集散控制系統(tǒng)原理及應用

1、集散系統(tǒng)原理及應用,主講：陳國平,email：cnguoping@189.com,（07自動化）,武漢工程大學,課程性質與任務,1、課程性質,2、課程任務,專業(yè)、選修課,了解集散系統(tǒng)的產生與發(fā)展。了解集散系統(tǒng)的構成了解集散系統(tǒng)的功能和特點。了解計算機網絡基礎知識。了解集散系統(tǒng)的評估體系。了解集散系統(tǒng)的工程設計方法。,3、參考教材,何衍慶等 集散控制系統(tǒng)原理及應用（二）化學工業(yè)出版社,第一章概述,第二章集散系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊,第

2、三章集散系統(tǒng)的控制算法,第四章集散系統(tǒng)的評估及設計,內容安排,結束,第一章概述,1.     集散系統(tǒng)的基本概念集散系統(tǒng)的發(fā)展歷史集散系統(tǒng)的基本結構、功能層次開放系統(tǒng)2.     集散系統(tǒng)的特點系統(tǒng)結構的適應性和可擴展性控制功能完善、方案構成靈活人機界面友好、操作靈活 可靠性高,第一章概述,3. 

3、;    集散系統(tǒng)的組成形式過程控制裝置的類型： 單（多）回路控制器、數(shù)據(jù)輸入輸出裝置、現(xiàn)場總線儀表、控制器、PLC過程控制裝置的構成形式： 整體式（機箱內各個部件不可更換） 模塊式（機箱內部件可靈活配置） 分離式（主機和其它部件分處不同機箱）過程控制裝置的冗余方式： 1:1和N:1,第一章概述,3.     集散系統(tǒng)的組成形式

4、操作員站： 工業(yè)控制計算機、顯示器、鼠標、專用（標準）鍵盤、觸摸屏、打印機、音響工程師站、應用站： 工業(yè)控制計算機、顯示器、鼠標、標準鍵盤,第一章概述,4.     集散系統(tǒng)的軟件體系系統(tǒng)軟件： 控制站（智能儀表）、操作站、工程師站、歷史站用戶（應用）軟件： 控制站、操作站、歷史站,返回,5.     集散系統(tǒng)的操作與顯示

5、 儀表盤方式：（應急使用） 顯示器方式： 顯示畫面的分類及作用,6.    典型集散系統(tǒng)的結構TPS、JX-300,DCS的發(fā)展,工業(yè)生產技術的發(fā)展,計算機技術的發(fā)展,返回,網絡技術及微型計算機的發(fā)展,自動控制技術的發(fā)展,圖形顯示技術的發(fā)展：友好的人機界面。,冗余技術的發(fā)展,DCS已發(fā)展到了第四代,第一代第二代第三代第四代,DCS的發(fā)展趨勢,DCS系統(tǒng)的基本結構,打印機,操作站,操作

6、站,數(shù)據(jù)輸入/輸出,控制器,生產過程,,,,,,,,,,,操作管理,監(jiān)控計算機,,,,控制器,,,數(shù)據(jù)輸入/輸出,,,通訊網絡,過程控制,DCS的功能分層,DCS的結構分層,過程裝置,操作裝置,調度系統(tǒng),經營系統(tǒng),返回,現(xiàn)場控制站軟件,基本功能：,輸入數(shù)據(jù)處理、輸出數(shù)據(jù)處理、控制運算、通信處理、自診斷,高級控制功能：自適應控制、模糊控制等,軟件結構及代碼執(zhí)行順序：,,操作員站軟件,基本功能：,顯示（數(shù)據(jù)、圖形、報警、曲線）處理、鍵盤命令

7、處理、通信處理、自診斷,輔助功能：控制運算、歷史數(shù)據(jù)保存、報表處理,軟件結構及代碼執(zhí)行順序：,,工程師站軟件,基本功能：,組態(tài)（硬件、基本控制策略、操作界面）、報表生成、畫面制作,輔助功能：語言編譯,軟件結構：,,集散系統(tǒng)操作和顯示,1、操作方式,2、顯示畫面,輸入設備：鼠標、軌跡球、專用鍵盤、觸摸屏,輸入方式：按鈕、直接數(shù)字、增量,操作顯示：概貌（數(shù)據(jù)一覽）、分組、細目、流程,趨勢顯示：歷史（分組、單點、統(tǒng)計）、實時,報警顯示：概貌、

8、分組（區(qū)域、等級）、細目,信息顯示：操作幫助、順序步驟、操作提示、診斷,,DCS的發(fā)展趨勢,信息化集成系統(tǒng),系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),集散系統(tǒng)向集成化、分散化方向發(fā)展,,一、TPS系統(tǒng),PIN,,,NG,,,NIM,DH,UCN,HG,LCN,,,,NG,,LCN,返回,PIN（工廠信息網）,PHD,APP,局部控制網絡(LCN),PLNM,,NG,AXM,,,,,,,NT,VAX,TPS,UNIX,AXP,,,,,,UXS

