《DCS控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)》

1、19.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法29.1.1 概述概述9.1.2 功能分層體系及基本結(jié)構(gòu)功能分層體系及基本結(jié)構(gòu)9.1.3 集散控制系統(tǒng)的組態(tài)性集散控制系統(tǒng)的組態(tài)性 3 相關(guān)概念相關(guān)概念集中控制集中控制 采用單一的計算機來實現(xiàn)對工業(yè)大系統(tǒng)的控制。采用單一的計算機來實現(xiàn)對工業(yè)

2、大系統(tǒng)的控制。分布式控制分布式控制 將一個工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，分別由若干臺控制器將一個工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，分別由若干臺控制器去控制。分布式控制承認各個子系統(tǒng)間的聯(lián)系，經(jīng)過通信子網(wǎng)去控制。分布式控制承認各個子系統(tǒng)間的聯(lián)系，經(jīng)過通信子網(wǎng)將各個局部控制器聯(lián)系起來，為了實現(xiàn)大系統(tǒng)意義上的總體目將各個局部控制器聯(lián)系起來，為了實現(xiàn)大系統(tǒng)意義上的總體目標(biāo)最優(yōu)，還設(shè)置上級協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。標(biāo)最優(yōu)，還設(shè)置上級協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。集散型計算機控制系統(tǒng)集散型計算機控制系統(tǒng)又稱為又稱為分散型綜合控制系統(tǒng)分散型綜合控制系統(tǒng)（Total Distributed Control S

3、ystems，簡稱，簡稱集散系統(tǒng)集散系統(tǒng)DCS） 以微處理器為基礎(chǔ)，是應(yīng)用于過程控制的工程化的分布式計算以微處理器為基礎(chǔ)，是應(yīng)用于過程控制的工程化的分布式計算機控制系統(tǒng)。機控制系統(tǒng)。 實際需要實際需要管理要集中，控制要分散管理要集中，控制要分散4(1)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能增強，而且朝著開放、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能增強，而且朝著開放、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。(2) 中小型集散控制系統(tǒng)有較大發(fā)展。現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和中小型集散控制系統(tǒng)有較大發(fā)展?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和PLC的發(fā)展的發(fā)展更促進了各集散控制系統(tǒng)制造商推出中小型集散控制系統(tǒng)。更促進了各集散控制系統(tǒng)制造商推出中小型集散控制系統(tǒng)。(3) 電控、儀表

4、與計算機（電控、儀表與計算機（Electrical Instrumentation Computer，EIC）“機電一體化機電一體化”將導(dǎo)致各公司的兼并，將導(dǎo)致各公司的兼并，EIC集成集成已是大勢所趨。已是大勢所趨。(4) 軟件與人機界面更加豐富。集散系統(tǒng)已經(jīng)采用實時多用戶、多任務(wù)操軟件與人機界面更加豐富。集散系統(tǒng)已經(jīng)采用實時多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)。配備先進控制軟件的新型集散系統(tǒng)將可以實現(xiàn)適應(yīng)控制、解耦作系統(tǒng)。配備先進控制軟件的新型集散系統(tǒng)將可以實現(xiàn)適應(yīng)控制、解耦控制、優(yōu)化控制和智能控制。控制、優(yōu)化控制和智能控制。(5) 系統(tǒng)集成化。集散控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)集成化。集散控制系統(tǒng)作為CIMS（計算機

5、集成化制造系統(tǒng)）的（計算機集成化制造系統(tǒng)）的基礎(chǔ)，是其系統(tǒng)集成的主要組成部分，成為提高企業(yè)綜合效益的重要途基礎(chǔ)，是其系統(tǒng)集成的主要組成部分，成為提高企業(yè)綜合效益的重要途徑。徑。(6) 以因特網(wǎng)（以因特網(wǎng)（Internet）、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、控制網(wǎng)或現(xiàn)場總線為通）、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、控制網(wǎng)或現(xiàn)場總線為通信網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)的一種更開放、更分散、集成度更高的分布式計算機控信網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)的一種更開放、更分散、集成度更高的分布式計算機控制網(wǎng)絡(luò)正在迅速發(fā)展，相應(yīng)的控制理論和控制方法也將得到新的發(fā)展。制網(wǎng)絡(luò)正在迅速發(fā)展，相應(yīng)的控制理論和控制方法也將得到新的發(fā)展。51. 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)功能分層體系功能分層

