第二章 集散控制系統(tǒng)(DCS)導論

第二章集散控制系統(tǒng)（DCS）導論2.1

DCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點2.2DCS的發(fā)展趨勢2.3DCS的基本組成部分2.4DCS的通訊系統(tǒng)2.5DCS網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議2.6DCS的可靠性技術(shù)

2.1DCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點一、DCS的組成及體系結(jié)構(gòu)（一）DCS設(shè)計的基本原則

1、集中式控制系統(tǒng)（CCS）的特點2、DCS設(shè)計的基本原則（二）DCS的發(fā)展階段

1、第一階段（初創(chuàng)期）1975-19802、第二階段（成熟期）1980-19753、第三階段（發(fā)展期）1985-（三）DCS的基本組成部分

1、DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（SNET）2、現(xiàn)場I/O控制站3、操作員站（OS）4、工程師站（ES）（四）DCS的特點CCS系統(tǒng)特點1、CCS：將過程數(shù)據(jù)輸入輸出（PIO）、實時數(shù)據(jù)庫的管理、實時數(shù)據(jù)的處理與保存、歷史數(shù)據(jù)庫的管理、歷史數(shù)據(jù)處理與保存、人機界面的處理（MMI）、報警與日志記錄、報表及系統(tǒng)本身的監(jiān)督管理等所有功能集中在一臺計算機的系統(tǒng)。2、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、清晰，集中式的數(shù)據(jù)庫容易管理，并容易保證數(shù)據(jù)的一致性。3、缺點：（1）軟件系統(tǒng)龐大，多種同時進行任務(wù)，計算機運行效率低。（2）軟件可靠性下降。70%故障由于設(shè)計不良或存在缺陷的軟件造成。（3）系統(tǒng)的可擴性差。（4）危險高度集中。DCS設(shè)計的基本原則1、使用多臺計算機共同完成所有過程量的輸入、輸出。2、用不同的計算機完成不同的功能，提高每臺計算機的運行效率，而且單一化的處理在軟件結(jié)構(gòu)上簡單，提高了軟件的可靠性。3、用計算機網(wǎng)絡(luò)解決系統(tǒng)的擴充與升級問題。4、網(wǎng)絡(luò)中的每臺計算機處于平等地位，在運行中互相之間不存在依賴關(guān)系，以保證任一計算機失效只影響本身。DCS的關(guān)鍵是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，DCS的結(jié)構(gòu)實質(zhì)就是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如何充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，如何通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)DCS中各臺計算機的運行，如何在多臺計算機共同完成系統(tǒng)功能的過程中保證所處理信息的實時性、完整性和一致性，成為DCS設(shè)計的關(guān)鍵問題。CRT操作站監(jiān)控計算機數(shù)據(jù)采集器DAU過程控制器PCU高速數(shù)據(jù)公路HW第一代DCS結(jié)構(gòu)

主計算機HC通用操作站US第二代DCS結(jié)構(gòu)系統(tǒng)管理模塊SMM網(wǎng)關(guān)GW網(wǎng)關(guān)GW多功能處理器MC局域網(wǎng)LANCPUDAU增強型操作站CRT該階段DCS向計算機網(wǎng)絡(luò)控制擴展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進一步結(jié)合起來，采用專家系統(tǒng)、制造自動化協(xié)議MAP標準等。這一代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次有了進一步發(fā)展，自下而上一般可分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級四個層次。生產(chǎn)管理級控制管理級經(jīng)營管理級過程控制級第三代DCS的四個層次2.2DCS的發(fā)展趨勢一、影響DCS發(fā)展的幾個要素（一）生產(chǎn)過程自動化發(fā)展趨勢1、控制自動化程度越來越高。2、控制的綜合性大大提高。3、人工的操作和干預(yù)越來越少。4、操作方式越來越軟件化。5、CRT的作用越來越強。6、數(shù)字信號越來越深入現(xiàn)場。7、控制系統(tǒng)的功能越來越向綜合性發(fā)展。8、控制算法多種多樣。（二）用戶要求的不斷提高1、系統(tǒng)的功能2、系統(tǒng)的可靠性3、系統(tǒng)的易用性4、安全性5、信息廣泛共享6、系統(tǒng)的規(guī)模要求更大7、系統(tǒng)容易升級8、系統(tǒng)的成本降低（三）各項應(yīng)用技術(shù)的不斷提高1、計算機技術(shù)的發(fā)展與進步2、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與進步3、軟件技術(shù)的發(fā)展與進步二、DCS的進一步開放開放：要求各個廠家的產(chǎn)品具有互操作性、互換性、可替代性、可擴充性（即可增值性）和多平臺支持（可移植性）。三、DCS的智能化和進一步分散化（一）現(xiàn)場總線技術(shù)介紹1、智能化儀表：建立在微電子的發(fā)展之上，超大規(guī)模集成電路、嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystems)、CPU、存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器和輸入輸出回路等功能集成在一塊芯片上的單片機，使得將模擬信號數(shù)字化這一工作從計算機端移到了現(xiàn)場端，現(xiàn)場儀表與計算機之間傳送的不是模擬信號，而是數(shù)字信號，或更確切的說是信息。2、現(xiàn)場總線：為了適應(yīng)智能化儀表的發(fā)展，多臺智能化儀表公用一對傳輸線，從而產(chǎn)生了現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線簡化了儀表信號線的布線工作，可機節(jié)省大量金屬導線，數(shù)字信息傳輸方面完善的糾錯技術(shù)使得信息傳輸?shù)恼`差大大降低，同時可以利用多種傳輸介質(zhì)完成信息傳輸，如雙絞線、光纖、無線電波、紅外線等，大大提高了在不同現(xiàn)場條件下信息傳輸?shù)倪m應(yīng)性。

