物联网控制技术 课件 A计控7新分布式测控网络技术

第七章

分散型测控网络技术1计算机与计算机或设备之间的数据交换称为通信。

基本通信方式：并行通信：

数据的各位同时传送，速度快传输线多，近距离。串行通信：数据逐位顺序传送，速度慢，节省传输线，长距离。第一节数据通信技术一、数据通信方式分为异步和同步传送两种形式。传输速率：波特率（bit每秒）。2二、通信线路的通信方式ABABBA通信线路三种通信方式1、单工通信方式信息只能单向传输。2、半双工通信方式信息能双向传输，但不能同时进行。3、全双工通信方式信息可以同时沿两个方向传输。3编（译）码部分：将计算机产生的并行数据转换成串行数据序列，或反之；信号变换部分：将编码器输出的编码信号变换成适合于信道传输的信号，或反之，将信道传输信号变换成待译码信号，在频带传输中相当于调制解调器（MODEM）。通信线路编码（译码）信号变换信号变换编码（译码）计算机（终端）计算机（终端）数据传输系统直接将二进制信号以电脉冲信号形式传输，对信号不作任何调制。不适用于远距离传输。三、数据传输形式1、基带传输4图(a)不归零码NRZ：码之间没有间隔，难以判断一位的起始和结束，需同步；图(b)(c)归零码RZ：每一位的中间有一个跳变，既作同步，也作数据，（自同步编码）下降沿→“1”，上升沿→“0”。

(c)称为曼彻斯特(Manchester)编码。

(d)差动曼彻撕特编码是(c)的改变形式，用每位开始有无跳变来表示0或1，有跳变→“0”，无跳变→“1”，无需判断极性，使用方便。11110000基带传输形式时钟(a)V0-V(b)V0-V(c)V0(d)V05远距离传输→采用调制方式，用基带脉冲信号对载波进行调制。

调制：在发送端用基带脉冲对载波波形的某个参数（如振幅，频率，相位）进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化。

解调：接收端恢复为原始的基带脉冲。00011110原始信号调幅(a)调频(b)调相(c)三种调制信号f1

f2常用的调制方法2、频带传输6用原始脉冲信号控制载波的振幅变化：“1”接通载波，“

0”断开载波；00011110原始信号调幅(a)调频(b)调相(c)f1

f2①振幅调制（振幅键控ASKAmplitudeShiftKeying）用原始脉冲信号控制载波的频率变化：包括相位连续的调频信号，一个震荡器，改变震荡参数；和相位不连续的调频信号，二个振荡器，控制f1或f2的输出。②频率调制（频率键控FSKFrequencyShiftKeying）7用原始脉冲信号控制载波的相位变化。绝对相移：“1”→sinw0t，“0”→sin(w0t+p)；

相对相移：“1”→相位移动p

，“0”→相位不变。③相位调制（相位键控PSKPhaseShiftKeying）在一条信道上传输多路信号，实现通信信道共享。1、频分多路复用FDM把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每条小频段可看作一条子信道，在相邻频道之间留有一空闲频段，保证数据在各自频段上可靠传输。四、多路复用技术8把信道的传输时间分割成许多时间段。当有多路信号准备传输时，每路信号占用一个指定时间段，在此时间段内，该路信号占用整个信道。接收端与发送端时序必须严格同步，否则造成信号混淆。2、时分多路复用TDMdcba4321UTSR计算机T1T2T3T4发送转换器接收转换器通信线路a1Rb2Sc3Td4U

时分多路复用子通道0t1t2t3t4t5t时间（1）（2）（3）（4）终端a1Rb2Sc3Td4U9同步：接收端要按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据。五、同步技术同步方式：起停同步方式：与其相对应的传输方式称异步通信方式；自同步方式：与其相对应的传输方式称同步通信方式。10以字节为单位传送数据。用一个起始位表示字符开始，一至两个停止位表示字符结束，中间为一个字节的数据，构成一帧信息。011100/10/10/10/10/10/10/10/11234567891011第n帧起始位7位数据位奇偶位停止位异步通信格式1、异步传送数据从低位到高位逐位传送。帧与帧之间以“1”填充。11以数据块为单位传送。同步字符表示数据块开始。收发双方必须使用相同的同步字符。发送端：编码(每位编码中包含数据状态和时钟信息)。接收端：解码得解码数据和接收时钟，无需独立时钟。2、同步传送第n帧第(n+1)帧同步通信格式同步字符同步字符数据块同步字符CRC校验：循环冗余码(CRC)。12速率高，硬件复杂。编码数据Tc10111000发送端接收端发送时钟原始数据解码时钟解码数据同步通信的编码、解码示意图1011100013异步传送是面向字符的。通常采用ASCII编码。六、面向字符和面向位的传送1、面向字符的传送标志异步传送中“A”字符的ASCII码(“A”=41H)标志10000010起始奇偶停止14面向位的传送协议使用位置上的定位控制字符，而不是组合编码。目前普遍使用的面向位传送的协议主要是：同步数据链路协议(SDLC)

