2.2 计算机控制基本知识
自动控制的发展
经典硬件逻辑控制 → 常规仪表控制 → 计算机集中控
制 → 计算机分散（集散）控制 → 以现场总线为代表的网
络控制
2.2.1 计算机控制系统
2.2.2 集散控制系统
2.2.3 现场总线控制系统
2.2.1 计算机控制系统
2.2.1.1 模拟信号的数字化
步骤：采样（抽样）、量化和编码
(1) 采样
1) 定义
将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号。
2) 要求
用时间离散的采样序列代替原来时间连续的模拟信号，
要求离散的采样序列能不失真地恢复出原模拟信号。
3) 奈奎斯特采样定理
若采样频率 fs不低于连续信号最高截止频率 fm的 2
倍时 (即 fs ≥ 2f m)，采样得到的信号能完全表达原信号
的所有信息。
4) 对象
连续的模拟信号 (时间上
连续，幅度上连续 )。
5) 方法
以一定的时间间隔读取模
拟信号的值（称为样值），每
个样值即为原模拟信号的瞬时
值。
6) 结果
得到一个时间上不连续（离散）的信号，称为原信
号的 PAM（ Pulse Amplitude Modulation）脉冲幅度调
制信号。 (幅度连续，波形离散 )
t
f(t) PAM信号
0
采样
(2) 量化
1) 定义
对连续变化的样值幅度进行离散化处理，即将信号可能
取值分成若干级，每个信号按四舍五入就近取某级的值。
2) 对象,PAM信号样值。
3) 方法,
1
2
3
4 量化值 量化级 3.5
1.5
0.5
2.5
0
1
2
3
0
线性量化示意图
A.规定幅度等级；
B.对每一个量化级规定一个量
化值；
C.对处于同一量化级内的 PAM样
值，不论其实际大小如何，均
取值为该量化级的量化值。
4) 结果：量化的 PAM信号
5) 量化 PAM和原 PAM的关系,
存在量化误差 (数学 )
存在量化噪声 (信号 )
6) 降低量化误差的方法,
增加量化级数；
根据信号的大小划分不同的量化级 (非线
性量化 )。
(3) 编码
1) 定 义,
给一特定事物一特定符号，即用一组二进制脉冲
来代表已经量化的样值幅度。
2) 对 象：量化的 PAM样值幅度
3) 方 法
确定编码位数
确定码型
4) 结果
PCM信号 (Pulse Code Modulation)—— 脉冲编码
调制信号
模拟信号数字化的三个过程
采样 量化 编码
定义 将时间上连续的
信号处理成时间
上离散的信号
对连续变化的样值幅度进
行离散化处理
用一组二进制
脉冲来代表已
经量化的样值
幅度
方法 以一定的时间间
隔读取模拟信号
的值
规定幅度等级；对每一个
量化级规定一个量化值；
对处于同一量化级内的
PAM样值，均取值为该量
化级的量化值。
编码位数的确
定；码型的确
定。
对象 连续的模拟信号 PAM信号 量化的 PAM样
值
结果 PAM信号 量化的 PAM样值 PCM信号
2.2.1.2 基本计算机控制系统
A/D 计算机 D/A 控制对象 r(t) e(t) e(k) u(k) u(t)
y(t)
直接数字控制系统
DDC—— Direct Digital Control
计算机监督控制系统
SCC—— Supervisory Computer Control
可编程逻辑控制器
PLC—— Progammable Logic Controller
(1) 直接数字控制系统 —— DDC
A/D
CPU D/A
采样 对象
执行器
A,计算机在参与闭环的控制过程中，不需要中间环节
（调节器），而用计算机的输出（断续的形式）去直
接控制调节阀门等执行机构。
B.DDC系统中的计算机能完全取代模拟调节器，实现多
回路的 PID调节，且不需改变硬件，只通过程序改变就
能有效地实现较复杂的控制。
DDC一般不设置 CRT显示器和操作键盘，但可通过
计算机或编程器对其进行编程和对系统参数进行修改。
a,计算机模块
? 通过输入模块完成数据采集、滤波、非线性校正、各种补
偿运算、上下限报警及累积量计算等；
? 经过运算，输出模
块输出控制信号，驱动
执行机构完成对控制对
象的控制；
? 可通过远程驱动模
块和远程执行器实现远
程控制。
C,模块化 DDC控制器的组成结构
b,通信模块
? 将测量值和状态监测信号送到中央管理计算机数据库，
供实时显示、数据处理、优化计算、报警打印等。
? 中央管理计算机的管理、控制指令同样可通过通信模
块送入 DDC控制器计算机模块，实现系统的直接调控。
? DDC控制器的通信方式
? 点对点 (Peer to Peer)方式,
通信速率达 115.2kbps。
? RS485方式,
总线长度长度达 1.2km。
c,内部总线
一般采用 VME总线，支持多 CPU的 16位 /32位总线。
d,电源模块
? 采用隔离变压器，将其一次、二次线圈间的屏蔽层可
靠接地，隔离共模干扰；
? 具有过压 /欠压显示功能；
? 带有板内微处理器，提供高质量的 24V DC稳压电源；
? 长寿命后备锂电池。
e,输入 /输出模块
? 模拟输入模块 (AI)
受控对象中有许多连续性的物理量，用仪表检测后
可通过 AI模块送入 DDC进行进行处理。其标准电信号有,
电阻信号,100Ω, 500Ω, 1kΩ, 10kΩ,
20kΩ ；
电压信号,1-5V DC,0-5V DC,0-10V DC等；
电流信号,4-20mA DC。
? 模拟输出模块 (AO)
输出 4-20mA DC电流信号或 1-5V DC,0-5V DC,0-
10V DC电压信号，用以操作调节阀、风门、转速等。
? 数字输入模块 (DI)
输入各种限位开关、继电器、电气联动机构、电磁阀
门联动触点的开、关状态等二位信号。
? 数字输出模块 (DO)
用于电机启 /停、电磁阀门、继电器、指示灯、声报
警器等开关控制。
? 脉冲输入模块 (PI)
转速计、涡轮流量计、脉冲电量表等脉冲信号的输入。
(2) 计算机监督控制系统 —— SCC
A/D
CPU D/A
采样 对象
DDC
SCC一般作为上位机监督下位 DDC的计算机, 构
成二级控制系统 。 一级为监控级 SCC,完成高一级的
最优化分析和计算, 并给出最佳给定值, 送给 DDC级
计算机直接控制生产过程 。
两台计算机之间通过接口进行信息交换, 当 DDC
出现故障时, 可由 SCC机代替 。
(3) 可编程逻辑控制器 PLC
PLC由如下四部分组成
