第7章-分散型测控网络技术-计算机控制技术-课件-

计算机控制技术

ComputerControlledSystem中南大学信息科学与工程学院袁艳Monday,December12,2022计算机控制技术

ComputerControlledSy第七章分散型测控网络技术7.1数据通信技术7.2工业网络技术7.3分散型控制系统(DCS)7.4位总线(Bitbus)通信网络技术(自学)7.5现场总线(Fieldbus)技术第七章分散型测控网络技术7.1数据通信技术7.1数据通信技术返回DataCommunicationTechnology7.1.1异步传送与同步传送7.1.2面向字符和面向位的传送7.1.3平衡与不平衡传输技术7.1.4RS-422/RS-485接口及应用7.1数据通信技术返回DataCommunication7.1.1异步传送与同步传送数据通信的基础知识：

数据通信概述；数据的传输方式；

多路复用技术。7.1.1异步传送与同步传送数据通信的基础知识：1、数据通信概述

通信系统模型

任何一个通信系统都可以借助如图所示的通信系统模型来抽象地进行描述。

噪声N(t)输出数据d’或信号d’(t)

信息源发信机传输媒介噪声源收信机受信者通信系统模型示意框图输入数据d或信号d(t)发送信号s(t)接收信号r(t)1、数据通信概述噪声N(t)输出数据d’或信号d’(通信传输的信息语音、图像、文字、数据等。信息的类别连续信息：信息的状态随时间而连续变化。离散信息：信息的状态是可列的或是离散的。通信中的两种基本传输信号模拟信号和数字信号。通信传输的信息模拟通信以模拟信号作为载体来传输信息，数字通信以数字信号作为载体来传输信息称为数字通信，数据通信若信息源产生的是数据，则整个通信过程称为数据通信。（a）模拟信号

t

u

01001（b）数字信号

t

u传输信号示意图模拟通信（a）模拟信号tu010数据编码

在通信系统中，为实现正常通信，要对二进制码和字符的对应关系作一个统一的规定，这种规定即称为编码。控制字符美国信息交换标准码ASCII码；扩展ASCII码。数据编码调制将数据信号转换成能在模拟信道上传输的模拟信号。振幅调制ASK(AmplitudeShiftKeying）用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化。频率调制FSK(FrequencyShiftKeying)用原始脉冲信号去控制载波的频率变化。相位调制PSK(PhaseShiftKeying）用原始脉冲信号去控制载波的相位变化。调制三种调制信号示意图11110000原始信号（a）调幅（b）调频（c）调频（d）调相（e）调相三种调制信号示意图11110000原始信号（a）调幅（b）调2、数据传输方式基带传输与频带传输基带是指电信号所固有的频带，直接将这些电脉冲信号进行传输，就称为基带传输，它不适合远距离传输。先进行调制使其频率变窄，再传输，则称为频带传输。串行传输与并行传输数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行传输。数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输。2、数据传输方式串行传输中，接收端必须知道波特率（单位：位/秒）、字符同步、帧（或块）同步。同步传输发送端一边发送数据位，一边发送同步时钟，接收端根据发送端发送来的同步时钟接收数据位，即发送端与接收端的两个时钟是同步的。异步传输发送端仅发送数据位，而不发送同步时钟，接收端根据双方事先约定的时间（波特率）进行接收，即发送时钟与接收时钟不同步。串行传输中，接收端必须知道同步传输的优缺点

传输效率高，字符传输中不需要加起始位和停止位，其缺点是需增加一根时钟传输线。异步传输的优缺点

不需要时钟传输线，但字符传输中需要加起始位和停止位，因而传输效率较低。

串行异步通信是目前最常用的通信方式。同步传输的优缺点帧传输（必须采用ASCII码传输）将要传输的信息（数据）组成一个包，首先发送数个同步字符（SYN），随后开始发送帧起始字符（STX），紧接着发送数据，最后发送帧结束字符（ETX）。采用帧传输的优缺点传输速率高，占用CPU时间少，数据可靠；缺点是要将原码转化成ASCII码，效率下降了一半。帧传输（必须采用ASCII码传输）传输速率单位时间内传送的信息量。波特率（位/秒）调制速率单位时间内所能调制的调制次数。波特数据信号速率单位时间内通过信道的信息量。比特/秒数据传输速率单位时间内传送的数据量。常用字符/分表示传输速率3、多路复用技术把多路信号用一条信道进行传输，以提高效率。频分多路复用

把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每条小频段都可以看作是一条子信道。时分多路复用

信道的传输时间分割成许多时间段，这种方法接收端与发送端的时序必须严格同步。返回3、多路复用技术返回不平衡方式：用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器用单线输入信号。平衡方式：用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器用双端差动方式输入信号。在不平衡方式中，信号线上感应的干扰和地线上的干扰迭加后影响接收信号；在平衡方式中，双绞线上感应的干扰相互抵消，地线上的干扰不影响接收端，因此抗干扰能力强，适合较远距离的数据传输。7.1.3平衡与不平衡传输技术不平衡方式：用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器用单RS-232标准用于数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间的串行数据通讯。数据终端设备数据通讯中的端末设备，如计算机或终端。数据通讯设备指信号交换和发送设备，如波形变换器、基带传输器及调制解调器等。RS-232标准1、RS-232标准的功能特性

功能特性描述了其接口引线所代表的功能，分为数据功能和控制功能。

RS-232标准的主要引线功能有5类地线：引线1是保护地，引线7(GND)为信号地；发送数据（TXD）引线2；接收数据（RXD）引线3；控制信号（对数据的接收和发送起着控制作用）；调制解调器状态信号。1、RS-232标准的功能特性控制信号请求发送（RTS）引线4清除发送（CTS）引线5DTE准备就绪（DTR）引线20数据设备准备就绪（DSR）引线6调制解调器状态信号振铃指示（RI）引线22载波检测（CD）引线8RI和CD信号是专为电话网而设计，只在进行远程通信时才需要。控制信号

2、RS-232标准的电气特性电气特性主要体现在电气连接方式、电气参数及通信速率等方面。电气连接方式（EIARS-232C及CCITT建议的方式）：单端驱动非差分接收电路。信号地EIA电平TTL电平TTL电平发送器接收器特点：非平衡的连接方式、公用地线。2、RS-232标准的电气特性信号地EIA电平TTL电平电气参数引线信号状态（必须是以下三种之一）SPACE/MARK（空号/传号）ON/OFF（通/断）逻辑0/逻辑1引线逻辑电平（采用负逻辑）-3~-15V表示逻辑1；用+3~+15V表示逻辑0。在发送端，其逻辑电平分别为：+5~+15V表示逻辑0；-5~-15V表示逻辑1。电气参数其它电气参数旁路电容RS-232C终端一侧的旁路电容C小于2500PF开路电压RS-232C的开路电压不能超过25V短路抑制性能通信速率最高通信速率为19200bps