9、,,LCN（局域控制網）,AM,US,CLM,HM,,NIM,,EPLCG,NG,,,,,,其它公司的PLC或計算機,TDC－3000BASIC,PIN,,,,,SAM,,WS,,,UCN,DH（數(shù)據(jù)高速公路）,DH,,,HG,,TDC-4500,EC,MC,,,AMC,PIU,EOS,BOS,,,TDC－3000BASIC,LCN,EOS,BOS,UCN（萬能控制網絡）,LCN,,NIM,,PM,APM,LM,,HPM,FSC,UCN

10、,PM（過程管理器）,UCN,,通訊接口,,控制處理,I/O接口,,,,I/O處理器,I/O處理器,,16路高電平模入,8路低電平模入,32路低電平轉換開關,16路智能變送器接口,8路模出,能處理的數(shù)據(jù)點類型,,PMM,最多40個,I/O處理器類型,數(shù)字復合點,邏輯點,過程模塊點,常規(guī)PV點,常規(guī)控制點,16路開關量出,8路脈沖輸入,32路開關量入,SUPCON JX-300,1、JX-300系統(tǒng)的組成及特性,2、JX-300系統(tǒng)的組態(tài)

11、,JX-300系統(tǒng)的總體構成,JX-300 信息管理網,JX-300 過程監(jiān)控網,JX-300 過程控制網,返回,3、JX-300系統(tǒng)的操作,硬件組態(tài),常規(guī)控制組態(tài),操作組態(tài),自定義操作組態(tài),自定義控制組態(tài),JX-300 硬件構成,JX-300系統(tǒng),,,,OS,OS,ES,HS,,,管理計算機,管理計算機,數(shù)據(jù)服務器,管理網,操作網,控制網,,,,,,,,,,,,控制機箱,輸入/輸出機箱,,,,,,,輸入/輸出機箱,,,Ethernet

12、管理網,連接設備：操作站、工程師站、數(shù)據(jù)服務器、管理計算機,網絡：雙絞線、星形結構、IEEE802.3（令牌協(xié)議）、100Mbps、最多500個站點、最大距離2.5公里。,功能：支持大型數(shù)據(jù)庫，將控制網的信息直接連入企業(yè)管理網。實現(xiàn)工廠級的綜合管理、調度、統(tǒng)計、決策等。,,SCnet操作網,連接設備：操作站、工程師站、控制站,網絡：同軸線、總線、IEEE802.3（令牌協(xié)議）、2.5Mbps、最多255個站點、最大距離600m、1：1冗

13、余。,功能：用于過程實時數(shù)據(jù)、操作信息、診斷信息及組態(tài)信息等的傳輸。,,,SBUS控制網,連接設備：控制卡、數(shù)據(jù)轉發(fā)卡、I/O卡,網絡：RS－485雙絞線、總線結構、令牌協(xié)議、1Mbps、最多16個站點、最大距離1.2公里、1：1冗余。,SBUS,,主控制卡,主控制卡,,冗余,,,,,,,功能：過程數(shù)據(jù)采集、控制運算,,JX－300系統(tǒng)硬件構成,機架構成,SCnet網卡（SP021）：用于操作站、工程師站。是SCnet的接口。,主控制卡

14、（SP241）：三個CPU協(xié)同完成數(shù)據(jù)采集、控制、通訊等功能。,數(shù)據(jù)轉發(fā)卡（SP231）：用于主控制卡及I/O卡之間的數(shù)據(jù)交換。,JX－300系統(tǒng)硬件構成,所有卡件均支持冗余配置及帶電插拔。模擬量卡件的精度為12位。,萬能模擬輸入卡（SP311）：用于將熱電阻、熱電偶、電壓、電流等模擬量信號轉換為數(shù)字量。每卡2點，可獨立配置輸入信號類型。,電流輸入卡（SP313）：4路電流輸入卡。,電壓輸入卡（SP314）：4路熱電偶（電壓）輸入卡。,

15、模擬量輸出卡（SP322）：4路電流輸入卡。,數(shù)字量處理卡（SP331）：4路數(shù)字量輸入/輸出卡。可獨立組態(tài)為輸入或輸出。,繼電器輸出卡（SP332）：4路繼電器輸出卡。,返回,第四章 集散系統(tǒng)的評估及設計,返回,4.1 招標文件的編制,4.2 集散系統(tǒng)的可靠性,4.3 集散系統(tǒng)的易操作性,4.4 集散系統(tǒng)的可組態(tài)性,4.5 集散系統(tǒng)的其它性能指標,4.6 集散系統(tǒng)的評估與選型,4.7集散系統(tǒng)的工程設計,4.8集散系統(tǒng)工程應用實例,1、

16、編制前的準備工作,必要性論證,生產調度管理：數(shù)據(jù)存儲量大、報表復雜、裝置間關系密切,企業(yè)技術條件：工藝技術人員對過程特性的了解和掌握程度；操作人員對系統(tǒng)操作的適應性（經過培訓能否熟練地掌握）；系統(tǒng)維護技術力量；系統(tǒng)應用能力（組態(tài)及算法設計）,技術經濟指標：系統(tǒng)規(guī)模；控制功能的復雜性；能源、原材料的降低；產品產量的提高、質量的穩(wěn)定；有資金投入,工藝過程特性：流程長、規(guī)模大；過程操作復雜、高級控制系統(tǒng)多；安全聯(lián)鎖可靠性高。,可行性論證,評估

