直接数字控制系统课件.ppt

1、 本章提要本章提要 随着计算机技术的迅速发展，将计算机用于过程随着计算机技术的迅速发展，将计算机用于过程控制系统，称为计算机过程控制系控制系统，称为计算机过程控制系 统。计算机过统。计算机过程控制系统综合了计算机生产过程和自动控制理程控制系统综合了计算机生产过程和自动控制理论等方面的知识。数据通信技术是工业网络的关论等方面的知识。数据通信技术是工业网络的关键技术。在一个大规模的计算机过程控制系统中，键技术。在一个大规模的计算机过程控制系统中，常常会有很多的测量和控制对象，即使速度很高常常会有很多的测量和控制对象，即使速度很高的计算机也难以满足要求，因此必须将任务分给的计算机也难以满足要求，因此

2、必须将任务分给多个计算机多个计算机(或可编程序控制器，或可编程序控制器，PLC)来协调运来协调运行行 这就形成了分散控制系统这就形成了分散控制系统(DCS)与现场总线与现场总线控制系统控制系统(FCS)，不同地点和不同功能的计，不同地点和不同功能的计算机算机(PLC)之间需要交换信息，把它们按照之间需要交换信息，把它们按照一定的协议连接起来就构成了计算机网络一定的协议连接起来就构成了计算机网络以及现场总线。以及现场总线。本章主要介绍基本的计本章主要介绍基本的计算机过程控制系统、数据通信技术、工业算机过程控制系统、数据通信技术、工业网络技术、可编程序控制器系统、分散控网络技术、可编程序控制器系统

3、、分散控制系统、现场总线控制系统。制系统、现场总线控制系统。1 计算机过程控制系统组成与分类计算机过程控制系统组成与分类 1.1 计算机过程控制系统简介计算机过程控制系统简介 计算机过程控制计算机过程控制系统由被控对象、传感变送器、计算机装置和执系统由被控对象、传感变送器、计算机装置和执行机构组成，如图行机构组成，如图10.1所示。其中控制器的核心所示。其中控制器的核心可以是微处理器、单片计算机或微型计算机。可以是微处理器、单片计算机或微型计算机。计算机过程控制综合了计算机、生产过程和自动计算机过程控制综合了计算机、生产过程和自动控制理论等方面的知识。自动控制理论是计算机控制理论等方面的知识。

4、自动控制理论是计算机控制的理论支柱，计算机技术的发展又促进了自控制的理论支柱，计算机技术的发展又促进了自动控制理论的应用与发展。动控制理论的应用与发展。计算机过程控制系统与常规过程控制系统相比而言，计算机过程控制系统与常规过程控制系统相比而言，其主要特点体现在三个方面：其主要特点体现在三个方面：控制器的核心器件；控制器的核心器件；控制规律的实现方法；控制规律的实现方法；控制功能的灵活性与先进性。控制功能的灵活性与先进性。常规过程控常规过程控制系统的控制器为模拟调节器，其核心器件是模制系统的控制器为模拟调节器，其核心器件是模拟电子器件构成的模拟电路。它由相关的模拟器拟电子器件构成的模拟电路。它由

5、相关的模拟器件实现所需的控制规律。控制器的参数借助可调件实现所需的控制规律。控制器的参数借助可调阻、容器件进行调整。若需要改变控制方案，则阻、容器件进行调整。若需要改变控制方案，则必须更换模拟调节器的模拟电路。必须更换模拟调节器的模拟电路。由于计算机过程控制系统的控制器其核心由于计算机过程控制系统的控制器其核心是微处理器、单片计算机或微型计算机，是微处理器、单片计算机或微型计算机，它们不是用模拟器件实现控制规律，而是它们不是用模拟器件实现控制规律，而是由计算机的软件实施。改变系统控制方案由计算机的软件实施。改变系统控制方案不必更换硬件，只是对软件进行选择、组不必更换硬件，只是对软件进行选择、组

6、合或补充即可。软件愈丰富，系统控制功合或补充即可。软件愈丰富，系统控制功能愈灵活。能愈灵活。1.2 计算机过程控制系统的组成计算机过程控制系统的组成 计算机控制系统已广泛应用到国防和工业领域，计算机控制系统已广泛应用到国防和工业领域，由于被控对象、控制功能及控制设备不同，因而由于被控对象、控制功能及控制设备不同，因而计算机控制系统是千变万化的。计算机控制系统计算机控制系统是千变万化的。计算机控制系统的最基本特征是一个实时系统，它由硬件和软件的最基本特征是一个实时系统，它由硬件和软件两大部分组成。两大部分组成。(1)硬件组成硬件组成 计算机控制系统的硬件一般由被控对象计算机控制系统的硬件一般由被

