第2章 集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識教學(xué)課件

第2章集散控制系統(tǒng)

基礎(chǔ)知識?知識點(diǎn)：●掌握DCS的基本概念●了解DCS的設(shè)計思想●掌握DCS的體系結(jié)構(gòu)及各層次的主要功能●了解DCS現(xiàn)場控制站的主要組成部分，掌握其基本功能●了解DCS操作站的基本構(gòu)成及功能●了解DCS軟件系統(tǒng)的主要內(nèi)容●了解DCS的組態(tài)功能●了解數(shù)據(jù)通信基本知識●掌握通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)目標(biāo)?集散控制系統(tǒng)是一種操作顯示集中、控制功能分散、采用分級分層體系結(jié)構(gòu)、局部網(wǎng)絡(luò)通信的計算機(jī)綜合控制系統(tǒng)。從總體結(jié)構(gòu)上看，DCS是由工作站和通信網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成的，系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)將各工作站連接起來，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、操作、信息管理和分散控制。?技能點(diǎn)：結(jié)合DCS實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)以下技能●能夠識別現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)裝置中DCS的各個組成部分●能夠利用現(xiàn)有資源，組成一個最小配置的DCS●能夠熟練地指出DCS各組成部分的功能特性學(xué)習(xí)目標(biāo)2.1集散控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)?集散控制系統(tǒng)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷更新。隨著DCS開放性的增強(qiáng)，其層次化的體系結(jié)構(gòu)特征更加顯著，充分體現(xiàn)了DCS集中管理、分散控制的設(shè)計思想。DCS是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)，它以多層局部網(wǎng)絡(luò)為依托，將分布在整個企業(yè)范圍內(nèi)的各種控制設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接在一起，實(shí)現(xiàn)各部分的信息共享和協(xié)調(diào)工作，共同完成各種控制、管理及決策任務(wù)。?圖2.1為一個DCS的典型體系結(jié)構(gòu)。按照DCS各組成部分的功能分布，所有設(shè)備分別處于四個不同的層次，自下而上分別是：現(xiàn)場控制級、過程控制級、過程管理級和經(jīng)營管理級。與這四層結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的四層局部網(wǎng)絡(luò)分別是現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)(FieldNetwork，F(xiàn)net)、控制網(wǎng)絡(luò)(ControlNetwork，Cnet)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(SupervisionNetwork，Snet)和管理網(wǎng)絡(luò)(ManagementNetwork，Mnet)。圖2.1集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.現(xiàn)場控制級?現(xiàn)場控制級設(shè)備直接與生產(chǎn)過程相連，是DCS的基礎(chǔ)。典型的現(xiàn)場控制級設(shè)備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器。它們將生產(chǎn)過程中的各種工藝變量轉(zhuǎn)換為適宜于計算機(jī)接收的電信號（如常規(guī)變送器輸出的4～20mADC電流信號或現(xiàn)場總線變送器輸出的數(shù)字信號），送往過程控制站或數(shù)據(jù)采集站；過程控制站又將輸出的控制器信號（如4～20mADC信號或現(xiàn)場總線數(shù)字信號)送到現(xiàn)場控制級設(shè)備，以驅(qū)動控制閥或變頻調(diào)速裝置等，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。?歸納起來，現(xiàn)場控制級設(shè)備的任務(wù)主要有以下幾個方面。一是完成過程數(shù)據(jù)采集與處理。二是直接輸出操作命令、實(shí)現(xiàn)分散控制。三是完成與上級設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享。四是完成對現(xiàn)場控制級智能設(shè)備的監(jiān)測、診斷和組態(tài)等。?現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與各類現(xiàn)場傳感器、變送器和執(zhí)行器相連，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)測與控制。同時與過程控制級的計算機(jī)相連，接收上層的管理信息，傳遞裝置的實(shí)時數(shù)據(jù)。?現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞有三種方式，一種是傳統(tǒng)的模擬信號(如4～20mADC或者其他類型的模擬量信號)傳輸方式，第二種是全數(shù)字信號（現(xiàn)場總線信號）傳輸方式；第三種是混合信號（如在4～20mADC模擬量信號上，疊加調(diào)制后的數(shù)字量信號）傳輸方式?，F(xiàn)場信息以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字傳輸是今后的發(fā)展方向。2.過程控制級?過程控制級主要由過程控制站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場總線接口等構(gòu)成。?過程控制站接收現(xiàn)場控制級設(shè)備送來的信號，按照預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果作為控制信號，送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去。過程控制站可以同時實(shí)現(xiàn)反饋控制、邏輯控制或順序控制等功能。?數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似，也接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并對其進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到集散控制系統(tǒng)中的其他工作站（如過程管理級設(shè)備）。數(shù)據(jù)采集站接收大量的非控制過程信息，并通過過程管理級設(shè)備傳遞給運(yùn)行人員，它不直接完成控制功能。?在DCS的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上可以掛接現(xiàn)場總線服務(wù)器(FieldbusServer，F(xiàn)S)，實(shí)現(xiàn)DCS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的集成?，F(xiàn)場總線服務(wù)器是一臺安裝了現(xiàn)場總線接口卡與DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接口卡的完整的計算機(jī)。現(xiàn)場設(shè)備中的輸入、輸出、運(yùn)算、控制等功能模塊，可以在現(xiàn)場總線上獨(dú)立構(gòu)成控制回路，不必借用DCS控制站的功能。?現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線與FS上的接口卡進(jìn)行通信。FS通過它的DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡與DCS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。FS和DCS可以實(shí)現(xiàn)資源共享，F(xiàn)S可以不配備操作員站或工程師站，直接借用DCS的操作員站或工程師站實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理。?過程控制級的主要功能表現(xiàn)在以下幾個方面。一是采集過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理；二是對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測和控制，輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制功能；三是現(xiàn)場設(shè)備及I/O卡件的自診斷；四是與過程操作管理級進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。3.過程管理級?過程管理級的主要設(shè)備有操作站、工程師站和監(jiān)控計算機(jī)等。?操作站是操作人員與DCS相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備，是DCS的核心顯示、操作和管理裝置。操作人員通過操作站來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，可以在操作站上觀察生產(chǎn)過程的運(yùn)行情況，了解每個過程變量的數(shù)值和狀態(tài)，判斷每個控制回路是否工作正常，并且可以根據(jù)需要隨時進(jìn)行手動、自動、串級、后備串級等控制方式的無擾動切換，修改設(shè)定值，調(diào)整控制信號，操控現(xiàn)場設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預(yù)。另外還可以打印各種報表，復(fù)制屏幕上的畫面和曲線等。?為了實(shí)現(xiàn)以上功能，操作站是由一臺具有較強(qiáng)圖形處理功能的微型機(jī)，以及相應(yīng)的外部設(shè)備組成的，一般配有CRT或LCD顯示器、大屏幕顯示裝置(選件)、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)等，開放型DCS采用個人計算機(jī)作為其人機(jī)接口。?工程師站是為了控制工程師對DCS進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)所設(shè)置的工作站。工程師站的另一個作用是對各種設(shè)計文件進(jìn)行歸類和管理，形成各種設(shè)計、組態(tài)文件，如各種圖樣、表格等。工程師站一般由PC機(jī)配置一定數(shù)量的外部設(shè)備組成，例如打印機(jī)、繪圖儀等。?監(jiān)控計算機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，如機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和性能計算，先進(jìn)控制策略的實(shí)現(xiàn)等。根據(jù)產(chǎn)品、原材料庫存以及能源的使用情況，以優(yōu)化準(zhǔn)則來協(xié)調(diào)裝置間的相互關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的優(yōu)化管理。另外，監(jiān)控計算機(jī)通過獲取過程控制級的實(shí)時數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)視、故障檢測和數(shù)據(jù)存檔。由于監(jiān)控計算機(jī)的主要功能是完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算功能，因此，對它主要是運(yùn)算能力和運(yùn)算速度的要求。一般，監(jiān)控計算機(jī)由超級微型機(jī)或小型機(jī)構(gòu)成。4.經(jīng)營管理級?經(jīng)營管理級是全廠自動化系統(tǒng)的最高一層。只有大規(guī)模的集散控制系統(tǒng)才具備這一級。經(jīng)營管理級的設(shè)備可能是廠級管理計算機(jī)，也可能是若干個生產(chǎn)裝置的管理計算機(jī)。它們所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師等行政管理或運(yùn)行管理人員。?廠級管理系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視企業(yè)各部門的運(yùn)行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)，幫助企業(yè)管理人員進(jìn)行決策，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)其計劃目標(biāo)。它從系統(tǒng)觀念出發(fā)，從原料進(jìn)廠到產(chǎn)品的銷售，市場和用戶分析、定貨、庫存到交貨，生產(chǎn)計劃等進(jìn)行一系列的優(yōu)化協(xié)調(diào)，從而降低成本，增加產(chǎn)量，保證質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。此外還應(yīng)考慮商業(yè)事務(wù)、人事組織以及其他各方面，并與辦公自動化系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的優(yōu)化。?經(jīng)營管理級也可分為實(shí)時監(jiān)控和日常管理兩部分。實(shí)時監(jiān)控是全廠各機(jī)組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運(yùn)行管理層，承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運(yùn)行優(yōu)化、全廠負(fù)荷分配和日常運(yùn)行管理等任務(wù)。日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務(wù)，主要是為廠長和各管理部門服務(wù)。?對管理計算機(jī)的要求是具有能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實(shí)時操作系統(tǒng)，能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行高速處理與存儲，具有能夠連續(xù)運(yùn)行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機(jī)接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機(jī)接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計算機(jī)的集成化。2.2集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)?DCS的硬件系統(tǒng)主要由集中操作管理裝置、分散過程控制裝置和通信接口設(shè)備等組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將這些硬件設(shè)備連接起來，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分散控制和集中監(jiān)視、操作及管理等功能。由于不同DCS廠家采用的計算機(jī)硬件不盡相同，因此，DCS的硬件系統(tǒng)之間的差別也很大。為了從功能上和類型上來介紹DCS的硬件構(gòu)成，只能拋開各種具體的DCS的硬件組成及特點(diǎn)。集中操作管理裝置的主要設(shè)備是操作站，而分散過程控制裝置的主要設(shè)備是現(xiàn)場控制站。這里，著重介紹DCS的現(xiàn)場控制站和操作站。2.2.1現(xiàn)場控制站?從功能上講，分散過程控制裝置主要包括現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、順序邏輯控制站和批量控制站等，其中現(xiàn)場控制站功能最為齊全，為了便于結(jié)構(gòu)的劃分,下面統(tǒng)稱之為現(xiàn)場控制站?，F(xiàn)場控制站是DCS與生產(chǎn)過程之間的接口，它是DCS的核心。分析現(xiàn)場控制站的構(gòu)成，有助于理解DCS的特性。?一般來說，現(xiàn)場控制站中的主要設(shè)備是現(xiàn)場控制單元?，F(xiàn)場控制單元是DCS直接與生產(chǎn)過程進(jìn)行信息交互的I/O處理系統(tǒng)，它的主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實(shí)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(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站。它可以是以面向連續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，輔以順序邏輯控制，構(gòu)成一個可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站；也可以是以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站；還可以是一個對大批量過程信號進(jìn)行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。?現(xiàn)場控制站是一個可獨(dú)立運(yùn)行的計算機(jī)檢測控制系統(tǒng)。由于它是專為過程檢測、控制而設(shè)計的通用型設(shè)備，所以其機(jī)柜、電源、輸入輸出通道和控制計算機(jī)等與一般的計算機(jī)系統(tǒng)有所不同。1.機(jī)柜?現(xiàn)場控制站的機(jī)拒內(nèi)部均裝有多層機(jī)架，以供安裝各種模塊及電源之用。為了給機(jī)柜內(nèi)部的電子設(shè)備提供完善的電磁屏蔽，其外殼均采用金屬材料(如鋼板或鋁材)，并且活動部分(如柜門與機(jī)柜主體)之間要保證有良好的電氣連接。同時，機(jī)柜還要求可靠接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。?為保證柜中電子設(shè)備的散熱降溫，一般柜內(nèi)均裝有風(fēng)扇，以提供強(qiáng)制風(fēng)冷。同時為防止灰塵侵入，在與柜外進(jìn)行空氣交換時，要采用正壓送風(fēng)，將柜外低溫空氣經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后引入柜內(nèi)。?在灰塵多、潮濕或有腐蝕性氣體的場合(例如安裝在室外使用時)，一些廠家還提供有密封式機(jī)柜，冷卻空氣僅在機(jī)柜內(nèi)循環(huán)，通過機(jī)柜外殼的散熱葉片與外界交換熱量。為了保證在特別冷或熱的室外環(huán)境下正常工作，還為這種密封式機(jī)柜設(shè)計了專門的空調(diào)裝置，以保證柜內(nèi)溫度維持在正常值。另外，現(xiàn)場控制站機(jī)柜內(nèi)大多設(shè)有溫度自動檢測裝置，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度超過正常范圍時，會產(chǎn)生報警信號。2.電源?只有保持電源(交流電源和直流電源)穩(wěn)定、可靠，才能確?，F(xiàn)場控制站正常工作。?為了保證電源系統(tǒng)的可靠性，通常采取以下幾種性措施。(1)每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。(2)如果現(xiàn)場控制站機(jī)拒附近有經(jīng)常開關(guān)的大功率用電設(shè)備，應(yīng)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。(3)如果電網(wǎng)電壓波動很嚴(yán)重，應(yīng)采用交流電子調(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓。(4)在石油、化工等對連續(xù)性控制要求特別高的場合，應(yīng)配有不間斷供電電源UPS，以保證供電的連續(xù)性?，F(xiàn)場控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。?為增加直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般可以采取以下幾條措施。(1)為減少相互間的干擾，給主機(jī)供電與給現(xiàn)場設(shè)備供電的電源要在電氣上隔離。(2)采用冗余的雙電源方式給各功能模塊供電。(3)一般由統(tǒng)一的主電源單元將交流電變?yōu)?4V直流電供給柜內(nèi)的直流母線，然后通過DC-DC轉(zhuǎn)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。3.控制計算機(jī)?控制計算機(jī)是現(xiàn)場控制站的核心，一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。(1)CPU

