集散控制系统和设备

项目九集散控制系统及设备集散控制系统英文原名为:DistributedControlSystem，简称DCS，通常也称为集散控制系统。集散控制系统控制功效，主要由计算机技（computer）、控制技术（Control）、显示技术（CRT）和通信技术（communicate）来完成，普通也称为4C技术，4C技术是DCS系统四大支柱。DCS中通信技术更为主要，操作员站操作、工程师站系统组态以及现场设备信息交换都依靠通信技术来完成。第1页任务二十七DCS通信技术

通信技术就是研究通信设备（通常就是计算机）怎样进行信息交换。比如，使用鼠标或键盘在计算机屏幕上对某个现场阀门进行开大或关小操作，实际操作过程是：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递到现场控制计算机(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卡件，经过适当卡件最终完成操作。第2页一、数据通信基本原理1.数据通信网络和拓扑结构DCS计算机之间通信依靠计算机网络来完成。计算机网络是将物理位置不一样计算机或计算机系统经过通信装置、设备和线路将其连接起来，并按一定标准（通信协议）完成信号和数据交换网络。大型计算机网络结构非常复杂，也有十分简单能够称为网络计算机连接。（简单计算机网络）人们描述计算机网络结构时，常使用网络拓扑结构图。第3页图9-1最简单计算机网络拓扑结构这是最简单计算机网络，普通在描述网络拓扑结构时往往仅画出节点和通信链路。通常，把节点和通信链路集合统称为通信子网。第4页计算机网络拓扑结构基本形式有三种：环形、总线形和星形，见下列图9-2。复杂网络能够由基本网络连接而成。星型网：全部外围计算机之间通信都必须经过中间通信装置。环形网络：通信沿着环顺或逆时针进行。总线形网络：是当前多数电厂控制网络结构模式，各点依靠总线能够直接通信，通信速度比较高。第5页由通信方式不一样能够将通信网络分成点点子网（存放转发式）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（存放转发）。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，是将带有地址信息数据首先发送到总线上（称为广播），全部连接在总线上设备都要接收该信息（称为听到），然后分析信息中地址和自己地址是否相同，相同在保留信息，不然将信息抛弃。2、数据传输方式

全部计算机通信全部采取二进制。传递二进制数共分两种方式，即并行通信和串行通信。并行是一次同时传递数个二进制位，通信接点之间连线数目和通信二进制位数相同，长距离通信十分浪费材料。串行通信是惯用通信方式。第6页通信节点通信节点通信节点通信节点并行通信，每传递一位二进制数就需要一条线路。传递二进制数据位数越多，需要线路越多，不利于长距离通信，打印机多采取并行通信。串行通信最少能够使用三根线来进行，一根通信由左向右；另一根由右向左；加上公用地共三根能够使用双向（双工）通信。第7页（1）、串行异步通信（原理讲解）图9-4串行异步通信波形图

