1、2021-12-20.1工業自動化技術授課：黎 英博士， 教授138880635702021-12-20.2工業自動控制技術的發展概況工業自動控制技術的發展概況一、工業自動控制的基本概念一、工業自動控制的基本概念n自動控制：自動控制：指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象（機器、設備）的某一個物理量自動地按照預定的規律運行，n控制系統：控制系統：為實現某一控制目標所需要的物理部件（及軟件）的有機組合，通常由控制器和被控對象組成。n自動控制理論：自動控制理論：是研究自動控制共同規律的科學，它包括以反饋控制理論為基礎的古典控制理論（單輸入、單輸出），以狀態空間為基礎的現代控制理論（多輸入

2、、多輸出）以及以模糊控制和神經網絡為代表的智能控制（不需精確數學模型）。2021-12-20.3二、工業自動控制系統基本類型：二、工業自動控制系統基本類型：n順序控制系統：順序控制系統：順序控制是按照預先規定的時間順序（或邏輯關系），逐步對各設備或對象進行控制到方法。如電梯等。n過程控制系統：過程控制系統：對工業生產過程中的各物理量（如溫度、壓力、液位等）進行閉環控制，使其按照要求的規律變化。n運動控制系統：運動控制系統：控制運動物體的轉速或位置，使其按照要求的規律變化。如調速系統，位置隨動系統等。n監控系統：監控系統：對生產過程中的大量運行參數進行采集、顯示、記錄或報警。2021-12-20

3、.4三、控制系統的傳統實現方法：三、控制系統的傳統實現方法：n順序控制系統：順序控制系統：繼電邏輯控制系統。n過程控制系統：過程控制系統：常規儀表控制系統。n運動控制系統：運動控制系統：拖動控制系統。n監控系統：監控系統：常規顯示、記錄或報警儀表。2021-12-20.5四、計算機技術對工業控制技術的影響四、計算機技術對工業控制技術的影響2021-12-20.6五、實現計算機控制到幾種嘗試方案五、實現計算機控制到幾種嘗試方案n直接數字控制系統（直接數字控制系統（DDC)。n單片機控制。單片機控制。n總線式工控機總線式工控機。n可編程調節器。可編程調節器。2021-12-20.7六、計算機控制的

4、現狀及發展六、計算機控制的現狀及發展n可編程控制器可編程控制器(PLC)。n集散控制系統集散控制系統(DCS)。n現場總線控制系統現場總線控制系統(FCS)。n工業以太網。工業以太網。2021-12-20.8七、計算機控制的設計原則七、計算機控制的設計原則n可靠性與適應性。可靠性與適應性。n操作性與友好性操作性與友好性。n靈活性與擴展性。靈活性與擴展性。n實時性。實時性。2021-12-20.9分布式控制系統分布式控制系統的體系結構的體系結構一、分布式控制系統體系結構的形成：一、分布式控制系統體系結構的形成：n集中型計算機控制系統：集中型計算機控制系統：采用專用計算機來處理工業控制問題(如進行

5、數據采集，數據處理，過程監視等)。n多級計算機控制系統：多級計算機控制系統：為了計算機的處理速度和自身的可靠性問題和在計算機微型化的推動下，出現了多級計算機控制系統。n集散型計算機控制系統：集散型計算機控制系統：將與現場設備打交道和需要進行實時處理的功能分散到前端計算機上，而中央計算機只充當后繼到系統管理方面的工作，實現集中管理，分散控制，提高整個系統的可靠性。n計算機集成綜合系統：計算機集成綜合系統：將中央計算機與工廠辦公室自動化系統連接起來，使工廠制造與辦公室、實驗室、倉庫等商業和事務管理等系統構成了一體化。2021-12-20.10二、分布式控制系統二、分布式控制系統 分層結構中各層的功

