第七章 分散型测控网络技术
数据通信技术
?基本概念
－两种通讯方式：
①并行通讯：数据的各位同时传送，传送速度
高，距离短。
②串行通讯：数据一位一位顺序传送，传送速
度低，传送距离长，几十至几千米。
?串行通讯分为两种传送方式：
①异步传送：依靠标志位进行通讯控制，一次
只传送一个字节。
②同步传送：依靠时针进行通讯可控制，一次
传送大量字节。
?四种数字编码方式：
①不归零码：码元间没有间隔，很难判定一位
的结束与另一位的开始，同步困难。
②归零码：每一位中间有一个跳变，作为同步
时钟及数据。又称自同步编码。
③曼彻斯特编码：同上，但只有两个电平状态。
④差动曼彻斯特编码：每位开始有无跳变来表
示 0或 1，电压有变化表示 0，无变化表示 1。
?平衡和不平衡传输
－不平衡方式：用单线传输信号，以地线作为信
号的回路，接收器是用单线输入信号的，抗干扰能
力差。
－平衡方式：用双绞线传输信号，信号在双绞线
中自成回路不通过地线，接收器以双端差动方式输
入信号，抗干扰能力强。
?
?不平衡传输方式 --RS-232C标准
特性：－单端，双极性电压供电；
－每个信号一根导线，双向共用一个地线；
－不平衡的发送器和接收器，易被干扰；
－传输速率 20Kbps，距离 15米；
－连接器有 25插针,9插针等设计方案。
?平衡传输方式 --RS-422A标准
特性：－平衡，双极性电压供电；
－平衡驱动和差分接收方式，取消地线；
－抗干扰能力强；
－传输速率高，距离远；
－连接器采用 9插针方案。
??平衡传输方式 --RS-485标准
特性：－是 RS-422的变形
－与 RS-422的区别：
RS-422,两对平衡差分电路，全双工；
RS-485,一对平衡差分电路，半双工；
－允许 32台驱动器和 32台接收器并联。
?串行通讯方式标准的比较
?RS-485标准组成的多点互连系统
?
?
?
?RS-422/485互连组成环形数据链路系统
?
?RS-232C/422A接口转换及其装置
工业网络技术
? 网络拓扑结构：网络中互连的节点或站之间的
物理连接结构。
－星形结构
－环形结构
－总线形
－树形
? 介质访问控制技术 (MAC)：解决信道（公共传
输通道 )的分配和使用。
(1) 冲突检测载波侦听多路访问（ CSMA/CD） -
-适用于总线形
原理：结点发送信息时，首先要侦听网络中
有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发
送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开
始发送。
（ 2）令牌环（ Token Ring)--适用于环网
令牌－控制标志，网络中只设一张令牌，并依
次沿各结点传送，它有两个状态
－ "空 "状态：表示令牌没有被占用，当其传
至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，
并置令牌为 "忙 "状态。
－, 忙, 状态：表示令牌被占用，即令牌正
在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发
送结点将, 忙, 令牌置为, 空, 令牌。
（ 3）令牌总线 (Token Passing Bus) --适用于总线形
式或树型
原理：把总线形传输介质的各个结点形成一
个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控
制方式类似于令牌环。
? 3种介质访问控制技术的比较
? 信息交换技术
（ 1）线路交换：在两个站之间建立一条专用的物理线
路进行数据传送，传送结束再, 拆除, 线路。
（ 2）报文交换：把目的站名附加在报文上，然后交给
下一结点，该结点接收整个报文，存储下来，根据目
的选择下一转发结点，直到目的站。
（ 3）分组交换：将报文分成若干分组，并在每个分组
上附加控制信息，这些报文经不同的路径分别传送到
目的站后，再组成一个完整报文。
? 差错控制
－校验：奇偶校验、循环冗余 --CRC校验。
－纠错方式：重发纠错、自动纠错、混合纠错。
??网络协议及其层次结构
分层的好处：修改某层不会影响整个系统。
ISO的 7层开放系统互连参考模型 OSI。
－ 1.物理层
功能：在信道上传输未经处理的信息。
内容：对机械、电气、连接规程进行规定。
协议,RS-232C,RS-485,Ethernet等。
－ 2.数据链路层
功能：将有差错的物理链路改造成对于网络层
来说是无差错的传输链路。
内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验传
输的正确性。
协议,SDLC,802.2等。
－ 3.网络层
功能：在网络中传输分组。
内容：控制信息交换、路由选择。
协议,X.25协议,IP协议。
－ 4.传送（传输）层
功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并保
证这些数据正确到达另一端。
内容：控制端到端的数据完整性。
协议,TCP协议等
－ 5.会话层
功能：控制建立或结束一个通信会话的进程。
内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生。
并利用校验点，使会话在通信失效时从校验点恢复通信 ；
或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。
协议,HTTP,SMTP(简单邮件文件传输）等。
－ 6.表示层
功能：实现不同信息格式和编码之间的转换。
内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式
的转换；输入输出格式的转换。
例如,HTML语言
7.应用层
功能：规定允许的报文集合，及每个报文所采
取的动作。
内容：解决数据传输完整性问题或发送 /接收
设备的速度不匹配的问题。
例如,IE浏览器。
?OSI模型和各协议的对照
?IEEE 802标准
－ 1981年提出，描述了物理层，并为数据链路
层划分了两个子层。
－ IEEE 802标准与 OSI模型的关系
－ IEEE 802标准规定各层的功能
物理层：数据的封装 /拆封、数据的发送 /接收，
并通过介质存取部件收发数据信号。
介质存取控制层：介质存取，支持 CSMA/CD、
Token Bus,Token Ring 。
逻辑链路控制层：寻址、排序、差错控制等功
能。
?工业网络的性能评价和选型
－工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。
－令牌环与令牌总线的性能比较：
传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；
总线形是多点连接，传输效率低。 总线上形成的逻
辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。
吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。
令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介
质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工
作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。
稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。
确定性：两种控制结构的确定性相同。
?工业网络的性能评价和选型
－工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。
－令牌环与令牌总线的性能比较：
传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；
总线形是多点连接，传输效率低。 总线上形成的逻
辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。
吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。
令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介
质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工
作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。
稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。
确定性：两种控制结构的确定性相同。
?工业网络的选型
1.大型系统采用 -分散型控制 DCS模式，分三级：
－分散过程控制级：
特征：各单元间横向联系少，数据量小，数据
包短，地理分布区域小。
选型：令牌总线、主从总线或星形结构
－集中操作监控级
特征：数据处理量大，数据包长，横向联系多；
选型：令牌总线
－综合信息管理级
特征：该级数据多且传输量大，系统按功能横