A,控制功能部件,接受输入信息，按存储器存储的
数据和指令进行数据和逻辑运算，并将结果送到输出
部件。
B,存储器, RAM存放临时程序或信息； ROM存放已经
成熟的程序和其它必要信息。
C,输入 /输出部分,包括输入／输出模块、光电隔离
及接口电路。
D,编程器,
2.2.2 集散控制系统 —— DCS
（ 1）集散控制系统特点
DCS(Distributed Control System )又称分散式
或分布式控制系统。具有如下特点,
A,采用分级递阶式控制；
B,采用物理上的分散结构，实现了分散控制；
C,具有计算机通信系统，可实现综合控制；
D,可设置多功能的 CRT操作站以实现集中监控与操作。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
传递其他信号在两者之间的完成数据、控制信号及
现场控制器连接中央管理计算机与
通信部分：
相关控制软件
直接数字控制器
分散控制部分
相关控制软件
中央管理计算机
集中管理部分
集散控制系统
(2) DCS系统结构
服务器 中央监控计算机 路由器 中央 管理级
Ethernet 10-100Mbps 高速总线
DDC/PLC
DCS结构图
网关 操作员站 工程师站 监
控
级 中速总线
通信接口
DDC/PLC AI DI AO DO
过程对象 过程对象
现
场
控
制
级
传感器 执行器
BUS
低速总线
? 由现场控制器（ DDC）和其它现场设备组成。
? DDC直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和
参数进行监测和控制。
? DDC还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指
令和管理信息，并向上传递现场采集的数据。
通信接口
DDC/PLC AI DI AO DO
过程对象 过程对象
现
场
控
制
级
传感器 执行器
BUS
A,现场控制级 (DDC)
对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动
态最优化。一般它带有 操作员站 和 工程师站 。
a,操作员站
实现在线监督
b,工程师站
对 DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监
督、控制和维护。
网关 操作员站 工程师站 监
控
级 中速总线
B,监控级
管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对
象进行监督，制定计划，进行成本核算，对设备和人员
进行管理，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。
管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高
速以太局域网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信
息网联网，实现信息共享。
服务器 中央监控计算机 路由器 中央 管理级
Ethernet 10-100Mbps 高速总线
C.中央管理级
(3) DCS的通信网络
A,中央监控计算机与 DDC之间的通信
? 能适应现场恶劣环境；
? 传输速率不低于 9600bps；
? 传输距离不大于 1.2km，可采用 UTP作为传输介质；
? 抵抗高电压入侵。
B,多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信
在具有多台中央管理计算机的 DCS系统中，常用网络
型中央监控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传
输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求。
2.2.3 现场总线控制系统 FCS
(1) 现场总线产生的原因
? 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度
低，易受干扰。
? 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。对控
制器本身要求很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。
当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
? 集散控制系统（ DCS）于八、九十年代占主导地位。
DCS虽然号称分布式控制系统，实际上只能算半分布，测
控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站。
FCS正是顺应以上潮流而诞生。
(2) 现场总线控制系统定义
现场总线控制系统 (Fieldbus Control System,
FCS)是 用于过程控制现场仪表与控制室之间的 一种全数
字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用
于连接现场智能仪表。
FCS放弃了 DCS所必需的 I/O模块和现场控制站，控
制功能分散到现场设备上。
(3) DCS与 FCS结构示意图
操作站
现场控制站
现场自动化设备
(测量、执行 )
DCS结构示意图
操作站
现场自动化设备
(测量、计算、执行、报警、趋势等 )
FCS结构示意图
控制室
现场
(4)现场总线的优点
A,全数字化
B,全分布
C,双向传输
D,自诊断
E,节省布线及控制室空间
F,多功能仪表
G,开放性
H,互操作性
I,智能化与自治性
(5) 现场总线主要特征
A,数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关
量信号；
B,在车间级与设备级通信的数字化网络；
C,工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化
革命；
D,使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为
企业信息网络底层；
E,工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑
现场级与车间级信息集成的技术基础。
(6) 现场总线的要求
A,传输速度快
B,响应时间短
指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输
到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的
时间。
C,巡回时间短
系统与所有通信对象都至少完成一次通信所
需的时间。
(7) 现场总线与局域网的区别
项目 现场总线 局域网
功能
连接自动化最底层的现场控
制器和现场智能仪表设备，
网线上传输的是小批量数据
信息，如检测信息、状态信
息、控制信息等，传输速率
低，但实时性高。是一种实
时控制网络。
用于连接局域区域的各台计
算机，网线上传输的是大批
量的数字信息，如文本、声
音、图像等，传输速率高，
但不 要求实时性。是一种高
速信息网络。
实现
方式
可采用各种通讯介质，如双
绞线、电力线、光纤、无线、
红外线等，实现成本低。
需要专用电缆，如同轴电缆、
光纤等，实现成本高。
(8) 当前比较流行的现场总线
A,Lonworks —— 局部操作网络
B,BACnet —— 楼宇自动化与控制网络
C,Profibus —— 过程现场总线
D,HART —— 可寻址远程传感器高速通道
E,CAN —— 控制局域网络
F,FF —— 现场总线基金会
G,Modbus
H,Controllogix
(9) Lonworks总线
1) 楼宇自动化系统的特点
A,测控点分散；
B,被控设备种类多，且本身配有控制系统。
1992年美国的 Echelon公司推出的实时测控网络 —
— 局部操作网络 (Local Operating Networks,
Lonworks)。
Lonworks是专门为 实时控制 而设计的，是在控制
层提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到
广泛应用。
2) Lonworks模型分层
Lonworks采用开放式 ISO/OSI模型全部 7层通信协议
结构，如下表,
3)Lonworks总线技术
A,Lonworks结点
a,神经元结点,以神经元芯片为核心的控制结点，采用
MIP结构。
b,HoseBase结点,将神经元芯片作为通信协议处理器，
用高性能主机实现复杂测控功能。
B,路由器
使 Lonworks突破传统现场总线的限制，通信不受通
信介质、距离和速率的限制。
C,神经元芯片
a,Lonworks技术的核心，内部包括三个 CPU,
第 1个 CPU为 介质访问控制处理器,处理 LonTalk协议
的 1,2层；
第 2个 CPU为 网络处理器,处理 LonTalk协议的 3-6层；
第 3个 CPU为 应用处理器,执行应用程序，实现
LonTalk协议的第 7层。
b,种类
MC143120：不支持外部存储器，本身带有 ROM。
MC143150：支持外部存储器，适合复杂应用
D,Lonworks通信
a,双绞线收发器
? 直接驱动收发器：利用神经元芯片的端口作为收发器。最大速
率为 1.25Mbps时，最多 64个结点，最大通信距离 30m；
? EIA-485(RS-485)收发器,39kbps；
? 变压器耦合驱动,
b,电源收发器
通信线和电源线共用一对双绞线。
c,电力线收发器
将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到
220V或其它交 /直流电力线上。
d,其它收发器
无线收发器、光纤收发器等。
E,Lonworks开发工具
a,结点开发工具 NodeBuilder
在线仿真器,只能完成结点开发功能，不具备网络功
能。
b,结点和网络安装工具 LonBuilder
主要开发工具，由结点开发器、网络管理器、协议
分析器、报文统计器、案例程序和开发板组成。
c,网络管理工具 LonManage
由一系列软件开发包和接口卡组成。
d,LNS
为用户提供客户机 /服务器网络结构。
F,Lonworks的通信协议
采用 7层 LonTalk通信协议,通过网络变量直接面
向对象进行通信。
?
?
?
?
?
个结点个子网最多有结点
个子网个域最多有辑分组，：一个或多个通道的逻子网
的彼此独立性：保证在不同域中通信域
网络地址
1271:)(
2551)(
)(
N o d e
S u b n e t
D o m a in
4) Lonworks技术和 RS485总线的区别
Lonworks RS485总线
1
现场总线，有完整的控制网络体系，
包括从物理层到应用层以至网络操
作系统的全部内容。
仅仅是网络物理层的一种规
范。
2 支持多介质，如：双绞线、同轴电缆、电力线,光纤、无线、红外等。 不能支持多介质
3 开放性好，不同厂家的产品可在同一网络上协调工作。 不同厂家的产品很难在一个网上工作。
4 支持总线式、星形、自由拓扑等多种拓扑结构。 只支持总线式拓扑结构。
5 网络每段的长度可达 2700米，每网络段可以有 64个节点。 网络每段一般只能达 1000m，且每段只有 32个节点。
Lonworks RS485总线
6
支持域、子网、节点等完整的网络结构。
每个网络的一个域最多支持 32 385个节
点。
很难与此相比。
7
处理器有 3个 CPU，可以处理复杂的网络
通信、应用程序。
处理器只有一个 CPU，
很难处理复杂的网络
通信、应用程序。
8 耐共模干扰的能力强，可以适应恶劣的环境。 抗干扰能力差。
9 对等通信网络，各节点地位均等，无主节点,可靠性高、实时性好。 一般为主从式结构。
10 维护容易，可直接从网络上下装程序。 很难做到这一点。
4) Lonworks在楼宇自动化系统中的应用
智能变送器
工程师站 操作员站 网关
路由器 空调系统
控制器
编程组态
及控制
照明配电系
统控制器
给排水系
统控制器
终端控制
器
网关
变送器
去其它 Lonworks网络 Lonworks
去其它
Internet
Lonworks
(10) BACnet
BACnet(Building Automation and
Control Network)是由美国暖通空调工程师协
会 (ASHRAE)提出和批准的楼宇自动控制通信协议
标准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。
