集散控制系统及设备

项目九集散控制系统及设备集散控制系统的英文原名为:DistributedControlSystem，简称DCS，通常也称为集散控制系统。集散控制系统的控制功能，主要由计算机技（computer）、控制技术（Control）、显示技术（CRT）和通信技术（communicate）来完成，一般也称为4C技术，4C技术是DCS系统的四大支柱。DCS中通信技术更为重要，操作员站的操作、工程师站系统的组态以及现场设备信息的交换都依靠通信技术来完成。1任务二十七DCS的通信技术

通信技术就是研究通信设备（通常就是计算机）如何进行信息交换。例如，使用鼠标或键盘在计算机屏幕上对某个现场阀门进行开大或关小操作，实际的操作过程是：该操作首先翻译成二进制数据(在操作站完成)，然后通过数据总线传递到现场的控制计算机(在DPU中完成)，再由现场控制计算机将控制信息发送到对应阀门的卡件，通过适当的卡件最终完成操作。2一、数据通信的基本原理1.数据通信网络和拓扑结构DCS计算机之间的通信依靠计算机网络来完成。计算机网络是将物理位置不同的计算机或计算机系统通过通信装置、设备和线路将其连接起来，并按一定标准（通信协议）完成信号和数据交换网络。大型计算机网络结构非常复杂，也有十分简单可以称为网络的计算机连接。（简单的计算机网络）人们描述计算机网络结构时，常使用网络拓扑结构图。3图9-1最简单计算机网络的拓扑结构这是最简单的计算机网络，一般在描述网络拓扑结构时往往仅画出节点和通信链路。通常，把节点和通信链路的集合统称为通信子网。4计算机网络拓扑结构基本形式有三种：环形、总线形和星形，见下图9-2。复杂网络可以由基本网络连接而成。星型网：所有外围计算机之间的通信都必须经过中间的通信装置。环形网络：通信沿着环顺或逆时针进行。总线形网络：是目前多数电厂控制网络结构模式，各点依靠总线可以直接通信，通信速度比较高。5由通信方式的不同可以将通信网络分成点点子网（存储转发式）和广播子网（多点共享子网）。星形网和环形网络属于点点子网（存储转发）。总线网属于广播子网。当一个接点要发送信息到另外一个接点时，是将带有地址信息的数据首先发送到总线上（称为广播），所有连接在总线上设备都要接受该信息（称为听到），然后分析信息中地址和自己地址是否相同，相同在保存信息，否则将信息抛弃。2、数据传输方式

所有计算机通信全部采用二进制。传递二进制数共分两种方式，即并行通信和串行通信。并行是一次同时传递数个二进制位，通信接点之间的连线数目和通信的二进制位数相同，长距离通信十分浪费材料。串行通信是常用的通信方式。6通信节点通信节点通信节点通信节点并行通信，每传递一位二进制数就需要一条线路。传递二进制数据位数越多，需要的线路越多，不利于长距离通信，打印机多采用并行通信。串行通信最少可以使用三根线来进行，一根通信由左向右；另一根由右向左；加上公用地共三根可以使用双向（双工）通信。7（1）、串行异步通信（原理讲解）图9-4串行异步通信波形图