現(xiàn)場總線實際上是一種計算機網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)上的每個接點都是一個智能化儀表。但也不同于一般計算機網(wǎng)絡(luò)，要解決信息碰撞問題。一般的現(xiàn)場總線規(guī)約中只包括物理層、鏈路層和應(yīng)用層，有些現(xiàn)場總線具有網(wǎng)絡(luò)層。3、現(xiàn)場總線的種類（1）HART（HighwayAddressableRemoteTransducer)協(xié)議：Rosemount1985年開發(fā)。利用“SmartFieldInstruments”將4-20mA信號調(diào)制成FSK信號（2）BitBus總線（3）Profibus總線（4）WorldFIP(FactoryInstrumentationProtocol)總線（5）遵循ISA(InstrumentSocietyofAmerica)/IEC的SP50總線（6）CAN(ControllerAreaNetwork)總線（7）LonWorks總線（二）分散控制模塊技術(shù)的發(fā)展Server工作站工作站工作站GateWay操作員站操作員站工程師站I/O站I/O站I/O站管理級MNET控制級SNET現(xiàn)場總線SNET四、PLC技術(shù)的發(fā)展及其隊對DCS的影響1、用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)原有的缺陷1）、PLC之間如何協(xié)調(diào)2）、現(xiàn)場編程或現(xiàn)場組態(tài)的需求不易滿足。3）、僅有邏輯功能或簡單數(shù)值運算不能滿足要求。2、現(xiàn)在PLC的幾點重大改變1）在數(shù)據(jù)高速公路上掛接了在線的通用計算機。2）在PLC中增加了數(shù)值量的I/O接口和數(shù)值處理計算功能。3）越來越多的PLC廠家把專用的數(shù)據(jù)高速公路改為通用網(wǎng)絡(luò)，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約向通用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)約靠攏。五、管理和控制一體化目前DCS有兩個發(fā)展方向，一是向現(xiàn)場深入，二是向高層發(fā)展，使得面向控制過程的DCS和面向生產(chǎn)管理與調(diào)度的管理信息系統(tǒng)MIS可以互相傳遞信息，出現(xiàn)了將DCS與MIS集成在一起的計算機集成制造系統(tǒng)CIMS和計算機集成過程控制系統(tǒng)CIPS。

實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵是各個子系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊接口。以太網(wǎng)通信標準。TCP/IP標準。SQLODBCOLE2.0DDE2.3DCS的基本組成部分三點一線一線：DCS骨架計算機網(wǎng)絡(luò)三點：面向過程現(xiàn)場的I/O站（PS），面向操作人員的操作站（OS），面向DCS監(jiān)督管理人員的工程師站（ES）操作級控制級現(xiàn)場級Ethernet,TCP/IPBackboneI/O′sPROFIBUS-PAPROFIBUS-DPHSI控制器

AC800F工程師站（ES）操作員站（OS）1、DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)用于DCS的計算機網(wǎng)絡(luò)在很多方面不同于通用的計算機網(wǎng)絡(luò)。它是一個實時網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)需要現(xiàn)場通訊實時性的要求，在確定的時限內(nèi)完城信息的傳送。這里所說的“確定”的時限是指，無論在何種情況下，信息傳送都能在這個時限內(nèi)完成，而這個時限則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：可分為星形、總線形、環(huán)形三種

