《計算機控制技術第3版》 課件 于海生第7-9章 計算機控制系統(tǒng)的軟件設計技術、分布式測控網(wǎng)絡技術、計算機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

第7章計算機控制系統(tǒng)的軟件設計技術

軟件是工業(yè)控制機的程序系統(tǒng)，它可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件：實時多任務操作系統(tǒng)、引導程序、調度執(zhí)行程序等。

應用軟件：面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，由用戶自己設計的。

軟件設計的方法：利用計算機語言自己編制需要的應用程序；利用組態(tài)軟件。7.1程序設計技術7.1.1模塊化與結構化程序設計

7.1.2面向過程與面向對象的程序設計

7.1.3高級語言I/O控制臺編程7.1.1模塊化與結構化程序設計一個完整的程序設計過程可以用左圖來說明。

首先要分析用戶的要求，這大約占整個程序設計工作量的10%；然后編寫程序的說明，這大約也占10%；接著進行程序的設計與編碼，這大約占30%左右，其中設計與編碼幾乎各占15%；最后進行測試和調試，這要花費整個程序設計工作量的40%以上。1.模塊化程序設計

（1）自底向上模塊化設計首先對最低層模塊進行編碼、測試和調試。這些模塊正常工作后，就可以用它們來開發(fā)較高層的模塊。這種方法是匯編語言設計常用的方法。（2）自頂向下模塊化設計首先對最高層進行編碼、測試和調試。為了測試這些最高層模塊，可以用“結點”來代替還未編碼的較低層模塊，這些“結點”的輸入和輸出滿足程序的說明部分要求，但功能少得多。該方法一般適合用高級語言來設計程序。2.結構化程序設計

1966年，C.Bohm和G.Jacopini證明了只用三種基本的控制結構就能實現(xiàn)任何單入口單出口的程序。這三種基本的控制結構是“順序”、“選擇”、“循環(huán)”。如右圖所示。7.1.2面向過程與面向對象的程序設計1.面向過程的程序設計及其局限性過程式程序設計是面向功能的。首先要定義所要實現(xiàn)的功能，然后設計為實現(xiàn)這些功能所要執(zhí)行的步驟。這些步驟就是過程。編寫代碼實際上等于分解這些步驟，使每一步直接對應一行代碼。這就是過程式編程中的“逐步求精”的過程。這種方式不利于中大型軟件的開發(fā)與維護，小部分數(shù)據(jù)或功能的改變會涉及到很多的相關程序。2.面向對象的程序設計以上兩種方法在概念上存在以下主要區(qū)別：（1）模塊與對象（2）過程調用和消息傳遞（3）類型和類（4）靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接7.1.3高級語言I/O控制臺編程

對于PC總線工業(yè)控制機，我們以TurboC為例來說明其訪問I/O端口的編程。

TurboC通常有庫函數(shù)，允許直接訪問I/O端口，頭文件〈conio.h〉中定義了I/O端口例程。例如：

a=inportw(0x210)b=inportb(0x220)

第一條指令表示將端口210H的16位二進制數(shù)(一個字)輸入給變量a，第二條指令表示將端口220H的8位二進制數(shù)(一個字節(jié))輸入給變量b。在C語言中，0x起頭的是16進制數(shù)。又如：outportw(0x230,0x3435)outportb(0x240,0x26)

第一條指令表示將二字節(jié)數(shù)3435H輸出到端口230H中，第二條指令表示將單字節(jié)數(shù)26H輸出到端口240H中。7.2人機接口技術7.2.1HMI/SCADA的含義HMI（HumanMachineInterface）廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達及接收信息的一個接口”。利用計算機數(shù)據(jù)處理的強大功能，向用戶提供諸如工藝流程圖顯示、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示、參數(shù)修改與設置、報表編制、趨勢圖生成、報警畫面、打印參數(shù)以及生產(chǎn)管理等多種功能，為系統(tǒng)提供良好的人機界面。一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項基本的能力：(1)標準通信協(xié)議。(2)標準數(shù)據(jù)交換接口。(3)綁定驅動(NativeDriver)。7.2.2

基于監(jiān)控組態(tài)軟件設計人機接口

組態(tài)最早來自英文Configuration，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機或軟件按照預先設置自動完成特定任務，滿足使用者要求的目的。監(jiān)控組態(tài)軟件，即監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA）軟件，是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。7.2.3

基于可視化高級語言設計人機接口

1.VisualBasic（VB）2.VisualC++（VC++）3.C#7.3測量數(shù)據(jù)預處理技術7.3.1誤差自動校準

7.3.2線性化處理和非線性補償

7.3.3標度變換方法

7.3.4越限報警處理

傳感器把生產(chǎn)過程的信號轉換成電信號，然后用A／D轉換器把模擬信號變成數(shù)字信號，讀入計算機中。

對于這樣得到的數(shù)據(jù)，一般要進行一些預處理，其中最基本的處理有線性化處理、標度變換和誤差自動校準。7.3.1誤差自動校準

定義：系統(tǒng)誤差是指在相同條件下，經(jīng)過多次測量，誤差的數(shù)值(包括大小符號)保持恒定，或按某種已知的規(guī)律變化的誤差。特點：在一定的測量條件下，其變化規(guī)律是可以掌握的，產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。方法：偏移校準在實際中應用最多，并且常采用程序來實現(xiàn)，稱為數(shù)字調零。

數(shù)字調零：在測量時，先把多路輸入接到所需測量的一組輸入電壓上進行測量，測出這時的輸入值為x1,然后把多路開關的輸入接地，測出零輸入時A／D轉換器的輸出為x0，用x1減去x0即為實際輸入電壓x。除了數(shù)字調零外，還可以采用偏移和增益誤差的自動校準。1.全自動校準

采用這種方法測得的V與放大器的漂移和增益變化無關，與V和R的精度也無關。這樣可大大提高測量精度，降低對電路器件的要求。

先把開關接地，測出這時的輸入值x0，然后把開關接VR，測出輸入值x1，并存放x1、x0，在正式測量時，如測出的輸入值為x，則這時的V可用下式計算2.人工自動校準

人工自動校準只測一個標準輸入信號yR，零信號的補償由數(shù)字調零來完成。設數(shù)字調零后測出的數(shù)據(jù)分別為xR(接校準輸入yR時)和x(接被測輸入y時)，則可按下式來計算y。

如果在校準時，計算并存放yR／xR的值，則測量校準時，只需行一次乘法即可。人工自動校準特別適于傳感器特性隨時間會發(fā)生變化的場合。如常用的濕敏電容等濕度傳感器。7.3.2線性化處理和非線性補償1．鉑熱電阻的阻值與溫度的關系2．熱電偶的熱電勢與溫度的關系3．孔板差壓與流量的關系4．氣體體積流量的非線性補償7.3.3標度變換方法

在工業(yè)測控系統(tǒng)中，如，壓力的單位為Pa，流量的單位為m3／h，溫度的單位為℃等，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A／D轉換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅僅對應于參數(shù)值的大小，故必須把它轉換成帶有量綱的工程值后才能運算、顯示或打印輸出，這種轉換就是標度變換。標度變換有各種類型，它取決于被測參數(shù)的傳感器的類型，應根據(jù)實際要求來選用適當?shù)臉硕茸儞Q方法。

1．線性變換公式

2．公式轉換法

3．其它標度變換法1.線性變換公式

Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)／(Nmax-Nmin)+Ymin

Y表示參數(shù)測量值，Ymax表示參數(shù)量程最大值，Ymin表示參數(shù)量程最小值，Nmax表示Ymax對應的A／D轉換值，Nmin表示Ymin對應的A／D轉換值，X表示測量值Y對應的A／D轉換值。2.公式轉換法可采用直接按解析式來計算。3.其它標度變換法可采用多項式插值法，也可以用線性插值法或查表進行標度變換。7.3.4越限報警處理