高级同步数据链路协议(HDLC)，ISO于1972年提出，被推荐为国际标准。

HDLC支持同步通信方式，具有循环冗余校验。SDLC实际上是HDLC的一个子集。2、面向位的传送15起始标志F站地址A控制C信息I校验CRC结束标志F8位8位8位8位8位的倍数16位帧结构01101SＳＮ（s)ＭＭP/FP/FP/FN(r)ＭＭＭN(r)１２３４５６７８信息帧无编号帧监视帧控制段结构SDLC格式1）SDLC帧的格式16

①标志F：起始、结束标志，兼作同步字符。01111110其余各段“零位插入”和“零位删除”技术。

0111110110发送端接收端原始数据011111110发送数据0111110110011111110插入0删除0通信线零位插入和删除

③控制C：指明本帧的功能和目的，给对方站发命令或对命令的响应等。如：帧类型，顺序号，是否可发送和接收等。

⑤校验CRC：是地址段、控制段、信息段的函数，采用16位循环冗余校验，其生成多项式：17

①信息帧：用来传送数据，信息段可以任意长；

N(s)：发送端发出帧序列编号；

N(r)：发送端下次希望接收的帧序列编号;

P/F：传送完毕标志。2）SDLC帧的类型

②监视帧：对传送信息帧的确认和响应，无信息段；

SS两位监视位，表示四种命令：接收准备好（RR）：通知对方站按N(r)帧序列编号发送；接收未准备好（RNR）：通知对方站不要发送；拒绝（REJ）：N(r)帧有错,请求重传该帧及以后所有帧；选择拒绝（SREJ）：请求重传N(r)帧。

③无编号帧：用来传送命令和响应，如初始化一个站，拆除站，拒绝接收命令，置操作模式等。18数据传输的线路通常有：平衡方式、不平衡方式。不平衡方式：单线传输信号，以地线作为信号的回路，信号线上所感应到的干扰和地线上的干扰将迭加后影响到接收信号；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。双绞线上所感应的干扰相互抵消，地线上的干扰又不影响接收端，在抗干扰方面有较良好的性能，适合较远距离的数据传输。七、平衡与不平衡传输技术19

RS-232C的电气接口是单端的、双极性电源供电电路。不足之处：数据传输速率局限于20kbps；传输距离局限于15m；该标准没有规定连接器，因而产生了25插针等设计方案，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，可能在各信号成份间产生干扰。RS-232C中的单端驱动非差分接收电路20

EIARS-422A标准规定了差分平衡的电气接口，能在较长距离内明显提高数据速率，能在1200m距离内把速率提高到l00k波特，或在较短距离内提高到10M波特。RS-422A中的平衡驱动差分接收电路差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号。因此，可不受对地参考系统之地电位的波动和共模电路电磁干扰的影响。图7.9RS-232C、RS-422A、RS-423A以及RS-485的比较21采用RS-422A：实现两点之间远程通信时，需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。RS-422A两点传输电路八、RS-422/RS-485接口及应用

RS-485：采用平衡差分电路，为半双工工作方式，因而可以采用一对平衡差分信号线来连接。发送电路由使能信号加以控制。RS-485两点传输电路22

RS-485多点互连系统

RS-232C/RS-485转换传输示意图RS-232C/422A转换装置原理图23RS-232TORS-422/485转换器隔离型RS-232与RS-422/485双向转换器特点：带RTS/CTS信号的RS-232与RS-422转换RS-232与2/4线RS-485转换RS-422/485信号端和电源端均带光电隔离保护DIN-Rail标准导轨安装和面板安装方便RS-422/485接线的螺丝紧固接线端子PWR,LED监控Tx