中心節(jié)點星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)從傳送實時性講，星形網(wǎng)是最好的，因為這種結(jié)構(gòu)無公用傳輸介質(zhì)，但DCS不采用這種結(jié)構(gòu)，由于其中心節(jié)點的存在使危險性集中，不符合DCS的設(shè)計原則。目前DCS應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是環(huán)形網(wǎng)和總線形網(wǎng)，因為在這兩種結(jié)構(gòu)中，各個節(jié)點是平等的，任意兩個節(jié)點之間的通信可以直節(jié)通過網(wǎng)絡(luò)進行，無需其它節(jié)點的介入。但存在共用傳輸介質(zhì)的問題，這是影響網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性的關(guān)鍵。（2）DCS傳輸介質(zhì)共享的方式傳輸介質(zhì)：細同軸電纜（細纜）、粗同軸電纜（粗纜）、光纜為解決傳輸介質(zhì)共享，對于多個節(jié)點傳送信息的請求必須采用分時方法，避免信息在網(wǎng)絡(luò)上的碰撞，一種方式為TokenRing(對于環(huán)形網(wǎng)），TokenPassing（對于總線性網(wǎng)），即令牌方式；另一種方式為載波偵聽與碰撞技術(shù)，即CSMA/CD方式。2、現(xiàn)場I/O控制站主要功能：（1）將各種現(xiàn)場發(fā)生的過程量（流量、壓力、溫度、電流、功率及各種狀態(tài)等）進行數(shù)字化，并將這些數(shù)字量存在存儲器中，形成一個與需現(xiàn)場一致的、能一一對應(yīng)的、并按實際運行情況實時的改變和更新的現(xiàn)場過程量的實時映象。（2）將本站采集到的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到操作站、工程師站及其它現(xiàn)場站以便實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)督和控制，同時現(xiàn)場站還可接受由操作員站、工程師站下發(fā)的信息，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制或?qū)Ρ菊镜膮?shù)設(shè)定。（3）在本站實現(xiàn)局部控制、回路的計算及閉環(huán)控制、順序控制等。其它功能：（1）為二線制儀表提供電源（2）為現(xiàn)場信號的輸入輸出回路配備必要的隔離電路和保護電路。（3）對于一些重要的控制輸出量，必須具備斷電保護和上電跟隨特性。（4）可靠性要高。（5）具備不依賴DCS其它部分獨立運行的能力（DCS系統(tǒng)初始啟動除外）。3、操作員站

DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關(guān)的人機界面（MMI）功能的網(wǎng)絡(luò)接點。其主要功能為：（1）及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)、各種運行參數(shù)的當前值、是否有異常情況等。（2）對工藝過程進行控制和調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)過程的安全、可靠、高效、高質(zhì)。顯示內(nèi)容為：（1）生產(chǎn)過程的模擬流程圖，包括關(guān)鍵數(shù)據(jù)、控制參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)等（2）報警窗口：以倒排時間順序的方式列出所有生產(chǎn)過程的異常情況（異常狀態(tài)、數(shù)值越限等（3）最關(guān)鍵數(shù)據(jù)的常駐顯示（4）實時趨勢顯示（5）檢測及控制儀表的模擬顯示（6）多窗口顯示功能（7）靈活方便的畫面調(diào)用方法（8）音響報警裝置可靠的操作標準及可以使用位圖的自由組態(tài)圖形清晰的結(jié)構(gòu)層次適于標簽的快速選擇多級菜單選擇靈活選擇過程站資源支持高分辨率及真彩色顯示系統(tǒng)報警信息同步概念

8

個優(yōu)先級和15廠域操作權(quán)限控制

16

用戶組和1,000用戶離線瀏覽趨勢及記錄WindowsNT4.0平臺操作員站簡介一操作員站簡介二總貌顯示組顯示面板SFC顯示時間調(diào)度顯示

趨勢與記錄

信息列表

操作提示

系統(tǒng)診測顯示操作員站簡介三全圖形化表示動態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的動畫表示“所見即所得”操作風格無數(shù)量限制

