DCS集散控制系統(tǒng)

1、1,第2章集散控制系統(tǒng),基 礎 知 識,2,集散控制系統(tǒng)的體系結構 集散控制系統(tǒng)的硬件結構 集散控制系統(tǒng)的軟件體系 集散控制系統(tǒng)的基本功能 數(shù)據(jù)通信技術,3,2.1 集散控系統(tǒng)的體系結構,本節(jié)內容提要,集散控制系統(tǒng)體系結構的特征 縱向分層 橫向分散 設備分級 網(wǎng)絡分層,按照功能，集散控制系統(tǒng)設備分為四級 現(xiàn)場控制級 過程控制級 過程管理級 經營管理級,與四級設備對應的四層網(wǎng)絡 現(xiàn)場網(wǎng)絡 控制網(wǎng)絡 監(jiān)控網(wǎng)絡 管理網(wǎng)絡,4,圖2.1 集散控制系統(tǒng)的體系結構,現(xiàn)場網(wǎng)絡,控制網(wǎng)絡,監(jiān)控網(wǎng)絡,管理網(wǎng)絡,5,1.現(xiàn)場控制級,典型的現(xiàn)場控制級設備 各類傳感器 各類變送器 各類執(zhí)行器 現(xiàn)場控制級設備的主要任務

2、 完成過程數(shù)據(jù)采集與處理。 直接輸出操作命令、實現(xiàn)分散控制。 完成與上級設備的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫共享,6,2.過程控制級,過程控制級主要設備：過程控制站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場總線服務器等。 過程控制站 產生控制作用。 可以實現(xiàn)反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能,7,數(shù)據(jù)采集站 接收大量的非控制過程信息； 不直接完成控制功能。 現(xiàn)場總線服務器 一臺安裝了現(xiàn)場總線接口卡與dcs監(jiān)控網(wǎng)絡接口卡的計算機。 過程控制級設備的主要功能 采集過程數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉換與處理； 對生產過程進行監(jiān)測和控制； 現(xiàn)場設備及 i/o 卡件的自診斷； 與過程管理級進行數(shù)據(jù)通信,8,3.過程管理級,過程管理級的主

3、要設備：操作站、工程師站和監(jiān)控計算機等。 操作站 操作人員與dcs相互交換信息的人機接口設備； dcs的核心顯示、監(jiān)視、操作和管理裝置。 工程師站 對dcs進行配置、組態(tài)、調試、維護。 監(jiān)控計算機 實現(xiàn)對生產過程的監(jiān)督控制； 機組運行優(yōu)化和性能計算，先進控制策略的實現(xiàn)等,9,過程管理級設備的主要功能 對生產過程進行監(jiān)測和控制； 對dcs進行配置、組態(tài)、調試、維護 ； 對各種設計文件進行歸類和管理 。 實現(xiàn)對生產過程的監(jiān)督控制，故障檢測和數(shù)據(jù)存檔,10,4.經營管理級,經營管理級的設備可能是廠級管理計算機，也可能是若干個生產裝置的管理計算機。 廠級管理系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視企業(yè)各部門的運行情況。

4、管理計算機的要求是具有能夠對控制系統(tǒng)做出高速反應的實時操作系統(tǒng),11,經營管理級設備的主要功能 監(jiān)視企業(yè)各部門的運行情況 ； 實時監(jiān)控承擔全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務 ； 日常管理承擔全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務,12,2.2 集散控制系統(tǒng)的硬件結構,本節(jié)內容提要,控制站包括現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等。 機柜 電源 控制計算機 其他部件,操作站一般分為操作員站和工程師站 。 操作臺 微處理機系統(tǒng) 圖形顯示設備 操作鍵盤和鼠標 打印輸出設備等,冗余技術 冗余方式：多重化自動備用和手動備用。 冗余措施：通信網(wǎng)絡冗余、操作站冗余、現(xiàn)場控制站冗余、電源冗余、輸入/

5、輸出模塊冗余,13,2.2.1 現(xiàn)場控制站,主要設備：現(xiàn)場控制單元。 主要任務：進行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。 用戶可以根據(jù)不同的應用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構成現(xiàn)場控制站。 以面向連續(xù)生產的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構成一個可以實現(xiàn)多種復雜控制方案的現(xiàn)場控制站; 以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站； 構成對大批量過程信號進行總體信息采集的現(xiàn)場控制站,14,1.機柜,現(xiàn)場控制站機柜,中央控制室機柜間,機柜間機柜組,有了現(xiàn)場控制站，生產過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證,15,現(xiàn)場控制單元,多層i/o卡件箱,電源單元,通信接口,接