17、小組人員的組成：,工藝操作人員-操作人員是系統(tǒng)的最終用戶。他們的意見供參考。,工藝工程師-集散系統(tǒng)為工藝生產服務，在功能確定時需要與他們溝通和協(xié)調。,計算機人員-集散系統(tǒng)本身是一個計算機網絡系統(tǒng)，應用和維護時需要計算機人員的配合。特別是軟件編程及與信息管理系統(tǒng)聯(lián)系等方面的評估，他們的意見很重要。,儀表人員-集散系統(tǒng)的日常維護有他們負責。尊重他們的意見。,過程控制工程師-是系統(tǒng)評估的核心人物。需要對工藝過程有一定的了解、具有堅實的控制理論

18、知識和控制系統(tǒng)的設計能力、熟悉計算機硬件和軟件、了解儀表的使用和維護要求。最終編寫評估報告。給出選型意見，供投資者決策。,材料準備：,基本的監(jiān)控數(shù)據(jù)表分級操作要求控制站布局要求控制和運算功能輸入/輸出信號分類統(tǒng)計流程畫面統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)存儲要求調度及管理需求開放性要求。,返回,2、招標文件的編制,主要內容1.工程項目簡介2.DCS供貨方責任范圍3.DCS監(jiān)控規(guī)模4.系統(tǒng)功能要求5.DCS硬件要求6.技術

19、文件交付7.技術服務和培訓8.質量保證9.備品備件10.工程進度計劃,編制原則1.兼顧技術的先進性和成熟可靠性2.性能指標盡可能地定量化3.競爭的公證性4.語言 準確、規(guī)范、簡練,4.2 集散系統(tǒng)的可靠性,返回,1可靠性的基本概念,2系統(tǒng)的可靠性分析,3提高系統(tǒng)可靠性的措施,可靠性、可靠度、失效率、修復率、利用率,串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)（熱備系統(tǒng)、冷備系統(tǒng)、表決系統(tǒng)）,硬件制作、硬件冗余、自診斷、軟件容錯

20、,平均壽命（MTTF）或平均故障間隔時間（MTBF）與失效率的關系。,利用率A（t）：設備正在使用的概率。,常用的可靠性指標：,可使用性,可維護性,返回,平均修復時間（MTTR）與修復率的關系。,n＝1/μ,失效率λ（t）,可靠度R（t）,可靠度、失效率浴盆曲線,t,返回,可維護性,修復函數(shù)M（t）：經過專業(yè)培訓的人員使用專用工具，在規(guī)定的時間內，被修復的可能性。,t,M(0)=0M(∞)=1,返回,修復率μ（t）：在單位時間內修復故

21、障設備的概率。,利用率,A(0)＝1A(∞)＝μ/(λ+μ) ＝m/(n+m),返回,n:1冗余系統(tǒng)的利用率,系統(tǒng)的可靠性,其它并聯(lián)形式的可靠性,待機熱備（待機、工作時的失效率分別為μ、λ2）,返回,停機備用（待機時的失效率μ ＝0）,冗余技術,返回,常用的冗余形式有1：1及n：1,電源系統(tǒng)：1：1工作冗余。,通訊系統(tǒng)：1：1熱備冗余。,控制器：1：1和8：1整體冗余,控制器：1：1卡件冗余,,,,,返回,8：1整機冗余,4

22、.3 集散系統(tǒng)的易操作性,返回,操作透明度,易操作性,屏幕顯示的信息是否明了、易于理解，操作方式能否被操作人員接受、容易掌握。,提供靈活多樣、生動的動態(tài)操作畫面。,主要操作畫面：總貌、分組、回路、流程圖、報警一覽、報警分組、歷史曲線、實時曲線。,操作環(huán)境、操作功能、容錯技術、安全性,4.4 集散系統(tǒng)的可組態(tài)性,返回,組態(tài)的目的,組態(tài)內容,控制策略組態(tài)方式（在線、離線）、語言,使系統(tǒng)完成規(guī)定的控制功能對系統(tǒng)進行配置及編程。,硬件組態(tài)－網絡

23、接點類型及數(shù)量、卡件及數(shù)據(jù)類型。,控制策略組態(tài)－實現(xiàn)控制方案,操作界面組態(tài)－建立操作界面,填表格法,功能塊連接法,步驟記入（程序設計）法,4.5 集散系統(tǒng)的其它性能指標,返回,可擴展性－系統(tǒng)自身的可擴展性和開放性,實時性－包括控制站控制周期和網絡傳遞周期,環(huán)境適應性－電氣干擾、抗腐蝕,總體經濟性－考慮整個自動控制工程的投資。,4.6 集散系統(tǒng)的評估與選型,一、集散系統(tǒng)評估的意義和一般準則1.評估的意義,目前集散系統(tǒng)的制作沒有統(tǒng)一的標準