和Rx状态浪涌保护,16KVESD工作温度从–20℃到60℃数据流向自动控制(ADDC)

隔离保护

速率自动侦测

RTS/CTSRS-422握手信息24工业网络技术是为分散型控制系统提供通信介质、传输控制和通信功能的手段。互连和通信是工业网络的核心。网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑。局部网络通常有4种拓扑结构：星形、环形、总线形和树形。第二节工业网络技术一、工业网络概述1、网络拓扑结构25NS1S5S2S4S3站主结点N：主结点S1－S5：站星形结构任何两个站之间的通信都要通过主结点。主结点要求：功能强，容量大，速度快。属于集中形网络，适用于各站之间信息流量较大的场合，但可靠性低。1）星形结构星形结构网络的特点：

①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；

②网络延迟时间短，传输错误率较低；

③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；

④网络资源大部分在外围点上，相互之间必须经过中央结点中转才能传送信息；

⑤通信电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。26属于分散型网络。结点是信息接收和发送中继器。信息传送距离远，能保证信号质量。共用通信线路，不适合于信息流量大的场合。N1N5N4N2N3S1S5S2S4S3站结点S1-S2：站N1-N2：结点环形结构环形结构网络特点：

①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；

②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，因此控制软件较简单；

③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；

④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。2）环形结构27S1-S6：站S1S2S3S4S5S6通信总线站总线形结构一条开环无源的同轴电缆作为公共通信线路，各站通过Ｔ型接插器连到电缆上，属于分散型网络。3）总线形结构总线型网络特点：

①结构简单灵活，扩展方便；

②可靠性高，网络响应速度快；

③共享资源能力强，便于广播式工作；

④设备少、价格低、安装和使用方便；

⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。28结构复杂，信息传输有多条可能途径→最佳路径选择。优点：可靠性高，信息流量大。缺点：硬、软件开销大，成本高。S1-S7：站N1-N7：结点树形结构N1N2N3N4N5N6N7S1S2S3S4S5S7站结点S6N1N5N4N3N2S1S5S4S3S2站结点S1-S5：站N1-N5：结点网形结构4）其他结构29合理解决信道分配问题。常用存取控制技术：冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)、令牌环(TokenRing)、令牌总线(TokenBus)。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。2、介质访问控制技术CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection载波侦听多路存取/碰撞检测法总线形网络，挂在总线上的各站平等，争用总线—冲突。1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）“先听后讲”，“边讲边听”——CSMA/CD技术。竞争发送，广播式传输，载体监听，冲突检测，冲突后退和再试发送。30只实行“先听后讲”，多听几次——CSMA/CA技术。

CollisionAvoidance碰撞避免法。

CSMA技术中，需解决信道被占用时等待时间的确定和信息冲突两个问题。环形网。令牌：信息段，有忙、空两个状态，沿环网传送，获得令牌的结点可发送信息。信息发送过程。

优点：能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。

缺点：需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率；控制电路复杂。

2）令牌环（TokenRing）31总线形或树形网络。把总线或树形传输介质上的各个结点形成一个逻辑环。逻辑环中的控制方式类同于令牌环，不同的是令牌总线中，信息可以双向传送、任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。信息中要指出下一个要控制的结点地址。优点：

①吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；

②控制功能不随电缆线长度的增加而减弱；

③不需冲突检测，信号电压可以有较大的动态范围；

④具有一定的实时性。缺点：结点获得令牌的时间开销大。3）令牌总线(TokenPassingBus)P217表7.1三种访问控制方式比较32通过网络中的结点在两站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。3、信息交换技术1）线路交换（CircuitSwitching）复杂网的信息交换站N1N6N2N5N3N7N4S1S6S5S4S3S2结点S1-S6：站N1-N7：结点建立线路（路径短，等待时间短），传送数据，拆除数路。报文实时性好，各结点延时小，线路利用率低。例：提高通信设备和线路的利用率。33把目的站名附加在报文上，交给结点传送。结点：接收，暂存，转发，直至目的站。线路利用率高,一个报文可发给多个站,报文到达时间长。报文段——报文分组，信息传送的基本单位，到目的站后拼装成报文。综合了线路交换和报文交换的优点。报文分组示例目的站T校验正文报文号M1源站S总控制信息M1P1PTS正文1分控制信息校验报文报文分组P1-Pn：报文分组号，PΣ

