分散型测控网络技术.ppt

第七章 分散型测控网络技术,7.1 数据通信技术7.2 工业网络技术7.3 分散型控制系统(DCS)7.4 位总线(Bitbus)通信网络技术7.5 现场总线(Fieldbus)技术,7.1 数据通信技术,7.1.1 异步传送与同步传送7.1.2 面向字符和面向位的传送7.1.3 平衡与不平衡传输技术7.1.4 RS-422/RS-485接口及应用,返回,数据通信的基础知识Basis of Data Communication 数据通信概述 数据的传输方式 多路复用技术 通讯介质,7.1.1 异步传送与同步传送,一、数据通信概述,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系统模型来抽象地进行描述。,噪声N(t),输出数据d或信号d(t),信息源,发信机,传输媒介,噪声源,收信机,受信者,通信系统模型示意框图,输入数据或信号d(t),发送信号 s(t),接收信号 r(t),数据编码 几种常见的数据编码方案见书P205,通信传输的信息 语音、图像、文字、数据等。信息的类别 连续信息 信息的状态随时间而连续变化。离散信息 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 模拟信号和数字信号。,模拟通信 以模拟信号作为载体来传输信息，数字通信 以数字信号作为载体传输信息称为数字通信，,调制 将信息转换成能在模拟信道上传输的模拟信号。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。频率调制FSK(Frequency Shift Keying)用原始脉冲信号去控制载波的频率变化。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。,三种调制信号示意图,二、数据传输方式,基带传输与频带传输 基带是指电信号所固有的频带，直接将这些电脉冲信号进行传输，就称为基带传输，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。先用信号调制不同的高频率的载波，再传输，则称为频带传输。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串行传输。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并行传输。,同步传输与异步传输 同步传输：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；通过将信息中的时钟代码化来实现，例如曼彻斯特编码。异步传输：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，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步。串行异步通信是目前常用的通讯方式。,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 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。,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。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段，每条小频段都可以看作是一条子信道。常用于频带传输。时分多路复用 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须严格同步。常用于基带传输。,四、通讯介质（媒质）,通讯介质指数据通讯中用来传递信号的媒体。有线传输介质：明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。双绞线：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，只适用小容量局域网。同轴电缆：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，是目前最常采用的媒质。光纤以光导纤维为传输媒质，以光波作为载波。,无线传输媒质：微波中继：是利用电磁波在对流层的视距范围内传输的一种通信方式，通信距离依靠中继方式延伸。卫星转接：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，由于卫星距地面很高，故可以覆盖较大通信区域,串行通信接口技术,1、RS232C（1）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，以地线作为信号回路。双极性电源供电（）。电平信号为：“1”3V。驱动器：MC1488；接收器：MC1489；,（2）RS232C的不足数据传输速率局限为20Kbps（Bit/s，波特）；传输距离局限于15m；没有标准的连接器（25针、9针等传输方案）；每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一个信号地；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。（地电平波动的影响）一台驱动器/一台接收器。,、RS-232的常用连接方法,计算机和调制解调器的连接 实现了计算机远程通信的物理层标准，在链路层及更高层协议的作用下，就可以实现计算机间的数据通信。