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1、書名：集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 ISBN： 978-7-111-18838-1 作者：張岳 出版社：機械工業(yè)出版社 本書配有電子課件,教材詳情：請點擊查閱 機械工業(yè)出版社教材服務網(wǎng),集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.1 DCS的基本概念 2.2 DCS的結構組成及特點 2.3 DCS的網(wǎng)絡通信技術 2.4 DCS的網(wǎng)絡存取控制技術 2.5 DCS的組態(tài) 2.6 DCS的可靠性 2.7 DCS的常用控制算法,第2章 集散型控制系統(tǒng)（DCS）導論,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.1 DCS的基本概念,集散型控制系統(tǒng)又稱分布式控制系統(tǒng)，是計算機技術 (Comput

2、er)、通信技術(Communication)、圖形顯示技術 (CRT)、控制技術(Control)(簡稱4C技術)相融合的產(chǎn)物。 它是通過某種通信網(wǎng)絡將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師 站聯(lián)系起來，共同完成分級控制、集中管理的綜合控制系 統(tǒng)。它的基本設計思想是危險分散、控制功能分散、而操 作和管理集中。美國HoneyWell公司于1975年11月成功推出了第一套DCSTDC2000型集散控制系統(tǒng)。,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.2 DCS的結構組成及特點 2.2.1 DCS的結構組成,集散型控制系統(tǒng)的基本結構如圖2-1所示。它由過程 控制單元、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作站、監(jiān)控

3、計算機以及高速 數(shù)據(jù)通路等五部分組成。,,圖2-1 DCS的基本結構,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,過程控制單元(Process Control Unit，PCU)，又稱現(xiàn) 場控制站或基本控制器，它是DCS的核心部分。 數(shù)據(jù)采集器(Data Acquisition Unit，DAU)，又稱過程 接口單元(Process Interface Unit，PIU)， 它是為生 產(chǎn)過程中存在的非控制變量設置的采集裝置。 CRT操作站，是DCS與外界聯(lián)系的人機接口裝置。它有操 作員鍵盤和工程師鍵盤之分。 監(jiān)控計算機，又稱管理計算機(Manger Computer，MC)， 也稱上位機，

4、是DCS的主機，它綜合監(jiān)視DCS的各單元。 高速數(shù)據(jù)通路(Data HiWay，HW)，是一種具有高速通信 能力的信息總線。一般由雙絞線、同軸電纜或光導纖維 組成。,DCS的結構組成,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.2.2 DCS的特點,高可靠性 靈活的擴展性 完善的自主控制性 完善的通信網(wǎng)絡,,與一般的計算機控制系統(tǒng)相比，多層分級、合作自治 結構形式的DCS具有以下特點：,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.3 DCS的網(wǎng)絡通信技術2.3.1 計算機網(wǎng)絡的定義,計算機網(wǎng)絡是將地理位置不同，而且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)，通過通信設備和線路將它們連接起來，

5、由功能完善的網(wǎng)絡軟件(網(wǎng)絡協(xié)議、信息交換方式、控制程序和網(wǎng)絡操作系統(tǒng))實現(xiàn)網(wǎng)絡資源(硬件、軟件、信息)共享的系統(tǒng)。 從所覆蓋的地域范圍大小來分類，計算機網(wǎng)絡可劃分為遠程網(wǎng)、局部網(wǎng)和分布式多處理機三類。遠程網(wǎng)的傳輸距離可達數(shù)千米以上，分布式多處理機的傳輸距離僅限于幾米以內(nèi)，而局部網(wǎng)的傳輸距離介于兩者之間，約幾百米到幾千米。,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.3.2 網(wǎng)絡結構及其特點,計算機網(wǎng)絡結構就是“拓撲結構”。它是指網(wǎng)絡的節(jié)點與主機之間實現(xiàn)互連的方式，如圖 2-2所示。其中方框代表網(wǎng)絡中的計算機，又稱主機；圓圈代表主機與通信線路之間的接口，又稱節(jié)點；節(jié)點之間的通信線路稱為

