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1、集散控制系统及现场总线课件本讲稿第一页，共三十八页2.1 DCS2.1 DCS的基本概念的基本概念2.2 DCS2.2 DCS的结构组成及特点的结构组成及特点2.32.3 DCSDCS的网络通信技术的网络通信技术2.4 DCS2.4 DCS的网络存取控制技术的网络存取控制技术2.5 DCS2.5 DCS的的组态组态 2.6 DCS2.6 DCS的可靠性的可靠性 2.7 DCS2.7 DCS的常用控制算法的常用控制算法 第第2章章 集散型控制系统（集散型控制系统（DCS）导论）导论集散控制系统及现场总线 高职高专 ppt 课件本讲稿第二页，共三十八页2.1 DCS的基本概念的基本概念 集散型控制
2、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DCSTDC2000型集散控制系统。集散控制系统及现场总线 高职高专 ppt 课件本讲稿第三页，共三十八页2.2 DCSDCS的结构组成及特点的结构组成及特点 2.2.1 DCS2.2.1 DC
3、S的结构组成的结构组成 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2-1 DCS的基本结构集散控制系统及现场总线 高职高专 ppt 课件本讲稿第四页，共三十八页n过过程程控控制制单单元元(Process Control Unit，PCU)，又称现场控制站或基本控制器，它是DCS的核心部分。n数数据据采采集集器器(Data Acquisition Unit，DAU)，又称过程接 口 单 元(Process Interface Unit，PIU)，它 是 为 生产过程中存在的非控制变量设置的采集装置。nC CR R
4、T T操操 作作 站站，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。n监控计算机监控计算机，又称管理计算机(Manger Computer，MC)，也称上位机，是DCS的主机，它综合监视DCS的各单元。n高高速速数数据据通通路路(Data HiWay，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。DCSDCS的结构组成的结构组成集散控制系统及现场总线 高职高专 ppt 课件本讲稿第五页，共三十八页2.2.2 DCS2.2.2 DCS的特点的特点 n高可靠性 n灵活的扩展性 n完善的自主控制性 n完善的通信网络 与一般的计算机控制系统相比，
5、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 课件本讲稿第六页，共三十八页2.3 DCSDCS的网络通信技术的网络通信技术2.3.1 2.3.1 计算机网络的定义计算机网络的定义 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
6、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 课件本讲稿第七页，共三十八页2.3.2 网络结构及其特点网络结构及其特点 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 课件本讲稿第八页，共三十八页 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
7、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。通信子网通信子网-点对点子网点对点子网图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 课件本讲稿第九页，共三十八页图2-4 广播子网拓扑结构 通信子网通信子网-广播子网广播子网 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
8、职高专 ppt 课件本讲稿第十页，共三十八页2.3.3 2.3.3 通信介质通信介质 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。1.1.双绞线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。2.2.同同轴电缆轴电缆由内导体、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。3.3.光光缆缆 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。本讲稿第十一页
9、，共三十八页图图2-5 2-5 通信介质通信介质 a）双绞线 b）同轴电缆 c）光缆 本讲稿第十二页，共三十八页2.3.4 2.3.4 数据通信数据通信 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：n模拟数据的模拟信号传送n模拟数据的数字信号传送n数字数据的模拟信号传送n数字数据的数字信号传送本讲稿第十三页，共三十八页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
