第2章集散控制系統基礎知識

●集散控制系統的體系結構

●集散控制系統的硬件結構

●集散控制系統的軟件體系

●集散控制系統的基本功能

●數據通信技術本章主要內容2.1集散控系統的體系結構本節內容提要?集散控制系統體系結構的特征●縱向分層●橫向分散●設備分級●網絡分層?按照功能，集散控制系統設備分為四級●現場控制級●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絡●現場網絡●控制網絡●監控網絡●管理網絡圖2.1集散控制系統的體系結構現場網絡控制網絡監控網絡管理網絡1.現場控制級?典型的現場控制級設備●各類傳感器●各類變送器●各類執行器?現場控制級設備的主要任務●完成過程數據采集與處理。●直接輸出操作命令、實現分散控制。●完成與上級設備的數據通信，實現網絡數據庫共享。2.過程控制級?過程控制級主要設備：過程控制站、數據采集站和現場總線服務器等。?過程控制站●產生控制作用。●可以實現反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能。?數據采集站●接收大量的非控制過程信息；●不直接完成控制功能。?現場總線服務器●一臺安裝了現場總線接口卡與DCS監控網絡接口卡的計算機。?過程控制級設備的主要功能●采集過程數據，進行數據轉換與處理；●對生產過程進行監測和控制；●現場設備及I/O卡件的自診斷；●與過程管理級進行數據通信。3.過程管理級?過程管理級的主要設備：操作站、工程師站和監控計算機等。?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、監視、操作和管理裝置。?工程師站●對DCS進行配置、組態、調試、維護。?監控計算機●實現對生產過程的監督控制；●機組運行優化和性能計算，先進控制策略的實現等。?過程管理級設備的主要功能●對生產過程進行監測和控制；●對DCS進行配置、組態、調試、維護；●對各種設計文件進行歸類和管理。●實現對生產過程的監督控制，故障檢測和數據存檔。

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。?廠級管理系統的主要功能是監視企業各部門的運行情況。?管理計算機的要求是具有能夠對控制系統做出高速反應的實時操作系統。?經營管理級設備的主要功能●監視企業各部門的運行情況；●實時監控承擔全廠性能監視、運行優化、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。2.2集散控制系統的硬件結構本節內容提要?控制站包括現場控制站和數據采集站等。●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●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：通信網絡冗余、操作站冗余、現場控制站冗余、電源冗余、輸入/輸出模塊冗余。

2.2.1現場控制站?主要設備：現場控制單元。?主要任務：進行數據采集及處理，對被控對象實施閉環反饋控制、順序控制和批量控制。?用戶可以根據不同的應用需求，選擇配置不同的現場控制單元以構成現場控制站。●以面向連續生產的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構成一個可以實現多種復雜控制方案的現場控制站;●

以順序控制、聯鎖控制功能為主的現場控制站；●構成對大批量過程信號進行總體信息采集的現場控制站。1.機柜現場控制站機柜中央控制室機柜間機柜間機柜組有了現場控制站，生產過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證現場控制單元多層I/O卡件箱電源單元通信接口接線端子板機柜正面（前面）機柜背面（后面）現場控制站機柜2.電源?電源系統的可靠性措施●每一個現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，快速穩定供電電壓。●配有不間斷供電電源UPS，以保證供電的連續性。?現場控制站內各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。?增加直流電源系統的穩定性措施●給主機供電與給現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。●一般由統一的主電源單元將交流電變為24V直流電供給柜內的直流母線，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。3.控制計算機控制器電源單元I/O卡件現場總線接口卡件導軌控制計算機?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

●用以實現算術運算和邏輯運算。●可以執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。(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，DCS中大都采用了程序固化的辦法。●在冗余控制計算機系統中，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據、設定值和PID參數等。(3)總線

●總線是將現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)●數字量輸入/輸出(DI/DO)●脈沖量輸入通道(PI)

①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性模擬電信號轉換成數字信號，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字信號轉換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續直流信號，用于控制各種執行機構。②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，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、關兩種狀態的設備。③脈沖輸入通道(PI)