：报文分组总组数。M1PnPTS正文n分控制信息校验2）报文交换（MessageSwitch)3）分组交换（PacketSwitching)34

如何管理报文分组流：

①数据报（Datagram)方法；

②虚电路（VirtualCircuit)方法。一个字符校验一次，一个字节的最高位为校验位，状态“1”或“0”；

提高传输质量方法：

①改造信道的电性能，使误码率降低；

②差错控制技术：检验错误，纠正错误。奇校验：保证整个字节为“1”的位数是奇数。偶校验：保证整个字节为“1”的位数是偶数。通常用于异步通信方式。4、差错控制技术1）奇偶校验（ParityCheck)35信息K(x)传输信道发送端接收端

CRC

原理图移位xrK(x)附加CRCxrK(x)+R(x)CRC校验判定余数余数

0=0输出K(x)CRC形成接收有错接收无错发送：传输信息T(x)由基本信息位K(x)和CRC校验位R(x)两部分组成，T(x)=xrK(x)+R(x)。R(x)由基本信息位左移r

位后除以多项式G(x)生成。接收：T(x)除以G(x)，余数为0，传输正确。2）循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCheck)36

CRC生成和校验：多项式模２运算。例：设要发送的基本信息位为110，附加4位CRC校验信息位，生成多项式G(x)=x4+x3+x2+1，求T(x)。37

①重发纠错方式；

②自动纠错方式：发送端发送的信息中包括能够纠错的信息码。

③混合纠错方式：上述两种方式综合。SDLC生成多项式：CRC-16生成多项式：3）纠错方式38网络中的各站或结点共享网络资源，必须有一套全网“成员”共同遵守的“约定”——网络协议。国际标准化组织ISO公布了开放系统互连OSI协议层次模型。

ISO：InternationalStandardsOrganizationOSI：OpenSystemInterconnection“开放”—任何两个遵守OSI协议的系统可以进行连接。协议共有七层，每一层完成一块通信子功能，并且下层为上层提供服务。二、网络协议及其层次结构39

OSI层次模型H2H2H2H2数据数据数据数据数据数据数据数据7应用6表示5会话4传送3网络2链路1物理数据数据数据数据数据数据数据数据7应用6表示5会话4传送3网络2链路1物理H7H6H5H4H3T2T2T2T2H7H7H7H7H7H7H6H6H6H6H6H5H5H5H5H4H3H4H4H3H7H7H7H7H7H7H7H6H6H6H6H6H6H5H5H5H5H5H4H4H4H4H3H3H3通信线路S1协议层S240实际的信息流通过物理层传输，2-7层逻辑层，组织数据传送的软件层。

OSI模型各层的基本含义：1、物理层（PhysicalLayer）提供通信设备的机械特性，电气特性，功能特性和过程特性，并在物理线路上传输数据流。2、数据链路层将被传送数据按帧结构格式化，差错控制，介质访问控制，物理层管理。（面向字符，面向位）3、网络层通过网络传送报文分组（数据报，虚电路），负责路径和拥挤控制。414、传送层为会话层提供可靠的传送服务，进行点到点的错误恢复和流控制。5、会话层建立和管理进程之间的连接。6、表示层为应用程序和终端管理程序提供数据变换服务。7、应用层为用户提供各种服务。

OSI只提出网络互连通信的层次结构，供各种标准选择。微机系统大多属于局域网，局域网中只包含物理层和数据链路层，其余统称为高层。42通信网上各设备之间的物理接口，用以描述传输介质的机械，电气性能和有关的规程。

机械特性：连接器、插头；

电气特性：信号电平、距离、速率；

功能特性：连接器插脚功能；

过程特性：信号时序。保证物理链路可靠，提供建立和释放链路的方法。把数据组成帧，进行差错控制和介质访问控制。高级数据链路协议HDLC（High-LevelDatalinkControl）。物理层协议数据链路层协议43局部网的主要特点：

①有一定地理范围的限制，一般在数十米至数十公里范围内；

②有一个单位经营和使用，不必利用公共传输媒体；

③有较高的数据速率（0.1~100Mb/s）和较低的误传率(10-8～10-11)和较快的响应时间（微秒级）。三、IEEE802标准局部网常见拓扑结构形式：总线形：以太网；环形：剑桥网（CambridgeRing），

