第2章　集散控制系统 基 础 知 识

●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 本章主要内容

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 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

管理网络 监控网络 现场网络 控制网络 图2.1 集散控制系统的体系结构

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。

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。

➢过程控制级设备的主要功能 ➢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。

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； ➢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。

➢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。

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。

➢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 。

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 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。

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。 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。

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 1.机柜 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 现场控制站机柜 中央控制室机柜间

机柜正面（前面） 机柜背面（后面） 现场控制单元 通信接口 接线端子板 电源单元 多层I/O卡件箱 现场控制站机柜

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。

➢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。

3.控制计算机 导轨 电源单元 现场总线接口卡件 I/O卡件 控制器 控制计算机

(1)CPU ➢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。 ●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。

(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。

(3)总线 (4)输入/输出通道 ●总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。 ●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)

①模拟量输入输出通道(AI/AO) ●模拟量输入通道(AI) ●模拟量输出通道(AO) ➢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。

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。 ②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。 ③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。

2.2.2 操作站 工程师站 控制站 嵌入型台式操作站 信息报警站 显示器 桌面型操作站 主机 标准键盘 工作台 操作站主机柜 2.2.2 操作站 工程师站 控制站 嵌入型台式操作站 信息报警站 显示器 桌面型操作站 主机 标准键盘 工作台 操作站主机柜 中央控制室设备

☞ 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。

●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 操作站设备

2.2.3 冗余技术 1. 冗余方式

同 步 运 转 双重化配置 输入 输出 输入 输出 三重化配置

➢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，

➢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。

➢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。

➢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。

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。

2.3 集散控制系统的软件体系 本节内容提要 ☞系统软件 ●实时多任务操作系统 ●面向过程的编程语言 ●工具软件 ☞应用软件 ●通信管理软件 2.3 集散控制系统的软件体系 本节内容提要 ☞系统软件 ●实时多任务操作系统 ●面向过程的编程语言 ●工具软件 ☞应用软件 ●通信管理软件 ●组态生成软件 ●诊断软件

2.3.1 集散控制系统的系统软件 ☞集散控制系统的系统软件 ●一组支持开发、生成、测试、运行和维护程序的工具软件。 ➢操作系统 2.3.1 集散控制系统的系统软件 ☞集散控制系统的系统软件 ●一组支持开发、生成、测试、运行和维护程序的工具软件。 ➢操作系统 ●用来控制计算机系统中用户程序的执行顺序。 ●为用户程序与系统硬件提供接口软件。 ●允许这些程序 ( 包括系统程序和用户程序 ) 之间交换信息。

2.3.2 集散控制系统的组态软件 ☞DCS组态（或组态设计） ☞在实时工业计算机系统中，应用程序用来完成功能规范中所规定的功能。 2.3.2 集散控制系统的组态软件 ☞在实时工业计算机系统中，应用程序用来完成功能规范中所规定的功能。 ☞DCS组态（或组态设计） ●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。

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 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

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

(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

➢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。

(2)报警处理 ①报警类型 ②报警限值 ③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

常 用 算 法 (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 ●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 ●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

(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

(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

2.逻辑控制 逻 辑 控 制 功 能 ➢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 )

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

➢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。 ➢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。

4.批量控制 顺序控制的条件信号 ➢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

●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

5.辅助功能 (1)控制方式选择 (2)测量值跟踪 ●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。

(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。

2.4.2 操作站的基本功能 操作站的基本功能分布图

2.4.3 自诊断功能 ●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； 2.4.3　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。

2.5 数据通信技术 本节内容提要 1.数 据 通 信 原 理 ●通信系统的组成 ● 通信类型 ●传输方式 ●串行传输与并行传输 2.5 数据通信技术 本节内容提要 1.数 据 通 信 原 理 ●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

2. 通 信 网 络 3.通信协议 ●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 ●通信协议的概念 2. 通 信 网 络 ●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 3.通信协议 ●通信协议的概念 ●开放系统互连参考模型

4.现场总线简介 ●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

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。 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。

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

(1)信号 (报文) (2)发送装置 (3)接收装置 ●需要传送的数据，由文本、数字、图片或声音等及其组合组成。 (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。

(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

(5)通信协议 通信过程 ●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。

2. 通信类型 ➢模拟通信 ➢数字通信 ➢数据信息 ●以连续模拟信号传输信息的通信方式。 ●将数字信号进行传输的通信方式。 ●具有一定编码、格式和字长的数字信息。

3.传输方式 (l)单工方式 (2)半双工方式 (3)全双工方式 ●信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。 ●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。

图2.3 信息传输方式

4.串行传输与并行传输 (1)串行传输 (2)并行传输 ●数据逐位依次在信道上进行传输的方式。 ●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。

图2.4 串行传输与并行传输 (a)串行传输；(b)并行传输

5. 基带传输与宽带传输 (1)基带传输 (2)宽带传输 ●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。 ●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。

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。

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。

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。

➢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。

(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。

图2.5 三种调制方式

9.数据交换方式

(1)线路交换方式 通信过程 线路建立 数据通信 线路拆除 两个节点之间，事先建立起一条实际的物理连接。 在这条实际的物理连接上交换数据。 数据交换完成之后再拆除物理连接。