规定了计算机控制器之间所有对话方式。
BACnet规范的是楼宇内机电设备控制器之间
的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、
变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。
1) BACnet结构
2) BACnet数据通信协议
目的：使不同厂商生产的 DDC通过网络可以实现数
据交换。
A,BACnet的 18种标准对象
定义了 18种标准对象类型，通过不同对象的组合，
实现 DDC不同的控制功能，从而实现对 DDC任务的描述。
B,BACnet的 18种标准对象的类型
设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、
事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、
通知对象、程序对象。
对象名称 应用举例 对象名称
模拟输入 (AI) 传感器输入 日历 (Calendar)
模拟输出 (AO) 控制输出 环路 (Loop)
数字输入 (DI) 开关输入 设备 (Device)
数字输出 (DO) 继电器输出 文本 (File)
数字值 (DV) 数字控制系统参数 通知等级
(Notification Class)
模拟值 (AV) 设置的阈值或模拟控制系统参
数
事件登计 (Event
Enrollment)
命令 (Command) 为完成诸如日期设定等待定操
作而向多设备的多对象写多值
多状态输入
(Multi State Input)
时间表
(Schedu1e)
为按时间执行程序定义的日期
列表
多状态输出
(Multi State Output)
组 (Group) 程序 (Program)
C,BACnet的标准属性
a,BACnet定义了 123种标准属性 (对对象的进一步描述 )。
b,每个对象的属性分为 必须 和 可选 两种。
c,BACnet对象必须的属性
对象标识符,标识设备内一个对象,32位编码；
对象名,唯一的设备对象名称，用字符串表示；
对象类型,标识对象类型。
3) BACnet服务功能
用于访问和管理 18种标准对象发出的信息，指定完
成一定的操作，或通知发生了某些事件的手段。
BACnet共定义了 35种服务功能，分为 5大类,
报警和事件服务 (Alarm and Event)；
文件访问服务 (Fi1e Access);
对象访问服务 (Object Access);
远程设备管理服务 (Remote Device Management)；
虚拟终端服务 (Virtual Terminal)。
4) BACnet网络
A,BACnet设备通过局域网传送符合 BACnet标准二进
制码的信息。
B,BACnet采用五种网络技术进行信息数据传送,
Ethernet,ARCnet,MS/TP (主从 /令牌环 )、
PTP(点对点 ),LonTalk。
局域网 标 准 数据速率
Ethernet ISO/IEC 8802-3 10--100 Mbps
ARCnet ATA/ANSI 878.1 0.156--10 Mbps
MS/TPPS ANSI/ASHRAE 135-1995 9.6--78.4 Kbps
LonTalk PROPRIETARY 4.8--1250 Kbps
5) BACnet类别和功能组
A,BACnet的性能级
根据设备的初始化功能和执行功能，性能级分 1-6级，
高的性能级别包含低的性能级别的功能。
B,BACnet的功能组
a,BACnet定义了 13个功能组
时钟、手动工作站、微机工作站、事件发生、事
件回应、数值改变发生、数值改变回应、重新初始化、
虚拟操作者界面、虚拟终端、设备通信、时间控制、
文件。
b,功能组是性能级的补充，低性能级的设备要实现本
性能级不具备的功能，可通过网络通信中的功能组从
系统内获取有关数据来实现该功能，从而使低性能级
设备可通过网络通信实现高性能级功能。
6) 采用 BACnet的楼宇自动化系统
变风量空
调系统
变风量空
调系统
空气处
理单元
1#楼宇
分表
空调监
控系统
保安
系统 BAS
照明
系统
编程
系统
冷热源
系统
给排水
系统
1#楼宇 BACnet协议
路由器 Internet
变风量空
调系统
变风量空
调系统
空气处
理单元
2#楼宇
分表
空调监
控系统
保安
系统 BAS
照明
系统
编程
系统
冷热源
系统
给排水
系统
2#楼宇 BACnet协议
路由器
路由器
工作站 工作站 工作站 数据库服务器
BACnet BACnet
BACnet
7) LonWorks与 BACnet混合应用
计算机
LAN
控
制
器
专
用
网
络
结构 A
计算机
LAN
控
制
器
Lonworks
网络
结构 B
网关
计算机
BACnet
控
制
器
结构 D
网关
BACnet
网络
(需要时
设置 )
Lonworks
网络
计算机
BACnet
控
制
器
Lonworks
网络
结构 C
网关
A,结构 A
已过时，系统不开放，不能实现交互式操作，很难适
应种类繁多的设备检测和控制要求，最终将被淘汰。
B,结构 B
用户不能自由选择。如果用户想对现有系统升级、改
造，或想换用其它厂家的设备，只能用网关的方案。
C,结构 C和结构 D
开始考虑用户的要求，即 互操作性,用户可以在一个
系统中实现不同厂家设备之间的互操作，允许混合配置各
种设备。目前仅限于设备层，价格昂贵，但应用前景好。
（ 11）五种现场总线性能对照表
特性
现场总线类型
FF Profibus HART CAN LonWorks
应用范围 仪表 PLC 智能变送器 汽车 楼宇及工业自动化
OSI网络层次 1,2,7,8 1,2,7 1,2,7 1,2,7 1--7
通信介质
双绞线、电缆、
光纤、无线等
双绞线,
光纤
电源信号线 双绞线、
光纤
双绞线、电力线、
电缆、光纤、无线
介质访问方式 令牌、主从 令牌、主从 令牌、查询 位仲裁 P-P,CSMA
纠错方式 CRC CRC CRC CRC CRC
通信速率 Mbps 2.5 1.2 1.2 1 1.25
最大节点数 32 128 15 110 248
优先级 有 有 有 有 有
保密性 — — — — 身份认证
本安性 是 是 是 是 是
开发工具 有 有 — 有 有
