第8章分布式測控網絡技術

數據通信是工業測控網絡和分散型測控系統的關鍵技術。本章主要介紹工業網絡和通信技術、分布式控制系統、現場總線技術、綜合自動化技術和分布式測控網絡設計舉例。8.1工業網絡技術8.1.1工業網絡概述

8.1.2數據通信編碼技術

8.1.3網絡協議及其層次結構

8.1.4IEEE802標準

8.1.5工業網絡的性能評價和選型8.1.1工業網絡概述1.網絡拓撲結構

網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。局部網絡通常有四種拓撲結構：星形、環形、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給相應結點，具有中繼交換和數據處理功能。工作過程：當某一結點想要傳輸數據時，它首先向中心結點發送一個請求，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，進行數據傳輸。特點：①網絡結構簡單，便于控制和管理，建網容易；②網絡延遲時間短，傳輸錯誤率較低；③網絡可靠性較低，一旦中央結點出現故障將導致全網癱瘓；④網絡資源大部分在外圍點上，相互結點必須經過中央結點才能轉發信息；⑤通訊電路都是專用線路，利用率不高，故網絡成本較高。（2）環形結構結構：各結點通過環接口連于一條首尾相連的閉合環形通信線路中，環網中，數據按事先規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上的某結點的地址相等時，信息才被該結點的環接口接收，否則，繼續向下傳送。特點：①信息流在網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環路中每個結點的收發信息均由環接口控制，控制軟件較簡單；③環路中，當某結點故障時，可采用旁路環的方法，提高了可靠性；④環結構其結點數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：環形網絡結構較適合于信息處理和自動化系統中使用，是微機局部網絡中常用的結構之一。特別是IBM公司推出令牌環網之后，環形網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送結點向兩端擴散，因此又稱為廣播式網絡。總線形網絡的接口內具有發送器和接收器。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；發送器則將并行信息轉換成串行信息廣播發送到總線上。當在總線上發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也有限。特點：①結構簡單靈活，擴展方便；②可靠性高，網絡響應速度快；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，也是一種最傳統的主流網絡結構，該種結構最適于信息管理系統、辦公室自動化系統、教學系統等領域的應用。（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。特點：①通訊線路總長度較短，連網成本低，易于擴展，但結構較星形復雜；②網絡中除葉結點外，任一結點或連線的故障均影響其所在支路網絡的正常工作。2.介質訪問控制技術網絡的傳輸介質：就是網絡中連接收發雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。網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(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絡結構。工作原理：當某一結點要發送信息時，首先要偵聽網絡中有無其它結點正在發送信息，若沒有則立即發送；否則，等待一段時間，直至信道空閑，開始發送。確定等待時間的方法：①當某結點檢測到信道被占用后，繼續檢測，發現空閑，立即發送；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聽到線上空閑并開始發送，從而導致沖突。因此，當結點開始發送信息時，該結點繼續對網絡檢測一段時間，且把收到的信息和自己發送的信息進行比較，若相同，則發送正常進行；若不同，說明由其它結點發送信息，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。網絡中各結點處于同等地位，無需集中控制，但不能提供優先級控制，所有結點都有平等競爭的能力，在網絡負載不重情況下，有較高的效率，但當網絡負載增大時，發送信息的等待時間加長，效率顯著降低。

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

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

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

“忙”狀態：表示令牌被占用，即令牌正在攜帶信息發送，當所發信息環繞一周，由發送結點將“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。當所發信息繞環一周，并由發送結點清除，“忙”令牌又被置為“空”狀態，繞環傳送令牌。當下一結點要發送信息時，則下一結點便得到這一令牌，并可發送信息。令牌環的特點：能提供可調整的訪問控制方法；能提供優先權服務；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，構成令牌總線方式。原理：這種方式和CSMA/CD方式一樣，采用總線網絡拓撲，但不同的是在網上個工作站按一定的順序形成一個邏輯環。每個工作站在環中均有一個指定的邏輯位置，末站的后站就是首戰，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：當各站都沒有幀發送時，令牌的形式為01111111，成為空標記。當一個站要發送幀時，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，該站把數據幀發送到環上。由于標記是忙狀態，所以其他站不能發送幀，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，則不接收數據，同時將幀送入環上。如果符合，則將幀放入接收緩沖器，在輸入到站內，同時將幀送回到環上。發送的幀在環上循環一周后再回到發送站，將該幀從環上移去，同時將標記改為空閑標記。