通信距离应小于15米其它电气参数3、RS-232标准的机械特性

采用标准25芯连接器，称为DB25。IBM-PC及其兼容机基本上都使用了9芯连接器（DB9）接口引线略。RS-232C的缺点数据传输速率慢、通讯距离短、未规定标准的连接器、接口处各信号间易产生串扰等。3、RS-232标准的机械特性4、RS-232的常用连接方法

（1）计算机和调制解调器的连接RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI23456782022调制解调器23456782022计算机RS-232C典型连接图实现了计算机远程通信的物理层标准，在链路层及更高层协议的作用下，就可以实现计算机间的数据通信。4、RS-232的常用连接方法RXDTXDRTSCTSDS（2）远程通信示意图RS-232C远程通信示意图计算机或终端设备计算机或终端设备调制解调器调制解调器公用电话网远程通信过程呼叫建立阶段（RI、RTS、CTS、DSR）数据传输阶段（双工、半双工，RTS、CTS）拆线阶段（RTS=OFF，CTS=OFF）（2）远程通信示意图RS-232C远程通信示意图计算机或计算（3）“空”调制解调器连接方式空”调制解调器连接方法之一RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI23456782022计算机23456782022RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI计算机将两台计算机直接连接，实现快速数据通讯，让通信双方在没有调制解调器的情况下依次完成有调制解调器时的信号作用过程。（3）“空”调制解调器连接方式空”调制解调器连接方法之一R“空”调制解调器连接方法之二RXDTXDGND237计算机237RXDTXDGND计算机“空”调制解调器连接方法之三RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTR234567820计算机234567820RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTR计算机“空”调制解调器连接方法之二RXDTXDGND237计2375、调制解调器调制解调器的作用数据通信系统中的调制解调器终端设备计算机设备调制解调器调制解调器公用电话网通讯控制器传输控制器利用公用电话网实现数据的远距离传输，实现模拟信号与数据信号的转换。5、调制解调器数据通信系统中的调制解调器终端计算机调制调制公调制解调器的分类半双工和全双工（传输方式）；低速、中速和高速（工作速率）；正交幅度键控、频移键控、相移键控和幅相键控等（调制方式）；窄带、音频、宽带、短程、多端口和多点调制解调器等（线路业务类型）；同步和异步（按同步方式）。调制解调器的分类调制解调器的主要性能指标带宽利用率；差错性能；设备复杂性调制解调器的选择准则工作速率；均衡；同步/异步工作；差错率；兼容性与标准的要求调制解调器与模拟电话网的连接直接连接法；电耦合法；声耦合法调制解调器的主要性能指标6、RS-232C的不足数据传输速率局限于20Kbps；传输距离局限于15米；没有规定连接器，产生了25针等设计方案，这些方案有时互不兼容；每个信号只有一根导线，两个传输方向仅有一个信号地线；接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号间产生干扰。6、RS-232C的不足7、RS-422A标准接口

RS-422A电路组成发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器等。RS-422A每个通道要用二条信号线只能有一个发送器，可以有多个接收器，因此通常采用点对点通讯方式。RS-422电平TTL电平TTL电平发送器接收器RS-422A电气连接图+－7、RS-422A标准接口RS-422电平TTL电平TTL电RS-422A特点RS-422A总线规定使用双端发送器和接收器，每个信号使用二根导线，DTE和DCE之间无公共地线，进行单向平衡式传送，可以有效地克服干扰的影响。RS-422A总线信号也采用负逻辑，逻辑“1”状态电平为-6V至-2V；逻辑“0”状态电平为+2V至+6V，其中-2V至+2V用作信号状态的变迁区。比RS-232C传输信号距离长，速度快，传输率最大为10Mbps（电缆允许长度为12米），如采用较低传输速率，如100Kbps时，最大距离可达1200米。RS-422A接口驱动和接收可采用集成电路来实现。RS-422A特点注意：以上RS-232C和RS-422A总线的总线标准是采用电压信号，DTE和DCE之间没有光电隔离，容易受外界干扰的影响。注意：以上RS-232C和RS-422A总线的总线标准是采用8、RS-423A标准接口RS-423A特点

规定为单端线，且与RS-232C兼容，参考电平为地；信号逻辑电平为200mV~6V，负信号逻辑电平为-200mV~-6V（逻辑“1”>4V，逻辑“0”<-4V)；传输速率较RS-422A慢（传输距离相同时）。信号地RS-423电平TTL电平TTL电平发送器接收器RS-423A电气连接图+－8、RS-423A标准接口信号地RS-423电平TTL电平T9、RS-485标准接口RS-485特点

是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准(允许挂接32台RS-485负载设备）。TXDRS-485总线接收允许发送控制RS-485接口示意图TTL电平发送器接收器+－RXD何时控制发送器发送数据或接收机接收数据，标准未作规定，由用户自己决定。9、RS-485标准接口TXDRS-485总线接收允许发送控RS-485与RS-422A的主要区别硬件线路上RS-422A至少需要4根通讯线，RS-485仅需2根；RS-422A不能采用总线方式通讯，但可以采用环路方式通讯，RS-485两者均可。通讯方式上RS-422A可以全双工，RS-485只能半双工。两者的其它差异见表7.9所示。RS-485与RS-422A的主要区别项目RS-422ARS-485动作方式差动方式差动方式可连接的台数1台驱动器、10台接收器32台驱动器、32台接收器传输最大距离1200m1200m传输最大速率12m10Mbps10Mbps120m1Mbps1Mbps1200m100Kbps100Kbps驱动器输出电压最大值-0.25V+6V-7V+12V驱动器输出信号电平无负载±5V±5V有负载±2V±1.5V驱动器负载阻抗10054接收器输入电压范围-7V+7V-7V+12V接收器输入敏感度±200mV±200mV接收器输入阻抗>4k>12k项目RS-422ARS-485动作方式差动方式差动方式串行通讯方式标准的比较串行通讯方式标准的比较RS-232C/RS-422A转换（1）用途

两台或多台具有RS-232C接口的计算机系统远距离通信，或组成分布式系统。因为，RS-232C传输距离只有15米；抗干扰能力差。不能直接进行RS-232连接。（2）连接方式如图所示。（P214图7.13）RS-232C/RS-422A转换

在原有RS－232接口上，附加一个转换装置；在两个转换装置之间，采用RS－422A方式连接。（3）转换装置原理（P214图7.14）在原有RS－232接口上，附加一个转换装置；在两个转换装10、通讯介质（媒质）通讯介质指数据通讯中用来传递信号的媒体。有线传输媒质

