第7章 分散型测控网络技术

1、.1.第七章第七章 分散型测控网络技术分散型测控网络技术在一个规模较大的工业测控系统中，测在一个规模较大的工业测控系统中，测控对象成百上千，必须将任务分给多个控对象成百上千，必须将任务分给多个计算机系统并行工作，把这些不同地理计算机系统并行工作，把这些不同地理位置不同功能的计算机按照统一的协议位置不同功能的计算机按照统一的协议连接起来，实现相互之间的信息交换，连接起来，实现相互之间的信息交换，就构成了计算机分散测控网络系统。就构成了计算机分散测控网络系统。.2.3.如今，计算机网络在过程控制领域中的应用越如今，计算机网络在过程控制领域中的应用越来越普遍来越普遍DCS：本身需要网络支持，在不同模

2、块之间传：本身需要网络支持，在不同模块之间传递过程变量信息，连接现场工作站和操作站递过程变量信息，连接现场工作站和操作站现场总线：直接利用计算机网络技术将现场智现场总线：直接利用计算机网络技术将现场智能仪表有机结合起来能仪表有机结合起来此外，管理控制层面上同样需要网络技术的有此外，管理控制层面上同样需要网络技术的有效支撑效支撑.4.7.1 7.1 数据通信技术数据通信技术 数据通信中需要传输数据，数据传输数据通信中需要传输数据，数据传输所采用的信号既要反映数据的特点，又要不所采用的信号既要反映数据的特点，又要不同于数据本身。从信号的角度而言，传输数同于数据本身。从信号的角度而言，传输数据的方式

3、有以下几种：据的方式有以下几种：.5.1.1.模拟数据采用模拟信号传输模拟数据采用模拟信号传输 人说话声音的频率范围集中在人说话声音的频率范围集中在300-3400Hz300-3400Hz之之间，普通电话系统直接把人的语言转换成这一频间，普通电话系统直接把人的语言转换成这一频率范围的模拟信号进行传输。率范围的模拟信号进行传输。2.2.数字数据采用模拟信号传输数字数据采用模拟信号传输 数字数据转化为模拟信号传输时，常选用某数字数据转化为模拟信号传输时，常选用某一音频模拟信号作为一音频模拟信号作为载波载波，用于运载数字数据，用于运载数字数据，这种方式称为调制。常用的调制方法有调幅键控这种方式称为调

4、制。常用的调制方法有调幅键控（ASKASK）、调频键控（）、调频键控（FSKFSK）和调相键控（）和调相键控（PSKPSK）。）。.6.三种调制信号三种调制信号 .7.3.3.数字数据采用数字信号传输数字数据采用数字信号传输 数字数据采用数字信号传输的机制是数字数据采用数字信号传输的机制是对直接传输二进制数据的信道进行编码，即对直接传输二进制数据的信道进行编码，即采用不同的电压极性和电平值表示数字数据。采用不同的电压极性和电平值表示数字数据。常用的三种编码方式是常用的三种编码方式是不归零制（不归零制（NRZNRZ）编）编码、曼彻斯特编码码、曼彻斯特编码和和微分曼彻斯特编码微分曼彻斯特编码。 .

5、8.数据编码方式：数据编码方式： 不归零码（不归零码（NRZNRZ）：）：码元间没有间隔，接码元间没有间隔，接收端很难判定一位的结束与另一位的开始，收端很难判定一位的结束与另一位的开始，不能分离出同步时钟，同步困难。不能分离出同步时钟，同步困难。 归零码（归零码（RZRZ）：）：每一位中间有一个跳变，每一位中间有一个跳变，跳变方向差别表示跳变方向差别表示1/01/0，同时每个跳变之间，同时每个跳变之间时间间隔是一定的，很容易分离出同步时钟时间间隔是一定的，很容易分离出同步时钟脉冲，又称自同步编码脉冲，又称自同步编码。 曼彻斯特编码：曼彻斯特编码：同上，但只有两个电平同上，但只有两个电平状态。状

6、态。差动曼彻斯特编码：差动曼彻斯特编码：每位开始有无跳变每位开始有无跳变来表示来表示0 0或或1 1，电压有变化表示，电压有变化表示0 0，无变化表，无变化表示示1 1。由于电压变化极性对数据没有影响，由于电压变化极性对数据没有影响，设备接线很方便。设备接线很方便。 .9. 数字信号的编码数字信号的编码 位置位置 0 0 1 1 0 1 高高 H 低低 L 高高 H 低低 L 高高 H 低低 L a.不归零制不归零制(NRZ) 编码编码 b.曼彻斯特编曼彻斯特编码码 c.差动曼彻斯特编差动曼彻斯特编码码 .10.4.4.模拟数据采用数字信号传输模拟数据采用数字信号传输 最常用的方法是脉冲编码调