7、控对象(生产过生产过程程)、过程通道、计算机、人机联系设备、控制操、过程通道、计算机、人机联系设备、控制操作台等几部分组成，如图作台等几部分组成，如图102所示。所示。主机主机 通常包括微处理器通常包括微处理器(CPU)和存储和存储器器(ROM，RAM)，它是数字控制系统的核，它是数字控制系统的核心。主机根据由输入通道送来的命令和测心。主机根据由输入通道送来的命令和测量信息，按照预先编制好的控制程序，按量信息，按照预先编制好的控制程序，按照一定的控制规律进行信息处理、计算，照一定的控制规律进行信息处理、计算，形成的控制信息由输出通道送至执行机构形成的控制信息由输出通道送至执行机构和有关设备。和

8、有关设备。测量元件和执行机构测量元件和执行机构 测测量元件包括数字测量元件和模拟测量元件，量元件包括数字测量元件和模拟测量元件，执行机构根据执行机构根据 需要可以接受模拟控制量需要可以接受模拟控制量和数字控制量。和数字控制量。输入输出通道输入输出通道 输入输出通道又称过程通道输入输出通道把计输入输出通道又称过程通道输入输出通道把计算机与测量元件、执行机构、生产过程和被控对算机与测量元件、执行机构、生产过程和被控对象连接起来，进行信息的传递和变换。输入输出象连接起来，进行信息的传递和变换。输入输出通道一般可分为模拟量输入通道、数字量输入通通道一般可分为模拟量输入通道、数字量输入通道、模拟量输出通

9、道和数字量输出通道。模拟量道、模拟量输出通道和数字量输出通道。模拟量输入输出通道主要由输入输出通道主要由 AD变换器和变换器和DA变换器变换器组成。组成。接口电路接口电路 输人输出通道、控制台等设备通过接口电路传输人输出通道、控制台等设备通过接口电路传送信息和命令，接口电路一般有并行接口、串行送信息和命令，接口电路一般有并行接口、串行接口和管理接口。接口和管理接口。控制台控制台 操作人员通过运行控制台与计算机进行操作人员通过运行控制台与计算机进行“对话对话”，随时了解生产过程和控制状态，随时了解生产过程和控制状态，修改控制参数、控制程序，发出控制命令，修改控制参数、控制程序，发出控制命令，判断

10、故障，进行人工干预等判断故障，进行人工干预等 (2)软件组成软件组成 计算机过程控制系统的硬件计算机过程控制系统的硬件只是控制的躯体，系统的大脑和灵魂是各只是控制的躯体，系统的大脑和灵魂是各种软件。计算机控制装置配置了必要的软种软件。计算机控制装置配置了必要的软件，才能针对生产过程的运行状态，按照件，才能针对生产过程的运行状态，按照人的思维和知识进行自动控制，完成预定人的思维和知识进行自动控制，完成预定控制功能。计算机控制装置的软件通常分控制功能。计算机控制装置的软件通常分为两大类：系统软件和应用软件。为两大类：系统软件和应用软件。系统软件系统软件 系统软件是主机基本配置的系统软件是主机基本配

11、置的软件，一般包括操作系统、监视程序、诊软件，一般包括操作系统、监视程序、诊断程序、程序设计系统、数据库系统、通断程序、程序设计系统、数据库系统、通信网络软件等。系统软件由计算机装置设信网络软件等。系统软件由计算机装置设计者和制造厂提供。控制系统设计人员要计者和制造厂提供。控制系统设计人员要了解并学会使用系统软件，利用系统软件了解并学会使用系统软件，利用系统软件提供的环境，针对某一控制系统的具体任提供的环境，针对某一控制系统的具体任务，为达到控制目的进行应用软件的设计务，为达到控制目的进行应用软件的设计工作。工作。应用软件应用软件 应用软件是针对某一生产过程，依照控制系统应用软件是针对某一生产

12、过程，依照控制系统设计人员的设计思想，为达到控制目的而设计的设计人员的设计思想，为达到控制目的而设计的程序。应用软件一般包括基本运算、逻辑运算、程序。应用软件一般包括基本运算、逻辑运算、数据采集、数据处理、控制运算、控制输出、打数据采集、数据处理、控制运算、控制输出、打印输出、数据存储、操作处理、显示管理等程序。印输出、数据存储、操作处理、显示管理等程序。数据采集、数据处理程序服务于过程输入通道。数据采集、数据处理程序服务于过程输入通道。控制输出程序服务于过程输出通道。控制运算程控制输出程序服务于过程输出通道。控制运算程序是应用软件的核心，是实施系统控制方案的关序是应用软件的核心，是实施系统控