4、工程師站工程師站：是對DCS進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。主要功能：提供對DCS進行組態(tài)、配置工作的組態(tài)軟件，并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時處在最佳工作狀態(tài)下。（1）工程師站所提供的組態(tài)功能?硬件配置組態(tài)功能：定義各個現(xiàn)場I/O控制站的站號、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，站內(nèi)的I/O配置，如各個I/O點信號性質(zhì)，信號條理類型。?數(shù)據(jù)庫組態(tài)功能：定義數(shù)據(jù)庫的各個參數(shù)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)主要對各數(shù)據(jù)庫點逐點定義其名稱、工程量轉(zhuǎn)換系數(shù)、上下限值、線性化處理、報警特性、報警條件等，歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)需要定義各個進入歷史庫的點的保存周期。?控制回路組態(tài)功能：該功能定義各個控制回路的控制算法、調(diào)節(jié)周期及調(diào)節(jié)參數(shù)等。進行回路控制的組態(tài)，最常用的為功能模塊圖（FBD-FunctionBlockDrawing)?邏輯控制及批控制組態(tài)：定義預(yù)先確定的處理過程，一般使用梯形圖（LD）或順控圖（SFC）。?控制算法語言的組態(tài)：針對于一些較特殊的控制處理，使用若干程序語句來處理。?操作員站顯示畫面的生成：與一般商用繪圖軟件不同，操作員站的畫面生成軟件，除了具有標準的繪圖功能外，還應(yīng)該具有時時動態(tài)點的定義功能因此實時畫面是有兩部分組成的，一部分是靜態(tài)畫面，常稱為背景圖；另一部分是動態(tài)點，包括實時更新的狀態(tài)和檢測值、“熱點”活動按鈕、設(shè)定值使用的滑動桿或滾動條等。?報表生成組態(tài)：包括表格形式、各個表項中所包含的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)?組態(tài)數(shù)據(jù)的編譯和下載：?操作安全保護組態(tài)：（2）工程師站對系統(tǒng)的監(jiān)控功能與操作員站不同，工程師站必須對DCS本身的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，包括各個現(xiàn)場I/O控制站的運行狀態(tài)、各操作員站的運行情況、網(wǎng)絡(luò)通訊情況等，一旦發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)工程師必須及時采取措施，進行維修或調(diào)整以使DCS能保證長時間連續(xù)運行，不會因?qū)ιa(chǎn)過程的失控造成損失，另外一些對組態(tài)的在線修改功能，如上下限設(shè)定值的改變、控制參數(shù)的調(diào)節(jié)、對某個檢測點或若干個檢測點、甚至對某個現(xiàn)場I/O站的離線直接操作。最小工程量一個系統(tǒng)全局的數(shù)據(jù)庫全系統(tǒng)范圍功能檢查全系統(tǒng)范圍交叉參考，從I/O點到圖形符號IEC-61131標準編程語言

一個集成的編程軟件包：

-系統(tǒng)過程組態(tài)與調(diào)試

-操作級與HMI級編程再線與離線編程經(jīng)過現(xiàn)場成熟應(yīng)用的控制功能模件庫工廠統(tǒng)一的項目文件SystembusHSIEngineering/CommissioningProcess-

stations全局數(shù)據(jù)庫編程方式System-wideDatabase-EngineeringwithDigiTool...僅使用一套

CBF在線與離線編程所有功能...硬件配置與診測HMI組態(tài)(Displays,Trends,Logs…)組態(tài):基本概念系統(tǒng)一體化硬件編輯、軟件組態(tài)覆蓋整個系統(tǒng)全局的數(shù)據(jù)庫和編程調(diào)試集成現(xiàn)場總線設(shè)備的管理可選則的IEC61131-3標準編程語言自動生成系統(tǒng)全局在線交叉參考數(shù)據(jù)表IEC61131-3功能塊圖（FBD）梯形圖（LD）指令表（IL）順控表（SFC）190多個標準功能塊大量符號庫包括220多個符號

用戶自定義功能

3D-圖形符號

功能塊

面板

全系統(tǒng)范圍功能檢查過程站編程...onlyoneCBFX-RefsAutomaticCommunicationDocumentation(Controller&HMI)System-wideTag-Database一體化工具

標準與用戶定義預(yù)定義顯示OverviewGroupFaceplatesTrendSFCDiagnosticsAlarming預(yù)編程用戶記錄用戶工藝流程圖大量3D-圖形符號庫MSWindows接口系統(tǒng)全局功能檢查操作員站畫面編輯Profibus-PAProfibus-DPDigiToolControllerDigiVisDevicespecificDatainGSD-Files總線設(shè)備組態(tài)1使用GSD-files組態(tài)

硬件組態(tài)數(shù)據(jù)庫建立控制回路組態(tài)邏輯控制組態(tài)

標準與用戶定義預(yù)定義顯示OverviewGroupFaceplatesTrendSFCDiagnosticsAlarming預(yù)編程用戶記錄用戶工藝流程圖大量3D-圖形符號庫MSWindows接口系統(tǒng)全局功能檢查操作員站畫面編輯

報表生成信號時序記錄事件與過程狀態(tài)改變應(yīng)急操作提示系統(tǒng)