,将两台计算机直接连接，实现快速数据通讯 让通信双方在没有调制解调器的情况下依次完成有调制解调器时的信号作用过程。,2、RS-423A标准接口,RS423A特点：规定为单端线，参考电平为地；正信号逻辑电平为200mV6V，负信号逻辑电平为-200mV-6V（逻辑“1”4V，逻辑“0”-4V)；,3、RS422A标准 RS422A构成 采用平衡驱动差分接收电路，如图。驱动器：MC3487发送器 接收器：MC3486；,RS-422采用全双工通信，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，因此通常采用点对点通讯方式。,传输过程：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。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。,（2）RS422A主要性能及优点传送速率可达100Kbps（波特）；传输距离可达1200M；（传输距离相同时,传输速率较RS422慢）。不受地电位波动和共模干扰影响(差分平衡结构)；1台驱动器/10台接收器。（最多允许）（3）传送速率与传送距离的关系12m/10Mbps；120m/1Mbps；1200m/100Kbps。,4、RS485（1）RS485标准的产生 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（结点）发送数据，而其它模块（结点）处于接收状态。因而只需半双工通信。若采用RS422A（全双工通信），为实现两结点间远程通信，需要两对平衡差分传输线，如图（a）所示。而采用RS485（半双工通信）只需要一对平衡差分传输线即可，如图（b）所示。,（2）RS485数据传输驱动方式 采用平衡差分驱动方式：如图（b）所示。由于“半双工”，发送器和接收器的输出，均需由使能信号（）控制。驱动/接收电路与RS422A基本相同。（3）RS485主要性能及优点 RS485是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准(允许挂接32台RS-485负载设备）不受地电平波动和共模干扰的影响；构成“半双工”通信方式时，传输线只需一对；32台驱动器/32台接收器；（最多允许）传输速率/传输距离为：12m/10Mbps；120m/1Mbps；1200m/100Kbps。,（4）RS485的应用 RS485多点互连系统 如图所示。,RS485环形数据链路系统如图所示。,5、RS232C/RS422A转换（1）用途 两台或多台具有RS232C接口的计算机系统远距离通信，或组成分布式系统。因为，RS232C传输距离只有15米；抗干扰能力差。远距离通信不能直接进行RS232连接。（2）连接方式如图所示。,（3）转换装置原理 在原有RS232接口上，附加一个转换装置；在两个转换装置之间，采用RS422A方式连接。,7.2 工业网络技术,7.2.1 工业网络概述7.2.2 网络协议及其层次结构7.2.3 IEEE 802标准7.2.4 工业网络的性能评价及选型,返回,7.2.1 工业网络概述,1、网络拓扑结构 网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理结构称为拓扑。局域网常见的四种基本拓扑结构：星形结构 环形结构 总线形结构 树形结构,返回,树形结构示意图,2、介质访问控制技术冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)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。令牌环(Token Ring)令牌：控制标志。适用于环形。令牌总线(Token Passing Bus)逻辑环。适用于总线形和树形。,3、信息交换技术线路交换 通过网络中的结点在两个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。通信过程：建立线路，传输数据，拆除线路。优缺点：实时性好，线路利用效率低,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。,分组交换 报文分组，分别传输，目的站拼装；数据报方法；虚电路方法。,4、差错控制技术(检验错误和纠正错误)1、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。,2、常用的校验编码方法 奇偶校验采用奇校验 报文加上校验位后应保证“1”码元个数为奇数。采用偶校验 报文加上校验位后应保证“1”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况下才有效，当出错码元个数是偶数时，此法无能为力。,循环冗余校验（CRC）有严密的数学结构，检错能力强、实现复杂。生成多项式:,3、常用的纠错方式 重发纠错方式；自动纠错方式；混合纠错方式,7.2.2 网络协议及其层次结构,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 能够支持多种通信媒体 能够支持多种处理业务 能够支持高级的人机接口 具有可扩充能力,返回,OSI七层模型示意图(各层的含义见书P222),网络协议采用分层设计的方法,应用层,物 理 网 络,数据报(UDP)数据段(TCP）,数据分组或帧,应用层,传输层,传输层,网际层,网际层,网络接口,网络接口,基于Internet传输的数据流,每层完成不同的功能，可在层间进行通信传输信息。