脈沖輸入通道(PI)將現場儀表（如渦輪流量計等）輸出的為脈沖信號處理后送入計算機。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?DCS操作站一般分為操作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的人機接口，可以對應用系統進行監視。●工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態軟件來實現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。

●操作臺

●微處理機系統

●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2.2.3冗余技術1.冗余方式冗余技術多重化自動備用簡易的手動備用后退運轉同步運轉待機運轉同步運轉雙重化配置輸入輸出輸入輸出三重化配置?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，這種系統稱為“雙重化系統”(DualSystem)。●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，?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。●當工作設備發生故障時，啟動待機設備來保證系統正常運行。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。?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。?簡易的手動備用方式●采用手動操作方式實現對自動控制方式的備用。●當自動方式發生故障時，通過切換成手動工作方式，來保持系統的控制功能。2.冗余措施●通信網絡的冗余：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。2.3集散控制系統的軟件體系本節內容提要?系統軟件●實時多任務操作系統●面向過程的編程語言●工具軟件?應用軟件●通信管理軟件●組態生成軟件●診斷軟件2.3.1集散控制系統的系統軟件?集散控制系統的系統軟件●一組支持開發、生成、測試、運行和維護程序的工具軟件。?操作系統●用來控制計算機系統中用戶程序的執行順序。●為用戶程序與系統硬件提供接口軟件。●允許這些程序(包括系統程序和用戶程序)之間交換信息。

2.3.2集散控制系統的組態軟件?在實時工業計算機系統中，應用程序用來完成功能規范中所規定的功能。?DCS組態（或組態設計）●根據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。DCS組態硬件組態軟件組態2.4集散控制系統的基本功能本節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●數據采集與處理●數據通信操作站的基本功能

●顯示●操作●報警●組態●系統維護●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

1.反饋控制2.4.1現場控制站的基本功能反饋控制輸入處理控制運算回路組態輸出處理報警處理反饋控制功能分布圖(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?對于數字信號●狀態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。①報警類型②報警限值③報警優先級

●

報警優先級參數●

報警鏈中斷參數●

最高報警選擇參數(2)報警處理(3)控制運算●常規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(4)控制回路組態?根據控制策略的需要，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回路組態圖(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2.邏輯控制?根據輸入變量的狀態，按邏輯關系進行的控制。?在DCS中，由邏輯功能模塊實現邏輯控制功能。邏輯控制功能●與(AND)●或(OR)●非(NO)●異或(XOR)●連接(LINK)●進行延時(ONDELAY)●停止延時(OFFDELAY)●觸發器(FLIP-FLOP)●脈沖(PULSE)3.順序控制?順序控制：按預定的動作順序或邏輯，依次執行各階段動作程序。?順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監視等功能。?實現順序控制的常用方法●順序表法●程序語言方式●梯形圖法?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，然后逐項執行。?程序語言方式●通過語言編程來實現順序控制。?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行程序的設計語言。?隨著DCS的發展，已出現了梯形邏輯與連續控制算法相結合的復合控制功能。4.批量控制?根據工藝要求，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●回路狀態信號●模擬信號的比較、判斷、運算結果順序控制的條件信號●回路的切換●參數的變更●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。(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。2.4.2操作站的基本功能操作站的基本功能顯示報警系統維護報告生成操作系統組態操作站的基本功能分布圖2.4.3自診斷功能?在系統投運前，用離線診斷程序檢查各部分的工作狀態。?系統運行中，各設備不斷執行在線自診斷程序。●一旦發現錯誤，立即切換到備用設備；●同時經過通信網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。

2.5數據通信技術本節內容提要●通信系統的組成

●

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●數據交換方式1.數據通信原理

●局部網絡的概念

●局部網絡拓撲結構

●傳輸介質

●網絡控制方法

●差錯控制技術

2.通信網絡3.通信協議●通信協議的概念

●開放系統互連參考模型●傳輸速率

●信息編碼

●數據交換方式

●現場總線的國際標準

●現場總線通信模型

●現場總線的網絡拓撲結構

●HART總線簡介

4.現場總線簡介2.5.1數據通信原理?數據通信●計算機或其他數字裝置與通信介質相結合，實現對數據信息的傳輸、轉換、存儲和處理的通信技術。●在DCS中，各單元之間的數據信息傳輸就是通過數據通信系統完成的。?通信●用特定的方法，通過某種介質將信息從一處傳輸到另一處的過程。

