控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录1计算机控制装置计算机控制装置20052005年年5 5月月gxzhangzju.edu.cngxzhangzju.edu.cngxzhangiipc.zju.edu.cngxzhangiipc.zju.edu.cn控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录2主要内容主要内容第六章第六章* * 计算机控制基本知识计算机控制基本知识第七章第七章* * 可编程控制器可编程控制器第八章第八章 集散控制系统集散控制系统第九章第九章* * 现场总线控制系统现场总线控制系统第十章第十章 工业以太网工业以太网控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录3大块部分大块部分大块部分大块部分一一.计算机控制基础知识计算机控制基础知识二二.实用计算机控制技术实用计算机控制技术(1)PLC* (2)DCS 面向：小型对象、大型对象、大型复杂对象面向：小型对象、大型对象、大型复杂对象三三.网络通信、信息集成和利用网络通信、信息集成和利用(1)现场总线现场总线(2)工业以太网工业以太网(3)多总线系统及信息集成多总线系统及信息集成 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录4信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：1 1、要求工业自动化系统利用、要求工业自动化系统利用、要求工业自动化系统利用、要求工业自动化系统利用FBFB技术、信息技术和通信技术的发展优势，技术、信息技术和通信技术的发展优势，技术、信息技术和通信技术的发展优势，技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体性和稳定性等；动化的整体性和稳定性等；动化的整体性和稳定性等；动化的整体性和稳定性等；2 2、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。 企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录5第一部分第一部分第一部分第一部分 计算机控制基础知识计算机控制基础知识计算机控制基础知识计算机控制基础知识控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录6前言前言进进料料口口出出料料口口H玻璃管液位计玻璃管液位计人工控制人工控制人工控制人工控制 进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调节节器器常规仪表控制常规仪表控制常规仪表控制常规仪表控制控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录7单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）（显示仪表根据需要可选）（显示仪表根据需要可选）（显示仪表根据需要可选）通常安装通常安装于控制室于控制室通常安装通常安装于于 现场现场控制器(调节器)被控对象测量变送装置（检测仪表）+SP执行器显示仪表阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀泵：开关泵、变频泵泵：开关泵、变频泵温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 ( (通常输出：通常输出：通常输出：通常输出：420mA420mA、1 15V5V等标准信号）等标准信号）等标准信号）等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关液位开关、料位开关、接近开关液位开关、料位开关、接近开关液位开关、料位开关、接近开关 ( (通常输出通常输出通常输出通常输出on/offon/off信号信号信号信号) )传感器（传感器（传感器（传感器（Pt100Pt100、热电偶、热电偶、热电偶、热电偶）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录8现场仪表：主要指安装在工业现场的各种现场仪表：主要指安装在工业现场的各种变送器变送器、 执行器执行器及其他及其他测量仪表测量仪表。变送器选型变送器选型：量程、安装方式、材质（耐压、防腐）、防爆：量程、安装方式、材质（耐压、防腐）、防爆执行器选型执行器选型：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压）：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压）使用使用：零点调整、量程调整、零点迁移以及其它日常维护和维修等：零点调整、量程调整、零点迁移以及其它日常维护和维修等控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器控制器 （调节器）（调节器）、显示仪表等。、显示仪表等。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录9进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调调调节节节节器器器器 进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控控控制制制制站站站站控制站：数字调节器、控制站：数字调节器、IPC、PLC（可以广义地理解为带有（可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备）的各种控制设备）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录10进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控制制站站 AIAI、DIDIAOAO、DODO控制站A/D（AI）：模）：模/数转换（模拟量输入）数转换（模拟量输入）DI ：开关量输入（数字量输入）：开关量输入（数字量输入）D/A（AO）：数）：数/模转换（模拟量输出）模转换（模拟量输出）DO ：开关量输出（数字量输出）：开关量输出（数字量输出）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录11I/O模块模块控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录12管理层管理层控制层控制层现场设备层现场设备层操作站操作站控制站控制站I/O系统系统高级控制器高级控制器数据服务器数据服务器WEB服务器服务器管理计算机管理计算机互联网互联网服务器服务器Internet/IntranetEthernetEthernet/专用总线专用总线网关网关FF、ProfiBus等现场总线等现场总线典型的计算机控制系统结构示意图典型的计算机控制系统结构示意图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录13内内 涵涵：生产过程自动化生产过程自动化*（过程控制、优化控制（过程控制、优化控制） 信息管理自动化信息管理自动化( +( +客户管理、物流管理客户管理、物流管理，这是今后的发展方向，这是今后的发展方向) ) （即计算机综合自动化）（即计算机综合自动化）重重 要要 性性：是实现安全、高效、优质、低耗生产的基本条件和重是实现安全、高效、优质、低耗生产的基本条件和重 要保证，是现代工业生产中不可替代的要保证，是现代工业生产中不可替代的神经中枢神经中枢。 相关技术相关技术：涉及计算机技术、自动控制技术、检测和传感技术、涉及计算机技术、自动控制技术、检测和传感技术、先进控制技术、智能仪表技术、网络通信技术等。先进控制技术、智能仪表技术、网络通信技术等。 发展过程发展过程：直接数字量控制（直接数字量控制（DDCDDC） 集中型计算机控制集中型计算机控制 分布式计算机控制（分布式计算机控制（DCSDCS） 现场总线现场总线（工业以太网）控制（工业以太网）控制 ？控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录146. 计算机控制的基本知识计算机控制的基本知识6.1 计算机控制概述计算机控制概述 6.2 网络通信基础网络通信基础6.3 开放系统互联参考模型开放系统互联参考模型6.4 TCP/IP协议协议 6.1.1 6.1.1 什么是计算机控制什么是计算机控制什么是计算机控制什么是计算机控制 6.1.2 6.1.2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成 6.1.3 6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想 6.1.4 6.1.4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 6.1.5 6.1.5 计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录15调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mA控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mAD/AA/D数字信号数字信号例如例如 420mA 信号经信号经12位位A/D转换以后的结果为转换以后的结果为040954 mA输入输入0000 0000 000020mA输入输入1111 1111 111112mA输入输入？6.1.16.1.1什么是计算机控制什么是计算机控制典型单回路控制系统方块图典型单回路控制系统方块图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录16工作过程工作过程控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mAD/AA/D工作过程：工作过程：数据采集：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值； 控制决策：控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算 控制输出：控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录176.1.2 6.1.2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统常规计算机系统I/O系统系统（模块或卡件）（模块或卡件）现场仪表现场仪表被控被控对象对象硬件组成硬件组成控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录186.1.2 6.1.2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成系统软件系统软件支持软件支持软件应用软件应用软件系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。如：如：WindowsWindows操作系统、操作系统、UnixUnix操作系统等都属于系统软件。操作系统等都属于系统软件。 它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同持软件会有所不同 应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。软件组成软件组成控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录196.1.3 6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想 1. 1. 可靠性可靠性2. 2. 可维护性可维护性3. 3. 实时性实时性4. 4. 性能价格比性能价格比控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录206.1.3.1 可靠性可靠性 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用它通常用概率概率来表示来表示 (1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠可靠度度单个零件、设备的可靠度单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振动和在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。例如：在例如：在100100只晶体管中有只晶体管中有9595只在上述规定条件下使用未出现故障，只在上述规定条件下使用未出现故障， 则其可靠度则其可靠度R R0.950.