明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。

双绞线：由相互绝缘的线索对绞合在一起构成。传输速率较低，抗干扰能力差，只适用小容量局域网。

同轴电缆：由同轴的两个导体构成，外导体起屏蔽作用，内导体传递信号，是目前最常采用的媒质。

光纤：以光导纤维为传输媒质，以光波作为载波。10、通讯介质（媒质）无线传输媒质微波中继利用电磁波在对流层的视距范围内传输的一种通信方式，通信距离依靠中继方式延伸。卫星转接实际上也是一种微波通信。它依靠同步通信卫星作为中继站，由于卫星距地面很高，故可以覆盖较大通信区域。返回无线传输媒质返回7.2工业网络技术返回7.2.1工业网络概述7.2.2网络协议及其层次结构7.2.3IEEE802标准7.2.4工业网络的性能评价及选型7.2.5控制系统中计算机网络体系7.2工业网络技术返回7.2.1工业网络概述7.2.1工业网络概述1、网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理结构称为拓扑。

局域网常见的四种拓扑结构：星形结构；环形结构；总线形结构；树形结构。7.2.1工业网络概述1、网络拓扑结构分支结点中央结点星形结构示意图计算机终接器总线结构示意图闭合回路计算机环形结构示意图树形结构示意图分支结点中央结点星形结构示意图计算机终接器总线结构示意图闭选择拓扑结构的考虑费用除传播媒体和所需设备本身的费用之外，还应包括安装费用等。灵活性设备的更新、移动和增删结点的方便性。可靠性主要包括媒体接触以及个别结点故障对整个网络的影响，应使故障检测和故障隔离较为方便。选择拓扑结构的考虑2、介质访问控制技术⑴冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)⑵令牌环(TokenRing)⑶令牌总线(TokenPassingBus)3、信息交换技术⑴线路交换⑵报文交换⑶分组交换2、介质访问控制技术4、数据通信中的检错与纠错差错检测技术的原理发送方在发送数据的基础上，生成某些校验编码，然后将该校验编码附加在数据后面一起发送。接收方收到数据和校验码后，用校验码对收到的数据进行检验，以确立本次传输是否正确。差错检测技术的核心是校验编码。

常用的校验编码方法：奇/偶校验编码、循环冗余校验编码和恒比校验编码4、数据通信中的检错与纠错奇/偶校验（ParityCheck）采用奇校验报文加上校验位后应保证“1”码元个数为奇数。采用偶校验报文加上校验位后应保证“1”码元个数为偶数。奇/偶校验方法只有在出错码元个数是奇数的情况下才有效，当出错码元个数成偶数时，此法无能为力。奇/偶校验（ParityCheck）循环冗余校验CRC循环冗余校验简称循环码或CRC码。循环冗余校验的特点：有严密的数学结构，检错能力强、实现简单容易。循环码的性质：任一码组的每一次循环左移或右移，所得的新码组仍是该码中的一码组，生成多项式。例：CRC-16循环码的编码。循环冗余校验CRC恒比码通信时不是原码传送，而是对待发送的数据进行编码，使编码后的每一个字节（或每一码组）中，“1”和“0”的个数之比保持恒定。

检测能力当码组中任何位置上出现奇数个差错时，因为破坏了1和0的恒比关系，所以能被检测出来，比一般的奇偶校验有较强的检错能力。返回恒比码返回7.2.2网络协议及其层次结构制定协议的目的能够支持异种计算机间的互连与通信能够支持多种通信媒体能够支持多种处理业务能够支持高级的人机接口具有可扩充能力网络协议采用分层设计的方法。7.2.2网络协议及其层次结构制定协议的目的物理层（PhysicalLayer）数据链路层（DataLinkLayer）网络层（NetworkLayer）传输层（TransportLayer）会话层（SessionLayer）表示层（PresentationLayer）应用层（ApplicationLayer）OSI/RM七层模型(OpenSystemInterconnection/ReferenceModel)物理层（PhysicalLayer）OSI/ROSI七层模型示意图应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层逻辑链路控制层（LLC）介质存取控制层（MAC）OSI七层模型示意图应用层表示层会话每层完成不同的功能，可在层间进行通信传输信息。OSI中的层间通信具有两种含义

相邻层之间的通信发生在相邻的上下层之间，属于局部问题。标准中定义了通信的内容，相邻层之间通过接口（一组规则）发生联系。

对等层之间的通信发生在不同开放系统的相同层次之间，属于对等层实体之间的信息交换，以保证相应层次功能的实现和服务的提供。标准中利用定义协议来规定对等层之间的交换信息格式和交换时序。每层完成不同的功能，可在层间进行通信传输信息。企业互连网Intranet存在于一个机构或企业内部采用Internet的技术和标准针对企业特点设计并建立能够提供多种类似于Internet服务针对企业内部信息系统结构服务对象原则上是企业内部员工企业互连网Intranet企业互连网Intranet应实现的功能

内部发布信息

可以方便地利用Homepage、E-mail等工具来为企业发布内部消息。

充分利用现有的数据库生产过程的监视销售工具

在Intranet上制作定单来让客户订购产品。企业互连网Intranet应实现的功能Intranet的建设企业内部LAN组成的WAN，所以必须建立好自己的LAN企业内部的Client/Server组成结构数据库的Client/Server特征和安全保密性必须有企业高级领导的支持和参与，而不单是技术部门的业务Intranet的建设Intranet的建设步骤可行性研究，作包括经济、技术的评估Intranet环境评估和改善面向经营生产，实施IntranetIntranet实施后的评估返回Intranet的建设步骤返回1、工业网络的性能评价

从拓扑结构和介质访问控制方式的角度，对工业网络的性能进行评价，其评价准则可归为吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性五个方面。目前，工业网络主要采用星形、环形、总线形拓扑结构，星形结构在办公自动化领域和邮电系统中得到了广泛应用；总线形和环形结构是工业网络的主流拓扑结构。令牌环数据的吞吐能力高于令牌总线，同时它的稳定性能也比令牌总线好。令牌总线的可靠性和灵活性强于令牌环。7.2.4工业网络的性能评价和选型1、工业网络的性能评价7.2.4工业网络的性能评价和选型2、工业网络的选型（1）大型系统的工业网络选型

大型系统常采用分散型控制的模式，系统主要分为三级，并采用纵向层次结构，其网络选型可按以下考虑：

①分散过程控制级主要完成自动调节和程序控制，可靠性、实时性要求较高。系统一般按调节回路或设备分类，呈典型递阶控制特性，横向联系少。该级数据量不大，数据包较短，地理分布区域也较小。采用令牌总线、主从总线或星形结构比较合适，从性能价格比考虑，主从总线结构最佳。2、工业网络的选型