24、，各個廠家的集散系統(tǒng)往往根據(jù)自己的特點及優(yōu)勢，針對某些領域的特點開發(fā)自己的集散系統(tǒng)。不同廠家、不同型號的集散系統(tǒng)在結構和性能上各有千秋。系統(tǒng)選擇的合適與否在一定程度上決定了設計的成功與否。對集散系統(tǒng)評估的結果將作為系統(tǒng)選擇的依據(jù)。同時對集散系統(tǒng)制造商提供一個反饋信息，以利于廠商改進自己的產品性能。,2.評估的基礎,生產過程控制、管理的預期要求。（安全、產量、質量、消耗、優(yōu)化、調度、經營決策）,3.一般準則系統(tǒng)控制、操作、管理功能與預

25、期要求的差異系統(tǒng)的可靠性（部件MTBF）系統(tǒng)冗余技術的使用（系統(tǒng)的MTBF）系統(tǒng)的可維護性（MTTR）（綜合考慮系統(tǒng)的利用率）綜合性價比（性能/價格）（可靠性與經濟性的折中）,二、集散系統(tǒng)評估評估的內容,1.技術性能評估（1）現(xiàn)場控制站軟件性能方面——連續(xù)控制、邏輯控制、批量控制功能的配置方式（獨立/混合）、控制回路數(shù)量、控制模塊總量,硬件性能方面——輸入輸出信號類型、最多輸入輸出總點數(shù)及配置方式、最快掃描頻率

26、及配置方式（各點統(tǒng)一配置或獨立配置）、信號調理精度及A/D（D/A）位數(shù)、數(shù)據(jù)運算精度及表示方式、輸入輸出通道的隔離方式及指標、實時輸出特性（不受采樣周期的約束）,1.技術性能評估,（2）人機接口操作站——操作畫面的類型及數(shù)量、畫面的更新時間及切換時間、畫面切換的便捷性、是否具有運算能力,工程師站——組態(tài)方式（表格、功能塊、步記）、組態(tài)環(huán)境（在線、離線、組態(tài)設備）、是否易學、流程圖及報表的生成能力,應用站——管理和先進控制功能,（

27、3）通信系統(tǒng)——介質、拓撲結構、網絡存取方式、通訊距離（單段及總長）、傳輸速率、節(jié)點數(shù)量,1.技術性能評估,（4）軟件評價操作系統(tǒng)、組態(tài)軟件、控制軟件、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、系統(tǒng)維護軟件；軟件的成熟度（應用時間長短、用戶反映）,操作系統(tǒng)——通用型或是專用型,組態(tài)軟件——系統(tǒng)配置的方便性、組態(tài)能否在線下載、能否離線組態(tài)與仿真,控制軟件——算法種類及功能、控制方式（連續(xù)、邏輯、順序）、有無優(yōu)化控制算法（如自適應、自整定）、復雜控制回路的無擾

28、動切換功能（串級控制系統(tǒng)）,1.技術性能評估,（4）軟件評價（續(xù)）流程圖生成軟件——使用方便性、圖素庫是否豐富、畫面是否生動、色彩是否豐富,報表生成軟件——使用方便性、報表種類、統(tǒng)計能力,數(shù)據(jù)庫管理軟件——數(shù)據(jù)庫類型、格式,系統(tǒng)維護軟件——系統(tǒng)的自診斷能力、自診斷方式,2.使用性能評估,（1）技術延續(xù)性和可借鑒性技術的成熟性和技術的先進性,（2）系統(tǒng)的柔性系統(tǒng)的規(guī)模大小及組成的靈活性、對行業(yè)（及工藝）的適應性、對工業(yè)現(xiàn)

29、場環(huán)境（防爆要求）的適應性,（3）制造廠家能力的評價系統(tǒng)在該領域推出的時間長短、市場占有率大小、工程應用經驗；技術支持（能否協(xié)助組態(tài)、提供什么樣的技術交流、培訓地點與方式、文檔資料的完備性和易使用性）,2.使用性能評估,（4）售后服務的評價質量保證期與維修期時間及此后的維修服務如何進行、維護費用如何（二次費用問題）、廠家的發(fā)展方向（較短的時間內是否可能淘汰該產品）,（5）可維護性評價是否需要特殊設備、能否帶電插拔,3.

30、可靠性與經濟性評價,（1）可靠性評價MTBF、MTTR、容錯能力（1：1還是n：1）、熱備還是冷備、切換方式（自動還是手動）、自診斷能力如何、安全性（分級權限）,（2）經濟性評價按性能價格比評價。需要注意的是二次、三次投資的費用,三、集散系統(tǒng)評估方法及應用,1.評估方法DCS系統(tǒng)評估矩陣（1）評估矩陣——設計評估表及相關評估因素,（2）加權值與加權因素——根據(jù)各評估因數(shù)的權值。,三、集散系統(tǒng)評估方法及應用,返回,返回,第