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高样本越高，所得可靠度的准确性就越高控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录21(1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠可靠度度系统的可靠度系统的可靠度除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关：还与系统的构成方式有关：串联连接串联连接和和并联连接并联连接是两种典型的连接方式。是两种典型的连接方式。 R1RnR1Rnn个串连子系统n个并联子系统a. 串连系统 b. 并联系统如果分析的是如果分析的是断路失效断路失效，则：，则：串联系统串联系统中只要有一个子系统失效，系统就会失效中只要有一个子系统失效，系统就会失效并联系统并联系统中全部子系统发生故障，系统才出现故障中全部子系统发生故障，系统才出现故障R1=R2=0.9， R并0.99R1=R2=0.99，R并0.9999控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录22( (1)1)可靠性指标可靠性指标平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBFMTBF(*)(*)(mean time between failures)(mean time between failures)MTBFMTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间 平均故障修复时间平均故障修复时间MTTRMTTR(mean time to repair )(mean time to repair ) MTTRMTTR指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录23(2)(2)提高可靠性的主要措施提高可靠性的主要措施选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。采用分散控制思想。采用分散控制思想。采用分散控制思想。采用分散控制思想。增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控制回路中去，保证生产过程的正常运行。制回路中去，保证生产过程的正常运行。制回路中去，保证生产过程的正常运行。制回路中去，保证生产过程的正常运行。 对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。 另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录246.1.3.2 可维护性可维护性 可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。它主要体现在它主要体现在它主要体现在它主要体现在易于查找故障，易于排除故障易于查找故障，易于排除故障易于查找故障，易于排除故障易于查找故障，易于排除故障。 设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。 选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。 系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。 软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查和排除故障。和排除故障。和排除故障。和排除故障。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录256.1.3.3 实时性实时性 计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。为了满足实时性要求，需要从为了满足实时性要求，需要从为了满足实时性要求，需要从为了满足实时性要求，需要从硬件硬件硬件硬件和和和和软件软件软件软件两方面来考虑。两方面来考虑。两方面来考虑。两方面来考虑。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录266.1.3.4 性能价格比性能价格比 一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。一般我们要掌握以下两个原则：一般我们要掌握以下两个原则：一般我们要掌握以下两个原则：一般我们要掌握以下两个原则： 一是系统设计的性能价格比要尽可能高；一是系统设计的性能价格比要尽可能高；一是系统设计的性能价格比要尽可能高；一是系统设计的性能价格比要尽可能高； 二是投入产出比要尽可能低。二是投入产出比要尽可能低。二是投入产出比要尽可能低。二是投入产出比要尽可能低。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录276.1.4 6.1.4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 1. 直接数字量控制直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）2. 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统3. 集散控制系统集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）4. 现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录286.1.4.1 直接数字量控制直接数字量控制本质本质本质本质 用一台计算机取代一组模拟调节用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技控制技术简单地取代模拟控制技术。术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象）起始于起始于起始于起始于50505050年代末期，开辟了一个轰年代末期，开辟了一个轰年代末期，开辟了一个轰年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代轰烈烈的计算机工业应用时代轰烈烈的计算机工业应用时代轰烈烈的计算机工业应用时代 优点优点优点优点 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PIDPID控制规律，还可控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此以分时处理多个控制回路。