6、體系 集散控制系統(tǒng)的本質(zhì)是：采用分散控制和集中管理的設(shè)計思集散控制系統(tǒng)的本質(zhì)是：采用分散控制和集中管理的設(shè)計思想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則、采用層次化體系結(jié)構(gòu)。想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則、采用層次化體系結(jié)構(gòu)。 圖圖9-2 集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的各層功能集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的各層功能6(1) 第一代集散控制系統(tǒng)第一代集散控制系統(tǒng) 以以1975年由美國霍尼威爾年由美國霍尼威爾（Honeywell）公司首先）公司首先推出的集散系統(tǒng)推出的集散系統(tǒng)TDC-2000為第一代集散系統(tǒng)的為第一代集散系統(tǒng)的標(biāo)志。標(biāo)志。 這一代集散系統(tǒng)主要解決當(dāng)這一代集散系統(tǒng)主要解決當(dāng)時過程工業(yè)控制應(yīng)用中采用時過程工業(yè)

7、控制應(yīng)用中采用模擬電動儀表難以解決的有模擬電動儀表難以解決的有關(guān)控制問題。關(guān)控制問題。 圖圖9-3 第一代集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖第一代集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖7(2) 第二代集散控制系統(tǒng)第二代集散控制系統(tǒng) 20世紀(jì)世紀(jì)80年代，由于微機年代，由于微機技術(shù)的成熟和局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)技術(shù)的成熟和局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進入，使得集散系統(tǒng)得到的進入，使得集散系統(tǒng)得到飛速發(fā)展。第二代集散系統(tǒng)飛速發(fā)展。第二代集散系統(tǒng)以局部網(wǎng)絡(luò)為主干來統(tǒng)領(lǐng)全以局部網(wǎng)絡(luò)為主干來統(tǒng)領(lǐng)全系統(tǒng)工作，系統(tǒng)中各單元都系統(tǒng)工作，系統(tǒng)中各單元都可以看作是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作可以看作是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作站，局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點又可以掛站，局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點又可以掛接橋和網(wǎng)間連接器，并與同接橋

8、和網(wǎng)間連接器，并與同網(wǎng)絡(luò)和異型網(wǎng)絡(luò)相連。網(wǎng)絡(luò)和異型網(wǎng)絡(luò)相連。 特點是系統(tǒng)功能擴大及增強。特點是系統(tǒng)功能擴大及增強。 圖圖9-4 第二代集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖第二代集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖8(3) 第三代集散控制系統(tǒng)第三代集散控制系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)的主要變化是局部網(wǎng)絡(luò)采其結(jié)構(gòu)的主要變化是局部網(wǎng)絡(luò)采用了用了MAP或者是與或者是與MAP兼容、兼容、或者局部網(wǎng)絡(luò)本身就是實時或者局部網(wǎng)絡(luò)本身就是實時MAP LAN。MAP是由美國是由美國GM（通用汽車公（通用汽車公司）負責(zé)制定的，它是一種工廠司）負責(zé)制定的，它是一種工廠系統(tǒng)公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，已逐步成系統(tǒng)公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，已逐步成為一種事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為一種事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。除了

9、局部網(wǎng)絡(luò)的根本進步之外，除了局部網(wǎng)絡(luò)的根本進步之外，第三代集散控制系統(tǒng)的其它單元第三代集散控制系統(tǒng)的其它單元無論是硬件還是軟件，都有很大無論是硬件還是軟件，都有很大的變化，但系統(tǒng)的基本組成變化的變化，但系統(tǒng)的基本組成變化不大，其主要特征為開放系統(tǒng)。不大，其主要特征為開放系統(tǒng)。圖圖9-5 第三代集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖第三代集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖9(4) 第四代集散控制系統(tǒng)第四代集散控制系統(tǒng) 20世紀(jì)世紀(jì)90年代末期至年代末期至21世紀(jì)開始，由于電子信息產(chǎn)世紀(jì)開始，由于電子信息產(chǎn)業(yè)的開放潮流和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟與應(yīng)用，業(yè)的開放潮流和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟與應(yīng)用，DCS廠廠家進一步提升了系統(tǒng)功能范圍，將系統(tǒng)開發(fā)的方

