第7章分散型测控网络技术解析课件.ppt

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7.1.4 RS-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

2、通信的基础知识Basis of Data CommunicationBasis 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 任何一个通信系统都可以借助如图所示的通信任何一个通信系统都可以借助如图所示的通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 出 数 据输 出 数 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

3、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入数据输入数据或 信 号或 信 号d(t)发 送 信发 送 信号号 s(t)接收信接收信号号 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

4、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，0 1 0 0 1（b）数字信号）数字信号 t u传输信号示意图传输信号示意图（a）模拟信号）模拟信号 t u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(Amplitude Shift Keying）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F

5、SK(Frequency Shift Keying)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(Phase Shift Keying）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

6、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，再传输，则先用信号调制不同的高频率的载波，再传输，则称为称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

7、与异步传输同步传输与异步传输 同步传输：同步传输：发送端一边发送数据位，一边发送发送端一边发送数据位，一边发送同步时钟，接收端根据发送端发送来的同步时钟接同步时钟，接收端根据发送端发送来的同步时钟接收数据位，即发送端与接收端的两个时钟是同步的。收数据位，即发送端与接收端的两个时钟是同步的。时钟信号通过一根信号线传送；时钟信号通过一根信号线传送；通过将信息中通过将信息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。异步传输：异步传输：异步通信中，发送的每一个数据字异步通信中，发送的每一个数据字符均带有起始位、停止位和可选择的奇偶校验位，符均带有起始位、停止位和可选择

8、的奇偶校验位，不发送同步时钟，接收端根据双方事先约定的时间不发送同步时钟，接收端根据双方事先约定的时间（波特率）进行接收，即发送时钟与接收时钟不同（波特率）进行接收，即发送时钟与接收时钟不同步。步。串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

9、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进行传输，以提高效率。频分多路复用频分多路复用 把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每条小频段都可以看作是一条子信道。常用段，每条小频段都可以看作是一条子信道。常用于频带传输。于频带传输。时分多路复用时分多路复用 信道的传输时间分割成许多时间段，供不同信道的传输时间分割成许多时间段，供不同的信号使用，这种方法接收端与发送端的时序必的信号使用，这种方法

10、接收端与发送端的时序必须严格同步。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：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。双绞线双绞线：由相互绝缘的线绞合在一起构成。传：由相互绝缘的线绞合在一起构成。传输速率较低，抗干扰能力差，只适用小容量局输速率较低，抗干扰能力差，只适用小容量局域网。域网。同轴电缆同轴电缆：由同轴的两个导体构成，外导体起：由同轴的两个导体构成，外导体起屏蔽作用，内导体传递信号，是目前最常采用屏蔽

11、作用，内导体传递信号，是目前最常采用的媒质。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

12、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）采用单端驱动非差分接收电路，单线传输信号，采用单端驱动非差分接收电路，单线传输信号，以地线作为信号回路。以地线作为信号回路。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；VV12/15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（2

13、5针、针、9针等针等传输传输方案）；方案）；每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一个信号地；个信号地；接口采用不平衡的发送器和接收器，信号和地接口采用不平衡的发送器和接收器，信号和地线上的干扰迭加，影响接收信号。（地电平波动的线上的干扰迭加，影响接收信号。（地电平波动的影响）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-232RS-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

14、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

15、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RXDTXDRTSCTSDSRGNDCDDTR234567820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 2、RS-423ARS-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

16、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3、RS422A标准标准 RS422A构成构成 采用平衡驱动差分接收采用平衡驱动差分接收电路，如图。电路，如图。驱动器：驱动器：MC3487MC3487发送器发送器 接收器：接收器：MC3486MC3486；RS-422采用采用全双工通信全双工通信，每个通道要用二条信号线，每个通道要用二条信号线，只能有一个发送器，可以有多个接收器，因此通常采用只能有一个发送器，可以有多个接收器，因此通常采用点对点通讯方式。点对点通讯方式。传输过程：传输过程：通过传输线驱动器，把逻辑电平

17、变换通过传输线驱动器，把逻辑电平变换 成电位差，完成始端的信息传送。成电位差，完成始端的信息传送。通过传输线接收器，把电位差转变成通过传输线接收器，把电位差转变成 逻辑电平，实现终端的信息接收。逻辑电平，实现终端的信息接收。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

18、/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 在许多工业控制和通信网络控制中，往往需要在许多工业控制和通信网络控制中，往往需要多点互连，而且在任何时刻通常只有一个主控模块（多点互连，而且在任何时刻通常只有一个主控模块（结点）发送数据，而其它模块（结点）处于接收状态结点）发送数据，而其它模块（结点）处于接收状态。

