第二章集散控制系统(DCS)导论

1、第二章第二章 集散控制系统（集散控制系统（DCS）导论导论n2.1 DCS的系统结构和特点的系统结构和特点n2.2 DCS的发展趋势的发展趋势n2.3 DCS的基本组成部分的基本组成部分n2.4 DCS的通讯系统的通讯系统n2.5 DCS网络通讯协议网络通讯协议n2.6 DCS的可靠性技术的可靠性技术 2.1 DCS的系统结构和特点的系统结构和特点一、一、DCS的组成及体系结构的组成及体系结构（一）（一） DCS设计的基本原则设计的基本原则 1、集中式控制系统（集中式控制系统（CCS）的特点的特点 2、 DCS设计的基本原则设计的基本原则（二）（二） DCS的发展阶段的发展阶段 1、第一阶段第

2、一阶段（初创期）（初创期）1975-1980 2、第二阶段第二阶段（成熟期）（成熟期）1980-1975 3、第三阶段第三阶段（发展期）（发展期）1985-（三）（三） DCS的基本组成部分的基本组成部分 1、DCS的系统网络（的系统网络（SNET） 2、现场现场I/O控制站控制站 3、操作员站（操作员站（OS） 4、工工程师站（程师站（ES）（四）四）DCS的特点的特点CCS系统特点系统特点n1、CCS：将过程数据输入输出（将过程数据输入输出（PIO）、）、实时数据库的管理、实时实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存、人机数据的处理与保存、历史数据库的管

3、理、历史数据处理与保存、人机界面的处理（界面的处理（MMI）、）、报警与日志记录、报表及系统本身的监督管理报警与日志记录、报表及系统本身的监督管理等所有功能集中在一台计算机的系统。等所有功能集中在一台计算机的系统。n2、优点：结构简单、清晰，集中式的数据库容易管理，并容易保证、优点：结构简单、清晰，集中式的数据库容易管理，并容易保证数据的一致性。数据的一致性。n3、缺点：缺点：n（1）软件系统庞大，多种同时进行任务，计算机运行效率低。）软件系统庞大，多种同时进行任务，计算机运行效率低。n（2）软件可靠性下降。软件可靠性下降。70%故障由于设计不良或存在缺陷的软件造故障由于设计不良或存在缺陷的软

4、件造成。成。n（3）系统的可扩性差。）系统的可扩性差。n（4）危险高度集中。）危险高度集中。DCS设计的基本原则设计的基本原则n1、使用多台计算机共同完成所有过程量的输入、输出。、使用多台计算机共同完成所有过程量的输入、输出。n2、用不同的计算机完成不同的功能，提高每台计算机的运行效率，而且单用不同的计算机完成不同的功能，提高每台计算机的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上简单，提高了软件的可靠性。一化的处理在软件结构上简单，提高了软件的可靠性。 3、 用计算机网络解决系统的扩充与升级问题。用计算机网络解决系统的扩充与升级问题。n4、网络中的每台计算机处于平等地位，在运行中互相之间不存在依赖

5、关系，、网络中的每台计算机处于平等地位，在运行中互相之间不存在依赖关系，以保证任一计算机失效只影响本身以保证任一计算机失效只影响本身。nDCS的关键是计算机网络技术，的关键是计算机网络技术，DCS的结构实质就是一个网络结构。的结构实质就是一个网络结构。n如何充分利用网络资源，如何通过网络协调如何充分利用网络资源，如何通过网络协调DCS中各台计算机的运行，如何中各台计算机的运行，如何在多台计算机共同完成系统功能的过程中保证所处理信息的实时性、完整性在多台计算机共同完成系统功能的过程中保证所处理信息的实时性、完整性和一致性，成为和一致性，成为DCS设计的关键问题。设计的关键问题。CRT操作站操作站

6、监控监控计算机计算机数据采集器数据采集器DAU过程控制器过程控制器PCU高速数据公路高速数据公路HW第一代第一代DCS结构结构 主计算机主计算机HC通用操作站通用操作站US第二代第二代DCS结构结构系统管理模块系统管理模块SMM网关网关GW网关网关GW多功能处理器多功能处理器MC局域网局域网LANCPUDAU增强增强型操型操作站作站CRT 该阶段该阶段DCS向计算机网络控制扩展，将过程控向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，采用制、监督控制和管理调度进一步结合起来，采用专家系统、制造自动化协议专家系统、制造自动化协议MAP标准等。标准等。 这一代产品的结构层次有了

7、进一步发展，自下这一代产品的结构层次有了进一步发展，自下而上一般可分为过程控制级、控制管理级、生产而上一般可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级四个层次。管理级和经营管理级四个层次。生产管理级生产管理级控制管理级控制管理级经营管理级经营管理级过程控制级过程控制级第三代第三代DCS的四个层次的四个层次2.2 DCS的发展趋势的发展趋势一、影响一、影响DCS发展的几个要素发展的几个要素（一）生产过程自动化发展趋势（一）生产过程自动化发展趋势1、控制自动化程度越来越高。、控制自动化程度越来越高。2、控制的综合性大大提高。、控制的综合性大大提高。3、人工的操作和干预越来越少。、人工的操作