越限報警是工業(yè)控制過程常見而又實用的一種報警形式，它分為上限報警、下限報警及上下限報警。如果需要判斷的報警參數(shù)是xn，該參數(shù)的上下限約束值分別是xmax和xmin，則上下限報警的物理意義如下：

(1)上限報警若xn＞xmax，則上限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。

(2)下限報警若xn＜xmin，則下限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。

(3)上下限報警若xn＞xmax，則上限報警，否則對下式做判別；

xn＜xmin否?若是則下限報警，否則繼續(xù)原定操作。根據(jù)上述規(guī)定，程序可以實現(xiàn)對被控參數(shù)y、偏差e以及控制量u進行上下限檢查。7.4數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)7.4.1給定值和被控量處理

7.4.2偏差處理

7.4.3控制算法的實現(xiàn)

7.4.4控制量處理

7.4.5自動/手動切換技術

數(shù)字控制器算法的工程實現(xiàn)中，應注意的問題，由以下五部分給出:7.4.1給定值和被控量處理1.給定值處理給定值處理包括選擇給定值SV和給定值變化率限制SR兩部分。通過選擇軟開關CL／CR，可以構成內給定狀態(tài)或外給定狀態(tài)；通過選擇軟開關CAS／SCC，可以構成串級控制或SCC控制。

(1)內給定狀態(tài)當軟開關CL／CR切向CL位置時，選擇操作員設置的給定值SVL。這時系統(tǒng)處于單回路控制的內給定狀態(tài)，利用給定值鍵可以改變給定值。(2)外給定狀態(tài)當軟開關CL／CR切向CR位置時，給定值來自上位計算機、主回路或運算模塊。這時系統(tǒng)處于外給定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，可以實現(xiàn)以下兩種控制方式。①SCC控制:當軟開關CAS／SCC切向SCC位置時，接收來自上位計算機的給定值SVS，以便實現(xiàn)二級計算機控制。②串級控制:當軟開關CAS／SCC切向CAS位置時，給定值SVS來自主調節(jié)模塊，實現(xiàn)串級控制。

(3)給定值變化率限制為了減少給定值突變對控制系統(tǒng)的擾動，防止比例、積分飽和，以實現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對給定值的變化率SR加以限制。變化率的選取要適中，過小會使響應變慢，過大則達不到限制的目的。綜上所述，在給定值處理中，共具有三個輸入量(SVL，SVC，SVS)，兩個輸出量(SV，CSV)，兩個開關量(CL／CR，CAS／SCC)，一個變化率(SR)。為了便于PID控制程序調用這些量，需要給每個PID控制模塊提供一段內存數(shù)據(jù)區(qū)，來存儲以上變量。2.被控量處理

為了安全運行，需要對被控量PV進行上下限報警處理,即:

當PV＞PH(上限值)時，則上限報警狀態(tài)(PHA)為“1”；當PV＜PL(下限值)時，則下限報警狀態(tài)(PLA)為“1”。當出現(xiàn)上、下限報警狀態(tài)(PHA，PLA)時，它們通過驅動電路發(fā)出聲或光，以便提醒操作員注意。為了不使PHA／PLA的狀態(tài)頻繁改變，可以設置一定的報警死區(qū)(HY)。為了實現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對參與控制的被控量的變化率PR加以限制。變化率的選取要適中，過小會使響應變慢，過大則達不到限制的目的。被控量處理數(shù)據(jù)區(qū)存放一個輸入量PV，三個輸出量PHA、PLA和CPV，四個參數(shù)PH、PL、HY和PR。7.4.2偏差處理

偏差處理分為計算偏差、偏差報警、非線性特性和輸入補償四部分，如下圖所示。

1．計算偏差：根據(jù)正／反作用方式(D／R)計算偏差DV，當D／R=0，代表正作用，此時偏差DV=CPV-CSV；當D／R=1，代表反作用，此時偏差DV=CSV-CPV；

2．偏差報警：對于控制要求較高的對象，不僅要設置被控制量PV的上、下限報警，而且要設置偏差報警。當偏差絕對值|DV|＞DL時，則偏差報警狀態(tài)DLA為“1”。3．輸入補償根據(jù)輸入補償方式ICM狀態(tài)，決定偏差DVC與輸入補償量ICV之間的關系，即當ICM=0，代表無補償，此時CDV=DVC；當ICM=1，代表加補償，此時CDV=DVC+ICV;

當ICM=2，代表減補償，此時CDV=DVC-ICV;

當ICM=3，代表置換補償，此時CDV=ICV。利用加、減輸入補償，可以分別實現(xiàn)前饋控制和純滯后補償(Smith)控制。4．非線性特性為了實現(xiàn)非線性PID控制或帶死區(qū)的PID控制，設置了非線性區(qū)-A至+A和非線性增益K，非線性特性如圖所示。即當K=0時，則為帶死區(qū)的PID控制；當0＜K＜1時，則為非線性PID控制；當K=1時，則為正常的PID控制。偏差處理數(shù)據(jù)區(qū)共存放一個輸入補償量ICV，兩個輸出量DLA和CDV，兩個狀態(tài)量D／R和ICM，以及四個參數(shù)DL、-A、+A和K。7.4.3控制算法的實現(xiàn)

在自動狀態(tài)下，需要進行控制計算，即按照各種控制算法的差分方程，計算控制量U，并進行上、下限限幅處理。以PID控制算法為例，當軟開關DV／PV切向DV位置時，則選用偏差微分方式；當軟開關DV／PV切向PV位置時，則選用測量(即被控量)微分方式。

在PID計算數(shù)據(jù)區(qū)，不僅要存放PID參數(shù)(KP或δ，TI，TD)和采控制周期T，還要存放微分方式DV／PV、積分分離值ε，控制量上限限值MH和下限限值ML，以及控制量UK。為了進行遞推運算，還應保存歷史數(shù)據(jù)，如e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)。7.4.4控制量處理

在輸出控制量UK以前，還應經(jīng)過各項處理和判斷，以便擴展控制功能，實現(xiàn)安全平穩(wěn)操作。

1．輸出補償：根據(jù)輸出補償方式OCM的狀態(tài)，決定控制量UK與輸出補償量OCV之間的關系，即：當OCM=0,代表無補償，此時Uc=Uk；當OCM=1,代表加補償，此時Uc=Uk+OCV；當OCM=2,代表減補償，此時Uc=Uk-OCV;

當OVM=3，代表置換補償，此時Uc=OCV.

利用輸出和輸入補償，可以擴大實際應用范圍，靈活組成復雜的數(shù)字控制器，以便組成復雜的自動控制系統(tǒng)。2．變化率限制：為了實現(xiàn)平穩(wěn)操作，需要對控制量的變化率MR加以限制。變化率的選取要適中，過小會使操作緩慢，過大則達不到限制的目的。

3．輸出保持：當軟開關FH／NH切向NH位置時，現(xiàn)時刻的控制量u(k)等于前一時刻的控制量u(k-1)，也就是說，輸出控制量保持不變。當軟開關FH／NH切向FH位置時，又恢復正常輸出方式。軟開關FH／NH狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安全報警開關。

4．安全輸出：當軟開關FS／NS切向NS位置時，現(xiàn)時刻的控制量等于預置的安全輸出量MS。當軟開關FS／NS切向FS位置時，又恢復正常輸出方式。軟開關FS／NS狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安全報警開關?？刂屏刻幚頂?shù)據(jù)區(qū)需要存放輸出補償量OCV和補償方式OCM，變化率限制值MR，軟開關FH／NH和FS／NS，安全輸出量MS，以及控制量CMV。7.4.5自動/手動切換技術

在正常運行時，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)；而在調試階段或出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)。下圖為自動/手動切換處理框圖。

