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1、中南大学信息科学与工程学院第七章第七章分散型测控网络技术分散型测控网络技术7.1数据通信技术数据通信技术7.2工业网络技术工业网络技术7.3分散型控制系统分散型控制系统(DCS)7.4位总线位总线(Bitbus)通信网络技术通信网络技术7.5现场总线现场总线(Fieldbus)技术技术中南大学信息科学与工程学院7.1数据通信技术数据通信技术7.1.1异步传送与同步传送异步传送与同步传送7.1.2面向字符和面向位的传送面向字符和面向位的传送7.1.3平衡与不平衡传输技术平衡与不平衡传输技术7.1.4RS-422/RS-485接口及应用接口及应用返回返回数据通信的基础知识数据通信的基础知识Basi
2、s of Data Communication数据通信概述数据通信概述数据的传输方式数据的传输方式多路复用技术多路复用技术 通讯介质通讯介质7.1.1异步传送与同步传送异步传送与同步传送中南大学信息科学与工程学院一、数据通信概述通信系统模型通信系统模型 任任何何一一个个通通信信系系统统都都可可以以借借助助如如图图所所示示的的通通信信系统模型来抽象地进行描述。系统模型来抽象地进行描述。噪声噪声N(t)输输出出数数据据d或信号或信号d(t)信息源信息源发信机发信机传输媒介传输媒介噪声源噪声源收信机收信机受信者受信者通信系统模型示意框图通信系统模型示意框图输输入入数数据据或或 信信 号号d(t)发发
3、 送送 信信号号s(t)接接收收信信号号r(t)数据编码数据编码几种常见的数据编码方案见书几种常见的数据编码方案见书P205中南大学信息科学与工程学院通信传输的信息通信传输的信息语音、图像、文字、数据等。语音、图像、文字、数据等。信息的类别信息的类别连续信息连续信息信息的状态随时间而连续变化。信息的状态随时间而连续变化。离散信息离散信息信息的状态是可列的或是离散的。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通信中的两种基本传输信号模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号。中南大学信息科学与工程学院模拟通信模拟通信以模拟信号作为载体来传输信息，以模拟信号作为载体来传输信息，数字通信数字
4、通信以数字信号作为载体传输信息称为数字通信，以数字信号作为载体传输信息称为数字通信，01001（b）数字信号数字信号tu传输信号示意图传输信号示意图（a）模拟信号模拟信号tu中南大学信息科学与工程学院调制调制将信息转换成能在模拟信道上传输的模拟信号。将信息转换成能在模拟信道上传输的模拟信号。振幅调制振幅调制ASK(AmplitudeShiftKeying）用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化。用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化。频率调制频率调制FSK(FrequencyShiftKeying)用原始脉冲信号去控制载波的频率变化。用原始脉冲信号去控制载波的频率变化。相位调制相位调制PSK(Phas
5、eShiftKeying）用原始脉冲信号去控制载波的相位变化。用原始脉冲信号去控制载波的相位变化。中南大学信息科学与工程学院三种调制信号示意图三种调制信号示意图原始信号原始信号（a）调幅调幅（b）调频调频11110000（c）调相调相中南大学信息科学与工程学院二、数据传输方式基带传输与频带传输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，就称为冲信号进行传输，就称为基带传输基带传输，它不适合远距离，它不适合远距离传输。一般用于传输距离较近的数字通信系统传输。一般用于传输距离较近的数字通信系统。先用信号调制不同的高频率的载波
6、，再传输，则称先用信号调制不同的高频率的载波，再传输，则称为为频带传输频带传输。串行传输与并行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数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行串行传输传输。单位时间内所传输的数据位的个数称为波特率。单位时间内所传输的数据位的个数称为波特率(bit/s)数据在多个信道上同时传输的方式称为数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输并行传输。中南大学信息科学与工程学院 同步传输与异步传输同步传输与异步传输 同同步步传传输输：发发送送端端一一边边发发送送数数据据位位，一一边边发发送送同同步步时时钟钟，接接收收端端根根据据发发送送端端发发送送来来的的