6、能分層結構中各層的功能2021-12-20.11三、三、分布式控制系統分布式控制系統系統的基本結構系統的基本結構n現場控制器現場控制器：通常帶有I/O部件，與生產過程相聯接，實現數據采集和控制執行。n人機接口：人機接口：讓操作員了解生產能夠過程的運行狀況，并通過它發出操作指令給生產過程。主要由操作站、工程師站和歷史站。n通信系統：通信系統：在分散過程控制裝置與操作管理裝置之間完成數據交換和傳遞。2021-12-20.12四、現場控制器四、現場控制器n回路控制器：回路控制器：能完成以PID為基礎的回路控制的數字儀表，多路數據采集器以及無紙記錄儀等一系列數字儀表，在面板上仍保留棒圖和手/自動切換，

7、用數字顯示代替指針顯示，這些數字儀表統稱為回路控制器。回路控制器內部的算法預先用程序作成功能塊的形式，存在ROM中。可以按照所要求的控制策略，進行組態。 n可編程控制器可編程控制器(PLC)(PLC)：PLC是由摸仿繼電器控制原理發展起來的，以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。現代的也增加有一些控制回路用的算法。 n運動控制器：運動控制器：用于控制運動部件的速度或位置，通常包括變頻器和伺服系統。n現場總線：現場總線：全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置；用分散的虛擬控制站取代集中的控制站；改變傳統

8、的信號標準、通信標準。2021-12-20.13控制系統的硬件體系結構2021-12-20.14模塊模塊1模塊模塊2模塊模塊1模塊模塊2模塊模塊3雙模冗余雙模冗余DMRDual Module Redundancy 三模冗余三模冗余TMRTriple Module Redundancy (1) 需適應惡劣的工業生產過程環境。冗余結構需適應惡劣的工業生產過程環境。冗余結構2021-12-20.15模塊模塊1模塊模塊2模塊模塊1模塊模塊2表表決決器器選選擇擇器器狀狀態態指指令令指指令令輸輸出出輸輸出出指指令令指指令令輸輸入入輸輸入入備用式冗余備用式冗余Backup Redundancy表決式冗余表決

9、式冗余Voting Redundancy2021-12-20.16模塊模塊3模塊模塊4表決器表決器B輸出輸出模塊模塊1模塊模塊2表決器表決器A輸出輸出輸輸出出互互鎖鎖選選擇擇器器輸出輸出A機機B機機互鎖信號互鎖信號互鎖信號互鎖信號主主備備2021-12-20.17tA確定性實時確定性實時非確定實時非確定實時延遲延遲deadline概率概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl無邊界無邊界 !在正常運行條件及可恢復故障條件下，任務延遲超過最后期限（deadline)的概率為零。有邊界有邊界 !概率概率延遲延遲在正常運行條件及可恢復故障條件下，任務延遲超過最后期限（dea

10、dline)的概率很小，但不為零。確定性實時和非確定性實時的對比2021-12-20.18200 ms:操作人員的手感（接近硬接線般的感覺）10 ms:流程工業中的事件分辨率（但目前很多招標書都要求2ms)1 s:操作員站畫面上的數據刷新速度3 s:操作員站畫面翻頁速度1 s:控制器執行一個加法運算的典型時間10 s:控制器執行一個PID運算的典型時間30 s:通訊信號傳輸9km的時間延遲（信號速度30萬公里/秒）100 s:多任務實時系統任務切換時間200 s:從實時數據庫（內存）中訪問獲取一個數據對象的時間1 ms:在兩個任務之間通過郵箱發送消息的時間2 ms:在局域網中發送一個報文的時間

11、 50 ms:控制器中通訊任務的執行時間實時性：典型任務的響應時間要求2021-12-20.19主控制器應用設計：工藝過程劃分第第1對主控制器對主控制器IOIO工藝過程工藝過程1第第2對主控制器對主控制器IOIO工藝過程工藝過程2系統網絡系統網絡系統網絡系統網絡系統網絡系統網絡通過系統網絡引用另一對主控制器的通過系統網絡引用另一對主控制器的IO點數據點數據通過硬接線引用另一對主控制器的通過硬接線引用另一對主控制器的IO點數據點數據2021-12-20.20熱電阻（熱電阻（RTD）（Resistor Temperature Detector）熱電偶（熱電偶（TC）（Thermal Couple）

