计算机分散控制系统第3－5讲讲

1、计算机分散控制系统,第三讲、集散控制系统,过程控制系统的发展历史,一、的基本概念,它是技术的产物（计算机技术、通信技术、控制技术，图形显示技术） 它是通过某种通信网络将现场控制站、操作员站、工程师站联系起来，共同完成分级控制、集中管理的综合控制系统。它的基本设计思想是危险分散、控制功能分散、而操作和管理集中。 英文缩写（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM),二、分散控制系统的产生,在复杂化过程控制需求推动下; 在总结和吸取常规模拟仪表控制优点基础上; 在总结和吸取计算机控制优点的基础上; 综合应用现代科技成果的基础上。,三、集散控制系统的发展历程,经历了三个发展阶段： 第一阶

2、段：1975-1980(初始阶段).TDC2000系统，横河的ECNTUM系统，Bailey公司N-90系统等 这一时期的产品在技术上尚存在一定的局限性； 系统尚采用8位或16位微处理器； 通讯所采用的是初级工业控制局部网络； 有的系统还不具备顺序控制等功能。,第二阶段：1980-1985(成熟阶段).随着信息和网络技术的发展，控制功能增强，系统软硬件水平提高，如CPU由16位向32位发展,价格下降,是DCS的成长阶段。 其特点是：,产品设计走向标准化、模块化,系统的适应性及其扩充的灵活性增强。,工作单元结构化,控制功能更加完善，用户界面更加友好,数据通讯的能力大大加强并向着标准化方向发展,管

3、理功能得到分散,可靠性进一步提高,第三阶段： (80年代中、后期)(1985)年以后扩展阶段.把过程控制监督控制管理调度结合到一块，使的系统功能综合化，网格水平开放化.TDC3000,INFI-90等,是DCS的完善阶段。目前分散控制系统仍在不断融合多种先进技术，使其规模、功能、可靠性、柔软性、适应性、灵活性、实时性、扩展性、经济性等不断完善和提高。,至今,世界上几十家公司已推出近百个分散控制系统品种，且有几代产品。,四、分散控制系统的应用, DCS以良好的技术效果和经济效果，显示出强大的竞争力，被公认为当今最先进的过程控制系统。目前，国内新建的大型火电机组都积极地采用分散控制系统。, DCS

4、一经问世，在电力工业、钢铁冶炼等领域中得到了广泛地应用。不同程度上提高了单元火电机组、炉温等的数据采集与处理、生产过程控制、逻辑控制、监视报警、联锁保护、操作、管理的能力和水平，加速了我国生产自动化的发展,五、集散控制系统的基本组成,它由过程控制单元、数据采集器、CRT操作 站、监控计算机以及高速数据通路等五部分组成。,三级结构说明,1 现场圾,现场级设备一般位于被控生产过程的附近,典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。,例如4-20mA的电信号(一般变送器) 送往控制站或数据采集站，或者将控制站输出的控制量(420mA的电信号)转换成机械位移

5、，带动调节机构，实现对生产过程的控制, 控制级,控制级主要由过程控制站和数据采集站构成,一 般在电厂中，把过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控室后的电子设备室中。,过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去,过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能,数据采集站与过程控制站类似。,监控级,监控级监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。,运行员操作站是运行员与控制系统交换信息的人机接口设备。,工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设

6、计的工作站,工程师工作站一般由Pc机配置一定数量的外部设备所组成，例如打印机、绘图机等。,计算站的主要任务是实现对牛产过程的监督控制，例如机组运行优化和件能计算一般，if算站由超级微型机或小型机构成。,管理级,一般来说，它可能是一个发电厂长级管理汁算机，也可能是经理、总工程帅、值班长等政管理或运行管理人员,厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况。,对管理计算机的要求：,能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。,能够长期保存生产数据的人机接口,丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统等工具软件。,第四讲,的网络通信技术,计算机网络 定义：计算机网络是将地理