令牌传递环（TokenPassingRing）。局部网的主要应用：①办公自动化；②工厂和实验室自动化； ③企业的数据处理。447应用层6表示层5会话层4传送层3网络层2数据链路层1物理层高层逻辑链路控制层（LLC）802.2介质访问控制层（MAC）802.3802.4802.5CSMA/CDTOKENBUSTOKENRING物理层OSI模型LAN协议IEEE802

LAN协议层次与OSI模型层次的比较物理信号层(PS)：类似于一般网络的物理层协议。完成数据的封装/拆装、数据的发送/接收管理等功能，并通过介质存取部件(也称收发器)收发数据信号。发送与接收时，对数据位流进行编码与解码。基带传输采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码，传输介质为150Ω双绞线，50Ω或75Ω同轴电缆。对于采用CSMA/CD技术的网络，进行载体监听和冲突检测。45介质存取控制层(MAC)：支持介质存取，并为逻辑链路控制层提供服务。

①CSMA/CD：

IEEE802.3，标准适用于总线形网络。控制策略：竞争发送，广播式传送，载体监听，冲突检测，冲突后退再试发送。

②TOKENBUS：IEEE802.4，适用于总线形网络。逻辑环：站的逻辑次序与物理位置无关。

令牌总线示意图AP=BS=CCP=AS=DBP=DS=ADP=CS=B通信总线站新站的插入和旧站的删除技术：修改相应的前导站和后继站。

③TOKENRING：IEEE802.5，令牌环控制技术适用于环形网络。46逻辑链路控制层(LLC)：采用IEEE802.2标准，支持数据链路功能、数据流控制、命令解释及产生响应等，并规定局部网络逻辑链路控制协议(LNLLC)。向上提供高层接口。发送：装配帧：站地址段，控制段，信息段，CRC段;接收：拆卸帧：站地址识别，CRC校验。47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，其评价准则可归纳为吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性五个方面。总线形和环形结构成为工业网络的主流拓扑结构，总线和环形结构最容易实现令牌控制方式。四、工业网络的性能评价和选型1、工业网络的性能评价48大型系统常采用分散型控制的模式，系统主要分为三级：①分散过程控制级②集中操作监控级2、工业网络的选型1）大型系统的工业网络选型③综合信息管理级集中操作监控级和分散过程控制级。2）中小型系统的工业网络选型49控制系统：控制性能优越、性能价格比较高、可维护性好、可靠性高、构成方式灵活、操作简单。

DCS又称分布式计算机控制系统，简称分散型控制系统(DistributedControlSystem)。

DCS综合了计算机(Computer)、控制(Control)、通信(Commmunication)、CRT显示技术即4C技术，集中了连续、批量、逻辑顺序控制、数据采集等功能。

DCS采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则。系统安全可靠、通用灵活性、具有最优控制性能和综合管理能力。是一种新型的过程控制系统，是实现大系统控制的理想方案。第三节分散型控制系统(DCS)50

通常为三级：第一级：分散过程控制级；第二级：集中操作监控级；第三级：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。P226图7.23DCS的体系结构一、DCS概述1、DCS的体系结构51直接面向生产过程，完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器(温度、压力、液位)及开关量等信号，其输出是驱动执行机构。构成这一级的主要装置有：

①现场控制站(工业控制机)；

②可编程序控制器(PLC)；

③智能调节器；

④其它测控装置。1）分散过程控制级52以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。面向操作员和控制系统工程师，配备有技术手段齐备、功能强的计算机系统及各类外部装置，工程师和操作员可对系统进行组态、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。具体组成包括：

①监控计算机；

②工程师显示操作站；

③操作员显示操作站。由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。2）集中操作监控级3）综合信息管理级53根据各级的不同要求，通信网分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级；中速网络面向集中操作监控级，高速网络面向管理级。4）通信网络系统2、DCS的特点1）硬件积木化4）通信网络的应用5）可靠性高

DCS的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的元件。2）软件模块化3）控制系统组态54P229图7.24CENTUM—XL系统构成