8例如：甲方向乙方传递1100101，7位二进制数据，增加一个偶检验位，两位停止位。所谓偶检验就是在传输数据时，保证数据中“1”的个数加上偶检验位“1”的个数后，必须为偶数。就本例而言，数据中已经存在4个”1“，已经是偶数，所以偶检验的检验位只能添“0”，否则“1”的个数就变成奇数。偶检验时，接收方（乙方）收到数据后将数据连同检验位一起，计算“1”的个数，如果为偶数，说明传输正确。当数据传输过程中由于干扰将某一位改变，例如将“1”变成“0”，或者相反，都会造成“1”的个数不是偶数。9电压表01奇检验和偶检验类似，只不过传输数据要求“1”的个数为奇数。为了便于理解下面的例子假设一个时间单位（秒）传输一位二进制数，既传输速率为1波特。当左侧的开关打开时，右侧电压表读数为0，表示甲方传递给乙方数据为0。当左侧的开关闭合时，右侧电压表读数为1，表示甲方传递给乙方数据为1。甲方乙方10电平高度秒1012345678910传输数据方（甲方）数据波形图甲方在发送数据前始终保持高电平甲方将高电平变成低电平就是告诉乙方，甲方开始发送数据。这个低电平（表示开始的信号）要延长一位数据所占的时间长度。一个数据单位时间内保持高电平，表示发送数据为“1”。一个数据单位时间内保持高电平，表示发送数据为“1”。一个数据单位时间内保持低电平，表示发送数据为“0”。一个数据单位时间内保持低电平，表示发送数据为“0”。奇偶检验位（本例为偶检验），计算机数据位中“1”的个数，连同本位在内，必须为偶数个“1”。甲方使用不小于两个数据位时间宽度的高电平，表示数据传输结束。11接收数据方（乙方）数据接收过程图电平高度秒1012345678910在发送方输出高电平（表示发送停止）期间，接收方以1/16数据单位时间间隔，检测是否有低电平出现。一旦检测到低电平，表示对方开始发送数据。发现对方发送低电平后，乙方将检测频率放慢，1/2数据位时间宽度后，再采样一次，如果继续低电平表示真的数据发送开始。否则前次肯定为干扰。以后每间隔一个数据位时间间隔，采样一次，每次采样结果就是甲方发送来的数据。甲方发送的停止位必须大于两个（原来约定）数据位时间宽度，否则通信失败。12（2）、串行同步通信异步的开始位和停止位影响了通信速度，如果存在大量数据需要传送时，通信速度必然受到限制。同步通信当对方示意开始传送后将大块数据连续不断地传送到对方，可以提高效率。传递数据双方示意开始或结束信号称为同步，同步通信的“同步”可以由两种方式来实现，一种称为硬件同步在异步通信线路基础上增加一条专门用于同步的“同步”线，主要是表示发送数据开始或结束。另一种为软同步，由发送的特殊字符表示开始或结束。13图9-5串行同步通信数据块结构软同步结构示意图。帧头和帧尾分别表示数据的开始或结束。DCS中通信多数采用同步通信模式。串行同步通信一般存在两种形式：①在发送方和接收方之间利用一根专门的数据同步线来传递同步信号，称为外同步法。②数据帧同步是将要传递的多位二进制数据，组成一个数据块，在数据块的前后分别加上前、后同步控制和检验字段（分别称为帧头和帧尾），帧头表示发送方开始发送数据，帧尾表示发送数据结束。14（3）、基带传输与宽带传输A）基带传输（直接数据传输）：利用线路直接将表示数字的高低电平直接传输到对方。在局域网中经常使用基带传输模式进行数据传送。为了防止分布参数对数据产生干扰，一般使用曼彻斯特编码方式。图9-6曼彻斯特编码波形

原则1：在每个时钟下降沿上形成数据。原则2：上跳表示0；下跳表示1。原则3：相邻数据不同时表示数据的电平保持不变，相邻数据不相同时，表示完数据的跳变发生后，在数据通信无效期间，变化电平准备表示下一数据。15B）宽带传输；通过调制手段在一条通信线路上可以同时传递多路通信。如闭路电视系统。图9-7调制解调器工作原理示意图将串行信号（基带信号）通过调幅或调频方法，转换成具有一定频率的电信号。这样不仅可以在一条线路上实现多路通信，而且可以信号远距离传递。宽带通信特点：存在调节解调器。拨号上网等需要猫的都属于该类型163、数据传输中的差错处理通信线路经常受到干扰，通信错误在所难免，如何知道对方发送出现错误成为纠正错误的关键。（1）奇偶检验法事先约定（通信协议）一种检验方法后，利用串行通信的奇偶检验位来实现奇偶检验法。发送方利用该位使数据变成偶数或奇数个“1”，对方接受数据后连同奇偶位一起计算，若为偶数或奇数表示通信成功，否则重新传送数据。17（2）垂直水平奇偶检验法每一个串行通信数据称为水平检验发送一定数量水平数据后，补发一个专门用于垂直检验的检验数据。可以发现窄脉冲的干扰18（3）循环检验码循环检验码不仅可以发现错误，而且利用CRC余码还可以纠正错误数据。是目前计算机通信常用的检验码。信息码校验码码字0000000000000000111010011101010011101001110111010011101010011101001110101001110100111101001110100111101001110100要发送的三位信息码防止发送错误的四位检验码形成的可以检验错误的发送码字。该码字特点：全0除外，任何一个数据向左或右循环移动一位，会变成另外一个码字，所以称为循环码。循环是线性码的一种。显然对这种码的全0，全“1”都会被对方发现是错误码，只有将该码字所有码左或右循环移动一位，方能让对方接受，显然这样的干扰出现的几率几乎为019如何生成循环码例：设信息码系列m=101，采用生成多项式g（x）=1+x2+x3+x4，将其生成（7，3）发送码。1）将要发送的码写成多项式形式例如要发送二进制110，则多项式形式为：2）将以上多项式两边同乘以X7-3，即X4203）使用第2步生成的多项式除以“生成多项式”一种循环码只能找到一个类似多项式。214）将第2步得到的多项式和第3步余数相加得到的多项式相加成为要发送的码字。将以上多项式变成二进制为：1101001其实对于（7，3）码来讲只能发送7个信息码。第三步得到的余数X3+1称为循环冗余码，简称CRC。224、12、16、32位生成多项式g（x）表达式如下：23二、数据通信的传输介质1.双绞线（1）物理结构双绞线由两根均匀排列成螺旋状的绝缘铜导线组成。通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包着硬的保护性护套。具体结构见图9-11双绞线结构示意图。双绞线两根导线绞扭，可减少两根导线之间的电磁干扰。图9-11双绞线结构示意图24图9-12双绞线功能说明