7、同同步步时时钟钟接接收收数数据据位位，即即发发送送端端与与接接收收端端的的两两个个时时钟钟是是同同步步的的。时时钟钟信信号号通通过过一一根根信信号号线线传传送送；通通过过将将信信息息中中的时钟代码化来实现，例如曼彻斯特编码。的时钟代码化来实现，例如曼彻斯特编码。异异步步传传输输：异异步步通通信信中中，发发送送的的每每一一个个数数据据字字符符均均带带有有起起始始位位、停停止止位位和和可可选选择择的的奇奇偶偶校校验验位位，不不发发送送同同步步时时钟钟，接接收收端端根根据据双双方方事事先先约约定定的的时时间间（波波特特率率）进进行行接接收收，即即发发送送时时钟钟与与接接收收时时钟钟不不同同步。步。串
8、行异步通信串行异步通信是目前常用的通讯方式。是目前常用的通讯方式。中南大学信息科学与工程学院同步传输的优缺点同步传输的优缺点 传输效率高，不必在传输每个字符时都加起始传输效率高，不必在传输每个字符时都加起始位和停止位，其缺点是需增加一根时钟传输线。位和停止位，其缺点是需增加一根时钟传输线。异步传输的优缺点异步传输的优缺点 不需要时钟传输线，但每一个字符传输中都需不需要时钟传输线，但每一个字符传输中都需要加起始位和停止位，因而传输效率较低。要加起始位和停止位，因而传输效率较低。中南大学信息科学与工程学院三、多路复用技术三、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。把多路信号用一条信道
9、进行传输，以提高效率。频分多路复用频分多路复用把把信信道道的的频频谱谱分分割割成成若若干干个个互互不不重重叠叠的的小小频频段段，每每条条小小频频段段都都可可以以看看作作是是一一条条子子信信道道。常常用用于频带传输。于频带传输。时分多路复用时分多路复用信信道道的的传传输输时时间间分分割割成成许许多多时时间间段段，供供不不同同的的信信号号使使用用，这这种种方方法法接接收收端端与与发发送送端端的的时时序序必必须严格同步。常用于基带传输。须严格同步。常用于基带传输。中南大学信息科学与工程学院四、通讯介质（媒质）通讯介质通讯介质指数据通讯中用来传递信号的媒体。指数据通讯中用来传递信号的媒体。有线传输介质
10、：有线传输介质：明线明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。：平行而相互绝缘的架空裸线线路。双双绞绞线线：由由相相互互绝绝缘缘的的线线绞绞合合在在一一起起构构成成。传传输输速速率率较较低低，抗抗干干扰扰能能力力差差，只只适适用用小小容容量量局局域网。域网。同同轴轴电电缆缆：由由同同轴轴的的两两个个导导体体构构成成，外外导导体体起起屏屏蔽蔽作作用用，内内导导体体传传递递信信号号，是是目目前前最最常常采采用用的媒质。的媒质。光纤光纤以光导纤维为传输媒质，以光波作为载波。以光导纤维为传输媒质，以光波作为载波。中南大学信息科学与工程学院无线传输媒质：无线传输媒质：微波中继：微波中继：是利用电磁波在对流层的
11、视距是利用电磁波在对流层的视距范围内传输的范围内传输的一种通信方式，通信距离依靠一种通信方式，通信距离依靠中继方式延伸。中继方式延伸。卫星转接：卫星转接：实际上也是一种微波通信。它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面很高，故可以覆盖较大通信区域中南大学信息科学与工程学院串行通信接口技术串行通信接口技术1、RS232C（1）数据传输驱动方式（如图所示）数据传输驱动方式（如图所示）采采用用单单端端驱驱动动非非差差分分接接收收电电路路，单单线线传传输输信信号号，以地线作为信号回路。以地线作为信号回路
12、。双极性电源供电（双极性电源供电（）。）。电平信号为：电平信号为：“1”3V。驱动器：驱动器：MC1488；接收器：接收器：MC1489；中南大学信息科学与工程学院（2）RS232C的不足的不足数据传输速率局限为数据传输速率局限为20Kbps（Bit/s，波特）；波特）；传输距离局限于传输距离局限于15m；没有标准的连接器（没有标准的连接器（25针、针、9针等针等传输传输方案）；方案）；每每个个信信号号只只有有一一根根导导线线，两两个个传传输输方方向向只只有有一一个信号地；个信号地；接接口口采采用用不不平平衡衡的的发发送送器器和和接接收收器器，信信号号和和地地线线上上的的干干扰扰迭迭加加，影影