7、制（最常用的方法是脉冲编码调制（PCMPCM）。）。根据采样定理，在固定的时间间隔内，以高根据采样定理，在固定的时间间隔内，以高于最高有效信号频率两倍的速率对模拟数据于最高有效信号频率两倍的速率对模拟数据信号进行采样，所得离散信号可包含信号的信号进行采样，所得离散信号可包含信号的全部信息。因此，可用低通滤波器复现原信全部信息。因此，可用低通滤波器复现原信号。为达到一定的精度要求，采样所得的电号。为达到一定的精度要求，采样所得的电平幅值要进行量化，转换成相应的数字值，平幅值要进行量化，转换成相应的数字值，再编码成二进制数字信号用于传输。再编码成二进制数字信号用于传输。.11.l 主要采用的两种通

8、讯方式：主要采用的两种通讯方式： 并行通讯：数据的各位同时传送，传送并行通讯：数据的各位同时传送，传送速度高，距离短，常小于速度高，距离短，常小于10m10m。 串行通讯：数据一位一位顺序传送，通串行通讯：数据一位一位顺序传送，通信线条数少，传送速度低，传送距离长，几十信线条数少，传送速度低，传送距离长，几十至几千米至几千米 传输速率：传输速率：每秒内传输的码元数，通信中每秒内传输的码元数，通信中称波特率称波特率.12.串行通讯分为两种传送方式：串行通讯分为两种传送方式： 异步传送：异步传送：属于面向字符的传送。发送的每一个字符均带有属于面向字符的传送。发送的每一个字符均带有起始位（起始位（0

9、）、停止位和奇偶校验位，没有控制时）、停止位和奇偶校验位，没有控制时钟，之间连续的钟，之间连续的1，表示空闲或者等待状态，表示空闲或者等待状态依靠起始位和停止位使接收器中的局部时钟与新依靠起始位和停止位使接收器中的局部时钟与新接收的字符再同步，进行通讯控制。接收的字符再同步，进行通讯控制。速度低，允许间断操作，每个字符开销大速度低，允许间断操作，每个字符开销大 .13.同步传送：同步传送：属于面向位的传送。依靠时钟进行通讯同步控属于面向位的传送。依靠时钟进行通讯同步控制，时钟信息与数据信息一起传送，数据流中制，时钟信息与数据信息一起传送，数据流中每一个连续的数据位均由一个基本的数据时钟每一个连

10、续的数据位均由一个基本的数据时钟控制，并定时在某一个特定的时间间隔上。控制，并定时在某一个特定的时间间隔上。时钟信息可以用信号线传送，也可以与数据进时钟信息可以用信号线传送，也可以与数据进行编码化（如曼彻斯特编码）行编码化（如曼彻斯特编码）.14.一次传送大量字符（一帧），每一帧开始需一次传送大量字符（一帧），每一帧开始需要同步，每个字符不需要起始位和停止位，节要同步，每个字符不需要起始位和停止位，节省了开销。省了开销。采用循环冗余码（采用循环冗余码（CRC，将信息差错模式设，将信息差错模式设计生成多项式，具有严密的代数结构、检错能计生成多项式，具有严密的代数结构、检错能力强，应用广泛）来检测

11、传输错误。力强，应用广泛）来检测传输错误。.15.数据传输线路（平衡和不平衡传输）数据传输线路（平衡和不平衡传输） 不平衡方式：不平衡方式：用单线传输信号，以地线作用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的，为信号的回路，接收器是用单线输入信号的，信号线和地线上（地电位差）的感应干扰会迭信号线和地线上（地电位差）的感应干扰会迭加，抗干扰能力差。加，抗干扰能力差。 平衡方式：平衡方式：用双绞线传输信号，信号在双用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器以双端差绞线中自成回路不通过地线，接收器以双端差动方式输入信号，感应干扰相互抵消，抗干扰动方式输入信号，感应干

12、扰相互抵消，抗干扰能力强。能力强。 .16.不平衡传输方式不平衡传输方式-RS-232C -RS-232C 串行通信接口标准串行通信接口标准 特性：特性：电气接口是单端驱动单端接收、双极性电源供电；电气接口是单端驱动单端接收、双极性电源供电； 每个信号一根导线，双向共用一个地线；公共信号地每个信号一根导线，双向共用一个地线；公共信号地线的存在迫使线的存在迫使RS-232CRS-232C要采用高电压供电，为了避开干要采用高电压供电，为了避开干扰信号，扰信号，RS-232CRS-232C信号电平摆幅要大于普通的信号电平摆幅要大于普通的TTLTTL电平电平 不平衡的发送器和接收器，易被干扰，使得速度