10、式由家進一步提升了系統(tǒng)功能范圍，將系統(tǒng)開發(fā)的方式由原來完全自主開發(fā)變?yōu)榧砷_發(fā)，推出了第四代原來完全自主開發(fā)變?yōu)榧砷_發(fā)，推出了第四代DCS。 共性：共性： 全面支持企業(yè)信息化、系統(tǒng)構(gòu)成集成化、混合控制功能兼容，全面支持企業(yè)信息化、系統(tǒng)構(gòu)成集成化、混合控制功能兼容，營建進一步分散化、智能化和低成本化，系統(tǒng)平臺開放化、應(yīng)營建進一步分散化、智能化和低成本化，系統(tǒng)平臺開放化、應(yīng)用系統(tǒng)專業(yè)化。用系統(tǒng)專業(yè)化。 主要特征為：主要特征為： 信息化和集成化；混合控制系統(tǒng)；融合采用現(xiàn)場總線技術(shù)的進信息化和集成化；混合控制系統(tǒng)；融合采用現(xiàn)場總線技術(shù)的進一步分散化；一步分散化；I/O處理單元小型化、智能化、低成本；

11、系統(tǒng)平處理單元小型化、智能化、低成本；系統(tǒng)平臺開放型與應(yīng)用的專業(yè)化。臺開放型與應(yīng)用的專業(yè)化。10圖圖9-6 和利時第四代集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和利時第四代集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)11(1) 分散性和集中性分散性和集中性系統(tǒng)控制分散、功能分散，負荷分散，從而危險分散。系統(tǒng)控制分散、功能分散，負荷分散，從而危險分散。集中性體現(xiàn)：監(jiān)視集中、操作集中、管理集中。集中性體現(xiàn)：監(jiān)視集中、操作集中、管理集中。(2) 自治性和協(xié)調(diào)性自治性和協(xié)調(diào)性 各工作站獨立自主地完成分配給自己任務(wù)，并通過通信網(wǎng)各工作站獨立自主地完成分配給自己任務(wù)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種信息，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能絡(luò)傳送各種信息，協(xié)調(diào)

12、工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。和優(yōu)化處理。(3) 友好性友好性采用實用而簡潔的人機會話系統(tǒng)，豐富的畫面顯示。采用實用而簡潔的人機會話系統(tǒng)，豐富的畫面顯示。 (4) 適應(yīng)性、靈活性和可擴充性適應(yīng)性、靈活性和可擴充性 采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，具有靈活的配置，可采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，具有靈活的配置，可以適應(yīng)不同用戶的需要。可以根據(jù)生產(chǎn)要求，改變系統(tǒng)的以適應(yīng)不同用戶的需要?？梢愿鶕?jù)生產(chǎn)要求，改變系統(tǒng)的大小配置。大小配置。 12(5) 實時性實時性 采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和管理。使得管采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和管理。使得管理與現(xiàn)場分離，管理更能綜合

13、化和系統(tǒng)化。理與現(xiàn)場分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化。通過人機接口和通過人機接口和I/O接口，可對過程對象進行實時采集、接口，可對過程對象進行實時采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，并包括對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組態(tài)分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，并包括對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維護等，提高了系統(tǒng)的回路的在線修改、局部故障的在線維護等，提高了系統(tǒng)的可用性。可用性。 (6) 可靠性可靠性 廣泛采用了冗余技術(shù)、容錯技術(shù)。各單元都具備自診斷、廣泛采用了冗余技術(shù)、容錯技術(shù)。各單元都具備自診斷、自檢查、自修理功能，故障出現(xiàn)時還可自動報警。自檢查、自修理功能，故障出現(xiàn)時還可自動報警。使集散系統(tǒng)的可靠性和安全

14、性得到大大提高。使集散系統(tǒng)的可靠性和安全性得到大大提高。 13(1) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì) 雙絞線、光釬、同軸電纜等。雙絞線、光釬、同軸電纜等。(2) 數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 基帶傳輸方式基帶傳輸方式 頻帶傳輸方式頻帶傳輸方式 (3) 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu) 星型、環(huán)型和總線星型、環(huán)型和總線/樹型等常見幾種樹型等常見幾種 (4) 網(wǎng)絡(luò)的訪問控制方法網(wǎng)絡(luò)的訪問控制方法集散控制系統(tǒng)采用的信息存取控制方式主要為：集散控制系統(tǒng)采用的信息存取控制方式主要為： CSMACD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取）（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。?令牌環(huán)法令牌環(huán)法 令牌總線令牌總