1.軟自動／軟手動當軟開關SA／SM切向SA位置時，系統(tǒng)處于正常的自動狀態(tài)，稱為軟自動(SA)；反之，切向SM位置時，控制量來自操作鍵盤或上位計算機，此時系統(tǒng)處于計算機手動狀態(tài)，稱為軟手動(SM)。一般在調試階段，采用軟手動(SM)方式。2.控制量限幅為了保證執(zhí)行機構工作在有效范圍內，需要對控制量Us進行上、下限限幅處理，使得ML≤MV≤MH，再經(jīng)D／A轉換器輸出0～10mADC或4～20mADC。3.自動／手動

對于一般的計算機控制系統(tǒng)，可采用手動操作器作為計算機的后備操作。當切換開關處于HA位置時，控制量MV通過D／A輸出，此時系統(tǒng)處于正常的計算機控制方式，稱為自動狀態(tài)(HA狀態(tài))；反之，若切向HM位置，則計算機不再承擔控制任務，由運行人員通過手動操作器輸出0～10mADC或4～20mADC信號，對執(zhí)行機構進行遠方操作，這稱為手動狀態(tài)(HM狀態(tài))。4.無平衡無擾動切換

無平衡無擾動切換，是指在進行手動到自動或自動到手動的切換之前，無須由人工進行手動輸出控制信號與自動輸出控制信號之間的對位平衡操作，就可以保證切換時不會對執(zhí)行機構的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動。

在手動(SM或HM)狀態(tài)下，盡管并不進行PID計算，但應使給定值(CSV)跟蹤被控量(CPV)，同時也要把歷史數(shù)據(jù)，如e(k-1)和e(k-2)清零，還要使u(k-1)跟蹤手動控制量(MV或VM)。這樣，一旦切向自動而u(k-1)又等于切換瞬間的手動控制量，這就保證了PID控制量的連續(xù)性。當然，這一切需要有相應的硬件電路配合。4.無平衡無擾動切換當從自動(SA與HA)切向軟手動(SM)時，只要計算機應用程序工作正常，就能自動保證無擾動切換。當從自動(SA與HA)切向硬手動(HM)時，通過手動操作器電路，也能保證無擾動切換。從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動工作狀態(tài)時，同樣需要進行無擾動切換，為此可采取類似的措施，不再贅述。自動手動切換數(shù)據(jù)區(qū)需要存放軟手動控制量SMV，軟開關SA／SM狀態(tài)，控制量上限限值(MH)和下限限值(ML)，控制量MV，切換開關HA／HM狀態(tài)，以及手動操作器輸出VM。

以上討論了PID控制程序的各部分功能及相應的數(shù)據(jù)區(qū)。完整的PID控制模塊數(shù)據(jù)區(qū)除了上述各部分外，還有被控量量程上限RH和量程下限RL，工程單位代碼、采樣(控制)周期等。該數(shù)據(jù)區(qū)是PID控制模塊存在的標志，可把它看作是數(shù)字PID控制器的實體。只有正確地填寫PID數(shù)據(jù)區(qū)后，才能實現(xiàn)PID控制系統(tǒng)。采用上述數(shù)字控制器，不僅可以組成單回路控制系統(tǒng)，而且可以組成串級、前饋、純滯后補償(Smith)等復雜控制系統(tǒng)，對于后面兩種系統(tǒng)還應增加補償器運算模塊。利用該控制模塊和各種功能運算模塊的組合，可以組成各種控制系統(tǒng)來滿足生產(chǎn)過程控制的要求。7.5系統(tǒng)的有限字長數(shù)值問題7.5.1量化誤差來源7.5.2A-D、D-A及運算字長的選擇7.5.1量化誤差來源1.量化誤差

量化單位q：就是機內數(shù)的最小單位

舉例，8位和12位的A/D轉換器，在0—5V時的q通過A／D轉換可計算出模擬電壓x相當于多少個整量化單位，即:x=Lq+ε,式中L為整數(shù)，對于余數(shù)ε(ε＜q)可以用截尾或舍入來處理。所謂截尾就是舍掉數(shù)值中小于q的余數(shù)ε(ε＜q)，其截尾誤差εt為εt=xt-x

式中x為實際數(shù)值，xt為截尾后的數(shù)值。顯然-q＜εt≤0。所謂舍入是指，當被舍掉的余數(shù)ε大于或等于量化單位的一半時，則最小有效位加1；而當余數(shù)ε小于量化單位的一半時，則舍掉ε。這時舍入誤差為εr=xr-x

式中x為實際數(shù)值，xr舍入后的數(shù)值。顯然，-q/2≤εr≤q/2。2.量化誤差來源

從下圖可以看出，產(chǎn)生量化誤差的原因主要有以下幾個方面：

(1)A/D轉換的量化效應

(2)控制規(guī)律計算中的量化效應。

(3)控制參數(shù)的量化效應

(4)D/A轉換的量化效應6.5.2A/D、D/A及運算字長的選擇1.A/D轉換器的字長選擇2.D/A轉換器的字長選擇3.運算的字長選擇1.A/D轉換器的字長選擇

為把量化誤差限制在所允許的范圍內，應使A/D轉換器有足夠的字長。確定字長要考慮的因素是：輸入信號x的動態(tài)范圍和分辨率。

(1)輸入信號的動態(tài)范圍λ為轉換當量

(2)分辨率2.D/A轉換器的字長選擇執(zhí)行機構的最大輸入值為umax最小輸入值為umin靈敏度為λ3.運算的字長選擇

由8位或12位A/D變換器采集數(shù)據(jù)之后，為了保證運算精度，在CPU內幾乎毫無例外的至少采用16位字長運算。運算精度不僅取決于字長，而且還取決于采用定點數(shù)或浮點數(shù)。如果采用浮點數(shù)，運算精度可以大大提高。不管采用定點還是浮點數(shù)，輸入標準數(shù)0至1對應A/D轉換結果的全0至全1；輸出標準數(shù)0至1對應D/A轉換器數(shù)字位狀態(tài)的全0至全1。7.6軟件抗干擾技術1.測控系統(tǒng)軟件的基本要求（1）易理解、易維護

指軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補充。（2）實時性

要求系統(tǒng)及時響應外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結果。（3）可測試性

兩方面含義：其一是比較容易制定出測試準則，并根據(jù)這些準則對軟件進行測試；其二軟件設計完成后，首先在模擬環(huán)境下運行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)仿真運行，證明正確無誤后才可投入實際運行。（4）準確性

算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。（5）可靠性

最重要的指標之一，兩方面含義：第一是運行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時，軟件能可靠運行并給出準確結果，即軟件應具有自適應性；第二是工業(yè)環(huán)境極其惡劣，干擾嚴重，軟件必須保證在嚴重干擾條件下也能可靠運行。2.軟件抗干擾研究的主要內容(1)采用軟件的方法抑制疊加在輸入輸出信號上噪聲影響，如模擬輸入信號的數(shù)字濾波技術；(2)由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導致程序亂飛或陷入死循環(huán)，采取使程序納入正規(guī)的措施，如指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術等；(3)發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決系統(tǒng)恢復正常運行的方法，如重要信息的恢復，系統(tǒng)重入的條件等。(3)數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。7.6.1數(shù)字濾波技術

所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。故實質上它是一種程序濾波。

與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點:(1)數(shù)字濾波是用程序實現(xiàn)的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。(2)數(shù)字濾波可以對頻率很低(如0．01HZ)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。

主要數(shù)字濾波算法：算術平均值法、中位值濾波法、限幅濾波法、慣性濾波法1.算術平均值法第術平均值法是對輸入的N個采樣數(shù)據(jù)xi(i=1～N)，尋找這樣一個y，使y與各采樣值間的偏差的平方和為最小，使由一元函數(shù)求極值原理可得：例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：1234567891024252027246024252623序號采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用算術平均值濾波后，其采樣值為：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28干擾被平均到采樣值中去了