②集中操作监控级该级数据处理量大，数据包较长且规整，实时性、可靠性、灵活性也较高。系统一般按设备和功能混合分布，横向联系较多。因此，该级采用令牌总线较好。

③综合信息管理级

该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广，灵活性要求较抵，工作站容量大。因此，本级宜采用令牌环结构。（2）中小型系统的工业网络结构

如果结点不多，可选择主从式结构和星形结构。

②集中操作监控级令牌环是一种很有前途的网络结构。它是有源的点到点的传输，可覆盖面积大，适用于大数据量、大范围通信。也由于这点，其可靠性略差。它在增减结点时，要断开原系统，这些性能均不如总线。令牌环和令牌总线的这些特点，正好符合管理级和监控级各自的要求。对只有集中操作监控级和分散过程控制级的中小型系统，考虑到结构上的一致性，便于设计和维护，两级同时使用令牌总线也不错。令牌环是一种很有前途的网络结构。它是有源的点到点的传输，在数据传输量大，结点较少且分散的场合，监控级直接选用令牌环也是较好的结构形式。另外，星形结构目前具有比较厚实的基础和技术上的继承性。因此，这种结构在短时期内也是适用和有效的，尤其是在老企业的技术改造中。返回在数据传输量大，结点较少且分散的场合，监控级7.2.5控制系统中计算机网络体系本节主要内容：控制系统是计算机网络体系结构；企业的网络管理；一个实施例子介绍。7.2.5控制系统中计算机网络体系本节主要内容：1、控制系统中计算机网络体系结构

计算机控制系统中的信息信息能否在正确的时候，以正确的形式送到正确的地方，直接关系到企业本身的发展。

控制系统中计算机网络的体系结构网络的规模网络的应用范围网络所涉及的机型网络的实时性要求1、控制系统中计算机网络体系结构控制系统的网络特点信息传输有规律性，传输信息完整度要好传输频度较高，且传输信息量较大询问-应答、报警、同步信息传输要求响应时间短信息长度不一，短信息占有量较多生产车间环境，且传输距离较长控制系统的网络特点2、企业的网络管理网络管理

指对组成网络的各种硬件软件设施的综合管理，以充分发挥这些设施的作用。进行网络管理的必要性企业网络管理中心

通常由一组功能不同的控制设备组成，它们指挥和控制网络中的其它设备一起完成网络管理的任务。核心设备是一台或几台专用处理机，以及支持专用处理机通信的通信控制器，通常采用双机主备切换工作方式，确保网络管理的高可靠性。2、企业的网络管理企业网络管理中心的任务向网络中的各种设备发出各种控制命令，其它设备执行命令并反馈结果；分析收集到的其它设备发来的各种统计信息和报警报告，确定进一步控制动作。网络管理的方式集中式管理常适合于网络规模不大、网络结点和用户数较少，以及网络设备分布相对集中的环境。分布式管理适合于网络规模较大、网络设备分布较广的情况。企业网络管理中心的任务网络资源的抽象网络资源可被抽象为某个信息库(管理数据库)中的数据项，而网络管理则被抽象为对管理数据库的操作。网管中心数据库保存与全网操作有关的参数和控制信息，主要包括网络输入输出控制表、网络参数表和系统资源表。结点数据库保存与结点设备、用户访问线路和反映用户联接的有关信息，主要包括线路特性表、结点参数表、系统资源表和路由信息表等。网络资源的抽象网络管理数据库的管理应由网管中心和结点机共同维护，确保访问的安全、信息的完整，以及适应系统变化和重新调整的要求。网管中心与结点机之间的命令-响应交换可以被简化为对网络管理数据库操作的请求和确认。网络管理数据库的管理网络管理的五大功能故障管理：系统出现异常情况下的管理操作。计费管理：负责记录资源的使用情况和使用的代价。配置管理：定义、收集、监测和管理配置数据的使用。性能管理：收集、存储、显示和分析统计数据。安全管理：包括授权管理、访问控制管理、进入或修改访问控制表和能力表、安全检查跟踪和事件处理、密钥管理（密钥分配）等。网络管理的五大功能过程控制系统计算机网络的应用原则实用性：满足要求，适当超前，量力而行。可靠性：可靠的产品，成熟的技术，冗余的配置。经济性：充分利用原有资源，考虑性能价格比高、兼容性和可扩充性。先进性：在可靠和经济的基础上，尽可能选择现阶段先进的技术和设备。实时性：考虑传输速率，并选择较好的实时操作系统。开放性和标准化：应当选用通用的主流机、流行的操作系统和通信协议等，注意选择符合工业标准的设备。过程控制系统计算机网络的应用原则3、一个实施例子的介绍一个自来水厂水处理计算机网络的实例

工艺简介控制系统设计计算机网络设计3、一个实施例子的介绍客户机客户机客户机服务器2#工控机1#工控机投影仪打印机打印机2#PLC3#PLC1#PLCRIO101RIO102PCS301PCS302RIO103RIO104PCS303PCS304RIO105RIO106PCS305PCS306RIO107RIO108PCS307PCS308RIO109RIO110PCS309PCS310PCS311PCS312PCS313PCS314PCS315PCS316RIO317RIO111返回客户机客户机客户机服务器2#工控机1#工控机投影仪打印机打印7.3分散型控制系统(DCS)返回7.3.1DCS概述7.3.2DCS的分散过程控制级7.3.3DCS的集中操作监控级7.3.4DCS的综合信息管理级7.3分散型控制系统(DCS)返回7.3.1DCS概述7.3.1DCS概述

集散控制系统(DCS,DistributedControlSystem)，亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统。它是综合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和过程控制技术的新型控制系统。

可实现的功能：连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。

设计原则是分散控制(危险分散)、集中操作、综合管理(分级管理)、分而自治。

特点：独立性；协调性；友好性；适应性、灵活性和可扩充性；实时性；可靠性。7.3.1DCS概述集散控制系统(DCS,DisDCS的发展及典型产品1.DCS的开创期(1975年~1980年)基本结构如图所示。DCS的组成：现场控制站；现场监测站；CRT操作站；数据高速公路；监控计算机。典型产品有：美国霍尼维尔公司的TDC-2000(TotalDistributedControl)、泰勒公司的MODⅢ、贝利公司的Network-90，过程系统有限公司的MICON、福克斯波罗公司的Spectrum，日本东芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROLΣ、横河公司的CENTUM、英国肯特公司的P-4000等。DCS的发展及典型产品CRT操作站监控计算机

