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1,第2章集散控制系统,基 础 知 识,2,集散控制系统的体系结构 集散控制系统的硬件结构 集散控制系统的软件体系 集散控制系统的基本功能 数据通信技术,3,2.1 集散控系统的体系结构,本节内容提要,集散控制系统体系结构的特征纵向分层横向分散设备分级网络分层,按照功能，集散控制系统设备分为四级现场控制级过程控制级过程管理级经营管理级,与四级设备对应的四层网络现场网络控制网络监控网络管理网络,4,图2.1 集散控制系统的体系结构,现场网络,控制网络,监控网络,管理网络,5,1.现场控制级,典型的现场控制级设备各类传感器各类变送器各类执行器现场控制级设备的主要任务完成过程数据采集与处理。直接输出操作命令、实现分散控制。完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。,6,2.过程控制级,过程控制级主要设备：过程控制站、数据采集站和现场总线服务器等。过程控制站产生控制作用。可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。,7,数据采集站接收大量的非控制过程信息；不直接完成控制功能。现场总线服务器一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。过程控制级设备的主要功能采集过程数据，进行数据转换与处理；对生产过程进行监测和控制；现场设备及 I/O 卡件的自诊断；与过程管理级进行数据通信。,8,3.过程管理级,过程管理级的主要设备：操作站、工程师站和监控计算机等。操作站操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备；DCS的核心显示、监视、操作和管理装置。工程师站对DCS进行配置、组态、调试、维护。监控计算机实现对生产过程的监督控制；机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。,9,过程管理级设备的主要功能对生产过程进行监测和控制；对DCS进行配置、组态、调试、维护；对各种设计文件进行归类和管理。实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。,10,4.经营管理级,经营管理级的设备可能是厂级管理计算机，也可能是若干个生产装置的管理计算机。厂级管理系统的主要功能是监视企业各部门的运行情况。管理计算机的要求是具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。,11,经营管理级设备的主要功能监视企业各部门的运行情况；实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务；日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务。,12,2.2 集散控制系统的硬件结构,本节内容提要,控制站包括现场控制站和数据采集站等。机柜电源控制计算机其他部件,操作站一般分为操作员站和工程师站。操作台 微处理机系统图形显示设备 操作键盘和鼠标 打印输出设备等,冗余技术冗余方式：多重化自动备用和手动备用。冗余措施：通信网络冗余、操作站冗余、现场控制站冗余、电源冗余、输入/输出模块冗余。,13,2.2.1 现场控制站,主要设备：现场控制单元。主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。,14,1.机柜,现场控制站机柜,中央控制室机柜间,机柜间机柜组,有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证,15,现场控制单元,多层I/O卡件箱,电源单元,通信接口,接线端子板,机柜正面（前面）,机柜背面（后面）,现场控制站机柜,16,2.电源,电源系统的可靠性措施每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。配有不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为5V、15V(或12 V)、以及+24V。,17,增加直流电源系统的稳定性措施给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰。采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。一般由统一的主电源单元将交流电变为 24V 直流电供给柜内的直流母线，然后通过 DC-DC 转换方式将 24V 直流电源变换为子电源所需的电压。主电源一般采用 1:1 冗余配 置，而子电源一般采用 N:1 冗余配置。,18,3.控制计算机,控制器,电源单元,I/O卡件,现场总线接口卡件,导轨,控制计算机,19,控制计算机一般是由 CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。(1)CPU 用以实现算术运算和逻辑运算。可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。,20,(2)存储器 控制计算机的存储器分为RAM和ROM。在控制计算机中 ROM 占有较大的比例。由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。