此外，此DDCDDC也很快发展到也很快发展到PIDPID以外以外的多种复杂控制。的多种复杂控制。问题问题问题问题 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。速过程实时控制的需求。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录296.1.4.2 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统出发点：出发点：出发点：出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。尽可能多的控制回路。CRT、键盘过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控变量操作变量输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录30优越性：优越性： 从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。现优化控制和优化生产。问问 题：题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制成很多个回路利用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致而且控制的集中也直接导致危险的集中危险的集中，高度的集中使，高度的集中使系统变得十分系统变得十分“脆弱脆弱”。在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录316.1.4.3 集散控制系统集散控制系统出发点（出发点（出发点（出发点（2 2 2 2个方面）：个方面）：个方面）：个方面）：(1)(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征根本特征: :控制的分散性控制的分散性控制的分散性控制的分散性和和管理的集中性管理的集中性管理的集中性管理的集中性控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录32DCSDCS的功能层次的功能层次通常分为：通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从各级从“上级上级”获取指获取指示，从示，从“下级下级”获取信息，产生对获取信息，产生对“下级下级”的控制。的控制。 直接控制直接控制经营经营管理管理生产管理生产管理过程管理过程管理连续过程连续过程 间歇过程间歇过程 离散过程离散过程经经营营管管理理级级居居于于工工厂厂自自动动化化系系统统的的最最高高一一层层，负负责责全全厂厂广广泛泛的的工工程程、经经济济、商商务务、人人事事以以及及其其它它的的工工作作。如如：市市场场 分分 析析 、 销销 售售 和和 生生 产产 计计 划划过过程程管管理理级级主主要要功功能能包包括括回回路路组组态态、优优化化控控制制、性性能能监监视视、故障监测、记录、报警故障监测、记录、报警生生产产管管理理主主要要完完成成生生产产规规划划，生生产产监监视视，根根据据用用户户订订单单、库库存存、能能耗耗约约束束、能能耗耗需需求求等等指指标标进进行行生生产产调调度度。在在许许多多DCSDCS中，这级就充当最高管理层中，这级就充当最高管理层。直直接接控控制制级级主主要要功功能能包包括括现现场场数数据据采采集集、过过程程监监视视、故故障障诊诊断断，控控制制输输出出、安全性能和冗余性能的实施安全性能和冗余性能的实施在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将2 2 2 2个或多个功能个或多个功能个或多个功能个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCSDCSDCSDCS得以大大简化。得以大大简化。得以大大简化。得以大大简化。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录33 DCS的发展过程的发展过程划分划分起始时间起始时间主要特征主要特征119751975年年Honeywell公司推出了世界上第一套公司推出了世界上第一套DCS系系统统TDC-2000，技术特征是，技术特征是集散集散。 280年代初年代初技术特征是引入局域网技术特征是引入局域网LANLAN 380年代末期年代末期90年代初年代初技术特征是技术特征是管控一体化管控一体化 490年代中期年代中期主要强调系统的开放性，特别是通信机制的主要强调系统的开放性，特别是通信机制的开放性开放性和标准化和标准化。 总结：早期总结：早期DCS的重点在于控制，的重点在于控制，DCS以以“分散分散”作为关键字，但现代作为关键字，但现代发展更着重于系统信息综合管理，今后发展更着重于系统信息综合管理，今后“综合综合”又将成为其关键又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录346.1.4.4 现场总线控制系统现场总线控制系统传统计算机控制系统的结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图朴素意义上的朴素意义上的 FCS FCS结构示意图结构示意图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录35是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。结构的通信网络。 