盡管世界各地的DCS產(chǎn)品差別很大，但現(xiàn)場控制站大都采用Motorola公司M68000系列和Intel公司80X86系列的CPU產(chǎn)品。為提高性能，在各生產(chǎn)廠家大都采用準(zhǔn)32位或32位微處理器。由于數(shù)據(jù)處理能力的提高，因此可以執(zhí)行復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，如自動整定、預(yù)測控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。(2)存儲器與其他計算機(jī)一樣，控制計算機(jī)的存儲器也分為RAM和ROM。由于控制計算機(jī)在正常工作時運(yùn)行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的辦法，因此在控制計算機(jī)中ROM占有較大的比例。有的系統(tǒng)甚至將用戶組態(tài)的應(yīng)用程序也固化在ROM中，只要一加電，控制站就可正常運(yùn)行，使用更加方便，但修改組態(tài)時要復(fù)雜一些。?在一些采用冗余CPU的系統(tǒng)中，還特別設(shè)有雙端口隨機(jī)存儲器，其中存放有過程輸入輸出數(shù)據(jù)、設(shè)定值和PID參數(shù)等。兩塊CPU板均可分別對其進(jìn)行讀寫，保證了雙CPU間運(yùn)行數(shù)據(jù)的同步。當(dāng)原先在線主CPU板出現(xiàn)故障時，原離線CPU板可立即接替工作，這樣對生產(chǎn)過程不會產(chǎn)生任何擾動。(3)總線常見的控制計算機(jī)總線有Intel公司的多總線MULTIBUS，“EOROCARD”標(biāo)準(zhǔn)的VME總線和STD總線，前兩種總線都是支持多主CPU的16位/32位總線，由于STD總線是一種8位數(shù)據(jù)總線，使用受到限制，已經(jīng)逐漸淡出市場。?近年來，隨著PC機(jī)在過程控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，PC總線(ISA、EISA總線等)在中規(guī)模DCS的現(xiàn)場控制站中也得到應(yīng)用。(4)輸入/輸出通道過程控制計算機(jī)的輸入/輸出通道一般包括模擬量輸入/輸出(AI/AO)、開關(guān)量輸入/輸出(SI/SO)或數(shù)字量輸入/輸出(DI/DO)以及脈沖量輸入通道(PI)。①模擬量輸入輸出通道(AI/AO)

生產(chǎn)過程中的連續(xù)性被測變量(如溫度、流量、液位、壓力、濃度、pH值等)，只要由在線檢測儀表將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，均可送入AI通道，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量送給CPU。而模擬量輸出通道一般將計算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續(xù)直流信號，用于控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。②開關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO)

開關(guān)量輸入通道主要用來采集各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥連動觸點(diǎn)的開、關(guān)狀態(tài)，并輸入至計算機(jī)。開關(guān)量輸出通道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(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。③脈沖輸入通道(PI)