6、線端子板,機柜正面（前面,機柜背面（后面,現(xiàn)場控制站機柜,16,2.電源,電源系統(tǒng)的可靠性措施 每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。 采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響。 采用交流電子調壓器，快速穩(wěn)定供電電壓。 配有不間斷供電電源 ups，以保證供電的連續(xù)性。 現(xiàn)場控制站內各功能模塊所需直流電源一般為5v、15v(或12 v)、以及+24v,17,增加直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性措施 給主機供電與給現(xiàn)場設備供電的電源要在電氣上隔離，以減少相互間的干擾 。 采用冗余的雙電源方式給各功能模塊供電。 一般由統(tǒng)一的主電源單元將交流電變?yōu)?24v 直流電供給柜

7、內的直流母線，然后通過 dc-dc 轉換方式將 24v 直流電源變換為子電源所需的電壓。 主電源一般采用 1:1 冗余配 置，而子電源一般采用 n:1 冗余配置,18,3.控制計算機,控制器,電源單元,i/o卡件,現(xiàn)場總線接口卡件,導軌,控制計算機,19,控制計算機一般是由 cpu、存儲器、輸入 / 輸出通道等基本部分組成。 (1)cpu 用以實現(xiàn)算術運算和邏輯運算。 可以執(zhí)行復雜的先進控制算法，如自動整定、預測控制、模糊控制和自適應控制等,20,2)存儲器 控制計算機的存儲器分為ram和rom。 在控制計算機中 rom 占有較大的比例。 由于控制計算機在正常工作時運行的是一套固定的程序，dc

8、s中大都采用了程序固化的辦法。 在冗余控制計算機系統(tǒng)中，還特別設有雙端口隨機存儲器ram ，其中存放有過程輸入輸出數(shù)據(jù)、設定值和pid參數(shù)等,21,3)總線 總線是將現(xiàn)場控制站內部各單元連接起來的通信介質。 (4)輸入/輸出通道 模擬量輸入/輸出(ai/ao) 開關量輸入/輸出(si/so) 數(shù)字量輸入/輸出(di/do) 脈沖量輸入通道 (pi,22,模擬量輸入輸出通道(ai/ao) 模擬量輸入通道(ai) 模擬量輸入通道(ai)將來自在線檢測儀表和變送器的連續(xù)性模擬電信號轉換成數(shù)字信號，送給cpu進行處理。 模擬量輸出通道(ao) 模擬量輸出通道(ao)一般將計算機輸出的數(shù)字信號轉換為4-

9、20madc(或1-5vdc) 的連續(xù)直流信號，用于控制各種執(zhí)行機構,23,開關量輸入/輸出通道(si/so) 開關量輸入通道(si)主要用來采集各種限位開關、繼電器 或電磁閥連動觸點的開、關狀態(tài)，并輸入至計算機。 開關量輸出通道(so)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報警器等只具有開、關兩種狀態(tài)的設備,脈沖輸入通道(pi) 脈沖輸入通道(pi)將現(xiàn)場儀表（如渦輪流量計等）輸出的為脈沖信號處理后送入計算機,24,2.2.2 操作站,嵌入型臺式操作站,桌面型操作站,信息報警站,工程師站,控制站,顯示器,標準鍵盤,主機,操作站主機柜,工作臺,中央控制室設備,25,dcs 操作站一般分為操作

10、員站和工程師站兩種。 工程師站主要是技術人員與控制系統(tǒng)的人機接口，可以對應用系統(tǒng)進行監(jiān)視。 工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略。 有些小型dcs的工程師站可以用一個操作員站代替,26,操作臺 微處理機系統(tǒng) 外部存儲設備 圖形顯示設備 操作鍵盤和鼠標 打印輸出設備,dcs 操作站主要設備,操作站設備,27,2.2.3 冗余技術,1. 冗余方式,28,同 步 運 轉,29,同步運轉方式 讓兩臺或兩臺以上的設備或部件同步運行，進行相同的處理，并將其輸出進行核對。 兩臺設備同步運行，只有當它們的輸出一致時，才作為正確的輸出，這種系統(tǒng)稱為“雙重

