdlc中 必须传送一个帧的序列 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 数据传输的线路通常有两种方式 即平衡方式和不平衡方式 不平衡方式是用单线传输信号 以地线作为信号的回路 接收器是用单线输入信号的 平衡方式是用双绞线传输信号 信号在双绞线中自成回路不通过地线 接收器是用双端差动方式输入信号的 在不平衡方式中 信号线上所感应到的干扰和地线上的干扰将叠加后影响到接收信号 而在平衡方式中 双绞线上所感应的干扰抵消 地线上的干扰又不影响接收端 因此 平衡传输方式在抗干扰方面有较良好的性能 并适合较远距离的数据传输 10 2 3平衡与不平衡传输技术 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 目前最广泛使用的串行通信接口标准当首推rs 232c rs 232c的电气接口是单端的 双极性电源供电电路 然而 rs 232c有一系列的不足 主要有 数据传输速率局限于20kbps 传输距离局限于15m 该标准没有规定连接器 因而产生了25插针等设计方案 这些方案有时互不兼容 每个信号只有一根导线 两个传输方向仅有一个信号地线 接口使用不平衡的发送器和接收器 可能在各信号成分间产生干扰 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 为了解决这些问题 eia于1997年制定了新标准rs 449 其中要达到的目标有 支持较高的数据传送速率 支持较远的传输距离 制定连接器的技术规范 通过提供平衡电路改进接口电气特性 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 rs 449标准定义了在rs 232c中所没有的10种电路功能 规定用37脚的连接器 实际上 rs 422a和rs 423a是rs 449标准的一个子集 与rs 232c类似 rs 423a也是一个单端的 双极性电源的电路标准 但它提高了传送距离和数据速率 在速率为3000波特时 距离可达1200m 在速率为300k波特时 距离可达12m rs 423a不平衡接口能够在数据速率高至20k波特 距离远至15m的条件下与rs 232c互连 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 rs 422a标准规定了差分平衡的电气接口 它能够在较长距离内明显地提高数据速率 它能够在1200m距离内把速度提高到100k波特 或在较短距离内提高到10m波特 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 如图10 16所示 这种性能的改善是由于平衡结构的优点而产生的 这种差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号 实际上 差分接收器可以区分0 20v以上的电位差 因此 可不受对地参考系统之地电位的波动和共模电路电磁干扰的影响 图10 16 a b 和 c 分别表示rs 232c rs 423a和rs 422a所采用的接口电路 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 rs 232c所采用的电路是单端驱动单端接收电路 这种电路的特点是 传送一种信号只用一根信号线 对于多根信号线 它们的地线是公共的 无疑这种电路是传送数据的最简单办法 其缺点是它不能区分由驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 例如 发送设备和接收设备位于同一座建筑内 但使用不同的配电系统 假设发送端的地平比接收端的地平高5v 在发送数据时 发送端发生逻辑 尸 假设所建立的 l 电子相对于地为一5 一7 9v 而接收端所接收的电平为0 一2 9v rs 232c的信号电子规定 广为小于一3v 0 为大于3v 这样 发送端以为发送了 l 而接收端却收了一个不确定的电压信号 因此 两地之间的5v电压差成为故障的根源 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 rs 232c所采用的单端电气接口 其电平与ttl和cmos电平有很大不同 它的逻辑 0 至少是3v和3v以上 逻辑 1 为一3v或更低 在标准中有时用 mark 和 space 分别表示逻辑 1 和 0 实际上 电源电压为 15v或 12v 这样逻辑 1 和 0 之间的电压摆幅可能是20v或更高 采用简单的转换器件即可完成电平转换 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 mcl488驱动器接受ttl输入电子并产生rs 232c的信号电平 而用mcl489来接收rs 232c的信号电平 其输出为ttl电平 还可用max232来实现ttl电平与rs 232c电平间的转换 这种方法的优点是只需要单一的十5v电源即可实现转换 由于发送器和接收器之间有公共的信号地线 因此 共模干扰信号不可避免地要进入信号传送系统 这就是rs 232c为什么要采用大幅度的电压摆动来避开干扰信号的原因 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 ttl电子对于扰十分敏感以致无法在远距离上工作 因为ttl的逻辑 1 2 0v 和逻辑 0 0 8v 电平之间至多只有1 2v的摆幅 而电动机 打字机等的动作又很容易使地线电子波动几伏 所以 公共信号地线的存在迫使rs 232c要采用高电压供电 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 另外 在许多应用场合常常有电气干扰 当信号线穿过电气干扰环境时 发送的信号将会受到影响 若干扰足够大 发送的 0 很可能变成 1 1 也会变成 0 因此 这种电路有较大的局限性 其速度和距离均受到限制 所以rs 232c规定其最高速率为19 2kbps 