13、响响接接收收信信号号。（地地电电平平波波动动的的影响）影响）一台驱动器一台驱动器/一台接收器。一台接收器。中南大学信息科学与工程学院 、RS-232的常用连接方法的常用连接方法计算机和调制解调器的连接计算机和调制解调器的连接实现了计算机远程通信实现了计算机远程通信的物理层标准，在链路层及的物理层标准，在链路层及更高层协议的作用下，就可更高层协议的作用下，就可以实现计算机间的数据通信。以实现计算机间的数据通信。RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI23456782022调调制制解解调调器器23456782022计计算算机机RS-232C典型连接图典型连接图中南大学信息科学与工程学院将
14、两台计算机直将两台计算机直接连接，实现快速接连接，实现快速数据通讯数据通讯让通信双方在让通信双方在没有调制解调器的没有调制解调器的情况下依次完成有情况下依次完成有调制解调器时的信调制解调器时的信号作用过程。号作用过程。连接方法之一连接方法之一RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI23456782022计计算算机机23456782022RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTRRI计计算算机机中南大学信息科学与工程学院连接方法之二连接方法之二RXDTXDGND237计计算算机机237RXDTXDGND计计算算机机连接方法之三连接方法之三RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDT
15、R234567820计计算算机机234567820RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTR计计算算机机中南大学信息科学与工程学院2、RS-423A标准接口标准接口RS423A特点：特点：规定为单端线，参考电平为地；规定为单端线，参考电平为地；正信号逻辑电平为正信号逻辑电平为200mV6V，负信号逻辑电平负信号逻辑电平为为-200mV-6V（逻辑逻辑“1”4V，逻辑逻辑“0”-4V)；中南大学信息科学与工程学院（2）RS422A主要性能及优点主要性能及优点传送速率可达传送速率可达100Kbps100Kbps（波特）；波特）；传输距离可达传输距离可达1200M1200M；（传输距离相同时（传
16、输距离相同时,传输速率传输速率较较RS422慢）。慢）。不受地电位波动和共模干扰影响不受地电位波动和共模干扰影响(差分平衡结构差分平衡结构)；1 1台驱动器台驱动器/10/10台接收器。（最多允许）台接收器。（最多允许）（3 3）传送速率与传送距离的关系）传送速率与传送距离的关系12m/112m/10 0MbpsMbps；120m/1Mbps120m/1Mbps；1200m/11200m/100K00Kbpsbps。中南大学信息科学与工程学院4、RS485（1）RS485标准的产生标准的产生 在在许许多多工工业业控控制制和和通通信信网网络络控控制制中中，往往往往需需要要多多点点互互连连，而而且
17、且在在任任何何时时刻刻通通常常只只有有一一个个主主控控模模块块（结结点点）发发送送数数据据，而而其其它它模模块块（结结点点）处处于于接接收收状状态。因而只需态。因而只需半双工通信半双工通信。若若采采用用RS422A（全全双双工工通通信信），为为实实现现两两结结点点间间远远程程通通信信，需需要要两两对对平平衡衡差差分分传传输输线线，如如图图（a）所所示示。而而采采用用RS485（半半双双工工通通信信）只只需需要要一一对平衡差分传输线对平衡差分传输线即可，如图（即可，如图（b）所示。所示。中南大学信息科学与工程学院（2）RS485数据传输驱动方式数据传输驱动方式 采用平衡差分驱动方式：如图（采用平
18、衡差分驱动方式：如图（b）所示。所示。由由于于“半半双双工工”，发发送送器器和和接接收收器器的的输输出出，均均需由使能信号（需由使能信号（）控制。）控制。驱动驱动/接收电路与接收电路与RS422A基本相同。基本相同。（3 3）RSRS485485主要性能及优点主要性能及优点 RSRS485485是是一一种种多多发发送送器器的的电电路路标标准准，它它是是RS-422ARS-422A性性能能的的扩扩展展，是是真真正正意意义义上上的的总总线线标标准准(允允许许挂挂接接3232台台RS-485RS-485负载设备）负载设备）不受地电平波动和共模干扰的影响；不受地电平波动和共模干扰的影响；构成构成“半双