支持双向、多节点、总线式的支持双向、多节点、总线式的全数字全数字全数字全数字通讯通讯双向数据通信能力避免了反复进行双向数据通信能力避免了反复进行A/DA/D、D/AD/A的转换的转换 把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散全分散全分散全分散已成为全世界范围自动化技术发展的热点已成为全世界范围自动化技术发展的热点涉及整个自动化和仪表的工业涉及整个自动化和仪表的工业“革命革命” ” FCS现场总线控制系统现场总线控制系统控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录366.1.5 6.1.5 计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征随着局域网、随着局域网、InternetInternet、ITIT技术迅速发展，计算技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势发展成为一种趋势 系统结构系统结构向网络化、网络扁平化方向发展向网络化、网络扁平化方向发展 系统功能系统功能向综合化方向发展向综合化方向发展 系统设备系统设备向多样化方向发展向多样化方向发展 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录376.2 网络通信基础网络通信基础1.2.1 什么是计算机网络？（略）什么是计算机网络？（略）1.2.2 计算机网络的发展（略）计算机网络的发展（略）1.2.3 网络通信的基本概念网络通信的基本概念1.2.4 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构1.2.5 网络传输介质网络传输介质控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录386.2.3 6.2.3 网络通信的基本概念网络通信的基本概念网络通信的基本概念网络通信的基本概念(1) (1) 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 模拟信号是一个连续的物理量模拟信号是一个连续的物理量 数字信号是利用不连续的物理状态来表示数据，最简数字信号是利用不连续的物理状态来表示数据，最简单的是二进制数单的是二进制数“1”和和“0”，通过高，通过高/低电平来表低电平来表示。示。 Tc101100时钟数据Tc控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录39(2) (2) 并行传输与串行传输并行传输与串行传输并行传输与串行传输并行传输与串行传输并行传输：数据的各个位同时传输，可以并行传输：数据的各个位同时传输，可以字字或或字节字节为单位并行进行为单位并行进行 速度快、通信线多、成本高速度快、通信线多、成本高 不宜远距离通信不宜远距离通信串行传输：数据的各个位逐位传输串行传输：数据的各个位逐位传输 速度较并行传输慢、通信线少（一般速度较并行传输慢、通信线少（一般24根）、成本低根）、成本低 适宜远距离通信适宜远距离通信 几乎所有的计算机控制系统均采用串行数据通信几乎所有的计算机控制系统均采用串行数据通信控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录40(3) (3) 通信双方的交互方式通信双方的交互方式通信双方的交互方式通信双方的交互方式单工通信：数据只有一个方向的通信，没有反方向的交互单工通信：数据只有一个方向的通信，没有反方向的交互 如计算机与键盘的通信如计算机与键盘的通信 控制系统中应用极少控制系统中应用极少半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时 控制简单、可靠、成本低控制简单、可靠、成本低 控制系统中应用广泛（只需控制系统中应用广泛（只需2根通信线即可）根通信线即可）全双工通信：双方可以交互数据，可以在同时全双工通信：双方可以交互数据，可以在同时 控制相对复杂、效率高、成本较高，需要控制相对复杂、效率高、成本较高，需要2个信道个信道 控制系统中应用较广泛控制系统中应用较广泛 至少需要至少需要3根通信线（其中根通信线（其中1根为地共用），或根为地共用），或4根根控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录41(4) (4) 通信波特率、误码率通信波特率、误码率通信波特率、误码率通信波特率、误码率波特率：波特率： 指单位时间内传输的信息量，单位通常用指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位位bit”表示表示 也可以用也可以用“字节字节”表示表示 例如：例如：ProfibusPA的波特率位的波特率位31.25kbps ProfibusDP的最大波特率位的最大波特率位12Mbps误码率：错误码元（误码率：错误码元（1个二进制位）数与传送码元数之比个二进制位）数与传送码元数之比 工业用通信网络一般要求误码率在工业用通信网络一般要求误码率在105109，甚至更小，甚至更小控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录42(5) (5) 基带传输与频带传输基带传输与频带传输基带传输与频带传输基带传输与频带传输基带传输基带传输：按照数字波形的原样直接在信道上传输，数字信号几乎要占有：按照数字波形的原样直接在信道上传输，数字信号几乎要占有整个频带，终端设备把数字信号转换成电整个频带，终端设备把数字信号转换成电(光光)脉冲信号时，以脉冲信号时，以“位位”流为基本形式传输。基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），流为基本形式传输。基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高（速度较高（110Mbps），传输距离不宜过远（因信号衰减容易发生），传输距离不宜过远（因信号衰减容易发生畸变）。绝大多数局域网（包括控制局域网）都采用基带传输。畸变）。绝大多数局域网（包括控制局域网）都采用基带传输。基带传输需要对数字信号进行编码，常用的数据编码手段有：基带传输需要对数字信号进行编码，常用的数据编码手段有： 非归零码非归零码NRZ、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码频带传输频带传输：也称为载波传输，是一种采用调制、解调技术的传输形式。在：也称为载波传输，是一种采用调制、解调技术的传输形式。在发送端，将代表数据的二进制发送端，将代表数据的二进制“1”和和“0”，调制变换成具有一定频，调制变换成具有一定频带范围的模拟信号；在接收方通过解调进行反变换。