許多現(xiàn)場儀表（如渦輪流量計、羅茨式流量計以及一些機(jī)械計數(shù)裝置等）輸出的測量信號為脈沖信號，它們必須通過脈沖輸入通道才能送入計算機(jī)。2.2.2操作站?DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。其中工程師站主要是技術(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機(jī)接口，或者對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。工程師站上配有組態(tài)軟件，為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過它來實(shí)現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略。為節(jié)省投資，許多系統(tǒng)的工程師站可以用一個操作員站代替。?運(yùn)行在PC硬件平臺、NT操作系統(tǒng)下的通用操作站的出現(xiàn)，給DCS用戶帶來了許多方便。由于通用操作站的適用面廣，相對生產(chǎn)量大，成本下降，因而可以節(jié)省用戶的經(jīng)費(fèi)。維護(hù)費(fèi)用也比較少。采用通用系統(tǒng)要比使用各種不同的專用系統(tǒng)更為簡單，用戶也可減少人員培訓(xùn)的費(fèi)用。開放性能好，很容易建立生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，更新和升級容易。因此，通用操作站是DCS的發(fā)展方向。?為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和管理等功能，操作站必須配置有以下設(shè)備。1.操作臺?操作臺用來安裝、承載和保護(hù)各種計算機(jī)和外部設(shè)備。目前流行的操作臺有桌式操作臺、集成式操作臺和雙屏操作臺等，用戶可以根據(jù)需要選擇使用。2.微處理機(jī)系統(tǒng)?DCS操作站的功能越來越強(qiáng)，這就對操作站的微處理機(jī)系統(tǒng)提出了更高的要求。一般的DCS操作站采用32位或64位微處理機(jī)。3.外部存儲設(shè)備?為了很好的完成DCS操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲功能，許多DCS的操作站都配有一到兩個大容量的外部存儲設(shè)備，有些系統(tǒng)還配備了歷史數(shù)據(jù)記錄儀。4.圖形顯示設(shè)備?當(dāng)前DCS的圖形顯示設(shè)備主要是LCD，有些DCS還在使用CRT。有些DCS操作站配備有廠家專用的圖形顯示器。5.操作鍵盤和鼠標(biāo)(l)操作員鍵盤操作員鍵盤一般都采用具有防水、防塵能力、有明確圖案或標(biāo)志的薄膜鍵盤。這種鍵盤從鍵的分配和布置上都充分考慮到操作直觀、方便，外表美觀，并且在鍵體內(nèi)裝有電子蜂鳴器，以提示報警信息和操作響應(yīng)。(2)工程師鍵盤工程師鍵盤一般為常用的擊打式鍵盤，主要用來進(jìn)行編程和組態(tài)。?現(xiàn)代的DCS操作站已采用了通用PC機(jī)系統(tǒng)，因此，無論是操作員鍵盤，還是工程師鍵盤都在使用通用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)。6.打印輸出設(shè)備?有些DCS操作站配有兩臺打印機(jī)，一臺用于打印生產(chǎn)記錄報表和報警報表；另一臺用來拷貝流程畫面。隨著激光等非擊打式打印機(jī)的性能不斷提高，價格不斷下降，有的DCS己經(jīng)采用這類打印機(jī)，以求得清晰、美觀的打印質(zhì)量和降低噪聲。2.2.3冗余技術(shù)?冗余技術(shù)是提高DCS可靠性的重要手段。由于采用了分散控制的設(shè)計思想，當(dāng)DCS中某個環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，僅僅使該環(huán)節(jié)失去功能，而不會影響整個系統(tǒng)的功能。因此，通常只對可能會影響系統(tǒng)整體功能的重要環(huán)節(jié)或?qū)θ之a(chǎn)生影響的公用環(huán)節(jié)，有重點(diǎn)地采用冗余技術(shù)。自診斷技術(shù)可以及時檢出故障，但是要使DCS的運(yùn)行不受故障的影響，主要依靠冗余技術(shù)的采用。

1.冗余方式?DCS的冗余技術(shù)可以分為多重化自動備用和簡易的手動備用兩種方式。多重化自動備用就是對設(shè)備或部件進(jìn)行雙重化或三重化設(shè)置，當(dāng)設(shè)備或部件萬一發(fā)生故障時，備用設(shè)備或部件自動從備用狀態(tài)切換到運(yùn)行狀態(tài)，以維持生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行。?多重化自動備用還可以進(jìn)一步分為同步運(yùn)轉(zhuǎn)、待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、后退運(yùn)轉(zhuǎn)等三種方式。?同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式就是讓兩臺或兩臺以上的設(shè)備或部件同步運(yùn)行，進(jìn)行相同的處理，并將其輸出進(jìn)行核對。兩臺設(shè)備同步運(yùn)行，只有當(dāng)它們的輸出一致時，才作為正確的輸出，這種系統(tǒng)稱為“雙重化系統(tǒng)”(DualSystem)。三臺設(shè)備同步運(yùn)行，將三臺設(shè)備的輸出信號進(jìn)行比較，取兩個相等的輸出作為正確的輸出值，這就是設(shè)備的三重化設(shè)置，這種方式具有很高的可靠性，但投入也比較大。?待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式就是使一臺設(shè)備處于待機(jī)備用狀態(tài)。當(dāng)工作設(shè)備發(fā)生故障時，啟動待機(jī)設(shè)備來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。這種方式稱為1:1的備用方式，這種類型的系統(tǒng)稱為“雙工系統(tǒng)”(DuplexSystem)。類似地，對于N臺同樣設(shè)備，采用一臺待機(jī)設(shè)備的備用方式就稱為N:1備用。在DCS中一般對局部設(shè)備采用1:1備用方式，對整個系統(tǒng)則采用N:1的備用方式。待機(jī)運(yùn)行方式是DCS中主要采用的冗余技術(shù)。?后退運(yùn)轉(zhuǎn)方式就是使用多臺設(shè)備，在正常運(yùn)行時，各自分擔(dān)各種功能運(yùn)行。當(dāng)其中之一發(fā)生故障時，其他設(shè)備放棄其中一些不重要的功能，進(jìn)行互相備用。這種方式顯然是最經(jīng)濟(jì)的，但相互之間必然存在公用部分，而且軟件編制也相當(dāng)復(fù)雜。?簡易的手動備用方式是采用手動操作方式實(shí)現(xiàn)對自動控制方式的備用。當(dāng)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。2.冗余措施?DCS的冗余包括通信網(wǎng)絡(luò)的冗余、操作站的冗余、現(xiàn)場控制站的冗余、電源的冗余、輸入/輸出模塊的冗余等。通常將工作冗余稱“熱備用”，而將后備冗余稱為“冷備用”。DCS中通信系統(tǒng)至關(guān)重要，幾乎都采用一備一用的配置；操作站常采用工作冗余的方式。對現(xiàn)場控制站，冗余方式各不相同，有的采用

1:1冗余，也有的采用N:1冗余，但均采用無中斷自動切換方式。?DCS特別重視供電系統(tǒng)的可靠性，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(hù)措施。DCS在安全控制系統(tǒng)中，采用了三重化，甚至四重化冗余技術(shù)。?除了硬件冗余外，DCS還采用了信息冗余技術(shù)，就是在發(fā)送信息的末尾增加多余的信息位，以提供檢錯及糾錯的能力，降低通信系統(tǒng)的誤碼率。

2.3集散控制系統(tǒng)的軟件體系?一個計算機(jī)系統(tǒng)的軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。由于集散控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，在其軟件體系中既包括了上述兩種軟件，還增加了諸如通信管理軟件、組態(tài)生成軟件及診斷軟件等。2.3.1集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件?集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件是一組支持開發(fā)、生成、測試、運(yùn)行和維護(hù)程序的工具軟件，它與一般應(yīng)用對象無關(guān)，主要由實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)、面向過程的編程語言和工具軟件等部分組成。2.3.2集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件?DCS組態(tài)是指根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程控制的需要，利用DCS所提供的硬件和軟件資源，預(yù)先將這些硬件設(shè)備和軟件功能模塊組織起來，以完成特定的任務(wù)。這種設(shè)計過程習(xí)慣上稱作組態(tài)或組態(tài)設(shè)計。從大的方面講，DCS的組態(tài)功能主要包括硬件組態(tài)(又叫配置)和軟件組態(tài)兩個方面。?DCS軟件一般采用模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的圖形顯示功能、數(shù)據(jù)庫管理功能、控制運(yùn)算功能、歷史存儲功能等都有成熟的軟件模塊。但不同的應(yīng)用對象，對這些內(nèi)容的要求有較大的區(qū)別。因此，一般的DCS具有一個(或一組)功能很強(qiáng)的軟件工具包(即組態(tài)軟件)，該軟件具有一個友好的用戶界面，使用戶在不需要什么代碼程序的情況下便可以生成自己需要的應(yīng)用“程序”。?操作系統(tǒng)是一組程序的集合，用來控制計算機(jī)系統(tǒng)中用戶程序的執(zhí)行順序，為用戶程序與系統(tǒng)硬件提供接口軟件，并允許這些程序(包括系統(tǒng)程序和用戶程序)之間交換信息。用戶程序也稱為應(yīng)用程序，用來完成某些應(yīng)用功能。在實(shí)時工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)用程序用來完成功能規(guī)范中所規(guī)定的功能，而操作系統(tǒng)則是控制計算機(jī)自身運(yùn)行的系統(tǒng)軟件。2.4集散控制系統(tǒng)的基本功能?集散控制系統(tǒng)自問世至今，市場上的產(chǎn)品不計其數(shù)。它們結(jié)構(gòu)類型各具特色，功能特性有弱有強(qiáng)，但一些基本功能是必須具備的。這里主要介紹現(xiàn)場控制站和操作站的基本功能。通信系統(tǒng)的基本功能在下一節(jié)中介紹。2.4.1現(xiàn)場控制站的基本功能?現(xiàn)代DCS的現(xiàn)場控制站是多功能型的，其基本功能包括反饋控制、邏輯控制、順序控制、批量控制、數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)通信等功能。1.反饋控制?在生產(chǎn)過程控制諸多類型中，反饋控制仍然是數(shù)量最多、最基本、最重要的控制方式。現(xiàn)場控制站的反饋控制功能主要包括輸入信號處理、報警處理、控制運(yùn)算、控制回路組態(tài)和輸出信號處理等。(1)輸入信號處理?對于過程的模擬量信號，一般要進(jìn)行采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、合理性檢驗(yàn)、規(guī)格化、工程量變換、零偏修正、非線性處理、補(bǔ)償運(yùn)算等。對于數(shù)字信號則進(jìn)行狀態(tài)報警及輸出方式處理。對于脈沖序列，需進(jìn)行瞬時值變換及累積計算。①合理性檢驗(yàn)②零偏修正