3）平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號，但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號，濾波效果尚不理想。特點：1）N值決定了信號平滑度和靈敏度。隨著N的增大，平滑度提高，靈敏度降低。應該視具體情況選擇N，以便得到滿意的濾波效果。2）對每次采樣值給出相同的加權系數(shù)，即1/N。在不同采樣時刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實際上某些場合需要增加新采樣值在平均值中的比重，可采用加權平均值濾波法。濾波公式為：Y=R0Y0+R1Y1+R2Y2+…+RmYm。2.中位值濾波法

中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣m次(m≥3)且是奇數(shù)，并按大小順序排列；再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。

特點:中位值濾波法對脈沖干擾信號等偶然因素引發(fā)的干擾有良好的濾波效果。如對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)采用此法會收到良好的濾波效果；對流量、速度等快速變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波法

中位值濾波法和平均值濾波法結合起來使用，濾波效果會更好。即在每個采樣周期，先用中位值濾波法得到m個濾波值，再對這m個濾波值進行算術平均，得到可用的被測參數(shù)。也稱為去脈沖干擾平均值濾波法.123456789242520272460242526例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：序號采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用去脈沖干擾平均值濾波后，其采樣值為：25對1、2、3次采樣中位值濾波后值：24對4、5、6次采樣中位值濾波后值：27對7、8、9次采樣中位值濾波后值：253.限幅濾波法

由于大的隨機干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，為此采用上、下限限幅，即當y(n)≥yH時，則取y(n)=yH(上限值)；當y(n)≤yL時，則取y(n)=yL(下限值)；當yL＜y(n)＜yH時，則取y(n)。而且采用限速(亦稱限制變化率)，即當|y(n)-y(n-1)|≤Δy0時，則取y(n);

當|y(n)-y(n-1)|＞Δy0時，則取y(n)=y(n-1)。其中Δy0為兩次相鄰采樣值之差的可能最大變化量。Δy0值的選取，取決于采樣周期T及被測參數(shù)y應有的正常變化率。因此，一定要按照實際情況來確定Δy0、yH及yL，否則，非但達不到濾波效果，反而會降低控制品質。4.慣性濾波法RC濾波器的傳遞函數(shù)是

其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能對極低頻率的信號進行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低通濾波器。

即將上式寫成差分方程

稍加整理得

其中，α稱為濾波系數(shù)，且0＜α＜1，Ts為采樣周期，Tf為濾波器時間常數(shù)。根據(jù)慣性濾波器的頻率特性，若濾波系數(shù)α越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越低。因此，需要根據(jù)實際情況，適當選取α值，使得被測參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋波，反應又不太遲緩。7.6.2開關量的軟件抗干擾技術2.開關量(數(shù)字量)信號輸出抗干擾措施在軟件上，最為有效的方法就是重復輸出同一個數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復周期盡可能短些。輸出設備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相差較大。前者有良好的抗“毛刺”干擾能力，后者不耐干擾，當鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當前的數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否有效。1.開關量(數(shù)字量)信號輸入抗干擾措施干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用這一特點，我們在采集某一開關量信號時，可多次重復采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上結果完全一致方為有效。7.6.3指令冗余技術CPU受干擾后，往往將操作數(shù)當作操作碼執(zhí)行，造成程序混亂?！敵绦驈楋w到一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌；※當程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)），有可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯；※當程序彈飛到一三字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)、操作數(shù)），因其有兩個操作數(shù)，從而繼續(xù)出錯機會更大。

應多采用單字節(jié)指令，并在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或將有效單字節(jié)指令重復書寫，提高彈飛程序納入正軌的機會，這便是指令冗余。實現(xiàn)方法：在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。這些指令有：RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ/JNZ、JC/JNC、JB/JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。如：利用減法比較兩無符號數(shù)的大小程序（數(shù)放A、B中）：無指令冗余程序： CLR C SUBB A,B JC BBIG … …BBIG:NOP …..有指令冗余的情況： CLR C SUBB A,B

NOP NOP JC BBIG … …BBIG:NOP …..指令冗余缺點：降低指令執(zhí)行效率指令冗余特點：1.降低正常程序執(zhí)行的效率；2.可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，使CPU按“操作碼、操作數(shù)”方式運行，但不能保證失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后太平無事。因為彈飛的程序已經(jīng)偏離正常順序，做了不該做的事。解決這個問題還要靠軟件容錯技術，減少或消滅程序誤動作。3.指令冗余使彈飛程序安定下來是有條件的，首先彈飛的程序要落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余的指令。當程序彈飛到非程序區(qū)時，或彈飛的程序碰到冗余指令前已形成死循環(huán)，都會使冗余指令失去作用。7.6.4軟件陷阱技術☆所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，強行將撲獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序?！钴浖葳逵扇龡l指令構成：NOPNOPLJMP ERR ;ERR錯誤處理程序入口☆軟件陷阱安排在下列四種地方：1）未使用的中斷向量區(qū)2）未使用的大片ROM區(qū)3）表格區(qū)尾部4）程序區(qū)本章節(jié)課程到此結束！第8章分布式測控網(wǎng)絡技術

數(shù)據(jù)通信是工業(yè)測控網(wǎng)絡和分散型測控系統(tǒng)的關鍵技術。本章主要介紹工業(yè)網(wǎng)絡和通信技術、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線技術、綜合自動化技術和分布式測控網(wǎng)絡設計舉例。8.1工業(yè)網(wǎng)絡技術8.1.1工業(yè)網(wǎng)絡概述

8.1.2數(shù)據(jù)通信編碼技術

8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構

8.1.4IEEE802標準

8.1.5工業(yè)網(wǎng)絡的性能評價和選型8.1.1工業(yè)網(wǎng)絡概述1.網(wǎng)絡拓撲結構

網(wǎng)絡中互連的點稱為結點或站，結點間的物理連接結構稱為拓撲，采用拓撲學來研究結點和結點間連線(稱鏈路)的幾何排列。局部網(wǎng)絡通常有四種拓撲結構：星形、環(huán)形、總線形和樹形。（1）星形結構結構：中心結點是主結點，它接受各分散結點的信息再轉發(fā)給相應結點，具有中繼交換和數(shù)據(jù)處理功能。工作過程：當某一結點想要傳輸數(shù)據(jù)時，它首先向中心結點發(fā)送一個請求，以便同另一個目的結點建立連接。一旦兩個結點建立了連接，則在這兩點間就象是一條專用線路連接起來一樣，進行數(shù)據(jù)傳輸。特點：①網(wǎng)絡結構簡單，便于控制和管理，建網(wǎng)容易；②網(wǎng)絡延遲時間短，傳輸錯誤率較低；③網(wǎng)絡可靠性較低，一旦中央結點出現(xiàn)故障將導致全網(wǎng)癱瘓；④網(wǎng)絡資源大部分在外圍點上，相互結點必須經(jīng)過中央結點才能轉發(fā)信息；⑤通訊電路都是專用線路，利用率不高，故網(wǎng)絡成本較高。（2）環(huán)形結構結構：各結點通過環(huán)接口連于一條首尾相連的閉合環(huán)形通信線路中，環(huán)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)按事先規(guī)定好的方向從一個結點單向傳送到另一結點。工作過程：一個結點按事先規(guī)定好的方向從一個結點單向傳送到另一個結點，當傳送信息的目的地值與環(huán)上的某結點的地址相等時，信息才被該結點的環(huán)接口接收，否則，繼續(xù)向下傳送。特點：①信息流在網(wǎng)絡中是沿固定的方向流動，故兩個結點之間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇控制；