7、位置不同，而且具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的网络软件(网络协议、信息交换方式、控制程序和网络操作系统)实现网络资源(硬件、软件、信息)共享的系统。 分类：远程网、广域网、局域网及互联网,网络结构及特点 计算机网络结构，如书上页图2-2所示 主机 接口，又称节点 通信链路 通信子网 资源子网。,通信子网类型： 点对点子网 广播子网。 点对点子网的特点是：每一条通信链路只连接一对节点。如果不是在同一条链路上的两个节点之间要通信，必须经过一些中间节点进行间接通信 点对点子网的拓扑结构主要有全连接、星形连接、环形连接、树形连接以及不规则连接等形式，如书上 页图所

8、示,广播子网的特点： 所有节点共享单一的通信媒体，任何一个节点发出的信息都能直接被所有节点接收到，而不需经过中间节点的转接，因此，又称多点共享。 广播子网传播方式： 有无线 无线 其中总线网和环形总线网是有线广播子网的常见拓扑结构，如图2-4所示，其中图24a为总线网，图2-4b为环形总线网。,a)总线网b)环形总线网 图2-4广播子网拓扑结构,通信介质 通信介质又称传输介质或信道，是指连接网上各节点之间的物理信号通路。常见的通信介质有三种： 双绞线 同轴电缆 光缆 a)双绞线 b)同轴电缆 C)光缆 图25通信介质,对通讯介质作进一步说明：,通讯介质是连接系统各个站点的物理信号通道。,在DC

9、S中,数据通讯普遍采用的通讯介质有以下三种：,（一）双绞线,适应于低速传输场合，,最大带宽约100kHz1MHz， 传输速率一般小于2Mbps。,模拟信号传输时每56km要有一个放大器， 数字信号传输时每23km需要一个转发器。,（二）同轴电缆,同轴电缆大致可分两类：,1、基带同轴电缆（如50同轴电缆）,2、宽带同轴电缆（如75同轴电缆）,（三）光缆,光缆中的信息是以光的形式传输的，它对电磁干扰几乎毫无反应。,主要缺点是分支、连接比较困难和复杂，需采用专用的光缆连接器。, 4 数据通信 通信的目的就是传输信息(如语言、文字、数码、符号、图像等)。传输信息的实体就是数据 数字数据 模拟数据 信息

10、的传送有以下4种组合形式 ： 1模拟数据的模拟信号传送 2模拟数据的数字信号传送 3数字数据的模拟信号传送 4数字数据的数字信号传送,通信的类型,存在两大类通信方式：非电通信和电通信。其中电通信在工业过程中的应用极为普通，它可分为三种类型：,1模拟通信： 是以模拟信号传输信息的通信方式。 例如：在常规控制系统中采用的010mA或420mA或05V的模拟电信号。,2数字通信： 是将模似电信号转换为数字信号后，再进行传输的通信方式。 例如：A/D转换器与CPU之间的信息传输。,3数据通信： 是一种通过计算机或其它数字装置与通信线路相结合，实现对数据信息（具有一定编码、格式和位长要求的数字信息）的传

11、输、转换、存储和处理的通信技术。,数据通信与数字通信的不同之处是： 数字通信的信息源发出的是模拟信号； 数据通信的信息源发出的是数字信息。 数据通信是本章讨论的主题,根据不同的分类方法加以说明。,数据通信方式,特点：线路投资省，传输速度比并行通信的速度慢。,（一）按数据位的传送方式分，有：,1并行通信方式：将一个二进制数据的所有位同时传送的方式，如图所示。,特点：传送速度快，线路成本高。,2串行通信方式：将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，如图所示。,只适用于近距离的数据通信。,适用于长距离传送。,（二）按信息的传送方向分，有：,2半双工（Half duplex）通信方式：允许信息在两个方向上

12、传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，如图所示。,3全双工（Full duplex）通信方式。允许信息同时在两个方向上进行传输，如图所示。,1单工（Simplex）通信方式：只允许信息沿一个方向（而不能作反向）传输。如图所示。,2调制/解调连接的通信方式：将计算机输出数据经并/串转换后进行调制，然后在双芯传送线上发送；而接收端对收到的信息进行解调，然后经串/并转换使数据复原，如图所示。,（三）按连接方式分，有：,1总线连接的通信方式：将两台计算机的总线通过缓冲转换器直接相连。如图所示。,3过程I/O连接的通信方式：利用计算机的输入/输出接口的功能传送数据的，如图所示。,4高速数据通道连接的通