OSI中的层间通信具有两种含义: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。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间的交换信息格式和交换时序,7.3 分散型控制系统(DCS),7.3.1 DCS概述7.3.2 DCS的分散过程控制级7.3.3 DCS的集中操作监控级7.3.4 DCS的综合信息管理级,返回,7.3.1 DCS概述,集散控制系统(DCS)，亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统(TDCS)。它是综合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和过程控制技术的新型控制系统。可实现的功能:连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能 设计原则是分散控制(危险分散)、集中操作、综合管理(分级管理)、分而自治。,返回,一、DCS的发展过程 自1975年第一套集散系统TDC2000诞生至今，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 第一代集散系统始于1975年，其基本结构如图所示，主要由5大部分组成：现场控制站、现场监视站、CRT操作站、监控计算机、高速数据通道。,第一代集散系统的基本结构,(1)现场控制站：亦称过程控制单元(PCU)、现场控制单元(FCU)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、存储器、模拟量和数字量I/O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化在ROM中，供组态时选用。第一代PCU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。(2)现场监视站：亦称过程接口单元(PIU)、数据采集单元(DAU)或现场监视单元。其主要作用是采集及处理非控制参数，并通过数据通道将采集到的数据送到操作站和上位机。它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PCU和DAU放在一个单元中。,(3)CRT操作站：它是系统中最主要的人机接口，主要由微处理器、存储器、CRT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，以监视、运行、维护为主的操作功能，以及与PCU和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，亦称上位机(High Level Computer)，能综合处理和管理整个系统的信息。,(5)高速数据通道(DHW，Data High Way)：亦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(HTD，High Way Traffic Director)组成。PCU、DAU、CRT、上位机等之间的信息交换均由HTD控制，通过DHW进行。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，因此其主要的技术特征体现在分散控制上。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段则处于较低级阶段。,第一代集散系统的典型产品有：美国霍尼维尔公司的TDC2000(Total Distributed Control)、泰勒公司的MOD、贝利公司的Network90，过程系统有限公司的MICON、福克斯波罗公司的Spectrum，日本东芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROL、横河公司的CENTUM英国肯特公司的P4000等。,2.第二代集散系统的基本结构 20世纪80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，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代系统局部网络上的子系统。,第二代集散系统基本结构,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(LAN)。它由传输介质(如同轴电缆、双绞线或光导纤维等)和节点组成。各公司产品局部网的取名不同，且网络结构及通信协议也不尽相同。如霍尼维尔公司的TDC3000系统取名为局部控制网络，横河公司的NEWCENTUM系统取名为HF总线。(2)节点工作站: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。(3)中央操作站: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信息进行综合、管理。,(4)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模件，如历史模件(HM，History Module)、应用模件(AM，Application Module)，计算模件(CM，Calculate Module)等，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。