2.1DCS的基本概念2.2DCS的結(jié)構(gòu)組成及特點2.3

DCS的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)2.4DCS的網(wǎng)絡(luò)存取控制技術(shù)2.5DCS的組態(tài)

2.6DCS的可靠性

2.7DCS的常用控制算法

第2章集散型控制系統(tǒng)（DCS）導(dǎo)論2.1DCS的基本概念集散型控制系統(tǒng)又稱分布式控制系統(tǒng)，是計算機技術(shù)

(Computer)、通信技術(shù)(Communication)、圖形顯示技術(shù)

(CRT)、控制技術(shù)(Control)(簡稱4C技術(shù))相融合的產(chǎn)物。 它是通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師 站聯(lián)系起來，共同完成分級控制、集中管理的綜合控制系 統(tǒng)。它的基本設(shè)計思想是危險分散、控制功能分散、而操 作和管理集中。美國HoneyWell公司于1975年11月成功推出了第一套DCS——TDC2000型集散控制系統(tǒng)。

2.2DCS的結(jié)構(gòu)組成及特點

2.2.1DCS的結(jié)構(gòu)組成 集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。它由過程 控制單元、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作站、監(jiān)控計算機以及高速 數(shù)據(jù)通路等五部分組成。圖2-1

DCS的基本結(jié)構(gòu)過程控制單元(ProcessControlUnit，PCU)，又稱現(xiàn) 場控制站或基本控制器，它是DCS的核心部分。數(shù)據(jù)采集器(DataAcquisitionUnit，DAU)，又稱過程 接口單元(ProcessInterfaceUnit，PIU)，

它是為生 產(chǎn)過程中存在的非控制變量設(shè)置的采集裝置。CRT操作站，是DCS與外界聯(lián)系的人機接口裝置。它有操 作員鍵盤和工程師鍵盤之分。監(jiān)控計算機，又稱管理計算機(MangerComputer，MC)，也稱上位機，是DCS的主機，它綜合監(jiān)視DCS的各單元。高速數(shù)據(jù)通路(DataHiWay，HW)，是一種具有高速通信 能力的信息總線。一般由雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維 組成。DCS的結(jié)構(gòu)組成2.2.2DCS的特點

高可靠性靈活的擴展性完善的自主控制性完善的通信網(wǎng)絡(luò)與一般的計算機控制系統(tǒng)相比，多層分級、合作自治結(jié)構(gòu)形式的DCS具有以下特點：2.3DCS的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

2.3.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義

計算機網(wǎng)絡(luò)是將地理位置不同，而且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)，通過通信設(shè)備和線路將它們連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信息交換方式、控制程序和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng))實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源(硬件、軟件、信息)共享的系統(tǒng)。從所覆蓋的地域范圍大小來分類，計算機網(wǎng)絡(luò)可劃分為遠(yuǎn)程網(wǎng)、局部網(wǎng)和分布式多處理機三類。遠(yuǎn)程網(wǎng)的傳輸距離可達數(shù)千米以上，分布式多處理機的傳輸距離僅限于幾米以內(nèi)，而局部網(wǎng)的傳輸距離介于兩者之間，約幾百米到幾千米。2.3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其特點

計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就是“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”。它是指網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點與主機之間實現(xiàn)互連的方式，如圖

2-2所示。其中方框代表網(wǎng)絡(luò)中的計算機，又稱主機；圓圈代表主機與通信線路之間的接口，又稱節(jié)點；節(jié)點之間的通信線路稱為通信鏈路。通常把節(jié)點和通信鏈路的集合統(tǒng)稱為通信子網(wǎng)，而把所有主機統(tǒng)稱為資源子網(wǎng)。圖2-2

計算機網(wǎng)絡(luò)

通信子網(wǎng)分為點對點子網(wǎng)和廣播子網(wǎng)兩種。點對點子網(wǎng)的特點：每一條通信鏈路只連接一對節(jié)點。點對點子網(wǎng)又稱存儲轉(zhuǎn)發(fā)子網(wǎng)。點對點子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全連接、星形連接、環(huán)形連接、樹形連接以及不規(guī)則連接等形式，如圖2-3所示。通信子網(wǎng)----點對點子網(wǎng)圖2-3

點對點子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2-4

廣播子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通信子網(wǎng)----廣播子網(wǎng)廣播子網(wǎng)的特點：所有節(jié)點共享單一的通信媒體，任何一個節(jié)點發(fā)出的信息都能直接被所有節(jié)點接收到，而不需經(jīng)過中間節(jié)點的轉(zhuǎn)接，又稱多點共享。廣播子網(wǎng)有無線和有線兩種傳播方式。其中總線網(wǎng)和環(huán)形總線網(wǎng)是有線廣播子網(wǎng)的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2-4所示。2.3.3通信介質(zhì)