13、和距不平衡的发送器和接收器，易被干扰，使得速度和距离受限；离受限； 传输速率传输速率20Kbps20Kbps，距离，距离1515米；米；连接器有连接器有2525插针、插针、9 9插针等设计方案，互不兼容。插针等设计方案，互不兼容。 输出为输出为TTL电平电平.17.平衡传输方式平衡传输方式-RS-422A-RS-422A标准标准 特性：特性：电气接口是平衡驱动、电气接口是平衡驱动、差分接收差分接收；驱动器输入是同一信号，输出正好反相；接收器驱动器输入是同一信号，输出正好反相；接收器接收差分输入电压，有效抗共模干扰接收差分输入电压，有效抗共模干扰取消地线，抗干扰能力强；取消地线，抗干扰能力强；传

14、输速率高，距离远；传输速率高，距离远；1200m1200m内速率达内速率达100kbps100kbps，短距离可达短距离可达10M10M连接器采用连接器采用9 9插针方案。插针方案。.18. 平衡传输方式平衡传输方式-RS-485-RS-485接口标准的特性：接口标准的特性：是是RS-422RS-422的变形，与的变形，与RS-422ARS-422A的区别：的区别： RS-422A RS-422A ：两对平衡差分电路，：两对平衡差分电路，全双工全双工，实现两点远，实现两点远程互连；程互连； RS-485 RS-485 ：一对平衡差分电路，：一对平衡差分电路，半双工半双工，可方便实现可方便实现多

15、点互连多点互连；允许；允许3232台驱动器和台驱动器和3232台接收器并联。台接收器并联。任何时候只能有一点处于发送状态，由任何时候只能有一点处于发送状态，由使能信号使能信号控制控制.19.RS-485标准组成的多点互连系统标准组成的多点互连系统 RS-422A/485可可互连组成环形数据链路系统互连组成环形数据链路系统 .20.RS-232CRS-232C比较常用但不能远距离互接，可通比较常用但不能远距离互接，可通过过光电隔离器光电隔离器将将RS-232C RS-232C /422A/422A接口转换接口转换.21.串行通讯方式标准的比较串行通讯方式标准的比较.22.7.2 工业网络技术工业

16、网络技术网络拓扑结构：网络拓扑结构：网络中互连的节点或站之间的网络中互连的节点或站之间的物理连接结构。物理连接结构。 星形结构星形结构 :结构简单，中心点负担重，可靠性差结构简单，中心点负担重，可靠性差环形结构环形结构 ：路径控制简单，可靠性较差：路径控制简单，可靠性较差总线形：结构简单灵活，扩展方便，可靠性高，但总线形：结构简单灵活，扩展方便，可靠性高，但总线信息量易形成瓶颈，实时性较差总线信息量易形成瓶颈，实时性较差树形：结构复杂，易于扩展树形：结构复杂，易于扩展.23.介质访问控制技术介质访问控制技术(MAC)：解决信道（公共传解决信道（公共传输通道输通道 )的分配和使用。的分配和使用。

17、 (1) 冲突检测载波侦听多路访问（冲突检测载波侦听多路访问（CSMA/CD）适用于总线形适用于总线形 和树形网络结构和树形网络结构原理：结点发送信息时，首先要侦听网络原理：结点发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。开始发送。 原理简单，易实现，各节点平等竞争，没有优先级控制，原理简单，易实现，各节点平等竞争，没有优先级控制，负载增大时发送信息等待时间长，效率低负载增大时发送信息等待时间长，效率低 .24. （2）令牌环（）令牌环（Tok

18、en Ring)-适用于环网适用于环网 令牌控制标志，网络中只设一张令牌，并依令牌控制标志，网络中只设一张令牌，并依次沿各结点传送，它有两个状态次沿各结点传送，它有两个状态 空空状态：表示令牌没有被占用，当其传至状态：表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为置令牌为忙忙状态。状态。 “忙忙”状态：表示令牌被占用，即令牌正在携状态：表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将点将“忙忙”令牌置为令牌置为“空空”令牌。令牌。 可提供优先级服务，实时性较强可

19、提供优先级服务，实时性较强.25.（3）令牌总线）令牌总线(Token Passing Bus) -适用于适用于总线形式或树型总线形式或树型 原理：把总线形传输介质上的各个节点点形原理：把总线形传输介质上的各个节点点形成一个逻辑环，即人为地给各个节点规定一成一个逻辑环，即人为地给各个节点规定一个顺序。控制方式类似于令牌环。个顺序。控制方式类似于令牌环。 联网距离远，获取令牌时间开销大联网距离远，获取令牌时间开销大3种介质访问控制技术的比较种介质访问控制技术的比较 .26. 信息交换技术信息交换技术（1 1）线路交换：在两个站之间建立一条专用的）线路交换：在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数