1.數據通信系統的組成?通信系統組成●信號●發送裝置●接收裝置●信道●通信協議圖2.2通信系統模型(1)信號(報文)●需要傳送的數據，由文本、數字、圖片或聲音等及其組合組成。(2)發送裝置

●具有作為二進制數據源的能力，任何能夠產生和處理數據的設備。(3)接收裝置●能夠接收模擬或數字形式數據的任何功能的設備。(4)信道

?信道●發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●無線電波●微波(5)通信協議

●通信協議是控制數據通信的一組規則、約定與標準。●通信協議定義了通信的內容、格式，通信如何進行、何時進行等。?發送裝置把要發送的信息送上信道，再經過信道將信息傳輸到接收裝置。?信息在傳輸過程中會受到來自通信系統內外干擾的影響。通信過程2.通信類型?模擬通信●以連續模擬信號傳輸信息的通信方式。?數字通信●將數字信號進行傳輸的通信方式。?數據信息●具有一定編碼、格式和字長的數字信息。通信類型模擬通信數字通信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)全雙工方式

●信息可以同時沿著兩個方向傳輸。傳輸方式單工全雙工半雙工圖2.3信息傳輸方式4.串行傳輸與并行傳輸(1)串行傳輸●數據逐位依次在信道上進行傳輸的方式。(2)并行傳輸●數據多位同時在信道上進行傳輸的方式。?在DCS中，數據通信網絡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(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：實現多路信號同時傳輸。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，信息是以數據塊為單位進行傳輸的。●通信系統中有專門用來使發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工作，并且保持一定的相位關系。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所傳輸的信息量。●比特率一般以每秒鐘所能夠傳輸的比特數來表示，記為Rb。●信息傳輸速率的單位是比特/秒，記為bit/s或bps。

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。?數字-模擬編碼：用模擬信號表示數字信息的編碼。?在模擬傳輸中，發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。?數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)來實現編碼的。?載波信號是正弦波信號，它有三個描述參數，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。編碼方法幅移鍵控相移鍵控頻移鍵控(1)幅移鍵控法(AmplitudeShiftKeying，ASK)●用調制信號的振幅變化來表示二進制數。●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，FSK)●用調制信號的頻率變化來表示二進制數的。●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)●用調制信號的相位變化來表示二進制數。●例如用0°相位表示0，用180°相位表示1，如圖2.5(c)所示。圖2.5三種調制方式9.數據交換方式數據交換方式線路交換報文分組交換報文交換(1)線路交換方式通信過程線路建立數據通信線路拆除兩個節點之間，事先建立起一條實際的物理連接。在這條實際的物理連接上交換數據。數據交換完成之后再拆除物理連接。(2)報文交換方式（存儲轉發方式）●經由中間節點的存儲轉發功能來實現數據交換。●報文交換方式交換的基本數據單位是一個完整的報文；源地址數據控制信息目的地址報文的組成(3)報文分組交換方式