19、工半双工”通信方式时，传输线只需一对；通信方式时，传输线只需一对；3232台驱动器台驱动器/32/32台接收器；（最多允许）台接收器；（最多允许）传输速率传输速率/传输距离为：传输距离为：12m/10Mbps12m/10Mbps；120m/1Mbps120m/1Mbps；1200m/100Kbps1200m/100Kbps。中南大学信息科学与工程学院（4）RS485的应用的应用 RS485多点互连系统多点互连系统 如图所示。如图所示。中南大学信息科学与工程学院RS485环形数据链路系统环形数据链路系统如图所示。如图所示。中南大学信息科学与工程学院5、RS232C/RS422A转换转换（1）用途
20、）用途 两两台台或或多多台台具具有有RS232C接接口口的的计计算算机机系系统统远远距离通信，或组成分布式系统。距离通信，或组成分布式系统。因因为为，RS232C传传输输距距离离只只有有15米米；抗抗干干扰扰能能力差。力差。远距离远距离通信通信不能直接进行不能直接进行RS232连接连接。（2）连接方式）连接方式如图所示。如图所示。中南大学信息科学与工程学院（3）转换装置原理）转换装置原理 在原有在原有RS232接口上，附加一个转换装置；接口上，附加一个转换装置；在两个转换装置之间，采用在两个转换装置之间，采用RS422A方式连接。方式连接。中南大学信息科学与工程学院7.2工业网络技术工业网络技
21、术7.2.1工业网络概述工业网络概述7.2.2网络协议及其层次结构网络协议及其层次结构7.2.3IEEE802标准标准7.2.4工业网络的性能评价及选型工业网络的性能评价及选型返回返回中南大学信息科学与工程学院7.2.1工业网络概述工业网络概述1、网络拓扑结构、网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理结构称为结构称为拓扑拓扑。局域网常见的四种基本拓扑结构：局域网常见的四种基本拓扑结构：星形结构星形结构环形结构环形结构总线形结构总线形结构树形结构树形结构返回返回中南大学信息科学与工程学院分支结点分支结点中央结点中央结点星形结构示意图星形结构示意
22、图计计算算机机终终接接器器总线结构示意总线结构示意图图闭合闭合回路回路计算机计算机环形结构示意图环形结构示意图树形结构示意图树形结构示意图中南大学信息科学与工程学院2、介质访问控制技术、介质访问控制技术冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)适用于总线形和树形；适用于总线形和树形；需解决的问题：等待时间的确定和信息冲突。需解决的问题：等待时间的确定和信息冲突。令牌环令牌环(Token Ring)令牌：控制标志。令牌：控制标志。适用于环形。适用于环形。令牌总线令牌总线(Token Passing Bus)逻辑环。逻辑环。适用于总线形和树形。适用于总线形和树形。中南大
23、学信息科学与工程学院3、信息交换技术信息交换技术线路交换线路交换 通过网络中的结点在两通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送理线路进行数据传送，传送结束再结束再“拆除拆除”线路。线路。通信过程通信过程：建立线路，：建立线路，传输数据，拆除线路。传输数据，拆除线路。优缺点优缺点：实时性好，线：实时性好，线路利用效率低路利用效率低报文交换报文交换 报文上附着目的站名，由各结点动态选择传输路径。报文上附着目的站名，由各结点动态选择传输路径。中南大学信息科学与工程学院分组交换分组交换 报文分组，分别传输，目的站拼装；报文分组，分别传输，目的站拼装；
24、数据报方法；数据报方法；虚电路方法。虚电路方法。中南大学信息科学与工程学院4、差错控制技术、差错控制技术(检验错误和纠正错误检验错误和纠正错误)1、差错检测技术的原理、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。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。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差错检测技术的核心是校验编码。中南大学信息科学与工程学院2