采用模拟信号传带范围的模拟信号；在接收方通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为送数据时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为“键控键控”调制方式主要有：幅度键控调制方式主要有：幅度键控(ASK)、频移键控、频移键控(FSK)、相移键控、相移键控(PSK)宽带传输宽带传输：适用于传输影像、语音信息：适用于传输影像、语音信息(不适于工控网络不适于工控网络)控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录43(6)(6)同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信 同步通信：同步通信：同步通信：同步通信：就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。所有持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。所有持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。所有持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。所有设备都需要使用共同的时钟。设备都需要使用共同的时钟。设备都需要使用共同的时钟。设备都需要使用共同的时钟。 异步通信：异步通信：异步通信：异步通信：多用于字符传输，一个典型的异步通信过程是多用于字符传输，一个典型的异步通信过程是: : * * * *起始位若干数据位校验位若干停止位 因为异步传输的数据不知道什么时候到达，为防止信息丢失，每一次信因为异步传输的数据不知道什么时候到达，为防止信息丢失，每一次信息传输都包含若干起始位。异步传输的效率较前者低。如传输息传输都包含若干起始位。异步传输的效率较前者低。如传输1 1个字符需要个字符需要8 8个位，外加至少个位，外加至少1 1个起始位和个起始位和1 1个停止位，就会增加个停止位，就会增加2525的开销，这对网络负的开销，这对网络负载大的时候就是一个严重的问题。但计时漂移不会影响通信。载大的时候就是一个严重的问题。但计时漂移不会影响通信。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录44(7)RS(7)RS232/RS232/RS422/RS422/RS485485 项目RS232RS422RS485接口电路单端差动差动抗干扰能力弱强强标准最大传输距离15m1200m1200m通信双方交互方式全双工全双工半双工标准最大传输速率19200bps10Mbps10Mbps本质上是相同的工业控制网络的首选标准工业控制网络的首选标准控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录456.2.4 6.2.4 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构 总线型总线型环型环型HUB星型星型树型树型大型网络多采大型网络多采大型网络多采大型网络多采样网状拓扑。样网状拓扑。样网状拓扑。样网状拓扑。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录466.2.5 6.2.5 网络传输介质网络传输介质网络传输介质网络传输介质 网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路，常用的传输介质有：收方之间的物理通路，常用的传输介质有：双双绞线绞线、同轴电缆、同轴电缆、光纤光纤和无线传输介质等。和无线传输介质等。 控制系统多用：控制系统多用：带屏蔽的双绞线带屏蔽的双绞线带屏蔽的双绞线带屏蔽的双绞线STPSTPSTPSTP、光纤、光纤、光纤、光纤 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录476.3 开放系统互联参考模型开放系统互联参考模型 6.3.1 OSI/RM层次结构层次结构 6.3.2 OSI/RM信息流动过程信息流动过程 6.3.3 各层的主要功能各层的主要功能控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录48开放系统互联参考模型开放系统互联参考模型 互互联联网网的的发发展展不不同同制制造造商商的的网网络络产产品品众众多多OOpen S System I Interconnection/R Reference MModel OSI/RMOSI/RM需需要要建建立立标标准准化化的的网网络络机机制制 19831983年正年正式颁布式颁布OSI/RMOSI/RM的的国际标准国际标准ISO7498 ISO7498 OSI/RMOSI/RM是一是一种中立、不种中立、不受任何厂家受任何厂家的约束与限的约束与限制的理想模制的理想模型。型。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录496.3.1 OSI/RM 层次结构层次结构 A A公司公司A A收发员收发员( (到邮局投递到邮局投递到邮局投递到邮局投递) )A A经理经理( (写信写信写信写信 ) )A A秘书秘书( (盖章盖章盖章盖章/ / / /写地址写地址写地址写地址) )B B公司公司B B收发员收发员( (分发分发分发分发) )B B经理经理B B秘书秘书( (核对核对核对核对) )邮政系统邮政系统( (按地址投递信件按地址投递信件按地址投递信件按地址投递信件) )控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录50OSIOSIOSIOSI参考模型的层次参考模型的层次参考模型的层次参考模型的层次 层次编号层次编号 名称名称 英文名称英文名称 7 76 65 54 43 32 21 1 应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层 Application LayerApplication LayerPresentation LayerPresentation LayerSession LayerSession LayerTransport LayerTransport LayerNetwork LayerNetwork LayerDatalink LayerDatalink LayerPhysical Layer Physical Layer 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录51应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户主机HA数据数据数据数据数据数据数据H7H6H5H4H3H2T2H7H6H5H4H3H7H6H5H4H7H6H5H7H6H7报文报文报文报文分组帧bit6.3.2 OSI/RM信息流动过程信息流动过程 网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户主机HB报文报文报文报文分组帧bit应用层网络协议表示层网络协议会话层网络协议传输层网络协议中继环节通信线路通信线路控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录52物理层是物理层是OSI/RMOSI/RM的最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数的最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数据交换的一层据交换的一层, ,负责传输负责传输bitbit位流。