15、線141. 集散控制系統(tǒng)的組態(tài)類型集散控制系統(tǒng)的組態(tài)類型系統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)組態(tài)完成組成系統(tǒng)的各設(shè)備間的連接；完成組成系統(tǒng)的各設(shè)備間的連接； 畫面組態(tài)畫面組態(tài)完成操作站的各種畫面、畫面間的連接；完成操作站的各種畫面、畫面間的連接； 控制組態(tài)控制組態(tài) 完成各控制器、過程控制裝置的控制結(jié)構(gòu)連接、完成各控制器、過程控制裝置的控制結(jié)構(gòu)連接、參數(shù)設(shè)置等。參數(shù)設(shè)置等。 15指一些包括數(shù)據(jù)采集與工程控制的專用軟件，屬于自動控制監(jiān)控層一指一些包括數(shù)據(jù)采集與工程控制的專用軟件，屬于自動控制監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界

16、面和簡捷的使用方法，可以非常容易實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功發(fā)界面和簡捷的使用方法，可以非常容易實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設(shè)備，向控制層和管設(shè)備，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統(tǒng)的集成。理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統(tǒng)的集成。 組態(tài)軟件的分類：組態(tài)軟件的分類： 國外專業(yè)軟件廠商提供的產(chǎn)品，如美國國外專業(yè)軟件廠商提供的產(chǎn)品，如美國Wonderware公司的公司的INTOUCH、美國、美國Intellution公司的公司的FIX以及西門子公司的以及西門子公司的WINCC 國內(nèi)自行開發(fā)的國產(chǎn)化產(chǎn)品有國內(nèi)自

17、行開發(fā)的國產(chǎn)化產(chǎn)品有Synall、組態(tài)王、力控、組態(tài)王、力控、MAGS、Controlx等。等。 16 如何與采集、控制設(shè)備間進行數(shù)據(jù)交換。如何與采集、控制設(shè)備間進行數(shù)據(jù)交換。 使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計算機圖形畫面上的各元素使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計算機圖形畫面上的各元素關(guān)聯(lián)起來。關(guān)聯(lián)起來。 處理數(shù)據(jù)報警及系統(tǒng)報警。處理數(shù)據(jù)報警及系統(tǒng)報警。 存儲歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢。存儲歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢。 各類報表的生成和打印輸出。各類報表的生成和打印輸出。 為使用者提供靈活、多變的組態(tài)工具，可以適應(yīng)為使用者提供靈活、多變的組態(tài)工具，可以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。 最終生成的應(yīng)用系

18、統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。最終生成的應(yīng)用系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。 具有與第具有與第3方程序的接口，方便數(shù)據(jù)共享。方程序的接口，方便數(shù)據(jù)共享。17 組態(tài)向?qū)Вㄜ浖郑┙M態(tài)向?qū)Вㄜ浖郑?組態(tài)向?qū)峁╊A(yù)定義的參數(shù)，組態(tài)工程師可借鑒它來進行或修改組態(tài)向?qū)峁╊A(yù)定義的參數(shù)，組態(tài)工程師可借鑒它來進行或修改組態(tài)過程。組態(tài)過程。 庫和模塊庫和模塊 已建立的對象可儲存在一個庫內(nèi)，也可將它們從庫中調(diào)出。這樣已建立的對象可儲存在一個庫內(nèi)，也可將它們從庫中調(diào)出。這樣使用戶可以開發(fā)公司、技術(shù)或部門專用的標(biāo)準(zhǔn)，有助于快速建立使用戶可以開發(fā)公司、技術(shù)或部門專用的標(biāo)準(zhǔn)，有助于快速建立項目。項目。 交叉引用組態(tài)交叉引用組態(tài) 可以通過交叉

19、索引列表的畫面，提供處理大量數(shù)據(jù)的組態(tài)工具，可以通過交叉索引列表的畫面，提供處理大量數(shù)據(jù)的組態(tài)工具，具有數(shù)據(jù)的導(dǎo)入具有數(shù)據(jù)的導(dǎo)入/導(dǎo)出功能，可以導(dǎo)入和導(dǎo)出變量、導(dǎo)入和導(dǎo)出導(dǎo)出功能，可以導(dǎo)入和導(dǎo)出變量、導(dǎo)入和導(dǎo)出消息、導(dǎo)入和導(dǎo)出文本。消息、導(dǎo)入和導(dǎo)出文本。 測試、試運行和維護測試、試運行和維護 只需應(yīng)用仿真器就可對一個組態(tài)進行測試。只需應(yīng)用仿真器就可對一個組態(tài)進行測試。 189.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及