向分布，地域范围广。
适合选型：令牌环结构。
2,中小型系统的工业网络选型
－若只有集中操作监控级和分散过程控制级，两
级均使用令牌总线，或监控级选用令牌环。
－老企业技术改造：星形结构。
微机计算机控制技术 第十七讲
第七章 分散型测控网络技术
分散型控制系统 (DCS)
?分散型控制系统 (DCS)－分布式、集散式。
原则：分散控制、集中操作、综合管理、分而
自治。
综合 4C技术：计算机，控制，通讯，显示。
发展趋势：以计算机集成制造系统（ CIMS）为
目标，应用新的控制方法、现场总线智能化仪表、
专家系统、局域网络等，实现过程控制自动化与
信息管理自动化结合的管控一体化综合集成系统。
?DCS的三级体系结构：分散过程控制级
集中操作监控级
综合信息管理级
（ 1）分散过程控制级（面向生产过程）
功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等
功能。
装置：现场控制站（工业控制机）
可编程序控制器（ PLC）
智能调节器
其它测控装置
（ 2）集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）
功能：以操作监视位主要任务，兼有部分管
理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对
生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评
估。
组成：监控计算机
工程师显示操作站
操作员显示操作站
（ 3）综合信息管理级
功能：实现整个企业的综合信息管理。
组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂
自动化服务系统，应用了 MIS系统。
? DCS的特点：
－硬件积木化
－软件模块化
－控制系统组态
－应用通讯网络
－可靠性高
现场总线（ Fieldbus)技术
?概念
－现场总线：连接工业过程现场设备和控制系
统的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。
－现场总线控制系统 (FCS)：现场总线和现场设
备组成的控制系统。
?现场总线结构体系及其特点
(1) 采用现场通信网络
现场总线把通信延伸到生产现场及设备。
FCS
(2)现场设备通过一对传输线互连
现场设备：变送器、执行器、服务器和网桥、
辅助设备、监控设备。
(3)产品实现互操作
基于同一总线标准的不同品牌产品可以统一
组态，实现, 即接即用, 。
(4)功能块分散化
FCS去除了 DCS的 I/O单元和控制站，将 DCS
功能块分散到现场设备中，构成虚拟控制站。
－虚拟控制站的优点：可以灵活选用各种功能块，
实现所需的控制系统，实现彻底的分散控制。
例：流量控制回路。
(5)采用通信线供电
用于低功耗现场仪表。
(6)开放式互连网络
现场总线标准一般参照 OSI模型设计，是开放
行的互连网络，可与同层或不同层互连。
?FCS与 DCS的比较
－ 模拟仪表和 DCS的缺点：
（ 1）信息集成能力不强,容易导致失控,控制器
与现场设备之间靠 I/O连线连接，传送 4-20mA模拟
量信号或 24VDC等开关量信号，获取信息量有限，
导致 信息集成能力不强。
（ 2） 互操作性差。 不同厂家产品之间缺乏互操作
性、互换性 。
（ 3）可靠性 差,对于大范围的分布式系统，大量
的 I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系
统的不可靠性。
（ 4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，
现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。
另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修
改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
?FCS的优点：
（ 1）增强了现场级信息集成能力,可 从现场设备
获取大量丰富信息，满足 CIMS系统的信息集成要
求。现场总线还可实现设备状态、故障、参数信息
传送, 完成远程参数化工作。
（ 2）开放式、互操作性、互换性、可集成性 强：
产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互
换性，因此设备具有很好的可集成性。
（ 3）系统可靠性高、可维护性好, 现场总线 控制
系统以 总线方式替代一对一的 I/O连线，减少了由接
线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设
备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场
设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强
了系统的可维护性。
（ 4）降低了系统及工程成本
对大范围、大规模 I/O的分布式系统来说，省
去了大量的电缆,I/O模块及电缆敷设工程费用，降
低了系统及工程成本。
?
工业控制
系统性能
比较
? FF（现场总线基金会）现场总线技术
－ FF由 FIP和 ISP，在 1994年合并而成。
－ FF总线由低速 FF_H1和高速 FF_HSE组成。高
速 H2总线发展计划已取消。
(1)FF_H1：以 OSI参考模型为基础的四层结
构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工
业产生现场设备连接。
(2)FF_HSE：则采用基于 Ethernet(IEEE
802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业
(离散控制 )自动化以及逻辑控制、批处理和高
级控制等场合。
－低速网络 H1：
4层协议：物理层、数据链路层、应用层、
用户层。物理层、数据链路层、应用层参照
OSI的模型的 1,2,7层，并增加了用户层。
其中，应用层由现场总线报文规范 FMS和现
场总线访问子层 FAS组成。
(1)H1物理层
－传输介质：电缆、光纤、无线通信。
－传输速率和距离,31.25Kbps,1900m（加
中继延长 )。
－网络拓扑：总线型、树型、点对点型。
－支持总线供电：
总线上既传送数字信号，又要为现场设备
提供电源能量。数字信号以 31.25Hz的频率调制
到 9－ 32V的直流供电电压上。
该总线供电方式支持本质安全，可在防爆
等环境下使用。
(2)H1数据链路层
－介质访问控制 MAC：采用令牌总线方式，连接
到总线上的站点组成一个逻辑环，站点只有取得令
牌才能发送数据帧。
－逻辑链路控制 LLC：由链路活动调度器 (Link
action sheduler LAS)进行控制，确保了控制系统中的
信息传输的及时性,LAS的功能：
认知新设备并将其加入链路中；
从链路中除去没有响应的设备；
在链路上发布数据链路时间和调度时间；
在调度时间内轮询以缓冲区存储数据的设备；
在调度时间之间优先级驱动的令牌给某设备。
(3)H1应用层
－由现场总线访问子层 FAS和现场总线报文
规范 FMS组成，
－现场总线访问子层 FAS：处于 FMS和 DLL
之间，提供三类服务：发布 /索取、客户机 /服
务器、报告分发，这些服务称为虚拟通信关系
VCR。
－现场总线报文规范 FMS：规定了访问应用
进程 AP的报文格式及服务。 FMS通过调用 VCR
在现场设备之间传递报文。
(4)H1用户层
－规定标准的功能块供用户组态成系统。
－基本功能块：
模拟量输入 AI；
模拟量输出 AO；
开关输入 DI；
开关输出 DO等
控制选择 CS；
P,PD控制；
PID,PI,I控制等
－高速网络 HSE：
6层协议：物理层、数据链路层、网络层、
传输层、应用层、用户层。物理层、数据链路
层、应用层参照 OSI的模型的 1,2,3,4,7层，
并增加了用户层。
(1) HSE物理层：
IEEE 802.3u，支持高速以太网，从 100M/s
到 1.0G/s或更高。
(2)数据链路层：
CSMA/CD介质访问控制协议。
(3)网络层、传输层,TCP/IP
(4)应用层
在 HSE中称为现场设备访问层 FDA，包括了
套接字映射协议机制、应用关系,FDA服务协
议机制、虚拟通信关系 VCR等通信实体。
功能就是：根据用户层应用程序的需要，
向用户层提供 3种协议规定的服务,FMS服务、
SM服务和冗余服务。
(5)用户层
包括功能块应用进程、系统管理、通信栈网
络管理等实体。系统管理和网络管理负责 HSE
系统和通信栈的运行和通信管理；不同设备的
功能块应用进程利用通信栈进行相互通信、调
用，以完成特定的功能。
微机计算机控制技术 第十八讲
第七章 分散型测控网络技术
几种现场总线介绍
LonWorks现场总线
? LonWorks的发布,1992年，美国埃施朗
(Echelon)公司。
? 在国内的主要应用场合：数字化智能社区、智
能建筑等。
－涉及内容：暖通、空调、照明、给排水、供
配电、电梯，以及保安门禁、火灾报警等的监
测控制。
?楼宇控制的相关内容
?