CENTUM-XL是日本横河电机推出的DCS。采用HF通信总线，基本长度为2km，使用中继器可延长到10km，通信速度为1Mbps。现场控制站(CFCS2)和双重化现场控制站(CFCD2)内部有255个软功能模块(亦称内部仪表)和40张命令表，使用填表语言构成40个回路的控制系统。高分散现场控制站(CFBS2)内安装6个独立的现场控制单元(CFCU2)，每个CFCU2具有63个软功能模块和4张顺序命令表，可以组成各个控制回路。现场监视站(CFMS2)可以输入255点模拟信号，如热电偶、热电阻和mVDC等。3、典型的DCS55为了提高系统的可靠性，控制站采用两种冗余方式：一种是1对1备用(如CFCD2)，另一种是N对1(N最大为12)备用(如CFBS2)。

CFCD2内有两套完全相同的CPU、输入/输出、电源和内部总线，其中一套处于工作状态，另一套处于热备状态。一旦发生故障，进入无扰动切换。

CFBS2是高分散型现场控制站，其内部有6个独立的现场控制单元CFCU2，当某一个单元发生故障时，备用单元BCU便立即投入运行。该系统将控制、操作、管理、专家系统、开发和维护等功能融为一体，并且有计算机辅助设计(CAD)功能。56直接与生产过程现场的传感器(热电偶、热电阻)、变送器(温度、压力、液位、流量变送器等)、执行机构(调节阀、电磁阀等)、电气开关(触点输入输出)相连接，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类型有三种：现场控制站可编程序控制器(PLC)

智能调节器二、DCS的分散过程控制级57①机箱(柜)②电源③PC总线工业控制机④通信控制单元⑤手动/自动显示操作单元数据采集功能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。1、现场控制站1）现场控制站的构成2）现场控制站的功能58①控制模式自动、软手动、串级、硬手动、上位机。控制模式的优先级是：硬手动>软手动>自动>串级>上位机②无扰动切换操作在控制系统中，由于工作模式的切换，可能会引起输出阀值的突然变化，产生扰动，因此需采取以下措施实现无扰切换：PV跟踪(PV是测量值)、阀值跟踪、工作模式判定。3）现场控制站的工作方式59是一种数字化的过程控制仪表具有数据通信功能。一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等。智能调节器不仅可接受4～20mA电流信号输入的设定值，还具有异步通信接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。2、智能调节器60主要配制的是开关量输入、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控制或逻辑控制的场合，以取代复杂的继电器控制装置。PLC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。3、可编程序控制器(PLC)611、显示操作站的构成

主要是显示操作站，完成显示、操作、记录、报警等功能。它把各个现场配置的控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息。显示操作站的另一功能是系统组态。主要由监控计算机、键盘、CRT显示器、打印机等几部分构成。三、DCS的集中操作监控级622、显示操作站的功能具有控制系统的生成、组态、集中监视操作、报警、显示、报表、通信等功能；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必要的工程师功能。63在DCS中实现整个企业(或工厂)的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。实际上是一个管理信息系统(ManagementlnformationSystem，简称MIS)，MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。

MIS由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成。①市场经营管理子系统②生产管理子系统③财务管理子系统④人事管理子系统四、DCS的综合信息管理级1、MIS的组成1）MIS的硬件组成(2)MIS的软件组成642、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，经济信息分析，原材料库存情况，生产进度，工艺流程及工艺参数，生产统计、报表，进行长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，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。65

Bitbus是主从式、总线型高速串行网，电气接口采用平衡传送的RS-485标准，传输介质是双绞线或同轴电缆，链路协议符合同步数据链路控制(SDLC)标准。第四节位总线(Bitbus)通信网络技术

Bitbus的核心是高性能的VLSI芯片族8044BEM(8744，8344)。其中，不带片内ROM的是8344；带有片内4KROM的是8044；带有片内4KEPROM的是8744。

8044内部有一个可独立工作的串行通信接口单元SIU；192字节的片内RAM；35个内部特殊功能寄存器(SFR)；对于低128个字节RAM，是直接地址访问的SFR；128～192字节的内部RAM，必须间接寻址访问，从而与有相同地址的SFR相区分。一、8044BEM硬件结构简介661、8044系列单片机的引脚图（表7.2图7.25）双微机控制结构，实现控制与通信任务的分离。8044内部结构简图

SIU执行同步数据链路控制(SDLC）协议，实现网络通信。两个处理器通过分时多路转换双口RAM和一些特殊功能寄存器进行通信。建立一个位总线的结点，只需用8044再加一个电源、一片晶体振荡器和一个收发器。2、8044内部结构671、物理层(电气接口)四层结构：物理层、链路层、消息层和应用层。