8、和干预越来越少。4、操作方式越来越软件化。、操作方式越来越软件化。5、CRT的作用越来越强。的作用越来越强。6、数字信号越来越深入现场。、数字信号越来越深入现场。7、控制系统的功能越来越向综合性发展。、控制系统的功能越来越向综合性发展。8、控制算法多种多样。、控制算法多种多样。（二）用户要求的不断提高（二）用户要求的不断提高1、系统的功能、系统的功能2、系统的可靠性、系统的可靠性3、系统的易用性、系统的易用性4、安全性、安全性5、信息广泛共享、信息广泛共享6、系统的规模要求更大、系统的规模要求更大7、系统容易升级、系统容易升级8、系统的成本降低、系统的成本降低（三）各项应用技术的不断提高（三）

9、各项应用技术的不断提高1、计算机技术的发展与进步、计算机技术的发展与进步2、网络技术的发展与进步网络技术的发展与进步3、软件技术的发展与进步、软件技术的发展与进步二、二、DCS的进一步开放的进一步开放开放：要求各个厂家的产品具有互操作性、互换性、可替代性、可扩充性开放：要求各个厂家的产品具有互操作性、互换性、可替代性、可扩充性（即可增值性）和多平台支持（可移植性）。（即可增值性）和多平台支持（可移植性）。三、三、DCS的智能化和进一步分散化的智能化和进一步分散化（一）现场总线技术介绍（一）现场总线技术介绍1、智能化仪表：建立在微电子的发展之上，超大规模集成电路、嵌入式系、智能化仪表：建立在微电

10、子的发展之上，超大规模集成电路、嵌入式系 统（统（Embedded Systems)、CPU、存储器、存储器、A/D转换器和输入输出回转换器和输入输出回路等功能集成在一块芯片上的单片机，使得将模拟信号数字化这一工作路等功能集成在一块芯片上的单片机，使得将模拟信号数字化这一工作从计算机端移到了现场端，现场仪表与计算机之间传送的不是模拟信号，从计算机端移到了现场端，现场仪表与计算机之间传送的不是模拟信号，而是数字信号，或更确切的说是信息。而是数字信号，或更确切的说是信息。2、现场总线：为了适应智能化仪表的发展，多台智能化仪表公用一对传输、现场总线：为了适应智能化仪表的发展，多台智能化仪表公用一对传

11、输线，从而产生了现场总线。现场总线简化了仪表信号线的布线工作，可线，从而产生了现场总线。现场总线简化了仪表信号线的布线工作，可机节省大量金属导线，数字信息传输方面完善的纠错技术使得信息传输机节省大量金属导线，数字信息传输方面完善的纠错技术使得信息传输的误差大大降低，同时可以利用多种传输介质完成信息传输，如双绞线、的误差大大降低，同时可以利用多种传输介质完成信息传输，如双绞线、光纤、无线电波、红外线等，大大提高了在不同现场条件下信息传输的光纤、无线电波、红外线等，大大提高了在不同现场条件下信息传输的适应性。适应性。 现场总线实际上是一种计算机网络，在这个网络上的每个接点都是一个现场总线实际上是一

12、种计算机网络，在这个网络上的每个接点都是一个智能化仪表。但也不同于一般计算机网络，要解决信息碰撞问题。一般智能化仪表。但也不同于一般计算机网络，要解决信息碰撞问题。一般的现场总线规约中只包括物理层、链路层和应用层，有些现场总线具有的现场总线规约中只包括物理层、链路层和应用层，有些现场总线具有网络层。网络层。3、现场总线的种类、现场总线的种类（1）HART（Highway Addressable Remote Transducer)协议：协议：Rosemount1985年开发。利用年开发。利用“ Smart Field Instruments”将将4-20mA信号信号调制成调制成FSK信号信号（

13、2）Bit Bus总线总线（3）Profibus总线总线（4）World FIP(Factory Instrumentation Protocol)总线总线（5）遵循）遵循ISA(Instrument Society of America)/IEC的的SP50总线总线（6）CAN(Controller Area Network)总线总线（7）Lon Works总线总线（二）分散控制模块技术的发展（二）分散控制模块技术的发展Server工作站工作站工作站工作站工作站工作站GateWay操作员站操作员站操作员站操作员站工程师站工程师站I/O站站I/O站站I/O站站管理级管理级MNET控制级控制级S

14、NET现场总线现场总线SNET四、四、PLC技术的发展及其队对技术的发展及其队对DCS的影响的影响1、用、用PLC构成的控制系统原有的缺陷构成的控制系统原有的缺陷1）、）、PLC之间如何协调之间如何协调2）、现场编程或现场组态的需求不易满足。）、现场编程或现场组态的需求不易满足。3）、仅有逻辑功能或简单数值运算不能满足要求。）、仅有逻辑功能或简单数值运算不能满足要求。2、现在、现在PLC的几点重大改变的几点重大改变1）在数据高速公路上挂接了在线的通用计算机。）在数据高速公路上挂接了在线的通用计算机。2）在）在PLC中增加了数值量的中增加了数值量的I/O接口和数值处理计算功能。接口和数值处理计算

15、功能。3）越来越多的）越来越多的PLC厂家把专用的数据高速公路改为通用网络，并逐步厂家把专用的数据高速公路改为通用网络，并逐步将将PLC之间的通信规约向通用的网络规约靠拢。之间的通信规约向通用的网络规约靠拢。五、管理和控制一体化五、管理和控制一体化目前目前DCS有两个发展方向，一是向现场深入，二是向高层发展，有两个发展方向，一是向现场深入，二是向高层发展，使得面向控制过程的使得面向控制过程的DCS和面向生产管理与调度的管理信息系和面向生产管理与调度的管理信息系统统MIS可以互相传递信息，出现了将可以互相传递信息，出现了将DCS与与MIS集成在一起的集成在一起的计算机集成制造系统计算机集成制造系