③規(guī)格化

④工程量變換

⑤非線性處理⑥開方運(yùn)算⑦補(bǔ)償運(yùn)算⑧脈沖序列的瞬時值變換及累計

(2)報警處理?集散控制系統(tǒng)具有完備的報警功能，使操作管理人員能得到及時、準(zhǔn)確又簡潔的報警信息，從而保證了安全操作。DCS的報警可選擇各種報警類型、報警限值和報警優(yōu)先級。

①報警類型②報警限值

③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)

(3)控制運(yùn)算?控制算法很多，不同的DCS其類型和數(shù)量亦有不同。常用的算法有常規(guī)PID、微分先行PID、積分分離、開關(guān)控制、時間比例式開關(guān)控制、信號選擇、比率設(shè)定、時間程序設(shè)定、Smith預(yù)估控制、多變量解耦控制、一階滯后運(yùn)算、超前-滯后運(yùn)算及其他運(yùn)算等。(4)控制回路組態(tài)?現(xiàn)場控制站中的回路組態(tài)功能類似于模擬儀表的信號配線和配管。由于現(xiàn)場控制站的輸入、輸出信號處理、報警檢驗(yàn)和控制運(yùn)算等功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的，這些軟件構(gòu)成了DCS內(nèi)部的功能模塊，或稱作內(nèi)部儀表。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(gòu)成檢測回路或控制回路，這就是回路組態(tài)。(5)輸出信號處理?輸出信號處理功能有輸出開路檢驗(yàn)，輸出上下限檢驗(yàn)、輸出變化率限幅、模擬輸出、開關(guān)輸出、脈沖寬度輸出等功能2.邏輯控制?邏輯控制是根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關(guān)系進(jìn)行的控制。在DCS中，由邏輯功能模塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。邏輯運(yùn)算包括與(AND)、或(OR)、非(NO)、異或(XOR)、連接(LINK)、進(jìn)行延時(ONDELAY)、停止延時(OFFDELAY)、觸發(fā)器(FLIP-FLOP)、脈沖(PULSE)等。邏輯模塊的輸入變量包括數(shù)字輸入/輸出狀態(tài)、邏輯模塊狀態(tài)、計數(shù)器狀態(tài)、計時器狀態(tài)、局部故障狀態(tài)、連續(xù)控制SLOT的操作方式和監(jiān)控計算機(jī)的計數(shù)溢出狀態(tài)等。邏輯控制可以直接用于過程控制、實(shí)現(xiàn)工藝聯(lián)鎖，也可以作為順序控制中的功能模塊，進(jìn)行條件判斷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。3.順序控制?順序控制就是按預(yù)定的動作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動作程序的控制方法。在順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監(jiān)視的功能。實(shí)現(xiàn)順序控制的常用方法有順序表法、程序語言方式和梯形圖法等三種。

?順序表法是將控制順序按邏輯關(guān)系和時間關(guān)系預(yù)先編成順序記錄，存儲于管理文件中，然后逐項(xiàng)執(zhí)行。?程序語言方式是通過語言編程來實(shí)現(xiàn)順序控制的，所采用的語言是一種面向現(xiàn)場、面向過程的簡單直觀的控制語言。?梯形圖法又稱梯形邏輯控制語言，它是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(shè)計語言。它的書寫方式易被控制工程師理解和接受，實(shí)現(xiàn)起來也更方便。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(jié)合的復(fù)合控制功能。

4.批量控制?批量控制就是根據(jù)工藝要求將反饋控制與邏輯、順序控制結(jié)合起來，使一個間歇式生產(chǎn)過程得到合格產(chǎn)品的控制。?例如，配制生產(chǎn)一種催化劑溶液，需經(jīng)投料、加入定量溶劑、攪拌、加熱并控制到一定溫度、在此溫度上保持一段時間、成品過濾排放等步驟。在這種生產(chǎn)過程中，每一步操作都是不連續(xù)的，但都有規(guī)定的要求，每步的轉(zhuǎn)移又依賴一定的條件。這里除了要進(jìn)行溫度、流量的反饋控制外，還需要執(zhí)行打開閥門、啟動攪拌等的開關(guān)控制及計時判斷，要用順序程序把這些操作按次序連接起來，定義每步操作的條件和要求，直接控制有關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備，以得到滿意的產(chǎn)品。?由此可見，批量控制中的每一步中有的可能是順序控制，有的可能是邏輯控制，有的可能是連續(xù)量的反饋控制。于是，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(yùn)算結(jié)果都可以作為順序控制的條件信號?；芈返那袚Q、參數(shù)的變更、設(shè)定值的調(diào)整、控制算法的變更、控制方案的變更等又成為由順序控制轉(zhuǎn)換為反饋控制的條件。彼此交換信息，轉(zhuǎn)換間斷的各步驟，最終完成批量控制。5.輔助功能?除了以上各種功能外，過程控制裝置還必須具有一些輔助性功能才可以完成實(shí)際的過程控制。(1)控制方式選擇?DCS有手動、自動、串級和計算機(jī)等四種控制方式可供選擇。①手動方式(MAN)由操作站經(jīng)由通信系統(tǒng)進(jìn)行手動操作。②自動方式(AUT)以本回路設(shè)定值為目標(biāo)進(jìn)行自動運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。③串級方式(CAS)以另一個控制器的輸出值作為本控制器的設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自動控制。④計算機(jī)方式(COMP)監(jiān)控計算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，經(jīng)由通信系統(tǒng)作為本控制器設(shè)定值的控制方式，或者作為本控制器的后備，直接控制生產(chǎn)過程的方式。(2)測量值跟蹤?增量型和速度型PID算法通常具有測量值跟蹤功能。即在手動方式時，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的值，而跟蹤測量值。這樣，從手動切換到自動時，偏差總是零，即使比例度較小，PID輸出值也不會產(chǎn)生波動。切到自動后，再逐步把設(shè)定值調(diào)整到所要求的數(shù)值。(3)輸出值跟蹤?混合型PID算法，在設(shè)置測量值跟蹤的同時，還需要設(shè)置輸出值跟蹤功能。即在手動方式時，使內(nèi)存單元中PID輸出值跟蹤手操輸出值。這樣，從手動切換到自動時，由于內(nèi)存單元中的數(shù)值與手操輸出值相等，從而實(shí)現(xiàn)了無擾動切換。?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，因此，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。2.4.2操作站的基本功能?操作站的基本功能主要表現(xiàn)為顯示、操作、報警、組態(tài)、系統(tǒng)維護(hù)和報告生成等幾個方面。1.顯示?操作站的彩色顯示器(CRT或LCD)具有很強(qiáng)的顯示功能。DCS能將系統(tǒng)信息集中地反映在屏幕上，并自動地對信息進(jìn)行分析、判斷和綜合。它以模擬方式、數(shù)字方式及趨勢曲線實(shí)時顯示每個控制回路的測量值(PV)、設(shè)定值(SV)及控制輸出值(MV)。所有控制回路以標(biāo)記形式顯示于總貌畫面中，而每個回路中的信息又可以詳盡地顯示于分組畫面中。非控制變量的實(shí)時測量值以及經(jīng)處理后的輸出值也可以各種方式在屏幕上顯示。2.操作?操作站可對全系統(tǒng)每個控制回路進(jìn)行操作，對設(shè)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(jìn)行調(diào)整，對控制回路中的各種操作方式(如手動、自動、串級、計算機(jī)、順序手動等)進(jìn)行切換。對報警限設(shè)定值、順控定時器及計數(shù)器的設(shè)定值進(jìn)行修改和再設(shè)定。為了保證生產(chǎn)的安全，還可以采取緊急操作措施。3.報警?操作站以畫面方式、色彩(或閃光)方式、模擬方式、數(shù)字方式及音響信號方式對各種變量的越限和設(shè)備狀態(tài)異常進(jìn)行各種類型的報警。4.系統(tǒng)組態(tài)?DCS實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制時，需要根據(jù)設(shè)計要求，預(yù)先將硬件設(shè)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(yùn)行，這就是系統(tǒng)組態(tài)。?對于大型DCS，其組態(tài)是在工程師站上完成的，而對于中、小型DCS，其組態(tài)是在操作站上完成的。DCS的組態(tài)分為系統(tǒng)組態(tài)和應(yīng)用組態(tài)兩類，相應(yīng)的有系統(tǒng)組態(tài)軟件和應(yīng)用組態(tài)軟件。?系統(tǒng)組態(tài)軟件包括建立網(wǎng)絡(luò)、登記設(shè)備、定義系統(tǒng)信息和分配系統(tǒng)功能，從而將一個物理的DCS構(gòu)成一個邏輯的DCS，便于系統(tǒng)管理、查詢、診斷和維護(hù)。?應(yīng)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(yùn)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(dāng)?shù)慕M合，而構(gòu)成控制回路，以實(shí)現(xiàn)各種控制功能。應(yīng)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(yīng)用組態(tài)。組態(tài)主要針對過程控制級和過程管理級。設(shè)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，先過程控制級，后過程管理級。5.系統(tǒng)維護(hù)?DCS的各裝置具有較強(qiáng)的自診斷功能，當(dāng)系統(tǒng)中的某設(shè)備發(fā)生故障時，一方面立刻切換到備用設(shè)備，另一方面經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)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。2.4.3自診斷功能?為了提高DCS的可靠性，延長系統(tǒng)的平均故障間隔時間(MTBF)和縮短平均故障修復(fù)時間