6、通信鏈路。通常把節(jié)點和通信鏈路的集合統(tǒng)稱為通信子網(wǎng)，而把所有主機統(tǒng)稱為資源子網(wǎng)。,圖2-2 計算機網(wǎng)絡,,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,通信子網(wǎng)分為點對點子網(wǎng)和廣播子網(wǎng)兩種。 點對點子網(wǎng)的特點：每一條通信鏈路只連接一對節(jié)點。點對點子網(wǎng)又稱存儲轉發(fā)子網(wǎng)。點對點子網(wǎng)的拓撲結構主要有全連接、星形連接、環(huán)形連接、樹形連接以及不規(guī)則連接等形式，如圖2-3所示。,通信子網(wǎng)----點對點子網(wǎng),圖2-3 點對點子網(wǎng)拓撲結構,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,圖2-4 廣播子網(wǎng)拓撲結構,,通信子網(wǎng)----廣播子網(wǎng),廣播子網(wǎng)的特點：所有節(jié)點共享單一的通信媒體，任何一個節(jié)點發(fā)出的信

7、息都能直接被所有節(jié)點接收到，而不需經(jīng)過中間節(jié)點的轉接，又稱多點共享。廣播子網(wǎng)有無線和有線兩種傳播方式。其中總線網(wǎng)和環(huán)形總線網(wǎng)是有線廣播子網(wǎng)的常見拓撲結構，如圖2-4所示。,集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線 高職高專 ppt 課件,2.3.3 通信介質(zhì),通信介質(zhì)又稱傳輸介質(zhì)或信道，是指連接網(wǎng)上各節(jié)點 之間的物理信號通路。常見的通信介質(zhì)有雙絞線、同軸電 纜和光纜三種。圖2-5所示為部分通信介質(zhì)。 1.雙絞線把兩根平行導線按一定節(jié)距絞合在一起， 外面包裹金屬箔屏蔽層的信號線稱為雙絞線，如圖2-5a所 示。 2.同軸電纜由內(nèi)導體、用于固定內(nèi)導體的電介質(zhì)絕 緣層、外屏蔽導體和外絕緣層構成。如圖2-5

8、b所示。 3.光纜 光纜的內(nèi)芯是由兩層折射率不同的SiO2拉制 而成的光導纖維，外面敷有一層覆層，在覆層外面也有一 層光導纖維。如圖2-5c所示。,圖2-5 通信介質(zhì),,a）雙絞線,b）同軸電纜,c）光纜,2.3.4 數(shù)據(jù)通信,通信的目的就是傳輸信息(如語言、文字、數(shù)碼、符 號、圖像等)。傳輸信息的實體就是數(shù)據(jù)，它分為數(shù)字數(shù) 據(jù)和模擬數(shù)據(jù)兩種。傳輸數(shù)據(jù)的載體稱為信號，它分為模 擬信號和數(shù)字信號。信息的傳送有4種組合形式，分別為：,模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳送 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號傳送 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送,數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送,常用的實現(xiàn)數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送的3種編碼方

9、式是不歸零制編 碼(NRZ)、曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼，如圖2-7 所示。 不歸零制編碼是利用低電平表示二進制數(shù)“0”、高電平表示二進制 數(shù)“1”來實現(xiàn)對數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼。 曼切斯特編碼又稱為歸零制編碼（RZ），它是在每一位二進制代 碼（又稱為碼元）的中間有一個跳變。例如由低電平跳到高電平表示 數(shù)字“0”，由高電平跳到低電平表示數(shù)字“1”，接收端可以依據(jù)跳變信號 來同步，并分離出數(shù)字信號； 差分曼切斯特編碼的編碼規(guī)則是：若碼元為“1”，則其前半個碼元 的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；若碼元為“0”，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相

10、反。,數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送,,圖2-7 數(shù)字信號的編碼,2.3.5 數(shù)據(jù)傳輸中的差錯控制,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本任務就是高效、無差錯地傳送數(shù)據(jù)，但任何傳輸信道（或傳輸過程）都會存在一定程度的噪聲或干擾，導致接收端收到的二進制數(shù)據(jù)序列R與發(fā)送端發(fā)送出來的二進制數(shù)據(jù)序列C不一致，即產(chǎn)生“差錯”。 引起差錯的噪聲有兩類：一類是由分子熱運動引起的白噪聲；另一類是由來自各種電磁干擾引起的沖擊噪聲。 為了實現(xiàn)無差錯通信，DCS采用信息冗余技術，以提高檢錯和糾錯能力。在數(shù)據(jù)通信中，利用抗干擾編碼實現(xiàn)差錯控制的基本方式有：自動糾錯、檢錯重發(fā)以及二者混合糾錯(簡稱HRC)?？垢蓴_編碼是常見的糾錯和差錯控制方法