20、其時間同步 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法199.2.1 概述概述 9.2.2 現(xiàn)場總線類型現(xiàn)場總線類型9.2.3 典型應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成典型應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成201. 現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（fieldbus co

21、ntrol system） 21 FCS的體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在以下的體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在以下5個方面。個方面。(1) 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線將通信一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備?，F(xiàn)場總線將通信一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備。(2) 現(xiàn)場設(shè)備互連現(xiàn)場設(shè)備互連 現(xiàn)場設(shè)備通過一對傳輸線（如雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等）現(xiàn)場設(shè)備通過一對傳輸線（如雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等）互連。互連。(3) 控制功能分散控制功能分散 輸入輸入/輸出單元和控制站的部分功能分散給現(xiàn)場智能儀表，從而構(gòu)成輸出單元和控制站的部分功能分散給現(xiàn)場智能儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。虛擬控制站。(4) 通信線供電通信線供電

22、允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量。允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量。(5) 開放式互連網(wǎng)絡(luò)開放式互連網(wǎng)絡(luò) 既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互連，又可以與不同層的網(wǎng)絡(luò)互連，同時還體現(xiàn)在既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互連，又可以與不同層的網(wǎng)絡(luò)互連，同時還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠商的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。商的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。22(1) 可靠性高、有較強的抗干擾能力可靠性高、有較強的抗干擾能力(2) 具有高度的控制功能分散性具有高度的控制功能分散性(3) 現(xiàn)場儀表或設(shè)備

23、具有高度的智能化與功能自主性，可完現(xiàn)場儀表或設(shè)備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能。成控制的基本功能。(4) 開放性開放性 FCS對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換，通通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換，通過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。(5) 互操作性和互用性互操作性和互用性 互操作性指互連設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通?；ビ脛t意味著互操作性指互連設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通。互用則意

24、味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。 23 (1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省硬件數(shù)量與投資 (2) 節(jié)省安裝費用節(jié)省安裝費用 (3) 節(jié)省系統(tǒng)維護開銷節(jié)省系統(tǒng)維護開銷 (4) 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán) (5) 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性24幾種較流行的現(xiàn)場總線幾種較流行的現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線 CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）（控制器局域網(wǎng)絡(luò)） LonWorks（局部操作網(wǎng)絡(luò)）（局部操作網(wǎng)絡(luò)） PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線）（過程現(xiàn)場總線） PROFIBUSFMS（現(xiàn)場信息規(guī)

25、范）（現(xiàn)場信息規(guī)范）PROFIBUSPA（Process Field Bus）PROFIBUSDP（Distributed Periphery） HART總線總線 可尋址遠程傳感器高速通道的開放協(xié)議可尋址遠程傳感器高速通道的開放協(xié)議 259.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法26

26、 工業(yè)以太網(wǎng)是指用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的以太網(wǎng)技術(shù)，最初工業(yè)以太網(wǎng)是指用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的以太網(wǎng)技術(shù)，最初是為辦公自動化發(fā)展起來的，因此這種商用主流的通信技是為辦公自動化發(fā)展起來的，因此這種商用主流的通信技術(shù)發(fā)展至今已有應(yīng)用廣泛、價格低廉、傳輸速率高、軟硬術(shù)發(fā)展至今已有應(yīng)用廣泛、價格低廉、傳輸速率高、軟硬件資源豐富等技術(shù)優(yōu)勢。件資源豐富等技術(shù)優(yōu)勢。 相比之下，一般的以太網(wǎng)技術(shù)除了通信的吞吐量要求較高相比之下，一般的以太網(wǎng)技術(shù)除了通信的吞吐量要求較高外，對其他性能沒有特殊要求；而工業(yè)控制現(xiàn)場由于其環(huán)外，對其他性能沒有特殊要求；而工業(yè)控制現(xiàn)場由于其環(huán)境的特殊性，對工業(yè)以太網(wǎng)的實時性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)生存境