25、、常用的校验编码方法、常用的校验编码方法 奇偶校验奇偶校验采用采用奇校验奇校验报文加上校验位后应保证报文加上校验位后应保证“1”码元个数为奇数。码元个数为奇数。采用采用偶校验偶校验报文加上校验位后应保证报文加上校验位后应保证“1”码元个数为偶数。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，当出错码元个数是偶数时，此法无能况下才有效，当出错码元个数是偶数时，此法无能为力。为力。中南大学信息科学与工程学院 循环冗余校验（循环冗余校验（CRC）有严密的数学结构，检错能力强、实现复杂有严密的数学结构，检错能力强、实现复杂。生成多项式生成多
26、项式:3 3、常用的、常用的纠错方式纠错方式 重发纠错方式；重发纠错方式；自动纠错方式；自动纠错方式；混合纠错方式混合纠错方式中南大学信息科学与工程学院7.2.2网络协议及其层次结构网络协议及其层次结构制定协议的目的制定协议的目的 能够支持同种和异种计算机间的互连与通信能够支持同种和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通信媒体 能够支持多种处理业务能够支持多种处理业务 能够支持高级的人机接口能够支持高级的人机接口 具有可扩充能力具有可扩充能力返回返回中南大学信息科学与工程学院OSI七层模型示意图七层模型示意图(各层的含义见书各层的含义见书P222)应应用用层层表表示示层层
27、会会话话层层传传输输层层网网络络层层物物理理层层数据链路层数据链路层逻辑链路控制层（逻辑链路控制层（LLC）介质存取控制层（介质存取控制层（MAC）网络协议采用分层设计的方法网络协议采用分层设计的方法中南大学信息科学与工程学院应用层应用层物物理理网网络络信息或流信息或流数数据据报报(UDP)数据段数据段(TCP）IP数据报数据报数据分组或帧数据分组或帧应用层应用层传输层传输层传输层传输层网际层网际层网际层网际层网络接口网络接口网络接口网络接口基于基于Internet传输的数据流传输的数据流中南大学信息科学与工程学院 每层完成不同的功能，可在层间进行通信传输每层完成不同的功能，可在层间进行通信传
28、输信息。信息。OSIOSI中的层间通信具有两种含义中的层间通信具有两种含义:相邻层之间的通信：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。则）发生联系。对等层之间的通信：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和服务的提供。标准中利用定
29、义协议来规定对等层之间的交换信息格式和交换时序间的交换信息格式和交换时序中南大学信息科学与工程学院7.3分散型控制系统分散型控制系统(DCS)7.3.1DCS概述概述7.3.2DCS的分散过程控制级的分散过程控制级7.3.3DCS的集中操作监控级的集中操作监控级7.3.4DCS的综合信息管理级的综合信息管理级返回返回中南大学信息科学与工程学院7.3.1DCS概述概述集集散散控控制制系系统统(DCS)，亦亦称称分分散散型型控控制制系系统统或或分分散散型型综综合合控控制制系系统统(TDCS)。它它是是综综合合了了计计算算机机技技术术、通通信信技技术术、CRT显显示示技技术术和和过过程程控控制制技技
30、术术的的新新型型控控制系统。制系统。可可实实现现的的功功能能:连连续续控控制制、批批量量控控制制、逻逻辑辑顺顺序序控制、数据采集等功能控制、数据采集等功能设设计计原原则则是是分分散散控控制制(危危险险分分散散)、集集中中操操作作、综合管理综合管理(分级管理分级管理)、分而自治。、分而自治。返回返回中南大学信息科学与工程学院一、一、DCS的发展过程的发展过程自自1975年第一套集散系统年第一套集散系统TDC2000诞生至诞生至今，随着微型计算机技术，特别是数据通信技术今，随着微型计算机技术，特别是数据通信技术的发展与应用，集散系统的能力与结构也在不断的发展与应用，集散系统的能力与结构也在不断地发
31、展与变化，其中大体经历了三个阶段。地发展与变化，其中大体经历了三个阶段。1.第一代集散系统的基本结构第一代集散系统的基本结构第一代集散系统始于第一代集散系统始于1975年，其基本结构如年，其基本结构如图所示，主要由图所示，主要由5大部分组成：现场控制站、现大部分组成：现场控制站、现场监视站、场监视站、CRT操作站、监控计算机、高速数据操作站、监控计算机、高速数据通道。通道。中南大学信息科学与工程学院第一代集散系统的基本结构中南大学信息科学与工程学院(1)现现场场控控制制站站：亦亦称称过过程程控控制制单单元元(PCU)、现现场场控制单元控制单元(FCU)或基本控制器或基本控制器(BC)。它它是是