(2)报文交换方式（存储转发方式） (3)报文分组交换方式 ●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； 源地址 数据 控制信息 目的地址 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。

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。

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。

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

(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

(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

(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

(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。

图2.9 树型拓扑结构

(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

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

(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

(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。

●基带同轴电缆 (如 50Ω同轴电缆 )用于基带传输。 ●宽带同轴电缆 (如75Ω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。

(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。

光缆的构成

图 2.11 传输介质

图 2.12 光在纤芯中的传播原理

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

(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。

(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

(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。

➢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。

➢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

信息传送过程： (4)存储转发式 ●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。

5.差错控制技术 (1)差错控制 ➢ 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。

(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 ①突发错误：由突发噪声引起的，其特征是误码连续成片出现； ②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。

➢DCS的传输速率一般在 0.5～100Mbps 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。

➢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。

(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。

➢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。

①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。

②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。

➢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。

2.5.3 通信协议 1.通信协议的概念 ➢网络通信功能包括两大部分，即数据传输和通信控制。 2.5.3 通信协议 1.通信协议的概念 ➢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)语法 (2)语义 (3)时序 ➢通信协议的关键要素： ●语法( Syntax )包括数据格式、信号电平等规定。 (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。

➢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。

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。

➢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”。

图 2.14 开放系统互连参考模型

➢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”。

➢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。

➢ 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。

2.5.4 现场总线简介 ➢现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向、串行、数字式、多节点的通信网络，被称为现场底层设备控制网络（Infranet）。 ➢现场总线可以支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，可以与工厂自动化控制设备互连，实现现场传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信。 ➢由于现场总线遵循国际标准通信协议，因而具有开放、互联、兼容和互操作的特性，使得集散控制系统的功能更加强大。

1.现场总线的国际标准 ➢现场总线的关键技术是通信协议。 ➢IEC (国际电工委员会)等国际标准化组织，通过了十几种总线标准。 (1)IEC TC65(国际电工委员会第 65 技术委员会) ➢2003年IEC 通过了修订的现场总线国际标准 IEC 61158，共有10种类型，其内容见表2.1。

表2.1 IEC 61158 现场总线类型 类型编号 现场总线名称 主要支持的公司 1 FF H1 Emerson ( 美 ) 2 Control Net Rockwell ( 美 ) 3 Profibus Siemens ( 德 ) 4 P-Net Process Data ( 丹麦 ) 5 FF HSE 6 Swift Net Boeing ( 美 ) 7 World FIP Alstom ( 法 ) 8 Inter Bus Phoenix Contact ( 德 ) 9 FF FMS 10 Profi Net

(2)IEC TC17(国际电工委员会第 l7 技术委员会) ➢IEC62026 有 4 种现场总线类型，即AS-i(Actuator Sensor Interface，执行器传感器接口，Siemens 公司)；Device Net (设备网，Rockwell 公司)；SDS (Smart Distributed System，灵巧式分散型系统，Honeywell 公司) 及Seriplex(串联多路控制总线) 。 (3)ISO11898与ISO11519 ➢ISO有一种CAN(控制局域网) 现场总线类型，即CAN ISO11898(1Mbps)和CAN ISO11519(125kbps)，主要由德国 Robert Bosch 公司支持。

2.现场总线通信模型 ➢现场总线系统根据现场环境的要求，对ISO/OSI 参考模型进行了优化，除去了实时性不强的中间层，并增加了用户层，这样构成了现场总线通信系统模型。

图 2.15 FF H1 模型

3.现场总线的网络拓扑结构 ➢基金会现场总线分高速、低速两种规范。 ➢低速总线 H1 的传输速率为 31.25kpbs； ➢高速总线 HSE 的传输速度为1Mpbs 和 2.5Mpbs 两种。 ➢低速现场总线 H1 支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速现场总线 HSE 只支持总线型拓扑结构。

图 2.16 基金会现场总线的拓扑结构

➢所有的节点 ( 现场总线仪表 ) 都通过通信接口直接连接到公用通信总线上，任何一个节点向网上发送的信号能被总线上所有其他节点接收。 ➢总线型结构接口简单，扩充容易，成本较低，通过适当的通信控制策略可以有较好的通信实时性。 ➢一条总线的长度和可接入的节点数都是有限的。 ➢在工业控制系统中常用冗余总线方式及分层分级的结构来提高系统通信能力及通信信道的可靠性。

3. HART总线简介 ➢ HART (Highway Addressable Remote Transducer) 是可寻址远程传感器总线的简称。 ➢特点是保持了模拟的 4～20mADC 信号，数字通信可以叠加在两根相同的双绞上，而不干扰模拟电流回路。 ➢HART 总线以ISO/OSI模型为参考，采用第1、2、7三层。 ➢HART 总线传输速率较低，为1200 bps，新版本的协议已将传输速率提高到 9600 bps，通信距离最远可达 3000m。