,21,(3)总线 总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。(4)输入/输出通道 模拟量输入/输出(AI/AO)开关量输入/输出(SI/SO)数字量输入/输出(DI/DO)脉冲量输入通道(PI),22,模拟量输入输出通道(AI/AO)模拟量输入通道(AI)模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。模拟量输出通道(AO)模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为4-20mADC(或1-5VDC)的连续直流信号，用于控制各种执行机构。,23,开关量输入/输出通道(SI/SO)开关量输入通道(SI)主要用来采集各种限位开关、继电器 或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。开关量输出通道(SO)主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。,脉冲输入通道(PI)脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。,24,2.2.2 操作站,嵌入型台式操作站,桌面型操作站,信息报警站,工程师站,控制站,显示器,标准键盘,主机,操作站主机柜,工作台,中央控制室设备,25,DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站两种。工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替。,26,操作台 微处理机系统 外部存储设备 图形显示设备 操作键盘和鼠标 打印输出设备,DCS 操作站主要设备,操作站设备,27,2.2.3 冗余技术,1.冗余方式,28,同 步 运 转,29,同步运转方式让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对。两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(Dual System)。三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的三重化设置，,30,待机运转方式同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1 的备用方式。对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为 N:1 备用。待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术。,31,后退运转方式使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行。当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。,32,简易的手动备用方式采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。,33,2.冗余措施,通信网络的冗余：采用一备一用的配置。操作站的冗余：采用工作冗余的方式。现场控制站的冗余：有的采用 1:1 冗余，也有的采用N:1 冗余。采用无中断自动切换方式。电源的冗余：除了 220V 交流供电外，还采用了镍镉电池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。输入/输出模块的冗余：部分重要卡件采用 1:1 冗余。DCS软件还采用了信息冗余技术。,34,2.3 集散控制系统的软件体系,本节内容提要,软件体系组态软件、控制层软件和监控软件的功能,35,DCS软件主要分为：组态软件、控制层软件、监控软件（1）组态软件：安装于工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。根据实际生产过程控制的需要，预先将DCS所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。要做的组态主要包括：硬件配置数据库组态控制算法组态流程显示及操作画面组态报表组态编译和下装,36,（2）控制层软件：特指运行于现场控制站的控制器中的软件，针对控制对象，完成控制功能。其基本功能：I/O数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出。,37,（3）监控软件 指操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理。,38,2.4 集散控制系统的基本功能,本节内容提要,控制站的基本功能 反馈控制逻辑控制顺序控制批量控制数据采集与处理数据通信,操作站的基本功能 显示操作报警组态系统维护报告生成,自诊断功能 离线自诊断 在线自诊断 显示故障代码定位故障卡件,39,1.反馈控制,2.4.1 现场控制站的基本功能,反馈控制功能分布图,40,(1)输入信号处理,模拟输入信号处理合理性检验零偏修正 规格化 工程量变换 非线性处理 开方运算 补偿运算 脉冲序列的瞬时值变换及累计,41,对于数字信号状态报警及输出方式处理。对于脉冲序列瞬时值变换及累积计算。