32、集集散散系系统统的的基基本本部部件件，一一般般由由微微处处理理器器、存存储储器器、模模拟拟量量和和数数字字量量I/O接接口口、电电源源、通通信信接接口口及及内内部部总总线线组组成成。通通常常有有十十几几到到几几十十种种标标准准控控制制算算法法固固化在化在ROM中，供组态时选用。中，供组态时选用。第第一一代代PCU主主要要完完成成对对一一个个或或多多个个回回路路的的控控制制功功能，它使集散系统获得了分散控制的能力。能，它使集散系统获得了分散控制的能力。(2)现现场场监监视视站站：亦亦称称过过程程接接口口单单元元(PIU)、数数据据采集单元采集单元(DAU)或现场监视单元。或现场监视单元。其其主主
33、要要作作用用是是采采集集及及处处理理非非控控制制参参数数，并并通通过过数数据据通通道道将将采采集集到到的的数数据据送送到到操操作作站站和和上上位位机机。它它使使集集散散系系统统获获得得了了分分散散数数据据采采集集与与处处理理的的能能力力。有有些些系统将系统将PCU和和DAU放在一个单元中。放在一个单元中。中南大学信息科学与工程学院(3)CRT操作站：操作站：它它是是系系统统中中最最主主要要的的人人机机接接口口，主主要要由由微微处处理理器器、存储器、存储器、CRT显示器、操作键盘及打印机组成，显示器、操作键盘及打印机组成，主主要要完完成成以以系系统统生生成成、维维护护为为主主的的工工程程功功能能
34、，以以监监视视、运运行行、维维护护为为主主的的操操作作功功能能，以以及及与与PCU和和上位机交换信息的通信功能。上位机交换信息的通信功能。(4)监监控控计计算算机机：它它是是系系统统的的主主计计算算机机，亦亦称称上上位位机机(HighLevelComputer)，能能综综合合处处理理和和管管理理整整个系统的信息。个系统的信息。中南大学信息科学与工程学院(5)高速数据通道高速数据通道(DHW，DataHighWay)：亦亦称数据高速公路或总线，是系统的通信命脉，一般称数据高速公路或总线，是系统的通信命脉，一般由通信电缆和高速通道控制器由通信电缆和高速通道控制器(HTD，HighWayTraffi
35、cDirector)组成。组成。PCU、DAU、CRT、上位机等之间的信息交上位机等之间的信息交换均由换均由HTD控制，通过控制，通过DHW进行。进行。第一代集散系统主要是为克服集中式计算机第一代集散系统主要是为克服集中式计算机直接数字控制系统的不足而产生的，因此其主要的直接数字控制系统的不足而产生的，因此其主要的技术特征体现在技术特征体现在分散控制上。其集中显示和操作更上。其集中显示和操作更复杂也更先进。但由分散控制而引入的数据通信手复杂也更先进。但由分散控制而引入的数据通信手段则处于较低级阶段。段则处于较低级阶段。中南大学信息科学与工程学院第一代集散系统的典型产品有：第一代集散系统的典型产
36、品有：美国霍尼维尔公司的美国霍尼维尔公司的TDC2000(TotalDistributedControl)、泰勒公司的泰勒公司的MOD、贝利公司的贝利公司的Network90，过程系统有限公司的过程系统有限公司的MICON、福克斯波罗公司的福克斯波罗公司的Spectrum，日本东芝公司的日本东芝公司的TOSDIC、日立公司的日立公司的UNITROL、横河公司的横河公司的CENTUM英国肯特公司的英国肯特公司的P4000等。等。中南大学信息科学与工程学院2.第二代集散系统的基本结构第二代集散系统的基本结构20世世纪纪80年年代代始始，由由于于大大规规模模集集成成电电路路及及网网络络技技术术的的发
37、发展展带带动动了了集集散散系系统统的的发发展展，使使其其在在性性能能和和规模上都有所进步，从而形成了第二代集散系统。规模上都有所进步，从而形成了第二代集散系统。第二代集散系统的基本结构如图所示，第二代集散系统的基本结构如图所示，其其主主要要结结构构特特征征是是以以局局部部网网络络为为主主干干，系系统统中中各各单单元元都都看看作作是是网网络络节节点点工工作作站站。局局部部网网络络节节点点又又可挂接桥或网间连接器分别与同网或异网连接可挂接桥或网间连接器分别与同网或异网连接。第第一一代代系系统统只只是是通通过过桥桥或或网网间间连连接接器器接接入入第第二二代系统局部网络上的子系统代系统局部网络上的子系