19、因而只需。因而只需半双工通信半双工通信。若采用若采用RS422A（全双工通信全双工通信），为实现两结，为实现两结点间远程通信，需要两对平衡差分传输线，如图（点间远程通信，需要两对平衡差分传输线，如图（a）所示。而采用）所示。而采用RS485（半双工通信半双工通信）只需要一对只需要一对平衡差分传输线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（采用平衡差分驱动方式：如图（b）所示。）所示。由于由于“半双工半双工”，发送器和接收器的输出，均，发送器和接收器的输出，均需由使能信号（需由使

20、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是一种多发送器的电路标准，它是是一种多发送器的电路标准，它是RS-422ARS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准性能的扩展，是真正意义上的总线标准(允许挂接允许挂接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

21、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。REDE/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）用途 两台或两台或多台多台具有具有RS232C接口的计算机系统远接口的计算机系统远距离通信，或组成分布式系统。距离通

22、信，或组成分布式系统。因为，因为，RS232C传输距离只有传输距离只有15米；抗干扰能米；抗干扰能力差。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7.2.3 IEEE 8

23、02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图计算计算机机终接终接器器 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

24、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

25、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；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

26、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、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

27、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。生成多项式生成多项式:10)()(0rAxrAxGrir其中3 3、常用的、常用的纠错方式纠错方式

28、 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OSIOSI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)P222)应应 用用 层层表表 示示 层层会会 话话 层层传

29、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据报数据报(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

30、通信传输信息。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（一准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。组规则）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等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实现和服务的提供。标准中利用定

31、义协议来规定对等层之间的交换信息格式和交换时序等层之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)7.3.1 DCS概述概述7.3.2 DCS的分散过程控制级的分散过程控制级7.3.3 DCS的集中操作监控级的集中操作监控级7.3.4 DCS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7.3.1 DCS概述概述 集散控制系统集散控制系统(DCS)，亦称分散型控制系统或亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统分散型综合控制系统(TDCS)。它是综合了计算机。它是综合了计算机技术、通信技术、技术、通信技术、CRT显示技术和过程

32、控制技术的显示技术和过程控制技术的新型控制系统。新型控制系统。可实现的功能可实现的功能:连续控制、批量控制、逻辑顺序连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能控制、数据采集等功能 设计原则设计原则是分散控制是分散控制(危险分散危险分散)、集中操作、集中操作、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

33、用，集散系统的能力与结构也在不断地发展与变化，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、高速数操作站、监控计算机、高速数据通道。据通道。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 现场控制站现场监视站CRT操作站监控计算机高速通道控制器中南大学信息科学与工程学院 (1)现场控制站：亦称过程控制单元现场控制站：亦

34、称过程控制单元(PCU)、现场、现场控制单元控制单元(FCU)或基本控制器或基本控制器(BC)。它是集散系统的基本部件，一般由微处理器、存它是集散系统的基本部件，一般由微处理器、存储器、模拟量和数字量储器、模拟量和数字量I/O接口、电源、通信接口及接口、电源、通信接口及内部总线组成。通常有十几到几十种标准控制算法固内部总线组成。通常有十几到几十种标准控制算法固化在化在ROM中，供组态时选用。中，供组态时选用。第一代第一代PCU主要完成对一个或多个回路的控制功主要完成对一个或多个回路的控制功能，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)现场监视站：亦称过程接口

35、单元现场监视站：亦称过程接口单元(PIU)、数据、数据采集单元采集单元(DAU)或现场监视单元。或现场监视单元。其主要作用是采集及处理其主要作用是采集及处理非控制参数非控制参数，并通过数，并通过数据通道将采集到的数据送到操作站和上位机。据通道将采集到的数据送到操作站和上位机。它它使集散系统获得了分散数据采集与处理的能力。有些使集散系统获得了分散数据采集与处理的能力。有些系统将系统将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：它是系统中最主要的人机接口，主要由微处理器、它是系统中最主要的人机接口，主要由微处理器、存储器、存储器、CRT显

36、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，主要完成以系统生成、维护为主的工程功能，以主要完成以系统生成、维护为主的工程功能，以监视、运行、维护为主的操作功能，以及与监视、运行、维护为主的操作功能，以及与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)监控计算机：它是系统的主计算机，亦称上监控计算机：它是系统的主计算机，亦称上位机位机(High Level Computer)，能综合处理和管理整，能综合处理和管理整个系统的信息。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，Data High Way)：亦：亦称数据高速公路或

37、总线，是系统的通信命脉，一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般由通信电缆和高速通道控制器(HTD，High Way Traffic Director)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的技术特征体现在分散控制上。其集中显示和操上。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作