31、三章集散系統(tǒng)的控制算法,1、PID控制算法,2、選擇性控制算法,3、前饋控制算法,控制方案的實現(xiàn)組態(tài)問題,1、PID控制算法,理想PID控制算法（連續(xù)）,理想PID控制算法（離散）,PID控制算法的改進-積分算法,字長誤差（避免機器零造成極限環(huán)振蕩）,積分分離（防積分飽和、減少超調）,積分算法（改善積分精度）,PID控制算法的改進-微分算法,微分先行,四點中值微分法（起濾波作用）,不完全微分,,,帶死區(qū)的PID,返回,無平衡無擾動切換,

32、關于微分先行問題：用dz/dt代替z。,關于采樣周期,返回,無平衡無擾動切換,,返回,2、選擇性控制算法,Gd1(s),,LS,,,,,Gd2(s),,,＋ ＋,＋＋,,e1,e2,u,1/（1+T1s）,1/（1+T2s）,u1,u2,返回,3、前饋控制算法,,,,,Gc(s),Gv(s),Gp(s),Gm(s),r,e,uc,q,y,z,,f,,Gf(s),,,,,,＋＋,,Gff(s),＋ －,u,uf,,ub,設

33、置ub的目的是為了補償前饋信號的初始值，保證uc的正常變化范圍。,返回,第二章集散系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊,1、網絡基本概念,網絡定義、分類、作用,基本概念,傳輸媒體及拓撲結構：,2、DCS的網絡通信：基本要求、OSI模型、DCS常用協(xié)議、現(xiàn)場總線協(xié)議,通信控制：可靠性、差錯控制、鏈路控制,計算機網絡的基本概念,1、計算機網絡的定義,計算機網絡是地理上分散的、獨立自主的、遵循約定的通信協(xié)議；通過軟、硬件互連的計算機集合體。,自主：不是主從關系(主

34、控/從屬、主機/終端）互連：以任何通信介質（銅線、光纖、紅外線、激光、微波、衛(wèi)星）,與多終端分時系統(tǒng)、多機系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)的區(qū)別,2、計算機網絡的分類,按距離、按拓撲結構,3、計算機網絡的作用,實現(xiàn)資源共享、信息交換、協(xié)同工作以及在線處理等。,返回,多終端分時系統(tǒng),主機以分時方式為終端服務 終端完全依賴于主機 主機與終端是支配與被支配的關系 資源高度集中，由許多用戶共享 終端之間無聯(lián)系,返回,多機系統(tǒng)

35、,設備之間耦合度緊 設備分布近 傳輸速度快（通常為并行傳輸） 主要用途為科學計算,返回,分布式系統(tǒng),在分布式OS統(tǒng)一調度下，各計算機協(xié)調工作，共同完成一切任務，如并行計算 用戶面對的是一臺邏輯上的計算機，組成分布式系統(tǒng)的怎樣協(xié)同工作，對用戶透明 主要用途為科學計算數(shù)據(jù)處理,返回,局域網(LAN,Local Area Network) ? 范圍：小，＜20KM ? 傳輸技術：基帶

36、，10-1000Mbps，延遲低，出錯率低（10-11） ? 拓撲結構：總線，環(huán)形總線城域網(MAN,Metropolitan Area Network) ? 范圍：中等，＜100KM ? 傳輸技術：寬帶/基帶 ? 拓撲結構：總線廣域網(WAN,Wide Area Network) ? 范圍：大，＞100KM ? 傳輸技術：寬帶，延遲大，出錯率高 ? 拓撲結構：不

37、規(guī)則，點到點,按距離分類,返回,按拓撲結構分類,,返回,1、總線 （環(huán)形總線）? 所有節(jié)點掛接到一條總線上 ?廣播發(fā)送 ?需要有介質訪問控制規(guī)程以防止沖突 2、星形 ?有一個中心節(jié)點，其它節(jié)點與其構成點到點連接 ?中心節(jié)點可以是智能設備，也可以是非智能設備 3、環(huán)形 ?所有節(jié)點連接成一個閉合的環(huán) ?結點之間為點到點連接 4、網狀 （全連接） ?點到點部分連接?多用于廣域網 ?點到點全連接 ?隨節(jié)點數(shù)的增長，

38、建造成本急劇增長所以只適用于節(jié)點數(shù)很少的廣域網5、樹形 ? 一個根結點、多個中間分支節(jié)點和葉子節(jié)點構成,基本概念,數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)：傳遞(攜帶)信息的實體。信息：是數(shù)據(jù)的內容或解釋。信號：數(shù)據(jù)的物理量編碼(通常為電編碼)，數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。,信道：傳送信號的線路(或通路)。比特：信息的計量單位。比特率為每秒傳輸?shù)亩M制位個數(shù)。碼元：時間軸上的一個信號編碼單元。,通信術語,波特：碼元的計量單位。波特率為每秒傳

39、送的碼元數(shù)。一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。比特率與波特率的關系：Rbit = Rbaud log2M。其中M是信號的編碼級數(shù)，Rbit-比特率，Rbaud-波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特。例如，M=4，波特率為9600時，比特率為19.2kbit/s,信號電平,數(shù)據(jù) 01 10 00 11 01