12、變送器（變送器（420mA,1-5V）（溫度，壓力，流量，物位）溫度，壓力，流量，物位）電橋變換電橋變換濾波濾波信號放大信號放大濾波濾波電流電壓變換電流電壓變換濾波濾波模數轉換模數轉換（A/D）模數轉換模數轉換（A/D）模數轉換模數轉換（A/D）工業現場的工業現場的傳感器或變送器傳感器或變送器采用的信號調理技術采用的信號調理技術（Signal Conditioning）數字化處理數字化處理AI信號的輸入處理過程Analog Input-AI2021-12-20.21雙積分型A/D轉換器Control LogicCounterStart of ConversionStatusClockAnalo

13、g Input (Va)Digital Output12+-Comparator output+-VreferenceComparatorIntegrator2021-12-20.22逐次比較型A/D轉換器D/A ConverterSuccessiveApproximationRegisterStart ofConversionStatusClockAnalog InputDigital Output12+-Comparator output2021-12-20.232021-12-20.24變壓器隔離型放大器2021-12-20.25電容隔離型放大器2021-12-20.26線性光偶隔離型放

14、大器2021-12-20.27性價典型性價典型值值變壓器隔離型變壓器隔離型放大器放大器電容隔離型電容隔離型放大器放大器線性光偶隔線性光偶隔離型放大器離型放大器線性度線性度0.005%0.005%0.01%0.01%0.1%0.1%信號帶寬信號帶寬120120kHzkHz5050kHzkHz5050kHzkHz隔離電壓隔離電壓15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms體積體積笨重笨重小小小小價格價格最貴（最貴（40$40$）10$10$5$5$三種模擬信號隔離放大器比較2021-12-20.28+-2R4R8RR1VRD0D1D2D3模擬量輸

15、出2021-12-20.29開關量輸入（DI：Digital Input)2021-12-20.30開關量輸出（DO：Digital Output)2021-12-20.31常見計算機控制算法、常見計算機控制算法、lPID控制算法：控制算法：形成一個閉環的控制回路，對被控變量產生的一切擾動都進行響應。l選擇性控制系統：選擇性控制系統：對兩個或多個控制器的輸出端的信號進行選擇。l前饋控制：前饋控制：按擾控量進行補償的開環控制，即當影響系統的擾動出現是（被控變量還未顯示變化以前），按擾動量大小直接產生校正作用，以抵消擾動的影響。l順序控制：順序控制：順序控制是按照預先規定的順序（邏輯關系），逐步對

16、各階段進行信息處理的控制方法.l計算機優化控制計算機優化控制控制系統的控制算法控制系統的控制算法2021-12-20.322021-12-20.33控制作用控制作用：l比例控制：比例控制：比例控制能迅速反應誤差，從而減小穩態誤差。但是，比例控制不能消除穩態誤差。比例放大系數的加大，會引起系統的不穩定。l積分控制：積分控制：積分控制的作用是，只要系統有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統誤差為零，從而消除穩態誤差。積分作用太強會使系統超調加大，甚至使系統出現振蕩。l微分控制：微分控制：微分控制可以減小超調量，克服振蕩，

17、使系統的穩定性提高，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。l應用PID控制，必須適當地調整比例放大系數KP，積分時間TI和微分時間TD，使整個控制系統得到良好的性能。 2021-12-20.342021-12-20.352021-12-20.36為了求和，必須將系統的偏差的全部過去值都儲存起來，這種算法得出的全量U(K)是控制量的絕對值。在控制系統中，這種控制量確定了執行機構的位置，是一一對應的。缺點是每時刻計算機都要重復計算閥位的位置，必須把偏差的全部過去數據都積累起來，容易產生積分飽和2021-12-20.372、增量算法 由位置算法求出： )1(0)(e(k)

18、pk)(kekeSTDTkjteITSTkU）（ )2(10)(1)-e(kpk) 1(kekeSTDTkjteITSTkU）（ 2() 1(2)()()1()() 1()()(）kekekeDkkeIkkekepkkUkUkU 設1kekeke 1)()()()(）（ kekeDkkeIkkepkkU 上式只表示出各次偏差量對控制作用的影響，已看不出 P 、I、D 作用的直接關系了，只存儲三個偏差采樣值足夠 e(k) e(k-1) e(k-2) 2021-12-20.382021-12-20.39三、采樣周期2021-12-20.40 從執行機構的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度