Bitbus通信的电气接口符合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。根据传输距离和速率的不同，可设定为外同步模式、自同步模式。表7.3Bitbus通信网络性能二、Bitbus通信规程68

Bitbus通信的数据链路层符合SDLC规约。是基于在公共通信链路上，主站和一个或多个从站之间进行数据交换的规程。主站负责控制整个网络，向从站发送各种控制命令，从站按照来自主站的命令动作，并对主站的命令作出应答。主站可以选择任意一个从站交换数据信息，任一从站一旦被选中，既可以接收来自主站的信息，也可依据主站的命令向主站发送信息。

SDLC规定：一个基本信息单元叫一帧，一帧包括六个部分。图7.27SDLC帧结构2、链路层(数据链路控制)69信息帧格式。在BITBUS位总线各节点之间通信时，定义采用Order/Reply(命令/应答)结构。Bitbus消息格式3、消息层(报文协议)70在消息层的基础上，定义了远程存取控制(RAC)的一系列命令，即在传送的数据当中，规定了具体的数据格式，在命令中定义了一系列相应的代码。从结点收到一帧信息后，由命令中取出的代码确定属于远程存取控制的何种命令，然后由数据中确定地址和数据内容。4、应用层(远程存取控制)71可实现三种网络拓扑结构：点到点半双工、多点半双工、环形网结构。三、Bitbus通信网络的应用Bitbus网络拓扑结构72主从分布式控制系统框图73现场总线：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。第五节现场总线(Fieldbus)技术一、现场总线概述1、现场总线及其体系结构1）现场通信网络2）现场设备互连P242图7.31新一代FCS控制层（FF现场总线控制系统）①变送器；②执行器；③服务器和网桥；④辅助设备；⑤监控设备。743）互操作性FCS中的分散功能块4）分散功能块5）通信线供电6）开放式互连网络75

①用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表；

②用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式；

③用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；

④用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；

⑤用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS；

⑥变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；

⑦变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。2、现场总线和FCS的变革1）现场总线对自动化领域的变革76

①信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。

②系统结构是全分散式，把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。

③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。

④通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，可方便共享网络数据库。

⑤技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。2）FCS对DCS的变革77

①一对一结构。

②可靠性差。

③失控状态。

④互换性差。3、现场总线产生的原因1）模拟仪表的缺点78

①一对N结构。

②可靠性高。

③可控状态。

④互换性。2）现场总线的优点

⑧统一组态。

⑤互操作性。

⑥综合功能。

⑦分散控制。

⑨开放式系统。

FF现场总线示范工程与传统DCS相比，各项费用节省率为：导线82％，螺钉63％，接口板50％，安全栅50％，另外还节省材料费、工时费等。79

1984年，美国仪表协会（ISA）现场总线标准

1985年，国际电工委员会现场总线体系结构与标准的研究制定工作

1986年，德国开始制定过程现场总线PROFIBUS；

Rocemount提出HART协议

1992年，由Siemens、Rocemount等80家公司联合，成立了ISP－PROFIBUS

1993年，以Honeywell等120多个公司，成立了WorldFIP；由Siemens、Rocemount等70多家公司联合成立了HART通信信息基金会HCF

1994年，ISP和WorldFIB北美部分合并，成立了现场总线基金会FF

4、现场总线的发展过程80国际电工委员会：1999年12月通过IEC61158国际标准：八种类型现场总线

ControlNet

ProfibusP_NetFFH1FFHSE(HighSpeedEthernet)

SwiftNet

WorldFIP

Interbus

1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具－数据信息交换－高速通信控制器局域网(CAN)国际标准

ISO11898。二、五种典型的现场总线81

ControlAreaNetwork由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。1、CAN(控制器局域网络)

在CAN中应用的元器件包括MCU（集成CAN的微处理器）、CANController（CAN控制器）、CANTranceivers（CAN收发器）、LINTranceivers（LIN收发器）四类。PHILIPS现已提供：集成CAN的微处理器P87C591、

独立的CAN控制器SJA1000、

CAN收发器PCA82C250、

高速容错CAN收发器TJA1050、

TJA1040等。82由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导。称为通用控制网络。通信速率：300bps～1.5Mps通信距离：2700m（78kbps，双绞线）

2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术，1000多家公司已经推出了LonWorks产品。广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。2、LONWORKS(局部操作网络)8319