10、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。不不归归零零制制编编码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。曼曼切切斯斯特特编编码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；差差分分曼曼切切斯斯特特编编码码的编码规则是：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
11、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。本讲稿第十四页，共三十八页数字数据的数字信号传送数字数据的数字信号传送图2-7 数字信号的编码 本讲稿第十五页，共三十八页2.3.5 2.3.5 数据传输中的差错控制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
12、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。本讲稿第十六页，共三十八页抗干扰编码抗干扰编码 n奇奇偶偶检检验验码码 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。n循环冗余码循环冗余码(Cyclic Redundancy Check，CRC)简称循
13、环码，它的检错能力相当强，是DCS中最常用的纠错码。本讲稿第十七页，共三十八页系统循环码的生成步骤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。本讲稿第十八页，共三十八页 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。系统循环码的生成步骤系统循环码的生成步骤 本讲稿第十九页，共三十八页【例例2-12-1】已知信息码 ，设采用的生成多项式为 ，求生成（7，
14、3）循环冗余码。解：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。本讲稿第二十页，共三十八页【例例2-12-1】（续）本讲稿第二十一页，共三十八页2.3.6 2.3.6 信道极限传输能力信道极限传输能力 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。1.1.无噪声信道上的最高数据传输速率无噪
15、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 2.2.噪声信道上的最高数据传输速率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）。本讲稿第二十二页，共三十八页【例例2-22-2】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：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
16、信号假设为2个离散的电平，则 bit/s 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 本讲稿第二十三页，共三十八页信道极限传输能力信道极限传输能力 3.3.信号调制技术对极限传输能力的影响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(bitHz/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：2.5-3本讲稿第二十四页，共三十八页2.3.7 DCS2.3.7 DCS的通信网络特点的
17、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：n实时响应能力n高可靠性n适应恶劣的工业现场环境n分层结构本讲稿第二十五页，共三十八页2.3.8 DCS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：n开放系统互连参考模型(The Reference Model of O
18、pen System Interconnection，OSI）nIEEE802标准n制造业自动化通信协议(Manufactured Automation Protocol，MAP)n过程数据高速公路协议 (Process Data HiWay：PROWAY)本讲稿第二十六页，共三十八页2.4 DCS2.4 DCS的网络存取控制技术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(Token Passing)3.带有碰撞检测的载波监听多重访问 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，
19、CSMA/CD)本讲稿第二十七页，共三十八页2.4.1 2.4.1 轮询轮询(Poll)(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 本讲稿第二十八页，共三十八页2.4.2 2.4.2 令牌传送令牌传送(Token Passing)(Token Passing)令牌传送适用于环形网或在逻辑序列上将节点连接成环的总线网。在采用广播方式的D