(MTTR)，集散控制系統(tǒng)的各裝置具有較強(qiáng)的自診斷功能。在系統(tǒng)投運(yùn)前，用離線診斷程序檢查各部分的工作狀態(tài)；系統(tǒng)運(yùn)行中，各設(shè)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(shè)備；同時經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)在顯示器上顯示出故障代碼，等待及時處理。通常故障代碼可以定位到卡件板，用戶只需及時更換卡件。

2.5數(shù)據(jù)通信技術(shù)?通信系統(tǒng)是DCS的主干，決定著系統(tǒng)的基本特性。通信系統(tǒng)引入局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，促進(jìn)了DCS的更新?lián)Q代，增強(qiáng)了全系統(tǒng)的功能。2.5.1數(shù)據(jù)通信原理?數(shù)據(jù)通信是計算機(jī)或其他數(shù)字裝置與通信介質(zhì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲和處理的通信技術(shù)。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。1.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成?通信是指用特定的方法，通過某種介質(zhì)將信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由信號、發(fā)送裝置、接收裝置、信道和通信協(xié)議等部分組成，如圖2.2所示。圖2.2通信系統(tǒng)模型(1)信號或稱報文，指需要傳送的數(shù)據(jù)，由文本、數(shù)字、圖片或聲音等及其組合方式組成。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)內(nèi)部，信號是任何計算機(jī)能夠識別的信息。(2)發(fā)送裝置指具有作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)源的能力，任何能夠產(chǎn)生和處理數(shù)據(jù)的設(shè)備。(3)接收裝置指能夠接收模擬或數(shù)字形式數(shù)據(jù)的任何功能的設(shè)備。(4)信道信道是指發(fā)送裝置與接收裝置之間的信息傳輸通道，包括傳輸介質(zhì)和有關(guān)的中間設(shè)備，它用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。常用的傳輸介質(zhì)是雙絞線、同軸電纜、光纜、無線電波、微波等。(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(biāo)準(zhǔn)，它定義了通信的內(nèi)容、格式，通信如何進(jìn)行、何時進(jìn)行等。?發(fā)送裝置把要發(fā)送的信息送上信道，再經(jīng)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(nèi)外干擾的影響。2.通信類型?信號按其是連續(xù)變化還是離散變化分為模擬信號和數(shù)字信號，通信也分為模擬通信和數(shù)字通信兩大類。?模擬通信是以連續(xù)模擬信號傳輸信息的通信方式。例如，在模擬儀表控制系統(tǒng)中，采用0～10mADC或4～20mADC電流信號傳輸信息。數(shù)字通信是將數(shù)字信號進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?數(shù)據(jù)信息是具有一定編碼、格式和字長的數(shù)字信息。3.傳輸方式?信息按其在信道中的傳輸方向分為單工、半雙工和全雙工三種傳輸方式，如圖2.3所示。(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?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為單工方式。(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?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為半雙工方式。(3)全雙工方式信息可以同時沿著兩個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧较蚍Q為全雙工方式。圖2.3信息傳輸方式4.串行傳輸與并行傳輸(1)串行傳輸是把數(shù)據(jù)逐位依次在信道上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?。如圖2.4(a)所示。(2)并行傳輸是把數(shù)據(jù)多位同時在信道上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?。如圖2.4(b)所示。?在DCS中，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)幾乎全部采用串行傳輸方式。圖2.4串行傳輸與并行傳輸

(a)串行傳輸；(b)并行傳輸5.基帶傳輸與寬帶傳輸?計算機(jī)中的信息是以二進(jìn)制數(shù)字(0或1)形式存在的，這些二進(jìn)制信息可以用一系列的脈沖(方波)信號來表示。(1)基帶傳輸

?所謂基帶，是指電信號所固有的頻帶?；鶐鬏斁褪侵苯訉⒋頂?shù)字信號的電脈沖信號原樣進(jìn)行傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是安裝、維護(hù)投資小，缺點(diǎn)是信息傳送容量小，每條傳輸線只可傳送一路信號且傳送距離較短。(2)寬帶傳輸