11、化系統(tǒng)”(dual system)。 三臺設備同步運行，將三臺設備的輸出信號進行比較，取兩個相等的輸出作為正確的輸出值，這就是設備的三重化設置,30,待機運轉方式 同時配備兩臺設備，使一臺設備處于待機備用狀態(tài)。 當工作設備發(fā)生故障時，啟動待機設備來保證系統(tǒng)正常運行。這種方式稱為1:1 的備用方式。 對于n臺同樣設備，采用一臺待機設備的備用方式就稱為 n:1 備用。 待機運行方式是 dcs 中主要采用的冗余技術,31,后退運轉方式 使用多臺設備，在正常運行時，各自分擔各種功能運行。 當其中之一發(fā)生故障時，其他設備放棄其中一些不重要的功能，進行互相備用,32,簡易的手動備用方式 采用手動操作方式實

12、現(xiàn)對自動控制方式的備用。 當自動方式發(fā)生故障時，通過切換成手動工作方式，來保持系統(tǒng)的控制功能,33,2.冗余措施,通信網(wǎng)絡的冗余：采用一備一用的配置。 操作站的冗余：采用工作冗余的方式。 現(xiàn)場控制站的冗余：有的采用 1:1 冗余，也有的采用n:1 冗余。采用無中斷自動切換方式。 電源的冗余：除了 220v 交流供電外，還采用了鎳鎘電池、鉛鈣電池以及干電池等多級掉電保護措施。 輸入/輸出模塊的冗余：部分重要卡件采用 1:1 冗余。 dcs軟件還采用了信息冗余技術,34,2.3 集散控制系統(tǒng)的軟件體系,本節(jié)內容提要,軟件體系 組態(tài)軟件、控制層軟件和監(jiān)控軟件的功能,35,dcs軟件主要分為： 組態(tài)軟

13、件、控制層軟件、監(jiān)控軟件 （1）組態(tài)軟件：安裝于工程師站。完成系統(tǒng)控制層軟件和監(jiān)控軟件的組態(tài)功能。 根據(jù)實際生產過程控制的需要，預先將dcs所提供的硬件設備和軟件功能模塊組織起來，以完成特定的任務。 要做的組態(tài)主要包括： 硬件配置 數(shù)據(jù)庫組態(tài) 控制算法組態(tài) 流程顯示及操作畫面組態(tài) 報表組態(tài) 編譯和下裝,36,2）控制層軟件：特指運行于現(xiàn)場控制站的控制器中的軟件，針對控制對象，完成控制功能。 其基本功能：i/o數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)組織管理、控制運算及i/o數(shù)據(jù)的輸出,37,3）監(jiān)控軟件 指操作員站或工程師站上的軟件，主要完成操作人員所發(fā)出的各個命令的執(zhí)行、圖形與畫面的顯示、報警信息的顯示

14、處理、對現(xiàn)場各類檢測數(shù)據(jù)的集中處理,38,2.4 集散控制系統(tǒng)的基本功能,本節(jié)內容提要,控制站的基本功能 反饋控制 邏輯控制 順序控制 批量控制 數(shù)據(jù)采集與處理 數(shù)據(jù)通信,操作站的基本功能 顯示 操作 報警 組態(tài) 系統(tǒng)維護 報告生成,自診斷功能 離線自診斷 在線自診斷 顯示故障代碼 定位故障卡件,39,1.反饋控制,2.4.1 現(xiàn)場控制站的基本功能,反饋控制功能分布圖,40,1)輸入信號處理,模擬輸入信號處理 合理性檢驗 零偏修正 規(guī)格化 工程量變換 非線性處理 開方運算 補償運算 脈沖序列的瞬時值變換及累計,41,對于數(shù)字信號 狀態(tài)報警及輸出方式處理。 對于脈沖序列 瞬時值變換及累積計算,4

15、2,報警類型 儀表異常報警、絕對值報警、偏差報警、速率報警以及累計值報警等。 報警限值 為了實現(xiàn)預報警，dcs中通常還設置了多重報警限，如上限、上上限、下限、下下限等。 報警優(yōu)先級 報警優(yōu)先級參數(shù) 報警鏈中斷參數(shù) 最高報警選擇參數(shù),2)報警處理,43,3)控制運算,常規(guī) pid 微分先行pid 積分分離 開關控制 時間比例式開關控制 信號選擇 比率設定,常 用 算 法,時間程序設定 smith 預估控制 多變量解耦控制 一階滯后運算 超前-滯后運算 其他運算等,44,4) 控制回路組態(tài),根據(jù)控制策略的需要，將一些功能模塊通過軟件連接起來，構成檢測回路或控制回路,溫度與壓力串級控制系統(tǒng)回路組態(tài)圖

