集散控制系统及设备

1、工程九 集散控制系统及设备 集散控制系统的英文原名为:Distributed Control System，简称DCS，通常也称为集散控制系统。 集散控制系统的控制功能，主要由计算机技computer、控制技术Control 、显示技术CRT和通讯技术communicate来完成，普通也称为4C技术，4C技术是DCS系统的四大支柱。DCS中通讯技术更为重要，操作员站的操作、工程师站系统的组态以及现场设备信息的交换都依靠通讯技术来完成。.义务二十七 DCS的通讯技术 通讯技术就是研讨通讯设备通常就是计算机如何进展信息交换。例如，运用鼠标或键盘在计算机屏幕上对某个现场阀门进展开大或关小操作，实践的

2、操作过程是：该操作首先翻译成二进制数据(在操作站完成)，然后经过数据总线传送到现场的控制计算机(在DPU中完成)，再由现场控制计算机将控制信息发送到对应阀门的卡件，经过适当的卡件最终完成操作。.一、数据通讯的根本原理1.数据通讯网络和拓扑构造DCS计算机之间的通讯依托计算机网络来完成。计算机网络是将物理位置不同的计算机或计算机系统经过通讯安装、设备和线路将其衔接起来，并按一定规范通讯协议完成信号和数据交换网络。大型计算机网络构造非常复杂，也有非常简单可以称为网络的计算机衔接。简单的计算机网络人们描画计算机网络构造时，常运用网络拓扑构造图。.图9-1 最简单计算机网络的拓扑构造这是最简单的计算机

3、网络，普通在描画网络拓扑构造时往往仅画出节点和通讯链路。通常，把节点和通讯链路的集合统称为通讯子网。.计算机网络拓扑构造根本方式有三种：环形、总线形和星形，见以下图9-2。复杂网络可以由根本网络衔接而成。星型网：一切外围计算机之间的通讯都必需经过中间的通讯安装。环形网络：通讯沿着环顺或逆时针进展。总线形网络：是目前多数电厂控制网络构造方式，各点依托总线可以直接通讯，通讯速度比较高。.由通讯方式的不同可以将通讯网络分成点点子网存储转发式和广播子网多点共享子网。星形网和环形网络属于点点子网存储转发。总线网属于广播子网。当一个接点要发送信息到另外一个接点时，是将带有地址信息的数据首先发送到总线上称为

4、广播，一切衔接在总线上设备都要接受该信息称为听到，然后分析信息中地址和本人地址能否一样，一样在保管信息，否那么将信息丢弃。2、数据传输方式一切计算机通讯全部采用二进制。传送二进制数共分两种方式，即并行通讯和串行通讯。并行是一次同时传送数个二进制位，通讯接点之间的连线数目和通讯的二进制位数一样，长间隔通讯非常浪费资料。串行通讯是常用的通讯方式。.通讯节点通讯节点通讯节点通讯节点并行通讯，每传送一位二进制数就需求一条线路。传送二进制数据位数越多，需求的线路越多，不利于长间隔通讯，打印机多采用并行通讯。串行通讯最少可以运用三根线来进展，一根通讯由左向右；另一根由右向左；加上公用地共三根可以运用双向双

5、工通讯。.1、串行异步通讯原理讲解 图9-4 串行异步通讯波形图 .例如：甲方向乙方传送1100101，7位二进制数据，添加一个偶检验位，两位停顿位。所谓偶检验就是在传输数据时，保证数据中“1的个数加上偶检验位“1的个数后，必需为偶数。就本例而言，数据中曾经存在4个1“，曾经是偶数，所以偶检验的检验位只能添“0，否那么“1的个数就变成奇数。偶检验时，接纳方乙方收到数据后将数据连同检验位一同，计算“1的个数，假设为偶数，阐明传输正确。当数据传输过程中由于干扰将某一位改动，例如将“1变成“0，或者相反，都会呵斥“1的个数不是偶数。.电压表01奇检验和偶检验类似，只不过传输数据要求“1的个数为奇数。

6、为了便于了解下面的例子假设一个时间单位秒传输一位二进制数，既传输速率为1波特。当左侧的开关翻开时，右侧电压表读数为0，表示甲方传送给乙方数据为0。当左侧的开封锁合时，右侧电压表读数为1，表示甲方传送给乙方数据为1。甲方乙方.电平高度秒1012345678910传输数据方甲方数据波形图甲方在发送数据前一直坚持高电平甲方将高电平变成低电平就是通知乙方，甲方开场发送数据。这个低电平表示开场的信号要延伸一位数据所占的时间长度。一个数据单位时间内坚持高电平，表示发送数据为“1。一个数据单位时间内坚持高电平，表示发送数据为“1。一个数据单位时间内坚持低电平，表示发送数据为“0。一个数据单位时间内坚持低电平