?當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，需要用基帶信號調(diào)制載波信號。在信道上傳輸調(diào)制信號，就是載帶傳輸。如果要在一條信道上同時傳送多路信號，各路信號可以以不同的載波頻率加以區(qū)別，每路信號以載波頻率為中心占據(jù)一定的頻帶寬度，而整個信道的帶寬為各路載波信號所分享，實(shí)現(xiàn)多路信號同時傳輸，這就是寬帶傳輸。6.異步傳輸與同步傳輸?為了保證接收裝置能正確地接收信號，需要采用同步技術(shù)。常用的同步技術(shù)有兩種，即異步傳輸和同步傳輸。?在異步傳輸中，信息以字符為單位進(jìn)行傳輸，每個信息字符都具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，信息不是以字符而是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸?shù)?。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(guān)系。在這一組數(shù)據(jù)或一個報文之內(nèi)不需要啟/停標(biāo)志，所以可以獲得較高的傳輸速度。7.傳輸速率?信息傳輸速率又稱為比特率，是指單位時間內(nèi)通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⒘俊Ｒ话阋悦棵腌娝軌騻鬏數(shù)谋忍財?shù)來表示，記為Rb。其單位是比特/秒，記為bit/s或bps。8.信息編碼?信息在通過通信介質(zhì)進(jìn)行傳輸前必須先轉(zhuǎn)換為電磁信號。將信息轉(zhuǎn)換為信號需要對信息進(jìn)行編碼。用模擬信號表示數(shù)字信息的編碼稱為數(shù)字-模擬編碼。在模擬傳輸中，發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生一個高頻信號作為基波，來承載信息信號。將信息信號調(diào)制到載波信號上，這種形式的改變稱為調(diào)制(移動鍵控)，信息信號被稱為調(diào)制信號。?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(shí)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(yīng)地也有三種調(diào)制方式，即調(diào)幅方式、調(diào)頻方式和調(diào)相方式。常用編碼方法是幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)，此外還有振幅與相位變化結(jié)合的正交調(diào)幅(QAM)。(1)幅移鍵控法(AmplitudeShiftKeying，ASK)它是用調(diào)制信號的振幅變化來表示二進(jìn)制數(shù)的，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(FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK)它是用調(diào)制信號的頻率變化來表示二進(jìn)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(Phaseshiftkeying，PSK)它是用調(diào)制信號的相位變化來表示二進(jìn)制數(shù)的，例如用0°相位表示0，用180°相位表示1，如圖2.5(c)所示。圖2.5三種調(diào)制方式9.數(shù)據(jù)交換方式?在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通常采用線路交換、報文交換、報文分組交換等三種數(shù)據(jù)交換方式。(1)線路交換方式所謂線路交換方式是在需要通信的兩個節(jié)點(diǎn)之間，事先建立起一條實(shí)際的物理連接，然后再在這條實(shí)際的物理連接上交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交換完成之后再拆除物理連接。因此，線路交換方式將通信過程分為三個階段，即線路建立、數(shù)據(jù)通信和線路拆除階段。(2)報文交換方式報文交換方式是經(jīng)由中間節(jié)點(diǎn)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。因此,有時又將其稱為存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。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，這個報文是由要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上目的地址、源地址和控制信息所組成的。(3)報文分組交換方式這種方式交換的基本數(shù)據(jù)單位是一個報文分組。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。由于報文分組比報文短得多，傳輸時比較靈活。特別是當(dāng)傳輸出錯需要重發(fā)時，只需重發(fā)出錯的報文分組，而不必像報文交換方式那樣重發(fā)整個報文。報文分組交換方式又分為虛電路和數(shù)據(jù)報兩種交換方式。?報文交換方式和報文分組交換方式不需要事先建立實(shí)際的物理連接。2.5.2通信網(wǎng)絡(luò)?所謂計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是把分布在不同地點(diǎn)且具有獨(dú)立功能的多個計算機(jī)系統(tǒng)通過通信設(shè)備和介質(zhì)連接起來，在功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件和協(xié)議的管理下，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中資源共享為目標(biāo)的系統(tǒng)。DCS的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)就是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橄到y(tǒng)中的每一個節(jié)點(diǎn)工作站和網(wǎng)絡(luò)接口相當(dāng)于一個計算機(jī)系統(tǒng)。1.局部網(wǎng)絡(luò)的概念?局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LocalAreaNetwork，LAN)，簡稱為局部網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)，是一種分布在有限區(qū)域內(nèi)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是利用通信介質(zhì)將分布在不同地理位置上的多個具有獨(dú)立工作能力的計算機(jī)系統(tǒng)連接起來，并配置了網(wǎng)絡(luò)軟件的一種網(wǎng)絡(luò)，用戶能夠共享網(wǎng)絡(luò)中的所有硬件、軟件和數(shù)據(jù)等資源。2.局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?在通信網(wǎng)絡(luò)中,拓?fù)湟辉~是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)或工作站相互連接的方法。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互連的方法。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了一對節(jié)點(diǎn)之間可以使用的數(shù)據(jù)通路，或稱鏈路。通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是星型、環(huán)型、總線型、樹型和菊花鏈型。(1)星型結(jié)構(gòu)?星型結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。在星型結(jié)構(gòu)中，每一個節(jié)點(diǎn)都通過一條鏈路連接到一個中央節(jié)點(diǎn)上。任何兩個節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過中央節(jié)點(diǎn)。在中央節(jié)點(diǎn)中，有一個“智能”開關(guān)裝置，用來接通兩個節(jié)點(diǎn)之間的通信路徑。因此，中央節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造是比較復(fù)雜的，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就要癱瘓。圖2.6星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2)環(huán)型結(jié)構(gòu)?環(huán)型結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。在環(huán)型結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)信息到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時，該節(jié)點(diǎn)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(rèn)標(biāo)記，以便由發(fā)送節(jié)點(diǎn)清除。由于傳輸是單方向的，所以不存在確定信息傳輸路徑的問題，這可以簡化鏈路的控制。圖2.7環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(3)總線型結(jié)構(gòu)?總線型結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。與星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)相比，總線型結(jié)構(gòu)采用的是一種完全不同的方法。這時的通信網(wǎng)絡(luò)僅僅是一種傳輸介質(zhì)，它既不像星型網(wǎng)絡(luò)中的中央節(jié)點(diǎn)那樣具有信息交換的功能，也不像環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)那樣具有信息中繼的功能。所有的站都通過相應(yīng)的硬件接口直接接到總線上。由于所有的節(jié)點(diǎn)都共享一條公用的傳輸線路，所以每次只能由一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，信息由發(fā)送它的節(jié)點(diǎn)向兩端擴(kuò)散，這就如同廣播電臺發(fā)射的信號向空間擴(kuò)散一樣。所以，這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)。圖2.8總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(4)樹型結(jié)構(gòu)?樹型拓?fù)涫菑目偩€型拓?fù)溲葑冞^來的，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。圖2.9就是這種樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。?這種拓?fù)浜蛶в袔讉€段的總線拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于根(也稱頭端)的存在。當(dāng)節(jié)點(diǎn)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)。這種結(jié)構(gòu)不需要中繼器。圖2.9樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(5)菊花鏈型結(jié)構(gòu)?菊花鏈型也稱鏈型結(jié)構(gòu)，如圖2.10所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是用一個網(wǎng)段分別連接兩個節(jié)點(diǎn)的聯(lián)接器，多個節(jié)點(diǎn)的聯(lián)接器依次互連，從而形成一個鏈狀通信網(wǎng)絡(luò)。圖2.10菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.傳輸介質(zhì)?傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。常見的傳輸介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纜三種，如圖2.11所示。(1)雙絞線雙絞線是由兩條相互絕緣的導(dǎo)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，如圖2.11（a）所示。雙絞線的成本比較低，當(dāng)傳輸距離比較遠(yuǎn)時，其傳輸速率受到限制，一般不超過10Mbps。(2)同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、中間絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層構(gòu)成，如圖2.11（b）所示。信號通過內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體傳輸，外導(dǎo)體一般是接地的，起屏蔽作用。同軸電纜分為用于基帶傳輸?shù)幕鶐S電纜(如50Ω同軸電纜)和用于寬帶傳輸?shù)膶拵S電纜(如75Ω電視天線電纜)。同軸電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離、可支持的節(jié)點(diǎn)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。?安裝時須注意不同規(guī)格同軸電纜的最小彎曲半徑和最大長度等規(guī)定。因?yàn)?，?dāng)同軸電纜的安裝彎曲半徑小于規(guī)定值，或最大長度超過規(guī)定值時，將改變電纜阻抗，造成阻抗不匹配，致使信號有程度不同的衰減。(3)光纜光纜的結(jié)構(gòu)如圖2.11（c）所示，它的內(nèi)芯是由二氧化硅拉制成的光導(dǎo)纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層。由于內(nèi)芯和覆層的折射率不同，以一定角度進(jìn)入內(nèi)芯的光線能夠通過覆層折射回去，沿著內(nèi)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)如圖2.12所示的全反射，光也就從輸入端傳到了輸出端。因?yàn)楣饫|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。圖2.11傳輸介質(zhì)圖2.12光在纖芯中的傳播原理4.網(wǎng)絡(luò)控制方法?在通信網(wǎng)絡(luò)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(jī)制稱為網(wǎng)絡(luò)控制方法。網(wǎng)絡(luò)控制方法與所使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，常用的方法有查詢、令牌傳送、自由競爭、存儲轉(zhuǎn)發(fā)等。(1)查詢式查詢式用于主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如星型網(wǎng)絡(luò)或具有主站的總線型網(wǎng)絡(luò)。主站依次詢問各站是否需要通信，收到通信應(yīng)答后再控制信息的發(fā)送與接收。當(dāng)多個從站要求通信時，按站的優(yōu)先級安排發(fā)送。(2)自由競爭式在這種方式中，網(wǎng)絡(luò)上各站是平等的，任何一個站在任何時刻均可以向網(wǎng)上廣播要發(fā)送的信息。信息中包含有目的站地址，其他各站接收到后確定是否為發(fā)給本站的信息。由于總線型網(wǎng)絡(luò)中線路是公用的，因此競爭發(fā)送所要解決的問題是當(dāng)有多個站同時發(fā)送信息時的協(xié)調(diào)問題。