19、，采樣周期必須大于這一時間 從控制系統的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些 從微機的工作量和每個調節回路的計算來看，一般要求采樣周期大些 從計算機的精度看，過短的采樣周期是不合適的實際選擇采樣周期時，必須綜合考慮 采用周期要比對象的時間常數小得多，否則采樣信號無法反映瞬變過程 采用周期應遠小于對象的擾動信號的周期 考慮執行器的響應速度 當系統純滯后占主導地位時，應按純滯后大小選取，并盡可能使純滯后時間接近或等于采用周期的整數倍 考慮對象所要求的控制質量，精度越高，采樣周期越短，以減小系統的純滯后2021-12-20.41 常見被控量的經驗采樣周期被測參數被測參數采樣周期采樣周期說說 明明

20、電流電流10-100us優先選用優先選用1020s速度速度1-10ms優先選用優先選用12ms流量流量15優先選用優先選用12s壓力壓力310優先選用優先選用68s液位液位68優先選用優先選用7s溫度溫度1520或純滯后時間，串級系統：或純滯后時間，串級系統：副環副環T=1/41/5T主環主環成分成分1520優先選用優先選用18s2021-12-20.42n四、參數整定四、參數整定n實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分。n 1 整定比例控制整定比例控制n 預選擇一個足夠短的采樣周期TS。一般說TS應小于受控對象純延遲時間的十分之一。用選定的TS使系統工作。這時去掉積分作用和微分作用

21、，將控制選擇為純比例控制器，構成閉環運行。逐漸加大比例放大系數KP，即將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線，即系統對輸入的階躍信號的響應出現臨界振蕩（穩定邊緣）。n 2 整定積分環節整定積分環節n 若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。n先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。2021-12-20.43 3整定微分環節整定微分環節n 若經過步驟（2），PI控制只能消除穩態誤差，而動態過程不能令

22、人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。n 先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。n參數整定法：參數整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應加長理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調多分析，調節質量不會低 2021-12-20.44 五、離散五、離散PID控制算法的優缺點控制算法的優缺點n優點：離散PID的P、I、D三個作用是

23、獨立的，可以分別整定，計算機實施時，等效的Ti Td可以在更大范圍內自由選擇；積分微分作用的某些改進更為靈活多變。n缺點：如果采用等效的PID參數，離散PID控制往往差于連續的控制，滯后1/2Ts（畫圖展示）nPID控制算法的改進 積分分離：積分分離：積分分離法是在誤差量較大時，不進行積分，直至誤差達到一定值之后，才在控制量的計算中加入積分累積。 帶不靈敏區：帶不靈敏區：對控制作用盡量少變得場合，在偏差小于某一值時，沒有控制作用，偏差大于某一值時，有控制作用。2021-12-20.45分布式控制系統分布式控制系統的數據通信的數據通信一、網絡和數據通信的基本概念一、網絡和數據通信的基本概念1.

24、數據信息：數據信息：具有一定編碼、格式和字長的數字信息被稱為數據信息。2. 傳輸速率：傳輸速率：傳輸速率是指信道在單位時間內傳輸的信息量。一般以每秒 所能夠傳輸的比特(bit)數來表示。3. 傳輸方式：傳輸方式：通信方式按照信息的傳輸方向分為單工、半雙工和全雙工三種方式。n單工方式：單工方式：信息只能沿單方向傳輸的通信方式稱為單工方式。n半雙工方式：半雙工方式：信息可以沿著兩個方向傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸。n全雙工方式：全雙工方式：信息可以同時沿著兩個方向傳輸的通信方式。2021-12-20.464. 基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸n基帶傳輸：基帶傳輸：直