自动控制的发展
经典硬件逻辑控制 → 常规仪表控制 → 计算机集中控
制 → 计算机分散（集散）控制 → 以现场总线为代表的网
络控制
2.2.1 计算机控制系统
2.2.2 集散控制系统
2.2.3 现场总线控制系统
2.2.1 计算机控制系统
2.2.1.1 模拟信号的数字化
步骤：采样（抽样）、量化和编码
(1) 采样
1) 定义
将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号。
2) 要求
用时间离散的采样序列代替原来时间连续的模拟信号，
要求离散的采样序列能不失真地恢复出原模拟信号。
3) 奈奎斯特采样定理
若采样频率 fs不低于连续信号最高截止频率 fm的 2
倍时 (即 fs ≥ 2f m)，采样得到的信号能完全表达原信号
的所有信息。
4) 对象
连续的模拟信号 (时间上
连续，幅度上连续 )。
5) 方法
以一定的时间间隔读取模
拟信号的值（称为样值），每
个样值即为原模拟信号的瞬时
值。
6) 结果
得到一个时间上不连续（离散）的信号，称为原信
号的 PAM（ Pulse Amplitude Modulation）脉冲幅度调
制信号。 (幅度连续，波形离散 )
t
f(t) PAM信号
0
采样
(2) 量化
1) 定义
对连续变化的样值幅度进行离散化处理，即将信号可能
取值分成若干级，每个信号按四舍五入就近取某级的值。
2) 对象,PAM信号样值。
3) 方法,
1
2
3
4 量化值 量化级 3.5
1.5
0.5
2.5
0
1
2
3
0
线性量化示意图
A.规定幅度等级；
B.对每一个量化级规定一个量
化值；
C.对处于同一量化级内的 PAM样
值，不论其实际大小如何，均
取值为该量化级的量化值。
4) 结果：量化的 PAM信号
5) 量化 PAM和原 PAM的关系,
存在量化误差 (数学 )
存在量化噪声 (信号 )
6) 降低量化误差的方法,
增加量化级数；
根据信号的大小划分不同的量化级 (非线
性量化 )。
(3) 编码
1) 定 义,
给一特定事物一特定符号，即用一组二进制脉冲
来代表已经量化的样值幅度。
2) 对 象：量化的 PAM样值幅度
3) 方 法
确定编码位数
确定码型
4) 结果
PCM信号 (Pulse Code Modulation)—— 脉冲编码
调制信号
模拟信号数字化的三个过程
采样 量化 编码
定义 将时间上连续的
信号处理成时间
上离散的信号
对连续变化的样值幅度进
行离散化处理
用一组二进制
脉冲来代表已
经量化的样值
幅度
方法 以一定的时间间
隔读取模拟信号
的值
规定幅度等级；对每一个
量化级规定一个量化值；
对处于同一量化级内的
PAM样值，均取值为该量
化级的量化值。
编码位数的确
定；码型的确
定。
对象 连续的模拟信号 PAM信号 量化的 PAM样
值
结果 PAM信号 量化的 PAM样值 PCM信号
2.2.1.2 基本计算机控制系统
A/D 计算机 D/A 控制对象 r(t) e(t) e(k) u(k) u(t)
y(t)
直接数字控制系统
DDC—— Direct Digital Control
计算机监督控制系统
SCC—— Supervisory Computer Control
可编程逻辑控制器
PLC—— Progammable Logic Controller
(1) 直接数字控制系统 —— DDC
A/D
CPU D/A
采样 对象
执行器
A,计算机在参与闭环的控制过程中，不需要中间环节
（调节器），而用计算机的输出（断续的形式）去直
接控制调节阀门等执行机构。
B.DDC系统中的计算机能完全取代模拟调节器，实现多
回路的 PID调节，且不需改变硬件，只通过程序改变就
能有效地实现较复杂的控制。
DDC一般不设置 CRT显示器和操作键盘，但可通过
计算机或编程器对其进行编程和对系统参数进行修改。
a,计算机模块
? 通过输入模块完成数据采集、滤波、非线性校正、各种补
偿运算、上下限报警及累积量计算等；
? 经过运算，输出模
块输出控制信号，驱动
执行机构完成对控制对
象的控制；
? 可通过远程驱动模
块和远程执行器实现远
程控制。
C,模块化 DDC控制器的组成结构
b,通信模块
? 将测量值和状态监测信号送到中央管理计算机数据库，
供实时显示、数据处理、优化计算、报警打印等。
? 中央管理计算机的管理、控制指令同样可通过通信模
块送入 DDC控制器计算机模块，实现系统的直接调控。
? DDC控制器的通信方式
? 点对点 (Peer to Peer)方式,
通信速率达 115.2kbps。
? RS485方式,
总线长度长度达 1.2km。
c,内部总线
一般采用 VME总线，支持多 CPU的 16位 /32位总线。
d,电源模块
? 采用隔离变压器，将其一次、二次线圈间的屏蔽层可
靠接地，隔离共模干扰；
? 具有过压 /欠压显示功能；
? 带有板内微处理器，提供高质量的 24V DC稳压电源；
? 长寿命后备锂电池。
e,输入 /输出模块
? 模拟输入模块 (AI)
受控对象中有许多连续性的物理量，用仪表检测后
可通过 AI模块送入 DDC进行进行处理。其标准电信号有,
电阻信号,100Ω, 500Ω, 1kΩ, 10kΩ,
20kΩ ；
电压信号,1-5V DC,0-5V DC,0-10V DC等；
电流信号,4-20mA DC。
? 模拟输出模块 (AO)
输出 4-20mA DC电流信号或 1-5V DC,0-5V DC,0-
10V DC电压信号，用以操作调节阀、风门、转速等。
? 数字输入模块 (DI)
输入各种限位开关、继电器、电气联动机构、电磁阀
门联动触点的开、关状态等二位信号。
? 数字输出模块 (DO)
用于电机启 /停、电磁阀门、继电器、指示灯、声报
警器等开关控制。
? 脉冲输入模块 (PI)
转速计、涡轮流量计、脉冲电量表等脉冲信号的输入。
(2) 计算机监督控制系统 —— SCC
A/D
CPU D/A
采样 对象
DDC
SCC一般作为上位机监督下位 DDC的计算机, 构
成二级控制系统 。 一级为监控级 SCC,完成高一级的
最优化分析和计算, 并给出最佳给定值, 送给 DDC级
计算机直接控制生产过程 。
两台计算机之间通过接口进行信息交换, 当 DDC
出现故障时, 可由 SCC机代替 。
(3) 可编程逻辑控制器 PLC
PLC由如下四部分组成