16、统CIMS和计算机集成过程控制系统和计算机集成过程控制系统CIPS。 实现这一目标的关键是各个子系统之间的网络通讯接口。实现这一目标的关键是各个子系统之间的网络通讯接口。以太网通信标准。以太网通信标准。TCP/IP标准。标准。SQLODBCOLE 2 .0DDE2.3DCS的基本组成部分的基本组成部分三点一线三点一线一线：一线：DCS骨架计算机网络骨架计算机网络三点：面向过程现场的三点：面向过程现场的I/O站（站（PS），），面向操作人员的操作站面向操作人员的操作站（OS），），面向面向DCS监督管理人员的工程师站（监督管理人员的工程师站（ES）操作级操作级控制级控制级现场级现场级Ethern

17、et, TCP/IP BackboneI/O sPROFIBUS-PAPROFIBUS-DPHSI控制器控制器AC 800F工程师站（工程师站（ES） 操作员站（操作员站（OS） 1、DCS的系统网络的系统网络 用于用于DCS的计算机网络在很多方面不同于通用的计算机网络。它是的计算机网络在很多方面不同于通用的计算机网络。它是一个实时网络，即网络需要现场通讯实时性的要求，在确定的时限内完一个实时网络，即网络需要现场通讯实时性的要求，在确定的时限内完城信息的传送。这里所说的城信息的传送。这里所说的“确定确定”的时限是指，无论在何种情况下，的时限是指，无论在何种情况下，信信息传送都能在这个时限内完成

18、，而这个时限则是根据被控制过程的实时息传送都能在这个时限内完成，而这个时限则是根据被控制过程的实时性要求确定的性要求确定的 （1）网络结构：可分为星形、总线形、环形三种）网络结构：可分为星形、总线形、环形三种 中心节点中心节点星形网络结构星形网络结构总线形网络结构总线形网络结构环形网络结构环形网络结构 星型结构从传送实时性讲，星形网是最好的，因为这种结构无公用星型结构从传送实时性讲，星形网是最好的，因为这种结构无公用传输介质，但传输介质，但DCS不采用这种结构，由于其中心节点的存在使危险性集不采用这种结构，由于其中心节点的存在使危险性集中，不符合中，不符合DCS的设计原则。目前的设计原则。目前

19、DCS应用最为广泛的网络结构是环形应用最为广泛的网络结构是环形网和总线形网，因为在这两种结构中，各个节点是平等的，任意两个节网和总线形网，因为在这两种结构中，各个节点是平等的，任意两个节点之间的通信可以直节通过网络进行，无需其它节点的介入。但存在共点之间的通信可以直节通过网络进行，无需其它节点的介入。但存在共用传输介质的问题，这是影响网络传输实时性的关键。用传输介质的问题，这是影响网络传输实时性的关键。 （2）DCS传输介质共享的方式传输介质共享的方式 传输介质：细同轴电缆（细缆）、粗同轴电缆（粗缆）、光缆传输介质：细同轴电缆（细缆）、粗同轴电缆（粗缆）、光缆 为解决传输介质共享，对于多个节点

20、传送信息的请求必须采用分时方为解决传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时方法，避免信息在网络上的碰撞，一种方式为法，避免信息在网络上的碰撞，一种方式为Token Ring(对于环形网），对于环形网），Token Passing（对于总线性网），即令牌方式；另一种方式为载波侦对于总线性网），即令牌方式；另一种方式为载波侦听与碰撞技术，即听与碰撞技术，即CSMA/CD方式。方式。2、现场I/O控制站主要功能：主要功能： （1）将各种现场发生的过程量（流量、压力、温度、电流、功率及各种状态）将各种现场发生的过程量（流量、压力、温度、电流、功率及各种状态等）进行数字化，并将这些数字量存在

21、存储器中，形成一个与需现场一致的、等）进行数字化，并将这些数字量存在存储器中，形成一个与需现场一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时的改变和更新的现场过程量的实时映象。能一一对应的、并按实际运行情况实时的改变和更新的现场过程量的实时映象。（2）将本站采集到的实时数据通过网络送到操作站、工程师站及其它现场站以）将本站采集到的实时数据通过网络送到操作站、工程师站及其它现场站以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场站还可接受由操作员站、工程师便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场站还可接受由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的控制或对本站的参数设定。站下发的信息，以实现对现场的控制或

22、对本站的参数设定。（3）在本站实现局部控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。在本站实现局部控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。其它功能：其它功能：（1）为二线制仪表提供电源）为二线制仪表提供电源（2）为现场信号的输入输出回路配备必要的隔离电路和保护电路。）为现场信号的输入输出回路配备必要的隔离电路和保护电路。（3）对于一些重要的控制输出量，必须具备断电保护和上电跟随特性。）对于一些重要的控制输出量，必须具备断电保护和上电跟随特性。（4）可靠性要高。）可靠性要高。（5）具备不依赖具备不依赖DCS其它部分独立运行的能力（其它部分独立运行的能力（DCS系统初始启动除外）。系统初始启动除外）。3