?
?
?
?
?
HVAC（ Heating Ventilating and Air Conditioning）
采暖、通风和空调
?LonWorks的核心 LonTalk协议
－ LonTalk协议的特点：遵循由国际标准化组织
ISO定义的开放系统互连 OSI 模型，提供 OSI参
考模型所定义的全部七层服务。
－ LonTalk协议固化在每一个 LonWorks设备的神经
元芯片中或片外存储器中,1999年发布了该协议
的参考代码。
－ LonTalk协议的特点：
(1) LonTalk协议的物理层：
支持多种传输介质
不同的介质通过路由器实现互联；
支持总线型、环型、树型等拓扑结构；
(2) LonTalk协议的数据链路层：
采用改进的带预测的 P-Persistent CSMA/CD
算法，减少冲突的出现，提高传输效率。
支持优先级。
(3) LonTalk协议的网络层
网络地址采用域（ 255个子网）、子网
（ 127个节点）、节点三层结构支持大网络。
每个神经元芯片有唯一的 48位 ID地址。
(4) LonTalk协议的传送层、会话层：
－四类报文服务，并支持网络认证：
应答方式或端对端的应答服务；
请求 /响应方式；
非应答重发方式；
非应答方式
(5) LonTalk协议的表示层
采用网络变量作表示层数据，简化分布式
应用的编程。
(6) LonTalk协议的应用层：
用 Neuron C语言在神经元芯片中编程。
?LonWorks的神经元芯片（ NeuronChip ）
－芯片内有 3 个 8位 CPU，使用 CMOS CLSI 技术
高度集成，集采集、控制于一体：
第 1个 CPU为介质访问控制 MAC处理器，
处理 LonTalk协议的第一层和第二层；
第 2个 CPU为网络处理器，处理
LonTalk协议的第三层到第六层；
第 3个 CPU为应用处理器，它执行用户
编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。
－ LonWorks网络上的装置都必须有 1个神经元
芯片。
?LonTalk的 6层已经在购买的神经元芯片中完成，
用户只需编写应用程序。
?LonWorks的发展趋势
－ LonWorks已经发展到第三代，采用了电力载
波通信技术，具有了远程抄表、信息化家电的应用
前景。
－采用了 LNS 网络管理操作系统，实现了与 IP
网络的无缝连接。
－应用场合向工业自动化扩展。
PROFIBUS现场总线技术
?PROFIBUS是九十年代初制定的德国国家工业现
场总线协议标准 EN50170,于 1996年得到欧洲所
有国家标准化机构的认可。
?应用领域：制造业自动化、流程工业自动化和楼
宇、交通、电力等其他领域自动化。
?PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和
现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
?中国市场占有率第一的现场总线技术。
PROFIBUS现场总线技术
?PROFIBUS是九十年代初制定的德国国家工业现
场总线协议标准 EN50170,于 1996年得到欧洲所
有国家标准化机构的认可。
?应用领域：制造业自动化、流程工业自动化和楼
宇、交通、电力等其他领域自动化。
?PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和
现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
?中国市场占有率第一的现场总线技术。
PROFIBUS由三个兼容部分组成：
(1) PROFIBUS-DP（ Decentralized Periphery）：
是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与
分散式 I/O的通信。可取代办 24VDC或 4-20mA信
号传输。
(2) PROFIBUS-PA(Process Automation)：专为
过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一
根总线上，并有本征安全规范。
(3) PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message
Specification)：用于车间级监控网络，是一个令牌
结构、实时多主网络。
? PROFIBUS的三部分：
? PROFIBUS协议结构：符合 OSI模型
－ PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层
包括现场总线信息规范（ Fieldbus Message
Specification-FMS）和低层接口（ Lower Layer
Interface-LLI）
FMS：向用户提供了可选用的通信服务。
LLI：协调通信关系，提供第二层访问接口
－ PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。用
户接口规定了设备可调用的应用功能，并详细说明设
备行为。
－ PROFIBUS-PA,PA的数据传输采用扩展的
PROFIBUS-DP协议。支持本征安全性和总线供
电。
? PROFIBUS三种类型的物理层：
－ RS485：适用于 DP和 FMS；
－光纤 FO：适用于 DP和 FMS；
－ IEC1158-2,适用于 PA。
(1) RS-485
称之为 H2，采用屏蔽双绞铜线；
传输速率,9.6K bit/s~12M bit/s；
站点数：每分段 32个站（不带中继），可
多到 127个站（带中继）。
(2) 光纤 FO
在电磁干扰很大的环境下应用，采用专用
总线插头转换 RS-485信号和光纤导体信号。
(3) IEC1158-2
支持本征安全和总线供电；
传送数据以 31.25K bit/s调制供电电压；
采用藕合器将 IEC1158-2与 RS-485连接。
?PROFIBUS的数据链路层
－ DP,FMS,PA的数据链路层相同
－采用主从结构，主站之间采用令牌传送方式，
主站与从站之间采用主从传送方式。
? PROFIBUS技术的发展
－重点发展 PROFIBUS-DP,-PA,放弃 FMS，发
展综合以太网技术、允许集成 PROFIBUS 和其
他现场总线技术的 PROFInet技术。
DeviceNet 现场总线技术
?DeviceNet技术属, 开放 DeviceNet厂商协
会, ODVA组织，该组织拥有罗克韦尔自动化、
ABB、欧姆龙等 300多家著名自动化设备厂商会员。
?DeviceNet是从 CAN（ Controller Area Network） 总
线的基础上发展得到 。
?DeviceNet是用于连接工业设备 (如：限位开关,
光电传感器, 阀门, 电动机启动器, 过程传感器,
条型码读入器, 变频器, 屏幕显示和操作界面等 )
与网络的现场总线, 其特点是低成本, 开发容易,
支持的厂家多 。
?DeviceNet在 罗克韦尔工业网络中的地位
－罗克韦尔工业网络由三层网络构成：信息层、
控制层、设备层，分别对应以太网 (EtherNet)、控
制网 (ControlNet)和设备网 (DeviceNet)。
(1)信息层 (EtherNet)－工业网络的最高层,对现场
采集到的数据和信息进行处理和管理。
(2)控制层 (ControlNet) －面向操作人员：完成处
理器与处理器之间的信息交流, 处理器与输入 /输
出接口之间的信息交流 。