自由競爭采取的控制策略是：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。?當(dāng)工作站有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先偵聽線路是否空閑。若空閑，則該站就可發(fā)送數(shù)據(jù)。載波偵聽技術(shù)雖然能夠減少線路沖突，但還不能完全避免沖突。如兩個工作站同時偵聽到線路空閑時，會因同時發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生沖突，造成數(shù)據(jù)作廢。解決的辦法是在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，發(fā)送站還需進(jìn)行沖突檢測。當(dāng)檢測到?jīng)_突發(fā)生時，工作站將等待一個隨機(jī)時間再次發(fā)送。載波偵聽多工訪問/沖突檢測(CSMA/CD)方法就是一個典型例子。(3)令牌傳送這種方式中，有一個稱為令牌（Token）的信息段在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)只有得到空令牌時才具有信息發(fā)送權(quán)，同時將令牌置為忙。令牌沿網(wǎng)絡(luò)而行，當(dāng)信息被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)取走后，令牌被重新置為空。?令牌傳送的方法實(shí)際上是一種按預(yù)先的安排讓網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)依次輪流占用通信線路的方法。令牌是一組特定的二進(jìn)制代碼，它按照事先排列的某種邏輯順序沿網(wǎng)絡(luò)而行。只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才有權(quán)控制和使用網(wǎng)絡(luò)。若某節(jié)點(diǎn)得到令牌后有信息要發(fā)送，則先將令牌從網(wǎng)絡(luò)上取下，并把令牌改成連接器，此時該節(jié)點(diǎn)即可發(fā)送信息。發(fā)送完畢，還需將令牌再附在信息后面，傳送給邏輯順序中的下一個節(jié)點(diǎn)。而如果下一節(jié)點(diǎn)無信息發(fā)送，則令牌將隨即向邏輯順序中的下一個節(jié)點(diǎn)傳遞。?圖2.13是一個令牌傳送示意圖。由圖可見，令牌傳送的次序是由用戶根據(jù)需要預(yù)先確定的，而不是按節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的物理次序傳送的。圖中的傳送次序?yàn)锳→C→F→B→D→E→A。?令牌傳送既適合于環(huán)型網(wǎng)，也適合于總線型網(wǎng)。在總線型網(wǎng)絡(luò)的情況下，各站被賦予一個邏輯位置，所有站形成一個邏輯環(huán)。令牌傳送效率高，信息吞吐量大，實(shí)時性好。?令牌傳送與CSMA/CD相比，重載時響應(yīng)時間較短，實(shí)時性較好。而CSMA/CD在網(wǎng)絡(luò)重載時將不斷地發(fā)生沖突，因此響應(yīng)時間較長，實(shí)時性變差。但令牌方式控制較復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時必須重新初始化。圖2.13令牌傳遞過程示意圖(4)存儲轉(zhuǎn)發(fā)式存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的信息傳送過程為：源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，到達(dá)它的相鄰節(jié)點(diǎn)；相鄰節(jié)點(diǎn)將信息存儲起來，等到自己的信息發(fā)送完，再轉(zhuǎn)發(fā)這個信息，直到把此信息送到目的節(jié)點(diǎn)；目的節(jié)點(diǎn)加上確認(rèn)信息(正確)或否認(rèn)信息(出錯)，向下發(fā)送直至源站；源節(jié)點(diǎn)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。存儲轉(zhuǎn)發(fā)式不需要通信指揮器，允許有多個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送和接收信息，信息延時小，帶寬利用率高。5.差錯控制技術(shù)?DCS的通信網(wǎng)絡(luò)是在條件比較惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作的，因此，在信息傳輸過程中，各種各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(dǎo)致生產(chǎn)過程事故。因此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(2)傳輸錯誤及可靠性指標(biāo)?在通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⑹嵌M(jìn)制信息，它只有0和1兩種狀態(tài)。因此，如果把0誤傳為1，或者把1誤傳為0就是傳輸錯誤。根據(jù)錯誤的特征，可以把它們分為兩類，一類稱為突發(fā)錯誤，突發(fā)錯誤是由突發(fā)噪聲引起的，其特征是誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)；另一類稱為隨機(jī)錯誤，隨機(jī)錯誤是由隨機(jī)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(guān)。?在DCS中，為了滿足控制要求和充分利用信道傳輸能力，傳輸速率一般在0.5～100Mbps左右。傳輸速率越大，每一位二進(jìn)制代碼(又稱碼元)所占用的時間就越短，波形就越窄，抗干擾能力就越差，可靠性就越低。傳輸可靠性用誤碼率表示，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)。?由上式可見，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(biāo)大約在每年0.01次到4次左右。(3)反饋重發(fā)糾錯方式(ARQ)?在反饋重發(fā)糾錯方式下，發(fā)送端要對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種運(yùn)算，產(chǎn)生能檢測錯誤的幀校驗(yàn)序列(FCS)，然后把校驗(yàn)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(yùn)算規(guī)則及校驗(yàn)序列，檢查數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否有出錯，并通過反饋信道把判決結(jié)果發(fā)回發(fā)送端。發(fā)送端收到反饋信號若標(biāo)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(biāo)明接收正確為止。ARQ方式中，必須有一個反饋信道，并且只用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。?ARQ方式中另一個關(guān)鍵問題是檢錯編碼問題。檢錯編碼的方法很多，常用的有奇偶校驗(yàn)碼和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。①奇偶檢驗(yàn)奇偶檢驗(yàn)是在傳遞字節(jié)后附加一位校驗(yàn)位。該校驗(yàn)位根據(jù)字節(jié)內(nèi)容取l或0。奇校驗(yàn)時傳送字節(jié)與校驗(yàn)位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)，偶校驗(yàn)時傳送字節(jié)與校驗(yàn)位中“1”的數(shù)目為偶數(shù)。接收端按同樣的校驗(yàn)方式對收到的信息進(jìn)行校驗(yàn)。如發(fā)送時規(guī)定為奇校驗(yàn)時，若收到的字符及校驗(yàn)位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)，則認(rèn)為傳輸正確，否則，認(rèn)為傳輸錯誤。?例如，采用偶校驗(yàn)方法傳送一個字節(jié)01100001，發(fā)送端在字節(jié)后添加校驗(yàn)位1，使帶校驗(yàn)位數(shù)據(jù)中1的個數(shù)為偶數(shù)，即011000011。接收端收到該數(shù)據(jù)后，同樣檢查數(shù)據(jù)中1的個數(shù)，若為偶數(shù)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)正確，將01100001取走；若為奇數(shù)，則表明有傳輸錯誤，采取進(jìn)一步糾錯措施。奇偶校驗(yàn)只能檢測出奇數(shù)個信息位出錯的情況，而差錯的位置不能確定。②循環(huán)冗余碼校驗(yàn)在所傳輸?shù)男畔⒅懈郊尤哂喽鹊姆椒ㄊ且环N常用的差錯控制方法。這種方法的基本原理是在傳輸?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)。這樣，當(dāng)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。?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。?發(fā)送端在信息碼的后面按一定的規(guī)則附加冗余碼組成傳輸碼組的過程稱為編碼，在接收端按相同規(guī)則檢測和糾錯的過程稱為譯碼。編碼和譯碼都是由硬件電路配合軟件完成的。?在DCS中應(yīng)用較多的是循環(huán)冗余碼 (CyclicRedundancyCode，CRC)校驗(yàn)方法。2.5.3通信協(xié)議?人們打電話時要按照一定的規(guī)則進(jìn)行。比如，先拿起話機(jī)監(jiān)聽，若線路空閑，可聽到允許撥號的聲音，撥號成功時會聽到對方電話機(jī)鈴響。對方拿起話機(jī)后，雙方互通姓名，互致問候，然后對話。對話完畢時，說聲“再見!”結(jié)束通話。數(shù)據(jù)通信也必須遵守一定的規(guī)則。1.通信協(xié)議的概念?網(wǎng)絡(luò)通信功能包括數(shù)據(jù)傳輸和通信控制兩大部分。為了可靠、準(zhǔn)確且快速地傳輸數(shù)據(jù)信息，通信過程從開始發(fā)送信息到結(jié)束發(fā)送可分為若干個階段，相應(yīng)的通信控制功能也分成一組組操作。將通信的全過程稱為通信體系結(jié)構(gòu)，一組組通信控制功能應(yīng)當(dāng)遵守通信雙方共同約定的規(guī)則，并受這些規(guī)則的約束。在計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，對數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行管理的規(guī)則稱為協(xié)議。?通信協(xié)議不僅規(guī)定了通信過程，還規(guī)定了報文的格式及所使用的命令的含義等。通信協(xié)議有如下關(guān)鍵要素。(1)語法語法(Syntax)包括數(shù)據(jù)格式、信號電平等規(guī)定。例如，簡單通信協(xié)議定義數(shù)據(jù)前8位是發(fā)送方地址，第二組8位是接收方地址，后面是消息本身等。(2)語義語義(Semantics)是比特流每部分的含義，一個特定比特模式如何理解，基于這種理解采取何種動作等，包括用于調(diào)整和差錯處理的控制信息。例如，一個地址指經(jīng)過的路由器還是目的地址等。(3)時序時序(Timing)規(guī)定了速度匹配和排序。包括數(shù)據(jù)何時發(fā)送，以什么速率發(fā)送，使發(fā)送與接收方能夠無差錯地完成數(shù)據(jù)通信等。?完善的通信協(xié)議是復(fù)雜的，為了使其設(shè)計簡單，易于調(diào)試和正確實(shí)現(xiàn)，通常將整個協(xié)議劃分為若干個層次。不同的局部網(wǎng)絡(luò)，其通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，描述其通信控制功能的協(xié)議也不同。為了使各種網(wǎng)絡(luò)能夠互連，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalStandardsOrganization，ISO)提出了一個開放系統(tǒng)互連(OpenSystemsInterconnection，OSI)參考模型，簡稱ISO/OSI模型。它是通信系統(tǒng)之間相互交換信息所共同使用的一組標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則，凡按照該模型建立的網(wǎng)絡(luò)就可以互連。開放系統(tǒng)互連是彼此開放的系統(tǒng)通過共同使用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息的交換。2.開放系統(tǒng)互連參考模型?開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)是信息處理領(lǐng)域內(nèi)最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。它為協(xié)調(diào)研制系統(tǒng)互連的各種標(biāo)準(zhǔn)提供了共同的基礎(chǔ)，為保持所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相容性提供共同的參考，為研究、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和改造信息系統(tǒng)提供了功能上和概念上的框架。該標(biāo)準(zhǔn)將開放系統(tǒng)的通信功能分為七層，描述了分層的意義及各層的命名和功能。?國際標(biāo)準(zhǔn)化組織選擇的結(jié)構(gòu)化技術(shù)是分層(Layering)。在分層結(jié)構(gòu)中，每一層執(zhí)行部分通信功能，它依靠相鄰的低一層完成較原始的功能，并和該層的具體細(xì)節(jié)分離，同樣，它為相鄰的高一層提供服務(wù)。分層結(jié)構(gòu)使各層的實(shí)現(xiàn)對其他層次來說是透明的，使各層的設(shè)計和測試相對獨(dú)立。因此，新技術(shù)的引入或新業(yè)務(wù)的開發(fā)只需在相應(yīng)的分層進(jìn)行。?兩個相互通信的系統(tǒng)都有共同的層次結(jié)構(gòu)，一個系統(tǒng)的N層與另一個系統(tǒng)的N層之間的相互通信遵循一套“協(xié)議”。圖2.14開放系統(tǒng)互連參考模型?在圖2.14中，兩個系統(tǒng)相互通信時應(yīng)具有相同的層次結(jié)構(gòu)。同等層之間應(yīng)建立同等層的通信關(guān)系，例如，應(yīng)用層之間使用應(yīng)用層通信協(xié)議，該協(xié)議要求下一層(表示層)為其提供服務(wù)。依次類推，直到物理層。在物理層，通過通信介質(zhì)上實(shí)際傳輸?shù)谋忍亓鲗?shí)現(xiàn)信息的傳輸。在此，“層”的含義既是考慮問題的層次，又是邏輯的套疊關(guān)系，它對應(yīng)有不同的軟件。這種關(guān)系有點(diǎn)像信件中采用多層信封把信息包裝起來，發(fā)信時要由里到外逐層包裝，收信后要由外到里逐層拆開，最后才是所傳送的信息。每一層都有雙方約定的規(guī)則，即協(xié)議，相當(dāng)于每一層的信封上都有相互理解的標(biāo)記，否則信息就傳不到預(yù)定地點(diǎn)。?如果把要傳送的信息稱為“報文”，它也可以是數(shù)據(jù)，每一層上的標(biāo)記則稱為“報頭”。例如，從一個站S1把數(shù)據(jù)傳送到另一個站S2，在圖2.14中，首先把數(shù)據(jù)送到應(yīng)用層口，把一個報頭H7加到數(shù)據(jù)前面，相當(dāng)于包裝一個信封。然后傳到表示層，又加一個報頭H6，相當(dāng)于第二層信封。如此類推，傳到第2層，即鏈路層口之后，除了加報頭H2之外還要加報尾T2，然后送到物理層。?物理層是通信設(shè)備的硬件，它不再進(jìn)行上述包裝，而是把封裝后的信息由物理層放到通信線路上傳輸。由此可見，從第7層到第2層根本沒有進(jìn)行站Sl