13、制方案的关键。键。随着计算机硬件技术的日臻完善，软件工随着计算机硬件技术的日臻完善，软件工作的重要性日益突出。同样的硬件，配置作的重要性日益突出。同样的硬件，配置高性能软件，可取得良好控制效果。反之，高性能软件，可取得良好控制效果。反之，可能达不到预定控制目的。可能达不到预定控制目的。由于应用由于应用软件是由控制系统设计者为实现本系统的软件是由控制系统设计者为实现本系统的特定功能而开发的软件，所以控制系统设特定功能而开发的软件，所以控制系统设计人员需对应用软件的设计工作量予以足计人员需对应用软件的设计工作量予以足够重视。够重视。应用软件应具有实时性，高应用软件应具有实时性，高可靠性，具有软件抗

14、干扰措施。可靠性，具有软件抗干扰措施。1.3 计算机过程控制系统的类型计算机过程控制系统的类型(1)巡回检测和数据处理系统巡回检测和数据处理系统 巡回检测和数据处理系统是计算机应用于过程控巡回检测和数据处理系统是计算机应用于过程控制的最早形式之一。计算机对一次企仪表产生的制的最早形式之一。计算机对一次企仪表产生的参数进行巡回检测，并由计算机进行必要的数据参数进行巡回检测，并由计算机进行必要的数据处理，如数字滤波、仪表误差修正等；对大量的处理，如数字滤波、仪表误差修正等；对大量的数据进行记录，对过程进行集中监视，根据事先数据进行记录，对过程进行集中监视，根据事先存人的各种参数的极限值，处理过程中

15、可进行越存人的各种参数的极限值，处理过程中可进行越限报警，以确保生产过程的安全。巡回检测和数限报警，以确保生产过程的安全。巡回检测和数据处理系统的结构图如图据处理系统的结构图如图103所示，这是一个所示，这是一个开环控制系统，计算机不直接参与过程控制，对开环控制系统，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不会直接产生影响。生产过程不会直接产生影响。(2)直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)直接数字控制系统直接数字控制系统(DirectDigitalContr01)简称简称DDC，其基本组成如图，其基本组成如图104所示。直所示。直接数字控制系统是利用计算机的分时处理接数字控制系统是利用计算

16、机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能的数字控制系统，它是在巡回制的多功能的数字控制系统，它是在巡回检测和数据处理系统的基础上发展起来的。检测和数据处理系统的基础上发展起来的。数字计算机是闭环控制系统的组成部分，计算机数字计算机是闭环控制系统的组成部分，计算机产生的控制量经过输出通道直接作用于生产过程，产生的控制量经过输出通道直接作用于生产过程，故有故有“直接数字控制直接数字控制”之称。在直接数字控制系之称。在直接数字控制系统中，计算机通过多点巡回检测装置对过程参数统中，计算机通过多点巡回检测装置对过程参数进行采样，并将采样值与存于存储器

17、中的设定值进行采样，并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较形成偏差信号，然后根据预先规定的控进行比较形成偏差信号，然后根据预先规定的控制算法进行分析和计算，产生控制信号，通过执制算法进行分析和计算，产生控制信号，通过执行机构对系统被控对象行机构对系统被控对象(生产过程生产过程)进行控制。进行控制。直接数字控制系统具有在线实时控制、分时方式直接数字控制系统具有在线实时控制、分时方式控制和灵活性、多功能性三个特点。控制和灵活性、多功能性三个特点。1在线实时控制在线实时控制 直接数字控制系统是一种在线实时控制系统，对直接数字控制系统是一种在线实时控制系统，对被控对象的全部操作被控对象的全部操作(信

18、息检测和控制信息输出信息检测和控制信息输出)都是在计算机直接参与下进行的，无需管理人员都是在计算机直接参与下进行的，无需管理人员的干预。实时控制是指计算机对于外来的信息处的干预。实时控制是指计算机对于外来的信息处理速度足以保证在所允许的时间区间内完成对被理速度足以保证在所允许的时间区间内完成对被控对象各种状态参数的检测和处理，并形成和实控对象各种状态参数的检测和处理，并形成和实施相应的控制。这个允许的时间区间的大小与计施相应的控制。这个允许的时间区间的大小与计算机的计算速度、被控对象的动态特性、控制功算机的计算速度、被控对象的动态特性、控制功能的复杂程度等因素有关。计算机应配有实时时能的复杂程