38、更复杂也更先进。但由分散控制而引入的数据通信手段则处于较低级阶段。通信手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品有：美国霍尼维尔公司的美国霍尼维尔公司的TDC2000(Total Distributed Control)、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。

39、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世纪世纪80年代始，由于大规模集成电路及网络年代始，由于大规模集成电路及网络技术的发展带动了集散系统的发展，使其在性能和技术的发展带动了集散系统的发展，使其在性能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，其主要结构特征是以局部网络为主干，系统中其主要结构特征是以局部网络为主干，系统中各单元都看作是网络节点工作站。局部网络节点又各单元都看作是网络节点工作站。局部网络节点又可挂接桥或网间连接器分

40、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。第一代系统只是通过桥或网间连接器接入第二第一代系统只是通过桥或网间连接器接入第二代系统局部网络上的子系统代系统局部网络上的子系统。中南大学信息科学与工程学院 第二代集散系统基本结构 主计算机GW第一代集散系统其 他工业网络GW中 央操作站系 统管理站GW现场过程控制站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)局部网络：又称局域网局部网络：又称局域网(LAN)。它由传输介质。它由传输介质(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。各公

41、司产品局部网的取名不同，且各公司产品局部网的取名不同，且网络结构及通网络结构及通信协议也不尽相同。信协议也不尽相同。如霍尼维尔公司的如霍尼维尔公司的TDC3000系系统取名为统取名为局部控制网络，横河公司的横河公司的NEWCENTUM系统取名为系统取名为HF总线。(2)节点工作站节点工作站:特指过程控制站。比第一代集散系特指过程控制站。比第一代集散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)中央操作站中央操作站:它由微机、显示器、键盘、打印机它由微机、显示器、键盘、打印机等组成，是全系统的人机接口，可完成对整个系统的等组成，是全系统的人机接口

42、，可完成对整个系统的信息进行综合、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，System Management Module)。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，History Module)、应用模、应用模件件(AM，Application Module)，计算模件，计算模件(CM，Calcu

43、late Module)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)主计算机主计算机:亦称管理计算机。它应是具有较强运亦称管理计算机。它应是具有较强运算和管理功能的计算机，一般为小型机。无主机集算和管理功能的计算机，一般为小型机。无主机集散系统则应该加强中央操作站与节点工作站功能。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,Gate Way)，它是它是LAN与其他子系统网络与其他子系统网络(如第一代集散系统如第一代集散系统

44、的的DHW)或其他工业网络或其他工业网络(如可编程控制器如可编程控制器PLC网络网络)的接口装置，起着通信接转器、协议翻译及系统扩的接口装置，起着通信接转器、协议翻译及系统扩展器的作用。展器的作用。第二代集散系统的主要技术特征：引入局部网和第二代集散系统的主要技术特征：引入局部网和管理模件；引入或加强了批量控制功能。管理模件；引入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Network9

45、0，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 网络技术特别是局部网络标准化的发展带动了网络技术特别是局部网络标准化的发展带动了集散系统的进步，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 在局部网络中采用了在局部网络中采用了MAP(Manufacturing automation Protocal，制造自动化协议，制造自动化协议)，解决了第，解决了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。系统的智能化进一步向现场延伸，采用了智能系统的智能化进一步向现场

46、延伸，采用了智能变送器变送器(Smart Transmitter)，并通过现，并通过现场总线场总线(FB，Fieldbus)与与PCU或或LAN的节点相连。的节点相连。由于工业局部网的标准化协议尚未完由于工业局部网的标准化协议尚未完全成熟，全成熟，因此第三代集散系统仍处在发展初期，其基本结构因此第三代集散系统仍处在发展初期，其基本结构如图所示。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DHW中 央操作站GWMAP协议LANFBPCU智能仪 表智 能变送器本地操作站主计算机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 系统集成就是将以微处理器

47、为基础的各类数字设系统集成就是将以微处理器为基础的各类数字设备备(如如PCU、DAU、CRT、GW等等)统一连接在数据总统一连接在数据总线线DHW或局部网络或局部网络LAN上，构成所谓的集成式分散上，构成所谓的集成式分散系统系统(IDS，Integrated Distributed System)。微处理、智能仪表及通信技术的发展，使这种系微处理、智能仪表及通信技术的发展，使这种系统成为可能。统成为可能。在国外已经出现了许多专营在国外已经出现了许多专营IDS系统的系统的公司。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

48、散系统的基本结构 主计算机中 央操作站管理模块GW桥PCUPCUPLCPIU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 Instruments泰勒泰勒公司的公司的Mod 300Mod 300Bailey ControlBai

49、ley 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

50、；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。诊断、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