25、接將數字數據信號通過信道進行傳輸。n載帶傳輸：載帶傳輸：用基帶信號調制載波后，在信道上傳輸調制后的載波信號。n寬帶傳輸：寬帶傳輸：在一條信道上同時傳送不同的載波頻率的多路信號，實現多路信號同時傳輸。5. 異步傳輸與同步傳輸異步傳輸與同步傳輸n異步傳輸異步傳輸：字符的傳輸是同步的，但字符與字符之間的時間間隔是不確定的。n同步傳輸同步傳輸：用同步的時鐘脈沖，使發送裝置和接收裝置保持同步以獲得較高的傳輸速率。6. 串行傳輸與并行傳輸串行傳輸與并行傳輸n串行傳輸：串行傳輸：數據的各個二進制位依次在信道上進行傳輸的方式。n并行傳輸：并行傳輸：把構成數據的各個二進制位同時在信道上進行傳輸的方式。2021-

26、12-20.47二、數據通信的編碼與調制二、數據通信的編碼與調制1. 平衡、歸零、雙極性。平衡、歸零、雙極性。用正極性脈沖表示1，用負極性脈沖表示0，在相鄰脈沖之間保留一定的空閑間隔。2. 平衡、歸零、單極性。這種方法又稱為曼徹斯特平衡、歸零、單極性。這種方法又稱為曼徹斯特(Manchester)編碼編碼方法。方法。在每一位中間都有一個跳變，這個跳變既作為時鐘，又表示數據。從高到低的跳變表示1，從低到高的跳變表示0， 3. 平衡、不歸零、單極性。平衡、不歸零、單極性。它以高電平表示1，低電平表示0。這種方法主要用于速度較低的異步傳輸系統。4. 非平衡、歸零、雙極性。非平衡、歸零、雙極性。用正負

27、交替的脈沖信號表示1，用無脈沖表示零。由于脈沖總是交替變化的，所以它有助于發現傳輸錯誤，通常用于高速傳輸。5. 非平衡、歸零、單極性。非平衡、歸零、單極性。這種表示方法與上一種表示方法的區別在于它只有正方向的脈沖而無負方向的脈沖，所以只要將前者的負極性脈沖改為正極性脈沖，就得到后一種表達方法。6. 非平衡、不歸零、單極性。非平衡、不歸零、單極性。這種方法的編碼規則是，每遇到一個1 電平就翻轉一次，所以又稱為“跳1 法”或NRZ-1 編碼法。2021-12-20.482021-12-20.491. 調幅方式。調幅方式。調幅方式(Amplitude Modulation，AM)又稱為幅移鍵控法(A

28、mplitude-Shift Keying，ASK)。它是用調制信號的振幅變化來表示一個二進制數的，例如，用高振幅表示1，用低振幅表示0。2. 調頻方式。調頻方式。調頻方式(Frequency Modulation，FM)又稱為頻移鍵控法(Frequency-Shift Keying，FSK)。它是用調制信號的頻率變化來表示一個二進制數的，例如，用高頻率表示1，用低頻率表示0。3. 調相方式。調相方式。調相方式(Phase Modulation，PM)又稱為相移鍵控法(Phase-Shift Keying，PSK)。它是用調制信號的相位變化來表示二進制數的，例如用0相位表示二進制的0，用180

29、相位表示二進制的1。2021-12-20.502021-12-20.51三、三、 數據通信的傳輸介質數據通信的傳輸介質1. 雙絞線。雙絞線。雙絞線是由兩個相互絕緣的導體扭絞而成的線對，在線對的外面常有金屬箔組成的屏蔽層和專用的屏蔽線， 2. 同軸電纜。同軸電纜。它是由內導體、中間絕緣層、外導體和外絕緣層組成的。信號通過內導體和外導體傳輸。外導體總是接地的，起到了良好的屏蔽作用。3. 光纜。光纜。它的內芯是由二氧化硅拉制成的光導纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層，由于內芯和覆層的折射率不同，以一定角度進入內芯的光線能夠通過覆層折射回去，沿著內芯向前傳播以減少信號的損失。2021-12-

30、20.52四、數據通信的網絡結構四、數據通信的網絡結構1. 星形結構：星形結構：在星形結構中，每一個節點都通過一條鏈路連接到一個中央節點上去。任何兩個節點之間的通信都要經過中央節點。2. 環形結構：環形結構：在環形結構中，所有的節點通過鏈路組成一個環形。需要發送信息的節點將信息送到環上，信息在環上只能按某一確定環形方向傳輸， 3. 總線型結構：總線型結構：所有的站都通過相應的硬件接口直接接到總線上。總線型結構的優點是結構簡單，便于擴充。中心節點中心節點2021-12-20.53五、數據通信的信息交換技術五、數據通信的信息交換技術1. 線路交換方式：線路交換方式：在需要通信的兩個節點之間事先建立