19、度等因素有关。计算机应配有实时时钟和完整的中断系统以满足实时性要求。钟和完整的中断系统以满足实时性要求。2分时方式控制分时方式控制 直接数字控制系统是按分时方式进行控制的，按直接数字控制系统是按分时方式进行控制的，按照固定的采样周期对所有的被控制回路逐个进行照固定的采样周期对所有的被控制回路逐个进行采样，依次计算并形成控制输出，以实现一个计采样，依次计算并形成控制输出，以实现一个计算机对多个被控回路的控制。计算机对每个回路算机对多个被控回路的控制。计算机对每个回路的操作分为采样、计算、输出三个步骤。为了在的操作分为采样、计算、输出三个步骤。为了在满足实时性要求的前提下增加控制回路，可以将满足实

20、时性要求的前提下增加控制回路，可以将上述三个步骤在时间上交错安排，例如对第上述三个步骤在时间上交错安排，例如对第1个个回路进行控制时，可同时对第回路进行控制时，可同时对第2个回路进行计算个回路进行计算处理，而对第处理，而对第3个回路进行采样输入。这既能提个回路进行采样输入。这既能提高计算机的利用率，又能缩短对每个回路的操作高计算机的利用率，又能缩短对每个回路的操作时间。时间。3灵活和多功能控制灵活和多功能控制 直接数字控制系统的特点是具有很大的灵直接数字控制系统的特点是具有很大的灵活性和多功能控制能力，它除了有数据采活性和多功能控制能力，它除了有数据采集、打印、记录、显示和报警等功能外，集、打

21、印、记录、显示和报警等功能外，还可以根据事先编好的控制程序，实现各还可以根据事先编好的控制程序，实现各种控制算法和控制功能。种控制算法和控制功能。(3)监督控制系统监督控制系统(SCC)监督控制系统监督控制系统(SupervisoryComputerContr01)简称简称SCC，它是利用计算机对工业生产过程进，它是利用计算机对工业生产过程进行监督管理和控制的计算机控制系统。监行监督管理和控制的计算机控制系统。监督控制是一个二级控制系统，督控制是一个二级控制系统，DDC计算机计算机直接对被控对象和生产过程进行控制，其直接对被控对象和生产过程进行控制，其功能类似于功能类似于DDC直接数字控制系统

22、。直接数字控制系统。直接数字控制系统的设定值是事先规定的，直接数字控制系统的设定值是事先规定的，但监督控制系统可以通过对外部信息的检但监督控制系统可以通过对外部信息的检测，根据当时的工艺条件和控制状态，按测，根据当时的工艺条件和控制状态，按照一定的数学模型和优化准则，在线计算照一定的数学模型和优化准则，在线计算最优设定值，并及时送至下一级最优设定值，并及时送至下一级DDC计算计算机，实现自适应控制，使控制过程始终处机，实现自适应控制，使控制过程始终处于最优状态。监督控制系统结构图如图于最优状态。监督控制系统结构图如图105所示。所示。(4)集散控制系统集散控制系统(DCS)集散控制系统集散控制

23、系统(DistributedControlSystems)简称简称DCS，也称分布式控制系统，是由多台计算机分，也称分布式控制系统，是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。集散控制获取数据和集中管理的自动控制系统。集散控制系统是控制系统是控制(Contr01)、计算、计算(Computer)、数据、数据通讯通讯(Communication)和屏幕和屏幕(CRT阴极射线管阴极射线管屏幕屏幕)显示技术的综合应用，通常也将集散控制称显示技术的综合应用，通常也将集散控制称为为4C技术。技术。集散控制系统采用微

24、处理器分别控制各个集散控制系统采用微处理器分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微机理机实现上一级的控制，各回路能的微机理机实现上一级的控制，各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。集散控制系统具有数据获取、直接信息。集散控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监督和管理等功数字控制、人机交互以及监督和管理等功能。生产过程的控制系统经历了从模拟控能。生产过程的控制系统经历了从模拟控制系统、直接数字控制系统、计算机监督制系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、多级控制系统到集散控制系统控制系

25、统、多级控制系统到集散控制系统的发展过程。的发展过程。计算机多级控制系统是按照企业组织生产计算机多级控制系统是按照企业组织生产的层次和等级配置多台计算机来综合实施的层次和等级配置多台计算机来综合实施信息管理和生产过程控制的数字控制系统。信息管理和生产过程控制的数字控制系统。通常计算机多级控制系统由直接数字控制通常计算机多级控制系统由直接数字控制系统、计算机监督控制系统和管理信息系系统、计算机监督控制系统和管理信息系统三级组成。统三级组成。直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)位于多级控制系位于多级控制系统的最末级，其任务是直接控制生产过程，统的最末级，其任务是直接控制生产过程，实施多种控制