27、的特殊性，對工業(yè)以太網(wǎng)的實時性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)生存性、安全性等均有很高的要求。性、安全性等均有很高的要求。 9.3.1 控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)9.3.2 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成及其特點以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成及其特點9.3.3 以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)271. 控制網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)技術(shù) 局域網(wǎng)局域網(wǎng)LAN（Local Area Network）的概念產(chǎn)生）的概念產(chǎn)生于于20世紀(jì)世紀(jì)60年代末。年代末。IEEE于于1980年成立的局域網(wǎng)年成立的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會制定了標(biāo)準(zhǔn)委員會制定了802標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 到到20世紀(jì)世紀(jì)80年代，局域網(wǎng)的產(chǎn)品

28、已經(jīng)大量涌現(xiàn)，其典年代，局域網(wǎng)的產(chǎn)品已經(jīng)大量涌現(xiàn)，其典型代表就是以太網(wǎng)。型代表就是以太網(wǎng)。 圖圖9-26 IEEE 802參考模型參考模型28(1) 交換式控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點交換式控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點（與共享式控制網(wǎng)絡(luò)相比與共享式控制網(wǎng)絡(luò)相比） 具有很高的傳輸帶寬，且利用網(wǎng)絡(luò)分段，增加每個端口的可用帶具有很高的傳輸帶寬，且利用網(wǎng)絡(luò)分段，增加每個端口的可用帶寬，還可進一步緩解共享式控制網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。寬，還可進一步緩解共享式控制網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。 容量大，可支持幾十至幾百個接入設(shè)備，并具有組網(wǎng)方便的優(yōu)點。容量大，可支持幾十至幾百個接入設(shè)備，并具有組網(wǎng)方便的優(yōu)點。 一般可以提供無擁塞的服務(wù)與多對端口之

29、間的同時通信，且交換一般可以提供無擁塞的服務(wù)與多對端口之間的同時通信，且交換設(shè)備具有低交換傳輸延時，一般可以滿足實時控制要求。設(shè)備具有低交換傳輸延時，一般可以滿足實時控制要求。 支持虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；支持虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)； 可靠性高。可靠性高。(2) 網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的工作方式網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的工作方式 直通方式直通方式 存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式29圖圖9-30 分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)30圖圖9-31 虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖31 分割功能層分割功能層 VLAN可以有效將管理層與控制層、不同功能單元在邏輯上分割可以有效將管理層與控制層、不同功能單元在邏輯上分割開，使底層控制域的過

30、程控制可以免受管理層的廣播數(shù)據(jù)報的影開，使底層控制域的過程控制可以免受管理層的廣播數(shù)據(jù)報的影響，以保證帶寬。響，以保證帶寬。 分割部門分割部門 通過通過VLAN劃分功能單元，各自的單元子網(wǎng)不受其他網(wǎng)段的影響，劃分功能單元，各自的單元子網(wǎng)不受其他網(wǎng)段的影響，可以保證本部門之間的網(wǎng)絡(luò)的實時性。可以保證本部門之間的網(wǎng)絡(luò)的實時性。 提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性 不同不同VLAN之間的通信必須經(jīng)過第三層路由，可以在核心層交換之間的通信必須經(jīng)過第三層路由，可以在核心層交換機配置路由訪問列表，控制用戶訪問權(quán)限和數(shù)據(jù)流向，達到安全機配置路由訪問列表，控制用戶訪問權(quán)限和數(shù)據(jù)流向，達到安全目的。目的。

31、 簡化網(wǎng)絡(luò)管理簡化網(wǎng)絡(luò)管理 如果對某些終端重新進行網(wǎng)段分配，在采用如果對某些終端重新進行網(wǎng)段分配，在采用VLAN技術(shù)后，只需技術(shù)后，只需網(wǎng)絡(luò)管理人員在網(wǎng)管中心進行網(wǎng)絡(luò)管理人員在網(wǎng)管中心進行VLAN網(wǎng)段的重新分配即可。網(wǎng)段的重新分配即可。32圖圖9-32 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成33(1)以交換式集線器或網(wǎng)絡(luò)交換機為中心，采用星型結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中包括以交換式集線器或網(wǎng)絡(luò)交換機為中心，采用星型結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器。以太網(wǎng)絡(luò)交換機有多種帶寬接口，以滿數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器。以太網(wǎng)絡(luò)交換機有多種帶寬接口，以滿足工業(yè)足工業(yè)PC、PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務(wù)