数据高速公路DHW现场监测站现场控制站第一代DCS基本结构

……

……CRT操作站监控计算机数据高速公路DHW现2.DCS的成长与完善时期(1980年~1985年)以局部网络LAN为主干，其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站。主要组成部分

局部网络、多功能现场控制站、增强型操作站、通用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机。

典型代表有：霍尼维尔公司的TDC-3000，东芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的MOD-3000，贝利公司的第二代Network-90，利兹公司的MAX1等。系统的基本结构如图所示。2.DCS的成长与完善时期(1980年~1985年)第二代集散系统基本结构局部网络LAN其它网络DHW网关多功能控制器网关……系统管理模块通用操作站主计算机增强型操作站……第二代集散系统基本结构局部网络LAN其D网关

3.DCS的扩展期（1985年以后）网络技术特别是局部网络标准化的发展带动了集散系统的进步，第三代集散系统的主要变化是：⑴在局部网络中采用了MAP(ManufacturingautomationProtocol，制造自动化协议)，从而解决了第二代集散系统各公司产品相互不能兼容的缺点。⑵系统的智能化进一步向现场延伸，采用了智能变送器(SmartTransmitter)，并通过现场总线(Fieldbus)与PCU或LAN的节点相连。由于工业局部网的标准化协议尚未完全成熟，因此第三代集散系统仍处在发展初期，其基本结构如图所示。

3.DCS的扩展期（1985年以后）第三代集散系统的基本结构第三代集散系统的基本结构典型产品Honeywell公司的TDC3000/PM；YOKAGAWA公司的Centum-XL；Foxboro公司的I/ASeries；TAILORInstruments公司的Mod300；BaileyControl公司的INFI-90等。典型产品4、典型的DCS体系结构集散控制技术成为过程计算机控制系统的主流技术的原因：从经济角度考虑性能价格比技术角度考虑系统的功能分散与风险分散分层的计算机控制系统

DCS体系结构通常分为三级，第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。体系结构如图。4、典型的DCS体系结构第7章-分散型测控网络技术-计算机控制技术-课件-⑴分散过程控制级（直接控制级）作用：直接完成生产过程的数据采集、调节控制；顺序控制等功能。输入：传感器信号；输出：驱动执行机构的控制信号；主要装置：现场控制站、PLC、智能调节仪、其它测控装置。现场控制站主要由机箱（柜）、电源、PC总线工业控制机、通信控制单元、手动、自动显示操作单元等构成其功能主要有：数据采集、DDC控制、顺序控制、信号报警、打印报表、数据通信⑴分散过程控制级（直接控制级）智能调节器一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表。智能调节器不仅可接受4~20mA，DC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS-422／485、RS-232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。智能调节器⑵集中操作监控级作用：操作监控，部分管理功能。对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。主要装置：监控计算机、工程师显示操作站、操作员显示操作站。显示工作站主要由键盘、CRT显示器和打印机构成。主要是实现和操作员以及工程师有关的系统的功能：操作员在运行整个系统时必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能。⑵集中操作监控级⑶综合信息管理级作用：生产管理和经营管理；组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统。⑷通信网络系统作用：传输信息；组成：通信线路及网络设备。分为低速、中速、高速网络。⑶综合信息管理级5、DCS的特点DCS是一个以通信为纽带的计算机控制系统，其特点可以概括如下：（1）独立性

DCS上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立完成分配给增加的规定任务。它的控制功能齐全，控制算法丰富，不但可以完成连续控制、顺序控制和批量控制，还可实现串级、前馈、预测、解耦和自适应等先进控制策略。其功能分散，危险分散的特点，提高了系统的可靠性。5、DCS的特点（2）协调性DCS各工作站间能够通过通信网络传送各种信息并协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。采用实时性、安全可靠的工业控制局部网络，提高了信息的畅通性，使整个系统信息共享。采用标准通信网络协议，可将DCS与上层的信息管理系统连接起来进行信息的交互。通过高速数据通信线，将现场控制站、局部操作站、监控计算机、中央操作站、管理计算机连接起来，构成多级控制系统。（2）协调性（3）友好性DCS操作方便、显示直观，提供了装置运行下的可监视性。DCS提供的组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态，是集散控制系统的关键部分，使用组态软件可以生成相应的实用系统，易于用户设计新的控制系统，便于灵活扩充。（4）适应性、灵活性和可扩充性DCS的硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统为积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。当工厂根据生产需要改变生产工艺或流程时，可改变系统的某些配置和控制方案，通过组态软件，进行一些填写表格式的操作即可实现。（3）友好性（5）实时性

通过人机接口和I/O接口，DCS对过程对象的数据进行实时采集、处理、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。（6）可靠性

高可靠性、高效率和高可用性是DCS能够长期存在的原因。其高可靠性体现在：系统结构采用容错设计、系统所有硬件采用冗余设计、软件容错设计、电磁兼容性设计、结构、组装工艺的可靠性设计和在线快速排除故障的设计。（5）实时性6、DCS应用的发展趋势(1)DCS的局限性DCS的出现是控制系统发展的里程碑。DCS的应用效益：较高的可靠性；提高了控制精度；可实现“卡边”控制；操作方便。DCS的局限性：测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表，不同厂商的产品互不兼容，互操作性差；传统DCS的编程计算工具仍显简单；与上位机的接口硬件和规约各不相同。6、DCS应用的发展趋势(2)DCS的发展趋势

集散系统是随着4C技术的发展而发展起来的，因此随着科学技术的不断发展，随着工业控制领域市场的竞争与要求，集散系统的性能指标及性能价格比将进一步提高。根据目前的发展趋势，系统近期将着重在以下几个方面得到改进和完善：(1)操作性能进一步提高，操作、管理、组态、开发将更加方便。软件更加丰富，各种高性能的控制管理软件，特别是人工智能专家系统，如人工智能(AI，ArtificialIntelligence)在集散控制系统中得到广泛应用。

(2)DCS的发展趋势(2)加强网络标准，统一通信规程，加上现场总线的规格化，系统硬件、软件的标准化，形成开放型的集散系统。另外，网络的开发应用也会使集成式集散系统得到发展。(3)系统规模在向大的方向发展的同时也向小规模系统发展。基本控制单元也将向小回路甚至单回路的方向发展。可编程控制器成为集散系统的一个节点。继集散系统后的新的控制网络——现场总线，它比集散系统有更广阔的应用前景。FCS可能会取代DCS，但相当长时间内将共存