26、功能，并完成数据采集、报实施多种控制功能，并完成数据采集、报警等功能。直接数字控制系统通常由若干警等功能。直接数字控制系统通常由若干台小型计算机或微型计算机构成台小型计算机或微型计算机构成。监督控制系统监督控制系统(SCC)是多级控制系统的第是多级控制系统的第二级，指挥直接数字控制系统的工作，在二级，指挥直接数字控制系统的工作，在有些情况下，监督控制也可以兼顾一些直有些情况下，监督控制也可以兼顾一些直接数字控制系统的工作接数字控制系统的工作。管理信息系统管理信息系统(MIS)主要进行计划和调度，主要进行计划和调度，指挥监督控制系统工作。按照管理范围还指挥监督控制系统工作。按照管理范围还可以把管

27、理信息系统分为若干个等级，如可以把管理信息系统分为若干个等级，如车间级、工厂级、公司级等。管理信息系车间级、工厂级、公司级等。管理信息系统的工作通常由中型计算机或大型计算机统的工作通常由中型计算机或大型计算机来完成。多级控制系统的示意图如图来完成。多级控制系统的示意图如图106所示。所示。多级控制系统存在一些问题，因而应用受多级控制系统存在一些问题，因而应用受到限制。在此基础上发展起来的集散控制到限制。在此基础上发展起来的集散控制系统是生产过程中的一种比较完善的控制系统是生产过程中的一种比较完善的控制和管理系统。在集散控制系统中，按地区和管理系统。在集散控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装

28、置与执行机构附把微处理机安装在测量装置与执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式会提高系对集中。这种分散化的控制方式会提高系统的可靠性，不像在直接数字控制系统中统的可靠性，不像在直接数字控制系统中那样，当计算机出现故障时会使整个系统那样，当计算机出现故障时会使整个系统失去控制。失去控制。在集散控制系统中，当管理级出现故障时，在集散控制系统中，当管理级出现故障时，过程控制级仍有独立的控制能力，个别控过程控制级仍有独立的控制能力，个别控制回路出现故障也不会影响全局。相对集制回路出现故障也不会影响全局。相对集中的管理方式有利于实现

29、功能标准化的模中的管理方式有利于实现功能标准化的模块化设计，与计算机多级控制相比，集散块化设计，与计算机多级控制相比，集散控制系统在结构上更加灵活，布局更加合控制系统在结构上更加灵活，布局更加合理，成本更低。理，成本更低。集散控制系统通常具有二层结构模式、三集散控制系统通常具有二层结构模式、三层结构模式和四层结构模式。图层结构模式和四层结构模式。图107给出给出了二层结构模式的集散控制系统的结构形了二层结构模式的集散控制系统的结构形式。第一级为前端计算机，也称下位机、式。第一级为前端计算机，也称下位机、直接控制单元。前端机直接面对控制对象直接控制单元。前端机直接面对控制对象完成实时控制、前端处

30、理功能。完成实时控制、前端处理功能。第二层称为中央处理机，它一旦失效，设备的控第二层称为中央处理机，它一旦失效，设备的控制功能依旧能得到保证。在前端计算机和中央处制功能依旧能得到保证。在前端计算机和中央处理机间再加一层中间层计算机，便构成了三层结理机间再加一层中间层计算机，便构成了三层结构模式的集散控制系统。四层结构模式的集散控构模式的集散控制系统。四层结构模式的集散控制系统中，第一层为直接控制级，第二层为过程制系统中，第一层为直接控制级，第二层为过程管理级，第三层为生产管理级，第四层为经营管管理级，第三层为生产管理级，第四层为经营管理级。集散控制系统具有硬件组装积木化。软件理级。集散控制系统

31、具有硬件组装积木化。软件模块化、组态控制系统、应用先进的通信网络并模块化、组态控制系统、应用先进的通信网络并具有开放性、可靠性等特点。具有开放性、可靠性等特点。(5)现场总线现场总线(Fieldbus)控制系统控制系统 随着数随着数字通信技术的发展极大地推进着现场级信字通信技术的发展极大地推进着现场级信息网络技术的发展，在国际上出现了现场息网络技术的发展，在国际上出现了现场总线技术。近几年现场总线技术一直是国总线技术。近几年现场总线技术一直是国际自动化领域的热点。际自动化领域的热点。现场总线的概念现场总线的概念包含两方面内容。首先，现场总线是一种包含两方面内容。首先，现场总线是一种通信标准，是

32、全数字化、双向、多信息、通信标准，是全数字化、双向、多信息、多主站通信规程的可应用之技术。把控制多主站通信规程的可应用之技术。把控制功能分散到现场装置中，并能实现以数字功能分散到现场装置中，并能实现以数字形式宽范围的通信。形式宽范围的通信。其次，现场总线的通信标准是开放的，控其次，现场总线的通信标准是开放的，控制系统中的现场仪表装置，用户可自由选制系统中的现场仪表装置，用户可自由选择不同厂商的符合标准的产品，利用现场择不同厂商的符合标准的产品，利用现场总线构成所需控制系统。开放性是现场总总线构成所需控制系统。开放性是现场总线的主要标志之一。线的主要标志之一。现场总线型控制系统现场总线型控制系统