11、。常用的抗干擾編碼有：奇偶檢驗碼，循環(huán)冗余碼。,抗干擾編碼,奇偶檢驗碼 它是最簡單的檢錯碼，其編碼規(guī)則是把 要傳送的數(shù)據(jù)碼元分成組，在每組二進制數(shù)據(jù)后面加 一位校驗位（又稱為奇偶檢驗位），校驗位的碼元和 要傳送的數(shù)據(jù)碼元中的“1”的個數(shù)相等。若為偶數(shù)時叫 偶校驗；“1”的個數(shù)若為奇數(shù)時叫奇校驗。 循環(huán)冗余碼 (Cyclic Redundancy Check，CRC)簡稱循 環(huán)碼，它的檢錯能力相當強，是DCS中最常用的糾錯碼。,系統(tǒng)循環(huán)碼的生成步驟,設某k位信息碼為 ，其相應 的多項式為： 將 兩邊分別乘以 ，得到 利用余式定理，上式可寫成 式中， 和 分別為多項

12、式 除以多項式 后的商式和余式。,,,,,,,,,,,因為生成多項式的次數(shù)是 ，所以 的次數(shù)必 為 或小于 ，即： 因此，由 生成的循環(huán)碼中的一個碼多項式，記為 對應的二進制循環(huán)碼為 式中， 為 個信息位， 為 個校驗位。,,,,,,系統(tǒng)循環(huán)碼的生成步驟,【例2-1】已知信息碼 ，設采用的生成多項式為 ，求生成（7，3）循環(huán)冗余碼。,解： 已知信息碼 ，對應的多項式 ，生成多 項式 ，為了獲得循環(huán)冗余碼，將多項式 乘以 （這里 ）成為 ，再除以生成多 項式 。 經(jīng)過計算得余式 ，于是循環(huán)

13、冗余碼多項式為 對應的二進制循環(huán)冗余碼為1010011。,,,,,,,,,,,【例2-1】 （續(xù)）,2.3.6 信道極限傳輸能力,,,,,一般來說，信道極限傳輸能力與頻帶寬度、信噪比和信號調(diào)制方 式有關，信道頻帶越寬或信噪比越高，傳輸能力就越強。目前，調(diào)制 方式所產(chǎn)生的的影響只能用經(jīng)驗公式表示。 1.無噪聲信道上的最高數(shù)據(jù)傳輸速率 如果一個無噪聲信道的頻帶寬度為H(Hz)，信道上傳輸?shù)男盘栍?V個離散電平組成，則在這個信道上最高數(shù)據(jù)傳輸速率為 2.噪聲信道上的最高數(shù)據(jù)傳輸速率 實際信道通常具有噪聲，噪聲信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為 式中, 為信號的信噪比，與信號使用的電平等級無關；

14、 仍為 頻帶寬度（Hz）。,【例2-2】已知數(shù)據(jù)傳送的信噪比為10，頻帶寬為3kHz，試 求無噪聲與有噪聲信道上的極限傳輸能力。,解：第一種情況：無噪聲信道上的極限傳輸能力 由題意可知，頻帶寬度為3kHz，信道上傳送的信號假設為2個離散的電平，則 bit/s,,,第二種情況：有噪聲信道上的極限傳輸能力 由題意可知，數(shù)據(jù)傳送的信噪比為10，頻帶寬度為3kHz，則 bit/s,信道極限傳輸能力,3. 信號調(diào)制技術對極限傳輸能力的影響 信號調(diào)制技術對信道最高數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，可以用 下式表示 式中，H為頻帶寬度(Hz)；k為頻帶效率，

15、反映調(diào)制技術影 (bitHz/s)，它的經(jīng)驗值為 調(diào)頻：0.5-1.7 二相制調(diào)相：0.9 四相制調(diào)相：1.8 八相制調(diào)相：2.5-3,2.3.7 DCS的通信網(wǎng)絡特點,DCS的通信網(wǎng)絡將工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站連接起來，以達到危險分散、控制功能分散、顯示與管理集中的工業(yè)控制目的，因此，它與一般辦公室用的局部網(wǎng)絡有區(qū)別，主要由以下特點：,實時響應能力 高可靠性 適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境 分層結構,2.3.8 DCS的通信網(wǎng)絡協(xié)議,,由于DCS的生產(chǎn)廠家不同，型號也不一定相同，在硬件和軟件上的差異給通信帶來許多困難。所以，必須有一套使網(wǎng)絡全體“成員”共同遵守的“約定”，以便實現(xiàn)彼此通信和共享