16、,45,5)輸出信號處理,輸出開路檢驗 輸出上下限檢驗 輸出變化率限幅 模擬輸出 開關輸出 脈沖寬度輸出,46,2.邏輯控制,根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關系進行的控制。 在dcs中，由邏輯功能模塊實現(xiàn)邏輯控制功能,邏 輯 控 制 功 能,與 ( and ) 或 ( or ) 非 ( no ) 異或 ( xor ) 連接 ( link,進行延時 ( on delay ) 停止延時 ( off delay ) 觸發(fā)器 ( flip - flop) 脈沖 ( pulse,47,3.順序控制,順序控制：按預定的動作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動作程序。 順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入 / 輸

17、出監(jiān)視等功能。 實現(xiàn)順序控制的常用方法 順序表法 程序語言方式 梯形圖法,48,順序表法 將控制順序按邏輯關系和時間關系預先編成順序記錄，存儲于管理文件中，然后逐項執(zhí)行。 程序語言方式 通過語言編程來實現(xiàn)順序控制。 梯形圖法（梯形邏輯控制語言） 由繼電器邏輯電路圖演變而來的一種解釋執(zhí)行程序的設計語言。 隨著 dcs 的發(fā)展，已出現(xiàn)了梯形邏輯與連續(xù)控制算法相結合的復合控制功能,49,4.批量控制,根據(jù)工藝要求，將反饋控制與邏輯、順序控制結合起來，使一個間歇式生產過程得到合格產品的控制。 反饋控制的報警信號 回路狀態(tài)信號 模擬信號的比較、判斷、運算結果,順序控制的條件信號,50,回路的切換 參數(shù)的

18、變更 設定值的調整 控制算法的變更 控制方案的變更,由順序控制轉換為反饋控制的條件,51,5.輔助功能,1)控制方式選擇,手動( man ) 自動( aut ) 串級( cas ) 計算機( comp,2)測量值跟蹤,在手動方式時，使本回路的設定值不再保持原來的值，而跟蹤測量值,52,3)輸出值跟蹤,在手動方式時，使內存單元中 pid 輸出值跟蹤手操輸出值。 從手動切換到自動時，內存單元中的自動輸出數(shù)值與手操輸出值相等，切換是無擾動的。 在自動方式時，手操器的輸出值是始終跟蹤控制器的自動輸出值的。 從自動切換到手動時，手操器的輸出值與pid的輸出值相等，切換是無擾動的,53,2.4.2 操作站

19、的基本功能,操作站的基本功能分布圖,54,1.顯示 它以模擬方式、數(shù)字方式及趨勢曲線實時顯示每個控制回路的測量值(pv)、設定值(sv)及控制輸出值(mv)。 在顯示器上，工藝設備和控制設備等的各種狀態(tài)等能以字符方式、模擬方式、圖形及色彩等多種方式顯示出來,2.操作 操作站可對全系統(tǒng)每個控制回路進行操作，對設定值、控制輸出值、控制算式中的常數(shù)值、順控條件值和操作值進行調整，對控制回路中的各種操作方式 ( 如手動、自動、串級、計算機、順序手動等 ) 進行切換。對報警限設定值、順控定時器及計數(shù)器的設定值進行修改和再設定,55,3.報警 操作站以畫面方式、色彩 ( 或閃光 ) 方式、模擬方式、數(shù)字方

20、式及音響信號方式對各種變量的越限和設備狀態(tài)異常進行各種類型的報警,4.系統(tǒng)組態(tài) dcs實際應用于生產過程控制時，需要根據(jù)設計要求，預先將硬件設備和各種軟件功能模塊組織起來，以使系統(tǒng)按特定的狀態(tài)運行，這就是系統(tǒng)組態(tài),56,應用組態(tài)軟件用來建立功能模塊，包括輸入模塊、輸出模塊、運算模塊、反饋控制模塊、邏輯控制模塊、順序控制模塊和程序模塊等，將這些功能模塊適當?shù)慕M合，而構成控制回路，以實現(xiàn)各種控制功能。 應用組態(tài)方式有填表式、圖形式、窗口式及混合式等,組態(tài)過程是先系統(tǒng)組態(tài)，后應用組態(tài)。組態(tài)主要針對過程控制級和過程管理級,設備組態(tài)的順序是自上而下，先過程管理級，后過程控制級； 功能組態(tài)的順序恰好相反，