工廠/操作員記錄手動或事件觸發(fā)記錄特殊過程值干擾源記錄組態(tài)數(shù)據(jù)的編譯及下裝系統(tǒng)監(jiān)控三級層次系統(tǒng)過程站模件自動生成完整系統(tǒng)監(jiān)控指示溫度報警輸出強置硬件信息運行時間CPU負載查詢掃描新設(shè)備遠程設(shè)定設(shè)備地址顯示總線掃描周期現(xiàn)場總線與設(shè)備的診測2.4DCS通訊系統(tǒng)一、計算機網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)（略）二、數(shù)據(jù)通訊1、數(shù)據(jù)、信號與傳送（1）模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳送：聲音在普通電話線中傳送（2）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送：聲音或圖象通過脈沖編碼器（PCM）調(diào)制在DCS中通過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)字信號。（3）數(shù)字信號的模擬信號傳送：調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。（4）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送：以一定編碼的形式（禎）經(jīng)并行或串行總線傳送或現(xiàn)場總線傳送2、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的構(gòu)成信號變換器信號變換器處理機外設(shè)終端終端系統(tǒng)（模擬信號）（數(shù)字信號）（數(shù)字信號）傳輸系統(tǒng)處理系統(tǒng)通信線路3、同步通信和異步通信（1）異步通信:每次傳送一個字符（5-8比特），每個字符前面加1位起始位（“0”），后面加1位校驗位和1-2位停止位（“1”），不傳送字符時連續(xù)傳送“1”。接受器根據(jù)“1”到“0”的跳變識別起始位，確定有新的字符發(fā)送時，啟動定時器。（2）同步通信：同步通信是比異步通信更有效的通信方式，在字符之間不加起始位、校驗位和停止位等，而成塊（數(shù)據(jù)禎）的傳送字符或比特流。4、單工通信和雙工通信（1）單工通信：數(shù)據(jù)只能沿單一方向進行發(fā)送或接收。為了保證數(shù)據(jù)正確接收提供是否重發(fā)的信息，還要有一個反向的應(yīng)答信號。（2）雙工通信半雙工通信：數(shù)據(jù)可沿兩個方向交替?zhèn)魉停粫r刻只能沿一個方向傳送，兩個方向的應(yīng)答信號使用同一信道，因此要有控制信號流向的設(shè)備。(RS485)全雙工通信：在兩個方向上的數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號均可同時傳輸，有四條獨立的信道(RS422)BABABA數(shù)據(jù)應(yīng)答應(yīng)答應(yīng)答數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（a）（b）（c）三、數(shù)據(jù)傳送中的差錯控制例如：發(fā)送端碼元序列：C=01001101011接收端碼元序列：R=01100110001錯誤碼元序列：E=CR=00101011010（”1”表示錯誤，”0”表示正確）突發(fā)錯誤的特點：某一碼元出錯與其前后碼元有相關(guān)性，往往使錯誤成串密集的產(chǎn)生。成串的突發(fā)錯誤中第一個錯誤位到最后一個錯誤位之間的長度（中間可以有不錯的位）稱為突發(fā)長度。采取屏蔽措施，選擇合理的調(diào)制方法（如調(diào)相）提高信噪比等，可以大大降低但不能完全消除差錯。目前一般通訊電路中，傳輸率為600-2400bps之間，誤碼率為10-4-10-6，高速傳輸?shù)恼`碼率為10-2-10-4，對DCS系統(tǒng)的傳輸，誤碼率要求低于10-9。數(shù)據(jù)通信中為實現(xiàn)無差錯傳送而使用的技術(shù)稱為差錯控制—應(yīng)用抗干擾碼和糾錯。差錯噪聲白噪聲：分子熱運動引起，隨機錯誤沖擊噪聲：電磁干擾引起，突發(fā)錯誤1、抗干擾編碼的基本思想人們交談時，有時并沒有聽懂對方講話的每個字、每個名，但是卻能夠懂得對方講話的含義，因為語言中的字與字、名與名之間存在著相關(guān)性和規(guī)律性?？垢蓴_編碼就是基于這種思想，使原來不帶規(guī)律性或規(guī)律性不強的信息序列I，變換為帶上規(guī)律性或使其規(guī)律性加強的序列C。接收端在接收時，可利用這種規(guī)律性進行檢驗（解碼），從而發(fā)現(xiàn)錯誤，告訴發(fā)送端重發(fā)，或自行糾正錯誤。在具體編碼時，就是在原始序列I的后面，以一定的規(guī)則加入一些冗余碼元。加入的冗余碼元稱監(jiān)督碼元或校驗碼元。因此，用抗干擾編碼的方法提高數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性是以犧牲有效性作代價的。檢錯碼：指能檢查出差錯的碼。糾錯碼：不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的碼。2、差錯控制的基本方式（1）自動糾錯：方式：發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的碼，接收端收到這些碼后，通過糾錯碼譯碼器不僅能自動的發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能自動的糾正傳輸中的錯誤，然后再把已糾正的數(shù)據(jù)（或信息）送給接收端，稱為前向糾錯，簡稱FEC。