20、据传送，传送结束再物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除拆除”线路。实时性好，线路利用率低线路。实时性好，线路利用率低 （2 2）报文交换：把目的站名附加在报文上，然）报文交换：把目的站名附加在报文上，然后交给下一结点，该结点接收整个报文，存后交给下一结点，该结点接收整个报文，存储下来，根据目的选择下一转发结点，直到储下来，根据目的选择下一转发结点，直到目的站。目的站。 （3 3）分组交换：将报文分成若干分组，并在每）分组交换：将报文分成若干分组，并在每个分组上附加控制信息，这些报文经不同的个分组上附加控制信息，这些报文经不同的路径分别传送到目的站后，再组成一个完整路径分别传送到目的站后，再组

21、成一个完整报文。报文。 .27.差错控制差错控制 校验：校验：奇偶校验、奇偶校验、循环冗余循环冗余-CRC校验。校验。 纠错：纠错：重发纠错、重发纠错、自动纠错、自动纠错、混合纠错（综合上述两方式）混合纠错（综合上述两方式）.28.网络协议及其层次结构网络协议及其层次结构 网络中各用户、资源间的对话与网络中各用户、资源间的对话与合作必须安装预先规定的协议进合作必须安装预先规定的协议进行。行。分层的好处：修改某层不会影响分层的好处：修改某层不会影响整个系统。整个系统。相邻层之间通过接口发生联系，相邻层之间通过接口发生联系，接口是指包含在信息处理系统中接口是指包含在信息处理系统中的同一节点内部不同

22、功能层次之的同一节点内部不同功能层次之间有关的一组规则。间有关的一组规则。 ISOISO（国际标准化组织）的（国际标准化组织）的7 7层开层开放系统互连参考模型放系统互连参考模型OSIOSI。 .29.1.物理层（传送数据）物理层（传送数据） 功能：在信道上传输未经处理的信息。功能：在信道上传输未经处理的信息。 协议内容：对机械、电气、连接规程进行规定。协议内容：对机械、电气、连接规程进行规定。 如如RS-232C、 RS-485、Ethernet等。等。2.数据链路层数据链路层 （错误侦测）（错误侦测） 功能：将有差错的物理链路改造成对于网络层功能：将有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无

23、差错的传输线路。来说是无差错的传输线路。 协议内容：将数据组成数据帧，并在接收端检协议内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。验传输的正确性。 如如SDLC（同步数据链路控制）、（同步数据链路控制）、HDLC等。等。.30.3.网络层网络层（路由选择）（路由选择） 功能：使网络中传输分组，为数据从源点到功能：使网络中传输分组，为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。终点建立物理和逻辑的连接。 协议内容：控制信息交换、路由选择。协议内容：控制信息交换、路由选择。 如如X.25协议、协议、IP协议。协议。4.传送（传输）层传送（传输）层（确保完整性）（确保完整性） 功能：从会话层接收数

24、据，把它们传到网络功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据正确到达另一端。层并保证这些数据正确到达另一端。 协议内容：控制端到端的数据完整性。协议内容：控制端到端的数据完整性。 如如TCP协议等协议等.31.5.会话层会话层（会话进程控制）（会话进程控制） 功能：控制建立（提供回话地址、彼此确认）功能：控制建立（提供回话地址、彼此确认）或结束一个通信会话的进程。或结束一个通信会话的进程。 协议内容：检查并决定一个正常的通信是否协议内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生。并利用校验点，使会话在通信失正在发生。并利用校验点，使会话在通信失效时从校验点恢复通信效时从校验点恢复通信

25、；或根据规定，在；或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。会话不能正常发生的情况下终止会话。 如如HTTP，SMTP(简单邮件文件传输）等。简单邮件文件传输）等。.32. 6.表示层表示层（翻译数据）（翻译数据） 功能：实现不同信息格式和编码之间的转换。功能：实现不同信息格式和编码之间的转换。 内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式的转换；输入输出格式的转换。的转换；输入输出格式的转换。 例如：例如：HTML语言语言 7.应用层应用层 （为格式化数据提供服务）（为格式化数据提供服务） 功能：规定允许的报文集合，及每个报文所采功能：规定允许的报文