从左侧来看：发送组一条为数据线，另一条为地线从左侧来看：接受组，一条为数据线，一条为地。25（2）传输特性双绞线可以传输模拟信号也可以传输数字信号。传输模拟信号时，大约数公里就需要一个信号放大器。传输数字信号时，每2~3公里需要一个中继转发器（主要作用是信号整形）。在局域网络中，双绞线多用于一个建筑物内的信号传递。2.同轴电缆

同轴电缆有细缆和粗缆之分，除使用的接头不同外，细缆柔软容易弯曲在现场布线比较方便，但传输距离不如粗缆远。粗缆外层屏蔽坚硬不易弯曲，尤其对于复杂空间布线不方便，但传输距离比细缆远。26（1）物理结构同轴电缆由两个导体组成，其外导体是一个空心圆柱形导体，它围裹着一个内芯线导体，外导体除了有导电作用外，还具有屏蔽电磁场防止干扰的作用。图9-13具体结构见273.光导纤维电缆1）物理结构光导纤维由两层折射率不同的材料构成。内层物质具有非常高的折射率，光线传输主要靠内层进行。外层物质几乎对光线没有折射，光线一旦接触到外层就会被外层材料所吸收，外层相当于是光的绝缘体，主要作用防止光纤之间光信号的相互干扰。

图9-14光纤内部结构示意图光导纤维的外层有吸收光线的物质，以保证光纤之间的相互干扰。28（2）传输特性在没有转发器的情况下，一般传输距离为数十公里。光纤不受电磁干扰或电磁噪声的影响，误码率极低，可实现远距离、高速率传输，有很好的保密性。三、DCS中常用的网络协议国际化标准组织（ISO）于1978年3月公布了网络开方系统互连参考模型，简称OSI。1982年4月形成国际标准参考模型，以指导计算机网络的发展和建设。OSI标准共制定了7层分层协议，从低层到高层分别为：29第一层物理层：一般使用电路来实现，在它上层（第二层）链路层控制下，按一定编码形式，将二进制数发送给对方电路。物理层对通讯电路作了详细具体的规范，各厂家只要按此规范制作通讯电路，各厂家通讯电路就可以随意互换。第二层链路层：对于总线型网络（连接在网络上的计算机相互可以直接通信），确定其通信方式；对于复杂网络完成通信链路的连接与拆除等。第三至第六层协议和总线型网络无关。内容较专业，这里不再详述。第七层应用层：各种应用程序。例如，现场运行人员操作界面对应的程序、热工人员使用的系统组态程序等。301.以太协议（Ethernet）（1）以太网络结构一条电缆线路上最多可以连接100个设备，称为一段通过中继设备（整形放大）可以将两个段连接起来。31（2）通信原理由于是总线网（广播网）所以任何两点之间都可以直接通信。采取广播方式优点是通信方便但可能会造成数据碰撞（同时向总线发送信息）。以太协议中的CSMA/CD协议，专门针对此类问题而制定。该协议规定，发送信息的计算机首先侦听（接受网络上信息）网络上是否有信息在发送，若能接收到信息说明有节点在发送信息，随机等待一段时间后再侦听。否则通过总线向对方发送信息。在发送信息期间也要将发送信息再接收，观察是否为自己发送出的信息，若不是说明总线上发生了信息碰撞，随机等待后继续发送。总之规则为，谁“抢占了”总线谁发言。32Ethernet多采用基带传送模式，总线上的信号使用曼彻斯特编码，由于这种编码每个数据位至少有一个跳变，因此方便实现载波侦听。64位48位48位16位46~1500位32位包前同步字符目的站地址源站地址类型数据CRC33图9-16Ethernet协议及层间接口以太网络中规定了物理层（电路）信号规则，使用曼彻斯特编码格式。数据链路层则由硬件和软件共同来实现。主要有两个任务：一是数据打包（分帧）、安装数据地址和差错处理等；二是链路管理，保证数据准确发送和接收，如总线数据碰撞检测、通信方式选择、差错检验等342.IEEE802.2协议IEEE802.2协议是电气和电子工程协会（InstituteOfElectricalandElectronicsEhgineers）制定的局域网标准。IEEE802.2协议也是针对总线网制定的通信协议，和Ethernet协议几乎完全相同

。IEEE802.2协议比Ethernet协议更加