21、先過程控制級，后過程管理級,57,5.系統(tǒng)維護 當系統(tǒng)中的某設備發(fā)生故障時，一方面立刻切換到備用設備，另一方面經通信網(wǎng)絡傳輸報警信息，在操作站上顯示故障信息，蜂鳴器等發(fā)出音響信號，督促工作人員及時處理故障,6.報告生成 根據(jù)生產管理需要，操作站可以打印各種班報、日報、操作日記及歷史記錄，還可以拷貝流程圖畫面等,58,2.4.3自診斷功能,在系統(tǒng)投運前，用離線診斷程序檢查各部分的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)運行中，各設備不斷執(zhí)行在線自診斷程序。 一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，立即切換到備用設備； 同時經過通信網(wǎng)絡在顯示器上顯示出故障代碼，等待及時處理； 故障代碼可以定位到卡件板，用戶只需及時更換卡件,59,2.5 數(shù)據(jù)通信

22、技術,本節(jié)內容提要,通信系統(tǒng)的組成 通信類型 傳輸方式 串行傳輸與并行傳輸 基帶傳輸與寬帶傳輸,異步傳輸與同步傳輸 傳輸速率 信息編碼 數(shù)據(jù)交換方式,1.數(shù) 據(jù) 通 信 原 理,60,局部網(wǎng)絡的概念 局部網(wǎng)絡拓撲結構 傳輸介質 網(wǎng)絡控制方法 差錯控制技術,2. 通 信 網(wǎng) 絡,3.通信協(xié)議,通信協(xié)議的概念 開放系統(tǒng)互連參考模型,61,傳輸速率 信息編碼 數(shù)據(jù)交換方式 現(xiàn)場總線的國際標準 現(xiàn)場總線通信模型 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡拓撲結構 hart總線簡介,4.現(xiàn)場總線簡介,62,2.5.1 數(shù)據(jù)通信原理,數(shù)據(jù)通信 計算機或其他數(shù)字裝置與通信介質相結合，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的傳輸、轉換、存儲和處理的通信技術。

23、在dcs中，各單元之間的數(shù)據(jù)信息傳輸就是通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)完成的。 通信 用特定的方法，通過某種介質將信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程,63,1.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成,通信系統(tǒng)組成 信號 發(fā)送裝置 接收裝置 信道 通信協(xié)議,圖2.2 通信系統(tǒng)模型,64,1)信號 (報文) 需要傳送的數(shù)據(jù)，由文本、數(shù)字、圖片或聲音等及其組合組成。 (2)發(fā)送裝置 具有作為二進制數(shù)據(jù)源的能力，任何能夠產生和處理數(shù)據(jù)的設備。 (3)接收裝置 能夠接收模擬或數(shù)字形式數(shù)據(jù)的任何功能的設備,65,4)信道 信道 發(fā)送裝置與接收裝置之間的信息傳輸通道。 信道包括傳輸介質和有關的中間設備。 常用的傳輸介質 雙絞線 同軸電纜 光纜 無

24、線電波 微波,66,5)通信協(xié)議 通信協(xié)議是控制數(shù)據(jù)通信的一組規(guī)則、約定與標準。 通信協(xié)議定義了通信的內容、格式，通信如何進行、何時進行等,發(fā)送裝置把要發(fā)送的信息送上信道，再經過信道將信息傳輸?shù)浇邮昭b置。 信息在傳輸過程中會受到來自通信系統(tǒng)內外干擾的影響,通信過程,67,2. 通信類型,模擬通信 以連續(xù)模擬信號傳輸信息的通信方式。 數(shù)字通信 將數(shù)字信號進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?數(shù)據(jù)信息 具有一定編碼、格式和字長的數(shù)字信息,68,3.傳輸方式,l)單工方式 信息只能沿一個方向傳輸，而不能沿相反方向傳輸。 (2)半雙工方式 信息可以沿著兩個方向傳輸，但在指定時刻，信息只能沿一個方向傳輸。 (3)全雙工

25、方式 信息可以同時沿著兩個方向傳輸,69,圖2.3 信息傳輸方式,70,4.串行傳輸與并行傳輸,1)串行傳輸 數(shù)據(jù)逐位依次在信道上進行傳輸?shù)姆绞健?(2)并行傳輸 數(shù)據(jù)多位同時在信道上進行傳輸?shù)姆绞健?在dcs中，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡幾乎全部采用串行傳輸方式,71,圖2.4 串行傳輸與并行傳輸(a)串行傳輸；(b)并行傳輸,72,5. 基帶傳輸與寬帶傳輸,1)基帶傳輸 基帶：電信號所固有的頻帶。 基帶傳輸：直接將電脈沖信號原樣進行傳輸,2)寬帶傳輸 載帶傳輸：在信道上傳輸調制信號。 寬帶傳輸：實現(xiàn)多路信號同時傳輸,73,6.異步傳輸與同步傳輸,在異步傳輸中，信息以字符為單位進行傳輸。 每個信息字符都具