(3)设备层 (DeviceNet) －面向现场设备, 是工业
网络的最低层：将操作信息送到现场设备,并将现
场设备的情况反馈到操作者 。
??DeviceNet协议
－沿用了 CAN协议标准所规定的总线网络的物理层
和数据链路层, 定义了不同的报文格式, 总线访问
仲裁规则及故障检测和故障隔离的方法 。
?DeviceNet协议的物理层
－介质使用电缆, 包括粗缆 (干线 )和细缆 (分支线 )。
－可采用五线制电缆, 包括了 2条信号线, 2条 24V电
源线和一条屏蔽线, 支持总线供电, 总线提供的电
源为 8安培 。
－提供 125/250/500Kbps三种可选的通讯波特率, 最
大拓扑距离为 500米, 每个网络段最大可达 64个节
点 。。
?DeviceNet协议的数据链路层
－遵循 CAN协议规范, 并由 CAN控制器芯片实现 。
－ CAN是基于广播方式的协议, 支持多主形式传输 。
传输的帧被分配一个标识符, 每个节点根据标识符
确定是否接收这些帧 。
－提供数据帧, 出错帧, 远程帧和过载帧等多种帧
格式 。
－采用非破坏性逐位仲裁 （ NBA） 的方法解决共享
介质总线访问冲突问题 。 网络上每个节点拥有一个
唯一的标识符, 这个标识符的值决定了仲裁中优先
级的大小, 优先级值小的节点在竞争仲裁中为获胜
的一方 。
?DeviceNet协议的应用层
－ DeviceNet使用了对象的概念来描述应用层的协议,
对象模型提供了 DeviceNet产品的属性, 服务和行为 。
微机计算机控制技术 第 19讲
计算机控制系统的设计既是一个理论问题,也是
一个工程问题。本章主要介绍计算机系统设计的
原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、
计算机控制系统的设计举例。
第八章 计算机控制系统设计与实现
8.1 系统的设计原则与步骤
8.1.1 系统设计的原则
1 安全可靠
2 操作维护方便
3 实时性强
4 通用性好
5 经济效益高
6
计算机控制系统的工程项目的研制可分为
四个阶段：
1.工程项目与控制任务的确定阶段
(1)甲方提出任务委托书
(2)乙方研究任务委托书
(3) 双方对委托书进行修改
(4)乙方初步进行系统总体方案设计
(5) 乙方进行方案可行性论证
(6)签订合同书
8.1.2 系统设计的步骤
(1) 组建项目研制小组
(2)制定系统的总体方案
(3)方案的论证与送审
(4)硬件与软件的分别细化设计
(5)硬件和软件的分别调试
(6)系统的组装
2.工程项目与控制任务的确定阶段
3,离线仿真和调试阶段
在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。
离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连
续不停机的运行中暴露问题和解决问题
4,在线调试和运行阶段
即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调
试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收
是系统项目最终完成的标志
8.2 系统的工程设计与实现
8.2.1 系统总体方案设计
1,硬件总体方案设计
(1) 确定系统的结构和类型
(2) 确定系统的构成方式
(3) 现场设备选择
(4) 其它方面的考虑
2,软件总体方案设计
3,系统总体方案
(1) 系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明
(2) 控制策略和控制算法
(3) 系统硬件结构及配置
(4) 方案比较和选择
(5) 保证性能指标要求的技术措施
(6) 抗干扰和可靠性设计
(7) 机柜或机箱的结构设计
(8) 经费和进度计划的安排
8.2.2 硬件工程的设计与实现
1,选择系统的总线和主机类型
(1)选择系统的总线
包括内总线和外总线选择
(2)选择主机机型
2,选择输入输出通道模板
(1)数字量（开关量）输入输出 (DI/DO)模板
(2)模拟量输入输出 (AI/AO)模板
3,选择变送器和执行机构
(1)选择变送器
(2)选择执行机构
8.2.3 系统总体方案设计
1,数据类型和数据结构规划
2,资源分配
3,实时控制软件设计
包括数据采集及数据处理程序、控制算法程序、
控制量输出程序和实时时钟、中断处理程序
、数据管理程序和数据通信程序
8.2.4 系统的调试与运行
1,离线仿真和调试
2,在线调试和运行
在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗
干扰和接地情况以及安全防护措施进行检查。经
检查并安装正确之后，就可以进行系统的投运和
参数整定。
8.3 计算机控制系统设计举例
以啤酒发酵过程计算机控制系统为例
8.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
要求控制发酵罐按下图的工艺曲线运行
8.3.2系统总体方案设计
1,发酵罐测控点分布及管线结构
2,检测装置和执行机构
温度检测采用 WZP-231铂热电阻和 RTTB-EKT温度变
送器；压力检测采用 CECY-150G电容式压力变送器；液
位检测采用 CECU-341G电容式液位变送器
执行机构采用 ZDLP-6B电动调节阀
3,控制规律
在恒温阶段采用增量型 PI控制算法，在升温、降温阶
段采用 PID控制算法，在控制软件设计中提供了 Smith
预估控制算法
4,控制系统主机及过程通道模板
控制主机选用康拓 IPC-8500工业控制机
过程通道模板选用康拓 IPC-5488 12位光电隔离板
5,控制系统软件
包括采样、滤波、标度变换、控制输出、中断、计时、
打印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等
功能
8.3.3 系统硬体和软件设计
1,硬件设计
2,软件设计
(1)数据采集程序
(2)数字滤波程序
(3)标度变换程序
(4)给定工艺曲线的实时插补计算
(5)控制算法
(6)其它应用程序
8.3.4 系统的安装调试运行及控制效果 ·
系统投入运行之后，满足了系统的控制要求。
该系统操作简便，使用维护方便，性能可靠；采用
微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，消
除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析。
数据通信技术
?基本概念
－两种通讯方式：
①并行通讯：数据的各位同时传送，传送速度
高，距离短。
②串行通讯：数据一位一位顺序传送，传送速
度低，传送距离长，几十至几千米。
?串行通讯分为两种传送方式：
①异步传送：依靠标志位进行通讯控制，一次
只传送一个字节。
②同步传送：依靠时针进行通讯可控制，一次
传送大量字节。
?四种数字编码方式：
①不归零码：码元间没有间隔，很难判定一位
的结束与另一位的开始，同步困难。
②归零码：每一位中间有一个跳变，作为同步
时钟及数据。又称自同步编码。
③曼彻斯特编码：同上，但只有两个电平状态。
④差动曼彻斯特编码：每位开始有无跳变来表
示 0或 1，电压有变化表示 0，无变化表示 1。
?平衡和不平衡传输
－不平衡方式：用单线传输信号，以地线作为信
号的回路，接收器是用单线输入信号的，抗干扰能
力差。
－平衡方式：用双绞线传输信号，信号在双绞线
中自成回路不通过地线，接收器以双端差动方式输
入信号，抗干扰能力强。
?