26、集合，及每个报文所采取的动作。取的动作。 内容：负责与其他高级功能通信，解决数据传内容：负责与其他高级功能通信，解决数据传输完整性问题或发送输完整性问题或发送/接收设备的速度不匹配接收设备的速度不匹配问题。问题。例如：例如：IE浏览器。浏览器。.33.OSI模型和各协议的对照模型和各协议的对照.34.IEEE 802标准标准1981年提出，描述了物理层，并为数据链路层年提出，描述了物理层，并为数据链路层划分了两个子层。划分了两个子层。 IEEE 802标准与标准与OSI模型的关系模型的关系 .35. IEEE 802标准规定各层的功能标准规定各层的功能 物理层：数据的封装物理层：数据的封装/拆

27、封、数据的发送拆封、数据的发送/接接收，并通过介质存取部件收发数据信号。收，并通过介质存取部件收发数据信号。 介质存取控制层：介质存取，支持介质存取控制层：介质存取，支持CSMA/CD、Token Bus、Token Ring 。 逻辑链路控制层：寻址、排序、差错控制逻辑链路控制层：寻址、排序、差错控制等功能。等功能。.36.工业网络的性能评价和选型工业网络的性能评价和选型 工业网络的主流拓扑结构：工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形总线形和环形。 令牌环与令牌总线令牌环与令牌总线的性能比较：的性能比较： 传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；总线形传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；总

28、线形是多点连接，传输效率低。总线上形成的逻辑环不固定，是多点连接，传输效率低。总线上形成的逻辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。令牌传递和维护算法比环形复杂。 吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。令牌吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其环是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。数据、令牌、回答可同时传递。 稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。 确定性：两种控制结

29、构的确定性相同。确定性：两种控制结构的确定性相同。 灵活性：灵活性：令牌总线强于令牌令牌总线强于令牌.37.工业网络的选型工业网络的选型 1.1.大型系统采用大型系统采用- -分散型控制分散型控制DCSDCS模式模式，分三级：，分三级： 分散过程控制级：分散过程控制级：主要完成自动调节和程序控制主要完成自动调节和程序控制 特征：各单元间横向联系少，数据量小，数据包短，特征：各单元间横向联系少，数据量小，数据包短，地理分布区域小。地理分布区域小。 选型：令牌总线、主从总线或星形结构选型：令牌总线、主从总线或星形结构 集中操作监控级集中操作监控级 特征：数据处理量大，数据包长，横向联系多，可靠特征

30、：数据处理量大，数据包长，横向联系多，可靠性、灵活性要求高；性、灵活性要求高； 选型：令牌总线选型：令牌总线.38.综合信息管理级综合信息管理级 特征：该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，特征：该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广，灵活性要求较低。地域范围广，灵活性要求较低。 适合选型：令牌环结构。适合选型：令牌环结构。 2. 2. 中小型系统的工业网络选型中小型系统的工业网络选型 若只有集中操作监控级和分散过程控制级，两级均若只有集中操作监控级和分散过程控制级，两级均使用令牌总线，或监控级选用令牌环。使用令牌总线，或监控级选用令牌环。 老企业技术改造：星形结构（基础厚、

31、继承性）。老企业技术改造：星形结构（基础厚、继承性）。.39.7.3 分散型控制系统分散型控制系统(DCS)控制系统的发展史控制系统的发展史1、模拟仪表控制系统、模拟仪表控制系统 上世纪六七十年代占主导地位。上世纪六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。 2、集中式数字控制系统、集中式数字控制系统 上世纪七八十年代占主导地位。采用单片机、上世纪七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC或或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号,克服克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷了模拟仪表控制

32、系统中模拟信号精度低的缺陷,提高了提高了系统的抗干扰能力。易于根据全局情况进行控制计算系统的抗干扰能力。易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排。度和安排。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。器的效率和可靠性将急剧下降。 .40.3.分散控制系统分散控制系统DCS（Distributed Control System）基于基于“4C”

33、（Computer /Control/ Communication/CRT）的的70年代中期出现的新型工业控制系统，采用分布式年代中期出现的新型工业控制系统，采用分布式的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统可靠性。可靠性。 DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中，尽可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中，尽量将控制所造成的危险性分散量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集而将管理和显示功能集中中,这样，局部性故障不会影响整体的安全运行，同时这样，局部性故障不会影响整体的安全运行，同时可以保证各部分工作的高效率。可以保证各部分工

34、作的高效率。 设计基本思想：设计基本思想：分散控制、集中操作、分级管理、配分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便置灵活、组态方便 .41.管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠

35、性要求高的缺陷。在集散控制系统中，力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现是得益于网络技术的发分布式控制思想的实现是得益于网络技术的发展和应用展和应用 .42.DCS一般由五部份组成：一般由五部份组成：1：控制器：控制器2：I/O板板3：操作站：操作站4：通讯网络：通讯网络5：图形及遍程软件。：图形及遍程软件。DCS发展趋势：发展趋势：以计算机集成制造系统（以计算机集成制造系统（CIMS）为目标，应用新的控制方法、现场总线智能化为目标，应用新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等，实现过程控制仪表、专家系统、局域网络等，实现过程控制自动化与信息管理自动化结合

36、的管控一体化综自动化与信息管理自动化结合的管控一体化综合集成系统。合集成系统。.43.流程工业流程工业CIMSCIMS是一个复杂的综合自动化系统，是一个复杂的综合自动化系统，处理的对象是整个企业的全部生产活动，处理的对象是整个企业的全部生产活动，DCSDCS作作为一种有效的工具和实现手段，在流程工业为一种有效的工具和实现手段，在流程工业CIMSCIMS中完成重要的基础控制和实时生产数据采集、动中完成重要的基础控制和实时生产数据采集、动态监控等功能。与管理类计算机相比，态监控等功能。与管理类计算机相比，DCSDCS能够能够提供更加可靠的生产过程数据，使提供更加可靠的生产过程数据，使CIMSCIM

37、S系统所作系统所作出的优化决策也更加可靠。出的优化决策也更加可靠。从功能上看，流程工业从功能上看，流程工业CIMSCIMS中的生产自动化中的生产自动化系统、动态监控系统和在线质量控制都可以由系统、动态监控系统和在线质量控制都可以由DCSDCS实现。从流程工业实现。从流程工业CIMSCIMS的层次结构看，的层次结构看，DCSDCS主主要担负过程控制和过程优化任务，有些生产调度要担负过程控制和过程优化任务，有些生产调度和生产管理工作也可在和生产管理工作也可在DCSDCS上完成。上完成。.44.计算机集成过程系统计算机集成过程系统 CIPS从从CIMSCIMS（计算（计算机集成制造系统）基础上发起来

38、，是指针对流机集成制造系统）基础上发起来，是指针对流程工业的特点，综合应用计算机技术、现代化程工业的特点，综合应用计算机技术、现代化管理技术、信息技术、控制技术、自动化技术、管理技术、信息技术、控制技术、自动化技术、系统工程技术来改造传统意义上的流程工业，系统工程技术来改造传统意义上的流程工业，实现生产环节集成，人员、技术、经营管理三实现生产环节集成，人员、技术、经营管理三要素的综合控制和管理，以及物料流和信息流要素的综合控制和管理，以及物料流和信息流有机集成，并优化运行的复杂大系统有机集成，并优化运行的复杂大系统.45.火电厂火电厂CIPSCIPS的集成框架的集成框架计算机网络计算机网络/数

39、据库支撑系统数据库支撑系统监控信息系统监控信息系统（SIS）硬件及网络硬件及网络成本分析成本分析负荷分配负荷分配运行优化运行优化实时监控实时监控故障诊断故障诊断上网报价上网报价寿命管理寿命管理状态检修状态检修经济调度经济调度测试仿真测试仿真管理信息系统管理信息系统（MIS）硬件及网络硬件及网络设备管理设备管理物资管理物资管理运行管理运行管理财务管理财务管理燃料管理燃料管理档案管理档案管理人事管理人事管理安检管理安检管理办公自动化办公自动化信息发布信息发布大型历史大型历史/实时数据库实时数据库设备信设备信息息管理信管理信息息技术信技术信息息管理信息管理信息设备信设备信息息技术信技术信息息硬件及网

40、络硬件及网络DCSDCS汽机电液数控系统汽机电液数控系统DEHDEH旁路控制系统旁路控制系统BPCSBPCS网控网控SCADASCADA化水程控化水程控其他其他故障报警故障报警操作指导操作指导事件记录事件记录参数控制参数控制性能计算性能计算信号处理信号处理保护策略保护策略先进控制先进控制生产现场仪表与过程控制系统生产现场仪表与过程控制系统设备信息设备信息管理信息管理信息技术信息技术信息市场报价信市场报价信息息关系数据库关系数据库.46.DCS的特点的特点(1)高可靠性高可靠性 由于由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计

41、实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。台计算机的可靠性也得到提高。 .47.(2)开放性开放性 DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，设计，系统中各台计算机采用局域网方

42、式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。作。 .48.（3）灵活性）灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控及从图形库调用基本图形组成所

43、需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。 DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。.49.(4)易于维护易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机简单、方便的特点，当某一局部或某

44、个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。况下在线更换，迅速排除故障。(5)协调性协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。的总体功能和优化处理。 .50.(6)控制功能齐全控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可