33、结构示意图如图结构示意图如图108所示。图中变送器、所示。图中变送器、调节器、变送调节器、执行器均为直接挂调节器、变送调节器、执行器均为直接挂接在现场总线接在现场总线FB上的全数字化仪表装置，上的全数字化仪表装置，彼此之间以符合现场总线协议规定进行信彼此之间以符合现场总线协议规定进行信息交换。息交换。现场总线技术必将导致新一代现场仪表装现场总线技术必将导致新一代现场仪表装置的推出，必将导致新一代过程控制系统置的推出，必将导致新一代过程控制系统的形成。由于现场总线是开放的、可互操的形成。由于现场总线是开放的、可互操作的，传统的作的，传统的DCS输入、输出结构将被淘输入、输出结构将被淘汰。现场总线

34、型控制系统中汰。现场总线型控制系统中IO接口设备、接口设备、接线板、布线均减小，控制室面积缩小，接线板、布线均减小，控制室面积缩小，维护费用降低。现场总线型控制系统将演维护费用降低。现场总线型控制系统将演变为变为CIPS的低层部分，以适应未来的市场的低层部分，以适应未来的市场竞争。竞争。(6)现场总线集散控制型控制系统现场总线集散控制型控制系统 随着计随着计算机技术的发展，通用算机技术的发展，通用PC机及其系统软件、机及其系统软件、工具软件的性能迅速提高，而价格直趋下工具软件的性能迅速提高，而价格直趋下跌，这促使技术人员舍弃跌，这促使技术人员舍弃DCS的专用计算的专用计算机体系结构及其独家自成

35、体系的系统软件，机体系结构及其独家自成体系的系统软件，而采用通过而采用通过PC机及商品化系统软件，并将机及商品化系统软件，并将先进的现场总线技术融于系统之中，淘汰先进的现场总线技术融于系统之中，淘汰DCS的输人输出结构，从而推出一种面貌的输人输出结构，从而推出一种面貌全新的现场总线集散控制型控制系统。全新的现场总线集散控制型控制系统。近几年国际上如日本横河、美国霍尼韦尔、近几年国际上如日本横河、美国霍尼韦尔、德国西门子等公司先后推出了这种具有开德国西门子等公司先后推出了这种具有开放性、全集成化的控制系统。例如横河的放性、全集成化的控制系统。例如横河的CSl000采用开放的采用开放的Window

36、s NT40操作操作系统，以通用的系统，以通用的PC机作为操作平台；有虚机作为操作平台；有虚拟测试功能，可在拟测试功能，可在PC机上进行工程组态和机上进行工程组态和测试工作；可以运行其他的基于测试工作；可以运行其他的基于WindowsNT应用软件；符合应用软件；符合Foundation现场总线协议，确保现场数据信息快速传现场总线协议，确保现场数据信息快速传递；在需要时，提供递；在需要时，提供24h全球网络支持。全球网络支持。2 数据通信技术不同系统或不同计算机之间的通数据通信技术不同系统或不同计算机之间的通信主要采用并行通信或串行通信两种方式。并行信主要采用并行通信或串行通信两种方式。并行数据

37、数据 通信是指数据的各位同时传送，可以用字并通信是指数据的各位同时传送，可以用字并行传送，也可以用字节并行传送，显然，并行传行传送，也可以用字节并行传送，显然，并行传送的速度高，但传送的距离很短，通常小于送的速度高，但传送的距离很短，通常小于lOm；串行数据通信是数据一位一位顺序传送，因此不串行数据通信是数据一位一位顺序传送，因此不同系统或计算机之间只用很少的几条信号即可完同系统或计算机之间只用很少的几条信号即可完成数据交换，显然，串行传送的速度低，但传送成数据交换，显然，串行传送的速度低，但传送的距离很长，通常可达几十至几千米，甚至更远。的距离很长，通常可达几十至几千米，甚至更远。发展串行通

38、信的目的是为了在长距离间有效地传发展串行通信的目的是为了在长距离间有效地传送数据，并尽可能减少通信线的条数。送数据，并尽可能减少通信线的条数。串行通信串行通信可分为异步和同步传送两种。可分为异步和同步传送两种。在数据传输中，数在数据传输中，数字信号是以串行方式传送的，即一条传输线上所字信号是以串行方式传送的，即一条传输线上所传输的数字状态传输的数字状态“1”或或“0”是以单位时间内高电是以单位时间内高电子和低电平来表示的，一段时间内传输线上高低子和低电平来表示的，一段时间内传输线上高低电子变换，在逻辑上即能表示所传输的一串数据，电子变换，在逻辑上即能表示所传输的一串数据，而在物理上则是一串不同