通信介質(zhì)又稱傳輸介質(zhì)或信道，是指連接網(wǎng)上各節(jié)點 之間的物理信號通路。常見的通信介質(zhì)有雙絞線、同軸電 纜和光纜三種。圖2-5所示為部分通信介質(zhì)。

1.雙絞線

把兩根平行導(dǎo)線按一定節(jié)距絞合在一起，外面包裹金屬箔屏蔽層的信號線稱為雙絞線，如圖2-5a所示。

2.同軸電纜

由內(nèi)導(dǎo)體、用于固定內(nèi)導(dǎo)體的電介質(zhì)絕 緣層、外屏蔽導(dǎo)體和外絕緣層構(gòu)成。如圖2-5b所示。

3.光纜

光纜的內(nèi)芯是由兩層折射率不同的SiO2拉制 而成的光導(dǎo)纖維，外面敷有一層覆層，在覆層外面也有一 層光導(dǎo)纖維。如圖2-5c所示。

圖2-5通信介質(zhì)

a）雙絞線

b）同軸電纜

c）光纜

2.3.4數(shù)據(jù)通信

通信的目的就是傳輸信息(如語言、文字、數(shù)碼、符 號、圖像等)。傳輸信息的實體就是數(shù)據(jù)，它分為數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)和模擬數(shù)據(jù)兩種。傳輸數(shù)據(jù)的載體稱為信號，它分為模 擬信號和數(shù)字信號。信息的傳送有4種組合形式，分別為：

模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳送模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送

常用的實現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送的3種編碼方式是不歸零制編 碼(NRZ)、曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼，如圖2-7

所示。

不歸零制編碼是利用低電平表示二進制數(shù)“0”、高電平表示二進制 數(shù)“1”來實現(xiàn)對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼。

曼切斯特編碼又稱為歸零制編碼（RZ），它是在每一位二進制代 碼（又稱為碼元）的中間有一個跳變。例如由低電平跳到高電平表示 數(shù)字“0”，由高電平跳到低電平表示數(shù)字“1”，接收端可以依據(jù)跳變信號 來同步，并分離出數(shù)字信號；

差分曼切斯特編碼的編碼規(guī)則是：若碼元為“1”，則其前半個碼元 的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；若碼元為“0”，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送圖2-7

數(shù)字信號的編碼

2.3.5數(shù)據(jù)傳輸中的差錯控制

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本任務(wù)就是高效、無差錯地傳送數(shù)據(jù)，但任何傳輸信道（或傳輸過程）都會存在一定程度的噪聲或干擾，導(dǎo)致接收端收到的二進制數(shù)據(jù)序列R與發(fā)送端發(fā)送出來的二進制數(shù)據(jù)序列C不一致，即產(chǎn)生“差錯”。引起差錯的噪聲有兩類：一類是由分子熱運動引起的白噪聲；另一類是由來自各種電磁干擾引起的沖擊噪聲。為了實現(xiàn)無差錯通信，DCS采用信息冗余技術(shù)，以提高檢錯和糾錯能力。在數(shù)據(jù)通信中，利用抗干擾編碼實現(xiàn)差錯控制的基本方式有：自動糾錯、檢錯重發(fā)以及二者混合糾錯(簡稱HRC)?？垢蓴_編碼是常見的糾錯和差錯控制方法。常用的抗干擾編碼有：奇偶檢驗碼，循環(huán)冗余碼?？垢蓴_編碼

奇偶檢驗碼它是最簡單的檢錯碼，其編碼規(guī)則是把 要傳送的數(shù)據(jù)碼元分成組，在每組二進制數(shù)據(jù)后面加 一位校驗位（又稱為奇偶檢驗位），校驗位的碼元和 要傳送的數(shù)據(jù)碼元中的“1”的個數(shù)相等。若為偶數(shù)時叫 偶校驗；“1”的個數(shù)若為奇數(shù)時叫奇校驗。循環(huán)冗余碼