?不平衡传输方式 --RS-232C标准
特性：－单端，双极性电压供电；
－每个信号一根导线，双向共用一个地线；
－不平衡的发送器和接收器，易被干扰；
－传输速率 20Kbps，距离 15米；
－连接器有 25插针,9插针等设计方案。
?平衡传输方式 --RS-422A标准
特性：－平衡，双极性电压供电；
－平衡驱动和差分接收方式，取消地线；
－抗干扰能力强；
－传输速率高，距离远；
－连接器采用 9插针方案。
??平衡传输方式 --RS-485标准
特性：－是 RS-422的变形
－与 RS-422的区别：
RS-422,两对平衡差分电路，全双工；
RS-485,一对平衡差分电路，半双工；
－允许 32台驱动器和 32台接收器并联。
?串行通讯方式标准的比较
?RS-485标准组成的多点互连系统
?
?
?
?RS-422/485互连组成环形数据链路系统
?
?RS-232C/422A接口转换及其装置
工业网络技术
? 网络拓扑结构：网络中互连的节点或站之间的
物理连接结构。
－星形结构
－环形结构
－总线形
－树形
? 介质访问控制技术 (MAC)：解决信道（公共传
输通道 )的分配和使用。
(1) 冲突检测载波侦听多路访问（ CSMA/CD） -
-适用于总线形
原理：结点发送信息时，首先要侦听网络中
有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发
送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开
始发送。
（ 2）令牌环（ Token Ring)--适用于环网
令牌－控制标志，网络中只设一张令牌，并依
次沿各结点传送，它有两个状态
－ "空 "状态：表示令牌没有被占用，当其传
至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，
并置令牌为 "忙 "状态。
－, 忙, 状态：表示令牌被占用，即令牌正
在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发
送结点将, 忙, 令牌置为, 空, 令牌。
（ 3）令牌总线 (Token Passing Bus) --适用于总线形
式或树型
原理：把总线形传输介质的各个结点形成一
个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控
制方式类似于令牌环。
? 3种介质访问控制技术的比较
? 信息交换技术
（ 1）线路交换：在两个站之间建立一条专用的物理线
路进行数据传送，传送结束再, 拆除, 线路。
（ 2）报文交换：把目的站名附加在报文上，然后交给
下一结点，该结点接收整个报文，存储下来，根据目
的选择下一转发结点，直到目的站。
（ 3）分组交换：将报文分成若干分组，并在每个分组
上附加控制信息，这些报文经不同的路径分别传送到
目的站后，再组成一个完整报文。
? 差错控制
－校验：奇偶校验、循环冗余 --CRC校验。
－纠错方式：重发纠错、自动纠错、混合纠错。
??网络协议及其层次结构
分层的好处：修改某层不会影响整个系统。
ISO的 7层开放系统互连参考模型 OSI。
－ 1.物理层
功能：在信道上传输未经处理的信息。
内容：对机械、电气、连接规程进行规定。
协议,RS-232C,RS-485,Ethernet等。
－ 2.数据链路层
功能：将有差错的物理链路改造成对于网络层
来说是无差错的传输链路。
内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验传
输的正确性。
协议,SDLC,802.2等。
－ 3.网络层
功能：在网络中传输分组。
内容：控制信息交换、路由选择。
协议,X.25协议,IP协议。
－ 4.传送（传输）层
功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并保
证这些数据正确到达另一端。
内容：控制端到端的数据完整性。
协议,TCP协议等
－ 5.会话层
功能：控制建立或结束一个通信会话的进程。
内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生。
并利用校验点，使会话在通信失效时从校验点恢复通信 ；
或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。
协议,HTTP,SMTP(简单邮件文件传输）等。
－ 6.表示层
功能：实现不同信息格式和编码之间的转换。
内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式
的转换；输入输出格式的转换。
例如,HTML语言
7.应用层
功能：规定允许的报文集合，及每个报文所采
取的动作。
内容：解决数据传输完整性问题或发送 /接收
设备的速度不匹配的问题。
例如,IE浏览器。
?OSI模型和各协议的对照
?IEEE 802标准
－ 1981年提出，描述了物理层，并为数据链路
层划分了两个子层。
－ IEEE 802标准与 OSI模型的关系
－ IEEE 802标准规定各层的功能
物理层：数据的封装 /拆封、数据的发送 /接收，
并通过介质存取部件收发数据信号。
介质存取控制层：介质存取，支持 CSMA/CD、
Token Bus,Token Ring 。
逻辑链路控制层：寻址、排序、差错控制等功
能。
?工业网络的性能评价和选型
－工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。
－令牌环与令牌总线的性能比较：
传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；
总线形是多点连接，传输效率低。 总线上形成的逻
辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。
吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。
令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介
质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工
作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。
稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。
确定性：两种控制结构的确定性相同。
?工业网络的性能评价和选型
－工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。
－令牌环与令牌总线的性能比较：
传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；
总线形是多点连接，传输效率低。 总线上形成的逻
辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。
吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线。
令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介
质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工
作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。
稳定性：令牌环的稳定性较令牌总线好。
确定性：两种控制结构的确定性相同。
?工业网络的选型
1.大型系统采用 -分散型控制 DCS模式，分三级：
－分散过程控制级：
特征：各单元间横向联系少，数据量小，数据
包短，地理分布区域小。
选型：令牌总线、主从总线或星形结构
－集中操作监控级
特征：数据处理量大，数据包长，横向联系多；
选型：令牌总线
－综合信息管理级
特征：该级数据多且传输量大，系统按功能横
向分布，地域范围广。
适合选型：令牌环结构。
2,中小型系统的工业网络选型
－若只有集中操作监控级和分散过程控制级，两
级均使用令牌总线，或监控级选用令牌环。
－老企业技术改造：星形结构。
微机计算机控制技术 第十七讲
第七章 分散型测控网络技术
分散型控制系统 (DCS)
?分散型控制系统 (DCS)－分布式、集散式。
原则：分散控制、集中操作、综合管理、分而
自治。
综合 4C技术：计算机，控制，通讯，显示。
发展趋势：以计算机集成制造系统（ CIMS）为