②環(huán)路中每個結點的收發(fā)信息均由環(huán)接口控制，控制軟件較簡單；③環(huán)路中，當某結點故障時，可采用旁路環(huán)的方法，提高了可靠性；④環(huán)結構其結點數(shù)的增加將影響信息的傳輸效率，故擴展受到一定的限制。應用：環(huán)形網(wǎng)絡結構較適合于信息處理和自動化系統(tǒng)中使用，是微機局部網(wǎng)絡中常用的結構之一。特別是IBM公司推出令牌環(huán)網(wǎng)之后，環(huán)形網(wǎng)絡結構就被越來越多的人所采用。（3）總線形結構結構：結點經(jīng)其接口，通過一條或幾條通訊線路與公共總線連接。其任何結點的信息都可以沿著總線傳輸，并且能被任一結點接收。由于信息傳輸方向是從發(fā)送結點向兩端擴散，因此又稱為廣播式網(wǎng)絡。總線形網(wǎng)絡的接口內具有發(fā)送器和接收器。接收器接收總線上的串行信息，并將其轉換為并行信息送到結點；發(fā)送器則將并行信息轉換成串行信息廣播發(fā)送到總線上。當在總線上發(fā)送的信息目的地址與某一結點的接口地址相符時，傳送的信息就被該結點接收。由于一條公共總線具有一定的負載能力，因此總線長度有限，其所能連接的結點數(shù)也有限。特點：①結構簡單靈活，擴展方便；②可靠性高，網(wǎng)絡響應速度快；③共享資源能力強，便于廣播式工作；④設備少，價格低，安裝和使用方便；⑤由于所有結點共用一條總線，因此總線上傳送的信息容易發(fā)生沖突和碰撞，故不易用在實時性要求高的場合。應用：

總線形結構是目前使用最廣泛的結構，也是一種最傳統(tǒng)的主流網(wǎng)絡結構，該種結構最適于信息管理系統(tǒng)、辦公室自動化系統(tǒng)、教學系統(tǒng)等領域的應用。（3）總線形結構（4）樹形結構結構：

分層結構，適用于分級管理和控制系統(tǒng)。特點：①通訊線路總長度較短，連網(wǎng)成本低，易于擴展，但結構較星形復雜；②網(wǎng)絡中除葉結點外，任一結點或連線的故障均影響其所在支路網(wǎng)絡的正常工作。2.介質訪問控制技術網(wǎng)絡的傳輸介質：就是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。網(wǎng)絡中常用的傳輸介質有電話線，同軸電纜，雙絞線，光導纖維電纜，無線與衛(wèi)星通信。對于傳輸介質，包括以下特性：物理特性，傳輸特性，連通特性，地理范圍，抗干擾性和相對價格。介質訪問控制：各結點通過公共通道傳輸信息，因此存在如何合理分配信道的問題（既充分利用信道的空間和時間，又防止發(fā)生各信息間的互相沖突）。訪問控制方式的功能就是合理解決信道的分配。常用的傳輸訪問控制方式有三種，即沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA／CD)；令牌環(huán)(TokenRing)；令牌總線(TokenBus)。三種方式都得到IEEE802委員會的認可，成為國際標準。(1)沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA／CD)又稱為隨機訪問技術或爭用技術——適用于總線形和樹形網(wǎng)絡結構。工作原理：當某一結點要發(fā)送信息時，首先要偵聽網(wǎng)絡中有無其它結點正在發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，等待一段時間，直至信道空閑，開始發(fā)送。確定等待時間的方法：①當某結點檢測到信道被占用后，繼續(xù)檢測，發(fā)現(xiàn)空閑，立即發(fā)送；②當某點檢測到信道被占用后就延遲一個隨機時間，然后再檢測。重復這一過程，直到信到空閑，開始發(fā)送。沖突的解決方法：由于傳輸線上不可避免的有時間的延遲，有可能多個站同時監(jiān)聽到線上空閑并開始發(fā)送，從而導致沖突。因此，當結點開始發(fā)送信息時，該結點繼續(xù)對網(wǎng)絡檢測一段時間，且把收到的信息和自己發(fā)送的信息進行比較，若相同，則發(fā)送正常進行；若不同，說明由其它結點發(fā)送信息，引起混亂，應立即停止，等待一個隨機時間，在重復上述過程。結論：

CSMA／CD方式原理較簡單，且技術上較易實現(xiàn)。網(wǎng)絡中各結點處于同等地位，無需集中控制，但不能提供優(yōu)先級控制，所有結點都有平等競爭的能力，在網(wǎng)絡負載不重情況下，有較高的效率，但當網(wǎng)絡負載增大時，發(fā)送信息的等待時間加長，效率顯著降低。

由于CSMA的訪問存在發(fā)報沖突問題，而產(chǎn)生沖突的原因是由于各站點發(fā)報是隨機的。為了解決這種由于“隨機”而產(chǎn)生的沖突問題，可采用有控制的發(fā)報方式。下面，介紹一種有控制的發(fā)報方式——令牌發(fā)送技術。(1)沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA／CD)（2）令牌環(huán)(TokenRing)

令牌環(huán)：全稱為令牌通行環(huán)(TokenPassingRing)，適用于環(huán)形網(wǎng)絡結構。令牌是控制標志，網(wǎng)中只設一張令牌，并依次沿各結點傳送。令牌的兩個狀態(tài)

“空”狀態(tài)：表示令牌沒有被占用，當其傳至正待發(fā)送信息的結點時，該結點立即發(fā)送，并置令牌為“忙”狀態(tài)。

“忙”狀態(tài)：表示令牌被占用，即令牌正在攜帶信息發(fā)送，當所發(fā)信息環(huán)繞一周，由發(fā)送結點將“忙”令牌置為“空”令牌。工作過程：令牌依次沿每個結點傳送，使每個結點都有平等發(fā)送信息的機會。當一個結點占令牌期間其它結點只能處于接收狀態(tài)。當所發(fā)信息繞環(huán)一周，并由發(fā)送結點清除，“忙”令牌又被置為“空”狀態(tài)，繞環(huán)傳送令牌。當下一結點要發(fā)送信息時，則下一結點便得到這一令牌，并可發(fā)送信息。令牌環(huán)的特點：能提供可調整的訪問控制方法；能提供優(yōu)先權服務；有較強的實時性；需對令牌進行維護，令牌丟失降低環(huán)路利用率；控制電路復雜。（3）令牌總線(TokenBus)

將令牌訪問原理應用于總線網(wǎng)，構成令牌總線方式。原理：這種方式和CSMA/CD方式一樣，采用總線網(wǎng)絡拓撲，但不同的是在網(wǎng)上個工作站按一定的順序形成一個邏輯環(huán)。每個工作站在環(huán)中均有一個指定的邏輯位置，末站的后站就是首戰(zhàn)，即首尾相連。每站都有先行站和后繼站的地址，總線上各站的物理地址和邏輯位置無關。工作過程：當各站都沒有幀發(fā)送時，令牌的形式為01111111，成為空標記。當一個站要發(fā)送幀時，需要等待空標記通過，然后將它改為忙標志，即01111110。緊跟著忙標記，該站把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到環(huán)上。由于標記是忙狀態(tài)，所以其他站不能發(fā)送幀，必須等待。接收幀的過程是這樣的，當幀通過站時，該站將幀的目的地址和本站的地址相比較，如地址不符合，則不接收數(shù)據(jù)，同時將幀送入環(huán)上。如果符合，則將幀放入接收緩沖器，在輸入到站內，同時將幀送回到環(huán)上。發(fā)送的幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送站，將該幀從環(huán)上移去，同時將標記改為空閑標記。

