项目九 集散控制系统及设备
集散控制系统的英文原名为:Distributed
Control System，简称DCS，通常也称为集散控制系统。
集散控制系统的控制功能，主要由计算机技（computer）、
控制技术（Control） 、显示技术（CRT）和通信技术
（communicate）来完成，一般也称为4C技术，4C技术是
DCS系统的四大支柱。DCS中通信技术更为重要，操作员站
的操作、工程师站系统的组态以及现场设备信息的交换都依
靠通信技术来完成。
任务二十七 DCS的通信技术
通信技术就是研究通信设备（通常就是计算机）如何
进行信息交换。例如，使用鼠标或键盘在计算机屏幕上对
某个现场阀门进行开大或关小操作，实际的操作过程是：
该操作首先翻译成二进制数据(在操作站完成)，然后通过
数据总线传递到现场的控制计算机(在DPU中完成)，再由
现场控制计算机将控制信息发送到对应阀门的卡件，通过
适当的卡件最终完成操作。
一、数据通信的基本原理
1.数据通信网络和拓扑结构
DCS计算机之间的通信依靠计算机网络来完成。计算机网
络是将物理位置不同的计算机或计算机系统通过通信装置
、设备和线路将其连接起来，并按一定标准（通信协议）
完成信号和数据交换网络。
大型计算机网络结构非常复杂，也有十分简单可以称为网
络的计算机连接。（简单的计算机网络）人们描述计算机
网络结构时，常使用网络拓扑结构图。
图9-1 最简单计算机网络的拓扑结构
这是最简单的计算机网络，一般在描述网络拓扑
结构时往往仅画出节点和通信链路。通常，把节
点和通信链路的集合统称为通信子网。
计算机网络拓扑结构基本形式有三种：环形、总线形和
星形，见下图9-2。复杂网络可以由基本网络连接而成。
星型网：所有外
围计算机之间的
通信都必须经过
中间的通信装置。
环形网络：通
信沿着环顺或
逆时针进行。
总线形网络：是目前多数
电厂控制网络结构模式，
各点依靠总线可以直接通
信，通信速度比较高。
由通信方式的不同可以将通信网络分成点点子网（存
储转发式）和广播子网（多点共享子网）。星形网和
环形网络属于点点子网（存储转发）。总线网属于广
播子网。当一个接点要发送信息到另外一个接点时，
是将带有地址信息的数据首先发送到总线上（称为广
播），所有连接在总线上设备都要接受该信息（称为
听到），然后分析信息中地址和自己地址是否相同，
相同在保存信息，否则将信息抛弃。
2、数据传输方式
所有计算机通信全部采用二进制。传递二进制数共分
两种方式，即并行通信和串行通信。并行是一次同时
传递数个二进制位，通信接点之间的连线数目和通信
的二进制位数相同，长距离通信十分浪费材料。串行
通信是常用的通信方式。
通信
节点
通信
节点
通信
节点
通信
节点
并行通信，每传递一位二进制
数就需要一条线路。传递二进
制数据位数越多，需要的线路
越多，不利于长距离通信，打
印机多采用并行通信。
串行通信最少可以使用三根线
来进行，一根通信由左向右；
另一根由右向左；加上公用地
共三根可以使用双向（双工）
通信。
（1）、串行异步通信（原理讲解）
图9-4 串行异步通信波形图
例如：甲方向乙方传递1100101，7位二进制数据，增加
一个偶检验位，两位停止位。
所谓偶检验就是在传输数据时，保证数据中“1”的个数
加上偶检验位“1”的个数后，必须为偶数。就本例而言，
数据中已经存在4个”1“，已经是偶数，所以偶检验的
检验位只能添“0”，否则“1”的个数就变成奇数。
偶检验时，接收方（乙方）收到数据后将数据连同检验
位一起，计算“1”的个数，如果为偶数，说明传输正确。
当数据传输过程中由于干扰将某一位改变，例如将“1”
变成“0”，或者相反，都会造成“1”的个数不是偶数。
电压表
0 1
奇检验和偶检验类似，只不过传输数据要求“1”的个数
为奇数。
为了便于理解下面的例子假设一个时间单位（秒）传输
一位二进制数，既传输速率为1波特。
当左侧的开关打开时，
右侧电压表读数为0，
表示甲方传递给乙方
数据为0。
当左侧的开关闭合时，
右侧电压表读数为1，