●基本數據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據組。2.5.2通信網絡?計算機網絡●把分布在不同地點且具有獨立功能的多個計算機系統通過通信設備和介質連接起來，在功能完善的網絡軟件和協議的管理下，以實現網絡中的資源共享。●DCS的通信網絡實質上就是計算機網絡。1.局部網絡的概念?局部區域網絡(LocalAreaNetwork，LAN)●一種分布在有限區域內的計算機網絡。●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連接起來，并配置了網絡軟件的一種網絡。●用戶能夠共享網絡中的所有硬件、軟件和數據等資源。2.局部網絡拓撲結構?網絡拓撲結構●網絡節點互連的方法。?網絡拓撲結構類型●星型●環型●總線型●樹型●菊花鏈(1)星型結構●每一個節點都通過一條鏈路連接到中央節點上。●任何兩個節點之間的通信都要經過中央節點。●在中央節點中，有一個“智能”開關裝置，用來接通兩個節點之間的通信路徑。●中央節點的構造比較復雜，一旦發生故障，整個通信系統就要癱瘓。圖2.6星型拓撲結構(2)環型結構●所有的節點通過鏈路組成一個封閉的環路。●需要發送信息的節點將信息送到環上，信息在環上只能按某一確定的方向傳輸。●當信息到達接收節點時，該節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，以便由發送節點清除。圖2.7環型拓撲結構(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。●所有的節點都共享一條公用的傳輸線路。●每次只能由一個節點發送信息。●信息由發送它的節點向兩端擴散。圖2.8總線型拓撲結構(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。●當節點發送信息時，根接收該信息，然后再重新廣播發送到全網。圖2.9樹型拓撲結構(5)菊花鏈型結構●用一個網段分別連接兩個節點的聯接器。●多個節點的聯接器依次互連，從而形成一個鏈狀通信網絡。圖2.10菊花鏈型拓撲結構3.傳輸介質?傳輸介質是通信網絡的物質基礎。?常見傳輸介質●雙絞線●同軸電纜●光纜常見傳輸介質雙絞線光纜同軸電纜(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10Mbps。

屏蔽雙絞線結構圖(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。●基帶同軸電纜(如50Ω同軸電纜)用于基帶傳輸。●寬帶同軸電纜(如75Ω電視天線電纜)用于寬帶傳輸。●同軸電纜的數據傳輸速率、傳輸距離、可支持的節點數、抗干擾等性能優于雙絞線，成本也高于雙絞線，但低于光纖。(3)光纜

●光纜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。光纜的構成圖2.11傳輸介質圖2.12光在纖芯中的傳播原理4.網絡控制方法?網絡控制方法：●在通信網絡中，使信息從發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(1)查詢式

●中，如星型網絡或具有主站的總線型用于主從結構網絡網絡。●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送與接收。●當多個從站要求通信時，按站的優先級安排發送。(2)自由競爭式

?控制策略：●競爭發送●廣播式傳輸●載體偵聽●沖突檢測●沖突時退回●再試發送(3)令牌傳送

●有一個稱為令牌（Token）的信息段在網絡中各節點之間依次傳遞。●令牌有空、忙兩種狀態，開始時為空閑。●節點只有得到空令牌時才具有信息發送權，同時將令牌置為忙。●令牌沿網絡而行，當信息被目標節點取走后，令牌被重新置為空。?令牌傳送的方法實際上是一種按預先的安排讓網絡中各節點依次輪流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絡而行。?只有獲得令牌的節點才有權控制和使用網絡。?令牌傳送的次序是由用戶根據需要預先確定的，而不是按節點在網絡中的物理次序傳送的。圖2.13令牌傳遞過程示意圖(4)存儲轉發式

信息傳送過程：●源節點發送信息，到達它的相鄰節點；●相鄰節點將信息存儲起來，等到自己的信息發送完，再轉發這個信息，直到把此信息送到目的節點；●目的節點加上確認信息(正確)或否認信息(出錯)，向下發送直至源站；●源節點根據返回信息決定下一步動作，如取消信息或重新發送。5.差錯控制技術?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據發生變化，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，檢錯和糾錯統稱為差錯控制。(1)差錯控制(2)傳輸錯誤及可靠性指標?在通信網絡上傳輸的信息是二進制信息，它只有0和1兩種狀態。●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①突發錯誤：由突發噪聲引起的，其特征是誤碼連續成片出現；②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。?DCS的傳輸速率一般在0.5～100Mbps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，抗干擾能力就越差，可靠性就越低。?誤碼率是指通信系統所傳輸的總碼元數中發生差錯的碼元數所占的比重(取統計平均值)，即Pe=pw/pt（2-3）式中Pe——誤碼率；Pw——出錯的碼元數；pt——傳輸的總碼元數。?誤碼率越低，通信系統的可靠性就越高。?在DCS中，常用每年出現多少次誤碼來代替誤碼率。?對大多數DCS來說，這一指標大約在每年0.01次到4次左右。(3)反饋重發糾錯方式(ARQ)?在發送端，首先要對所發送的數據進行某種運算，產生能檢測錯誤的幀校驗序列，然后把校驗序列與數據一起發往對方。?在接收端，根據事先約定的編碼運算規則及校驗序列，檢查數據在傳輸過程中是否有出錯，并通過反饋信道把判決結果發回發送端。?發送端收到反饋信號若標明傳送有錯，則發送端重發數據，直到接收端返回信號標明接收正確為止。?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冗余校驗碼CRC。①奇偶檢驗