目标，应用新的控制方法、现场总线智能化仪表、
专家系统、局域网络等，实现过程控制自动化与
信息管理自动化结合的管控一体化综合集成系统。
?DCS的三级体系结构：分散过程控制级
集中操作监控级
综合信息管理级
（ 1）分散过程控制级（面向生产过程）
功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等
功能。
装置：现场控制站（工业控制机）
可编程序控制器（ PLC）
智能调节器
其它测控装置
（ 2）集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）
功能：以操作监视位主要任务，兼有部分管
理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对
生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评
估。
组成：监控计算机
工程师显示操作站
操作员显示操作站
（ 3）综合信息管理级
功能：实现整个企业的综合信息管理。
组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂
自动化服务系统，应用了 MIS系统。
? DCS的特点：
－硬件积木化
－软件模块化
－控制系统组态
－应用通讯网络
－可靠性高
现场总线（ Fieldbus)技术
?概念
－现场总线：连接工业过程现场设备和控制系
统的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。
－现场总线控制系统 (FCS)：现场总线和现场设
备组成的控制系统。
?现场总线结构体系及其特点
(1) 采用现场通信网络
现场总线把通信延伸到生产现场及设备。
FCS
(2)现场设备通过一对传输线互连
现场设备：变送器、执行器、服务器和网桥、
辅助设备、监控设备。
(3)产品实现互操作
基于同一总线标准的不同品牌产品可以统一
组态，实现, 即接即用, 。
(4)功能块分散化
FCS去除了 DCS的 I/O单元和控制站，将 DCS
功能块分散到现场设备中，构成虚拟控制站。
－虚拟控制站的优点：可以灵活选用各种功能块，
实现所需的控制系统，实现彻底的分散控制。
例：流量控制回路。
(5)采用通信线供电
用于低功耗现场仪表。
(6)开放式互连网络
现场总线标准一般参照 OSI模型设计，是开放
行的互连网络，可与同层或不同层互连。
?FCS与 DCS的比较
－ 模拟仪表和 DCS的缺点：
（ 1）信息集成能力不强,容易导致失控,控制器
与现场设备之间靠 I/O连线连接，传送 4-20mA模拟
量信号或 24VDC等开关量信号，获取信息量有限，
导致 信息集成能力不强。
（ 2） 互操作性差。 不同厂家产品之间缺乏互操作
性、互换性 。
（ 3）可靠性 差,对于大范围的分布式系统，大量
的 I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系
统的不可靠性。
（ 4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，
现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。
另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修
改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
?FCS的优点：
（ 1）增强了现场级信息集成能力,可 从现场设备
获取大量丰富信息，满足 CIMS系统的信息集成要
求。现场总线还可实现设备状态、故障、参数信息
传送, 完成远程参数化工作。
（ 2）开放式、互操作性、互换性、可集成性 强：
产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互
换性，因此设备具有很好的可集成性。
（ 3）系统可靠性高、可维护性好, 现场总线 控制
系统以 总线方式替代一对一的 I/O连线，减少了由接
线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设
备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场
设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强
了系统的可维护性。
（ 4）降低了系统及工程成本
对大范围、大规模 I/O的分布式系统来说，省
去了大量的电缆,I/O模块及电缆敷设工程费用，降
低了系统及工程成本。
?
工业控制
系统性能
比较
? FF（现场总线基金会）现场总线技术
－ FF由 FIP和 ISP，在 1994年合并而成。
－ FF总线由低速 FF_H1和高速 FF_HSE组成。高
速 H2总线发展计划已取消。
(1)FF_H1：以 OSI参考模型为基础的四层结
构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工
业产生现场设备连接。
(2)FF_HSE：则采用基于 Ethernet(IEEE
802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业
(离散控制 )自动化以及逻辑控制、批处理和高
级控制等场合。
－低速网络 H1：
4层协议：物理层、数据链路层、应用层、
用户层。物理层、数据链路层、应用层参照
OSI的模型的 1,2,7层，并增加了用户层。
其中，应用层由现场总线报文规范 FMS和现
场总线访问子层 FAS组成。
(1)H1物理层
－传输介质：电缆、光纤、无线通信。
－传输速率和距离,31.25Kbps,1900m（加
中继延长 )。
－网络拓扑：总线型、树型、点对点型。
－支持总线供电：
总线上既传送数字信号，又要为现场设备
提供电源能量。数字信号以 31.25Hz的频率调制
到 9－ 32V的直流供电电压上。
该总线供电方式支持本质安全，可在防爆
等环境下使用。
(2)H1数据链路层
－介质访问控制 MAC：采用令牌总线方式，连接
到总线上的站点组成一个逻辑环，站点只有取得令
牌才能发送数据帧。
－逻辑链路控制 LLC：由链路活动调度器 (Link
action sheduler LAS)进行控制，确保了控制系统中的
信息传输的及时性,LAS的功能：
认知新设备并将其加入链路中；
从链路中除去没有响应的设备；
在链路上发布数据链路时间和调度时间；
在调度时间内轮询以缓冲区存储数据的设备；
在调度时间之间优先级驱动的令牌给某设备。
(3)H1应用层
－由现场总线访问子层 FAS和现场总线报文
规范 FMS组成，
－现场总线访问子层 FAS：处于 FMS和 DLL
之间，提供三类服务：发布 /索取、客户机 /服
务器、报告分发，这些服务称为虚拟通信关系
VCR。
－现场总线报文规范 FMS：规定了访问应用
进程 AP的报文格式及服务。 FMS通过调用 VCR
在现场设备之间传递报文。
(4)H1用户层
－规定标准的功能块供用户组态成系统。
－基本功能块：
模拟量输入 AI；
模拟量输出 AO；
开关输入 DI；
开关输出 DO等
控制选择 CS；
P,PD控制；
PID,PI,I控制等
－高速网络 HSE：
6层协议：物理层、数据链路层、网络层、
传输层、应用层、用户层。物理层、数据链路
层、应用层参照 OSI的模型的 1,2,3,4,7层，
并增加了用户层。
(1) HSE物理层：
IEEE 802.3u，支持高速以太网，从 100M/s
到 1.0G/s或更高。
(2)数据链路层：
CSMA/CD介质访问控制协议。
(3)网络层、传输层,TCP/IP
(4)应用层
在 HSE中称为现场设备访问层 FDA，包括了
套接字映射协议机制、应用关系,FDA服务协
议机制、虚拟通信关系 VCR等通信实体。
功能就是：根据用户层应用程序的需要，
向用户层提供 3种协议规定的服务,FMS服务、
SM服务和冗余服务。
(5)用户层
包括功能块应用进程、系统管理、通信栈网
络管理等实体。系统管理和网络管理负责 HSE
系统和通信栈的运行和通信管理；不同设备的
功能块应用进程利用通信栈进行相互通信、调
用，以完成特定的功能。
微机计算机控制技术 第十八讲
第七章 分散型测控网络技术
几种现场总线介绍
LonWorks现场总线
? LonWorks的发布,1992年，美国埃施朗
(Echelon)公司。
? 在国内的主要应用场合：数字化智能社区、智
能建筑等。
－涉及内容：暖通、空调、照明、给排水、供
配电、电梯，以及保安门禁、火灾报警等的监
测控制。
?楼宇控制的相关内容
?