26、有自己的起始位和停止位。 一個字符中的各個位是同步的，但字符與字符之間的時間間隔是不確定的,在同步傳輸中，信息是以數(shù)據(jù)塊為單位進行傳輸?shù)摹?通信系統(tǒng)中有專門用來使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步的時鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續(xù)工作，并且保持一定的相位關系,74,7.傳輸速率,信息傳輸速率又稱為比特率，是指單位時間內通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⒘俊?比特率一般以每秒鐘所能夠傳輸?shù)谋忍財?shù)來表示，記為rb。 信息傳輸速率的單位是比特/秒，記為 bit/s 或 bps,75,8.信息編碼,信息在通過通信介質進行傳輸前必須先轉換為電磁信號。 將信息轉換為信號需要對信息進行編碼。 數(shù)字-模擬編碼：用模擬信號表示數(shù)字信息

27、的編碼。 在模擬傳輸中，發(fā)送設備產生一個高頻信號作為基波，來承載信息信號。 移動鍵控：將信息信號調制到載波信號上，這種形式的改變稱為調制 ( 移動鍵控 )，信息信號被稱為調制信號,76,數(shù)字信息是通過改變載波信號的一個或多個特性 ( 振幅、頻率或相位 )來實現(xiàn)編碼的。 載波信號是正弦波信號，它有三個描述參數(shù)，即振幅、頻率和相位，所以相應地也有三種調制方式，即調幅方式、調頻方式和調相方式,77,1)幅移鍵控法(amplitude shift keying ，ask) 用調制信號的振幅變化來表示二進制數(shù)。 例如用高振幅表示 1，用低振幅表示 0，如圖 2.5(a) 所示。 (2)頻移鍵控法(fre

28、quency shift keying ，fsk) 用調制信號的頻率變化來表示二進制數(shù)的。 例如用高頻率表示 1，用低頻率表示 0，如圖 2.5(b) 所示。 (3)相移鍵控法(phase shift keying ，psk ) 用調制信號的相位變化來表示二進制數(shù)。 例如用0相位表示 0，用 180相位表示 1，如圖 2.5(c) 所示,78,圖2.5 三種調制方式,79,9.數(shù)據(jù)交換方式,80,1)線路交換方式,81,2)報文交換方式（存儲轉發(fā)方式） 經由中間節(jié)點的存儲轉發(fā)功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 報文交換方式交換的基本數(shù)據(jù)單位是一個完整的報文,報文的組成,3)報文分組交換方式 基本數(shù)據(jù)單位是一

29、個報文分組。 報文分組是一個完整的報文按順序分割開來的比較短的數(shù)據(jù)組,82,2.5.2 通信網(wǎng)絡,計算機網(wǎng)絡 把分布在不同地點且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和介質連接起來，在功能完善的網(wǎng)絡軟件和協(xié)議的管理下，以實現(xiàn)網(wǎng)絡中的資源共享。 dcs的通信網(wǎng)絡實質上 就是計算機網(wǎng)絡,83,1.局部網(wǎng)絡的概念,局部區(qū)域網(wǎng)絡 (local area network，lan) 一種分布在有限區(qū)域內的計算機網(wǎng)絡。 將分布在不同地理位置上的多個具有獨立工作能力的計算機系統(tǒng)連接起來，并配置了網(wǎng)絡軟件的一種網(wǎng)絡。 用戶能夠共享網(wǎng)絡中的所有硬件、軟件和數(shù)據(jù)等資源,84,2.局部網(wǎng)絡拓撲結構,網(wǎng)絡拓撲結構 網(wǎng)