到站S2的傳送，只不過是為傳送作準(zhǔn)備，這種準(zhǔn)備都是軟件方面的處理，直到第一層才靠硬件(傳輸介質(zhì))真正進(jìn)行傳送。?到達(dá)接收站之后，按照相反的順序逐層向上，每經(jīng)過一層就去掉一個報頭，到應(yīng)用層之后，所有的報頭報尾都去掉了，因?yàn)檫@些附加的標(biāo)記已經(jīng)完成了識別的任務(wù)，最后只剩數(shù)據(jù)或報文本身。至此，站S1到站S2的通信結(jié)束。反之，從站S2到站Sl

的通信過程也是這樣進(jìn)行的，只不過方向相反而已。?ISO/OSI模型由七層組成，從下至上分別為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會話層、表示層及應(yīng)用層?？梢哉J(rèn)為低層實(shí)際上是高層的接口，每一層都詳細(xì)地規(guī)定了通信協(xié)議和任務(wù)，一旦這一層的任務(wù)完成，它上面或下面層的任務(wù)就開始執(zhí)行。?ISO/OSI模型各層的功能如下。(1)物理層物理層用來提供通信設(shè)備的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性和過程特性，并在物理線路上傳輸數(shù)據(jù)位流。(2)鏈路層鏈路層負(fù)責(zé)將被傳送的數(shù)據(jù)按幀結(jié)構(gòu)格式化，從一個站無差錯地傳送到下一個站。(3)網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過多種網(wǎng)絡(luò)從源地址發(fā)送到目的地址，并負(fù)責(zé)多路徑下的路徑選擇和擁擠控制。(4)傳送層傳送層負(fù)責(zé)源端到目的端完整數(shù)據(jù)的傳送，在這一點(diǎn)上與網(wǎng)絡(luò)層是有區(qū)別的，網(wǎng)絡(luò)層只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的傳送，它并不關(guān)心數(shù)據(jù)包之間的關(guān)系。(5)會話層會話層為網(wǎng)絡(luò)的會話控制器，負(fù)責(zé)通信設(shè)備間交互作用的建立、維護(hù)與同步，同時還負(fù)責(zé)每一會話的正常關(guān)閉，即不會造成會話的突然中斷。(6)表示層表示層使數(shù)據(jù)格式不同的設(shè)備之間可以進(jìn)行通信，如設(shè)備分別采用不同的編碼，表示層具有代碼翻譯功能，使設(shè)備間能夠互相理解。(7)應(yīng)用層應(yīng)用層為用戶提供訪問網(wǎng)絡(luò)的手段，包括提供界面及各種服務(wù)，如電子郵件、文件存取、數(shù)據(jù)庫管理等。?總之，下面三層主要解決網(wǎng)絡(luò)通信的細(xì)節(jié)，并為上層用戶服務(wù)。上面四層解決端對端的通信，并不涉及實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)木唧w細(xì)節(jié)。2.5.4現(xiàn)場總線簡介?現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向、串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（Infranet）?，F(xiàn)場總線可以支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，可以與工廠自動化控制設(shè)備互連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級通信。由于現(xiàn)場總線遵循國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，因而具有開放、互聯(lián)、兼容和互操作的特性，使得集散控制系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大。現(xiàn)場總線可以簡化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方診斷、調(diào)試和現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)，從而提高系統(tǒng)的安全可靠性，同時還可減少設(shè)計、安裝的工作量，因而一直受到各企業(yè)的關(guān)注。1.現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)?現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)是通信協(xié)議。在發(fā)展初期，各大自動化集團(tuán)紛紛推出了自己的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，類型達(dá)幾十種之多。為了便于用戶使用，達(dá)到各總線之間互連的目的，就必須實(shí)行大家共同遵守的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC(國際電工委員會)等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，為了統(tǒng)一現(xiàn)場總線通信協(xié)議，做了許多工作，通過了十幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的折中方案。(1)IECTC65(國際電工委員會第65技術(shù)委員會)

?2003年IEC通過了修訂的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，共有10種類型，其內(nèi)容見表2.1。表2.1IEC61158現(xiàn)場總線類型類型編號現(xiàn)場總線名稱主要支持的公司1FFH1Emerson(美)2ControlNetRockwell(美)3ProfibusSiemens(德)4P-NetProcessData(丹麥)5FFHSEEmerson(美)6SwiftNetBoeing(美)7WorldFIPAlstom(法)8InterBusPhoenixContact(德)9FFFMSEmerson(美)10ProfiNetSiemens(德)(2)IECTC17(國際電工委員會第l7技術(shù)委員會)

?IEC62026有4種現(xiàn)場總線類型，即AS-i(ActuatorSensorInterface，執(zhí)行器傳感器接口，Siemens公司)；DeviceNet(設(shè)備網(wǎng)，Rockwell公司)；SDS(SmartDistributedSystem，靈巧式分散型系統(tǒng)，Honeywell公司)及Seriplex(串聯(lián)多路控制總線)。(3)ISO11898與ISO11519

?ISO有一種CAN(控制局域網(wǎng))現(xiàn)場總線類型，即CANISO11898(1Mbps)和CANISO11519(125kbps)，主要由德國RobertBosch公司支持。?綜上所述，IEC61158雖有10種類型，但類型l、5、9實(shí)際上都屬于FF，因此可歸納為8種現(xiàn)場總線，加上IEC62026的4種與ISO的1種共計有13種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。?從理論上講，由于采用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線應(yīng)具有開放、互聯(lián)、兼容的優(yōu)越性，在組成控制系統(tǒng)時，用戶不會因?yàn)槭褂昧瞬煌瑥S家的現(xiàn)場設(shè)備而在相互連接上出現(xiàn)困難。但是，由于標(biāo)準(zhǔn)并沒有完全統(tǒng)一，各種不同標(biāo)準(zhǔn)之間的通信連接仍需采取其他措施，增加了組成控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，仍需要通過進(jìn)一步的協(xié)商和整合，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。2.現(xiàn)場總線通信模型?ISO/OSI參考模型定義了一個七層的開放系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的要求，對模型進(jìn)行了優(yōu)化，除去了實(shí)時性不強(qiáng)的中間層，并增加了用戶層，這樣構(gòu)成了現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)模型。?基金會現(xiàn)場總線FFH1模型如圖2.15的右側(cè)一列所示。它采用了ISO/OSI參考模型中的物理層、鏈路層和應(yīng)用層三層，隱去了3～6層。其中物理層、鏈路層采用了IEC/ISA標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層分為兩個子層，即現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS。FMS為系統(tǒng)的用戶層提供通信服務(wù)。FMS提供不同類型的通信信道，稱為虛擬通信關(guān)系VCR。FAS把VCR映射到底層網(wǎng)絡(luò)，從而把用戶的應(yīng)用進(jìn)程同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展隔離開來。鏈路層、訪問子層和報文規(guī)范子層的全部功能集成在一起稱為通信棧(CommunicationStack)。?與ISO/OSI參考模型不同的是，F(xiàn)F不僅指