不同于令牌環(huán)的是，在令牌總線中，信息可以雙向傳送、任何結點都能“聽到”其它結點發(fā)出的信息。為此，結點發(fā)送的信息中要有指出下一個要控制的結點的地址。由于只有獲得令牌的結點才可發(fā)送信息(此時其它結點只收不發(fā))，因此該方式不要檢測沖突就可以避免沖突。特點：

1.網(wǎng)絡必須要有初始化功能，即能夠產(chǎn)生一個順序訪問的次序。這就是一個爭用的過程，爭用的結果是只有一個站能夠獲得標記，并產(chǎn)生次序。

2.當網(wǎng)絡中的標志丟失或者產(chǎn)生多個標記時，必須有故障恢復功能。

3.必須有消除不活動結點或者添加新的結點的功能。

4.吞吐能力大，吞吐量隨數(shù)據(jù)傳輸速率的提高而增加；

5.控制功能不隨電纜長度的增加而減弱；

6.不需沖突檢測。（3）令牌總線(TokenBus)3.信息交換技術為了提高計算機通信網(wǎng)的通信設備和線路的利用率，有必要研究通信網(wǎng)絡上信息交換技術。即如何控制信息傳輸，才能提高通信效率。在計算機網(wǎng)絡中，信息交換方式分為三類：線路交換、報文交換、分組交換。

（1）線路交換交換原理：通過網(wǎng)絡中的結點在兩個站之間建立一條專用的物理線路進行數(shù)據(jù)傳送，傳送結束再“拆除”線路。交換過程：例如右圖中S1要把報文M1傳送給站S3，可以有多條路徑，比如路徑N1→N2→N3或N1→N7→N3等。首先站S1向結點N1申請與站S3通信，按照路徑算法(如路徑短，等待時間短等)，結點N1選擇N7為下一個結點，結點N7再選N3為下一個結點，這樣站S1經(jīng)結點N1→N7→N3與站S3建立了一條專用的物理線路。然后站S1向S3傳送報文，報文傳送周期結束，立即“拆除”專用線路N1→N7→N3，并釋放占用資源。線路交換方式的通信分三步：建立線路，傳送數(shù)據(jù)，拆除線路。由于建立了一條專用線路，所以報文傳送的實時性好，各結點延時小。但是，一旦兩站連接起來，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，別的站也不能用線路上的結點，因而線路的利用率低。為了提高利用率，可采用報文交換。(2)報文交換仍然以上圖中站S1要發(fā)報文M1給站S3為例。首先站S1把目的S3的名字附加在報文上，再把報文交給結點N1。結點N1存儲這個報文，并且決定下一個結點為N7，但是要在結點N1→N7的線路上傳輸這個報文，還要進行排隊等待。當這段線路可用時，就把報文發(fā)送到結點N7。結點N7繼續(xù)仿照上述過程，把報文發(fā)送到結點N3，最后到達站S3。報文交換的優(yōu)點是線路的利用率高，這是因為許多報文可以分時共享一條結點到結點的線路。并且能把一個報文發(fā)送到多個目的站，只需把這些目的站名附加在報文上。由于報文要在結點排隊等待，延長了報文到達目的站的時間。（2）報文交換(3)分組交換

分組交換(PacketSwitching)綜合了線路交換和報文交換的優(yōu)點。首先將前面所說的報文分成若干個報文段，并在每個報文段上附加傳送時所必需的控制信息，如下圖所示。這些報文段經(jīng)不同的路徑分別傳送到目的站后，再拼裝成一個完整的報文。對于這些報文段，稱為報文分組，它是分組交換中的基本單位。

分組交換與報文交換的形式差別在于不是以報文為單位，而是以報文分組為單位進行傳送。問題是網(wǎng)絡如何管理這些報文分組流，一般有兩種方法：數(shù)據(jù)報方法，虛電路方法。①數(shù)據(jù)報(Datagram)方法②虛電路(VirtualCircuit)方法虛電路方法適用于兩個站希望在一段連續(xù)的時間內交換數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)報方法適用于發(fā)送一個或幾個報文分組(如狀態(tài)信息、控制信息)等。一般地說，分組交換網(wǎng)最好是這兩種方法都有，這樣可進一步提高通信效率。(3)分組交換4.差錯控制技術

差錯控制技術包括檢驗錯誤和糾正錯誤，下面介紹兩種檢驗方法(奇偶校驗和循環(huán)冗余校驗)和三種糾錯方式(重發(fā)糾錯、自動糾錯和混合糾錯)。

(1)奇偶校驗(ParityCheck)是一個字符校驗一次，在每個字符的最高位之后附加一個奇偶校驗位。通常用一個字節(jié)(b0～b7)來表示，其中，b0～b6為字符碼位，而最高位b7為校驗位。這個校驗位可為1或0，以便保證整個字節(jié)(b0～b7)為1的位數(shù)是奇數(shù)(稱奇校驗)或偶數(shù)(稱偶校驗)。奇偶校驗通常用于每幀只傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)的異步通信方式。

（2）循環(huán)冗余校驗——CRC校驗校驗原理：

—發(fā)送端首先發(fā)送信息位，與此同時，CRC校驗位生成器用信息位除以多項式G(x)，信息違發(fā)完后，CRC校驗位就生成，并緊接其后發(fā)送校驗位。

—接收端在接收信息位同時，校驗器用接收的信息位除以同一個生成多項式，當信息位接收完后，對接收的CRC校驗位也進行計算，當兩個字節(jié)的校驗位接收完，如果除法的余數(shù)為0，則認為傳輸正確；否則，傳輸錯誤。適用范圍：每幀由多個字節(jié)組成的同步方式。（3）糾錯方式重發(fā)糾錯方式：發(fā)送端發(fā)送能夠檢錯的信息碼（如奇偶校驗碼），接收端根據(jù)該碼的編碼規(guī)則，判斷有無錯誤，并把錯誤結果反饋給發(fā)送端。如果發(fā)送錯，則再次發(fā)送，直到接收端認為正確為止。自動糾錯方式：發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的信息碼，而不僅僅時檢錯的信息碼。接收端收到該碼后，通過譯碼不僅能自動發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能自動地糾錯。傳輸效率低，譯碼設備復雜?；旌霞m錯方式：上述兩種混合。發(fā)送端發(fā)送的信息碼不僅能發(fā)現(xiàn)錯誤，而且還由一定的糾錯能力。接收端收到該碼后，如果錯誤位數(shù)在糾錯能力以內，則自動糾錯，如果錯誤過多，則要求重發(fā)。8.1.2數(shù)據(jù)通信編碼技術

通信方式：并行通信、串行通信并行通信傳送的速度高，但傳送的距離很短，通常小于10m；串行通信傳送的速度低，但傳送的距離很長，通?？蛇_幾十至幾千米，甚至更遠。串行通信可分為異步和同步傳送兩種。8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構

在計算機網(wǎng)絡中各終端用戶之間，用戶與資源之間或資源與資源之間的對話與合作必須按照預先規(guī)定的協(xié)議進行；分層設計方法與接口；

為了實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間的互連，1977年國際標準化組織(ISO)提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI(OpenSystemInterconnection／ReferenceModel)。這個網(wǎng)絡層次結構模型規(guī)定了七個功能層，每層都使用自己的協(xié)議。