31、起一條實際的物理連接，然后再在這條實際的物理連接上交換數據，數據交換完成之后再拆除物理連接。因此，線路交換方式將通信過程分為3個階段：即線路建立、數據通信和線路拆除階段。2. 報文交換方式：報文交換方式：不需要在兩站之間建立專用的物理信道，而是把待發送的信息分割成一份份的報文，在報文的頭尾加上源地址、目的地址、報文序號以及校驗碼等。然后將整個報文(Message)作為一個整體一起發送，.從網絡上的一個節點傳送到另一個節點，直到目的地。在交換過程中,交換設備將接收到的報文先存儲,實施差錯校驗和路由選擇（即路徑選擇），然后在信道空閑時轉發出去。3. 報文分組交換方式報文分組交換方式: 報文分組交換

32、方式交換的基本數據單位是一個報文分組。報文分組是一個完整的報文按順序分割開來的比較短的數據組。由于報文分組比報文短的多，傳輸時比較靈活。特別是當傳輸出錯需要重發時，它只需重發出錯的報文分組，而不必像報文交換方式那樣重發。2021-12-20.54五、五、OSIOSI參考模型：參考模型： 2021-12-20.55n物理層：物理層：有關在物理鏈路上傳輸非結構的比特流。n數據鏈路層：數據鏈路層：把一條不可靠的傳輸通道轉變為一條可靠的通道，發送帶有檢查的數據塊，使用差錯檢測和幀確認。n網絡層：網絡層：通過網絡傳輸數據分組，分組可以是獨立傳輸的或者使通過一條預先建立的網絡連接傳輸的，負責路由選擇和擁擠

33、控制。n傳送層：傳送層：在端點之間提供可靠的、透明的數據傳送，提供端到端的錯誤恢復和流控制。n會話層：會話層：提供在兩個進程之間建立、維護和結束連接的手段，可以提供檢查點和再啟動服務、隔離服務。n表示層：表示層：通常完成有用的數據轉換，提供一個標準的應用接口和公共的通信服務。n應用層：應用層：給開放系統互連OSI模型環境的用戶提供服務。2021-12-20.56六、物理層協儀六、物理層協儀物理層協議涉及通信系統的驅動電路、接收電路與通信介質之間的接口問題。物理層協議主要包括以下內容。(1) 接插件的類型以及插針的數量和功能。(2) 數字信號在通信介質上的編碼方式，如電平的高低和0、1 的表達方

34、法。(3) 確定與鏈路控制有關的硬件功能，如定義信號交換控制線或者忙測試線等。1、RS-232C標準接口：標準接口：RS是推薦標準的意思，即Recommend standard的縮寫，232是表識號。C表示此標準的修改的次數，適合于數據傳輸速率在020kbit/s范圍內的串行通信。2、RS-485標準接口：標準接口：RS-485是為彌補RS-232 通信距離短速率低等缺點而產生的。RS-485只規定了平衡驅動器和接收器的電特性而沒有規定接插件傳輸電纜和應用層通信協議。3. Can4. Ethernet2021-12-20.57七、常用網絡控制協議七、常用網絡控制協議n時分多路訪問法時分多路訪問

35、法: 多用于總線型網絡。在網絡中有一個總線控制器，負責把時鐘脈沖送到網絡中的每個節點上。每個節點有一個預先分配好的時間槽，在給定的時間槽里它可以發送信息。n查詢法查詢法: 可用于總線型或環形網絡。也要有一個網絡控制器，按照一定的次序查詢網絡中的每個節點，看它們是否要求發送信息。n令牌法：令牌法：用于總線型或環形網絡。令牌是一個特定的信息，按照預先確定的次序，從網絡中的一個節點傳到下一個節點，并且循環進行。只有獲得令牌的節點才能發送信息。n帶有沖突檢測的載波監聽多路訪問法又稱為帶有沖突檢測的載波監聽多路訪問法又稱為CSMA/CD法。法。這種方法用于總線型網絡，發送前先監聽信道是否空閑，若空閑則立