32、器時對網(wǎng)、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務(wù)器時對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。絡(luò)帶寬的要求。(2) 監(jiān)視工作站用于監(jiān)視控制網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。監(jiān)視工作站用于監(jiān)視控制網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。(3) 控制設(shè)備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)、控制設(shè)備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)、PLC、嵌入式控制系統(tǒng)等。、嵌入式控制系統(tǒng)等。(4) 當(dāng)控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，可采用分段結(jié)構(gòu)，連成更大的網(wǎng)絡(luò)，每一當(dāng)控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，可采用分段結(jié)構(gòu)，連成更大的網(wǎng)絡(luò)，每一個交換式集線器及控制設(shè)備構(gòu)成相對獨立的控制子網(wǎng)。若干個控制子個交換式集線器及控制設(shè)備構(gòu)成相對獨立的控制子網(wǎng)。若干個控制子網(wǎng)互聯(lián)組成規(guī)模較大的控

33、制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)互聯(lián)組成規(guī)模較大的控制網(wǎng)絡(luò)。(5) 以太控制網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議為以太控制網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議為IEEE 802.3、基本通信協(xié)議采用、基本通信協(xié)議采用TCP/IP，高級應(yīng)用協(xié)議為，高級應(yīng)用協(xié)議為CORBA或或DCOM，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為Windows、Linux或或Unix。(6) 實時控制網(wǎng)絡(luò)軟件是集實時控制、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸、信息共享、實時控制網(wǎng)絡(luò)軟件是集實時控制、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸、信息共享、網(wǎng)絡(luò)管理于一體的龐大而復(fù)雜的軟件工程。網(wǎng)絡(luò)管理于一體的龐大而復(fù)雜的軟件工程。 341.實時性實時性通過限制總線上的站點數(shù)目、控制網(wǎng)絡(luò)流量，使總線保持在輕負荷工通過限制總線上的站點數(shù)目、

34、控制網(wǎng)絡(luò)流量，使總線保持在輕負荷工作條件；作條件；通過全雙工以太網(wǎng)交換技術(shù)可以完全避免通過全雙工以太網(wǎng)交換技術(shù)可以完全避免CSMACD碰撞，通過半雙碰撞，通過半雙工以太網(wǎng)交換技術(shù)可以極大降低碰撞的可能性，并提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利工以太網(wǎng)交換技術(shù)可以極大降低碰撞的可能性，并提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率和實時性。用率和實時性。 2.工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量服務(wù)工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量服務(wù)(QoS)目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。 3.網(wǎng)絡(luò)生存性網(wǎng)絡(luò)生存性 包括：可靠性、可恢復(fù)性和可管理性包括：可靠性、可恢復(fù)性和可管理性 4.網(wǎng)絡(luò)安全性網(wǎng)絡(luò)安全性 5.總線供電與安全防暴技術(shù)總線供電與安全防

35、暴技術(shù) 6.可互操作性和遠距離傳輸可互操作性和遠距離傳輸 359.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法36 主要是實現(xiàn)信息交換和資源共享。主要是實現(xiàn)信息交換和資源共享。圖圖9-33 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的主要集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的主要集成技術(shù)37 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，是指將分布在不同地理

36、位置的網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，是指將分布在不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備相連接，構(gòu)成更大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。設(shè)備相連接，構(gòu)成更大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)要解決的兩個問題：控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)要解決的兩個問題： 物理互聯(lián)物理互聯(lián) 邏輯互聯(lián)（即互聯(lián)軟件）邏輯互聯(lián)（即互聯(lián)軟件） 網(wǎng)絡(luò)連接方式：網(wǎng)絡(luò)連接方式： 對于同構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)，可以通過網(wǎng)橋進行對于同構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)，可以通過網(wǎng)橋進行連接；連接； 對于異構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)，則進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的對于異構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)，則進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的兩種主要部件為路由器和網(wǎng)關(guān)。兩種主要部件為路由器和網(wǎng)關(guān)。38 動態(tài)數(shù)據(jù)交換（動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）

37、協(xié)議使用共享內(nèi)存在應(yīng)用程）協(xié)議使用共享內(nèi)存在應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù)，完成應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。序之間傳輸數(shù)據(jù)，完成應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。圖圖9-34 應(yīng)用應(yīng)用DDE實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成39 當(dāng)兩個網(wǎng)絡(luò)在地理上相距較遠時，可應(yīng)用當(dāng)兩個網(wǎng)絡(luò)在地理上相距較遠時，可應(yīng)用遠程通信技術(shù)來實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)遠程通信技術(shù)來實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。的集成。 遠程通信技術(shù)：遠程通信技術(shù)：1. 利用調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信技術(shù)利用調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信技術(shù)2. 基于基于TCP/IP通信技術(shù)通信技術(shù) 40 一般的信息網(wǎng)絡(luò)采用開放式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，一般的信息網(wǎng)絡(luò)采用開放式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這