。(2)加强网络标准，统一通信规程，加上现场总线的规7、TDCS-3000集散控制系统简介TDCS-3000是霍尼威尔公司在TDCS-2000的基础上，组织国际性的研究力量，经过五年的研究，在1983年10月发表的。系统的构成DCS-3000系统包含了TDCS-2000系统的全部设施，但是TDCS-3000的设计思想有了进一步的发展，其中：完全包含了TDCS-2000的高速数据通道；引进“单元”的概念，确立了与过程装置相对应的工厂运行管理方法。与过程有关的设备跟TDCS-2000的高速数据通道连接，TDCS-3000的各个设备有局部控制网络连接。7、TDCS-3000集散控制系统简介图8.4TDCS-3000集散控制系统框图图8.4TDCS-3000集散控制系统框图高速数据通道与局部控制网络之间的信息交换则通过通信接口。由于以上设计思想，使TDCS-3000具有如下特点：过程级的数据采集和控制，采用原有的TDCS-2000集散型控制系统；由过程连接设备和各种功能组件的组合，可以灵活构成各种规模的系统；局部控制网络上的设备，由于功能彻底分散，确保了系统具有高的可靠性和处理能力；不论系统的规模和组成有何不同，用同一个人-机接口就能支持整个系统的信息，即所谓“单一窗口”方式；各个系统的组成，可以按照功能自由追加，系统扩展方便。高速数据通道与局部控制网络之间的信息交换则通过通信接口。基本设备除了TDCS-2000系统外，新加的TDCS-3000局部控制网络上的设备有：⑴局部控制网络(LCN)⑵通用操作站(US)⑶通信接口(HG)⑷历史组件(HM)⑸应用组件(AM)⑹计算机组件(CM)返回基本设备返回7.3.2DCS的分散过程控制级DCS的分散过程控制级，直接与生产过程现场的传感器、变送器、执行机构、电气开关连接，完成生产过程控制，并能与集中操作监控级进行数据通信；接收显示操作站下传加载的参数和作业命令，以及将现场工作情况信息整理后向显示操作站报告。分散过程控制级最常用的测控装置有三种，即现场控制站、可编程序控制器PLC、智能调节器。7.3.2DCS的分散过程控制级DCS的分散过程控制级1、现场控制站现场控制站目前采用较多的是PC总线工业控制机或STD总线工业控制机。本书主要围绕PC总线工业控制机作为现场控制站加以介绍。（1）现场控制站的构成①机箱(柜)现场控制站的机箱内部均装有多层机架，以供安装电源及各种部件之用。1、现场控制站②电源高效、无干扰、稳定的供电系统是现场控制站工作的重要保证。③PC总线工业控制机主要进行信号采集、控制计算和控制输出。④通信控制单元实现分散过程控制级与集中操作监控级的数据通信。②电源⑤手动、自动显示操作单元手动/自动显示操作单元是作为后备安全措施，它可以显示测量值PV、给定值SP、自动阀位输出值、手动阀位输出值，并具有硬手动操作功能，可直接调整输出阀值。（2）现场控制站的功能现场控制站的功能主要有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能。数据采集功能：对过程参数，包括各类热电偶信号、热电阻信号进行数据采集、变换、处理等。

⑤手动、自动显示操作单元

DDC控制功能：DDC控制包括接受现场的测量信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并对偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量转换成相应的电流送至执行机构。

顺序控制功能：通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行逐次控制。DDC控制功能：DDC控制包括接受现场的测量信号，进而求出信号报警功能：对过程参量设置上限值和下限值，若超过上限和下限分别进行上限和下限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。信号报警是以声音、光或CRT屏幕显示颜色变化表示。打印报表功能：定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表自动记录打印。数据通信功能：完成分散过程控制级与集中操作监控级之间的信息变换。信号报警功能：对过程参量设置上限值和下限值，若超过上限和下限2、智能调节器智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，至于控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等。2、智能调节器

智能调节器不仅可接受4~20mADC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS-422/485、RS-232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。3、可编程序控制器PLCPLC与智能控制器最大的不同点是：它主要配置的是开关量输入、输出通道，用于执行顺序控制功能。PLC主要用于生产过程中按时间顺序或逻辑控制的场合，以取代复杂的继电器控制装置。智能调节器不仅可接受4~20mADC电流信号输入的设定在较新的PLC中，也提供了模拟量控制模块，其输入输出的模拟量标准与智能调节器相同。同时也提供了PID等控制算法，PLC的高可靠性和它的不断增强的功能，使它在DCS中得到了广泛的应用。PLC一般均带有RS-422标准的异步通信接口，可与上位机连成主从式总线型网络，构成DCS。返回在较新的PLC中，也提供了模拟量控制模块，其输入输出的模7.3.3DCS的集中操作监控级DCS的集中操作监控级主要是显示操作站，它不仅可以完成显示、操作、记录、报警等功能，而且还可进行控制系统的生成、组态。1、显示操作站的构成显示操作站主要由监控计算机、键盘、CRT显示器、打印机等几部分构成。7.3.3DCS的集中操作监控级DCS的集中操作监控级（1）监控计算机

DCS的显示操作站的监控计算机一般都采用16位或32位的微机。目前许多新推出的DCS采用工业PC机来做显示操作站的监控计算机。

（2）键盘

在显示操作站中，有两种类型的键盘：一种是操作员键盘；另一种是工程师键盘。操作员键盘：操作员键盘多采用有防水、防尘能力、有明显图案标志的薄膜键盘。在键盘内装有电子蜂鸣器，以提示报警信息和操作响应。（1）监控计算机工程师键盘：工程师键盘一般采用大家较熟悉的标准键盘。（3）CRT显示器（4）打印机一般的DCS配备有两台打印机，一台用于生产记录报表和报警列表打印，采用行式打印机；另一台用来拷贝流程画面，常采用彩色打印机。2、显示操作站的功能显示操作站为用户提供仪表化的操作环境，通过CRT操作来实现整个分散型控制系统的高效率运转。它是信息集中分配中心，也是显示操作的中心。工程师键盘：工程师键盘一般采用大家较熟悉的标准键盘。显示操作站主要是和操作员以及工程师有关的系统的功能；操作员在运转整个系统时必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时的工程师功能。