最大距离为15m 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 为了解决上述地电子的电位差问题 rs 423a对上述电路进行了改进 采用差分接收器 接收器的另一端接发送端的信号地 rs 422a则更进一步采用平衡驱动和差分接收方法 从根本上消除信号地线 这种驱动器相当于两个单端驱动器 它们的输入是同一个信号 而一驱动器的输出正好与另一个反相 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 当干扰信号作为共模信号出现时 接收器则接收差分输入电压 只要接收器具有足够的抗共模电压工作范围 它就能识别这两种信号而正确接收传送信息 图10 16分别示出rs 232c rs 422a和rs 423a的电压和逻辑状态间的关系 后两个标准都使用比rs 232c 一15 15v 窄的电压范围 一6 6v 河南科技大学机电工程学院 计算机过程控制系统 为了补偿非平衡发送电路 rs 423a的噪声余量为3 8v 比rs 422a的1 8v的噪声余量大得多 新型的75lsl74 75lsl75等平衡差分线驱动器 接收器则只采用 5v的单电源供电 其性能更优良 几种通信接口比较如表10 1所示 河南科技大学机电工程学院 10工业网络技术 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 近年来 工业网络技术获得了迅速发展 它不同于以传递信息为目的的邮电通信网络 也不同于以共享资源和处理信息为主要目的的局域网络 它传输信息的最终目的是导致物质或能量的运动 它不仅要在工业环境中可靠运行 而且要控制现场各类生产过程 使工业自动化系统发挥最佳性能 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 集散型控制系统在适用范围 可扩展性 可维护性 抗单点故障等方面具有明显的优越性 而工业网络技术是为分散型控制系统提供通信介质 传输控制和通信功能的手段 互连和通信是工业网络的核心 本节主要介绍工业网络技术 网络协议及标准 工业网络的选型等内容 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 10 3 1工业网络概述10 3 1 1网络拓扑结构网络中互连的点称为节点或站 节点间的物理连接结构称为拓扑 采用拓扑学来研究节点和节点间连线 称链路 的几何排列 局部网络通常有 种拓扑结构 星形 环形 总线形和树形 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 1 星形结构图10 22 a 是星形结构 星形的中心节点是主节点 它接收各分散节点的信息再转发给相应节点 具有中继交换和数据处理功能 当某一节点想传输数据时 它首先向中心节点发送一个请求 以便同另一个目的节点建立连接 一旦两节点建立了连接 则在这两点间就像是有一条专用线路连接起来一样 进行数据通信 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 可见 中心节点的转接技术是星形结构传输信息的核心 其故障会危及全网 故要求工作必须绝对可靠 中心节点负担重 工作复杂 可靠性差是星形结构的最大弱点 2 环形结构环形网络结构如图10 22 b 所示 其各节点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中 环网中数据按事先规定好的方向从一个节点单向传送到另一个节点 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 任何一个节点发送的信息都必须经过环路中的全部环接口 只有当传送信息的目的地址与环上某节点的地址相等时 信息才被该节点的环接口接收 否则 信息传至下一节点的环接口 直到发送该信息发送的节点环接口为止 由于信息从源节点到目的节点都要经过环路中的每个节点 故任何的故障均导致环路不能正常工作 可靠性差 环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用 是微机局域网络常用的结构之一 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 特别是ibm公司推出令牌环网之后 环形网络结构被越来越多的企业采用 3 总线形总线形结构中 图10 22 c 各节点经其接口 通过一条或几条通信线路与公共总线连接 其任何节点的信息可以沿着总线传输 并且能被总线中的任何一节点所接收 由于它的传输方向是从发送节点向两端扩散 类似于广播电台发射的电磁波向四周扩散一样 因此 总线形结构网络又被称之为广播式网络 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 总线形结构网络的接口内具有发送器和接收器 接收器接收总线上的串行信息 并将其转换为并行信息送到节点 发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上 当在总线上发送的信息目的地址与某一节点的接口地址相符时 传送的信息就被该节点接收 由于一条公共总线具有一定的负载能力 因此总线长度有限 其所能连接的节点数也有限 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 4 树形结构树形结构是分层结构 适用于分级管理和控制系统 与星形结构相比 由于通信线路总长度较短 故它联网成本低 易于维护和扩展 但结构较星形结构复杂 网络中除叶节点 图10 22 d 中标有数字1 2 3 4的各点及其连线外 任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 上述四种网络结构中 总线形结构是目前使用最广泛的结构 也是一种最传统的主流网络结构 该种结构最适于信息管理系统 办公自动化系统 数学系统等领域的应用 实际组建网络时 