(CyclicRedundancyCheck，CRC)簡稱循環(huán)碼，它的檢錯能力相當(dāng)強，是DCS中最常用的糾錯碼。

系統(tǒng)循環(huán)碼的生成步驟

設(shè)某k位信息碼為，其相應(yīng) 的多項式為：將兩邊分別乘以，得到

利用余式定理，上式可寫成

式中，和分別為多項式除以多項式 后的商式和余式。

因為生成多項式的次數(shù)是，所以的次數(shù)必 為

或小于

，即： 因此，由生成的循環(huán)碼中的一個碼多項式，記為

對應(yīng)的二進制循環(huán)碼為

式中，為個信息位，為 個校驗位。系統(tǒng)循環(huán)碼的生成步驟

【例2-1】已知信息碼，設(shè)采用的生成多項式為

，求生成（7，3）循環(huán)冗余碼。解：已知信息碼，對應(yīng)的多項式，生成多項式，為了獲得循環(huán)冗余碼，將多項式 乘以（這里）成為，再除以生成多項式。經(jīng)過計算得余式，于是循環(huán)冗余碼多項式為對應(yīng)的二進制循環(huán)冗余碼為1010011。

【例2-1】（續(xù)）2.3.6信道極限傳輸能力

一般來說，信道極限傳輸能力與頻帶寬度、信噪比和信號調(diào)制方式有關(guān)，信道頻帶越寬或信噪比越高，傳輸能力就越強。目前，調(diào)制方式所產(chǎn)生的的影響只能用經(jīng)驗公式表示。

1.無噪聲信道上的最高數(shù)據(jù)傳輸速率

如果一個無噪聲信道的頻帶寬度為H(Hz)，信道上傳輸?shù)男盘栍蒝個離散電平組成，則在這個信道上最高數(shù)據(jù)傳輸速率為

2.噪聲信道上的最高數(shù)據(jù)傳輸速率

實際信道通常具有噪聲，噪聲信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為

式中,為信號的信噪比，與信號使用的電平等級無關(guān)；仍為頻帶寬度（Hz）。【例2-2】已知數(shù)據(jù)傳送的信噪比為10，頻帶寬為3kHz，試 求無噪聲與有噪聲信道上的極限傳輸能力。解：第一種情況：無噪聲信道上的極限傳輸能力由題意可知，頻帶寬度為3kHz，信道上傳送的信號假設(shè)為2個離散的電平，則

bit/s

第二種情況：有噪聲信道上的極限傳輸能力由題意可知，數(shù)據(jù)傳送的信噪比為10，頻帶寬度為3kHz，則

bit/s

信道極限傳輸能力

3.信號調(diào)制技術(shù)對極限傳輸能力的影響

信號調(diào)制技術(shù)對信道最高數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，可以用下式表示式中，H為頻帶寬度(Hz)；k為頻帶效率，反映調(diào)制技術(shù)影(bit?Hz/s)，它的經(jīng)驗值為 調(diào)頻：0.5-1.7

二相制調(diào)相：0.9

四相制調(diào)相：1.8

八相制調(diào)相：2.5-32.3.7DCS的通信網(wǎng)絡(luò)特點

DCS的通信網(wǎng)絡(luò)將工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站連接起來，以達到危險分散、控制功能分散、顯示與管理集中的工業(yè)控制目的，因此，它與一般辦公室用的局部網(wǎng)絡(luò)有區(qū)別，主要由以下特點：實時響應(yīng)能力高可靠性適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境分層結(jié)構(gòu)2.3.8DCS的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

由于DCS的生產(chǎn)廠家不同，型號也不一定相同，在硬件和軟件上的差異給通信帶來許多困難。所以，必須有一套使網(wǎng)絡(luò)全體“成員”共同遵守的“約定”，以便實現(xiàn)彼此通信和共享資源，這就是人們常說的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。常用的DCS通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有：

開放系統(tǒng)互連參考模型(TheReferenceModelofOpenSystemInterconnection，OSI）IEEE802標(biāo)準(zhǔn)制造業(yè)自動化通信協(xié)議

(ManufacturedAutomationProtocol，MAP)過程數(shù)據(jù)高速公路協(xié)議

(ProcessDataHiWay：PROWAY)2.4DCS的網(wǎng)絡(luò)存取控制技術(shù)

在DCS中，常用的存取訪問控制技術(shù)有：

1.輪詢(Poll)2.令牌傳送(TokenPassing)3.帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問

(CarrierSenseMultipleAccesswith CollisionDetection，CSMA/CD)2.4.1輪詢(Poll)

輪詢主要適用于集中控制的網(wǎng)絡(luò)（如星形網(wǎng)、樹形網(wǎng)和有總線控制器的總線網(wǎng)），在DCS中稱為1對n的控制方式。圖2-10表示輪詢的工作過程。輪詢的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡(luò)訪問分配情況可以預(yù)先確定；它的缺點是訪問速度慢，可靠性差等。圖2-10輪詢工作過程2.4.2令牌傳送(TokenPassing)