“開放”這個詞是指一個系統(tǒng)若符合這些國際標準的話，它將對世界上遵守同樣標準的所有系統(tǒng)開放。

OSI層次結構如圖所示。1.物理層物理層并不是物理媒體本身，它只是對通訊雙方的機械、電氣、連接規(guī)程進行規(guī)定。功能：在信道上傳輸未經(jīng)處理的信息。連接兩個物理設備，為鏈路層提供透明位流傳輸所必須遵循的規(guī)則，有時也被稱為物理接口。物理層的協(xié)議主要提供在DTE(數(shù)據(jù)終端設備)和DCE(數(shù)據(jù)通信設備)之間的接口。協(xié)議：RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-485等均為物理層協(xié)議。2.數(shù)據(jù)鏈路層功能：將有差錯的物理鏈路改造成對于網(wǎng)絡層來說是無差錯的傳輸鏈路。具體內容：將數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀，并在接收端檢驗傳輸?shù)恼_性。協(xié)議：同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC)、高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)以及異步串行數(shù)據(jù)鏈協(xié)議都屬于此范圍。8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構3.網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層是OSI七層協(xié)議模型中的第三層，它是主機與通信網(wǎng)絡的接口。網(wǎng)絡層也稱分組層，它的任務是使網(wǎng)絡中傳輸分組。它以鏈路層提供的無差錯傳輸為基礎，向高層（傳輸層）提供兩個主機之間的數(shù)據(jù)傳輸服務。網(wǎng)絡層規(guī)定了分組(第三層的信息單位)在網(wǎng)絡中是如何傳輸?shù)?。具體內容：網(wǎng)絡層控制網(wǎng)絡上信息的切換和路由選擇。因此，本層要為數(shù)據(jù)從源點到終點建立物理和邏輯的連接。功能：控制信息交換、路由選擇與中繼、網(wǎng)絡流量控制、網(wǎng)絡的連接與管理等。協(xié)議：X.25協(xié)議、IP協(xié)議。8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構4.傳送（傳輸）層傳送層是一真正的源—目的或端—端層。即在源計算機上的程序與目的機上的類似程序使報頭和控制報文進行對話。功能：從會話層接收數(shù)據(jù)，把它們傳到網(wǎng)絡層并保證這些數(shù)據(jù)全部正確地到達另一端。具體內容：在源主機與目的主機進程之間提供可靠的端—端通信，確保能夠控制端到端的數(shù)據(jù)完整性。協(xié)議：TCP協(xié)議5.會話層用戶(即兩個表示層進程)之間的連接稱為會話。為了建立會話，用戶必須提供希望連接的遠程地址(會話地址)，會話雙方首先需要彼此確認，以證明它有權從事會話和接收數(shù)據(jù)，然后兩端必須同意在該會話中的各種選擇項(例如半雙工或全雙工)的確定，在這以后開始數(shù)據(jù)傳輸。功能：控制建立或結束一個通信會話的進程。具體內容：檢查并決定一個正常的通信是否正在發(fā)生。如果沒有發(fā)生，這一層在不丟失數(shù)據(jù)的情況下恢復會話，或根據(jù)規(guī)定，在會話不能正常發(fā)生的情況下終止會話。8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構6.表示層要解決的問題：如何描述數(shù)據(jù)結構并使之與機器無關。功能：通過一些編碼規(guī)則定義在通信中傳送這些信息所需要的傳送語法，實現(xiàn)不同信息格式和編碼之間的轉換。表示層提供兩類服務：相互通信的應用進程間交換信息的表示方法與表示連接服務。具體內容：常用的轉換有正文壓縮、提供加密、解密；文件格式的轉換；輸入輸出格式的轉換。7.應用層應用層是OSI模型的最高層，實現(xiàn)的功能分兩大部份，即用戶應用進程和系統(tǒng)應用管理進程。系統(tǒng)應用管理進程管理系統(tǒng)資源，如優(yōu)化分配系統(tǒng)資源和控制資源的使用等。由管理進程向系統(tǒng)各層發(fā)出下列要求：請求診斷，提交運行報告，收集統(tǒng)計資料和修改控制等。功能：規(guī)定在不同應用情況下所允許的報文集合和對每個報文所采取的動作。具體內容：這一層負責與其它高級功能的通信，如分布式數(shù)據(jù)庫和文件傳輸。這一層解決了數(shù)據(jù)傳輸完整性的問題或與發(fā)送／接收設備的速度不匹配的問題。8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構8.1.4IEEE802標準IEEE802課題組成立于1980年2月(IEEEStandardsProject802)，于1981年底提出了IEEE802局域網(wǎng)標準，重要的是對數(shù)據(jù)鏈路層又劃分出兩個子層。IEEE802標準將數(shù)據(jù)鏈路層分為

邏輯鏈路控制子層LLC和介質訪問(存取)控制子層MAC。IEEE802為局部網(wǎng)絡制定的標準，包括以下內容：IEEE802.1：系統(tǒng)結構和網(wǎng)絡互連；

IEEE802.2：邏輯鏈路控制；

IEEE802.3：CSMA／CD總線訪問方法和物理層技術規(guī)范；

IEEE802.4：TokenPassingBus訪問方法和物理層技術規(guī)范；

IEEE802.5：TokenPassingRing訪問方法和物理層技術規(guī)范；

IEEE802.6：城市網(wǎng)絡訪問方法和物理層技術規(guī)范；

IEEE802.7：為寬帶網(wǎng)絡標準；

IEEE802.8：為光纖網(wǎng)絡標準；

IEEE802.9：為集成聲音數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

物理信號層(PS)：完成數(shù)據(jù)的封裝／拆裝、數(shù)據(jù)的發(fā)送／接收管理等功能，并通過介質存取部件(也稱收發(fā)器)收發(fā)數(shù)據(jù)信號。介質存取控制層(MAC)：支持介質存取，并為邏輯鏈路控制層提供服務。它支持的介質存取法包括：載波檢測多路存?。瘺_突檢測(CSMA／CD)、令牌總線(TokenBus)和令牌環(huán)(TokenRing)。邏輯鏈路控制層(LLC)：支持數(shù)據(jù)鏈路功能、數(shù)據(jù)流控制、命令解釋及產(chǎn)生響應等，并規(guī)定局部網(wǎng)絡邏輯鏈路控制協(xié)議(LNLLC)。此外，網(wǎng)絡層也有變化。在IEEE802標準中，定義了三種主要的局域網(wǎng)絡技術，它們的介質訪問控制分別是：CSMA／CD(IEEE802．3)、令牌總線(IEEE802．4)、令牌環(huán)(IEEE802．5)。8.1.3網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結構8.1.5工業(yè)網(wǎng)絡的性能評價和選型1.工業(yè)網(wǎng)絡的性能評價2.工業(yè)網(wǎng)絡的選型

(1)大型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡選型

(2)中小型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡選型1．工業(yè)網(wǎng)絡的性能評價1.工業(yè)網(wǎng)絡的性能評價性能評價指標：吞吐能力、穩(wěn)定性、確定性、可靠性和靈活性。

工業(yè)網(wǎng)絡的主流拓撲結構：總線形和環(huán)形。令牌環(huán)與令牌總線的性能比較：傳輸速率：環(huán)形是點到點連接，傳輸效率高；總線形是多點連接，在總線上形成邏輯環(huán)，邏輯環(huán)不固定，令牌傳遞和維護算法比環(huán)形復雜。吞吐能力：令牌環(huán)數(shù)據(jù)吞吐能力高于令牌總線，原因在于控制結構上的差異。令牌總線是廣播式，數(shù)據(jù)、令牌、回答都要獨占介質；令牌是順序循環(huán)訪問，一定條件下有并行工作的特性，其數(shù)據(jù)、令牌、回答可同時傳遞。穩(wěn)定性：在負載變化的環(huán)境中，令牌環(huán)的穩(wěn)定性較令牌總線好。確定性：兩種控制結構的通訊方式一樣，確定性相同。靈活性：總線是無源連接，信息傳輸又不需轉發(fā)，增減結點都無須斷開原系統(tǒng)，可靠形和靈活性強于令牌環(huán)。2．工業(yè)網(wǎng)絡的選型（1）大型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡選型——分散型控制模式，分三級：分散過程控制級集中操作監(jiān)控級綜合信息管理級（2）中小型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡選型(1)大型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡選型