A,控制功能部件,接受输入信息，按存储器存储的
数据和指令进行数据和逻辑运算，并将结果送到输出
部件。
B,存储器, RAM存放临时程序或信息； ROM存放已经
成熟的程序和其它必要信息。
C,输入 /输出部分,包括输入／输出模块、光电隔离
及接口电路。
D,编程器,
2.2.2 集散控制系统 —— DCS
（ 1）集散控制系统特点
DCS(Distributed Control System )又称分散式
或分布式控制系统。具有如下特点,
A,采用分级递阶式控制；
B,采用物理上的分散结构，实现了分散控制；
C,具有计算机通信系统，可实现综合控制；
D,可设置多功能的 CRT操作站以实现集中监控与操作。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
传递其他信号在两者之间的完成数据、控制信号及
现场控制器连接中央管理计算机与
通信部分：
相关控制软件
直接数字控制器
分散控制部分
相关控制软件
中央管理计算机
集中管理部分
集散控制系统
(2) DCS系统结构
服务器 中央监控计算机 路由器 中央 管理级
Ethernet 10-100Mbps 高速总线
DDC/PLC
DCS结构图
网关 操作员站 工程师站 监
控
级 中速总线
通信接口
DDC/PLC AI DI AO DO
过程对象 过程对象
现
场
控
制
级
传感器 执行器
BUS
低速总线
? 由现场控制器（ DDC）和其它现场设备组成。
? DDC直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和
参数进行监测和控制。
? DDC还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指
令和管理信息，并向上传递现场采集的数据。
通信接口
DDC/PLC AI DI AO DO
过程对象 过程对象
现
场
控
制
级
传感器 执行器
BUS
A,现场控制级 (DDC)
对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动
态最优化。一般它带有 操作员站 和 工程师站 。
a,操作员站
实现在线监督
b,工程师站
对 DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监
督、控制和维护。
网关 操作员站 工程师站 监
控
级 中速总线
B,监控级
管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对
象进行监督，制定计划，进行成本核算，对设备和人员
进行管理，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。
管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高
速以太局域网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信
息网联网，实现信息共享。
服务器 中央监控计算机 路由器 中央 管理级
Ethernet 10-100Mbps 高速总线
C.中央管理级
(3) DCS的通信网络
A,中央监控计算机与 DDC之间的通信
? 能适应现场恶劣环境；
? 传输速率不低于 9600bps；
? 传输距离不大于 1.2km，可采用 UTP作为传输介质；
? 抵抗高电压入侵。
B,多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信
在具有多台中央管理计算机的 DCS系统中，常用网络
型中央监控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传
输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求。
2.2.3 现场总线控制系统 FCS
(1) 现场总线产生的原因
? 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度
低，易受干扰。
? 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。对控
制器本身要求很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。
当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
? 集散控制系统（ DCS）于八、九十年代占主导地位。
DCS虽然号称分布式控制系统，实际上只能算半分布，测
控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站。
FCS正是顺应以上潮流而诞生。
(2) 现场总线控制系统定义
现场总线控制系统 (Fieldbus Control System,
FCS)是 用于过程控制现场仪表与控制室之间的 一种全数
字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用
于连接现场智能仪表。
FCS放弃了 DCS所必需的 I/O模块和现场控制站，控
制功能分散到现场设备上。
(3) DCS与 FCS结构示意图
操作站
现场控制站
现场自动化设备
(测量、执行 )
DCS结构示意图
操作站
现场自动化设备
(测量、计算、执行、报警、趋势等 )
FCS结构示意图
控制室
现场
(4)现场总线的优点
A,全数字化
B,全分布
C,双向传输
D,自诊断
E,节省布线及控制室空间
F,多功能仪表
G,开放性
H,互操作性
I,智能化与自治性
(5) 现场总线主要特征
A,数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关
量信号；
B,在车间级与设备级通信的数字化网络；
C,工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化
革命；
D,使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为
企业信息网络底层；
E,工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑
现场级与车间级信息集成的技术基础。
(6) 现场总线的要求
A,传输速度快
B,响应时间短
指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输
到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的
时间。
C,巡回时间短
系统与所有通信对象都至少完成一次通信所
需的时间。
(7) 现场总线与局域网的区别
项目 现场总线 局域网
功能
连接自动化最底层的现场控
制器和现场智能仪表设备，
网线上传输的是小批量数据
信息，如检测信息、状态信
息、控制信息等，传输速率
低，但实时性高。是一种实
时控制网络。
用于连接局域区域的各台计
算机，网线上传输的是大批
量的数字信息，如文本、声
音、图像等，传输速率高，
但不 要求实时性。是一种高
速信息网络。
实现
方式
可采用各种通讯介质，如双
绞线、电力线、光纤、无线、
红外线等，实现成本低。
需要专用电缆，如同轴电缆、
光纤等，实现成本高。
(8) 当前比较流行的现场总线
A,Lonworks —— 局部操作网络
B,BACnet —— 楼宇自动化与控制网络
C,Profibus —— 过程现场总线
D,HART —— 可寻址远程传感器高速通道
E,CAN —— 控制局域网络
F,FF —— 现场总线基金会
G,Modbus
H,Controllogix
(9) Lonworks总线
1) 楼宇自动化系统的特点
A,测控点分散；
B,被控设备种类多，且本身配有控制系统。
1992年美国的 Echelon公司推出的实时测控网络 —
— 局部操作网络 (Local Operating Networks,
Lonworks)。
Lonworks是专门为 实时控制 而设计的，是在控制
层提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到
广泛应用。
2) Lonworks模型分层
Lonworks采用开放式 ISO/OSI模型全部 7层通信协议
结构，如下表,
3)Lonworks总线技术
A,Lonworks结点
a,神经元结点,以神经元芯片为核心的控制结点，采用
MIP结构。
b,HoseBase结点,将神经元芯片作为通信协议处理器，
用高性能主机实现复杂测控功能。
B,路由器
使 Lonworks突破传统现场总线的限制，通信不受通
信介质、距离和速率的限制。
C,神经元芯片
a,Lonworks技术的核心，内部包括三个 CPU,
第 1个 CPU为 介质访问控制处理器,处理 LonTalk协议
的 1,2层；
第 2个 CPU为 网络处理器,处理 LonTalk协议的 3-6层；
第 3个 CPU为 应用处理器,执行应用程序，实现
LonTalk协议的第 7层。
b,种类
MC143120：不支持外部存储器，本身带有 ROM。
MC143150：支持外部存储器，适合复杂应用
D,Lonworks通信
a,双绞线收发器
? 直接驱动收发器：利用神经元芯片的端口作为收发器。最大速
率为 1.25Mbps时，最多 64个结点，最大通信距离 30m；
? EIA-485(RS-485)收发器,39kbps；
? 变压器耦合驱动,
b,电源收发器
通信线和电源线共用一对双绞线。
c,电力线收发器
将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到
220V或其它交 /直流电力线上。
d,其它收发器
无线收发器、光纤收发器等。
E,Lonworks开发工具
a,结点开发工具 NodeBuilder
在线仿真器,只能完成结点开发功能，不具备网络功
能。
b,结点和网络安装工具 LonBuilder
主要开发工具，由结点开发器、网络管理器、协议
分析器、报文统计器、案例程序和开发板组成。
c,网络管理工具 LonManage
由一系列软件开发包和接口卡组成。
d,LNS
为用户提供客户机 /服务器网络结构。
F,Lonworks的通信协议
采用 7层 LonTalk通信协议,通过网络变量直接面
向对象进行通信。
?
?
?
?
?
个结点个子网最多有结点
个子网个域最多有辑分组，：一个或多个通道的逻子网
的彼此独立性：保证在不同域中通信域
网络地址
1271:)(
2551)(
)(
N o d e
S u b n e t
D o m a in
4) Lonworks技术和 RS485总线的区别
Lonworks RS485总线
1
现场总线，有完整的控制网络体系，
包括从物理层到应用层以至网络操
作系统的全部内容。
仅仅是网络物理层的一种规
范。
2 支持多介质，如：双绞线、同轴电缆、电力线,光纤、无线、红外等。 不能支持多介质
3 开放性好，不同厂家的产品可在同一网络上协调工作。 不同厂家的产品很难在一个网上工作。
4 支持总线式、星形、自由拓扑等多种拓扑结构。 只支持总线式拓扑结构。
5 网络每段的长度可达 2700米，每网络段可以有 64个节点。 网络每段一般只能达 1000m，且每段只有 32个节点。
Lonworks RS485总线
6
支持域、子网、节点等完整的网络结构。
每个网络的一个域最多支持 32 385个节
点。
很难与此相比。
7
处理器有 3个 CPU，可以处理复杂的网络
通信、应用程序。
处理器只有一个 CPU，
很难处理复杂的网络
通信、应用程序。
8 耐共模干扰的能力强，可以适应恶劣的环境。 抗干扰能力差。
9 对等通信网络，各节点地位均等，无主节点,可靠性高、实时性好。 一般为主从式结构。
10 维护容易，可直接从网络上下装程序。 很难做到这一点。
4) Lonworks在楼宇自动化系统中的应用
智能变送器
工程师站 操作员站 网关
路由器 空调系统
控制器
编程组态
及控制
照明配电系
统控制器
给排水系
统控制器
终端控制
器
网关
变送器
去其它 Lonworks网络 Lonworks
去其它
Internet
Lonworks
(10) BACnet
BACnet(Building Automation and
Control Network)是由美国暖通空调工程师协
会 (ASHRAE)提出和批准的楼宇自动控制通信协议
标准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。