操作员功能：主要是正常运转时的工艺和运行操作，主要是画面指示构成。它包括DDC标准三画面、图形显示功能、趋势曲线画面、操作指导画面、报警画面。

工程师功能：主要包括系统的组态功能、系统的控制功能、系统的维护功能、系统的管理功能等。返回显示操作站主要是和操作员以及工程师有关的系统的7.3.4DCS的综合信息管理级综合信息管理级在DCS中用来实现整个企业的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统(ManagementInformationSystem，简称MIS），MIS是一个以计算机为主体、信息处理为中心的综合性系统。用户根据MIS提供的信息来改进决策能力和提高效率，信息是MIS最主要的资源。7.3.4DCS的综合信息管理级综合信息管理级在DCSMIS是借助于自动化数据处理手动进行管理的系统，MIS由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人组成。1、MIS的组成（1）MIS的硬件组成DCS中主要由管理计算机、办公自动化服务系统、工厂自动化服务系统构成信息管理级，这些部分也就是MIS的硬件组成，主要用来支持MIS的软件实现和运行。MIS是借助于自动化数据处理手动进行管理的系统，MI（2）MIS的软件组成企业MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统。企业MIS可粗略地分为市场经营管理、生产管理、财务管理和人事管理四个子系统。子系统从功能上说应尽可能地独立，子系统之间通过系统而相互联系。其中：市场经营管理的主要功能是为决策人提供有关市场各种信息，该子系统的的主要数据是顾客和企业的市场调查人员；（2）MIS的软件组成

生产管理是按照预先确定的产品数量、质量和完成期限，运用科学的方法，经过周密的计划与安排，按照特定制造过程，生产出合乎标准的产品；生产管理的职能包括预测、计划、控制三部分。生产管理是按照预先确定的产品数量、质量和完成期限，运

2、DCS中MIS的功能DCS的综合信息管理级主要由MIS来实现生产管理和经营管理。这一级进行市场预测、经济趋势分析、原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数、生产统计及报表，进行长期性的趋势分析，做出生产和经营侦察，确保最佳化的经济效益。DCS的综合信息管理级实际上是由MIS的市场经营管理和生产管理子系统来完成的。返回2、DCS中MIS的功能返回7.4位总线(Bitbus)通信网络技术7.4.18044BEM硬件结构简介7.4.2Bitbus通信规程7.4.3Bitbus通信网络的应用返回7.4位总线(Bitbus)通信网络技术7.4.18047.4.18044BEM硬件结构简介1、位总线的概念（1）1984年Intel公司推出位总线（BitBus），用于单片机互联，为分布式计算机控制系统提供了一种高性能、低价格、灵活易用的现场通信网络。（2）BitBus是主从式、总线型高速串行网，其电气接口符合RS－485标准，传输介质采用双绞线或同轴电缆，链路协议采用同步数据链路控制标准（SDLC）。（3）BitBus的核心是8044（8344）单片机。7.4.18044BEM硬件结构简介1、位总线的概念2、8044BEM硬件结构（1）基本性能片内4KROM；片内有一个可独立工作的串行通信接口单元SIU；（智能通信处理器）片内192字节双口RAM；（间接寻址）片内特殊功能寄存器（SFR）35个。（直接寻址）（2）8044系列单片机引脚图（RUPI－44）40脚，与8051基本相同，其中7，8,10,11,15脚具有扩展功能。1~6：P1.0~P1.5；7：P1.6/；发送就绪2、8044BEM硬件结构8：P1.7/；接收就绪9：RST；10：P3.0/（RXD/I/）；数据接收（RXD）/收发方向控制（I/）11：P3.1/（TXD/DATA）；数据发送（TXD）/数据I/O（DATA）12：P3.2/INT0；13：P3.3/INT1；14：P3.4/T0；15：P3.5/（T1/SCLK）；计数器/定时器T1)/串行数据时钟（SCLK）16：P3.6/；8：P1.7/；接收就绪17：P3.7/；18：XTAL2；19：XTAL1；20：Vss；21~28：P2.0~P2.7/A8~A15；29：；30：ALE；31：；32~39：P0.7~P0.0/AD7~AD0；40：Vcc。17：P3.7/；（3）8044内部结构返回（3）8044内部结构返回7.4.2Bitbus通信规程BitBus互连通信规定了四层结构。物理层（电气接口）；链路层（数据链路控制）；消息层（报文协议）；应用层（远程存贮控制）。1、物理层①电气接口符合RS－485标准采用平衡差分长线驱动器/接收器，半双工传送。通信介质为双绞线或同轴电缆。7.4.2Bitbus通信规程BitBus互连通信规定了四②两种运行模式

外同步模式：同步时钟来自外部某锁相环，高/低电平为1/0；自同步模式；同步时钟来自SIU内部锁相环，不变化/变化电平为1/0。③通信网络性能

外同步：300K~2.4M（bps），30米/段，28个结点，不能用中断；自同步：325K（bps），300米/段，28个结点/段，2个中断器；62.5K（bps），1200米/段，26个结点/段，10个中断器。②两种运行模式2、链路层符合SDLC（同步数据链路控制标准）规约，但有一些限制。SDLC是基于在公共通信链路上，主站与从站之间进行数据交换的规程。①帧结构

②零位插入与删除在SDLC帧的范围内，在起始标志和结束标志之间，允许插入一种位序列。2、链路层②零位插入与删除为了防止在帧内出现与标志01111110相同的位序列，SDLC规程中规定：在帧内除标志字节外的任何地方，当在“0”后有连续5个“1”时，发送系统在第5个“1”之后自动插入一个“0”位；而接收端在接收信息时，自动删除“011111”后的“0”位。③位传输顺序SDLC规定：地址字段和控制字段：先发送低位；信息字段：由设计者自行设定；帧检验序列：先发送高位。为了防止在帧内出现与标志01111110相同的位序列，SD3、消息层

通过一个信息帧传送的信息字节，就是消息层。在BitBus中，各字节间的通信，采用order/Reply（命令/应答）结构。①order/Reply结构（命令/应答）消息层协议按照多任务、多节点环境的order/Reply（命令/应答）结构建立。order：主结点任务通过BitBus传送给从结点的消息。Reply：从结点任务通过BitBus传回给主结点的消息，并作为对主结点任务的回答。3、消息层

