集散控制系统及现场总线课件

2.1DCS的基本概念2.2DCS的结构组成及特点2.3DCS的网络通信技术2.4DCS的网络存取控制技术2.5DCS的组态2.6DCS的可靠性2.7DCS的常用控制算法第2章集散型控制系统（DCS）导论集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件2.1DCS的基本概念集散型控制系统又称分布式控制系统，是计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、图形显示技术(CRT)、控制技术(Control)(简称4C技术)相融合的产物。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。美国HoneyWell公司于1975年11月成功推出了第一套DCS——TDC2000型集散控制系统。集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件2.2DCS的结构组成及特点2.2.1DCS的结构组成集散型控制系统的基本结构如图2-1所示。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。图2-1DCS的基本结构集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件过程控制单元(ProcessControlUnit，PCU)，又称现场控制站或基本控制器，它是DCS的核心部分。数据采集器(DataAcquisitionUnit，DAU)，又称过程接口单元(ProcessInterfaceUnit，PIU)，它是为生产过程中存在的非控制变量设置的采集装置。CRT操作站，是DCS与外界联系的人机接口装置。它有操作员键盘和工程师键盘之分。监控计算机，又称管理计算机(MangerComputer，MC)，也称上位机，是DCS的主机，它综合监视DCS的各单元。高速数据通路(DataHiWay，HW)，是一种具有高速通信能力的信息总线。一般由双绞线、同轴电缆或光导纤维组成。DCS的结构组成集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件2.2.2DCS的特点高可靠性灵活的扩展性完善的自主控制性完善的通信网络与一般的计算机控制系统相比，多层分级、合作自治结构形式的DCS具有以下特点：集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件2.3DCS的网络通信技术2.3.1计算机网络的定义计算机网络是将地理位置不同，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将它们连接起来，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。从所覆盖的地域范围大小来分类，计算机网络可划分为远程网、局部网和分布式多处理机三类。远程网的传输距离可达数千米以上，分布式多处理机的传输距离仅限于几米以内，而局部网的传输距离介于两者之间，约几百米到几千米。集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件2.3.2网络结构及其特点计算机网络结构就是“拓扑结构”。它是指网络的节点与主机之间实现互连的方式，如图2-2所示。其中方框代表网络中的计算机，又称主机；圆圈代表主机与通信线路之间的接口，又称节点；节点之间的通信线路称为通信链路。通常把节点和通信链路的集合统称为通信子网，而把所有主机统称为资源子网。图2-2计算机网络集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件通信子网分为点对点子网和广播子网两种。点对点子网的特点：每一条通信链路只连接一对节点。点对点子网又称存储转发子网。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，如图2-3所示。通信子网----点对点子网图2-3点对点子网拓扑结构集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件图2-4广播子网拓扑结构通信子网----广播子网广播子网的特点：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，又称多点共享。广播子网有无线和有线两种传播方式。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。集散控制系统及现场总线高职高专ppt课件2.3.3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。常见的通信介质有双绞线、同轴电缆和光缆三种。图2-5所示为部分通信介质。1.双绞线把两根平行导线按一定节距绞合在一起，外面包裹金属箔屏蔽层的信号线称为双绞线，如图2-5a所示。2.同轴电缆由内导体、用于固定内导体的电介质绝缘层、外屏蔽导体和外绝缘层构成。如图2-5b所示。3.光缆光缆的内芯是由两层折射率不同的SiO2拉制而成的光导纤维，外面敷有一层覆层，在覆层外面也有一层光导纤维。如图2-5c所示。图2-5通信介质a）双绞线b）同轴电缆c）光缆2.3.4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，它分为数字数据和模拟数据两种。传输数据的载体称为信号，它分为模拟信号和数字信号。信息的传送有4种组合形式，分别为：模拟数据的模拟信号传送模拟数据的数字信号传送数字数据的模拟信号传送数字数据的数字信号传送数字数据的数字信号传送常用的实现数字数据的数字信号传送的3种编码方式是不归零制编码(NRZ)、曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码，如图2-7所示。不归零制编码是利用低电平表示二进制数“0”、高电平表示二进制数“1”来实现对数字数据的编码。