23、、操作员站、操作员站 DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（MMI）功能的网络接点。功能的网络接点。其主要功能为：其主要功能为： （1）及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情）及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况等。况等。 （2）对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高）对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。效、高质。 显示内容为：显示内容为： （1）生产过程的模拟流程图，包括关键数据、控制参数及设备运行状态等）生产过程的模拟流程图，包括关键数据、控制

24、参数及设备运行状态等（2）报警窗口：以倒排时间顺序的方式列出所有生产过程的异常情况（异常状态、报警窗口：以倒排时间顺序的方式列出所有生产过程的异常情况（异常状态、数值越限等数值越限等（3）最关键数据的常驻显示）最关键数据的常驻显示（4）实时趋势显示）实时趋势显示（5）检测及控制仪表的模拟显示）检测及控制仪表的模拟显示（6）多窗口显示功能）多窗口显示功能（7）灵活方便的画面调用方法）灵活方便的画面调用方法（8）音响报警装置）音响报警装置可靠的操作标准及可以使用位图的自由组态图形清晰的结构层次适于标签的快速选择多级菜单选择灵活选择过程站资源支持高分辨率及真彩色显示系统报警信息同步概念 8 个优先级

25、和 15 厂域操作权限控制16 用户组 和 1,000 用户离线浏览趋势及记录Windows NT 4.0 平台操作员站简介一操作员站简介一操作员站简介二操作员站简介二l总貌显示l组显示l面板lSFC 显示l时间调度显示 趋势与记录趋势与记录 信息列表信息列表 操作提示操作提示 系统诊测显示系统诊测显示操作员站简介三操作员站简介三l全图形化表示l动态数据l数据的动画表示l“所见即所得”操作风格l无数量限制4、工程师站、工程师站工程师站：是对工程师站：是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、 维护的网络节点。维护的网络节点。主要功

26、能主要功能：提供对：提供对DCS进行组态、配置工作的组态软件，并在进行组态、配置工作的组态软件，并在DCS在线运行时在线运行时 实时地监视实时地监视DCS网络上个节点的运行情况，使系统工程师可以通过网络上个节点的运行情况，使系统工程师可以通过 工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处随时处 在最佳工作状态下。在最佳工作状态下。（1）工程师站所提供的组态功能）工程师站所提供的组态功能 硬件配置组态功能硬件配置组态功能：定义各个现场：定义各个现场I/O控制站的站号、网络节点号等网络参数，控制站的站号、网络节点号等网络参数， 站内的

27、站内的I/O配置，如各个配置，如各个I/O点信号性质，信号条理类型。点信号性质，信号条理类型。 数据库组态功能数据库组态功能：定义数据库的各个参数，系统的数据库包括实时数据库和历：定义数据库的各个参数，系统的数据库包括实时数据库和历 史数据库，实时数据库组态主要对各数据库点逐点定义其名称、工程量转换系史数据库，实时数据库组态主要对各数据库点逐点定义其名称、工程量转换系 数、上下限值、线性化处理、报警特性、报警条件等，历史数据库组态需要定数、上下限值、线性化处理、报警特性、报警条件等，历史数据库组态需要定 义各个进入历史库的点的保存周期。义各个进入历史库的点的保存周期。 控制回路组态功能控制回路

28、组态功能：该功能定义各个控制回路的控制算法、调节周期及调节参：该功能定义各个控制回路的控制算法、调节周期及调节参 数等。进行回路控制的组态，最常用的为功能模块图（数等。进行回路控制的组态，最常用的为功能模块图（FBD-Function Block Drawing) 逻辑控制及批控制组逻辑控制及批控制组态：定义预先确定的处理过程，一般使用梯形图（态：定义预先确定的处理过程，一般使用梯形图（LD） 或或 顺控图（顺控图（SFC）。）。 控制算法语言的组态：针对于一些较特殊的控制处理，使用若干程序语句控制算法语言的组态：针对于一些较特殊的控制处理，使用若干程序语句 来处理。来处理。 操作员站显示画面

29、的生成操作员站显示画面的生成：与一般商用绘图软件不同，操作员站的画面生：与一般商用绘图软件不同，操作员站的画面生 成软件，除了具有标准的绘图功能外，还应该具有时时动态点的定义功能成软件，除了具有标准的绘图功能外，还应该具有时时动态点的定义功能 因此实时画面是有两部分组成的，一部分是静态画面，常称为背景图；另因此实时画面是有两部分组成的，一部分是静态画面，常称为背景图；另 一部分是动态点，包括实时更新的状态和检测值、一部分是动态点，包括实时更新的状态和检测值、“热点热点”活动按钮、设活动按钮、设定定 值使用的滑动杆或滚动条等。值使用的滑动杆或滚动条等。 报表生成组态报表生成组态：包括表格形式、各

30、个表项中所包含的实时数据和历史数据：包括表格形式、各个表项中所包含的实时数据和历史数据 组态数据的编译和下载组态数据的编译和下载： 操作安全保护组态：操作安全保护组态：（2）工程师站对系统的监控功能工程师站对系统的监控功能 与操作员站不同，工程师站必须对与操作员站不同，工程师站必须对DCS本身的运行状态进行监视，包本身的运行状态进行监视，包括各个现场括各个现场I /O控制站的运行状态、各操作员站的运行情况、网络通讯情况控制站的运行状态、各操作员站的运行情况、网络通讯情况等，一旦发现异常，系统工程师必须及时采取措施，进行维修或调整以使等，一旦发现异常，系统工程师必须及时采取措施，进行维修或调整以