(5)主计算机: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。无主机集散系统则应该加强中央操作站与节点工作站功能。,(6)网关:(GW,Gate Way)，它是LAN与其他子系统网络(如第一代集散系统的DHW)或其他工业网络(如可编程控制器PLC网络)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。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。第二代集散系统的典型代表有：霍尼维尔公司的TDC3000，东芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的MOD3000，贝利公司的第二代Network90，利兹公司的MAX1等。,3.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集散系统的进步，第三代集散系统的主要变化是 在局部网络中采用了MAP(Manufacturing automation Protocal，制造自动化协议)，解决了第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，采用了智能变送器(Smart Transmitter)，并通过现场总线(FB，Fieldbus)与PCU或LAN的节点相连。由于工业局部网的标准化协议尚未完全成熟，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。,第三代集散系统的基本结构,4.集成式集散系统的基本结构 系统集成就是将以微处理器为基础的各类数字设备(如PCU、DAU、CRT、GW等)统一连接在数据总线DHW或局部网络LAN上，构成所谓的集成式分散系统(IDS，Integrated Distributed System)。微处理、智能仪表及通信技术的发展，使这种系统成为可能。在国外已经出现了许多专营IDS系统的公司。IDS系统的基本结构如图所示。,集成式集散系统的基本结构,现阶段典型DCS产品有Honeywell霍尼维尔公司的TDC 3000/PMYOKAGAWA 横河公司的Centum-XLFoxboro福克斯波罗公司的I/A SeriesTAILOR Instruments泰勒公司的Mod 300Bailey Control贝利公司的INFI-90等,二、典型的DCS体系结构 DCS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：,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；顺序控制等功能。输入：传感器信号 输出：驱动执行机构的控制信号；主要装置：现场控制站、PLC、智能调节仪、其它测控装置。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、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。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。,综合信息管理级 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、工厂自动化服务系统。通信网络系统 作用：传输信息；组成：通信线路及网络设备 分为低速、中速、高速网络；,三、DCS的特点1、硬件积木化；2、软件模块化；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。3、控制系统组态；含数十种常用的运算和控制模块；4、通信网络的应用 实现全系统的信息综合利用，资源共享，相互协调。通过连接部件还可以与其他同类或不同类系统连接。通信线：同轴电缆、光纤、双绞线；通信距离：十几米到几十公里；通信速率：1100Mbps；,5、可靠性高 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，使系统得到了极高的可靠性。其中利用率可达99.9999%，平均无故障时间可大于50000h。,DCS的局限,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；传统DCS的编程计算工具仍显简单；与上位机的接口硬件和规约各不相同。,四、DCS集散系统的发展方向与趋势 集散系统是随着4C技术的发展而发展起来的，因此随着科学技术的不断发展，随着工业控制领域市场的竞争与要求，集散系统的性能指标及性能价格比将进一步提高。根据目前的发展趋势，系统近期将着重在以下几个方面得到改进和完善：(1)操作性能进一步提高，操作、管理、组态、开发将更加方便。软件更加丰富，各种高性能的控制管理软件，特别是人工智能专家系统，如人工智能(AI，Artificial Intelli Gence)在集散控制系统中得到广泛应用。,(2)加强网络标准，统一通信规程，加上现场总线的规格化，系统硬件、软件的标准化，形成开放型的集散系统。另外，网络的开发应用也会使集成式集散系统得到发展。(3)系统规模在向大的方向发展的同时也向小规模系统发展。基本控制单元也将向小回路甚至单回路的方向发展。