39、宽度的脉冲，其传输速而在物理上则是一串不同宽度的脉冲，其传输速率是每秒内表示数字状态所用单位时间的数目，率是每秒内表示数字状态所用单位时间的数目，在通信中称为波特率。在通信中称为波特率。对于传输数字信号来说，最普遍而最简单对于传输数字信号来说，最普遍而最简单的方法是用两个不同的电压来表示数字位的方法是用两个不同的电压来表示数字位的两个状态的两个状态(1或或0)。例如，零电压表示。例如，零电压表示0，而恒定的正电压表示而恒定的正电压表示1；或者用恒定的负电；或者用恒定的负电压表示压表示0，而恒定的正电压表示，而恒定的正电压表示1，如图，如图109所示。该图用四种不同的脉冲代码来所示。该图用四种不

40、同的脉冲代码来传输数字信号传输数字信号10110010。图图109(a)属于不归零码属于不归零码NRZ，在码元之间没有，在码元之间没有间隔，所以难以判定一位的结束和另一位的开始，间隔，所以难以判定一位的结束和另一位的开始，需要有某种方法来使发送端和接收端同步。需要有某种方法来使发送端和接收端同步。图图109(b)、(c)属于归零码属于归零码RZ，它们的共同点是每，它们的共同点是每一位的中间有一个跳变，位中间的跳变既作为同一位的中间有一个跳变，位中间的跳变既作为同步时钟，也作为数据：从高到低的跳变表示步时钟，也作为数据：从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示从低到高的跳变表示o。接收端利用位中

41、间跳变。接收端利用位中间跳变很容易分离出同步时钟脉冲。因此，这两种传输很容易分离出同步时钟脉冲。因此，这两种传输编码得到广泛应用。由于时钟数据包含于信号数编码得到广泛应用。由于时钟数据包含于信号数据流中，所以这两种编码被人们称为自同步编码。据流中，所以这两种编码被人们称为自同步编码。通常把图通常把图109(c)称为曼彻斯特称为曼彻斯特(Manchester)编码，它的改进形式如图编码，它的改进形式如图109(d)所示。所示。用每位开始有无跳变来表用每位开始有无跳变来表示示0或或1，即只要有电压变化，即只要有电压变化(不管其变化方不管其变化方向如何向如何)就表示就表示0，而无电压变化就表示，而无

42、电压变化就表示1。人们把这种编码称为差动曼彻斯特编码。人们把这种编码称为差动曼彻斯特编码。在使用双绞线作传输介质的网络中，这种在使用双绞线作传输介质的网络中，这种编码是非常方便的。由于变化的极性无关编码是非常方便的。由于变化的极性无关紧要，因此，当把设备接到通信网上时，紧要，因此，当把设备接到通信网上时，完全可以不考虑哪条线应该接哪个端子。完全可以不考虑哪条线应该接哪个端子。2.1 异步传送与同步传送异步传送与同步传送 2.1.1 异步传送异步传送 在异步通信中，发送的每一个数据字符均带有起在异步通信中，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位。数据之间没有始位、停止位和可选择

43、的奇偶位。数据之间没有特殊关系，也没有发送或接收时钟。异步通信的特殊关系，也没有发送或接收时钟。异步通信的信息格式如图信息格式如图1010所示。电平由高到低的起始所示。电平由高到低的起始位通知接收信息，并在所期望的数据间隔期间启位通知接收信息，并在所期望的数据间隔期间启动时钟提供锁存脉冲。停止位表示该字符传送结动时钟提供锁存脉冲。停止位表示该字符传送结束并返回到标志束并返回到标志(连续的连续的1)状态，每个字符的位数状态，每个字符的位数可视使用的要求而改变。可视使用的要求而改变。异步方式对于低速数据通信来说是理想的，异步方式对于低速数据通信来说是理想的，例如终端操作。在这种操作中，允许间断例如

44、终端操作。在这种操作中，允许间断操作，但开销较大。操作，但开销较大。2.1.1 同步传送同步传送 同步通信需要与数据一起传送时钟信息。同步通信需要与数据一起传送时钟信息。数据流中每一个连续不断的数据位均要由数据流中每一个连续不断的数据位均要由一个基本数据时钟控制，并定时在某个特一个基本数据时钟控制，并定时在某个特定的时间间隔上。时钟信息可以通过一根定的时间间隔上。时钟信息可以通过一根信号线进行传送，也可以通过将信息中的信号线进行传送，也可以通过将信息中的时钟代码化来实现，例如曼彻斯特编码方时钟代码化来实现，例如曼彻斯特编码方法，如图法，如图1011(a)、(b)所示。所示。在同步通信方式的一帧