31、使DCS能保证长时间连续运行，不会因对生产过程的失控造成损失，另外一能保证长时间连续运行，不会因对生产过程的失控造成损失，另外一些对组态的在线修改功能，如上下限设定值的改变、控制参数的调节、对些对组态的在线修改功能，如上下限设定值的改变、控制参数的调节、对某个检测点或若干个检测点、甚至对某个现场某个检测点或若干个检测点、甚至对某个现场I/O站的离线直接操作。站的离线直接操作。 最小工程量l一个系统全局的数据库n全系统范围功能检查n全系统范围交叉参考，从I/O点到图形符号lIEC-61131 标准编程语言 l一个集成的编程软件包：- 系统过程组态与调试- 操作级与HMI 级编程l再线与离线编程l

32、经过现场成熟应用的控制功能模件库l工厂统一的项目文件SystembusHSIEngineering/CommissioningProcess-stations全局数据库编程方式System-wide Database-Engineering with DigiTool. 仅使用一套 CBF在线与离线编程在线与离线编程所有功能 .硬件配置与诊测硬件配置与诊测HMI 组态组态(Displays, Trends, Logs)组态: 基本概念n系统一体化硬件编辑、软件组态n覆盖整个系统全局的数据库和编程调试n集成现场总线设备的管理n可选则的IEC 61131-3 标准编程语言n自动生成系统全局在线交叉

33、参考数据表lIEC 61131-3l功能块图（FBD）l梯形图（LD）l指令表（IL）l顺控表（SFC）l190多个 标准功能块l大量符号库l包括 220 多个符号l 用户自定义功能 l 3D- 图形符号l 功能块l 面板l 全系统范围功能检查过程站编程. only one CBFX-RefsAutomaticCommunicationDocumentation(Controller & HMI)System-wideTag-Database一体化工具标准与用户定义l预定义显示 nOverviewnGroupnFaceplatesnTrendnSFCnDiagnosticsnAlarm

34、ingl预编程 用户记录l用户工艺流程图n大量3D-图形符号库nMS Windows 接口l系统全局功能检查操作员站画面编辑Profibus-PAProfibus-DPDigiToolControllerDigiVisDevice specific Data in GSD-Files总线设备组态 1 使用GSD -files组态 硬件组态硬件组态数据库建立数据库建立控制回路组态控制回路组态逻辑控制组态逻辑控制组态标准与用户定义l预定义显示 nOverviewnGroupnFaceplatesnTrendnSFCnDiagnosticsnAlarmingl预编程 用户记录l用户工艺流程图n大量3

35、D-图形符号库nMS Windows 接口l系统全局功能检查操作员站画面编辑操作员站画面编辑报表生成报表生成l信号时序记录信号时序记录l事件与过程状态事件与过程状态 改变改变l应急操作应急操作l提示提示l系统系统l工厂工厂/ /操作员记录操作员记录l手动或事件触发手动或事件触发l记录特殊过程值记录特殊过程值l干扰源记录干扰源记录组态数据的编译及下装组态数据的编译及下装系统监控系统监控l三级层次l系统l过程站l模件l自动生成完整系统监控指示l温度报警l输出强置l硬件信息l运行时间lCPU 负载n查询扫描新设备n远程设定设备地址n显示总线扫描周期n现场总线与设备的诊测2.4 DCS 通讯系统通讯系

36、统一、计算机网络和局域网（略）一、计算机网络和局域网（略）二、数据通讯二、数据通讯1、数据、信号与传送、数据、信号与传送（1）模拟数据的模拟信号传送：声音在普通电话线中传送）模拟数据的模拟信号传送：声音在普通电话线中传送（2）模拟数据的数字信号传送：声音或图象通过脉冲编码器（）模拟数据的数字信号传送：声音或图象通过脉冲编码器（PCM）调制调制 在在DCS 中通过中通过A/D转换，经网络传送数字信号。转换，经网络传送数字信号。（3）数字信号的模拟信号传送：调制解调器（）数字信号的模拟信号传送：调制解调器（MODEM）。）。调幅、调频、调幅、调频、 调相。调相。（4）数字数据的数字信号传送：以一定

37、编码的形式（祯）经并行或串行总）数字数据的数字信号传送：以一定编码的形式（祯）经并行或串行总线传送或现场总线传送线传送或现场总线传送2、数据通讯系统的构成、数据通讯系统的构成信信号号变变换换器器信信号号变变换换器器处处理理机机外设外设终端终端终端系统终端系统（模拟信号）（模拟信号）（数字信号）（数字信号）（数字信号）（数字信号）传输系统传输系统处理系统处理系统通信线路通信线路3、同步通信和异步通信、同步通信和异步通信（1）异步通信异步通信:每次传送一个字符（每次传送一个字符（5-8比特），每个字符前面加比特），每个字符前面加1位起位起始位（始位（“0”），后面加），后面加1位校验位和位校验位和

38、1-2位停止位（位停止位（“1”），不传送），不传送字符时连续传送字符时连续传送“1”。接受器根据。接受器根据“1”到到“0”的跳变识别起始位，的跳变识别起始位，确定有新的字符发送时，启动定时器。确定有新的字符发送时，启动定时器。（2）同步通信：同步通信是比异步通信更有效的通信方式，在字符之）同步通信：同步通信是比异步通信更有效的通信方式，在字符之间不加起始位、校验位和停止位等，而成块（数据祯）的传送字符或间不加起始位、校验位和停止位等，而成块（数据祯）的传送字符或比特流。比特流。 4、单工通信和双工通信、单工通信和双工通信（1）单工通信：数据只能沿单一方向进行发送或接收。为了保证数据单工通信