20、CS中称为n对n的控制方式。它是由环上有一个称为令牌的信息包沿环中各节点依次传送信息的。该令牌有空、忙两种状态。图2-11归纳了上述令牌传送的工作过程。令牌传送的优点是不需要网络控制器，网络访问分配情况可以预先确定，所以它适用于大型总线网络系统；它的缺点是当令牌丢失或信息包在环上无限制地循环时，必须由指定的监视节点向网络中注入一个新令牌或将信息包撤消。本讲稿第二十九页，共三十八页 a)b)c)d)图2-11 令牌传送的工作原理本讲稿第三十页，共三十八页2.4.3 2.4.3 带带有碰撞有碰撞检测检测的的载载波波监监听多重听多重访问访问 (CSMA/CD)(CSMA/CD)带有碰撞检测的载波监听
21、多重访问技术适用于总线网。由于接在总线上的各个站共享一条广播式的传输线，为防止信息在传输线上发生“碰撞”的情况，可以采用“先听后讲，边讲边 听”的 办 法，即CSMA/CD技 术。CSMA/CD工作原理如图2-12 所示。这种方法的优点是网络结构简单，易实现，可靠性高，允许节点迅速地访问通信网络；它的缺点是通信响应时间不确定，如果网络分布区域较广，则通信效率会降低。图2-12 CSMA/CD工作原理本讲稿第三十一页，共三十八页2.5 DCS2.5 DCS的组态的组态 DCS的组态（configure）就是根据控制系统的要求，确定DCS的规模和具体组成，形成一个完整的控制方案的设计过程。正确组态
22、涉及到系统的正确设计。DCS的组态功能一般包括以下两方面：n硬件组态（又称系统配置）n软件组态本讲稿第三十二页，共三十八页2.5.1 DCS2.5.1 DCS硬件硬件组态组态 DCS硬件组态实际上是完成系统设备间的软连接，它是先选 择 硬 件 设 备，然 后 在显 示 器上 完 成 系 统 硬 件 的 配 置，也就是硬件系统的建立（setup）问题，它包括以下几方面的内容：工程师站的选择（包括机型、显示器尺寸、内存、硬盘容量、打印机等）；操作员站的选择（包括操作员站的个数和操作员站的配置，如显示器尺寸及是否采用双屏、主机型号、内存配置、磁盘容量的配置、打印机的台数和型号等）；现场控制站的选择（
23、包括现场控制站的个数、地域分布、每个现场控制站中所配的各种模板的种类及块数、电源的选择等）。硬件配置一般视现场具体要求而定。本讲稿第三十三页，共三十八页2.5.2 DCS2.5.2 DCS软软件件组态组态 DCS软件组态包括画面组态和控制组态。画面组态主要完成操作员站上的各种画面、画面间连接。控制组态是指控制系统软件的生成，包括基本配置组态和应用软件的组态。基本配置组态是给系统一个配置信息，采用面向问题的语言；应用软件的组态采用功能块语言，即把常用的运算功能、信号交换功能、PID控制功能及其他功能所对应的程序预先固化成ROM中的各种模块，然后用最简单的编程语言或图上作业方法，将这些模块进行软连
24、接，构成各种控制系统的应用软件，这类应用软件主要用于现场控制层。本讲稿第三十四页，共三十八页2.5.3 DCS2.5.3 DCS组态组态方法方法 DCS的组态方法大致可分为两种。1.1.填表格法或功能填表格法或功能图图法法 填表格法是用户根据生产过程要求，在DCS制造商提供的、用于组态的表格上采用菜单方式，逐行填入相关参数，完成相应组态工作的方法。实现这种组态的语言是面向问题的语言。功能图法主要用于功能块的选择，填写功能参数，通过软连接实现组态功能，这一组态过程也叫功能块语言，属于DCS组态语言的一种。2.2.编编程法程法 编程法是采用厂商提供的编程语言或允许采用的高级语言编制程序，输入组态信
25、息，用C语言等在管理层编制优化管理软件等。高级语言是DCS组态语言的一种。本讲稿第三十五页，共三十八页2.6 DCS2.6 DCS的可靠性的可靠性 DCS的可靠性主要体现在以下5个方面：nDCS的分散结构 主要体现在结构分散化、功能和地域分散化、负荷分散化和数据库分散化。nDCS的冗余化结构 采用冗余化结构的方法有：用多重化构成的自动备用方式，手动备用方式。nDCS的高可靠性通信系统nDCS的程序化自诊断功能nDCS的软、硬件的可靠性本讲稿第三十六页，共三十八页2.7 DCS2.7 DCS的常用控制算法的常用控制算法 n串级控制 是在单回路单参数控制系统的基础上发展起来的。n前馈控制 是对扰动
26、量或给定值的变化按补偿原理进行调节的开环控制系统，是在不变性原理的基础上发展成的。nSMITH预估补偿控制 是克服大时间滞后系统的主要方法之一。n超弛控制 特点是若干个控制器共用一个执行器，其中一台控制器处于正常工作状态，另一台处于待命备用状态。n顺序控制 是按照预先规定的顺序(逻辑关系)，逐步对各阶段进行信息处理的控制方法。分为时间顺序、逻辑顺序和条件顺序控制三类。n自适应控制 是建立在系统数学模型参数难以确定的基础上的，其结构形式包括简单自适应控制系统、参考模型自适应控制系统和自校正控制系统等。本讲稿第三十七页，共三十八页本章小结本章小结n本章围绕“控制与管理集中，功能与危险分散”的设计思想，着重介绍了集散型控制系统的基本概念、结构组成及其特点，充分体现了集散型控制系统是以4C技术为基础，采用分级、逐层的控制结构，实现计算机过程控制为目的。n围绕集散型控制系统所采用的网络技术，介绍了数据通信的基础知识及通信数据存取控制技术。重点掌握计算机网络的结构特点、数据通信过程中差错控制的几种方法以及信道传输能力的计算。并介绍了几种常用网络协议的内涵及数据存取方式的工作原理。n简要介绍了集散型控制系统的软件组态、可靠性问题、常用的几种控制技术以及其基本工作原理和典型应用。课程开始课程开始本讲稿第三十八页，共三十八页