“主结点任务”：主设备（或主模块）上运行的某种功能程序。“从结点任务”：从设备上运行的某种功能程序。②消息格式“主结点任务”：主设备（或主模块）上运行的某种功能程序。消息中的前面七个字节为消息标题。标志字节中：MT：消息类型。MT＝0为主站发的命令报文；MT＝1为从站回答的消息。SE：源扩展。SE＝0表示在主设备上；SE＝1表示在扩展设备上。DE：目的扩展。DE＝0为从设备；DE＝1为扩展从设备。TR：跟踪。TR＝0为发送消息；TR＝1为接收消息。保留4位：作为备用。消息中的前面七个字节为消息标题。4、应用层（远程存取控制）在消息层的基础上。定义远程存取控制（RAC）的一系列命令，定义从结点的特殊任务：①主站在传送数据过程中，规定传送数据的具体格式，并在命令中，定义一系列相应的代码；②从站在接收到一帧信息后，根据命令代码确定属于远程存取的何种命令，然后由用户数据中确定地址和数据内容。返回4、应用层（远程存取控制）返回7.4.3Bitbus通信网络的应用（1）BitBus网络拓扑结构①点到点半双工(a)②多点半双工(b)③环形网结构(c)7.4.3Bitbus通信网络的应用（1）BitBus网络（2）主从分布式控制系统（2）主从分布式控制系统①主机（IBM－PC）：主控设备。负责数据信息处理、分析、显示、打印等。PC总线通过ipcs-344模板，与8044主站相连接。②8044主站：负责与各个8044从站交换信息，对数据信息进行简单处理，即判断来自主机或从站的信息属于何种信息，并完成相应的处理。①主机（IBM－PC）：主控设备。负责数据信息处理、分析③8044从站：负责接收主站的命令，执行相应的操作；或将主站所需的数据传送给主站。④PC总线与BITBUS总线接口电路：用户可自行设计。一般采用双口RAM。⑤主站与从站的接口电路：按照BitBus接口标准；采用RS－485电气接口；由各个8044的SIU（智能通信处理单元）控制。返回③8044从站：负责接收主站的命令，执行相应的操作；或将主7.5现场总线(Fieldbus)技术返回7.5.1现场总线概述7.5.2五种典型的现场总线7.5.3FF现场总线技术7.5.4现场总线控制系统应用举例7.5现场总线(Fieldbus)技术返回7.5.1现场7.5.1现场总线概述本节主要内容现场总线简介；现场总线系统对集散控制系统的挑战与变革；现场总线技术特点；现场总线的优点；现场总线发展过程；几个有影响的现场总线标准化组织及标准。7.5.1现场总线概述本节主要内容1、现场总线简介根据国际电工委员会IEC（InternationalElectrotechnicalCommision）标准和现场总线基金会FF（FieldbusFoundation）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。以现场总线为纽带，连接分散的现场仪表或设备，使之成为可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。现场总线技术的关键：使自动控制系统与现场设备具有通信能力；连接成网络系统。1、现场总线简介现场总线的重要性现场总线是连接工业现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，可与现场仪表和控制系统联用，组成现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem），实现现场总线通信网络与控制系统的集成，从而可取代传统的分散型控制系统DCS（集散系统）。现场总线的体系结构（如图）

现场总线的重要性新一代FCS控制层新一代FCS控制层在现场总线的定义中表现了以下六个方面的含义。①现场通信网络现场总线把通信一直延伸到生产过程和现场设备，用于过程自动化和制造自动化设备及仪表互连的现场通信网络。当然，现场的传感器、变送器及执行机构（执行器）必需配置现场总线接口。②现场设备互连变送器、执行器、服务器、网桥、辅助设备、监控设备等现场设备通过一对传输线互连。在现场总线的定义中表现了以下六个方面的含义。现场设备是指传感器、变送器或执行器等。这些设备通过一对传输线连接，传输线可以使用双绞线、同轴电缆和光缆等。现场设备是指传感器、变送器或执行器等。这些设备通过一每一台现场设备就是一台微处理器，既有CPU、内存、接口和通信等数字信号处理，还有非电量信号检测、变换和放大等模拟信号处理。1）向下：通过现场总线接口与现场各设备（传感器、变送器，执行器等）相连接。向上：通过网桥与网络服务器相连接。2）服务器经LAN与操作站连接。3）传输介质可使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。每一台现场设备就是一台微处理器，既有CPU、内存、接口和通③互操作性要求“即插即用”，便于不同品牌的现场设备统一组态和系统集成。这就是现场总线互操作性的含义。④分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS的控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成虚拟控制站。③互操作性由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选择各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。例如书P243图7.32，流量变送器含有模拟量输入功能模块，调节阀含有PID控制功能模块及模拟量输出功能块，这三种功能块就构成了流量控制回路。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活现场总线的分散功能现场总线的分散功能⑤通信线供电采用通信线供电方式，允许现场仪表直接从通信线上获取电源。这种供电方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表，例如一体化温度传感器。(“两线制”)⑥开放式互连网络1）现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。2）开放式互连网络还体现在网络数据库共享。通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。⑤通信线供电2、现场总线系统对集散控制系统的挑战与变革FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行机构采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连；FCS系统结构则是全分散式，FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟的控制站，实现彻底的分散控制；FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性；2、现场总线系统对集散控制系统的挑战与变革FCS的信号传输实现场总线的设备

现场总线的设备分为现场设备和开发设备两类。

现场设备

变送器：它既具有监测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。常用的变送器有温度、压力、流量、料位和分析5大类。执行器：基本功能是信号驱动和执行，它还包括调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能。

终端器：用在传输电缆始末端的阻抗匹配器。它的作用是防止信号传输失真和衰减。

本质安全栅：是用于安全场所与危险场所之间的隔离器。

现场总线的设备现场总线的设备分为现场设备和开发设备两类。中继器：用来扩展现场总线网络，它是一台有源的总线供电或非总线供电设备。中继器是在物理层上的扩展，即实现了多个现场总线的互连。

操作站：它供工程师对现场总线组态，供工艺操作员监视和操作生产装置。操作站一般用微机内置网卡连接现场总线。

开发设备

FF开发设备包括有：专用集成电路、通信栈软件、DD(DynamicDebug)软件、开发和维护工具等。

中继器：用来扩展现场总线网络，它是一台有源的总线供电或非总线FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库；FCS的技术和标准实现了全开放，从总线标准、产品检验到信息发布完全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。现场总线控制系统的核心是现场总线，现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。它的出现将使传统的自动控制系统产生革命性变革，变革传统的信号标准、通信标准和系统标准，变革现有自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构。FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与3、现场总线系统的技术特点系统的开放性互可操作性与互换性不同厂商的现场设备及仪表，可互连互换，实现“即插即用”。用户可将不同厂商的仪表集成在一起，统一组态。现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性控制站分散在现场仪表中，通过现场仪表构成控制回路，实现彻底分散控制，提高系统自治性和灵活性。对现场环境的适应性3、现场总线系统的技术特点系统的开放性4、现场总线系统的优点节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性采用数字信号，精度高，抗干扰能力强。提高了系统的可控性和可维护性

可在操作室监控现场仪表，调整参数，预测和寻找故障，可控性和可维护性好。4、现场总线系统的优点节省硬件数量与投资5、现场总线的发展过程现场总线是企业综合自动化的发展需要，企业综合自动化是企业必然的选择与趋势。DCS在实施企业综合自动化时的缺陷：通信是专用网络的封闭系统，无互换性。现场总线的解决方案：基于公开化、标准化，遵守同一协议规程的产品具有互换性，可组成在同一个系统中。5、现场总线的发展过程