優(yōu)點：不需貯存和反饋信道，能用于單向通信，適合不延遲實時通信系統(tǒng)。缺點：編碼必須與信道的噪聲干擾情況緊密對應(yīng)，要求附加的監(jiān)督碼元多，傳輸效率低，解碼設(shè)備復(fù)雜。（2）檢錯重發(fā)：方式：發(fā)送端發(fā)送能檢測差錯的碼，接收端檢驗傳輸中有無差錯產(chǎn)生，并把檢驗結(jié)果經(jīng)反饋信道送回到發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)反饋信息把接收端認為有錯信息再次發(fā)送，直到接收端判定無錯為止。稱為反饋重發(fā)糾錯，簡稱ARQ。

優(yōu)點：比自動糾錯能力強，編碼與信道的噪聲干擾情況無關(guān)，要求附加的監(jiān)督碼元少，傳輸效率低，解碼設(shè)備簡單。缺點：需貯存器和反饋信道，只能用于雙向通信，有時需要多次重發(fā)，實時性不強，而且不論錯誤多少，一有錯就要反饋重發(fā)，因此效率低。（3）自動糾錯與檢錯重發(fā)結(jié)合的混合糾錯方式3、檢錯碼（糾錯碼）（1）奇偶校驗碼：按一個字符或幾個字符構(gòu)成一組，在每個信息碼組后面加一位校驗位（或監(jiān)督位），檢驗位碼元的取值時要使新的碼組中“1”（“0”）的個數(shù)為偶數(shù)（偶校驗）或奇數(shù)（奇校驗）?？煞譃榇怪逼媾夹ｒ灒╒RC），水平奇偶校驗（LRC），水平垂直奇偶校驗（TRC）。垂直奇偶校驗：以字符（8bit)為單位，前七位為信息元碼（C7C6C5C4C3C2C1），最后一位為校驗位（C0），若滿足：C7

C6

C5

C4

C3

C2

C1

C0=0，偶校驗C7

C6

C5

C4

C3

C2

C1

C0=1，奇校驗（2）循環(huán)冗余碼：計算機網(wǎng)絡(luò)和DCS中主要應(yīng)用的抗干擾碼。A：線性碼：編碼長度n=K位信息碼+r位校驗碼，表示為（n，K），例如（7，3），三個信息碼元C6C5C4，四個校驗碼元C3C2C1C0，可按以下線性關(guān)系求得

C3=C6

C4

C2=C6

C5

C4

C1=C6

C5一致檢驗方程組C0=C5

C4

B：循環(huán)碼：

四、多路復(fù)用技術(shù)方法：利用一個物理信道同時傳輸多個信號，提高信道利用率。分類：1、頻分多路復(fù)用（FDM），使用幾種不同的載波頻率調(diào)制多個信號形成每條信道上占有一定帶寬且互不重疊、有一定頻段間隔的多條信道。電話線通信和寬帶網(wǎng)常用。2、時分多路復(fù)用（TDM），將傳輸線的使用時間劃分為若干周期，每一周期再劃分為與信道數(shù)n相對應(yīng)的n個時間片，每一時間片中傳輸對應(yīng)序號的信號。五、信息交換技術(shù)1、電路交換（CircuitSwitching)2、報文交換（MessageSwitching)3、分組交換（PacketSwitching)四、多路復(fù)用技術(shù)方法：利用一個物理信道同時傳輸多個信號，提高信道利用率。分類：1、頻分多路復(fù)用（FDM），使用幾種不同的載波頻率調(diào)制多個信號形成每條信道上占有一定帶寬且互不重疊、有一定頻段間隔的多條信道。電話線通信和寬帶網(wǎng)常用。2、時分多路復(fù)用（TDM），將傳輸線的使用時間劃分為若干周期，每一周期再劃分為與信道數(shù)n相對應(yīng)的n個時間片，每一時間片中傳輸對應(yīng)序號的信號。五、信息交換技術(shù)1、電路交換（CircuitSwitching)2、報文交換（MessageSwitching)3、分組交換（PacketSwitching)六、網(wǎng)絡(luò)訪問的存取控制技術(shù)1、輪詢（Poll)

適用于集中控制的網(wǎng)絡(luò)（星形網(wǎng)、樹形網(wǎng)、總線網(wǎng)），在DCS中稱為1對N的控制方式，它是由主站向其他站逐個查詢，根據(jù)查詢到站的應(yīng)答信息，確定該站是否要發(fā)信，并確定是否讓其發(fā)信。2、令牌傳送（TokenPassing）3、碰撞檢測的載波偵聽多重訪問（CSMA/CD）2.5DCS的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