(1) HART 编码 ➢ HART采用基于 Bell 202 标准的频移键控(FSK)技术，将数字信号作为交流信号叠加在 4～20mA 的直流信号上，如图2.17所示。 ➢“0”和“1”对应的位分别被编码为 2200Hz 和 1200Hz 的正弦波，如图2.18所示。 ➢传送时将信息比特转换为相应频率的正弦波。 ➢接收时将一定频率的正弦波转换回对应状态的信息比特 。

➢ HART 标准优点 ●频率信号是完全对称的正弦波，没有增加直流成分。 ●数字通信信号不会干扰 4～20mADC 的模拟信号，这就使数字通信与模拟信号并存而不相互干扰。 ●数字通信对模拟的 4～20mA 信号不产生任何干扰。 ●由一个 HART 通信芯片完成信号的调制和解调。

(2)HART 信号传输 ➢ FSK 信号的传输是在电流回路上调制一个幅度大约在 0.5mA 的交流信号。 ➢被动的设备（如多数现场仪表）是通过改变它们的电流来实现信号调制的。 ➢主动设备（像手持编程器）则可以直接发送信号。

图 2.17 数字信号叠加在直流信号上

图2.18 Bell 202 波形

➢HART 网络必须在设备和供电之间连接一个电阻。 ➢位于主站 (host) 输入模板上的电阻一般为 250Ω。 ➢两个作用： ●防止直流电源将交流信号短路。 ●作为通信信号的负载。 ➢当 FSK 电流通过这个电阻时，产生了一个 0.125V 的交流压降。换句话说，通过电流实现信息发送，通过电压实现信息接收。 ➢如果在回路中没有足够的电阻，那么电压将会小到难以检测，并导致通信失败。

➢HART协议是主从式通信协议。 ➢变送器作为从设备应答主设备的询问，连接模式有一台主机对一台变送器或一台主机对多台变送器。 ➢当一对一时，即点对点通信时，智能变送器处于模拟信号与数字信号兼容状态。 ➢当多点通信时，4～20mADC 信号作废，只有数字信号，每台变送器的工作电流均为 4mA DC。

(3)HART字符 ➢ HART 使用一个异步模式来通信。 ➢为了保持发送和接收设备的同步，数据一次传送一个字节。 ➢字符从一个起始位“0”开始，其后是8个真实数据位，一个奇校验位以及一个停止位“1”。如图2.19所示。 ➢校验位被设置为“0”或者“1”，使得包括数据和校验位在内的“1”的个数为奇数。 ➢校验位通过检查接收到的字节中“1”的数目是否确实为奇数，来检测传输是否出错，而确保传输的数据完整性。

图2.19 HART字符

本章小结 ➢集散控制系统以局部网络为依托，采用分级分层的体系结构。按系统中各设备的功能，自下而上可分为现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级等四个层次。 ➢集散控制系统的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信线路及接口设备等组成。分散过程控制装置的类型有现场控制站、数据采集站、顺序逻辑控制站和批量控制站等。现场控制站的基本设备是机柜、电源和控制计算机。

➢控制计算机一般是由 CPU、存储器、输入 / 输出通道和通信接口等部分组成的。操作站的基本设备有操作台、微处理机系统、外部存储设备、操作键盘及鼠标、图形显示器、打印输出设备和通信接口等，以PC系统为基础的通用操作站是DCS的发展方向。 ➢有重点地采用冗余化技术是提高DCS可靠性的重要措施。 ➢集散控制系统的软件既包括系统软件和应用软件，还增加了通信管理软件、组态生成软件及诊断软件等。

➢现场控制站的基本功能包括反馈控制、逻辑控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理和数据通信等功能。操作站的基本功能主要有显示、操作、报警、组态、系统维护和报告生成等。集散控制系统的各装置具有较强的自诊断功能。 ➢DCS的通信网络实质就是计算机网络，利用通信网络将各工作站连接起来，并配置网络软件，实现集中监视、操作、信息管理、分散控制和数据通信等功能。

思考题与习题 1. 什么是集散控制系统?其基本设计思想是什么? 2. 简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能。 3. 操作站主要包括哪些设备? 操作站的功能有哪些? 4. 构成现场控制站的主要设备有哪些？它具有哪些功能？ 5. 集散控制系统的软件系统包括哪些软件? 6. 现场控制站有哪些基本功能? 7. 反馈控制有哪些功能? 8. 输入输出处理功能主要包括哪些方面?

9. 简述报警功能。 10. 集散控制系统为什么能实现无扰动切换? 11. 什么是组态?简述组态过程。 12. 数据通信系统是由哪些部分组成的？ 13. 简述数据传输方式、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、信息编码、数据交换方式。 14. 什么是信息传输速率？它的单位怎样表示？ 15. 什么是局部网络？它的拓扑结构、传输介质、网络控制方法分别有哪几种？ 16. 什么是通信协议？

17. 开放系统互连参考模型( OSI)是怎样的？简述“包封”和“拆封”过程。 18. 什么是现场总线？ 19. 基金会现场总线 FF H1模型是怎样的？简述其拓扑结构。 20. 什么是 HART总线？HART总线有什么特点？