?
?
?
?
?
HVAC（ Heating Ventilating and Air Conditioning）
采暖、通风和空调
?LonWorks的核心 LonTalk协议
－ LonTalk协议的特点：遵循由国际标准化组织
ISO定义的开放系统互连 OSI 模型，提供 OSI参
考模型所定义的全部七层服务。
－ LonTalk协议固化在每一个 LonWorks设备的神经
元芯片中或片外存储器中,1999年发布了该协议
的参考代码。
－ LonTalk协议的特点：
(1) LonTalk协议的物理层：
支持多种传输介质
不同的介质通过路由器实现互联；
支持总线型、环型、树型等拓扑结构；
(2) LonTalk协议的数据链路层：
采用改进的带预测的 P-Persistent CSMA/CD
算法，减少冲突的出现，提高传输效率。
支持优先级。
(3) LonTalk协议的网络层
网络地址采用域（ 255个子网）、子网
（ 127个节点）、节点三层结构支持大网络。
每个神经元芯片有唯一的 48位 ID地址。
(4) LonTalk协议的传送层、会话层：
－四类报文服务，并支持网络认证：
应答方式或端对端的应答服务；
请求 /响应方式；
非应答重发方式；
非应答方式
(5) LonTalk协议的表示层
采用网络变量作表示层数据，简化分布式
应用的编程。
(6) LonTalk协议的应用层：
用 Neuron C语言在神经元芯片中编程。
?LonWorks的神经元芯片（ NeuronChip ）
－芯片内有 3 个 8位 CPU，使用 CMOS CLSI 技术
高度集成，集采集、控制于一体：
第 1个 CPU为介质访问控制 MAC处理器，
处理 LonTalk协议的第一层和第二层；
第 2个 CPU为网络处理器，处理
LonTalk协议的第三层到第六层；
第 3个 CPU为应用处理器，它执行用户
编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。
－ LonWorks网络上的装置都必须有 1个神经元
芯片。
?LonTalk的 6层已经在购买的神经元芯片中完成，
用户只需编写应用程序。
?LonWorks的发展趋势
－ LonWorks已经发展到第三代，采用了电力载
波通信技术，具有了远程抄表、信息化家电的应用
前景。
－采用了 LNS 网络管理操作系统，实现了与 IP
网络的无缝连接。
－应用场合向工业自动化扩展。
PROFIBUS现场总线技术
?PROFIBUS是九十年代初制定的德国国家工业现
场总线协议标准 EN50170,于 1996年得到欧洲所
有国家标准化机构的认可。
?应用领域：制造业自动化、流程工业自动化和楼
宇、交通、电力等其他领域自动化。
?PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和
现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
?中国市场占有率第一的现场总线技术。
PROFIBUS现场总线技术
?PROFIBUS是九十年代初制定的德国国家工业现
场总线协议标准 EN50170,于 1996年得到欧洲所
有国家标准化机构的认可。
?应用领域：制造业自动化、流程工业自动化和楼
宇、交通、电力等其他领域自动化。
?PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和
现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
?中国市场占有率第一的现场总线技术。
PROFIBUS由三个兼容部分组成：
(1) PROFIBUS-DP（ Decentralized Periphery）：
是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与
分散式 I/O的通信。可取代办 24VDC或 4-20mA信
号传输。
(2) PROFIBUS-PA(Process Automation)：专为
过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一
根总线上，并有本征安全规范。
(3) PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message
Specification)：用于车间级监控网络，是一个令牌
结构、实时多主网络。
? PROFIBUS的三部分：
? PROFIBUS协议结构：符合 OSI模型
－ PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层
包括现场总线信息规范（ Fieldbus Message
Specification-FMS）和低层接口（ Lower Layer
Interface-LLI）
FMS：向用户提供了可选用的通信服务。
LLI：协调通信关系，提供第二层访问接口
－ PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。用
户接口规定了设备可调用的应用功能，并详细说明设
备行为。
－ PROFIBUS-PA,PA的数据传输采用扩展的
PROFIBUS-DP协议。支持本征安全性和总线供
电。
? PROFIBUS三种类型的物理层：
－ RS485：适用于 DP和 FMS；
－光纤 FO：适用于 DP和 FMS；
－ IEC1158-2,适用于 PA。
(1) RS-485
称之为 H2，采用屏蔽双绞铜线；
传输速率,9.6K bit/s~12M bit/s；
站点数：每分段 32个站（不带中继），可
多到 127个站（带中继）。
(2) 光纤 FO
在电磁干扰很大的环境下应用，采用专用
总线插头转换 RS-485信号和光纤导体信号。
(3) IEC1158-2
支持本征安全和总线供电；
传送数据以 31.25K bit/s调制供电电压；
采用藕合器将 IEC1158-2与 RS-485连接。
?PROFIBUS的数据链路层
－ DP,FMS,PA的数据链路层相同
－采用主从结构，主站之间采用令牌传送方式，
主站与从站之间采用主从传送方式。
? PROFIBUS技术的发展
－重点发展 PROFIBUS-DP,-PA,放弃 FMS，发
展综合以太网技术、允许集成 PROFIBUS 和其
他现场总线技术的 PROFInet技术。
DeviceNet 现场总线技术
?DeviceNet技术属, 开放 DeviceNet厂商协
会, ODVA组织，该组织拥有罗克韦尔自动化、
ABB、欧姆龙等 300多家著名自动化设备厂商会员。
?DeviceNet是从 CAN（ Controller Area Network） 总
线的基础上发展得到 。
?DeviceNet是用于连接工业设备 (如：限位开关,
光电传感器, 阀门, 电动机启动器, 过程传感器,
条型码读入器, 变频器, 屏幕显示和操作界面等 )
与网络的现场总线, 其特点是低成本, 开发容易,
支持的厂家多 。