其网络的拓扑结构不一定仅限于其中的某一种 通常是几种拓扑结构的综合 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 10 3 1 2介质访问控制技术在微机局域网中 由于各节点通过公共传输通路 也称之为信道 传输信息 因此 任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个节点服务 即被某节点占用来传输信息 这就产生了如何合理使用信道 合理分配信道的问题 也就是各节点既充分利用信道的空间时间传送信息 也不至于发生各信息间的互相冲突 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配 目前微机局域网络常用的传输访问控制方式有三种 即冲突检测载波侦听多路访问 csma cd 令牌环 tokenring 令牌总线 tokenpassingbus 三种方式都得到ieee802委员会的认可 成为国际标准 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 1 冲突检测的载波侦听多路访问 csma cd csma cd是由xerox公司提出 又称随机访问技术或争用技术 主要用于总线形和树形网络结构 该控制方式的工作原理是 当某一节点要发送信息时 首先要侦听网络中有无其他节点正发送信息 若没有则立即发送 否则 即网络中已有某节点发送信息 信道被占用 该节点就需等待一段时间 再侦听 直至信道空闲 开始发送 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 载波侦听多路访问是指多个节点共同使用同一条线路 任何节点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输 csma技术中 需解决信道被占用时等待时间的确定和信息冲突两个问题 确定等待时间的方法是 当某节点检测到信道被占用后 继续检测下去 待发现信道空闲时 立即发送 当某节点检测到信道被占用后就延迟一个随机的时间 然后再检测 重复这一过程 直到信道空闲 开始发送 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 解决冲突的问题可有多种办法 这里只说明冲突检测的解决办法 当某节点开始占用网络信道发送信息时 该点再继续对网络检测一段时间 也就是说该点一边发送一边接收 且把收到的信息和自己发送的信息进行比较 若比较结果相同 说明发送正常进行 可以继续发送 若比较结果不同 说明网络上还有其他节点发送信息 引起数据混乱 发生冲突 此时应立即停止发送 等待一个随机时间后 再重复以上过程 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 csma cd方式原理较简单 且技术上较易实现 网络中各节点处于同等地位 无需集中控制 但不能提供优先级控制 所有节点都有平等竞争的能力 在网络负载不重的情况下 有较高的效率 但当网络负载增大时 发送信息的等待时间加长 效率显著降低 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 2 令牌环 tokenring 令牌环全称是令牌通行环 tokenpassingring 仅适用于环形网络结构 在这种方式中 令牌是控制标志 网中只设一张令牌 只有获得令牌的节点才能发送信息 发送完后 令牌又传给相邻的另一节点 令牌传递的方法是 令牌依次沿每个节点传送 使每个节点都有平等发送信息的机会 令牌有 空 和 忙 两个状态 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 空 表示令牌没有被占用 即令牌正在携带信息发送 当 空 的令牌传送至正待发送信息的节点时 该节点立即发送信并置令牌为 忙 状态 在一个节点占用令牌期间 其他节点只能处于接收状态 当所发信息绕环一周 并由发送节点清除 忙 令牌又被置为 空 状态 绕环传送令牌 当下一节点要发送信息时 则下一节点便得到这一令牌 并可发送信息 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 令牌环的优点是能提供可调整的访问控制方式 能提供优质服务 有较强的实时性 缺点是需要对令牌进行维护 且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率 控制电路复杂 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 3 令牌总线 tokenpassingbus 令牌总线方式主要用于总线形式或树形网络结构中 受令牌环的影响 它把总线或树形传输介质上的各个节点形成一个逻辑环 即人为地给各节点规定一个顺序 例如 按各节点号的大小排列 逻辑环中的控制方式类同于令牌环 不同的是令牌总线中 信息可以双向传送 任何节点都能 听到 其他节点发出的信息 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 为此 节点发送的信息中要有指出下一个要控制的节点的地址 由于只有获得令牌的节点才可发送信息 此时其他节点只收不发 因此该方式不需检测冲突就可以避免冲突 可见 采用令牌总线方式网络的联网距离较csma cd及token ring方式的网络远 令牌总线的主要缺点是节点获得令牌的时间开销较大 一般一个节点都需要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌 表10 2对三种访问控制方式进行了比较 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 河南科技大学机电工程学院 工业网络技术 10 3 1 3信息交换技术为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率 有必要研究通信网络上信息交换技术 如图1