38、统。中南大学信息科学与工程学院第二代集散系统基本结构中南大学信息科学与工程学院第二代集散系统的主要组成部分如下：第二代集散系统的主要组成部分如下：(1)局局部部网网络络：又又称称局局域域网网(LAN)。它它由由传传输输介介质质(如同轴电缆、双绞线或光导纤维等如同轴电缆、双绞线或光导纤维等)和节点组成。和节点组成。各各公公司司产产品品局局部部网网的的取取名名不不同同，且且网网络络结结构构及及通通信信协协议议也也不不尽尽相相同同。如如霍霍尼尼维维尔尔公公司司的的TDC3000系系统统取取名名为为局部控制网络，横横河河公公司司的的NEWCENTUM系统取名为系统取名为HF总线。(2)节节点点工工作作
39、站站:特特指指过过程程控控制制站站。比比第第一一代代集集散散系系统的控制单元具有更完善的控制功能和通信功能。统的控制单元具有更完善的控制功能和通信功能。(3)中中央央操操作作站站:它它由由微微机机、显显示示器器、键键盘盘、打打印印机机等等组组成成，是是全全系系统统的的人人机机接接口口，可可完完成成对对整整个个系系统统的的信息进行综合、管理。信息进行综合、管理。中南大学信息科学与工程学院(4)系统管理站：亦称系统管理模件系统管理站：亦称系统管理模件(SMM，SystemManagementModule)。为了加强全系统的管为了加强全系统的管理功能，有些集散系统在网络中加上了专门用来配理功能，有些
40、集散系统在网络中加上了专门用来配合主计算机和中央操作站进行系统管理的系统管理合主计算机和中央操作站进行系统管理的系统管理模件，如历史模件模件，如历史模件(HM，HistoryModule)、应用模件应用模件(AM，ApplicationModule)，计算模件计算模件(CM，CalculateModule)等，等，未采用硬件系统管理单元的第二代集散系统一未采用硬件系统管理单元的第二代集散系统一般应用高性能管理软件来实现同样功能。般应用高性能管理软件来实现同样功能。(5)主主计计算算机机:亦亦称称管管理理计计算算机机。它它应应是是具具有有较较强强运运算算和和管管理理功功能能的的计计算算机机，一一
41、般般为为小小型型机机。无无主主机机集散系统则应该加强中央操作站与节点工作站功能。集散系统则应该加强中央操作站与节点工作站功能。中南大学信息科学与工程学院(6)网关网关:(GW,GateWay)，它它是是LAN与与其其他他子子系系统统网网络络(如如第第一一代代集集散散系系统统的的DHW)或或其其他他工工业业网网络络(如如可可编编程程控控制制器器PLC网网络络)的的接接口口装装置置，起起着着通通信信接接转转器器、协协议议翻翻译译及及系系统统扩扩展器的作用。展器的作用。第第二二代代集集散散系系统统的的主主要要技技术术特特征征：引引入入局局部部网网和和管理模件；引入或加强了批量控制功能。管理模件；引入
42、或加强了批量控制功能。第二代集散系统的典型代表有：第二代集散系统的典型代表有：霍尼维尔公司的霍尼维尔公司的TDC3000，东芝公司的东芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的泰勒公司的MOD3000，贝利公司的第二代贝利公司的第二代Network90，利兹公司的利兹公司的MAX1等。等。中南大学信息科学与工程学院3.第三代集散系统的基本结构第三代集散系统的基本结构网网络络技技术术特特别别是是局局部部网网络络标标准准化化的的发发展展带带动动了了集散系统的进步，集散系统的进步，第三代集散系统的主要变化是第三代集散系统的主要变化是在在 局局 部部 网网 络络 中中 采采 用用 了
43、了 MAP(ManufacturingautomationProtocal，制制造造自自动动化化协协议议)，解解决决了了第第二代集散系统各公司产品相互不能兼容的缺点。二代集散系统各公司产品相互不能兼容的缺点。系系统统的的智智能能化化进进一一步步向向现现场场延延伸伸，采采用用了了智智能能变变送送器器(SmartTransmitter)，并并通通过过现现场场总总线线(FB，Fieldbus)与与PCU或或LAN的节点相连。的节点相连。由由于于工工业业局局部部网网的的标标准准化化协协议议尚尚未未完完全全成成熟熟，因因此此第第三三代代集集散散系系统统仍仍处处在在发发展展初初期期，其其基基本本结结构构如
44、图所示。如图所示。中南大学信息科学与工程学院第三代集散系统的基本结构中南大学信息科学与工程学院4.集成式集散系统的基本结构集成式集散系统的基本结构系系统统集集成成就就是是将将以以微微处处理理器器为为基基础础的的各各类类数数字字设设备备(如如PCU、DAU、CRT、GW等等)统统一一连连接接在在数数据据总总线线DHW或或局局部部网网络络LAN上上，构构成成所所谓谓的的集集成成式式分分散系统散系统(IDS，IntegratedDistributedSystem)。微微处处理理、智智能能仪仪表表及及通通信信技技术术的的发发展展，使使这这种种系系统统成成为为可可能能。在在国国外外已已经经出出现现了了许