,42,报警类型 仪表异常报警、绝对值报警、偏差报警、速率报警以及累计值报警等。报警限值 为了实现预报警，DCS中通常还设置了多重报警限，如上限、上上限、下限、下下限等。报警优先级 报警优先级参数 报警链中断参数 最高报警选择参数,(2)报警处理,43,(3)控制运算,常规 PID 微分先行PID积分分离开关控制时间比例式开关控制信号选择比率设定,常 用 算 法,时间程序设定 Smith 预估控制多变量解耦控制一阶滞后运算超前-滞后运算其他运算等,44,(4)控制回路组态,根据控制策略的需要，将一些功能模块通过软件连接起来，构成检测回路或控制回路。,温度与压力串级控制系统回路组态图,45,(5)输出信号处理,输出开路检验输出上下限检验输出变化率限幅模拟输出开关输出脉冲宽度输出,46,2.逻辑控制,根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制。在DCS中，由逻辑功能模块实现逻辑控制功能。,逻 辑 控 制 功 能,与(AND)或(OR)非(NO)异或(XOR)连接(LINK),进行延时(ON DELAY)停止延时(OFF DELAY)触发器(FLIP-FLOP)脉冲(PULSE),47,3.顺序控制,顺序控制：按预定的动作顺序或逻辑，依次执行各阶段动作程序。顺序控制中可以兼用反馈控制、逻辑控制和输入/输出监视等功能。实现顺序控制的常用方法顺序表法程序语言方式梯形图法,48,顺序表法将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记录，存储于管理文件中，然后逐项执行。程序语言方式通过语言编程来实现顺序控制。梯形图法（梯形逻辑控制语言）由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序的设计语言。随着 DCS 的发展，已出现了梯形逻辑与连续控制算法相结合的复合控制功能。,49,4.批量控制,根据工艺要求，将反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。反馈控制的报警信号回路状态信号模拟信号的比较、判断、运算结果,顺序控制的条件信号,50,回路的切换参数的变更设定值的调整控制算法的变更控制方案的变更,由顺序控制转换为反馈控制的条件,51,5.辅助功能,(1)控制方式选择,手动(MAN)自动(AUT)串级(CAS)计算机(COMP),(2)测量值跟踪,在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，而跟踪测量值。,52,(3)输出值跟踪,在手动方式时，使内存单元中 PID 输出值跟踪手操输出值。从手动切换到自动时，内存单元中的自动输出数值与手操输出值相等，切换是无扰动的。在自动方式时，手操器的输出值是始终跟踪控制器的自动输出值的。从自动切换到手动时，手操器的输出值与PID的输出值相等，切换是无扰动的。,53,2.4.2 操作站的基本功能,操作站的基本功能分布图,54,1.显示 它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路的测量值(PV)、设定值(SV)及控制输出值(MV)。在显示器上，工艺设备和控制设备等的各种状态等能以字符方式、模拟方式、图形及色彩等多种方式显示出来。,2.操作 操作站可对全系统每个控制回路进行操作，对设定值、控制输出值、控制算式中的常数值、顺控条件值和操作值进行调整，对控制回路中的各种操作方式(如手动、自动、串级、计算机、顺序手动等)进行切换。对报警限设定值、顺控定时器及计数器的设定值进行修改和再设定。,55,3.报警 操作站以画面方式、色彩(或闪光)方式、模拟方式、数字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各种类型的报警。,4.系统组态 DCS实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行，这就是系统组态。,56,应用组态软件用来建立功能模块，包括输入模块、输出模块、运算模块、反馈控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块和程序模块等，将这些功能模块适当的组合，而构成控制回路，以实现各种控制功能。应用组态方式有填表式、图形式、窗口式及混合式等。,组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控制级和过程管理级。,设备组态的顺序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级；功能组态的顺序恰好相反，先过程控制级，后过程管理级。,57,5.系统维护 当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。,6.报告生成 根据生产管理需要，操作站可以打印各种班报、日报、操作日记及历史记录，还可以拷贝流程图画面等。,58,自诊断功能,在系统投运前，用离线诊断程序检查各部分的工作状态。系统运行中，各设备不断执行在线自诊断程序。一旦发现错误，立即切换到备用设备；同时经过通信网络在显示器上显示出故障代码，等待及时处理；故障代码可以定位到卡件板，用户只需及时更换卡件。,59,2.5 数据通信技术,本节内容提要,通信系统的组成 通信类型 传输方式 串行传输与并行传输 基带传输与宽带传输,异步传输与同步传输 传输速率 信息编码 数据交换方式,1.