不同于令牌環的是，在令牌總線中，信息可以雙向傳送、任何結點都能“聽到”其它結點發出的信息。為此，結點發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送信息(此時其它結點只收不發)，因此該方式不要檢測沖突就可以避免沖突。特點：

1.網絡必須要有初始化功能，即能夠產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，并產生次序。

2.當網絡中的標志丟失或者產生多個標記時，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，吞吐量隨數據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的通信設備和線路的利用率，有必要研究通信網絡上信息交換技術。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據傳送，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，傳送數據，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，即使沒有數據傳送，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，就把報文發送到結點N7。結點N7繼續仿照上述過程，把報文發送到結點N3，最后到達站S3。報文交換的優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。問題是網絡如何管理這些報文分組流，一般有兩種方法：數據報方法，虛電路方法。①數據報(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的時間內交換數據，而數據報方法適用于發送一個或幾個報文分組(如狀態信息、控制信息)等。一般地說，分組交換網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(奇偶校驗和循環冗余校驗)和三種糾錯方式(重發糾錯、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(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(b0～b7)為1的位數是奇數(稱奇校驗)或偶數(稱偶校驗)。奇偶校驗通常用于每幀只傳送一個字節數據的異步通信方式。

（2）循環冗余校驗——CRC校驗校驗原理：

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

—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，當兩個字節的校驗位接收完，如果除法的余數為0，則認為傳輸正確；否則，傳輸錯誤。適用范圍：每幀由多個字節組成的同步方式。（3）糾錯方式重發糾錯方式：發送端發送能夠檢錯的信息碼（如奇偶校驗碼），接收端根據該碼的編碼規則，判斷有無錯誤，并把錯誤結果反饋給發送端。如果發送錯，則再次發送，直到接收端認為正確為止。自動糾錯方式：發送端發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現錯誤，而且能自動地糾錯。傳輸效率低，譯碼設備復雜。混合糾錯方式：上述兩種混合。發送端發送的信息碼不僅能發現錯誤，而且還由一定的糾錯能力。接收端收到該碼后，如果錯誤位數在糾錯能力以內，則自動糾錯，如果錯誤過多，則要求重發。8.1.2數據通信編碼技術

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，通常可達幾十至幾千米，甚至更遠。串行通信可分為異步和同步傳送兩種。8.1.3網絡協議及其層次結構

在計算機網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定的協議進行；分層設計方法與接口；

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

“開放”這個詞是指一個系統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、連接規程進行規定。功能：在信道上傳輸未經處理的信息。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則，有時也被稱為物理接口。物理層的協議主要提供在DTE(數據終端設備)和DCE(數據通信設備)之間的接口。協議：RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-485等均為物理層協議。2.數據鏈路層功能：將有差錯的物理鏈路改造成對于網絡層來說是無差錯的傳輸鏈路。具體內容：將數據組成數據幀，并在接收端檢驗傳輸的正確性。協議：同步數據鏈路控制(SDLC)、高級數據鏈路控制(HDLC)以及異步串行數據鏈協議都屬于此范圍。8.1.3網絡協議及其層次結構3.網絡層網絡層是OSI七層協議模型中的第三層，它是主機與通信網絡的接口。網絡層也稱分組層，它的任務是使網絡中傳輸分組。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據傳輸服務。網絡層規定了分組(第三層的信息單位)在網絡中是如何傳輸的。具體內容：網絡層控制網絡上信息的切換和路由選擇。因此，本層要為數據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、網絡流量控制、網絡的連接與管理等。協議：X.25協議、IP協議。8.1.3網絡協議及其層次結構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：從會話層接收數據，把它們傳到網絡層并保證這些數據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據完整性。協議：TCP協議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據，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，在這以后開始數據傳輸。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生。如果沒有發生，這一層在不丟失數據的情況下恢復會話，或根據規定，在會話不能正常發生的情況下終止會話。8.1.3網絡協議及其層次結構6.表示層要解決的問題：如何描述數據結構并使之與機器無關。功能：通過一些編碼規則定義在通信中傳送這些信息所需要的傳送語法，實現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，實現的功能分兩大部份，即用戶應用進程和系統應用管理進程。系統應用管理進程管理系統資源，如優化分配系統資源和控制資源的使用等。由管理進程向系統各層發出下列要求：請求診斷，提交運行報告，收集統計資料和修改控制等。功能：規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，如分布式數據庫和文件傳輸。這一層解決了數據傳輸完整性的問題或與發送／接收設備的速度不匹配的問題。8.1.3網絡協議及其層次結構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局域網標準，重要的是對數據鏈路層又劃分出兩個子層。IEEE802標準將數據鏈路層分為