16、資源，這就是人們常說的網(wǎng)絡協(xié)議。常用的DCS通信網(wǎng)絡協(xié)議有：,開放系統(tǒng)互連參考模型(The Reference Model of Open System Interconnection，OSI） IEEE802標準 制造業(yè)自動化通信協(xié)議 (Manufactured Automation Protocol，MAP) 過程數(shù)據(jù)高速公路協(xié)議 (Process Data HiWay：PROWAY),2.4 DCS的網(wǎng)絡存取控制技術,在DCS中，常用的存取訪問控制技術有： 1.輪詢(Poll) 2.令牌傳送(Token Passing) 3.帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問 (Carrier S

17、ense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD),2.4.1 輪詢(Poll),輪詢主要適用于集中控制的網(wǎng)絡（如星形網(wǎng)、樹形網(wǎng)和有總線控制器的總線網(wǎng)），在DCS中稱為1對n的控制方 式。圖2-10表示輪詢的工作過程。 輪詢的優(yōu)點是結構簡單，網(wǎng)絡訪問分配情況可以預先 確定；它的缺點是訪問速度慢，可靠性差等。,圖2-10 輪詢工作過程,2.4.2 令牌傳送(Token Passing),令牌傳送適用于環(huán)形網(wǎng)或在邏輯序列上將節(jié)點連接成環(huán)的總線網(wǎng)。在采用廣播方式的DCS中稱為n對n的控制方式。它是由環(huán)上有一個稱為令牌的信息包沿環(huán)中各節(jié)點依次

18、傳送信息的。該令牌有空、忙兩種狀態(tài)。圖2-11歸納了上述令牌傳送的工作過程。 令牌傳送的優(yōu)點是不需要網(wǎng)絡控制器，網(wǎng)絡訪問分配情況可以預先確定，所以它適用于大型總線網(wǎng)絡系統(tǒng)；它的缺點是當令牌丟失或信息包在環(huán)上無限制地循環(huán)時，必須由指定的監(jiān)視節(jié)點向網(wǎng)絡中注入一個新令牌或?qū)⑿畔废?,a) b) c) d) 圖2-11 令牌傳送的工作原理,2.4.3 帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問 (CSMA/CD),,帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問技術適用于總線網(wǎng)。由于接在總線上的各個站共享一條廣播式的傳輸線，為防止信息在傳輸線上發(fā)生“碰撞”的情況，可以采用“先聽后講，邊

19、講邊聽”的辦法，即CSMA/CD技術。CSMA/CD工作原理如圖2-12 所示。 這種方法的優(yōu)點是網(wǎng)絡結構簡單，易實現(xiàn)，可靠性高，允許節(jié)點迅速地訪問通信網(wǎng)絡；它的缺點是通信響應時間不確定，如果網(wǎng)絡分布區(qū)域較廣，則通信效率會降低。,,圖2-12 CSMA/CD工作原理,2.5 DCS的組態(tài),,DCS的組態(tài)（configure）就是根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，確定DCS的規(guī)模和具體組成，形成一個完整的控制方案的設計過程。正確組態(tài)涉及到系統(tǒng)的正確設計。 DCS的組態(tài)功能一般包括以下兩方面：,硬件組態(tài)（又稱系統(tǒng)配置） 軟件組態(tài),2.5.1 DCS硬件組態(tài),,DCS硬件組態(tài)實際上是完成系統(tǒng)設備間的軟連接，它

20、是先選擇硬件設備，然后在顯示器上完成系統(tǒng)硬件的配置 ，也就是硬件系統(tǒng)的建立（setup）問題，它包括以下幾方面的內(nèi)容：工程師站的選擇（包括機型、顯示器尺寸、內(nèi)存、硬盤容量、打印機等）；操作員站的選擇（包括操作員站的個數(shù)和操作員站的配置，如顯示器尺寸及是否采用雙屏、主機型號、內(nèi)存配置、磁盤容量的配置、打印機的臺數(shù)和型號等）；現(xiàn)場控制站的選擇（包括現(xiàn)場控制站的個數(shù)、地域分布、每個現(xiàn)場控制站中所配的各種模板的種類及塊數(shù)、電源的選擇等）。 硬件配置一般視現(xiàn)場具體要求而定。,2.5.2 DCS軟件組態(tài),,DCS軟件組態(tài)包括畫面組態(tài)和控制組態(tài)。 畫面組態(tài)主要完成操作員站上的各種畫面、畫面間連接。