13、信方式：采用二进制串行高速传送的方式，如图所示。,实现数字数据的数字信号编码方法有多种，常用的3种编码方式：如书上图27所示 不归零制编码(NRZ) 曼彻斯特(Manchester)编码：重点掌握 差分曼彻斯特编码, 5数据传输中的差错控制 数据传输系统的基本任务就是高效、无差错地传送数据，但任何传输信道(或传输过程)都会存在一定程度的噪声或干扰，导致接收端收到的二进制数据序列R与发送端发送出来的二进制数据序列C不一致，即产生“差错”。 例如： C=0 1 0 0 l 1 0 1 0 1 1 R=0 1 1 0 0 l 1 0 0 0 1 C与R比较，可知第3、5、7、8、10位的二进制数据发

14、生了错误。,常用的抗干扰编码有：奇偶校验码，循环冗余码。 1奇偶校验码 垂直奇偶校验 水平奇偶校验 水平垂直奇偶校验 2循环冗余码,循环冗余校验的编码和检错方法： 是通过位移寄存器 触发器等硬件予以实现 现已制成各种适应不同生成多项式的专用集成电路芯片供选用，使得编码和检错电路的实现更为简单方便。, 数据通信的技术指标,1数据传输速率单位时间内传送的信息量。,2信道容量信道所具有的最大传输能力,3误码率二进制码元在传输系统中被传错的概率。,第五讲,一、的通信网络,、通信网络的特点： 实时性好 能适应恶劣的工业现场环境 分层结构 高可靠性,与一般的商用局域网络（邮电通信网络、办公自动化网络等）不

15、同，用于工业控制局域网具有自己突出的特点，主要体现在以下几个方面：,1具有快速实时响应能力,2具有恶劣环境的适应性,3具有极高的可靠性,4具有合理的分层网络结构,、通信网络形式：,主从通信方式,同等同等网络形式：,、通信网络的硬件构成,传输介质：电缆光缆双绞线 接口电子设备：调制解调器网络适配器等,、通信网络的拓扑结构,星形网络结构 树形网络结构 环形网络结构 总线形网络结构 复合形网络结构,二、的通信协议,定义：在网络上定义数据资料传输规范的协议. 中常用的通信协议有： IEEE802标准协议 美国通用汽车公司MAP协议 PROWAY标准协议,在计算机通信网络中，对所有的站点来说，它们都要共

16、享网络中的资源。但由于挂接在网上的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同的生产厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。因此，需要有一套所有“成员”共同遵守的“约定”，以便实现彼此的通信和资源共享。这种约定称为“网络协议”。,（一）、网络协议,为了便于实现网络的标准化，国际上一些标准化组织已在工业控制局域网络协议的标准化方面做了大量地工作。,本节扼要介绍目前较有影响的协议结构框架和有关协议标准。,国际标准化组织（ISO）于1977年成立了一个研究通信任务体系结构的分委员会，针对网络通信在功能上的层次，提出了开放系统互连（Open System Inter

17、connection 简称OSI）参考模型，从而定义了任何计算机互连时通信任务的结构框架。,、协议层次参考模型,如图所示。,OSI参考模型层次分明，每一层都具有相对独立的功能来完成一块通信子任务，并且下层为上层提供服务，各层之间的相互依赖关系确定。这使得通信系统的设计、实现、修改和扩充更为规范化、便利化。,应当指出：开放系统互连（OSI）参考模型，并非是协议标准，它仅仅是为协议标准提供了一个宏观的开放系统互连的概念和一种主体结构（协议层次），供制定各种协议标准参考。一般的过程控制局域网协议都是在OSI参考模型的基础上建立起来的。,电气与电子工程师协会（IEEE）1980年2月成立了一个名为802课题组（IEEE Standards Project 802），于1981年底提出了IEEE802局域网标准。该标准目前在国际上已获得广泛的认可与应用。,、IEEE802局域网标准,三、DCS的网络控制方式,常用的控制方式大致可分为三类：,四、工业上常用