位流。 DTEDCEDCEDTE接口接口传输介质界定：数字信号界定：数字信号(0/1)(0/1)的表示电压、数据传输速率、最大传输距离；的表示电压、数据传输速率、最大传输距离；支持单工、半双工还是全双工通信；连接插头要多少针，每支持单工、半双工还是全双工通信；连接插头要多少针，每个针的作用是什么个针的作用是什么 形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑“l”“l”“l”“l”，另一侧收到的也是一个逻辑，另一侧收到的也是一个逻辑，另一侧收到的也是一个逻辑，另一侧收到的也是一个逻辑“1”“1”“1”“1”，而不是，而不是，而不是，而不是“0”“0”“0”“0”。 6.3.3 6.3.3 各层主要功能各层主要功能各层主要功能各层主要功能6.3.3.1 物理层物理层物理层物理层控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录536.3.3.2 6.3.3.2 数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）看起来就像是一条不出差错的理想链路。看起来就像是一条不出差错的理想链路。 为网络层提供服务为网络层提供服务 传输数据的帧化处理传输数据的帧化处理 差错检测和流量控制差错检测和流量控制 来自来自高层高层数据数据 加工加工成帧成帧 物理通道物理通道 检查检查校验校验信息信息和和头头尾控制信尾控制信息息 数据数据部分部分送往送往高层高层 确认确认无误无误 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录546.3.3.3 6.3.3.3 网络层网络层网络层网络层网络层是网络层是OSI七层协议模型中的第三层，亦称为七层协议模型中的第三层，亦称为“通信子网通信子网层层”，是通信子网与高层的边界。，是通信子网与高层的边界。它以数据链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）它以数据链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。提供两个主机之间的数据传输服务。网络层提供的服务应该按照以下网络层提供的服务应该按照以下目标设计目标设计： 提供的服务和通信子网无关提供的服务和通信子网无关 对传输层隐蔽通信子网的数量、类型和拓扑结构。对传输层隐蔽通信子网的数量、类型和拓扑结构。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录55线路交换线路交换线路交换线路交换 存储转发存储转发报文交换报文交换分组交换分组交换线路资源的利用率很低，为此线路交换方式只适合多媒线路资源的利用率很低，为此线路交换方式只适合多媒体、语音、传真等体、语音、传真等数据量大的报文交换数据量大的报文交换数据量大的报文交换数据量大的报文交换或或实时、交互式实时、交互式实时、交互式实时、交互式报文交换报文交换报文交换报文交换，不适于一般计算机通信。，不适于一般计算机通信。报源报源报宿报宿线路交换线路交换线路交换线路交换 在数据交换之前，通过呼叫建立一条连接源节点在数据交换之前，通过呼叫建立一条连接源节点( (报源报源) )和目的节点和目的节点( (报宿报宿) )的专用线路，通路上所有的链路被报的专用线路，通路上所有的链路被报源和报宿的源和报宿的DTEDTE独占，直到这条线路被拆除为止。独占，直到这条线路被拆除为止。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录56线路交换线路交换 存储转发存储转发存储转发存储转发报文交换报文交换分组交换分组交换报源报源报宿报宿发送发送数据数据中继中继转转存存寻寻找找路路由由转转存存寻寻找找路路由由中继中继存储转发方式提高了链路的利用率，一份数据报在任何存储转发方式提高了链路的利用率，一份数据报在任何时刻都只占用一条链路的资源。目前国际上流行的公共时刻都只占用一条链路的资源。目前国际上流行的公共数据网都采用分组交换的方式。数据网都采用分组交换的方式。 发送发送数据数据发送发送数据数据控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录57报文分组报文分组 将来自上层的报文分为一定长度的分组，每一个将来自上层的报文分为一定长度的分组，每一个分组中包括一个分组头，在其中标识源节点、目分组中包括一个分组头，在其中标识源节点、目的节点的地址、分组的顺序号和其它控制信息，的节点的地址、分组的顺序号和其它控制信息，以保证在接收端能够将分组还原为完整的报文。以保证在接收端能够将分组还原为完整的报文。 路由选择路由选择 拥塞控制拥塞控制 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录58从理论上讲，从理论上讲，OSI/RMOSI/RM是开放特性网络体系结构的典是开放特性网络体系结构的典范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得十分周全。由于十分周全。由于OSIOSI模型本身并没有对每层的数据模型本身并没有对每层的数据传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机网络起到了规范和指导作用。网络起到了规范和指导作用。 小小 结结控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录596.4 TCP/IP协议协议 6.4.1 TCP/IP的基本情况的基本情况 6.4.2 TCP/IP的层次结构的层次结构控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录60TCP/IPTCP/IP体系是涉及面最广、影响最大的网络体系。