第8页比如：甲方向乙方传递1100101，7位二进制数据，增加一个偶检验位，两位停顿位。所谓偶检验就是在传输数据时，确保数据中“1”个数加上偶检验位“1”个数后，必须为偶数。就本例而言，数据中已经存在4个”1“，已经是偶数，所以偶检验检验位只能添“0”，不然“1”个数就变成奇数。偶检验时，接收方（乙方）收到数据后将数据连同检验位一起，计算“1”个数，假如为偶数，说明传输正确。当数据传输过程中因为干扰将某一位改变，比如将“1”变成“0”，或者相反，都会造成“1”个数不是偶数。第9页电压表01奇检验和偶检验类似，只不过传输数据要求“1”个数为奇数。为了便于了解下面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。当左侧开关打开时，右侧电压表读数为0，表示甲方传递给乙方数据为0。当左侧开关闭合时，右侧电压表读数为1，表示甲方传递给乙方数据为1。甲方乙方第10页电平高度秒1012345678910传输数据方（甲方）数据波形图甲方在发送数据前一直保持高电平甲方将高电平变成低电平就是告诉乙方，甲方开始发送数据。这个低电平（表示开始信号）要延长一位数据所占时间长度。一个数据单位时间内保持高电平，表示发送数据为“1”。一个数据单位时间内保持高电平，表示发送数据为“1”。一个数据单位时间内保持低电平，表示发送数据为“0”。一个数据单位时间内保持低电平，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”个数，连同本位在内，必须为偶数个“1”。甲方使用大于两个数据位时间宽度高电平，表示数据传输结束。第11页接收数据方（乙方）数据接收过程图电平高度秒1012345678910在发送方输出高电平（表示发送停顿）期间，接收方以1/16数据单位时间间隔，检测是否有低电平出现。一旦检测到低电平，表示对方开始发送数据。发觉对方发送低电平后，乙方将检测频率放慢，1/2数据位时间宽度后，再采样一次，假如继续低电平表示真数据发送开始。不然前次必定为干扰。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数据。甲方发送停顿位必须大于两个（原来约定）数据位时间宽度，不然通信失败。第12页（2）、串行同时通信异步开始位和停顿位影响了通信速度，假如存在大量数据需要传送时，通信速度必定受到限制。同时通信当对方示意开始传送后将大块数据连续不停地传送到对方，能够提升效率。传递数据双方示意开始或结束信号称为同时，同时通信“同时”能够由两种方式来实现，一个称为硬件同时在异步通信线路基础上增加一条专门用于同时“同时”线，主要是表示发送数据开始或结束。另一个为软同时，由发送特殊字符表示开始或结束。第13页图9-5串行同时通信数据块结构软同时结构示意图。帧头和帧尾分别表示数据开始或结束。DCS中通信多数采取同时通信模式。串行同时通信普通存在两种形式：①在发送方和接收方之间利用一根专门数据同时线来传递同时信号，称为外同时法。②数据帧同时是将要传递多位二进制数据，组成一个数据块，在数据块前后分别加上前、后同时控制和检验字段（分别称为帧头和帧尾），帧头表示发送方开始发送数据，帧尾表示发送数据结束。第14页（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高低电平直接传输到对方。在局域网中经常使用基带传输模式进行数据传送。为了预防分布参数对数据产生干扰，普通使用曼彻斯特编码方式。图9-6曼彻斯特编码波形

标准1：在每个时钟下降沿上形成数据。标准2：上跳表示0；下跳表示1。标准3：相邻数据不一样时表示数据电平保持不变，相邻数据不相同时，表示完数据跳变发生后，在数据通信无效期间，改变电平准备表示下一数据。第15页B）宽带传输；经过调制伎俩在一条通信线路上能够同时传递多路通信。如闭路电视系统。图9-7调制解调器工作原理示意图将串行信号（基带信号）经过调幅或调频方法，转换成含有一定频率电信号。这么不但能够在一条线路上实现多路通信，而且能够信号远距离传递。宽带通信特点：存在调整解调器。拨号上网等需要猫都属于该类型第16页3、数据传输中差错处理通信线路经常受到干扰，通信错误在所难免，怎样知道对方发送出现错误成为纠正错误关键。（1）奇偶检验法事先约定（通信协议）一个检验方法后，利用串行通信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奇数个“1”，对方接收数据后连同奇偶位一起计算，若为偶数或奇数表示通信成功，不然重新传送数据。第17页（2）垂直水平奇偶检验法每一个串行通信数据称为水平检验发送一定数量水平数据后，补发一个专门用于垂直检验检验数据。能够发觉窄脉冲干扰第18页（3）循环检验码循环检验码不但能够发觉错误，而且利用CRC余码还能够纠正错误数据。是当前计算机通信惯用检验码。信息码校验码码字0000000000000000111010011101010011101001110111010011101010011101001110101001110100111101001110100111101001110100要发送三位信息码预防发送错误四位检验码形成能够检验错误发送码字。该码字特点：全0除外，任何一个数据向左或右循环移动一位，会变成另外一个码字，所以称为循环码。循环是线性码一个。显然对这种码全0，全“1”都会被对方发觉是错误码，只有将该码字全部码左或右循环移动一位，方能让对方接收，显然这么干扰出现几率几乎为0第19页怎样生成循环码例：设信息码系列m=101，采取生成多项式g（x）=1+x2+x3+x4，将其生成（7，3）发送码。1）将要发送码写成多项式形式比如要发送二进制110，则多项式形式为：2）将以上多项式两边同乘以X7-3，即X4第20页3）使用第2步生成多项式除以“生成多项式”一个循环码只能找到一个类似多项式。第21页4）将第2步得到多项式和第3步余数相加得到多项式相加成为要发送码字。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。第三步得到余数X3+1称为循环冗余码，简称CRC。第22页4、12、16、32位生成多项式g（x）表示式以下：第23页二、数据通信传输介质1.双绞线（1）物理结构双绞线由两根均匀排列成螺旋状绝缘铜导线组成。通常，一定数量这么双绞线捆成一电缆，外面包着硬保护性护套。详细结构见图9-11双绞线结构示意图。双绞线两根导线绞扭，可降低两根导线之间电磁干扰。图9-11双绞线结构示意图第24页图9-12双绞线功效说明