45、方便地加入适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。所需的特殊控制算法。.51.DCS的三级体系结构：分散过程控制级的三级体系结构：分散过程控制级 集中操作监控级集中操作监控级 综合信息管理级综合信息管理级.52.（1）分散过程控制级（面向生产过程）分散过程控制级（面向生产过程）处于底层的过程控制级一般由分散的生产过处于底层的过程控制级一般由分散的生产过程现场控制站、数据采集站等就地实现数据程现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。产监控级计算机。 功能：完成生产过程的数据采集、调节控功能

46、：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能。制等功能。 .53.分散过程控制级功能分散过程控制级功能数据采集功能数据采集功能现场传感器（热电偶、热电阻）现场传感器（热电偶、热电阻）变送器（温度、压力、液位、流量）变送器（温度、压力、液位、流量）执行机构（调节阀、电磁阀）执行机构（调节阀、电磁阀）电气开关（触点）电气开关（触点）DDC控制功能控制功能PID控制运算控制运算顺序控制功能顺序控制功能按预先顺序按预先顺序分阶段逐次控制分阶段逐次控制信号报警功能信号报警功能打印报表功能打印报表功能数据通信功能数据通信功能.54.常用测控装置：常用测控装置： 1。现场控制站（工业控制机）。现场控制站（工业控

47、制机） 采用采用PC总线工业控制计算机总线工业控制计算机控制模式优先级：硬手动控制模式优先级：硬手动软手动软手动自动自动串级串级上上位机位机无扰切换操作：无扰切换操作：P231 2。智能调节器。智能调节器 采用含内部微处理器的数字化过程控制仪表采用含内部微处理器的数字化过程控制仪表 3。可编程序控制器（。可编程序控制器（PLC）主要用于生产过程中按时间顺序控制或者逻辑控制主要用于生产过程中按时间顺序控制或者逻辑控制的场合的场合.55.（2）集中操作监控级（面向操作员和系统工）集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）程师）生产监控级对来自过程控制级的数据进行集生产监控级对来自过程控制级的数据进行

48、集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。故障诊断、显示报警等。 功能：以操作监视为主要任务，兼有部分管功能：以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。质量评估。 组成：监控计算机组成：监控计算机 打印机打印机 操作键盘等操作键盘等.56.操作员站：操作员站：完成正常的工艺监视和运行操作，由画面指示完成正常的工艺监视和运行操作，由画面指示构成，包括工艺生产流程组态画面、趋势曲线构成，

49、包括工艺生产流程组态画面、趋势曲线画面、操作指导画面、报警画面等画面、操作指导画面、报警画面等工程师站：工程师站：完成系统的组态、系统维护、系统控制、系统完成系统的组态、系统维护、系统控制、系统管理等功能管理等功能.57.（3）综合信息管理级）综合信息管理级 功能：实现整个企业的综合信息管理。功能：实现整个企业的综合信息管理。 实际上是实际上是一个一个管理信息系统管理信息系统MIS。所谓所谓MIS（ Management Information System）系统系统 ，是一个由人、计算机及其他外围设备等组，是一个由人、计算机及其他外围设备等组成的能进行信息的收集、传递、存贮、加工、维成的能进

50、行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统。护和使用的系统。其主要任务是最大限度的利用现代计算机及网络其主要任务是最大限度的利用现代计算机及网络通讯技术加强企业的信息管理，通过对企业拥有通讯技术加强企业的信息管理，通过对企业拥有的人力、物力、财力、设备、技术等资源的调查的人力、物力、财力、设备、技术等资源的调查了解，建立正确的数据，加工处理并编制成各种了解，建立正确的数据，加工处理并编制成各种信息资料及时提供给管理人员，以便进行正确的信息资料及时提供给管理人员，以便进行正确的决策，不断提高企业的生产管理水平和经营管理决策，不断提高企业的生产管理水平和经营管理水平。水平。.58.完整的完整

51、的MIS应包括应包括：辅助决策系统（辅助决策系统（DSS）、）、工业控制系统（工业控制系统（IPC）、办公自动化系统）、办公自动化系统（OA）以及数据库、模型库、方法库、知识）以及数据库、模型库、方法库、知识库和与上级机关及外界交换信息的接口。库和与上级机关及外界交换信息的接口。 其办公自动化系统（其办公自动化系统（OA）、与上级机关及外）、与上级机关及外界交换信息等都离不开界交换信息等都离不开Intranet的应用的应用 。随着计算机技术的发展，随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管