●奇偶檢驗是在傳遞字節后附加一位校驗位。該校驗位根據字節內容取l或0。●奇校驗時傳送字節與校驗位中“1”的數目為奇數。●偶校驗時傳送字節與校驗位中“1”的數目為偶數。●接收端按同樣的校驗方式對收到的信息進行校驗。●如發送時規定為奇校驗時，若收到的字符及校驗位中“1”的數目為奇數，則認為傳輸正確，否則，認為傳輸錯誤。②循環冗余碼校驗

●在傳輸的信息中按照規定附加一定數量的冗余位。●有了冗余位，真正有用的代碼數就少于所能組合成的全部代碼數。●當代碼在傳輸過程中出現錯誤，并且使接收到的代碼與有用的代碼不一致時，說明發生了錯誤。

?為了提高檢錯和糾錯能力，可以在信息后面按一定規則附加若干個冗余位，使信息的合法狀態之間有很大差別，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：發送端在信息碼的后面，按一定的規則附加冗余碼組成傳輸碼組的過程。?譯碼：在接收端按相同規則檢測和糾錯的過程。?編碼和譯碼都是由硬件電路配合軟件完成的。?在DCS中應用較多的是循環冗余碼(CyclicRedundancyCode，CRC)校驗方法。2.5.3通信協議?網絡通信功能包括兩大部分，即數據傳輸和通信控制。?在通信過程中，信息從開始發送到結束發送可分為若干個階段，相應的通信控制功能也分成一組組操作。?一組組通信控制功能應當遵守通信雙方共同約定的規則，并受這些規則的約束。?通信協議：對數據傳輸過程進行管理的規則。1.通信協議的概念?通信協議的關鍵要素：(1)語法

●語法(Syntax)包括數據格式、信號電平等規定。(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。(3)時序

●時序(Timing)規定了速度匹配和排序。●包括數據何時發送，以什么速率發送，使發送與接收方能夠無差錯地完成數據通信等。?開放系統互連(OpenSystemsInterconnection，OSI)參考模型，簡稱ISO/OSI模型。?通信系統之間相互交換信息所共同使用的一組標準化規則，凡按照該模型建立的網絡就可以互連。?開放系統互連是彼此開放的系統通過共同使用適當的標準實現信息的交換。2.開放系統互連參考模型?開放系統互連參考模型(OSI)是信息處理領域內最重要的標準之一。?該標準將開放系統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。?在分層結構中，每一層執行部分通信功能。?一層依靠相鄰的低一層完成較原始的功能，并和該層的具體細節分離，?一層為相鄰的高一層提供服務。?兩個相互通信的系統都有共同的層次結構，一個系統的N層與另一個系統的N層之間的相互通信遵循一套“協議”。圖2.14開放系統互連參考模型?兩個系統相互通信時應具有相同的層次結構。?同等層之間應建立同等層的通信關系，?在物理層，通過通信介質上實際傳輸的比特流實現信息的傳輸。?如果把要傳送的信息稱為“報文”，它也可以是數據，每一層上的標記則稱為“報頭”。?物理層是通信設備的硬件，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層根本沒有進行站Sl到站S2的傳送，都是軟件方面的處理，直到第一層才靠硬件(傳輸介質)真正進行傳送。?到達接收站之后，按照相反的順序逐層向上。?每經過一層就去掉一個報頭，到應用層之后，所有的報頭報尾都去掉了，最后只剩數據或報文本身。?至此，站S1到站S2的通信結束。?反之，從站S2到站Sl的通信過程也是這樣進行的，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、網絡層、傳送層、會話層、表示層及應用層。?可以認為低層實際上是高層的接口，每一層都詳細地規定了通信協議和任務，一旦這一層的任務完成，它上面或下面層的任務就開始執行。2.5.4現場總線簡介?現場總線是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向、串行、數字式、多節點的通信網絡，被稱為現場底層設備控制網絡（Infranet）。?現場總線可以支持各種工業領域的信息處理、監視和控制系統，可以與工廠自動化控制設備互連，實現現場傳感器、執行器和本地控制器之間的低級通信。?由于現場總線遵循國際標準通信協議，因而具有開放、互聯、兼容和互操作的特性，使得集散控制系統的功能更加強大。1.現場總線的國際標準?現場總線的關鍵技術是通信協議。?IEC(國際電工委員會)等國際標準化組織，通過了十幾種總線標準。(1)IECTC65(國際電工委員會第65技術委員會)