表示甲方传递给乙方
数据为1。
甲方 乙方
电平高度
秒
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
传输数据方（甲方）数据波形图
甲方在发送数据前始
终保持高电平
甲方将高电平变成低电平就是告诉乙方，甲方
开始发送数据。这个低电平（表示开始的信号）
要延长一位数据所占的时间长度。
一个数据单位时间内
保持高电平，表示发
送数据为“1”。
一个数据单位时间内
保持高电平，表示发
送数据为“1”。
一个数据单位时间内
保持低电平，表示发
送数据为“0”。
一个数据单位时间内
保持低电平，表示发
送数据为“0”。
奇偶检验位（本例为偶检验），计算机
数据位中“1”的个数，连同本位在内，
必须为偶数个“1”。
甲方使用不小于两个数据
位时间宽度的高电平，表
示数据传输结束。
接收数据方（乙方）数据接收过程图
电平高度
秒
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
在发送方输出高电平（表示发送停止）期间，接
收方以1/16数据单位时间间隔，检测是否有低电
平出现。
一旦检测到低电平，表示对方开始发送数据。
发现对方发送低电平后，乙方将检测频率放慢，1/2
数据位时间宽度后，再采样一次，如果继续低电平表
示真的数据发送开始。否则前次肯定为干扰。
以后每间隔一个数据位时间间隔，采样一次，每次采
样结果就是甲方发送来的数据。
甲方发送的停止位必须大于两个（原来约定）数据位
时间宽度，否则通信失败。
（2）、串行同步通信
异步的开始位和停止位影响了通信速度，如果存在大
量数据需要传送时，通信速度必然受到限制。
同步通信当对方示意开始传送后将大块数据连续不断
地传送到对方，可以提高效率。
传递数据双方示意开始或结束信号称为同步，同步通
信的“同步”可以由两种方式来实现，一种称为硬件同步
在异步通信线路基础上增加一条专门用于同步的“同步”
线，主要是表示发送数据开始或结束。另一种为软同步，
由发送的特殊字符表示开始或结束。
图9-5串行同步通信数据块结构
软同步结构示意图。帧头
和帧尾分别表示数据的开
始或结束。DCS中通信多
数采用同步通信模式。
串行同步通信一般存在两种形式：
①在发送方和接收方之间利用一根专门的数据同步线来传
递同步信号，称为外同步法。
②数据帧同步是将要传递的多位二进制数据，组成一个数
据块，在数据块的前后分别加上前、后同步控制和检验字
段（分别称为帧头和帧尾），帧头表示发送方开始发送数
据，帧尾表示发送数据结束。
（3）、基带传输与宽带传输
A）基带传输（直接数据传输）：利用线路直接将表示数
字的高低电平直接传输到对方。在局域网中经常使用
基带传输模式进行数据传送。为了防止分布参数对数
据产生干扰，一般使用曼彻斯特编码方式。
图9-6曼彻斯特编码波形
原则1：在每个时钟下
降沿上形成数据。
原则2：上跳表示0
；下跳表示1。
原则3：相邻数据不同时表示
数据的电平保持不变，相邻数
据不相同时，表示完数据的跳
变发生后，在数据通信无效期
间，变化电平准备表示下一数
据。
B）宽带传输；通过调制手段在一条通信线路上可以同时
传递多路通信。如闭路电视系统。
图9-7调制解调器工作原理示意图
将串行信号（基带信号）通过
调幅或调频方法，转换成具有
一定频率的电信号。这样不仅
可以在一条线路上实现多路通
信，而且可以信号远距离传递。
宽带通信特点：存在调节
解调器。拨号上网等需要
猫的都属于该类型
3、数据传输中的差错处理
通信线路经常受到干扰，通信错误在所难免，如何
知道对方发送出现错误成为纠正错误的关键。
（1）奇偶检验法
事先约定（通信协议）一种检验方法后，利用串行通信
的奇偶检验位来实现奇偶检验法。发送方利用该位使数
据变成偶数或奇数个“1”，对方接受数据后连同奇偶位
一起计算，若为偶数或奇数表示通信成功，否则重新传
送数据。
（2）垂直水平奇偶检验法每一个串行通信数据
称为水平检验
发送一定数量水平数据后，
补发一个专门用于垂直检