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：接收组，一条为数据线，一条为地。第25页（2）传输特征双绞线能够传输模拟信号也能够传输数字信号。传输模拟信号时，大约数公里就需要一个信号放大器。传输数字信号时，每2~3公里需要一个中继转发器（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信号传递。2.同轴电缆

同轴电缆有细缆和粗缆之分，除使用接头不一样外，细缆柔软轻易弯曲在现场布线比较方便，但传输距离不如粗缆远。粗缆外层屏蔽坚硬不易弯曲，尤其对于复杂空间布线不方便，但传输距离比细缆远。第26页（1）物理结构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，还含有屏蔽电磁场预防干扰作用。图9-13详细结构见第27页3.光导纤维电缆1）物理结构光导纤维由两层折射率不一样材料组成。内层物质含有非常高折射率，光线传输主要靠内层进行。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材料所吸收，外层相当于是光绝缘体，主要作用预防光纤之间光信号相互干扰。

图9-14光纤内部结构示意图光导纤维外层有吸收光线物质，以确保光纤之间相互干扰。第28页（2）传输特征在没有转发器情况下，普通传输距离为数十公里。光纤不受电磁干扰或电磁噪声影响，误码率极低，可实现远距离、高速率传输，有很好保密性。三、DCS中惯用网络协议国际化标准组织（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月形成国际标准参考模型，以指导计算机网络发展和建设。OSI标准共制订了7层分层协议，从低层到高层分别为：第29页第一层物理层：普通使用电路来实现，在它上层（第二层）链路层控制下，按一定编码形式，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规范，各厂家只要按此规范制作通讯电路，各厂家通讯电路就能够随意交换。第二层链路层：对于总线型网络（连接在网络上计算机相互能够直接通信），确定其通信方式；对于复杂网络完成通信链路连接与拆除等。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。第七层应用层：各种应用程序。比如，现场运行人员操作界面对应程序、热工人员使用系统组态程序等。第30页1.以太协议（Ethernet）（1）以太网络结构一条电缆线路上最多能够连接100个设备，称为一段经过中继设备（整形放大）能够将两个段连接起来。第31页（2）通信原理因为是总线网（广播网）所以任何两点之间都能够直接通信。采取广播方式优点是通信方便但可能会造成数据碰撞（同时向总线发送信息）。以太协议中CSMA/CD协议，专门针对这类问题而制订。该协议要求，发送信息计算机首先侦听（接收网络上信息）网络上是否有信息在发送，若能接收到信息说明有节点在发送信息，随机等候一段时间后再侦听。不然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收，观察是否为自己发送出信息，若不是说明总线上发生了信息碰撞，随机等候后继续发送。总之规则为，谁“抢占了”总线谁讲话。第32页Ethernet多采取基带传送模式，总线上信号使用曼彻斯特编码，因为这种编码每个数据位最少有一个跳变，所以方便实现载波侦听。64位48位48位16位46~1500位32位包前同时字符目标站地址源站地址类型数据CRC第33页图9-16Ethernet协议及层间接口以太网络中要求了物理层（电路）信号规则，使用曼彻斯特编码格式。数据链路层则由硬件和软件共同来实现。主要有两个任务：一是数据打包（分帧）、安装数据地址和差错处理等；二是链路管理，确保数据准确发送和接收，如总线数据碰撞检测、通信方式选择、差错检验等第34页2.IEEE802.2协议IEEE802.2协议是电气和电子工程协会（InstituteOfElectricalandElectronicsEhgineers）制订局域网标准。IEEE802.2协议也是针对总线网制订通信协议，和Ethernet协议几乎完全相同

。IEEE802.2协议比Etherne