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

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范；

IEEE802.4：TokenPassingBus訪問方法和物理層技術規范；

IEEE802.5：TokenPassingRing訪問方法和物理層技術規范；

IEEE802.6：城市網絡訪問方法和物理層技術規范；

IEEE802.7：為寬帶網絡標準；

IEEE802.8：為光纖網絡標準；

IEEE802.9：為集成聲音數據網絡。

物理信號層(PS)：完成數據的封裝／拆裝、數據的發送／接收管理等功能，并通過介質存取部件(也稱收發器)收發數據信號。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：載波檢測多路存取／沖突檢測(CSMA／CD)、令牌總線(TokenBus)和令牌環(TokenRing)。邏輯鏈路控制層(LLC)：支持數據鏈路功能、數據流控制、命令解釋及產生響應等，并規定局部網絡邏輯鏈路控制協議(LNLLC)。此外，網絡層也有變化。在IEEE802標準中，定義了三種主要的局域網絡技術，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(IEEE802．5)。8.1.3網絡協議及其層次結構8.1.5工業網絡的性能評價和選型1.工業網絡的性能評價2.工業網絡的選型

(1)大型系統的工業網絡選型

(2)中小型系統的工業網絡選型1．工業網絡的性能評價1.工業網絡的性能評價性能評價指標：吞吐能力、穩定性、確定性、可靠性和靈活性。

工業網絡的主流拓撲結構：總線形和環形。令牌環與令牌總線的性能比較：傳輸速率：環形是點到點連接，傳輸效率高；總線形是多點連接，在總線上形成邏輯環，邏輯環不固定，令牌傳遞和維護算法比環形復雜。吞吐能力：令牌環數據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，數據、令牌、回答都要獨占介質；令牌是順序循環訪問，一定條件下有并行工作的特性，其數據、令牌、回答可同時傳遞。穩定性：在負載變化的環境中，令牌環的穩定性較令牌總線好。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，增減結點都無須斷開原系統，可靠形和靈活性強于令牌環。2．工業網絡的選型（1）大型系統的工業網絡選型——分散型控制模式，分三級：分散過程控制級集中操作監控級綜合信息管理級（2）中小型系統的工業網絡選型(1)大型系統的工業網絡選型

大型系統常采用分散型控制的模式，系統主要分為三級，并采用縱向層次結構，其網絡選型可按以下考慮。①分散過程控制級：主要完成自動調節和程序控制，可靠性、實時性要求較高。系統一般按調節回路或設備分布，呈典型遞階控制特性，橫向聯系少。該級數據量不大，數據包較短，地理分布區域也較小。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集中操作監控級：該級數據處理量較大，數據包較長且規整，實時性、可靠性、靈活性也較高。系統一般按設備和功能混合分布，橫向聯系較多。因此，該級采用令牌總線較好。③綜合信息管理級：該級數據多且傳輸量大，系統按功能橫向分布，地域范圍廣，靈活性要求較低，工作站容量大。因此，本級宜采用令牌環結構。(2)中小型系統的工業網絡選型