数 据 通 信 原 理,60,局部网络的概念 局部网络拓扑结构 传输介质 网络控制方法 差错控制技术,2.通 信 网 络,3.通信协议,通信协议的概念 开放系统互连参考模型,61,传输速率 信息编码 数据交换方式 现场总线的国际标准 现场总线通信模型 现场总线的网络拓扑结构 HART总线简介,4.现场总线简介,62,2.5.1 数据通信原理,数据通信计算机或其他数字装置与通信介质相结合，实现对数据信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。在DCS中，各单元之间的数据信息传输就是通过数据通信系统完成的。通信用特定的方法，通过某种介质将信息从一处传输到另一处的过程。,63,1.数据通信系统的组成,通信系统组成信号发送装置接收装置信道通信协议,图2.2 通信系统模型,64,(1)信号(报文)需要传送的数据，由文本、数字、图片或声音等及其组合组成。(2)发送装置 具有作为二进制数据源的能力，任何能够产生和处理数据的设备。(3)接收装置 能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。,65,(4)信道 信道发送装置与接收装置之间的信息传输通道。信道包括传输介质和有关的中间设备。常用的传输介质双绞线同轴电缆光缆无线电波微波,66,(5)通信协议 通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准。通信协议定义了通信的内容、格式，通信如何进行、何时进行等。,发送装置把要发送的信息送上信道，再经过信道将信息传输到接收装置。信息在传输过程中会受到来自通信系统内外干扰的影响。,通信过程,67,2.通信类型,模拟通信以连续模拟信号传输信息的通信方式。数字通信将数字信号进行传输的通信方式。数据信息具有一定编码、格式和字长的数字信息。,68,3.传输方式,(l)单工方式 信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。(2)半双工方式 信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能沿一个方向传输。(3)全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输。,69,图2.3 信息传输方式,70,4.串行传输与并行传输,(1)串行传输数据逐位依次在信道上进行传输的方式。(2)并行传输数据多位同时在信道上进行传输的方式。在DCS中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式。,71,图2.4 串行传输与并行传输(a)串行传输；(b)并行传输,72,5.基带传输与宽带传输,(1)基带传输 基带：电信号所固有的频带。基带传输：直接将电脉冲信号原样进行传输。,(2)宽带传输 载带传输：在信道上传输调制信号。宽带传输：实现多路信号同时传输。,73,6.异步传输与同步传输,在异步传输中，信息以字符为单位进行传输。每个信息字符都具有自己的起始位和停止位。一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。,在同步传输中，信息是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。,74,7.传输速率,信息传输速率又称为比特率，是指单位时间内通信系统所传输的信息量。比特率一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，记为Rb。信息传输速率的单位是比特/秒，记为 bit/s 或 bps。,75,8.信息编码,信息在通过通信介质进行传输前必须先转换为电磁信号。将信息转换为信号需要对信息进行编码。数字-模拟编码：用模拟信号表示数字信息的编码。在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波，来承载信息信号。移动键控：将信息信号调制到载波信号上，这种形式的改变称为调制(移动键控)，信息信号被称为调制信号。,76,数字信息是通过改变载波信号的一个或多个特性(振幅、频率或相位)来实现编码的。载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数，即振幅、频率和相位，所以相应地也有三种调制方式，即调幅方式、调频方式和调相方式。,77,(1)幅移键控法(Amplitude Shift Keying，ASK)用调制信号的振幅变化来表示二进制数。例如用高振幅表示 1，用低振幅表示 0，如图 2.5(a)所示。(2)频移键控法(Frequency Shift Keying，FSK)用调制信号的频率变化来表示二进制数的。例如用高频率表示 1，用低频率表示 0，如图 2.5(b)所示。(3)相移键控法(Phase shift keying，PSK)用调制信号的相位变化来表示二进制数。例如用0相位表示 0，用 180相位表示 1，如图 2.5(c)所示。,78,图2.5 三种调制方式,79,9.数据交换方式,80,(1)线路交换方式,81,(2)报文交换方式（存储转发方式）经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文；,报文的组成,(3)报文分组交换方式 基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。