45、许多多专专营营IDS系系统统的的公司。公司。IDS系统的基本结构如图所示。系统的基本结构如图所示。中南大学信息科学与工程学院集成式集散系统的基本结构集成式集散系统的基本结构中南大学信息科学与工程学院现阶段典型现阶段典型DCSDCS产品有产品有HoneywellHoneywell霍尼维尔霍尼维尔公司的公司的TDC 3000/PMTDC 3000/PMYOKAGAWA YOKAGAWA 横河公司的横河公司的Centum-XLCentum-XLFoxboroFoxboro福克斯波罗福克斯波罗公司的公司的I/A SeriesI/A SeriesTAILOR InstrumentsTAILOR Inst
46、ruments泰勒泰勒公司的公司的Mod 300Mod 300Bailey ControlBailey Control贝利公司的贝利公司的INFI-90INFI-90等等中南大学信息科学与工程学院二、典型的二、典型的DCS体系结构体系结构 DCS体系结构通常分为三级，第一级为分散过程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：间由本级的通信网络进行通信联系。体系结构如图：中
47、南大学信息科学与工程学院分散过程控制级分散过程控制级 作用：直接完成生产过程的数据采集、调节控制；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。顺序控制等功能。输入：传感器信号输入：传感器信号 输出：驱动执行机构的控制信号；输出：驱动执行机构的控制信号；主要装置：现场控制站、主要装置：现场控制站、PLC、智能调节仪、其它智能调节仪、其它测控装置。测控装置。集中操作监控级集中操作监控级 作用：操作监控，部分管理功能。对系统进行组态、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。
48、断、质量评估。主要装置：监控计算机、工程师显示操作站、操作主要装置：监控计算机、工程师显示操作站、操作员显示操作站。员显示操作站。中南大学信息科学与工程学院综合信息管理级综合信息管理级 作用：生产管理和经营管理；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、工厂自动化组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统。服务系统。通信网络系统通信网络系统 作用：传输信息；作用：传输信息；组成：通信线路及网络设备组成：通信线路及网络设备 分为低速、中速、高速网络；分为低速、中速、高速网络；中南大学信息科学与工程学院三、三、DCS的特点的特点1、硬件积木化；、硬件积木化；2、软件模块
49、化；、软件模块化；主要功能软件包括：控制软件包、操作显示软件主要功能软件包括：控制软件包、操作显示软件包、报表打印软件包等；提供若干过程控制语言。包、报表打印软件包等；提供若干过程控制语言。3、控制系统组态；、控制系统组态；含数十种常用的运算和控制模块；含数十种常用的运算和控制模块；4、通信网络的应用、通信网络的应用实现全系统的信息综合利用，资源共享，相互协实现全系统的信息综合利用，资源共享，相互协调。通过连接部件还可以与其他同类或不同类系统调。通过连接部件还可以与其他同类或不同类系统连接。连接。通信线：同轴电缆、光纤、双绞线；通信线：同轴电缆、光纤、双绞线；通信距离：十几米到几十公里；通信距
50、离：十几米到几十公里；通信速率：通信速率：1 1 100Mbps100Mbps；中南大学信息科学与工程学院5、可靠性高、可靠性高通过系统的分散结构特征，使用冗余技术、通过系统的分散结构特征，使用冗余技术、自诊断技术和可靠性元器件等手段，使系统得到自诊断技术和可靠性元器件等手段，使系统得到了极高的可靠性。其中利用率可达了极高的可靠性。其中利用率可达99.9999%，平，平均无故障时间可大于均无故障时间可大于50000h。中南大学信息科学与工程学院DCS的局限测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表，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；不同厂商的产品互不兼容，互操作性