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

分布式控制系統(DistributedControlSystem-DCS)也稱集散控制系統。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，集中了連續控制、批量控制、邏輯順序控制、數據采集等功能。先進的分散型控制系統將以計算機集成制造/過程系統(CIMS/CIPS)為目標，以新的控制方法、現場總線智能化儀表、專家系統、局域網絡等新技術，為用戶實現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。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。系統安全可靠、通用靈活性、最優控制性能和綜合管理能力，為工業過程的計算機控制開創了新方法。本章首先概述分散型控制系統、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：現場設備級（Device），分散控制級（Control），集中監控級（MES）和綜合管理級（ERP），各級功能如右圖所示。ERPSCMCRM綜合管理級集中監控級分散控制級現場設備級PLC、RTC、ESD、SLC、調節器各種傳感器、變送器、執行器MES與SCADA1.DCS的體系結構管理計算機工程師操作站現場控制站PLC智能調節器其他測控裝置監控計算機網間連接器網間連接器操作員操作站分散控制級其它局域網綜合管理級集中監控級通信網絡局部網絡(LAN)圖8-11DCS的體系結構圖現場設備級執行器傳感器變送器執行器傳感器變送器執行器傳感器變送器執行器傳感器變送器(1)現場設備級構成這一級的主要裝置有：現場儀表（傳感器、變送器）和執行器，主要工作是把現場的各種物理信號(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，隨著現場總線技術的普及和現場總線智能儀器儀表的成熟和成本的大幅度降低，將來應用現場總線通信的各種智能儀表和執行機構會越來越流行。隨著全廠綜合自動化的發展，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過程的，是DCS的控制基礎，它直接完成數據采集、調節控制、順序控制等控制功能，其輸入是現場儀表（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行機構。構成這一級的主要裝置有：①現場控制站(工業控制機)；②可編程序控制器(PLC)；③智能調節器；④其它測控裝置。1.DCS的體系結構(3)集中監控級這一級以操作監視為主要任務，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進行組態、監視和操作，對生產過程實行高級控制策略、調度優化、故障診斷、質量評估。其具體組成包括： ①監控計算機； 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、工廠自動化服務系統構成，從而實現整個企業的綜合信息管理。綜合管理主要包括生產管理和經營管理，主要有企業資源計劃(ERP)、供應鏈管理(SCM)和客戶關系管理(CRM)。(5)通信網絡系統DCS各級之間的信息傳輸主要依靠通信網絡系統來支持。根據各級的不同要求，通信網也分成低速、中速、高速通信網絡。低速網絡面向分散過程控制級；中速網絡面向集中操作監控級；高速網絡面向管理級。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)控制系統組態

(4)通信網絡的應用

(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，如下圖所示。8.2.2DCS的分散控制級1.現場控制站

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

(2)現場控制站的功能①數據采集功能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數據通信功能(3)現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的集中監控級1.顯示操作站的構成顯示操作站主要由監控計算機、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。

(2)工程師功能工程師功能主要包括系統的組態功能、系統的控制功能、系統的維護功能、系統的管理功能等。8.2.4DCS的綜合管理級綜合管理級在DCS中用來實現整個企業(或工廠)的綜合信息管理，主要執行生產管理和經營管理功能。DCS的綜合信息管理級實際上是一個管理信息系統(ManagementInformationSystem,簡稱MIS)，MIS是借助于自動化數據處理手段進行管理的系統。MIS由計算機硬件、軟件、數據庫、各種規程和人共同組成。

1.MIS的基本概念

(1)管理管理工作的六個要素是：目標、信息、人員、資金、設備、物資

(2)信息

(3)系統2.MIS的組成(1)MIS的硬件組成(2)MIS的軟件組成①市場經營管理子系統市場經營管理信息子系統一般由計劃與市場研究、分配、銷售三個部分組成。②生產管理子系統生產管理的職能包括預測、計劃、控制三部分。③財務管理子系統④人事管理子系統3.DCS中MIS的功能8.2.4DCS的綜合管理級8.3現場總線(Fieldbus)控制系統