36、即發送；如果信道忙，則繼續監聽，一旦空閑就立即發送；在發送過程中，仍需繼續監聽。若監聽到沖突，則立即停止發送數據，等待一段隨機時間（稱為退避）以后，再重新嘗試。發前先聽，空閑即發發前先聽，空閑即發送，邊發邊聽，沖突時退避。送，邊發邊聽，沖突時退避。2021-12-20.58數據幀格式數據幀格式地址序號功能數據長度數據校驗1B1B1B1B0-28B1B2021-12-20.59 八、網絡設備網絡設備一、中繼器：一、中繼器：中繼器(Repeater)又稱重發器。由于網絡節點間存在一定的傳輸距離，網絡中攜帶信息的信號在通過一個固定長度的距離后，會因衰減或噪聲干擾而影響數據的完整性，影響接收節點正確的

37、接收和辨認，因而經常需要運用中繼器。中繼器接受一個線路中的報文信號，將其進行整形放大、重新復制，并將新生成的復制信號轉發至下一網段或轉發到其他介質段。二、網橋：二、網橋：網橋是存儲轉發設備，用來連接同一類型的局域網。網橋將數據幀送到數據鏈路層進行差錯校驗，再送到物理層，通過物理傳輸介質送到另一個子網或網段。它具備尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應的目的站點。網橋能夠互聯兩個采用不同數據鏈路層協議、不同傳輸速率、不同傳輸介質的網絡。它要求兩個互聯網絡在數據鏈路層以上采用相同或兼容的協議。三、路由器：三、路由器：路由器工作在物理層、數據鏈路層和網絡層。在路由器所包含

38、的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。報文傳送的目的地網絡和目的地址一般存在于報文的某個位置。當報文進入時，路由器讀取報文中的目的地址，然后把這個報文轉發到對應的網段中。四、網關：四、網關：網關又被稱為網間協議變換器，用以實現不同通信協議的網絡之間、包括使用不同網絡操作系統的網絡之間的互聯。一個普通的網關可用于連接兩個不同的總線或網絡。由網關進行協議轉換，提供更高層次的接口。2021-12-20.60九、現場控制總線九、現場控制總線 1、現場控制總線的產生、現場控制總線的產生n節省硬件數量與投資。n節省安裝費用。n節省維護開銷。 n用戶具有高度的系統集成主

39、動權。 n提高了系統的準確性與可靠性。 2021-12-20.612、現場控制總線的特點、現場控制總線的特點n系統的開放性。系統的開放性。開放系統是指通信協議公開，開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。 n互可操作性與互用性，互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。 n現場設備的智能化與功能自治性。現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中

40、完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 n系統結構的高度分散性。系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。 n對現場環境的適應性。對現場環境的適應性。工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。 2021-12-20.623、現

41、場總線技術介紹、現場總線技術介紹nFF：基金會現場總線：基金會現場總線：FF 是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的一種技術。基金會現場總線分為H1 和H2 兩種通信速率。H1 的傳輸速率為31.25Kbit/s，通信距離可達1.9km。H2 的傳輸速率可為1Mbit/s 和2.5Mbit/s 兩種，通信距離為750m 和500m。物理傳輸介質可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用曼徹斯特編碼。基金會現場總線以ISO/OSI 開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。2021-12-20.63n LonWorksLon

42、Works采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協議，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，被定為建筑自動化協議BACnet的一個標準。LonWorks技術所采用的LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現。集成芯片中有3個8位CPU;一個用于完成開放互連模型中第 1 2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現介質訪問的控制與處理 ;第二個用于完成第36層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時、網絡管理，

43、并負責網絡通信控制、收發數據包等;第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。2021-12-20.64nPROFIBUSnProfibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了37層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口，FMS型只隱去第36層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158-2 (1 )標準，可實現總線供電與本質安全防爆。 2021-12-20.65nCAN nCAN是控制網絡ControlAreaNetwork的簡稱，已廣泛應用在離散控制領域。CAN協議也是建立在國際標準組織的開