7、，表示发送数据为“0。奇偶检验位本例为偶检验，计算机数据位中“1的个数，连同本位在内，必需为偶数个“1。甲方运用不小于两个数据位时间宽度的高电平，表示数据传输终了。.接纳数据方乙方数据接纳过程图电平高度秒1012345678910在发送方输出高电平表示发送停顿期间，接纳方以1/16数据单位时间间隔，检测能否有低电平出现。一旦检测到低电平，表示对方开场发送数据。发现对方发送低电平后，乙方将检测频率放慢，1/2数据位时间宽度后，再采样一次，假设继续低电平表示真的数据发送开场。否那么前次一定为干扰。以后每间隔一个数据位时间间隔，采样一次，每次采样结果就是甲方发送来的数据。甲方发送的停顿位必需大于两个

8、原来商定数据位时间宽度，否那么通讯失败。.2、串行同步通讯 异步的开场位和停顿位影响了通讯速度，假设存在大量数据需求传送时，通讯速度必然遭到限制。 同步通讯当对方表示开场传送后将大块数据延续不断地传送到对方，可以提高效率。传送数据双方表示开场或终了信号称为同步，同步通信的“同步可以由两种方式来实现，一种称为硬件同步在异步通讯线路根底上添加一条专门用于同步的“同步线，主要是表示发送数据开场或终了。另一种为软同步，由发送的特殊字符表示开场或终了。.图9-5串行同步通讯数据块构造软同步构造表示图。帧头和帧尾分别表示数据的开场或终了。DCS中通讯多数采用同步通讯方式。串行同步通讯普通存在两种方式：在发

9、送方和接纳方之间利用一根专门的数据同步线来传送同步信号，称为外同步法。数据帧同步是将要传送的多位二进制数据，组成一个数据块，在数据块的前后分别加上前、后同步控制和检验字段分别称为帧头和帧尾，帧头表示发送方开场发送数据，帧尾表示发送数据终了。.3、基带传输与宽带传输A基带传输直接数据传输：利用线路直接将表示数字的高低电平直接传输到对方。在局域网中经常运用基带传输方式进展数据传送。为了防止分布参数对数据产生干扰，普通运用曼彻斯特编码方式。图9-6曼彻斯特编码波形 原那么1：在每个时钟下降沿上构成数据。原那么2：上跳表示0；下跳表示1。原那么3：相邻数据不同时表示数据的电平坚持不变，相邻数据不一样时

10、，表示完数据的跳变发生后，在数据通讯无效期间，变化电平预备表示下一数据。.B宽带传输；经过调制手段在一条通讯线路上可以同时传送多路通讯。如闭路电视系统。图9-7调制解调器任务原理表示图将串行信号基带信号经过调幅或调频方法，转换成具有一定频率的电信号。这样不仅可以在一条线路上实现多路通讯，而且可以信号远间隔传送。宽带通讯特点：存在调了解调器。拨号上网等需求猫的都属于该类型.3、数据传输中的过失处置 通讯线路经常遭到干扰，通讯错误在所难免，如何知道对方发送出现错误成为纠正错误的关键。1奇偶检验法事先商定通讯协议一种检验方法后，利用串行通讯的奇偶检验位来实现奇偶检验法。发送方利用该位使数据变成偶数或

11、奇数个“1，对方接受数据后连同奇偶位一同计算，假设为偶数或奇数表示通讯胜利，否那么重新传送数据。.2垂直程度奇偶检验法每一个串行通讯数据称为程度检验发送一定数量程度数据后，补发一个专门用于垂直检验的检验数据。可以发现窄脉冲的干扰.3循环检验码 循环检验码不仅可以发现错误，而且利用CRC余码还可以纠正错误数据。是目前计算机通讯常用的检验码。信息码校验码码字0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 11 1 0 10 0 1 1 1 0 10 1 00 1 1 10 1 0 0 1 1 10 1 11 0 1 00 1 1 1 0 1 01 0 01 1 1 01 0 0 1 1

12、1 01 0 10 0 1 11 0 1 0 0 1 11 1 01 0 0 11 1 0 1 0 0 11 1 10 1 0 01 1 1 0 1 0 0要发送的三位信息码防止发送错误的四位检验码构成的可以检验错误的发送码字。该码字特点：全0除外，任何一个数据向左或右循环挪动一位，会变成另外一个码字，所以称为循环码。循环是线性码的一种。显然对这种码的全0，全“1都会被对方发现是错误码，只需将该码字一切码左或右循环挪动一位，方能让对方接受，显然这样的干扰出现的几率几乎为0.如何生成循环码例：设信息码系列m=101，采用生成多项式gx=1+x2+x3+x4，将其生成7，3发送码。1将要发送的码写