現場總線控制系統（FieldbusControlSystem，FCS）是隨著控制、計算機、網絡、通信和信息集成技術的發展而產生的。現場總線是連接工業過程現場儀表和控制系統之間的全數字化、雙向、多站點的串行通訊網絡，與控制系統和現場儀表聯用，組成現場總線控制系統。8.3.1現場總線概述8.3.2五種典型的現場總線8.3.3FF現場總線技術8.3.4工業以太網8.3.1現場總線概述1.現場總線及其體系結構現場總線的體系結構主要表現在以下六個方面，如下圖所示。

(1)現場通信網絡

(2)現場設備互連現場設備或現場儀表是指變送器、執行器、服務器和網橋、輔助設備、監控設備等，這些設備通過一對傳輸線互連。

(3)互操作性(4)分散功能塊(5)通信線供電(6)開放式互連網絡8.3.1現場總線概述2.現場總線和FCS的變革(1)現場總線對自動化領域的變革現場總線對當今的自動化領域帶來以下7個方面的變革：用一對通信線連接多臺數字儀表代替一對信號線只能連接一臺儀表；用多變量、雙向、數字通信方式代替單變量、單向、模擬傳輸方式；用多功能的現場數字儀表代替單功能的現場模擬儀表；用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站；用現場總線控制系統FCS代替傳統的分散控制系統DCS；變革傳統的信號標準、通信標準和系統標準；變革傳統的自動化系統體系結構、設計方法和安裝調試方法。(2)FCS對DCS的變革①FCS的信號傳輸實現了全數字化，從最底層的傳感器和執行器就采用現場總線網絡，逐層向上直至最高層均為通信網絡互連。②前面圖示的FCS的系統結構是全分散式，它廢棄了傳統的DCS的輸入／輸出單元和控制站，由現場設備或現場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站，實現徹底的分散控制。③FCS的現場設備具有互操作性，不同廠商的現場設備既可互連也可互換，并可以統一組態，徹底改變傳統DCS控制層的封閉性和專用性。④FCS的通信網絡為開放式互連網絡，既可同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，用戶可極方便地共享網絡數據庫。⑤FCS的技術和標準實現了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用。2.現場總線和FCS的變革3.現場總線產生的原因(1)模擬儀表的缺點①一對一結構②可靠性差③失控狀態④互換性差(2)現場總線的優點①一對N結構②可靠性高③可控狀態④互換性⑤互操作性⑥綜合功能⑦分散控制⑧統一組態⑨開放式系統4.現場總線的發展過程(1)ISA/SP50(2)PROFIBUS(3)ISP和ISPF(4)WorldFIP(5)HART和HCF(6)FF(現場總線基金會)8.3.2五種典型的現場總線1.CAN(控制器局域網絡)2.LONWORKS(局部操作網絡)3.PROFIBUS(過程現場總線)4.HART(可尋址遠程傳感器數據通路)5.FF(現場總線基金會)現場總線8.3.3FF現場總線技術FF現場總線標準共有四層協議，即物理層、數據鏈路層、應用層和用戶層。下面簡單介紹該標準各層協議的主要技術內容。

1.物理層(PhysicalLayer)

物理層定義了傳送數據幀的結構，信號波形的幅度限制，以及傳輸介質，波特率、功耗和網拓撲結構。①傳輸介質可以采用有線電纜、光纖和無線通信。②通過有線電纜傳送信號的波特率定義了兩種速率標準：H1：31.25Kbps低速率網絡；H2：1Mbps/2.5Mbps高速網絡。③H1標準最大傳輸距離為1900米(無需中繼器)，最多串接四臺中繼器。H2標準在1Mbps波特率下，最大傳送距離750米；在2.5Mbps波特率下，最大傳送距離500米。④現場總線協議支持總線型、樹型和點對點型三種拓撲結構。⑤編碼方式和報文結構2.數據鏈路層(DataLinkLayer)

這一層由上下兩部分組成：下層部分功能是對傳輸介質傳送的信號進行發送、接收控制；上層部分功能是對數據鏈路進行控制，保證數據傳送到指定的裝置。

3.應用層(ApplicationLayer)