大型系統(tǒng)常采用分散型控制的模式，系統(tǒng)主要分為三級，并采用縱向層次結構，其網(wǎng)絡選型可按以下考慮。①分散過程控制級：主要完成自動調節(jié)和程序控制，可靠性、實時性要求較高。系統(tǒng)一般按調節(jié)回路或設備分布，呈典型遞階控制特性，橫向聯(lián)系少。該級數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)包較短，地理分布區(qū)域也較小。采用令牌總線、主從總線或星形結構比較合適，從性能價格比考慮，主從總線結構最佳。②集中操作監(jiān)控級：該級數(shù)據(jù)處理量較大，數(shù)據(jù)包較長且規(guī)整，實時性、可靠性、靈活性也較高。系統(tǒng)一般按設備和功能混合分布，橫向聯(lián)系較多。因此，該級采用令牌總線較好。③綜合信息管理級：該級數(shù)據(jù)多且傳輸量大，系統(tǒng)按功能橫向分布，地域范圍廣，靈活性要求較低，工作站容量大。因此，本級宜采用令牌環(huán)結構。(2)中小型系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡選型

對只有集中操作監(jiān)控級和分散過程控制級的中小型系統(tǒng)：兩級同時使用令牌總線。對傳輸量大、結點少且分散的場合：監(jiān)控級直接選用令牌環(huán)較好。老企業(yè)技術改造：星形結構。8.2分布式控制系統(tǒng)(DCS)

分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem-DCS)也稱集散控制系統(tǒng)。DCS綜合了計算機(Computer)技術、控制(Control)技術、CRT顯示技術、通信(Communication)技術即4C技術，集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。先進的分散型控制系統(tǒng)將以計算機集成制造/過程系統(tǒng)(CIMS/CIPS)為目標，以新的控制方法、現(xiàn)場總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡等新技術，為用戶實現(xiàn)過程控制自動化與信息管理自動化相結合的管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。DCS采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設計原則。系統(tǒng)安全可靠、通用靈活性、最優(yōu)控制性能和綜合管理能力，為工業(yè)過程的計算機控制開創(chuàng)了新方法。本章首先概述分散型控制系統(tǒng)、DCS的特點、DCS的體系結構、典型的DCS，然后分別介紹DCS的分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級。8.2.1DCS概述

DCS的體系結構通常為4級，即：現(xiàn)場設備級（Device），分散控制級（Control），集中監(jiān)控級（MES）和綜合管理級（ERP），各級功能如右圖所示。ERPSCMCRM綜合管理級集中監(jiān)控級分散控制級現(xiàn)場設備級PLC、RTC、ESD、SLC、調節(jié)器各種傳感器、變送器、執(zhí)行器MES與SCADA1.DCS的體系結構管理計算機工程師操作站現(xiàn)場控制站PLC智能調節(jié)器其他測控裝置監(jiān)控計算機網(wǎng)間連接器網(wǎng)間連接器操作員操作站分散控制級其它局域網(wǎng)綜合管理級集中監(jiān)控級通信網(wǎng)絡局部網(wǎng)絡(LAN)圖8-11DCS的體系結構圖現(xiàn)場設備級執(zhí)行器傳感器變送器執(zhí)行器傳感器變送器執(zhí)行器傳感器變送器執(zhí)行器傳感器變送器(1)現(xiàn)場設備級構成這一級的主要裝置有：現(xiàn)場儀表（傳感器、變送器）和執(zhí)行器，主要工作是把現(xiàn)場的各種物理信號(如溫度、壓力、流量、位移等)轉變成電信號或數(shù)字信號，并進行一些必要的處理(濾波、簡單診斷等或者把各種控制輸出信號轉變成物理變量(如閥位、位移等)。到目前為止，該層的主要功能沒有根本的變化。該層與分散控制級的主要接口仍然是4-20mA(模擬量)或電平信號(開關量)。不過，隨著現(xiàn)場總線技術的普及和現(xiàn)場總線智能儀器儀表的成熟和成本的大幅度降低，將來應用現(xiàn)場總線通信的各種智能儀表和執(zhí)行機構會越來越流行。隨著全廠綜合自動化的發(fā)展，各種控制電機特別是集成控制和驅動于一體的電機設備也歸為這一類。1.DCS的體系結構(2)分散控制級分散控制級是直接面向生產(chǎn)過程的，是DCS的控制基礎，它直接完成數(shù)據(jù)采集、調節(jié)控制、順序控制等控制功能，其輸入是現(xiàn)場儀表（傳感器、變送器)和電氣開關的測量信號，其輸出是用來驅動執(zhí)行機構。構成這一級的主要裝置有：①現(xiàn)場控制站(工業(yè)控制機)；②可編程序控制器(PLC)；③智能調節(jié)器；④其它測控裝置。1.DCS的體系結構(3)集中監(jiān)控級這一級以操作監(jiān)視為主要任務，兼有部分管理功能。這一級是面向操作員和控制系統(tǒng)工程師的，因而這一級配備有技術手段齊備，功能強的計算機系統(tǒng)及各類外部裝置，特別是CRT顯示器和鍵盤，以及需要較大存貯容量的硬盤或軟盤支持，另外還需要功能強的軟件支持，確保工程師和操作員對系統(tǒng)進行組態(tài)、監(jiān)視和操作，對生產(chǎn)過程實行高級控制策略、調度優(yōu)化、故障診斷、質量評估。其具體組成包括： ①監(jiān)控計算機； ②工程師顯示操作站； ③操作員顯示操作站。1.DCS的體系結構(4)綜合管理級這一級由管理計算機、辦公自動化系統(tǒng)、工廠自動化服務系統(tǒng)構成，從而實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息管理。綜合管理主要包括生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理，主要有企業(yè)資源計劃(ERP)、供應鏈管理(SCM)和客戶關系管理(CRM)。(5)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)DCS各級之間的信息傳輸主要依靠通信網(wǎng)絡系統(tǒng)來支持。根據(jù)各級的不同要求，通信網(wǎng)也分成低速、中速、高速通信網(wǎng)絡。低速網(wǎng)絡面向分散過程控制級；中速網(wǎng)絡面向集中操作監(jiān)控級；高速網(wǎng)絡面向管理級。1.DCS的體系結構2.DCS的特點DCS具有以下幾個特點：

(1)硬件積木化

(2)軟件模塊化

(3)控制系統(tǒng)組態(tài)

(4)通信網(wǎng)絡的應用

(5)可靠性高3.典型的DCS

CENTUM-XL是日本橫河電機推出的分散型控制系統(tǒng)，如下圖所示。8.2.2DCS的分散控制級1.現(xiàn)場控制站

(1)現(xiàn)場控制站的構成①機箱(柜)②電源③PC總線工業(yè)控制機④通信控制單元⑤手動/自動顯示操作單元

(2)現(xiàn)場控制站的功能①數(shù)據(jù)采集功能②DDC控制功能③順序控制功能④信號報警功能⑤打印報表功能⑥數(shù)據(jù)通信功能(3)現(xiàn)場控制站的工作方式①控制模式：自動、軟手動、串級、硬手動、上位機控制模式的優(yōu)先級是：硬手動＞軟手動＞自動＞串級＞上位機。②無擾動切換操作

(a)PV跟蹤(PV是測量值)(b)閥值跟蹤

(c)工作模式判定2.智能調節(jié)器3.可編程序控制器(PLC)8.2.2DCS的分散控制級8.2.3DCS的集中監(jiān)控級1.顯示操作站的構成顯示操作站主要由監(jiān)控計算機、鍵盤、CRT顯示器、打印機等幾部分構成。2.顯示操作站的功能

(1)操作員功能操作員功能主要是指正常運行時的工藝監(jiān)視和運行操作，主要由畫面指示構成。主要包括DDC標準三畫面、圖形顯示功能、趨勢曲線畫面、操作指導畫面、報警畫面。