可编程控制器成为集散系统的一个节点。继集散系统后的新的控制网络现场总线，它比集散系统有更广阔的应用前景。,传统DCS控制系统,DCS的分散过程控制级，直接与生产过程现场的 传感器、变送器、执行机构、电气开关连接，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测控装置有三种，即现场控制站、可编程序控制器PLC、智能调节器。,7.3.2 DCS的分散过程控制级,1、现场控制站 现场控制站目前采用较多的是PC总线工业控制机或 STD总线工业控制机。本书主要围绕 PC 总线工业控制机作为现场控制站加以介绍。（1）现场控制站的构成 机箱(柜)现场控制站的机箱内部均装有多层机架，以供安装电源及各种部件之用。电源 高效、无干扰、稳定的供电系统是现场控制站工作的重要 保证。PC 总线工业控制机 主要进行信号采集、控制计算和控制输出。,通信控制单元 通信控制单元 实现分散过程控制级与集中操作监控级的数据通信。手动、自动显示操作单元 手动/自动显示操作单元是作为后备安全措施，它可以显示 测量值 PV、给定值 SP、自动阀位输出值、手动阀位输出，并具有硬手动操作功能，可直接调整输出阀值。,（2）现场控制站的功能 现场控制站的功能主要有6种，即数据采集 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。数据采集功能：对过程参数，包括各类热电偶信号、热电阻信号进行数据采集、变换、处理等。DDC 控制功能：DDC 控制包括接受现场的测量 信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并对 偏差进行 偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制 量，并将此控制量转换成相应的电流送至执行 量,顺序控制功能：通过来自过程状态输入输出信 号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的 顺序和条件，对控制的各阶段进行逐次控制。信号报警功能：对过程参量设置上限值和下限值，若超过上限和下限分别进行上限和下限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。信号报警是以声音、光或CRT屏幕显示颜色变化表示。打印报表功能：定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表自动记录打印。数据通信功能：完成分散过程控制级与集中操作监控级之间的信息变换。,2、智能调节器 智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微 处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通 道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调 节器，至于控制方式除一般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420mADC电流信号输入的 设定值，还具有异步通信接口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。,3、可编程序控制器 PLC PLC与智能控制器最大的不同点是：它主 要配置的是开关量输入、输出通道，PLC主要用于生产过程中按时间顺 序或逻辑控制的场合，以取代复杂的继电器控制装置。在较新的PLC中，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的高 可靠性和它的不断增强的功能，使它在DCS中 得到了广泛的应用。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。,7.3.3 DCS的集中操作监控级 的集中操作监控级 DCS的集中操作监控级主要是显示操作站，它不 仅可以完成显示、操作、记录、报警等功能，而且还可进行控制系统的生成、组态。1、显示操作站的构成 显示操作站主要由监控计算机、键盘、CRT 显示器、打印机等几部分构成。（1）监控计算机 DCS DCS的显示操作站的监控计算机一般都采用16位或 32位的微机。目前许多新推出的DCS采用工业 PC机来做 显示操作站的监控计算机。,（2）键盘 在显示操作站中，有两种类型的键盘：一种是操作 员键盘；另一种是工程师键盘。操作员键盘：操作员键盘多采用有防水、防尘能力、有明显图案标志的薄膜键盘。在键盘内装有电子蜂鸣 器，以提示报警信息和操作响应。工程师键盘：工程师键盘一般采用大家较熟悉的标准 工程师键盘：（3）CRT显示器（4）打印机一般的DCS配备有两台打印机，一台用于生 产记录报表和报警列表打印，采用行式打印 机；另一台用来拷贝流程画面，常采用彩色打 印机。,2、显示操作站的功能 显示操作站为用户提供仪表化的操作环境，通过CRT操作来实现整个分散型控制系统的高 效率运转。它是信息集中分配中心，也是显示 操作的中心。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 的工程师功能。操作员功能：主要是正常运转时的工艺和运行操作，主要是画面指示构成。它包括DDC标准三画面、图形显示功能、趋势曲线画面、操作指导画面、报警画面。工程师功能：主要包括系统的组态功能、系统的控制功能、系统的维护功能、系统的管理功能等。