40、 10,通信術語,信息編碼：將信息用二進制數(shù)表示的方法。數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII編碼(是信息編碼的一種)為01000001，其數(shù)據(jù)編碼可能為,誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是概率值。,通信術語,帶寬：在傳統(tǒng)的通信工程中指通信信道所占頻率寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質傳輸能力的度量，通常以赫茲（Hz）為單位計量。在計算機網絡中，單位時間內傳輸?shù)男畔⒘?。一般使用每秒位?shù)(

41、b/s 或bps) 作為帶寬的計量單位。主要單位：Kb/s，Mb/s，Gb/s。對一個理論上每秒可以傳輸1千萬比特的以太網，它的帶寬相應為10Mb/s。,,信道及其主要特征,數(shù)字信道和模擬信道數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式傳輸信號的通道模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸信號的信道模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個信號值數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號值（連續(xù)信號采樣后就是數(shù)字信號）,傳輸方式—數(shù)據(jù)流動

42、的方向,單工：數(shù)據(jù)單向傳輸（無線電廣播）半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時刻雙向傳輸（對講機）全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時傳輸（電話）或者具有兩條物理上獨立的傳輸線路或者具有一條物理線路上的兩個信道，分別用于不同方向的信號傳輸,基帶、載帶、寬帶傳輸：,異步、同步傳輸：,字符幀：以字符為邊界實現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個字符的傳輸需要：1個起始位，5～8個數(shù)據(jù)位，1～2個停止位。,異步傳輸,頻率的漂移不會積

43、累，每個字符開始時都會重新同步每兩個字符之間的間隔時間不固定增加了輔助位，所以效率低例如，采用1個起始位、 8個數(shù)據(jù)位、 2個停止位時，其效率為8/11＜72％,同步傳輸,同步：以數(shù)據(jù)塊為單位，長度不定，用起始和結束標志。數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位——包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊面向字符——以同步字符(SYN，16H)來標識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀面向比特——以特殊位序列(7EH，即01111110)來標識一個

44、幀的開始與結束，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀,串行傳輸和并行傳輸,串行通信：信號傳輸時，在信道上以單個碼元的方式傳輸?；咎卣鳎盘杺鬏斁€為兩根。物理層結構簡單。適合于長距離傳輸。,并行通信：信號傳輸時，在信道上以一個字節(jié)（或字、雙字）方式傳輸。基本特征，信號傳輸線為兩根。物理層結構簡單。適合于長距離傳輸。,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,時鐘,NR

45、Z,Manchester,差分Manchester,,,數(shù)字編碼的波形圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,差分,數(shù)字,數(shù)字數(shù)據(jù)的調制,常用的調制技術：幅移鍵控ASK (Amplitude Shift Keying)頻移鍵控FSK (Frequency Shift Keying)相移鍵控PSK (Phase Shift Keying)基本原理：用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調制。 載波 S(t) = Aco

46、s(ωt+φ) S(t)的參量包括： 幅度A、頻率ω 、初相位φ調制就是要使A、ω或φ隨數(shù)字信號的變化而變化,,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,差分PSK,ASK：用載波的兩個不同振幅表示0和1FSK：用載波的兩個不同頻率表示0和1PSK：用載波的起始相位的變化表示0 和1,調制波形圖,,,單變量多級調制,多變量多級調制,基本調制,信號調制,返回,交換技術,交換：按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。例

47、如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。采用交換技術目的：節(jié)省線路投資，提高線路利用率。主要的交換方法有：電路交換、報文交換、報文分組交換,通信線路中的交換技術,ABF、ABDF、ABDCEF、ABEF、ABECDF,ACEF 、ACEBF 、ACEBDF、 ACDF、ACDBF、ACDBEF,交換設備在通信雙方之間建立一條實際的物理線路，用于數(shù)據(jù)交換。（例如

48、：程控電話）特點：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。——稱為“面向連接的”過程：建立連接→通信→釋放連接優(yōu)缺點：建立連接的時間長；一旦建立連接就獨占線路，線路利用率低；建立連接后，傳輸延遲小。不適用于計算機通信，因為計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性的特點，真正傳輸數(shù)據(jù)的時間不到10%。,電路交換,整個報文(Message)作為一個整體一起發(fā)送。在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉發(fā)出去，逐級中轉，直到目的地

49、。這種數(shù)據(jù)傳輸技術稱為存儲-轉發(fā)。傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰結點傳輸報文時建立結點間的連接。——稱為“無連接的”缺點：報文大小不一，造成存儲管理復雜。大報文造成存儲轉發(fā)的延時過長；出錯后整個報文全部重發(fā),報文交換,將報文“化整為零”進行存儲轉發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸也是“無連接的”。有強大的糾錯機制、流量控制和路由選擇功能。優(yōu)點：對轉發(fā)結點的存儲要求較低，可以用內存來緩沖分組——速度快；轉發(fā)延時小——適用于交互式通

50、信；某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組——效率高；實現(xiàn)方法：虛擬電路、數(shù)據(jù)報,報文分組交換,返回,傳輸媒體(雙絞線),螺旋絞合的雙導線，?≈1mm每根4對、25對、1800對典型連接距離100m（LAN）RJ45插座、插頭優(yōu)缺點： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易（綜合布線系統(tǒng)） 平衡傳輸（高速率） 抗干擾性一般 連接距離短,屏蔽雙絞線 (STP)