39、：数据只能沿单一方向进行发送或接收。为了保证数据正确接收提供是否重发的信息，还要有一个反向的应答信号。正确接收提供是否重发的信息，还要有一个反向的应答信号。（2）双工通信）双工通信半双工通信：数据可沿两个方向交替传送，但同一时刻只能沿一个方向半双工通信：数据可沿两个方向交替传送，但同一时刻只能沿一个方向 传送，两个方向的应答信号使用同一信道，因此要有控制传送，两个方向的应答信号使用同一信道，因此要有控制 信号流向的设备。信号流向的设备。(RS485)全双工通信：在两个方向上的数据和应答信号均可同时传输，有四条独全双工通信：在两个方向上的数据和应答信号均可同时传输，有四条独 立的信道立的信道(R

40、S422)BABABA数据数据应答应答应答应答应答应答数据数据数据数据（a）（b）（c）三、数据传送中的差错控制三、数据传送中的差错控制例如：例如：发送端码元序列：发送端码元序列：C=01001101011C=01001101011接收端码元序列：接收端码元序列：R=01100110001R=01100110001错误码元序列：错误码元序列：E=C E=C R = 00101011010 R = 00101011010（”1”1”表示错误，表示错误， ”0”0”表示正表示正确）确）突发错误的特点：某一码元出错与其前后码元有相关性，往往使错误成串突发错误的特点：某一码元出错与其前后码元有相关性，

41、往往使错误成串密集的产生。成串的突发错误中第一个错误位到最后一个错误位之间的长密集的产生。成串的突发错误中第一个错误位到最后一个错误位之间的长度（中间可以有不错的位）称为突发长度。度（中间可以有不错的位）称为突发长度。 采取屏蔽措施，选择合理的调制方法（如调相）提高信噪比等，可以采取屏蔽措施，选择合理的调制方法（如调相）提高信噪比等，可以大大降低但不能完全消除差错。目前一般通讯电路中，传输率为大大降低但不能完全消除差错。目前一般通讯电路中，传输率为600-600-24002400bpsbps之间，误码率为之间，误码率为1010-4-4-10-10-6-6，高速传输的误码率为，高速传输的误码率为

42、1010-2-2-10-10-4-4，对，对DCSDCS系统的传输，误码率要求低于系统的传输，误码率要求低于1010-9-9。数据通信中为实现无差错传送而使用的技术称为差错控制数据通信中为实现无差错传送而使用的技术称为差错控制应用抗干扰码应用抗干扰码和纠错。和纠错。差错差错 噪声噪声白噪声：分子热运动引起，随机错误白噪声：分子热运动引起，随机错误冲击噪声：电磁干扰引起，突发错误冲击噪声：电磁干扰引起，突发错误1 1、抗干扰编码的基本思想、抗干扰编码的基本思想 人们交谈时，有时并没有听懂对方讲话的每个字、每个名，但是却能人们交谈时，有时并没有听懂对方讲话的每个字、每个名，但是却能够懂得对方讲话的

43、含义，因为语言中的字与字、名与名之间存在着相关性够懂得对方讲话的含义，因为语言中的字与字、名与名之间存在着相关性和规律性。抗干扰编码就是基于这种思想，使原来不带规律性或规律性不和规律性。抗干扰编码就是基于这种思想，使原来不带规律性或规律性不强的信息序列强的信息序列I，变换为带上规律性或使其规律性加强的序列变换为带上规律性或使其规律性加强的序列C。接收端在接收端在接收时，可利用这种规律性进行检验（解码），从而发现错误，告诉发送接收时，可利用这种规律性进行检验（解码），从而发现错误，告诉发送端重发，或自行纠正错误。在具体编码时，就是在原始序列端重发，或自行纠正错误。在具体编码时，就是在原始序列I的

44、后面，以一的后面，以一定的规则加入一些冗余码元。加入的冗余码元称监督码元或校验码元。因定的规则加入一些冗余码元。加入的冗余码元称监督码元或校验码元。因此，用抗干扰编码的方法提高数据传输系统的可靠性是以牺牲有效性作代此，用抗干扰编码的方法提高数据传输系统的可靠性是以牺牲有效性作代价的。价的。 检错码：指能检查出差错的码。检错码：指能检查出差错的码。 纠错码：不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码。纠错码：不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码。2 2、差错控制的基本方式、差错控制的基本方式（1）自动纠错：）自动纠错： 方式：发送端发送能够纠错的码，接收端收到这些码后，通过纠错码译码方式：发送端发送能

45、够纠错的码，接收端收到这些码后，通过纠错码译码器不仅能自动的发现错误，而且能自动的纠正传输中的错误，然后再把已纠器不仅能自动的发现错误，而且能自动的纠正传输中的错误，然后再把已纠正的数据（或信息）送给接收端，称为前向纠错，简称正的数据（或信息）送给接收端，称为前向纠错，简称FEC。 优点：不需贮存和反馈信道，能用于单向通信，适合不延迟实时通信系统。优点：不需贮存和反馈信道，能用于单向通信，适合不延迟实时通信系统。 缺点：编码必须与信道的噪声干扰情况紧密对应，要求附加的监督码元多，缺点：编码必须与信道的噪声干扰情况紧密对应，要求附加的监督码元多， 传输效率低，解码设备复杂。传输效率低，解码设备复