現場總線訪問子層FAS和現場總線報文規范FMS兩部分構成了應用層。現場總線訪問子層FAS(FieldbusAccessSublayer)提供3類服務：發布/索取(Publisher/Subscriber)，客戶機/服務器(Client/Server)，報告分發(ReportDistribution)，這3類服務被稱為虛擬通信關系VCR(VirtualCommunicationRelationships)。

4.用戶層用戶層規定了標準的“功能塊”供用戶組態成為系統。利用功能塊數據結構執行數據采集、控制和輸出功能。每一個功能塊包含一種對數據進行處理的算法。用戶為每一個功能塊定義一個名稱，稱為塊標記。在同一網絡中名稱必須唯一。數據被分解成輸入、輸出和內部變量。8.4工業以太網測控系統8.4.1工業以太網測控系統概述1.以太網概述以太網是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準，組建于七十年代早期。Ethernet(以太網）是一種傳輸速率為10Mbps的常用局域網（LAN）標準。2.工業以太網所謂工業以太網(IndustrialEthernet)，就是應用于工業自動化領域的以太網技術。3.原理及體系結構工業以太網協議有多種，如HSE、ProfiNet、Ethernet/IP、ModbusTCP等，它們在本質上仍基于以太網技術（即IEEE802.3標準）。應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層ISO/OSI模型TCP/UDPIPIEEE802.3傳輸層應用層工業以太網圖8-16工業以太網通信模型8.4工業以太網測控系統4.工業以太網的應用工業以太網在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度和適用性方面能滿足工業現場的需要，具有環境適應性強、可靠性和安全性高、安裝方便的特點。因此，與其他現場總線或工業通信網絡相比，以太網具有應用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、易于Internet連接、可持續發展潛力大的優點，因此不僅壟斷了工廠綜合自動化的信息管理層網絡，而且在過程監控層網絡也得到了廣泛應用，并且有直接向下延伸，應用于工業現場設備層網絡的趨勢。8.4工業以太網測控系統8.4.2工業以太網測控系統1.基于ADAM-6000模塊的工業以太網結構ADAM-6000系列產品是基于Ethernet的數據采集和控制模塊，它們集數據采集和網絡傳輸能力于一身。使用這些模塊可以輕而易舉的建立低成本、適應于各個行業的基于Ethernet的數據采集和控制系統。通過標準的以太網，ADAM-6000模塊可以實時的將來自傳感器的數據發送到局域網/以太網結點上。

主機（帶網卡）Ethernet交換機RJ-45工業以太網60186050…圖8-25基于工業以太網的測控系統結構圖其它6000模塊8.4.2工業以太網測控系統

2.ADAM以太網模塊的應用軟件ADAM-6000系列模塊使用集成的專用應用軟件工具進行系統配置，應用軟件名稱為：ADAM-5000TCP/6000UtilityProgram，該工具同時支持ADAM-5000/TCP和ADAM-6000模塊，提供了圖形化的界面來方便用戶的配置工作，同時也可以方便的用來監控遠端的DA&C系統。

3.基于研華ADAM-6000模塊構成工業以太網測控系統舉例

8.5系統集成與集成自動化系統8.5.1系統集成與集成自動化系統8.5.2五層Purdue模型8.5.3ERP-MES-PCS三層結構8.5.4綜合自動化系統的實現(CIMS、CIPS、CPS)8.5.1系統集成與集成自動化系統1.系統集成的含義系統集成(SystemIntegration)可理解為：按系統整體性原理，將原來沒有聯系或聯系不緊密的元素組成為具有一定功能的，滿足一定目標、相互聯系、彼此協調工作的新系統的過程、技術與科學，由而引出系統集成工程，系統集成技術，系統集成方法或理論，系統集成體系結構或框架以及系統集成商（者）等。2.網絡系統集成框架（1）控制網絡與企業網絡的集成框架

FCS和企業網絡的集成技術可以有以下兩種框架：①網間連接技術（