51、 非屏蔽雙絞線 (UTP),以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音,雙絞線外無任何屏蔽層,常用的雙絞線為3類(16Mbit/s) 和5類(155Mbit/s)兩種,傳輸媒體(屏蔽雙絞線),基帶同軸電纜阻抗50?，用于數(shù)字傳輸寬帶同軸電纜阻抗75 ?，用于模擬傳輸，主要用于CATV,同軸電纜,細同軸：D=1.02cm，10Mbit/s每段185m、4中繼、5段（925m）優(yōu)缺點：價格低、安裝方便（T型連接器、BNC接頭、端子連

52、接）、抗干擾能力較強、可靠性較差,粗同軸：D=2.54cm，10Mbit/s每段500m、4中繼、5段（2500m）優(yōu)缺點：價格稍高、安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、端子）、抗干擾能力強連接距離中等、可靠性較好,光纜與無線傳輸,通信介質的特性,1 傳輸特性：包括衰減特性、頻率特性、帶寬、調制方式、信道容量,2 連接方式：點對點、多點共享（單段節(jié)點數(shù)）,3 傳輸范圍：單段長度及中繼數(shù),4 抗干擾特性：電磁干擾,5 使用成本：,返

53、回,差錯控制,產生差錯的原因：編碼/解碼器、調制/解調器的熱噪聲信道電氣特性：信號幅度衰減、頻率、相位的畸變、信號反射與串擾；外部電磁沖擊噪聲，閃電、大功率電機的啟停等。,差錯控制的基本方法：接收方進行差錯檢測，發(fā)現(xiàn)錯誤則自動糾正，或向發(fā)送方應答，告知有錯，需重發(fā)。,奇偶校驗（Parity Checking）例如1100010增加偶校驗位后為11100010（或11000101）若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗結果不正確，就表明

54、傳輸發(fā)生了錯誤。只能用于面向字符的通信協(xié)議中。只能檢測出奇數(shù)個比特位錯。,常用差錯檢測方法,降低誤碼率的原理：設系統(tǒng)誤碼率10－9按8位原碼發(fā)送：錯誤接收的概率位1－（1－10－9）8＝8*10－9增加校驗碼，經校驗后錯誤接收的概率為3.6*10-17,二維奇偶校驗,在若干個字節(jié)后增加校驗和字節(jié)。具有一定的糾錯能力（能夠糾正單個錯）。,例如：8個數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)（偶校驗）01100100 1 10100110

55、 0 11011101 0 01011101 1 10001110 0 01011101 1 00111001 0 11100010 0 01001010 1,循環(huán)冗余校驗 (CRC, Cyclic Redundancy Check)差錯檢測原理：將傳輸?shù)奈淮闯上禂?shù)為0或1的多項式。收發(fā)雙方

56、約定一個生成多項式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項式，若有余數(shù)，則傳輸有錯。校驗和是16位或32位的位串。CRC校驗的關鍵是如何計算校驗和。,循環(huán)冗余校驗,循環(huán)冗余碼,碼字，碼多項式（110001）2＝1*25＋1*24＋0*23+0*22+0*21+1*20表示成碼多項式 x5 + x4 + 1與碼字一一對應。循環(huán)校驗碼的生成：通過對信息碼的線性運算

57、得到。通常與一個生成多項式G(x)有關。該多項式發(fā)方、收方事前商定。傳輸信息（n位）由信息碼（k位）和校驗碼（r位）組成。CRC碼基本思想傳輸?shù)膎位信息碼多項式能被G(x)整除。接收方按此規(guī)則校驗，若有余數(shù)，則傳輸出錯。,校驗和計算算法,設G(x)為 r 階（最高次冪），在幀的末尾加 r 個0，使幀為m + r位，相應多項式為xrM(x)；按模2除法用對應于G(x) 去除對應于xrM(x) 得到余數(shù)。R(x)就是所需要的校驗碼。

58、要傳送的帶校驗和的多項式V(x)＝ xrM(x) + R(x)。它能被G(x)整除。,CRC的檢錯發(fā)送：V(x)；接收：V(x) + E(x)；余數(shù)((V(x) + E(x)) / G(x)) = 0 + 余數(shù)(E(x) / G(x))若余數(shù)(E(x) / G(x)) = 0，則差錯不能發(fā)現(xiàn)；否則，可以發(fā)現(xiàn)。,CRC的檢錯能力,可以查出單比特錯；能查出奇數(shù)個比特錯；能檢查出所有長度 ? r 的突發(fā)性差錯。如果突發(fā)差錯長度為

59、 r + 1，當且僅當突發(fā)差錯和G(x)一樣時， 余數(shù)(E(x) / G(x)) = 0，概率為1/2r-1;長度大于 r + 1的突發(fā)差錯或幾個較短的突發(fā)差錯發(fā)生后，壞幀被接收的概率為 1/2r。,常用的生成多項式,四個多項式已成為國際標準CRC-12 = x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1CRC-16 = x16 + x15 + x2 + 1CRC-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1