52、理功能，如计划调度、仓储管理、高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。能源管理等。.59.自自1975年年Honeywell公司推出第一套公司推出第一套DCS产品产品(TDC2000)以后，全世界以后，全世界有有60余家公司生产了余家公司生产了1500余种产品，目前约有一万套余种产品，目前约有一万套DCS在运行，以在运行，以下是下是1996年底的我国火电厂年底的我国火电厂DCS统计统计.60.TDC3000分层结构图分层结构图.61.62.大型火电机组的大型火电机组的DCS系统，一般包括：系统，一般包括：数据采集系统（数据采集系统（DAS，Data Acquisition Sys

53、tem ）：）：具有在具有在CRT上显示各种参数、表格、上显示各种参数、表格、曲线、系统图、棒状图、趋势图、模拟流程图等曲线、系统图、棒状图、趋势图、模拟流程图等功能，报警功能，事故顺序记录和追忆打印功能功能，报警功能，事故顺序记录和追忆打印功能（SOE），显示操作指导信息功能，还具有在线），显示操作指导信息功能，还具有在线的性能效率计算和经济分析功能等。的性能效率计算和经济分析功能等。 .63.模拟量控制系统（模拟量控制系统（MCS，Modulating Control System ）：）：亦称机组协调控制系统亦称机组协调控制系统（CCS）（）（Coordinated Control Sy

54、stem）。）。其设计思想是将炉机电综合控制，以自动调节其设计思想是将炉机电综合控制，以自动调节为主，将逻辑控制、联锁保护等功能结合在一为主，将逻辑控制、联锁保护等功能结合在一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行工况要求的综合性过程控制系统。它是在在行工况要求的综合性过程控制系统。它是在在局部控制子系统上加入协调控制器，对各子系局部控制子系统上加入协调控制器，对各子系统进行协调。统进行协调。是实现机组全方位全过程控制的基础，也是是实现机组全方位全过程控制的基础，也是DCS最基本的控制功能。最基本的控制功能。 .64.顺序控制系统（顺序控制系统（SC

55、S，Sequence Control System）：）：与与MCS系统不同，系统不同，SCS主要用于断续生产过程，在火电厂中主辅机启主要用于断续生产过程，在火电厂中主辅机启停，输煤自动化，化学水处理等生产过程大量停，输煤自动化，化学水处理等生产过程大量需要顺序控制。需要顺序控制。SCS是是DCS的重要组成部分，的重要组成部分，其核心部件微处理器或可编程逻辑控制器其核心部件微处理器或可编程逻辑控制器（PLC）代替了常规继电器，使顺序控制的功）代替了常规继电器，使顺序控制的功能有了很大进步。能有了很大进步。 .65.锅炉炉膛安全监控系统（锅炉炉膛安全监控系统（FSSS，Furnace Safeg

56、uard Supervisor System）：）：它用于大型机组的锅炉监控保护它用于大型机组的锅炉监控保护 汽轮机电液控制系统（汽轮机电液控制系统（DEH，Digital Electrohydraulic Control System）：）：其其主要功能包括汽轮发电机自启停及并网带负荷主要功能包括汽轮发电机自启停及并网带负荷工况下的转速调节和功率调节，具有机组甩负工况下的转速调节和功率调节，具有机组甩负荷情况下的超速保护功能。荷情况下的超速保护功能。.66.7.5 现场总线（现场总线（Fieldbus)技术技术现场总线：现场总线：按照国际电工委员会按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金标

57、准和现场总线基金会会FF的定义，是指连接智能现场设备和自动的定义，是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络。遵循行通信网络。遵循ISO的的OSI开放系统互连参开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。考模型的全部或部分通讯协议。 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)：以现场总线为基础以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统统(FCS)。用开放的现场总线控制通讯网络将。用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设自动化最底层的现场控

58、制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统备互连的实时网络控制系统 .67.现场总线的产生现场总线的产生 不同的不同的DCS厂家为达到垄断经营厂家为达到垄断经营 的目的而对其控制的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同的通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同的DCS系统之系统之间以及间以及DCS与上层与上层Intranet、Internet信息网络之间难以信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且控制系统且D

59、CS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。FCS正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。到现场，降低了安装成本和维护费用。FCS实质是实质是 一种开放的、具可互操作性的、彻底分一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分

60、布式控制系统散的分布式控制系统.68.现场总线的产生首先反映了仪器仪表本身发现场总线的产生首先反映了仪器仪表本身发展的需要。展的需要。1.全模拟式仪表全模拟式仪表(是将传感器信号进行调理放大后，经过是将传感器信号进行调理放大后，经过VI电路转电路转换，输出换，输出4 20mA或或05V的模拟信号的模拟信号)2.智能仪表智能仪表(随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、到了广泛应用，过程变量经调理放大、AD采样转换为采样转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理