,82,2.5.2 通信网络,计算机网络把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和介质连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中的资源共享。DCS的通信网络实质上 就是计算机网络。,83,1.局部网络的概念,局部区域网络(Local Area Network，LAN)一种分布在有限区域内的计算机网络。将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置了网络软件的一种网络。用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。,84,2.局部网络拓扑结构,网络拓扑结构网络节点互连的方法。网络拓扑结构类型星型环型总线型树型菊花链,85,(1)星型结构,每一个节点都通过一条链路连接到中央节点上。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。在中央节点中，有一个“智能”开关装置，用来接通两个节点之间的通信路径。中央节点的构造比较复杂，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。,图2.6 星型拓扑结构,86,(2)环型结构,所有的节点通过链路组成一个封闭的环路。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址。若与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。,图2.7 环型拓扑结构,87,(3)总线型结构,所有的工作站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。所有的节点都共享一条公用的传输线路。每次只能由一个节点发送信息。信息由发送它的节点向两端扩散。,图2.8 总线型拓扑结构,88,(4)树型结构,树型拓扑形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。当节点发送信息时，根接收该信息，然后再重新广播发送到全网。,89,图2.9 树型拓扑结构,90,(5)菊花链型结构,用一个网段分别连接两个节点的联接器。多个节点的联接器依次互连，从而形成一个链状通信网络。,图2.10 菊花链型拓扑结构,91,3.传输介质,传输介质是通信网络的物质基础。常见传输介质双绞线同轴电缆光缆,92,(1)双绞线 双绞线是由两条相互绝缘的导体扭绞而成的线对。在线对的外面常有金属箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线，当传输距离比较远时，其传输速率受到限制，一般不超过 10 Mbps。,屏蔽双绞线结构图,93,(2)同轴电缆 同轴电缆由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层构成。信号通过内导体和外导体传输。外导体一般是接地的，起屏蔽作用。,94,基带同轴电缆(如 50同轴电缆)用于基带传输。宽带同轴电缆(如75电视天线电缆)用于宽带传输。同轴电缆的数据传输速率、传输距离、可支持的节点数、抗干扰等性能优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于光纤。,95,(3)光缆 光缆的内芯是由二氧化硅拉制成的光导纤维，外面敷有一层玻璃或聚丙烯材料制成的覆层。由于内芯和覆层的折射率不同，以一定角度进入内芯的光线能够通过覆层折射回去，沿着内芯向前传播以减少信号的损失。如果光的入射角足够大，就会出现全反射，光也就从输入端传到了输出端。因为光缆中的信息是以光的形式传播的，电磁干扰对它几乎毫无影响，所以，光缆具有良好的抗干扰性能。,96,光缆的构成,97,图 2.11 传输介质,98,图 2.12 光在纤芯中的传播原理,99,4.网络控制方法,网络控制方法：在通信网络中，使信息从发送装置迅速而正确地传递到接收装置的管理机制。常用的方法：查询令牌传送自由竞争存储转发,100,(1)查询式 中，如星型网络或具有主站的总线型用于主从结构网络网络。主站依次询问各站是否需要通信，收到通信应答后再控制信息的发送与接收。当多个从站要求通信时，按站的优先级安排发送。,101,(2)自由竞争式 控制策略：竞争发送广播式传输载体侦听冲突检测冲突时退回再试发送,102,(3)令牌传送 有一个称为令牌（Token）的信息段在网络中各节点之间依次传递。令牌有空、忙两种状态，开始时为空闲。节点只有得到空令牌时才具有信息发送权，同时将令牌置为忙。令牌沿网络而行，当信息被目标节点取走后，令牌被重新置为空。,103,令牌传送的方法实际上是一种按预先的安排让网络中各节点依次轮流占用通信线路的方法。令牌是一组特定的二进制代码，它按照事先排列的某种逻辑顺序沿网络而行。只有获得令牌的节点才有权控制和使用网络。,104,令牌传送的次序是由用户根据需要预先确定的，而不是按节点在网络中的物理次序传送的。,图 2.13 令牌传递过程示意图,105,(4)存储转发式 信息传送过程：源节点发送信息，到达它的相邻节点；相邻节点将信息存储起来，等到自己的信息发送完，再转发这个信息，直到把此信息送到目的节点；目的节点加上确认信息(正确)或否认信息(出错)，向下发送直至源站；源节点根据返回信息决定下一步动作，如取消信息或重新发送。