曼切斯特编码又称为归零制编码（RZ），它是在每一位二进制代码（又称为码元）的中间有一个跳变。例如由低电平跳到高电平表示数字“0”，由高电平跳到低电平表示数字“1”，接收端可以依据跳变信号来同步，并分离出数字信号；差分曼切斯特编码的编码规则是：若码元为“1”，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；若码元为“0”，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。数字数据的数字信号传送图2-7数字信号的编码2.3.5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”。引起差错的噪声有两类：一类是由分子热运动引起的白噪声；另一类是由来自各种电磁干扰引起的冲击噪声。为了实现无差错通信，DCS采用信息冗余技术，以提高检错和纠错能力。在数据通信中，利用抗干扰编码实现差错控制的基本方式有：自动纠错、检错重发以及二者混合纠错(简称HRC)。抗干扰编码是常见的纠错和差错控制方法。常用的抗干扰编码有：奇偶检验码，循环冗余码。抗干扰编码奇偶检验码它是最简单的检错码，其编码规则是把要传送的数据码元分成组，在每组二进制数据后面加一位校验位（又称为奇偶检验位），校验位的码元和要传送的数据码元中的“1”的个数相等。若为偶数时叫偶校验；“1”的个数若为奇数时叫奇校验。循环冗余码(CyclicRedundancyCheck，CRC)简称循环码，它的检错能力相当强，是DCS中最常用的纠错码。系统循环码的生成步骤设某k位信息码为，其相应的多项式为：将两边分别乘以，得到利用余式定理，上式可写成式中，和分别为多项式除以多项式后的商式和余式。),,,,(0121mmmmmkk112210)(kkxmxmxmmxm)(xmknx11110)(nkknknknxmxmxmxmx)()()()(xrxgxqxmxkn)(xq)(xr)(xmxkn)(xg因为生成多项式的次数是，所以的次数必为或小于，即：因此，由生成的循环码中的一个码多项式，记为对应的二进制循环码为式中，为个信息位，为个校验位。112210)(knknxrxrxrrxr)(xg)()()(xrxmxxvkn011111110rxrxrxmxmxmknknnkknkn),,,,,,(011011rrrmmmvknk011,,,mmmk011,,,rrrkn系统循环码的生成步骤)(kn)(xr)1(kn)1(knk)(kn【例2-1】已知信息码，设采用的生成多项式为，求生成（7，3）循环冗余码。解：已知信息码，对应的多项式，生成多项式，为了获得循环冗余码，将多项式乘以（这里）成为，再除以生成多项式。经过计算得余式，于是循环冗余码多项式为对应的二进制循环冗余码为1010011。1)(234xxxxg21)(xxm)(xm4x4kn46xx)(xg1)(xxr1)()()(464xxxxrxxmxv101m101m1)(234xxxxg【例2-1】（续）2.3.6信道极限传输能力一般来说，信道极限传输能力与频带宽度、信噪比和信号调制方式有关，信道频带越宽或信噪比越高，传输能力就越强。目前，调制方式所产生的的影响只能用经验公式表示。1.无噪声信道上的最高数据传输速率如果一个无噪声信道的频带宽度为H(Hz)，信道上传输的信号由V个离散电平组成，则在这个信道上最高数据传输速率为2.噪声信道上的最高数据传输速率实际信道通常具有噪声，噪声信道的最高数据传输速率为式中,为信号的信噪比，与信号使用的电平等级无关；仍为频带宽度（Hz）。VHR2log2)1(log2NSHRNSH【例2-2】已知数据传送的信噪比为10，频带宽为3kHz，试求无噪声与有噪声信道上的极限传输能力。解：第一种情况：无噪声信道上的极限传输能力由题意可知，频带宽度为3kHz，信道上传送的信号假设为2个离散的电平，则bit/skVHR62log100032log222第二种情况：有噪声信道上的极限传输能力由题意可知，数据传送的信噪比为10，频带宽度为3kHz，则bit/s)101(log10003)1(log22NSHRk38.10信道极限传输能力3.信号调制技术对极限传输能力的影响信号调制技术对信道最高数据传输速率的影响，可以用下式表示式中，H为频带宽度(Hz)；k为频带效率，反映调制技术影(bit•Hz/s)，它的经验值为调频：0.5-1.7二相制调相：0.9四相制调相：1.8八相制调相：2.5-3HkR2.3.7DCS的通信网络特点DCS的通信网络将工程师站、操作员站、现场控制站连接起来，以达到危险分散、控制功能分散、显示与管理集中的工业控制目的，因此，它与一般办公室用的局部网络有区别，主要由以下特点：实时响应能力高可靠性适应恶劣的工业现场环境分层结构2.3.8DCS的通信网络协议由于DCS的生产厂家不同，型号也不一定相同，在硬件和软件上的差异给通信带来许多困难。所以，必须有一套使网络全体“成员”共同遵守的“约定”，以便实现彼此通信和共享资源，这就是人们常说的网络协议。常用的DCS通信网络协议有：开放系统互连参考模型(TheReferenceModelofOpenSystemInterconnection，OSI）IEEE802标准制造业自动化通信协议(ManufacturedAutomationProtocol，MAP)过程数据高速公路协议(ProcessDataHiWay：PROWAY)2.4DCS的网络存取控制技术在DCS中，常用的存取访问控制技术有：1.轮询(Poll)2.令牌传送(TokenPassing)3.带有碰撞检测的载波监听多重访问(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD)2.4.1轮询(Poll)轮询主要适用于集中控制的网络（如星形网、树形网和有总线控制器的总线网），在DCS中称为1对n的控制方式。图2-10表示轮询的工作过程。轮询的优点是结构简单，网络访问分配情况可以预先确定；它的缺点是访问速度慢，可靠性差等。图2-10轮询工作过程2.4.2令牌传送(TokenPassing)令牌传送适用于环形网或在逻辑序列上将节点连接成