验的检验数据。
可以发现窄脉冲的干扰
（3）循环检验码
循环检验
码不仅可以发
现错误，而且
利用CRC余码
还可以纠正错
误数据。是目
前计算机通信
常用的检验码。
信息码 校验码 码字
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1
0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1
0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0
1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1
1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1
1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0
要发送的三
位信息码
防止发送错误
的四位检验码
形成的可以检验
错误的发送码字。
该码字特点：全0除外，
任何一个数据向左或右
循环移动一位，会变成
另外一个码字，所以称
为循环码。循环是线性
码的一种。
显然对这种码的全0，全
“1”都会被对方发现是错误
码，只有将该码字所有码左
或右循环移动一位，方能让
对方接受，显然这样的干扰
出现的几率几乎为0
如何生成循环码
例：设信息码系列m=101，采用生成多项式
g（x）=1+x2+x3+x4，将其生成（7，3）发送码。
1）将要发送的码写成多项式形式例如要发送二进制110
，则多项式形式为：
2）将以上多项式两边同乘以X7-3，即X4
3）使用第2步生成的多项式除以“生成多项式”一种循
环
码只能找到一个类似多项式。
4）将第2步得到的多项式和第3步余数相加得到的多项
式相加成为要发送的码字。
将以上多项式变成二进制为：1101001
其实对于（7，3）码来讲只能发送7个信息码。第三步
得到的余数X3+1称为循环冗余码，简称CRC。
4、12、16、32位生成多项式g（x）表达式如下：
二、数据通信的传输介质
1. 双绞线
（1） 物理结构
双绞线由两根均匀排列成螺旋状的绝缘铜导线组成。
通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包
着硬的保护性护套。具体结构见图9-11双绞线结构示
意图。双绞线两根导线绞扭，可减少两根导线之间的
电磁干扰。
图9-11双绞线结构示意图
图9-12双绞线功能说明
从左侧来看：发送组一条
为数据线，另一条为地线
从左侧来看：接受组，一条为
数据线，一条为地。
（2） 传输特性
双绞线可以传输模拟信号也可以传输数字信号。传输模
拟信号时，大约数公里就需要一个信号放大器。传输数
字信号时，每2~3公里需要一个中继转发器（主要作用
是信号整形）。在局域网络中，双绞线多用于一个建筑
物内的信号传递。
2. 同轴电缆
同轴电缆有细缆和粗缆之分，除使用的接头不同外，细
缆柔软容易弯曲在现场布线比较方便，但传输距离不如
粗缆远。粗缆外层屏蔽坚硬不易弯曲，尤其对于复杂空
间布线不方便，但传输距离比细缆远。
（1） 物理结构
同轴电缆由两个导体
组成，其外导体是一
个空心圆柱形导体，
它围裹着一个内芯线
导体，外导体除了有
导电作用外，还具有
屏蔽电磁场防止干扰
的作用。
图9-13具体结构见
3. 光导纤维电缆
1） 物理结构
光导纤维由两层折射率不同的材料构成。内层物质具有
非常高的折射率，光线传输主要靠内层进行。外层物质
几乎对光线没有折射，光线一旦接触到外层就会被外层
材料所吸收，外层相当于是光的绝缘体，主要作用防止
光纤之间光信号的相互干扰。
图9-14光纤内部结构示意图
光导纤维的外层有吸收光
线的物质，以保证光纤之
间的相互干扰。
（2） 传输特性
在没有转发器的情况下，一般传输距离为数十公里。光
纤不受电磁干扰或电磁噪声的影响，误码率极低，可实
现远距离、高速率传输，有很好的保密性。