令牌傳送適用于環(huán)形網(wǎng)或在邏輯序列上將節(jié)點連接成環(huán)的總線網(wǎng)。在采用廣播方式的DCS中稱為n對n的控制方式。它是由環(huán)上有一個稱為令牌的信息包沿環(huán)中各節(jié)點依次傳送信息的。該令牌有空、忙兩種狀態(tài)。圖2-11歸納了上述令牌傳送的工作過程。令牌傳送的優(yōu)點是不需要網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)訪問分配情況可以預(yù)先確定，所以它適用于大型總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；它的缺點是當(dāng)令牌丟失或信息包在環(huán)上無限制地循環(huán)時，必須由指定的監(jiān)視節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中注入一個新令牌或?qū)⑿畔废?/p>

a)b)c)d)

圖2-11令牌傳送的工作原理2.4.3帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問 (CSMA/CD)

帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問技術(shù)適用于總線網(wǎng)。由于接在總線上的各個站共享一條廣播式的傳輸線，為防止信息在傳輸線上發(fā)生“碰撞”的情況，可以采用“先聽后講，邊講邊聽”的辦法，即CSMA/CD技術(shù)。CSMA/CD工作原理如圖2-12所示。這種方法的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，可靠性高，允許節(jié)點迅速地訪問通信網(wǎng)絡(luò)；它的缺點是通信響應(yīng)時間不確定，如果網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域較廣，則通信效率會降低。圖2-12CSMA/CD工作原理2.5DCS的組態(tài)

DCS的組態(tài)（configure）就是根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，確定DCS的規(guī)模和具體組成，形成一個完整的控制方案的設(shè)計過程。正確組態(tài)涉及到系統(tǒng)的正確設(shè)計。

DCS的組態(tài)功能一般包括以下兩方面：硬件組態(tài)（又稱系統(tǒng)配置）軟件組態(tài)2.5.1DCS硬件組態(tài)

DCS硬件組態(tài)實際上是完成系統(tǒng)設(shè)備間的軟連接，它是先選擇硬件設(shè)備，然后在顯示器上完成系統(tǒng)硬件的配置，也就是硬件系統(tǒng)的建立（setup）問題，它包括以下幾方面的內(nèi)容：工程師站的選擇（包括機型、顯示器尺寸、內(nèi)存、硬盤容量、打印機等）；操作員站的選擇（包括操作員站的個數(shù)和操作員站的配置，如顯示器尺寸及是否采用雙屏、主機型號、內(nèi)存配置、磁盤容量的配置、打印機的臺數(shù)和型號等）；現(xiàn)場控制站的選擇（包括現(xiàn)場控制站的個數(shù)、地域分布、每個現(xiàn)場控制站中所配的各種模板的種類及塊數(shù)、電源的選擇等）。硬件配置一般視現(xiàn)場具體要求而定。2.5.2DCS軟件組態(tài)

DCS軟件組態(tài)包括畫面組態(tài)和控制組態(tài)。畫面組態(tài)主要完成操作員站上的各種畫面、畫面間連接?？刂平M態(tài)是指控制系統(tǒng)軟件的生成，包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件的組態(tài)?；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個配置信息，采用面向問題的語言；應(yīng)用軟件的組態(tài)采用功能塊語言，即把常用的運算功能、信號交換功能、PID控制功能及其他功能所對應(yīng)的程序預(yù)先固化成ROM中的各種模塊，然后用最簡單的編程語言或圖上作業(yè)方法，將這些模塊進行軟連接，構(gòu)成各種控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，這類應(yīng)用軟件主要用于現(xiàn)場控制層。2.5.3DCS組態(tài)方法

DCS的組態(tài)方法大致可分為兩種。

1.填表格法或功能圖法

填表格法是用戶根據(jù)生產(chǎn)過程要求，在DCS制造商提供的、用于組態(tài)的表格上采用菜單方式，逐行填入相關(guān)參數(shù)，完成相應(yīng)組態(tài)工作的方法。實現(xiàn)這種組態(tài)的語言是面向問題的語言。功能圖法主要用于功能塊的選擇，填寫功能參數(shù)，通過軟連接實現(xiàn)組態(tài)功能，這一組態(tài)過程也叫功能塊語言，屬于DCS組態(tài)語言的一種。

2.編程法

編程法是采用廠商提供的編程語言或允許采用的高級語言編制程序，輸入組態(tài)信息，