,7.3.4 DCS DCS的综合信息管理级 的综合信息管理级 综合信息管理级在DCS中用来实现整个企业的综合 信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系 统(Management Information System，简称 MIS），MIS是一个以计算机为主体、信息处理为 中心的综合性系统。用户根据MIS提供的信息来改 进决策能力和提高效率，信息是MIS最主要的资源。MIS是借助于自动化数据进行管理 的系统，MIS由计算机硬件、软件、数据库、各 种规程和人组成。种规程和人组成。,1、MIS 的组成（1）MIS 的硬件组成 DCS中主要由管理计算机、办公自动化服务、工厂自动化服务系统构成信息管理级，这 些部分也就是 MIS的硬件组成，主要用来支持 MIS的软件实现和运行。（2）MIS的软件组成 企业MIS是一个以数据为中心的计算机信息 系统。企业MIS可粗略地分为市场经营管理、生产 管理、财务管理和人事管理四个子系统。子系 统从功能上说应尽可能地独立，子系统之间通 过系统而相互联系。,其中：市场经营管理的主要功能是为决策人 提供有关市场各种信息，该子系统的的主要数 据是顾客和企业的市场调查人员；生产管理是按照预先确定的产品数量、质 量和完成期限，运用科学的方法，经过周密的 计划与安排，按照特定制造过程，生产出合乎 计划与安排，按照特定制造过程，生产出合乎 标准的产品；生产管理的职能包括预测、计划、控制三部分。,2、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、经济趋势分析、原材 料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数、生产统计及报表，进行长期性的趋势分析，做 出生产和经营侦察，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。,7.4 位总线(Bitbus)通信网络技术,7.4.1 8044 BEM 硬件结构简介7.4.2 Bitbus通信规程7.4.3 Bitbus通信网络的应用,返回,7.4.1 8044 BEM 硬件结构简介,1、位总线的概念（1）1984年Intel公司推出位总线（BitBus），用于单片机互联，为分布式计算机控制系统提供了一种高性能、低价格、灵活易用的现场通信网络。（2）BitBus是主从式、总线型高速串行网，其电气接口符合RS485标准，传输介质采用双绞线或同轴电缆，链路协议采用同步数据链路控制标准（SDLC）。（3）BitBus的硬件支持是8044（8344）单片机。,返回,2、8044BEM硬件结构（1）基本性能 片内4KROM；片内有一个可独立工作的串行通信接口单元SIU；（智能通信处理器）片内192字节双口RAM；（高于128的间接寻址）片内特殊功能寄存器（SFR）35个。（直接寻址）（2）8044系列单片机引脚图 40脚，与8051基本相同，其中7，8,10,11,15脚具有扩展功能。16：P1.0P1.5；7：P1.6/；发送就绪,8：P1.7/；接收就绪9：RST；10：P3.0/（RXD/I/）；数据接收（RXD）/收发方向控制（I/）11：P3.1/（TXD/DATA）；数据发送（TXD）/数据I/O（DATA）12：P3.2/INT0；13：P3.3/INT1；14：P3.4/T0；15：P3.5/（T1/SCLK）；计数器/定时器T1)/串行数据时钟（SCLK）16：P3.6/；,17：P3.7/；18：XTAL2；19：XTAL1；20：Vss；2128：P2.0P2.7/A8A15；29：；30：ALE；31：；3239：P0.7P0.0/AD7AD0；40：Vcc。,（3）8044内部结构,7.4.2 Bitbus通信规程,BitBus互连通信规定了四层结构。物理层（电气接口）；链路层（数据链路控制）；消息层（报文协议）；应用层（远程存贮控制）。（1）物理层 电气接口符合RS485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。,返回,两种运行模式：外同步模式：同步时钟(15脚)来自外部某锁相环，高/低电平为1/0 自同步模式；同步时钟来自SIU内部锁相环，不变化/变化电平为1/0通信网络性能：外同步：300K2.4M（bps），30米/段，28个结点，不能用中继器；自同步：325K（bps），300米/段，28个结点/段，2个中继器；或62.5K（bps），1200米/段，26个结点/段，10个中继器,（2）链路层符合SDLC（同步数据链路控制标准）规约，但有一些限制。SDLC是基于在公共通信链路上，主站与从站之间进行数据交换的规程。主站负责控制整个网络，从站按主站的命令动作。帧结构,零位插入与删除 在SDLC帧的范围内，在起始标志和结束标志之间，允许任何一种位序列。,为了防止在帧内出现与标志01111110相同的位序列，SDLC规程中规定：在帧内除标志字节外的任何地方，当在“0”后有连续5个“1”时，发送系统在第5个“1”之后自动插入一个“0”位；而接收端在接收信息时，自动删除标志字节外的“11111”后的“0”位。位传输顺序SDLC规定：地址字段和控制字段：先发送低位；信息字段：由设计者自行设定；帧检验序列：先发送高位。,（3）消息层 通过一个信息帧传送的信息字段，就是消息层。在BitBus中，各结点间的通信，采用order/Reply（命令/应答）结构。