三、DCS中常用的网络协议
国际化标准组织（ISO）于1978年3月公布了网络开方
系统互连参考模型，简称OSI。1982年4月形成国际标
准参考模型，以指导计算机网络的发展和建设。OSI
标准共制定了7层分层协议，从低层到高层分别为：
第一层 物理层：一般使用电路来实现，在它上层（第二层）链路层
控制下，按一定编码形式，将二进制数发送给对方电路。物理层对
通讯电路作了详细具体的规范，各厂家只要按此规范制作通讯电
路，各厂家通讯电路就可以随意互换。
第二层 链路层：对于总线型网络（连接在网络上的计算机相互可以
直接通信），确定其通信方式；对于复杂网络完成通信链路的连接
与拆除等。
第三至第六层协议和总线型网络无关。内容较专业，这里不再详述。
第七层 应用层：各种应用程序。例如，现场运行人员操作界面对应
的程序、热工人员使用的系统组态程序等。
1.以太协议（Ethernet）（1）以太网络结构
一条电缆线路上最
多可以连接100个
设备，称为一段通过中继设备
（整形放大）可
以将两个段连接
起来。
（2） 通信原理
由于是总线网（广播网）所以任何两点之间都可以直接通信。
采取广播方式优点是通信方便但可能会造成数据碰撞（同时
向总线发送信息）。
以太协议中的CSMA/CD协议，专门针对此类问题而制定。
该协议规定，发送信息的计算机首先侦听（接受网络上信息）
网络上是否有信息在发送，若能接收到信息说明有节点在发
送信息，随机等待一段时间后再侦听。否则通过总线向对方
发送信息。在发送信息期间也要将发送信息再接收，观察是
否为自己发送出的信息，若不是说明总线上发生了信息碰撞，
随机等待后继续发送。总之规则为，谁“抢占了”总线谁发
言。
Ethernet多采用基带传送模式，总线上的信号使用曼彻斯特编
码，由于这种编码每个数据位至少有一个跳变，因此方便实现
载波侦听。
64位 48位 48位 16位 46~1500位 32位
包前同步字符 目的站地址 源站地址 类型 数据 CRC
图9-16 Ethernet协议及层间接口
以太网络中规定了
物理层（电路）信
号规则，使用曼彻
斯特编码格式。
数据链路层则由硬件和软件
共同来实现。主要有两个任
务：一是数据打包（分帧）、
安装数据地址和差错处理等；
二是链路管理，保证数据准
确发送和接收，如总线数据
碰撞检测、通信方式选择、
差错检验等
2. 协议
协议是电气和电子工程协会（Institute Of Electrical
and Electronics Ehgineers）制定的局域网标准。协
议也是针对总线网制定的通信协议，和Ethernet协议几乎完全
相同 。
协议比Ethernet协议更加具体，实际上协
议就是按着Ethernet协议细化而成，而协议可以看
成是Ethernet实践的标准。协议是目前DCS网络最
常用的协议之一。
3. 协议
该协议适用的局域网有三种类型：粗缆网、细缆网和
双绞线网。
图9-18 局域网的三种连接方法
协议是带有冲突检测的载波
侦听多路存取控制协议（Carrier Sense
Multiple Access With Collision
Detection），常缩写为CSMA/CD。该
方式在总线网中最为常见，是目前多数
DCS仪表最常使用的一种模式。
4. 通信协议
当局域网络的组成模式是令牌环形总线网时，使用该协
议控制数据的存取。或者说就是令牌环形网
的专用协议。
在环形网络上有一令牌信号沿环运动，令牌是一组特殊
的二进制数据集合，当令牌到达某站时，某站就可以向
总线发送数据，没有令牌的站点无权向总线发送数据。
令牌运行模式可以避免总线上的数据碰撞。该协议一般
不适宜现场的实时网络数据传送，一旦某站点出现紧急
情况需要通信时，没有令牌会影响现场的控制。
5. 协议
对于实时性要求十分严格的工业控制系统而
言,CSMA/CD存取方式受到一定限制。将CSMA/CD
和令牌环的优点结合起来构成了协议。即
局域网仍然是总线网，但使用令牌环进行数据传递。
图9-21 物理总线上的逻辑环