60、 CRC-32 =x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,生成多項式G（x）的結構及檢錯效果是經過嚴格的數(shù)學分析與實驗后確定的。,返回,計算實例,返回,網絡協(xié)議,返回,制定網絡協(xié)議的目的：解決系統(tǒng)開放性問題。涉及句法、語法、時標。,ＩＳＯ推薦的ＯＳＩ模型,物理層,ISO/OSI關于物理層的定義：物理層提供機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。目的是啟動、維護和關閉數(shù)據(jù)鏈路實體

61、之間進行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。這種連接可能通過中繼系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)內的傳輸也是在物理層的。（RS－232、RS－485）,物理層的功能：在兩個網絡設備之間提供透明的比特流傳輸。,研究內容:物理連接的啟動和關閉，正常數(shù)據(jù)的傳輸，以及維護管理。,物理層的四個重要特性,機械特性：主要定義物理連接的邊界點，即接插裝置。規(guī)定物理連接時所采用的規(guī)格、引腳的數(shù)量和排列情況。電氣特性：規(guī)定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓高低（包括位編碼或調制方式）、

62、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制。功能特性：主要定義各條物理線路的功能。（包括數(shù)據(jù)、控制、定時、接地）規(guī)程特性：主要定義各條物理線路的工作規(guī)程和時序關系（空閑，呼叫控制，數(shù)據(jù)傳送，清除）,返回,鏈路層,在物理線路上提供可靠的數(shù)據(jù)幀傳輸，使之對網絡層呈現(xiàn)為一條無錯的線路。,數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了建立、維護和釋放網絡實體間的數(shù)據(jù)鏈路的功能和規(guī)程。,數(shù)據(jù)鏈路——從數(shù)據(jù)發(fā)送點到數(shù)據(jù)接收點（點到點 point to point）所經過的傳輸途徑。,返回

63、,規(guī)定介質存取方式、數(shù)據(jù)幀格式、應答過程、差錯控制方式。,介質存取技術,2、競爭方式－解決碰撞的問題。,1、輪詢方式－由通信指揮器完成詢問。,使用總線拓撲結構。解決任一時刻只有一個站點發(fā)送信息。,返回,3、令牌方式－解決令牌丟失或重復的問題。,網絡層,網絡層的任務：把源計算機發(fā)出的信息分組（利用交換技術）經過適當?shù)穆窂絺魉偷侥康牡赜嬎銠C，從源端到目的端可能要經過若干中間節(jié)點。,網絡層的功能：網絡層要實現(xiàn)路由選擇、擁塞控制與網絡互聯(lián)等基本

64、功能,網絡層,要解決的關鍵問題：了解通信子網的拓撲結構，選擇路由。,在源端與目的端之間建立、維護、終止網絡的連接。 功能和服務     最佳路由選擇和數(shù)據(jù)包中轉     流量控制和擁塞控制     差錯檢測與恢復     流量統(tǒng)計和記賬,返回,傳輸層,為源端主機到目的端主機提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務；屏蔽各類通信

65、子網的差異，使上層不受通信子網技術變化的影響。 進行數(shù)據(jù)分段并組裝成報文流；提供“面向連接”（虛電路）和“無連接”（數(shù)據(jù)報）兩種服務；傳輸差錯校驗與恢復；信息流控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過載。,返回,會話層,建立、管理和中止不同機器上的應用程序之間的會話。 會話：完成一項任務而進行的一系列相關的信息交換。 同步（解決失敗后從哪里重新開始） 設置檢查點——會話失敗后，恢復到最后一個檢查點處，而不用從頭開始（例如：FTP的斷點續(xù)傳）。,返回,

66、表示層,處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，即信息的語法和語義。如有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進行轉換。,可以完成數(shù)據(jù)加密等工作數(shù)據(jù)的加解密、壓縮/解壓縮等。,返回,應用層,為用戶的應用程序提供網絡通信服務 識別并證實目的通信方的可用性 使協(xié)同工作的應用程序之間進行同步 判斷是否為通信過程申請了足夠的資源,返回,OSI,,4.7集散系統(tǒng)的工程設計,圖形符號與文字符號,,,,遠程計算機,主操作站,就地PLC,現(xiàn)場,

67、檢測點,就地操作室,集中操作室,集散系統(tǒng)工程設計－初步設計,,,I/O類型數(shù)量統(tǒng)計、繪制流程圖,控制方案設計,工程概算、項目審批,建立技術檔案,編制系統(tǒng)規(guī)格書,評價、詢價、選型,建立使用環(huán)境,系統(tǒng)招標,集散系統(tǒng)工程設計－施工設計,,,安裝設計,人員培訓,應用軟件設計,系統(tǒng)生成、調試出廠驗收,安裝、系統(tǒng)聯(lián)調,制定管理制度,試運行考核、驗收,評標簽訂合同,生產準備,竣工圖,返回,返回,4.8集散系統(tǒng)工程應用實例,DCS的組態(tài),返回,1組