体系是涉及面最广、影响最大的网络体系。TCP/IPTCP/IP是是InternetInternet的核心协议。的核心协议。TCP/IPTCP/IP协议不是国际标准，但由于协议不是国际标准，但由于TCP/IPTCP/IP协议的简协议的简单、实用、高效和成熟，更由于单、实用、高效和成熟，更由于InternetInternet的流行，的流行，使得使得TCP/IPTCP/IP成为计算机网络的事实上的国际标准。成为计算机网络的事实上的国际标准。目前，各种计算机控制系统的高层网络有着向目前，各种计算机控制系统的高层网络有着向目前，各种计算机控制系统的高层网络有着向目前，各种计算机控制系统的高层网络有着向Ethernet TCP/IPEthernet TCP/IPEthernet TCP/IPEthernet TCP/IP统一的趋势发展。统一的趋势发展。统一的趋势发展。统一的趋势发展。 6.4.1 TCP/IP6.4.1 TCP/IP的基本情况的基本情况的基本情况的基本情况 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录61TCP/IP这个术语并不是单指一个协议，而是由这个术语并不是单指一个协议，而是由100多个与之相关的协议和应用程序组成的一个协议多个与之相关的协议和应用程序组成的一个协议族，族， 以下是以下是 3 个最主要的基本协议：个最主要的基本协议：网间协议网间协议IPIP用户数据报协议用户数据报协议 UDP UDP传输控制协议传输控制协议 TCP TCP控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录626.4.2 TCP/IP6.4.2 TCP/IP层次结构层次结构层次结构层次结构 应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层*传输层互联网层网络接口层*各种应用层协议例如：HTTP、TELNET、FTP等TCP、UDPIP网络接口层OSI/RMTCP/IPMAILWWWSMTPFTPTELNET HTTPTFTPTCPUDPIPHardware Interface图图6.15 OSI6.15 OSI与与TCP/IPTCP/IP模型的对应关系模型的对应关系控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录63网间协议网间协议网间协议网间协议IPIP 它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标，也就是独立地传向目标，也就是IPIP数据报传送及数据报传送及IPIP路由选择。路由选择。 IPIP协议具有两个非常重要的特点：协议具有两个非常重要的特点：IPIP协议采用无连接的数据报传输机制，即只管对数据进行协议采用无连接的数据报传输机制，即只管对数据进行“尽力传递尽力传递”，将分组传往目的地，不保证分组的正确顺序，将分组传往目的地，不保证分组的正确顺序，一切可靠性工作均交由上层协议负责，如验证、确认等都由一切可靠性工作均交由上层协议负责，如验证、确认等都由TCPTCP协议处理。协议处理。提供在同一物理网络中的点到点通信，决定一条从源节点到提供在同一物理网络中的点到点通信，决定一条从源节点到目的节点的传输路径。目的节点的传输路径。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录64用户数据报协议用户数据报协议用户数据报协议用户数据报协议 UDP UDPUDPUDP建立在建立在IPIP协议之上，提供面向协议之上，提供面向无连接无连接无连接无连接的数据报传输。的数据报传输。 UDPUDP是一个不可靠的传输层协议，除了可以通过校验和来判断数据是一个不可靠的传输层协议，除了可以通过校验和来判断数据的完整性之外，它不进行任何其它检查，它不能保证数据报的接的完整性之外，它不进行任何其它检查，它不能保证数据报的接收顺序同发送顺序相同，甚至也不能保证它们是否全部到达，因收顺序同发送顺序相同，甚至也不能保证它们是否全部到达，因此，基于此，基于UDPUDP的通信进程必须自己解决诸如报文丢失、报文重复、的通信进程必须自己解决诸如报文丢失、报文重复、报文失序、流量控制等可靠性问题。报文失序、流量控制等可靠性问题。 在实际应用过程中，在实际应用过程中，UDPUDP主要适用于面向传输报文较少的交互式服主要适用于面向传输报文较少的交互式服务。如果为此建立面向连接的数据传输服务，则网络资源的开销务。如果为此建立面向连接的数据传输服务，则网络资源的开销太大，利用不可靠的太大，利用不可靠的UDPUDP进行数据传输，即使因报文出错而重传一进行数据传输，即使因报文出错而重传一次，也比面向连接的数据传输更为有效。次，也比面向连接的数据传输更为有效。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录65传输控制协议传输控制协议传输控制协议传输控制协议 TCP TCP传输控制协议传输控制协议TCPTCP是一种面向连接的、端对端的、高可靠性的数据是一种面向连接的、端对端的、高可靠性的数据传输层协议，它建立在不可靠的传输层协议，它建立在不可靠的IPIP协议之上，数据传输的可靠性协议之上，数据传输的可靠性完全由完全由TCPTCP自己保证。自己保证。 我们可以把我们可以把TCPTCP和和IPIP形象地理解为有两个信封，要传递的信息被划形象地理解为有两个信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个分成若干段，每一段塞入一个TCPTCP信封，并在该信封面上记录有分信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，外层再套上段号的信息，外层再套上IPIP大信封，发送上网。在接收端，大信封，发送上网。在接收端，TCPTCP软软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，若发现差错，TCPTCP将会要求重发。因此，将会要求重发。因此，TCP/IPTCP/IP几乎可以无差错地几乎可以无差错地传送数据。传送数据。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录66讨论讨论控制系统中通常使用无连接还是有连接的数据传输方式？控制系统中通常使用无连接还是有连接的数据传输方式？操作站操作站控制站控制站通过通过UDP发送发送