45、信息中，可以将多在同步通信方式的一帧信息中，可以将多个要传送的字符放在同步字符的后面，这个要传送的字符放在同步字符的后面，这样，每个字符的起始位和停止位就不需要样，每个字符的起始位和停止位就不需要了，因此，与异步通信相比较，信息中每了，因此，与异步通信相比较，信息中每个字符的开销可以大大减少。个字符的开销可以大大减少。由于每一位由于每一位信息均要被同步时钟采样，这就可以提高信息均要被同步时钟采样，这就可以提高数据速率和准确率。同步通信的帧格式可数据速率和准确率。同步通信的帧格式可有多种。单同步格式如图有多种。单同步格式如图1012(a)所示。所示。每一帧的开始需要一个同步字符。所发送每一帧的开

46、始需要一个同步字符。所发送的时钟保证在每一位的中间采样该位数据。的时钟保证在每一位的中间采样该位数据。由给定的数据所形成的帧来管理控制所需由给定的数据所形成的帧来管理控制所需的信息传送。与异步传送的奇偶校验相类的信息传送。与异步传送的奇偶校验相类似，这里采用循环冗余码似，这里采用循环冗余码(CRC)来检测传输来检测传输中的错误。中的错误。双同步格式如图双同步格式如图1012(b)所示。所示。在每一帧的数据前面需要两个同步字符。在每一帧的数据前面需要两个同步字符。使用特殊字符进一步形成帧的字同步格式使用特殊字符进一步形成帧的字同步格式有多种方法。有多种方法。图图1012(c)所示为所示为IBM双

47、同步格式，由专双同步格式，由专门的字符定义帧头门的字符定义帧头(SOH)、正文的头、正文的头(STX)和正文的尾和正文的尾(ETX)。若以上字符的任何一个。若以上字符的任何一个作为数据出现在正文中，那是很容易识别作为数据出现在正文中，那是很容易识别的，并不会当作管理字符，显然，一旦出的，并不会当作管理字符，显然，一旦出错，该帧要被重发才行。错，该帧要被重发才行。2.2 面向字符和面向位的传送面向字符和面向位的传送 2.2.1面向字符的传送面向字符的传送 异步传送是面向字符的。在异步传送中通常采用异步传送是面向字符的。在异步传送中通常采用ASCII编码。例如：编码。例如：“A”字符的字符的ASC

48、II编码的传送编码的传送情况如图情况如图1013所示。所示。图图1013是单个字符的是单个字符的传送定时图。由图可知，空闲或等待状态为高电传送定时图。由图可知，空闲或等待状态为高电平，每个字符以平，每个字符以1个个“0”位开始，即起始位，随位开始，即起始位，随后是后是8个数据位个数据位(也可以是较少的位数也可以是较少的位数)，随后是，随后是1、1个半或个半或2个停止位。数位之间的时间间隔是固定个停止位。数位之间的时间间隔是固定的时间周期，这个周期是由发送器和接收器中的的时间周期，这个周期是由发送器和接收器中的局部时钟决定的。局部时钟决定的。目前常用的波特率为目前常用的波特率为300、600、1

49、200、2400、4800、9600，最高为，最高为192k。在。在1个字节的个字节的8位数据内，最先发送的是最低有位数据内，最先发送的是最低有效位，因此，图中数据发送的顺序为效位，因此，图中数据发送的顺序为10000010，其代表的，其代表的ASCII码为字符码为字符A。数。数据后为奇偶校验位。若最低位书写在右边据后为奇偶校验位。若最低位书写在右边时就是时就是0100000141H，接收端应承认这，接收端应承认这就是就是A字符的正确编码。字符的正确编码。显然，在异步传显然，在异步传送中，起始位和停止位分别表明一个字符送中，起始位和停止位分别表明一个字符编码的传送开始和结束。编码的传送开始和结

50、束。然而，它们更为重要的目的是为了使接收然而，它们更为重要的目的是为了使接收器中的局部时钟与新接收字符再同步。其器中的局部时钟与新接收字符再同步。其主要工作原理如下：主要工作原理如下：由于发送和接收的两由于发送和接收的两端不同步，接收器就必须有端不同步，接收器就必须有1个机构来寻找个机构来寻找1个新接收字符在何时开始；个新接收字符在何时开始；另外，由于接另外，由于接收和发送端的时钟不可能完全一样，它们收和发送端的时钟不可能完全一样，它们的频率可能有差异，接收器要用字符传送的频率可能有差异，接收器要用字符传送速率某倍频的局部时钟，如速率某倍频的局部时钟，如64倍频、倍频、16倍倍频时钟来采样被传