21、控制組態(tài)是指控制系統(tǒng)軟件的生成，包括基本配置組態(tài)和應用軟件的組態(tài)?；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個配置信息，采用面向問題的語言；應用軟件的組態(tài)采用功能塊語言，即把常用的運算功能、信號交換功能、PID控制功能及其他功能所對應的程序預先固化成ROM中的各種模塊，然后用最簡單的編程語言或圖上作業(yè)方法，將這些模塊進行軟連接，構成各種控制系統(tǒng)的應用軟件，這類應用軟件主要用于現(xiàn)場控制層。,2.5.3 DCS組態(tài)方法,,DCS的組態(tài)方法大致可分為兩種。 1.填表格法或功能圖法 填表格法是用戶根據(jù)生產(chǎn)過程要求，在DCS制造商提供的、用于組態(tài)的表格上采用菜單方式，逐行填入相關參數(shù)，完成相應組態(tài)工作的方法。實現(xiàn)這種組

22、態(tài)的語言是面向問題的語言。功能圖法主要用于功能塊的選擇，填寫功能參數(shù)，通過軟連接實現(xiàn)組態(tài)功能，這一組態(tài)過程也叫功能塊語言，屬于DCS組態(tài)語言的一種。 2.編程法 編程法是采用廠商提供的編程語言或允許采用的高級語言編制程序，輸入組態(tài)信息，用C語言等在管理層編制優(yōu)化管理軟件等。高級語言是DCS組態(tài)語言的一種。,2.6 DCS的可靠性,,DCS的可靠性主要體現(xiàn)在以下5個方面： DCS的分散結構 主要體現(xiàn)在結構分散化、功能和地域分散化、負荷分散化和數(shù)據(jù)庫分散化。 DCS的冗余化結構 采用冗余化結構的方法有：用多重化構成的自動備用方式，手動備用方式。 DCS的高可靠性通信系統(tǒng) DCS的程序化自診斷

23、功能 DCS的軟、硬件的可靠性,2.7 DCS的常用控制算法,,串級控制 是在單回路單參數(shù)控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。 前饋控制 是對擾動量或給定值的變化按補償原理進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)，是在不變性原理的基礎上發(fā)展成的。 SMITH預估補償控制 是克服大時間滯后系統(tǒng)的主要方法之一。 超弛控制 特點是若干個控制器共用一個執(zhí)行器，其中一臺控制器處于正常工作狀態(tài)，另一臺處于待命備用狀態(tài)。 順序控制 是按照預先規(guī)定的順序(邏輯關系)，逐步對各階段進行信息處理的控制方法。分為時間順序、邏輯順序和條件順序控制三類。 自適應控制 是建立在系統(tǒng)數(shù)學模型參數(shù)難以確定的基礎上的，其結構形式包括簡單自適應控制系統(tǒng)、參考模型自適應控制系統(tǒng)和自校正控制系統(tǒng)等。,本章小結,本章圍繞“控制與管理集中，功能與危險分散”的設計思想，著重介紹了集散型控制系統(tǒng)的基本概念、結構組成及其特點，充分體現(xiàn)了集散型控制系統(tǒng)是以4C技術為基礎，采用分級、逐層的控制結構，實現(xiàn)計算機過程控制為目的。 圍繞集散型控制系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡技術，介紹了數(shù)據(jù)通信的基礎知識及通信數(shù)據(jù)存取控制技術。重點掌握計算機網(wǎng)絡的結構特點、數(shù)據(jù)通信過程中差錯控制的幾種方法以及信道傳輸能力的計算。并介紹了幾種常用網(wǎng)絡協(xié)議的內(nèi)涵及數(shù)據(jù)存取方式的工作原理。 簡要介紹了集散型控制系統(tǒng)的軟件組態(tài)、可靠性問題、常用的幾種控制技術以及其基本工作原理和典型應用。,