?2003年IEC通過了修訂的現場總線國際標準IEC61158，共有10種類型，其內容見表2.1。表2.1IEC61158現場總線類型類型編號現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技術委員會)

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

?ISO有一種CAN(控制局域網)現場總線類型，即CANISO11898(1Mbps)和CANISO11519(125kbps)，主要由德國RobertBosch公司支持。2.現場總線通信模型?現場總線系統根據現場環境的要求，對ISO/OSI參考模型進行了優化，除去了實時性不強的中間層，并增加了用戶層，這樣構成了現場總線通信系統模型。圖2.15FFH1模型3.現場總線的網絡拓撲結構?基金會現場總線分高速、低速兩種規范。?低速總線H1的傳輸速率為31.25kpbs；?高速總線HSE的傳輸速度為1Mpbs和2.5Mpbs兩種。?低速現場總線H1支持點對點連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓撲結構，而高速現場總線HSE只支持總線型拓撲結構。圖2.16基金會現場總線的拓撲結構?所有的節點(現場總線儀表)都通過通信接口直接連接到公用通信總線上，任何一個節點向網上發送的信號能被總線上所有其他節點接收。?總線型結構接口簡單，擴充容易，成本較低，通過適當的通信控制策略可以有較好的通信實時性。?一條總線的長度和可接入的節點數都是有限的。?在工業控制系統中常用冗余總線方式及分層分級的結構來提高系統通信能力及通信信道的可靠性。3.HART總線簡介?HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)是可尋址遠程傳感器總線的簡稱。?特點是保持了模擬的4～20mADC信號，數字通信可以疊加在兩根相同的雙絞上，而不干擾模擬電流回路。?HART總線以ISO/OSI模型為參考，采用第1、2、7三層。?HART總線傳輸速率較低，為1200bps，新版本的協議已將傳輸速率提高到9600bps，通信距離最遠可達3000m。(1)HART編碼

?HART采用基于Bell202標準的頻移鍵控(FSK)技術，將數字信號作為交流信號疊加在4～20mA的直流信號上，如圖2.17所示。?“0”和“1”對應的位分別被編碼為2200Hz和1200Hz的正弦波，如圖2.18所示。?傳送時將信息比特轉換為相應頻率的正弦波。?接收時將一定頻率的正弦波轉換回對應狀態的信息比特。?HART標準優點●頻率信號是完全對稱的正弦波，沒有增加直流成分。●數字通信信號不會干擾4～20mADC的模擬信號，這就使數字通信與模擬信號并存而不相互干擾。●數字通信對模擬的4～20mA信號不產生任何干擾。●由一個HART通信芯片完成信號的調制和解調。(2)HART信號傳輸

?FSK信號的傳輸是在電流回路上調制一個幅度大約在0.5mA的交流信號。?被動的設備（如多