?DeviceNet在 罗克韦尔工业网络中的地位
－罗克韦尔工业网络由三层网络构成：信息层、
控制层、设备层，分别对应以太网 (EtherNet)、控
制网 (ControlNet)和设备网 (DeviceNet)。
(1)信息层 (EtherNet)－工业网络的最高层,对现场
采集到的数据和信息进行处理和管理。
(2)控制层 (ControlNet) －面向操作人员：完成处
理器与处理器之间的信息交流, 处理器与输入 /输
出接口之间的信息交流 。
(3)设备层 (DeviceNet) －面向现场设备, 是工业
网络的最低层：将操作信息送到现场设备,并将现
场设备的情况反馈到操作者 。
??DeviceNet协议
－沿用了 CAN协议标准所规定的总线网络的物理层
和数据链路层, 定义了不同的报文格式, 总线访问
仲裁规则及故障检测和故障隔离的方法 。
?DeviceNet协议的物理层
－介质使用电缆, 包括粗缆 (干线 )和细缆 (分支线 )。
－可采用五线制电缆, 包括了 2条信号线, 2条 24V电
源线和一条屏蔽线, 支持总线供电, 总线提供的电
源为 8安培 。
－提供 125/250/500Kbps三种可选的通讯波特率, 最
大拓扑距离为 500米, 每个网络段最大可达 64个节
点 。。
?DeviceNet协议的数据链路层
－遵循 CAN协议规范, 并由 CAN控制器芯片实现 。
－ CAN是基于广播方式的协议, 支持多主形式传输 。
传输的帧被分配一个标识符, 每个节点根据标识符
确定是否接收这些帧 。
－提供数据帧, 出错帧, 远程帧和过载帧等多种帧
格式 。
－采用非破坏性逐位仲裁 （ NBA） 的方法解决共享
介质总线访问冲突问题 。 网络上每个节点拥有一个
唯一的标识符, 这个标识符的值决定了仲裁中优先
级的大小, 优先级值小的节点在竞争仲裁中为获胜
的一方 。
?DeviceNet协议的应用层
－ DeviceNet使用了对象的概念来描述应用层的协议,
对象模型提供了 DeviceNet产品的属性, 服务和行为 。
微机计算机控制技术 第 19讲
计算机控制系统的设计既是一个理论问题,也是
一个工程问题。本章主要介绍计算机系统设计的
原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、
计算机控制系统的设计举例。
第八章 计算机控制系统设计与实现
8.1 系统的设计原则与步骤
8.1.1 系统设计的原则
1 安全可靠
2 操作维护方便
3 实时性强
4 通用性好
5 经济效益高
6
计算机控制系统的工程项目的研制可分为
四个阶段：
1.工程项目与控制任务的确定阶段
(1)甲方提出任务委托书
(2)乙方研究任务委托书
(3) 双方对委托书进行修改
(4)乙方初步进行系统总体方案设计
(5) 乙方进行方案可行性论证
(6)签订合同书
8.1.2 系统设计的步骤
(1) 组建项目研制小组
(2)制定系统的总体方案
(3)方案的论证与送审
(4)硬件与软件的分别细化设计
(5)硬件和软件的分别调试
(6)系统的组装
2.工程项目与控制任务的确定阶段
3,离线仿真和调试阶段
在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。
离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连
续不停机的运行中暴露问题和解决问题
4,在线调试和运行阶段
即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调
试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收
是系统项目最终完成的标志
8.2 系统的工程设计与实现
8.2.1 系统总体方案设计
1,硬件总体方案设计
(1) 确定系统的结构和类型
(2) 确定系统的构成方式
(3) 现场设备选择
(4) 其它方面的考虑
2,软件总体方案设计
3,系统总体方案
(1) 系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明
(2) 控制策略和控制算法
(3) 系统硬件结构及配置
(4) 方案比较和选择
(5) 保证性能指标要求的技术措施
(6) 抗干扰和可靠性设计
(7) 机柜或机箱的结构设计
(8) 经费和进度计划的安排
8.2.2 硬件工程的设计与实现
1,选择系统的总线和主机类型
(1)选择系统的总线
包括内总线和外总线选择
(2)选择主机机型
2,选择输入输出通道模板
(1)数字量（开关量）输入输出 (DI/DO)模板
(2)模拟量输入输出 (AI/AO)模板
3,选择变送器和执行机构
(1)选择变送器
(2)选择执行机构
8.2.3 系统总体方案设计
1,数据类型和数据结构规划
2,资源分配
3,实时控制软件设计
包括数据采集及数据处理程序、控制算法程序、
控制量输出程序和实时时钟、中断处理程序
、数据管理程序和数据通信程序
8.2.4 系统的调试与运行
1,离线仿真和调试
2,在线调试和运行
在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗
干扰和接地情况以及安全防护措施进行检查。经
检查并安装正确之后，就可以进行系统的投运和
参数整定。
8.3 计算机控制系统设计举例
以啤酒发酵过程计算机控制系统为例
8.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
要求控制发酵罐按下图的工艺曲线运行
8.3.2系统总体方案设计
1,发酵罐测控点分布及管线结构
2,检测装置和执行机构
温度检测采用 WZP-231铂热电阻和 RTTB-EKT温度变
送器；压力检测采用 CECY-150G电容式压力变送器；液
位检测采用 CECU-341G电容式液位变送器
执行机构采用 ZDLP-6B电动调节阀
3,控制规律
在恒温阶段采用增量型 PI控制算法，在升温、降温阶
段采用 PID控制算法，在控制软件设计中提供了 Smith
预估控制算法
4,控制系统主机及过程通道模板
控制主机选用康拓 IPC-8500工业控制机
过程通道模板选用康拓 IPC-5488 12位光电隔离板
5,控制系统软件
包括采样、滤波、标度变换、控制输出、中断、计时、
打印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等
功能
8.3.3 系统硬体和软件设计
1,硬件设计
2,软件设计
(1)数据采集程序
(2)数字滤波程序
(3)标度变换程序
(4)给定工艺曲线的实时插补计算
(5)控制算法
(6)其它应用程序
8.3.4 系统的安装调试运行及控制效果 ·
系统投入运行之后，满足了系统的控制要求。
该系统操作简便，使用维护方便，性能可靠；采用
微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，消
除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析。