46、杂。（2）检错重发：）检错重发： 方式：发送端发送能检测差错的码，接收端检验传输中有无差错产生，并方式：发送端发送能检测差错的码，接收端检验传输中有无差错产生，并把检验结果经反馈信道送回到发送端，发送端根据反馈信息把接收端认为有把检验结果经反馈信道送回到发送端，发送端根据反馈信息把接收端认为有错信息再次发送，直到接收端判定无错为止。称为反馈重发纠错，简称错信息再次发送，直到接收端判定无错为止。称为反馈重发纠错，简称ARQ。 优点：比自动纠错能力强，编码与信道的噪声干扰情况无关，要求附加的优点：比自动纠错能力强，编码与信道的噪声干扰情况无关，要求附加的 监督码元少，传输效率低，解码设备简单。监督

47、码元少，传输效率低，解码设备简单。 缺点：需贮存器和反馈信道，只能用于双向通信，有时需要多次重发，实缺点：需贮存器和反馈信道，只能用于双向通信，有时需要多次重发，实 时性不强，而且不论错误多少，一有错就要反馈重发，因此效率低。时性不强，而且不论错误多少，一有错就要反馈重发，因此效率低。（3）自动纠错与检错重发结合的混合纠错方式）自动纠错与检错重发结合的混合纠错方式3 3、检错码（纠错码）、检错码（纠错码）（1 1）奇偶校验码：按一个字符或几个字符构成一组，在每个信息码组后面）奇偶校验码：按一个字符或几个字符构成一组，在每个信息码组后面加一位校验位（或监督位），检验位码元的取值时要使新的码组中加

48、一位校验位（或监督位），检验位码元的取值时要使新的码组中“1”“1”（“0”“0”）的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。可分为垂直奇偶校验）的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。可分为垂直奇偶校验（VRCVRC），），水平奇偶校验水平奇偶校验（LRCLRC），），水平垂直奇偶校验水平垂直奇偶校验（TRCTRC）。）。垂直奇偶校验：以字符（垂直奇偶校验：以字符（8 8bit)bit)为单位，前七位为信息元码（为单位，前七位为信息元码（C C7 7 C C6 6 C C5 5 C C4 4 C C3 3C C2 2 C C1 1 ），），最后一位为校验位（最后一位为校验位（C C0 0），）

49、，若满足：若满足： C C7 7 C C6 6 C C5 5 C C4 4 C C3 3 C C2 2 C C1 1 C C0 0 = 0 = 0，偶校验偶校验 C C7 7 C C6 6 C C5 5 C C4 4 C C3 3 C C2 2 C C1 1 C C0 0 = 1 = 1，奇校验奇校验（2 2）循环冗余码：计算机网络和循环冗余码：计算机网络和DCSDCS中主要应用的抗干扰码。中主要应用的抗干扰码。 A A ：线性码：编码长度线性码：编码长度n = Kn = K位信息码位信息码+ +r r位校验码，表示为（位校验码，表示为（ n n，K K），），例如（例如（7 7，3 3），三

50、个信息码元），三个信息码元C C6 6 C C5 5 C C4 4 ，四个校验码元四个校验码元C C3 3C C2 2 C C1 1 C C0 0，可按以下线性关系求得可按以下线性关系求得 C C3 3 = C= C6 6 C C4 4 C C2 2 = C= C6 6 C C5 5 C C4 4 C C1 1 = C= C6 6 C C5 5 一致检验方程组一致检验方程组 C C0 0 = C= C5 5 C C4 4 B B：循环码：循环码： 四、多路复用技术四、多路复用技术方法：利用一个物理信道同时传输多个信号，提高信道利用率。方法：利用一个物理信道同时传输多个信号，提高信道利用率。分类

51、：分类：1、频分多路复用（、频分多路复用（FDM），），使用几种不同的载波频率调制多个信号使用几种不同的载波频率调制多个信号 形成每条信道上占有一定带宽且互不重叠、有一定频段间隔的多条信道。形成每条信道上占有一定带宽且互不重叠、有一定频段间隔的多条信道。电话线通信和宽带网常用。电话线通信和宽带网常用。 2、时分多路复用（时分多路复用（TDM），），将传输线的使用时间划分为若干周期，将传输线的使用时间划分为若干周期，每一周期再划分为与信道数每一周期再划分为与信道数n相对应的相对应的n个时间片，每一时间片中传输对应序个时间片，每一时间片中传输对应序号的信号。号的信号。五、信息交换技术五、信息交换技

52、术1 1、电路交换（、电路交换（Circuit Switching)Circuit Switching)2 2、报文交换（、报文交换（Message Switching)Message Switching)3 3、分组交换（、分组交换（Packet Switching)Packet Switching)四、多路复用技术四、多路复用技术方法：利用一个物理信道同时传输多个信号，提高信道利用率。方法：利用一个物理信道同时传输多个信号，提高信道利用率。分类：分类：1、频分多路复用（、频分多路复用（FDM），），使用几种不同的载波频率调制多个信号使用几种不同的载波频率调制多个信号 形成每条信道上占有一定