一、DCS網(wǎng)絡(luò)的標準體系結(jié)構(gòu)控制管理計算機中央操作臺生產(chǎn)管理計算機網(wǎng)間連接器網(wǎng)間連接器LOSPCPCI/OI/OI/OI/O生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程LOSPCPCMAPPROWAYPROWAY現(xiàn)場總線二、通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1、協(xié)議組成

句法：即數(shù)據(jù)和控制信息的結(jié)構(gòu)語法：即一組要發(fā)送的控制信息，要執(zhí)行的動作，或要返回的響應(yīng)；時標：即時間執(zhí)行次序的規(guī)約2、分層協(xié)議的優(yōu)點

簡化協(xié)議軟件的描述、發(fā)展和調(diào)試過程；允許對某一層進行修改，但不影響其他各層；使協(xié)議管理簡化，并可逐步擴展；3、通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展ISO：開放系統(tǒng)互連參考模型OSI，70年代；

IEC：PROWAY協(xié)議，75年，相當于OSI下面兩層

IEEE：局部網(wǎng)絡(luò)標準協(xié)議，81年，相當于OSI下面兩層通用汽車：MAP（ManufacturingAutomationProtocol）協(xié)議80年代

三、開放系統(tǒng)互連參考模型OSI7應(yīng)用7應(yīng)用6表示6表示5會話5會話4傳送4傳送3網(wǎng)絡(luò)3網(wǎng)絡(luò)2鏈路2鏈路1物理1物理通信線路H2H3H4H5H6H7數(shù)據(jù)T2H2H3H4H5H6H7數(shù)據(jù)T2H3H4H5H6H7數(shù)據(jù)H4H5H6H7數(shù)據(jù)H5H6H7數(shù)據(jù)H6H7數(shù)據(jù)H7數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)H2H3H4H5H6H7數(shù)據(jù)T2H2H3H4H5H6H7數(shù)據(jù)T2H3H4H5H6H7數(shù)據(jù)H4H5H6H7數(shù)據(jù)H5H6H7數(shù)據(jù)H6H7數(shù)據(jù)H7數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)S2S11、物理層（PhysicalLayer)

它是通信網(wǎng)上各設(shè)備之間的物理接口，直接把數(shù)據(jù)位信息從一臺設(shè)備傳送到另一臺設(shè)備。目前常用串行通信接口有RS-232C、RS-422A，RS-485。

機械特性：連接器的規(guī)格及其安裝電氣特性：傳輸線上數(shù)字信號的電壓高低、傳輸距離和速率功能特性：連接器各插腳的功能過程特性：規(guī)定信號之間的時序關(guān)系，正確發(fā)送或接收數(shù)據(jù)物理層協(xié)議123456789TXDRXDRTSCTSGND2、數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer)

數(shù)據(jù)鏈路層負責將傳送的數(shù)據(jù)按幀結(jié)構(gòu)格式化，組織成幀，實現(xiàn)差錯控制和介質(zhì)訪問控制，實現(xiàn)對物理層的管理。（1）面向字符的協(xié)議典型為IBM推出的BISYNC（BinarySynchronousCommunication),其組成幀的最小單位為字符。其控制字符如下：SOH(StartofHeader)—報頭開始；STX(StartofText)—文本開始；ETX(EndofText)—文本結(jié)束；ITB(IntermediateTextBlock)—中間文本塊；ETB(EndofTransmissionofBlocks)--塊傳輸結(jié)束；EOT(EndofTransmission)--傳輸結(jié)束；NAK(NotAcknowledge)--無應(yīng)答；ENQ(EnquirytoSolicitResponsefromReceivingStation)—向接收站詢問響應(yīng)ACKE—應(yīng)答偶數(shù)個塊的報文；ACKO--應(yīng)答奇數(shù)個塊的報文；SYN—同步字符BISYNC協(xié)議幀格式如下：BCC（BlockCharacterCheck)為錯誤校驗信息，可選用垂直/水平奇偶校驗和16位CRC校驗或12位CRC校驗。SYNSYNSOH報頭STX內(nèi)容ETXETBBCC多節(jié)點二進制同步操作順序STX。內(nèi)容。ETB。BCCEOT。A。ENQEOTB。ENQSOH。報頭。STX。內(nèi)容。ETB。BCCACK1ACK0EOT一次站二次站AB（2）面向位的協(xié)議代表性：ISO提出的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC（High-levelDataLinkControl)HDLC支持同步通信方式，可采用半雙工或全雙工方式，具有循環(huán)冗余檢驗（CRC），適用于點對點、多點式（廣播式）和環(huán)形網(wǎng)。