30、絡節(jié)點互連的方法。 網(wǎng)絡拓撲結構類型 星型 環(huán)型 總線型 樹型 菊花鏈,85,1)星型結構,每一個節(jié)點都通過一條鏈路連接到中央節(jié)點上。 任何兩個節(jié)點之間的通信都要經過中央節(jié)點。 在中央節(jié)點中，有一個“智能”開關裝置，用來接通兩個節(jié)點之間的通信路徑。 中央節(jié)點的構造比較復雜，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就要癱瘓,圖2.6 星型拓撲結構,86,2)環(huán)型結構,所有的節(jié)點通過鏈路組成一個封閉的環(huán)路。 需要發(fā)送信息的節(jié)點將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸。 當信息到達接收節(jié)點時，該節(jié)點識別信息中的目的地址。 若與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認標記，以便由發(fā)送節(jié)點清除,圖2.7 環(huán)

31、型拓撲結構,87,3)總線型結構,所有的工作站都通過相應的硬件接口直接接到總線上。 所有的節(jié)點都共享一條公用的傳輸線路。 每次只能由一個節(jié)點發(fā)送信息。 信息由發(fā)送它的節(jié)點向兩端擴散,圖2.8 總線型拓撲結構,88,4)樹型結構,樹型拓撲形狀像一棵倒置的樹，頂端有一個帶分支的根，每個分支還可延伸出子分支。 當節(jié)點發(fā)送信息時，根接收該信息，然后再重新廣播發(fā)送到全網(wǎng),89,圖2.9 樹型拓撲結構,90,5)菊花鏈型結構,用一個網(wǎng)段分別連接兩個節(jié)點的聯(lián)接器。 多個節(jié)點的聯(lián)接器依次互連，從而形成一個鏈狀通信網(wǎng)絡,圖2.10 菊花鏈型拓撲結構,91,3.傳輸介質,傳輸介質是通信網(wǎng)絡的物質基礎。 常見傳輸介

32、質 雙絞線 同軸電纜 光纜,92,1)雙絞線 雙絞線是由兩條相互絕緣的導體扭絞而成的線對。 在線對的外面常有金屬箔組成的屏蔽層和專用的屏蔽線， 當傳輸距離比較遠時，其傳輸速率受到限制，一般不超過 10 mbps,屏蔽雙絞線結構圖,93,2)同軸電纜 同軸電纜由內導體、中間絕緣層、外導體和外絕緣層構成。 信號通過內導體和外導體傳輸。 外導體一般是接地的，起屏蔽作用,94,基帶同軸電纜 (如 50同軸電纜 )用于基帶傳輸。 寬帶同軸電纜 (如75電視天線電纜)用于寬帶傳輸。 同軸電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離、可支持的節(jié)點數(shù)、抗干擾等性能優(yōu)于雙絞線，成本也高于雙絞線，但低于光纖,95,3)光纜 光纜

33、的內芯是由二氧化硅拉制成的光導纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層。 由于內芯和覆層的折射率不同，以一定角度進入內芯的光線能夠通過覆層折射回去，沿著內芯向前傳播以減少信號的損失。 如果光的入射角足夠大，就會出現(xiàn)全反射，光也就從輸入端傳到了輸出端。 因為光纜中的信息是以光的形式傳播的，電磁干擾對它幾乎毫無影響，所以，光纜具有良好的抗干擾性能,96,光纜的構成,97,圖 2.11 傳輸介質,98,圖 2.12 光在纖芯中的傳播原理,99,4.網(wǎng)絡控制方法,網(wǎng)絡控制方法： 在通信網(wǎng)絡中，使信息從發(fā)送裝置迅速而正確地傳遞到接收裝置的管理機制。 常用的方法： 查詢 令牌傳送 自由競爭 存儲轉發(fā),

34、100,1)查詢式 中，如星型網(wǎng)絡或具有主站的總線型用于主從結構網(wǎng)絡網(wǎng)絡。 主站依次詢問各站是否需要通信，收到通信應答后再控制信息的發(fā)送與接收。 當多個從站要求通信時，按站的優(yōu)先級安排發(fā)送,101,2)自由競爭式 控制策略： 競爭發(fā)送 廣播式傳輸 載體偵聽 沖突檢測 沖突時退回 再試發(fā)送,102,3)令牌傳送 有一個稱為令牌（token）的信息段在網(wǎng)絡中各節(jié)點之間依次傳遞。 令牌有空、忙兩種狀態(tài)，開始時為空閑。 節(jié)點只有得到空令牌時才具有信息發(fā)送權，同時將令牌置為忙。 令牌沿網(wǎng)絡而行，當信息被目標節(jié)點取走后，令牌被重新置為空,103,令牌傳送的方法實際上是一種按預先的安排讓網(wǎng)絡中各節(jié)點依次輪流