13、成多项式方式例如要发送二进制110，那么多项式方式为：2将以上多项式两边同乘以X7-3，即X4.3运用第2步生成的多项式除以“生成多项式一种循环 码只能找到一个类似多项式。.4将第2步得到的多项式和第3步余数相加得到的多项 式相加成为要发送的码字。将以上多项式变成二进制为：1101001其实对于7，3码来讲只能发送7个信息码。第三步得到的余数X3+1称为循环冗余码，简称CRC。.4、12、16、32位生成多项式gx表达式如下： .二、数据通讯的传输介质1. 双绞线1 物理构造 双绞线由两根均匀陈列成螺旋状的绝缘铜导线组成。通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包着硬的维护性护套。详细构造

14、见图9-11双绞线构造表示图。双绞线两根导线绞扭，可减少两根导线之间的电磁干扰。图9-11双绞线构造表示图.图9-12双绞线功能阐明 从左侧来看：发送组一条为数据线，另一条为地线从左侧来看：接受组，一条为数据线，一条为地。.2 传输特性双绞线可以传输模拟信号也可以传输数字信号。传输模拟信号时，大约数公里就需求一个信号放大器。传输数字信号时，每23公里需求一个中继转发器主要作用是信号整形。在局域网络中，双绞线多用于一个建筑物内的信号传送。 2. 同轴电缆 同轴电缆有细缆和粗缆之分，除运用的接头不同外，细缆柔软容易弯曲在现场布线比较方便，但传输间隔不如粗缆远。粗缆外层屏蔽巩固不易弯曲，尤其对于复杂

15、空间布线不方便，但传输间隔比细缆远。.1 物理构造同轴电缆由两个导体组成，其外导体是一个空心圆柱形导体，它围裹着一个内芯线导体，外导体除了有导电作用外，还具有屏蔽电磁场防止干扰的作用。图9-13详细构造见.3. 光导纤维电缆1 物理构造光导纤维由两层折射率不同的资料构成。内层物质具有非常高的折射率，光线传输主要靠内层进展。外层物质几乎对光线没有折射，光线一旦接触到外层就会被外层资料所吸收，外层相当于是光的绝缘体，主要作用防止光纤之间光信号的相互关扰。 图9-14光纤内部构造表示图光导纤维的外层有吸收光线的物质，以保证光纤之间的相互关扰。.2 传输特性在没有转发器的情况下，普通传输间隔为数十公里

16、。光纤不受电磁干扰或电磁噪声的影响，误码率极低，可实现远间隔、高速率传输，有很好的严密性。三、DCS中常用的网络协议国际化规范组织ISO于1978年3月公布了网络开方系统互连参考模型，简称OSI。1982年4月构成国际标准参考模型，以指点计算机网络的开展和建立。OSI规范共制定了7层分层协议，从低层到高层分别为：.第一层 物理层：普通运用电路来实现，在它上层第二层链路层控制下，按一定编码方式，将二进制数发送给对方电路。物理层对通讯电路作了详细详细的规范，各厂家只需按此规范制造通讯电路，各厂家通讯电路就可以随意互换。第二层 链路层：对于总线型网络衔接在网络上的计算机相互可以直接通讯，确定其通讯方

17、式；对于复杂网络完成通讯链路的衔接与撤除等。第三至第六层协议和总线型网络无关。内容较专业，这里不再详述。第七层 运用层：各种运用程序。例如，现场运转人员操作界面对应的程序、热工人员运用的系统组态程序等。.1.以太协议Ethernet1以太网络构造一条电缆线路上最多可以衔接100个设备，称为一段经过中继设备整形放大可以将两个段衔接起来。.2 通讯原理由于是总线网广播网所以任何两点之间都可以直接通讯。采取广播方式优点是通讯方便但能够会呵斥数据碰撞同时向总线发送信息。以太协议中的CSMA/CD协议，专门针对此类问题而制定。该协议规定，发送信息的计算机首先侦听接受网络上信息网络上能否有信息在发送，假设

18、能接纳到信息阐明有节点在发送信息，随机等待一段时间后再侦听。否那么经过总线向对方发送信息。在发送信息期间也要将发送信息再接纳，察看能否为本人发送出的信息，假设不是阐明总线上发生了信息碰撞，随机等待后继续发送。总之规那么为，谁“抢占了总线谁发言。.Ethernet多采用基带传送方式，总线上的信号运用曼彻斯特编码，由于这种编码每个数据位至少有一个跳变，因此方便实现载波侦听。64位48位48位16位461500位32位包前同步字符目的站地址源站地址类型数据CRC.图9-16 Ethernet协议及层间接口以太网络中规定了物理层电路信号规那么，运用曼彻斯特编码格式。数据链路层那么由硬件和软件共同来实现。主要有两个义务：一是数据打包分帧、安装数据地址和过失处置等；二是链路管理，保证数据准确发送和接纳，如总线数据碰撞检测、通讯方式选择、过失检验等 .2. IEEE802.2协议IEEE802.2协议是电气和电子工程协会Institute Of Electrical and Electronics Ehgineers制定的局域网规范。IEEE802.2协议也是针对总线网制定的通讯协议，和Ethernet协议几乎完全一样 。IEEE802.2协议比Ethernet协议更加详细，实践上IEEE802.2