HDLC以幀作為基本信息傳送單位，每幀6個字段，含義如下：標志F：指明一個幀的開始或結(jié)束，也兼作同步字符，是一個8位序列01111110，在整個幀中具有唯一性。站地址A：指明接收本幀信息的目的站地址?？刂贫蜟：指明幀的類型、序列號、命令、響應(yīng)類別等控制信息。信息段I：傳送用戶的數(shù)據(jù)信息，其長度是可變的。CRC校驗段：它是站地址段、控制段、信息段數(shù)字的函數(shù)，采用16位CRC校驗。HDLC幀結(jié)構(gòu)8位8位8位>=0位16位8位起始標志F站地址A控制C信息I校驗CRC起始標志

F12345678控制段結(jié)構(gòu)信息幀0N(s)P/FN(r)監(jiān)視幀10SSP/FN(r)無編號幀11MMP/FMMMHDLC幀類型1）信息幀：用來傳送數(shù)據(jù)，其信息段可以任意長?？刂贫沃蠳（s）表示發(fā)送站所發(fā)出幀序列編號（位2為低位），N（r）表示發(fā)送站所下次所希望接收的幀序列編號（位6為低位）。這些編號支持了數(shù)位流控制，即發(fā)送端一旦發(fā)送了七個幀后，若沒有確認回答，那么發(fā)送站就不再發(fā)送幀。P/F位只在一系列幀的最后一個幀上置1，表示傳送完畢。2）監(jiān)視幀：用于對信息傳送幀的確認和響應(yīng)，該幀無信息段，用兩位監(jiān)視位SS表示四種命令：接收準備好（RR）：通知對方站，按N（r）幀序列編號發(fā)送。接收未準備好（RNR）：通知對方站不要發(fā)送。拒絕（REJ）：指明N（r）幀有錯，同時要求重發(fā)該幀和以后所有幀。選擇拒絕（SREJ）：要求重發(fā)N（r）幀。3）無編號幀：該幀無幀編號，用來傳送命令和響應(yīng)，具有特殊用途。例如初始化一個站、拆除站、拒絕接受命令，以及置操作命令。HDLC網(wǎng)絡(luò)上站的類型1）主站（P）：發(fā)信息幀、命令幀或接收響應(yīng)幀，并對整個鏈路進行控制，如初始化、差錯控制、數(shù)位流控制。2）次站（S）：接收來自主站的命令幀、信息幀和發(fā)響應(yīng)幀，并配合主站參與對鏈路的控制。3）復(fù)合站（C）：兼有上述兩種站的功能。PS命令響應(yīng)PSS命令響應(yīng)響應(yīng)PS命令響應(yīng)SP命令響應(yīng)CC命令響應(yīng)(a)點—點式(b)多點式(c)對稱結(jié)構(gòu)(d)平衡結(jié)構(gòu)HDLC操作模式1）正規(guī)響應(yīng)模式NRM：該模式用于一個主站和N個次站組成的多點式結(jié)構(gòu)，由主站發(fā)出SNRM（置正規(guī)響應(yīng)模式）命令來定義次站。一旦次站被定義成這種模式，就可以向主站發(fā)送多個信息幀，直至次站無信息幀可以發(fā)送，或被主站停止，這種模式適合于半雙工通信方式。2）異步響應(yīng)模式ARM：該模式用于一個主站和一個次站組成的點--點式結(jié)構(gòu)，或用于對稱結(jié)構(gòu)中的每一對主站和次站。由主站發(fā)出SARM（置異步響應(yīng)模式）命令來定義次站為該種模式。此時，次站不必被主站查詢，即可自發(fā)地發(fā)送幀。這種模式適合于全雙工通信方式。3）異步平衡模式ABM：該模式用于通信雙方都是復(fù)合站的平衡結(jié)構(gòu)。這種模式是通過雙方分別發(fā)SABM（置異步平衡模式）命令來定義3、網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer)功能：是信息包的路徑選擇和鏈路的協(xié)調(diào)管理，防止鏈路的死鎖和堵塞。如果信息包只在單個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳送，這一層不必存在。向傳送層提供的服務(wù)方法：虛電路方法：類似于電路交換技術(shù)。數(shù)據(jù)報方法：類似于報文交換技術(shù)。4、傳送層（TransportLayer)功能：為會話層提供可靠二透明的端----端傳送服務(wù)，使信息傳送無差錯。如果各個站中有多個任務(wù)在并行運行，傳送層可建立多個網(wǎng)絡(luò)層連接。使信息分流，也可進行邏輯上的多路復(fù)用，提高網(wǎng)絡(luò)層連接利用率，從而提高網(wǎng)絡(luò)信息吞吐量。5、會話層(SessionLayer)功能：通過進程之間的連接的建立和調(diào)節(jié)，使得連接雙方的交換活動變得容易，例如，在DCS中，要更新數(shù)據(jù)