35、占用通信線路的方法。 令牌是一組特定的二進制代碼，它按照事先排列的某種邏輯順序沿網(wǎng)絡而行。 只有獲得令牌的節(jié)點才有權控制和使用網(wǎng)絡,104,令牌傳送的次序是由用戶根據(jù)需要預先確定的，而不是按節(jié)點在網(wǎng)絡中的物理次序傳送的,圖 2.13 令牌傳遞過程示意圖,105,4)存儲轉發(fā)式 信息傳送過程： 源節(jié)點發(fā)送信息，到達它的相鄰節(jié)點； 相鄰節(jié)點將信息存儲起來，等到自己的信息發(fā)送完，再轉發(fā)這個信息，直到把此信息送到目的節(jié)點； 目的節(jié)點加上確認信息 (正確) 或否認信息 (出錯)，向下發(fā)送直至源站； 源節(jié)點根據(jù)返回信息決定下一步動作，如取消信息或重新發(fā)送,106,5.差錯控制技術,在信息傳輸過程中，各種各

36、樣的干擾可能造成傳輸錯誤。 這些錯誤輕則會使數(shù)據(jù)發(fā)生變化，重則會導致生產過程事故。 必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，檢錯和糾錯統(tǒng)稱為差錯控制,1)差錯控制,107,2)傳輸錯誤及可靠性指標,在通信網(wǎng)絡上傳輸?shù)男畔⑹嵌M制信息，它只有0和1兩種狀態(tài)。 如果把0誤傳為1，或者把1誤傳為0就是傳輸錯誤。 兩類錯誤 突發(fā)錯誤：由突發(fā)噪聲引起的，其特征是誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)； 隨機錯誤：隨機錯誤是由隨機噪聲引起的，它的特征是誤碼與其前后的代碼是否出錯無關,108,dcs的傳輸速率一般在 0.5100mbps 左右。 傳輸速率越大，每一位二進制代碼 (又稱碼元) 所占用的時間就越短，波形就越窄，抗干擾

37、能力就越差，可靠性就越低。 誤碼率是指通信系統(tǒng)所傳輸?shù)目偞a元數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所占的比重 ( 取統(tǒng)計平均值 )，即 pe = pw / pt （2-3） 式中 pe誤碼率； pw出錯的碼元數(shù)； pt傳輸?shù)目偞a元數(shù),109,誤碼率越低，通信系統(tǒng)的可靠性就越高。 在dcs中，常用每年出現(xiàn)多少次誤碼來代替誤碼率。 對大多數(shù)dcs來說，這一指標大約在每年 0.01 次到 4 次左右,110,3)反饋重發(fā)糾錯方式(arq,在發(fā)送端，首先要對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進行某種運算，產生能檢測錯誤的幀校驗序列，然后把校驗序列與數(shù)據(jù)一起發(fā)往對方。 在接收端，根據(jù)事先約定的編碼運算規(guī)則及校驗序列，檢查數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否有

38、出錯，并通過反饋信道把判決結果發(fā)回發(fā)送端。 發(fā)送端收到反饋信號若標明傳送有錯，則發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)，直到接收端返回信號標明接收正確為止,111,arq方式中，必須有一個反饋信道，并且只用于點對點的通信方式。 檢錯編碼的方法很多，常用的有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余校驗碼 crc,112,奇偶檢驗 奇偶檢驗是在傳遞字節(jié)后附加一位校驗位。該校驗位根據(jù)字節(jié)內容取l或0。 奇校驗時傳送字節(jié)與校驗位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)。 偶校驗時傳送字節(jié)與校驗位中“1”的數(shù)目為偶數(shù)。 接收端按同樣的校驗方式對收到的信息進行校驗。 如發(fā)送時規(guī)定為奇校驗時，若收到的字符及校驗位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)，則認為傳輸正確，否則，認為傳輸錯誤,113,循環(huán)冗余碼校驗 在傳輸?shù)男畔⒅邪凑找?guī)定附加一定數(shù)量的冗余位。 有了冗余位，真正有用的代碼數(shù)就少于所能組合成的全部代碼數(shù)。 當代碼在傳輸過程中出現(xiàn)錯誤，并且使接收到的代碼與有用的代碼不一致時，說明發(fā)生了錯誤,114,為了提高檢錯和糾錯能力，可以在信息后面按一定規(guī)則附加若干個冗余位，使信息的合法狀態(tài)之間有很大差別，一種合法信息錯誤成另一合法信息的可能性就會大大減小。 編碼：發(fā)送端在