规定了计算机控制器之间所有对话方式。
BACnet规范的是楼宇内机电设备控制器之间
的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、
变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。
1) BACnet结构
2) BACnet数据通信协议
目的：使不同厂商生产的 DDC通过网络可以实现数
据交换。
A,BACnet的 18种标准对象
定义了 18种标准对象类型，通过不同对象的组合，
实现 DDC不同的控制功能，从而实现对 DDC任务的描述。
B,BACnet的 18种标准对象的类型
设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、
事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、
通知对象、程序对象。
对象名称 应用举例 对象名称
模拟输入 (AI) 传感器输入 日历 (Calendar)
模拟输出 (AO) 控制输出 环路 (Loop)
数字输入 (DI) 开关输入 设备 (Device)
数字输出 (DO) 继电器输出 文本 (File)
数字值 (DV) 数字控制系统参数 通知等级
(Notification Class)
模拟值 (AV) 设置的阈值或模拟控制系统参
数
事件登计 (Event
Enrollment)
命令 (Command) 为完成诸如日期设定等待定操
作而向多设备的多对象写多值
多状态输入
(Multi State Input)
时间表
(Schedu1e)
为按时间执行程序定义的日期
列表
多状态输出
(Multi State Output)
组 (Group) 程序 (Program)
C,BACnet的标准属性
a,BACnet定义了 123种标准属性 (对对象的进一步描述 )。
b,每个对象的属性分为 必须 和 可选 两种。
c,BACnet对象必须的属性
对象标识符,标识设备内一个对象,32位编码；
对象名,唯一的设备对象名称，用字符串表示；
对象类型,标识对象类型。
3) BACnet服务功能
用于访问和管理 18种标准对象发出的信息，指定完
成一定的操作，或通知发生了某些事件的手段。
BACnet共定义了 35种服务功能，分为 5大类,
报警和事件服务 (Alarm and Event)；
文件访问服务 (Fi1e Access);
对象访问服务 (Object Access);
远程设备管理服务 (Remote Device Management)；
虚拟终端服务 (Virtual Terminal)。
4) BACnet网络
A,BACnet设备通过局域网传送符合 BACnet标准二进
制码的信息。
B,BACnet采用五种网络技术进行信息数据传送,
Ethernet,ARCnet,MS/TP (主从 /令牌环 )、
PTP(点对点 ),LonTalk。
局域网 标 准 数据速率
Ethernet ISO/IEC 8802-3 10--100 Mbps
ARCnet ATA/ANSI 878.1 0.156--10 Mbps
MS/TPPS ANSI/ASHRAE 135-1995 9.6--78.4 Kbps
LonTalk PROPRIETARY 4.8--1250 Kbps
5) BACnet类别和功能组
A,BACnet的性能级
根据设备的初始化功能和执行功能，性能级分 1-6级，
高的性能级别包含低的性能级别的功能。
B,BACnet的功能组
a,BACnet定义了 13个功能组
时钟、手动工作站、微机工作站、事件发生、事
件回应、数值改变发生、数值改变回应、重新初始化、
虚拟操作者界面、虚拟终端、设备通信、时间控制、
文件。
b,功能组是性能级的补充，低性能级的设备要实现本
性能级不具备的功能，可通过网络通信中的功能组从
系统内获取有关数据来实现该功能，从而使低性能级
设备可通过网络通信实现高性能级功能。
6) 采用 BACnet的楼宇自动化系统
变风量空
调系统
变风量空
调系统
空气处
理单元
1#楼宇
分表
空调监
控系统
保安
系统 BAS
照明
系统
编程
系统
冷热源
系统
给排水
系统
1#楼宇 BACnet协议
路由器 Internet
变风量空
调系统
变风量空
调系统
空气处
理单元
2#楼宇
分表
空调监
控系统
保安
系统 BAS
照明
系统
编程
系统
冷热源
系统
给排水
系统
2#楼宇 BACnet协议
路由器
路由器
工作站 工作站 工作站 数据库服务器
BACnet BACnet
BACnet
7) LonWorks与 BACnet混合应用
计算机
LAN
控
制
器
专
用
网
络
结构 A
计算机
LAN
控
制
器
Lonworks
网络
结构 B
网关
计算机
BACnet
控
制
器
结构 D
网关
BACnet
网络
(需要时
设置 )
Lonworks
网络
计算机
BACnet
控
制
器
Lonworks
网络
结构 C
网关
A,结构 A
已过时，系统不开放，不能实现交互式操作，很难适
应种类繁多的设备检测和控制要求，最终将被淘汰。
B,结构 B
用户不能自由选择。如果用户想对现有系统升级、改
造，或想换用其它厂家的设备，只能用网关的方案。
C,结构 C和结构 D
开始考虑用户的要求，即 互操作性,用户可以在一个
系统中实现不同厂家设备之间的互操作，允许混合配置各
种设备。目前仅限于设备层，价格昂贵，但应用前景好。
（ 11）五种现场总线性能对照表
特性
现场总线类型
FF Profibus HART CAN LonWorks
应用范围 仪表 PLC 智能变送器 汽车 楼宇及工业自动化
OSI网络层次 1,2,7,8 1,2,7 1,2,7 1,2,7 1--7
通信介质
双绞线、电缆、
光纤、无线等
双绞线,
光纤
电源信号线 双绞线、
光纤
双绞线、电力线、
电缆、光纤、无线
介质访问方式 令牌、主从 令牌、主从 令牌、查询 位仲裁 P-P,CSMA
纠错方式 CRC CRC CRC CRC CRC
通信速率 Mbps 2.5 1.2 1.2 1 1.25
最大节点数 32 128 15 110 248
优先级 有 有 有 有 有
保密性 — — — — 身份认证
本安性 是 是 是 是 是
开发工具 有 有 — 有 有