,106,5.差错控制技术,在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制。,(1)差错控制,107,(2)传输错误及可靠性指标,在通信网络上传输的信息是二进制信息，它只有0和1两种状态。如果把0误传为1，或者把1误传为0就是传输错误。两类错误突发错误：由突发噪声引起的，其特征是误码连续成片出现；随机错误：随机错误是由随机噪声引起的，它的特征是误码与其前后的代码是否出错无关。,108,DCS的传输速率一般在 0.5100Mbps 左右。传输速率越大，每一位二进制代码(又称码元)所占用的时间就越短，波形就越窄，抗干扰能力就越差，可靠性就越低。误码率是指通信系统所传输的总码元数中发生差错的码元数所占的比重(取统计平均值)，即Pe=pw/pt（2-3）式中 Pe误码率；Pw出错的码元数；pt传输的总码元数。,109,误码率越低，通信系统的可靠性就越高。在DCS中，常用每年出现多少次误码来代替误码率。对大多数DCS来说，这一指标大约在每年 0.01 次到 4 次左右。,110,(3)反馈重发纠错方式(ARQ),在发送端，首先要对所发送的数据进行某种运算，产生能检测错误的帧校验序列，然后把校验序列与数据一起发往对方。在接收端，根据事先约定的编码运算规则及校验序列，检查数据在传输过程中是否有出错，并通过反馈信道把判决结果发回发送端。发送端收到反馈信号若标明传送有错，则发送端重发数据，直到接收端返回信号标明接收正确为止。,111,ARQ方式中，必须有一个反馈信道，并且只用于点对点的通信方式。检错编码的方法很多，常用的有奇偶校验码和循环冗余校验码 CRC。,112,奇偶检验 奇偶检验是在传递字节后附加一位校验位。该校验位根据字节内容取l或0。奇校验时传送字节与校验位中“1”的数目为奇数。偶校验时传送字节与校验位中“1”的数目为偶数。接收端按同样的校验方式对收到的信息进行校验。如发送时规定为奇校验时，若收到的字符及校验位中“1”的数目为奇数，则认为传输正确，否则，认为传输错误。,113,循环冗余码校验 在传输的信息中按照规定附加一定数量的冗余位。有了冗余位，真正有用的代码数就少于所能组合成的全部代码数。当代码在传输过程中出现错误，并且使接收到的代码与有用的代码不一致时，说明发生了错误。,114,为了提高检错和纠错能力，可以在信息后面按一定规则附加若干个冗余位，使信息的合法状态之间有很大差别，一种合法信息错误成另一合法信息的可能性就会大大减小。编码：发送端在信息码的后面，按一定的规则附加冗余码组成传输码组的过程。译码：在接收端按相同规则检测和纠错的过程。编码和译码都是由硬件电路配合软件完成的。在DCS中应用较多的是循环冗余码(Cyclic Redundancy Code，CRC)校验方法。,115,2.5.3 通信协议,网络通信功能包括两大部分，即数据传输和通信控制。在通信过程中，信息从开始发送到结束发送可分为若干个阶段，相应的通信控制功能也分成一组组操作。一组组通信控制功能应当遵守通信双方共同约定的规则，并受这些规则的约束。通信协议：对数据传输过程进行管理的规则。,1.通信协议的概念,116,通信协议的关键要素：(1)语法语法(Syntax)包括数据格式、信号电平等规定。(2)语义语义(Semantics)是比特流每部分的含义。一个特定比特模式如何理解，基于这种理解采取何种动作等。(3)时序时序(Timing)规定了速度匹配和排序。包括数据何时发送，以什么速率发送，使发送与接收方能够无差错地完成数据通信等。,117,开放系统互连(Open Systems Interconnection，OSI)参考模型，简称 ISO/OSI 模型。通信系统之间相互交换信息所共同使用的一组标准化规则，凡按照该模型建立的网络就可以互连。开放系统互连是彼此开放的系统通过共同使用适当的标准实现信息的交换。,118,2.开放系统互连参考模型,开放系统互连参考模型(OSI)是信息处理领域内最重要的标准之一。该标准将开放系统的通信功能分为七层，描述了分层的意义及各层的命名和功能。,119,在分层结构中，每一层执行部分通信功能。一层依靠相邻的低一层完成较原始的功能，并和该层的具体细节分离，一层为相邻的高一层提供服务。两个相互通信的系统都有共同的层次结构，一个系统的 N 层与另一个系统的 N 层之间的相互通信遵循一套“协议”。,120,图 2.14 开放系统互连参考模型,121,两个系统相互通信时应具有相同的层次结构。同等层之间应建立同等层的通信关系，在物理层，通过通信介质上实际传输的比特流实现信息的传输。如果把要传送的信息称为“报文”，它也可以是数据，每一层上的标记则称为“报头”。,122,物理层是通信设备的硬件，是把封装后的信息由物理层放到通信线路上传输。由此可见，从第 7 层到第 2 层根本没有进行站 Sl 到站S2的传送，都是软件方面的处理，直到第一层才靠硬件(传输介质)真正进行传送。到达接收站之后，按照相反的顺序逐层向上。每经过一层就去掉一个报头，到应用层之后，所有的报头报尾都去掉了，最后只剩数据或报文本身。至此，站 S1 到站S2的通信结束。反之，从站 S2 到站 Sl 的通信过程也是这样进行的，只不过方向相反而已。,123,ISO/OSI 模型由七层组成，从下至上分别为物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表示层及应用层。可以认为低层实际上是高层的接口，每一层都详细地规定了通信协议和任务，一旦这一层的任务完成，它上面或下面层的任务就开始执行。,