53、带宽且互不重叠、有一定频段间隔的多条信道。形成每条信道上占有一定带宽且互不重叠、有一定频段间隔的多条信道。电话线通信和宽带网常用。电话线通信和宽带网常用。 2、时分多路复用（时分多路复用（TDM），），将传输线的使用时间划分为若干周期，将传输线的使用时间划分为若干周期，每一周期再划分为与信道数每一周期再划分为与信道数n相对应的相对应的n个时间片，每一时间片中传输对应序个时间片，每一时间片中传输对应序号的信号。号的信号。五、信息交换技术五、信息交换技术1 1、电路交换（、电路交换（Circuit Switching)Circuit Switching)2 2、报文交换（、报文交换（Message

54、 Switching)Message Switching)3 3、分组交换（、分组交换（Packet Switching)Packet Switching)六、网络访问的存取控制技术六、网络访问的存取控制技术1 1、轮询（、轮询（Poll)Poll) 适用于集中控制的网络（星形网、树形网、总线网），在适用于集中控制的网络（星形网、树形网、总线网），在DCSDCS中称为中称为1 1对对N N的控制方式，它是由主站向其他站逐个查询，根据查询到站的应答信息，的控制方式，它是由主站向其他站逐个查询，根据查询到站的应答信息，确定该站是否要发信，并确定是否让其发信。确定该站是否要发信，并确定是否让其发信。

55、2 2、令牌传送（令牌传送（Token PassingToken Passing）3 3、碰撞检测的载波侦听多重访问（碰撞检测的载波侦听多重访问（CSMA/CDCSMA/CD）2.5 DCS2.5 DCS的网络通信协议的网络通信协议一、一、DCSDCS网络的标准体系结构网络的标准体系结构控制管理控制管理计算机计算机中央中央操作台操作台生产管理生产管理计算机计算机网间连接器网间连接器网间连接器网间连接器LOSPCPCI/OI/OI/OI/O生产过程生产过程生产过程生产过程LOSPCPCMAPPROWAYPROWAY现场总线现场总线二、通信网络协议二、通信网络协议1、协议组成、协议组成 句法：即数

56、据和控制信息的结构句法：即数据和控制信息的结构 语法：即一组要发送的控制信息，要执行的动作，或要返回的响应；语法：即一组要发送的控制信息，要执行的动作，或要返回的响应； 时标：即时间执行次序的规约时标：即时间执行次序的规约2、分层协议的优点、分层协议的优点 简化协议软件的描述、发展和调试过程；简化协议软件的描述、发展和调试过程； 允许对某一层进行修改，但不影响其他各层；允许对某一层进行修改，但不影响其他各层； 使协议管理简化，并可逐步扩展；使协议管理简化，并可逐步扩展；3、通信网络协议的发展、通信网络协议的发展 ISO：开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型OSI，70年代；年代； IEC：

57、PROWAY协议，协议，75年，相当于年，相当于OSI下面两层下面两层 IEEE：局部网络标准协议，局部网络标准协议， 81年，相当于年，相当于OSI下面两层下面两层 通用汽车：通用汽车：MAP（Manufacturing Automation Protocol）协议协议 80年代年代 三、开放系统互连参考模型三、开放系统互连参考模型OSIOSI7应用应用7应用应用6表示表示6表示表示5会话会话5会话会话4传送传送4传送传送3网络网络3网络网络2链路链路2链路链路1物理物理1物理物理通信线路通信线路H2H3H4H5H6H7数据数据 T2H2H3H4H5H6H7数据数据 T2H3H4H5H6H7

58、数据数据H4H5H6H7数据数据H5H6H7数据数据H6H7数据数据H7数据数据数据数据H2H3H4H5H6H7数据数据 T2H2H3H4H5H6H7数据数据 T2H3H4H5H6H7数据数据H4H5H6H7数据数据H5H6H7数据数据H6H7数据数据H7数据数据数据数据S2S11 1、物理层（、物理层（Physical Layer)Physical Layer) 它是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据位信息从一台设备传它是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据位信息从一台设备传送到另一台设备。目前常用串行通信接口有送到另一台设备。目前常用串行通信接口有RS-232C、RS-422A，

59、RS-485。 机械特性：连接器的规格及其安装机械特性：连接器的规格及其安装 电气特性：传输线上数字信号的电压高低、传输距离和速率电气特性：传输线上数字信号的电压高低、传输距离和速率 功能特性：连接器各插脚的功能功能特性：连接器各插脚的功能 过程特性：规定信号之间的时序关系，正确发送或接收数据过程特性：规定信号之间的时序关系，正确发送或接收数据物理层协议物理层协议123456789TXDRXDRTSCTSGND2 2、数据链路层（、数据链路层（Data Link Layer)Data Link Layer) 数据链路层负责将传送的数据按帧结构格式化，组织成帧，实现差错控数据链路层负责将传送的数

60、据按帧结构格式化，组织成帧，实现差错控制和介质访问控制，实现对物理层的管理。制和介质访问控制，实现对物理层的管理。 （1）面向字符的协议）面向字符的协议 典型为典型为IBM推出的推出的BISYNC（Binary Synchronous Communication),其其组成帧的最小单位为字符。其控制字符如下：组成帧的最小单位为字符。其控制字符如下：SOH(Start of Header)SOH(Start of Header)报头开始；报头开始；STX(Start of Text)STX(Start of Text)文本开始；文本开始；ETX(End of Text)ETX(End of Text)文