order/Reply结构（命令/应答）消息层协议按照多任务、多结点环境的order/Reply（命令/应答）结构建立。order：主结点任务通过BitBus传送给从结点任务的消息。Reply：从结点任务通过BitBus传回给主结点任务的消息，并作为对主结点任务的回答。,“主结点任务”：主设备或主设备扩展器（或主模块）上运行的执行某种功能的程序。“从结点任务”：从设备或从设备扩展器上运行的执行某种功能的程序。消息格式,消息中的前面几个字节为消息标题。标志字节中：MT：消息类型。MT0为主站发的命令报文；MT1为从站回答的消息。SE：源扩展。SE0表示在主设备上；SE1表示在扩展设备上。DE：目的扩展。DE0为从设备；DE1为扩展从设备。TR：跟踪。TR0为发送消息；TR1为接收消息。保留4位：作为备用。,（4）应用层（远程存取控制）在消息层的基础上。定义远程存取控制（RAC）的一系列命令，定义从结点的特殊任务：主站在传送数据过程中，规定传送数据的具体格式，并在命令中，定义一系列相应的代码；从站在接收到一帧信息后，根据命令代码确定属于远程存取的何种命令，然后由数据中确定地址和数据内容。,7.4.3 Bitbus通信网络的应用,返回,（1）BitBus网络拓扑结构点到点半双工(图a)多点半双工(图b)环形网结构(图c),（2）主从分布式控制系统,主机（IBMPC）：主控设备。负责数据信息处理、分析、显示、打印等。PC总线通过ipcs-344模板，与8044主站相连接。8044主站：负责与各个8044从站交换信息，对数据信息进行简单处理，即判断来自主机或从站的信息属于何种信息，并完成相应的处理。8044从站：负责接收主站的命令，执行相应的操作；或将主站所需的数据传送给主站。PC总线与BITBUS总线接口电路：可通过ipcs-344；或用户可自行设计，一般采用双口RAM。主站与从站的接口电路：按照BitBus接口标准采用RS485电气接口。由各个8044的SIU（智能通信处理单元）控制。,7.5 现场总线(Fieldbus)技术,7.5.1 现场总线概述7.5.2 五种典型的现场总线7.5.3 FF现场总线技术7.5.4 现场总线控制系统性能分析,返回,7.5.1 现场总线概述,现场总线的概念 现场总线的形成 80年代以来，由于微控制器技术和智能传感器的发展，导致需要以数字信号取代（420mA）（DC）模拟信号来传输信息，这就形成了现场总线（FieldBus）。现场总线的定义 根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是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。,现场总线的重要性 现场总线可与现场仪表和控制系统联用，组成现场总线控制系统FCS（Fieldbus control System），实现现场总线通信网络与控制系统的集成，从而可取代传统的分散型控制系统DCS（集散系统）。（1）现场总线及其体系结构（如图）现场通信网络 现场总线是把通信一直延伸到生产过程和现场设备，用于过程自动化和制造自动化设备及仪表互连的现场通信网络。(现场的传感器、变送器及执行机构等必需配置现场总线接口。),新一代FCS控制层,现场设备互连 变送器、执行器、服务器、网桥、辅助设备、监控设备等现场设备通过一对传输线互连。每一台现场设备就是一台微处理器，既有CPU、内存、接口和通信等数字信号处理，还有非电量信号检测、变换和放大等模拟信号处理。1）现场设备通过现场总线接口与其它现场设备相互连接。向上通过网桥与网络服务器相连接。2）网络服务器经LAN与操作站连接。3）传输介质可使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。,互操作性 现场总线互操作性的含义：要求“即插即用”，便于不同品牌的现场设备统一组态和系统集成。分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS的控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选择各种功能块，构成所需的控制系统，因而实现了彻底的分散控制。例如书P243图7.32，流量变送器含有模拟量输入功能模块，调节阀含有PID控制功能模块及模拟量输出功能块，这三种功能块就构成了流量控制回路。,现场总线的分散功能,通信线供电 采用通信线供电方式，允许现场仪表直接从通信线上获取电源。这种供电方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表，例如一体化温度传感器。开放式互连网络 1）现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。2）开放式互连网络还体现在网络数据库共享。通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。,(2)现场总线和FCS的变革 现场总线对自动化领域的变革 FCS对DCS的变革(全数字化和彻底的分散控制等)(3)现场总线产生的原因 模拟仪表的缺点 现场总线的优点 1）一对N结构 一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。2）可靠性高 采用数字信号，精度高，抗干扰能力强。3）可控状态 可在操作室监控现场仪表，调整参数，预测和寻找故障，可控性和可维护性好。,4）互换性 不同厂商的现场设备及仪表，可互连互换，实现“即插即用”。5）互操作性 用户可将不同厂商