38、樣可以通過數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)來方便地實這樣可以通過數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)來方便地實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。 常用的訪問數(shù)據(jù)庫應(yīng)用編程接口常用的訪問數(shù)據(jù)庫應(yīng)用編程接口API： ODBC（Open Database Connectivity）API 固有連接固有連接API JDBC（Java Database Connectivity）API 419.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步

39、 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法429.5.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)定義及存在問題網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)定義及存在問題9.5.2 傳輸延遲的分析傳輸延遲的分析9.5.3 網(wǎng)絡(luò)控制的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)控制的時鐘同步431. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的定義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的定義通過網(wǎng)絡(luò)實時交換數(shù)據(jù)而形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)實時交換數(shù)據(jù)而形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。 2. 將傳輸網(wǎng)絡(luò)引入閉環(huán)控制系統(tǒng)所帶來的問題將傳輸網(wǎng)絡(luò)引入閉環(huán)控制系統(tǒng)所帶來的問題(1) 大大增加系統(tǒng)分析和設(shè)計的復(fù)雜性。大大增加系統(tǒng)分析和設(shè)計的復(fù)雜性。(2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸存在傳輸延

40、遲且是時變的。網(wǎng)絡(luò)傳輸存在傳輸延遲且是時變的。(3) 網(wǎng)絡(luò)傳輸中有數(shù)據(jù)包丟失等現(xiàn)象發(fā)生。網(wǎng)絡(luò)傳輸中有數(shù)據(jù)包丟失等現(xiàn)象發(fā)生。44 傳輸延遲又可分為：傳輸延遲又可分為： 處理延遲處理延遲 排隊延遲排隊延遲 傳送延遲傳送延遲 傳播延遲傳播延遲圖圖9-38 交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸過程交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸過程451. 時鐘同步的提出時鐘同步的提出建立公共時鐘基的過程就稱為時鐘同步。建立公共時鐘基的過程就稱為時鐘同步。 2. 時鐘同步的解決方法時鐘同步的解決方法硬件同步硬件同步利用時鐘硬件設(shè)備（如利用時鐘硬件設(shè)備（如GPS接收機等）進行局部時鐘間的接收機等）進行局部時鐘間的同步，其操作對象往往是計算機內(nèi)部的

41、或外接的硬件時鐘。同步，其操作對象往往是計算機內(nèi)部的或外接的硬件時鐘。軟件同步軟件同步指利用軟件同步算法進行節(jié)點局部時鐘的同步。指利用軟件同步算法進行節(jié)點局部時鐘的同步。混合同步混合同步是硬件和軟件相結(jié)合的同步方法。是硬件和軟件相結(jié)合的同步方法。主要思路是：在軟件同步無法獲得滿意的同步精度的節(jié)點中主要思路是：在軟件同步無法獲得滿意的同步精度的節(jié)點中引入硬件同步，從而提高整個系統(tǒng)的同步精度。引入硬件同步，從而提高整個系統(tǒng)的同步精度。 469.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)

42、與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法47 執(zhí)行器的工作方式可以分為執(zhí)行器的工作方式可以分為:時間驅(qū)動時間驅(qū)動_執(zhí)行器在采樣時鐘的作用下等周期對控制信號采執(zhí)行器在采樣時鐘的作用下等周期對控制信號采樣，然后施加到被控制對象上。樣，然后施加到被控制對象上。事件驅(qū)動事件驅(qū)動_控制信號到達執(zhí)行器后，執(zhí)行器立刻將控制信號控制信號到達執(zhí)行器后，執(zhí)行器立刻將控制信號施加到被控對象上。施加到被控對象上。9.6.1 基于事件驅(qū)動的穩(wěn)定性分析基于事件驅(qū)動的

43、穩(wěn)定性分析9.6.2 基于時間驅(qū)動的穩(wěn)定性分析基于時間驅(qū)動的穩(wěn)定性分析圖圖9-39 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖481.基于事件驅(qū)動的被控對象離散模型基于事件驅(qū)動的被控對象離散模型2. 基于事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析基于事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析考察每一采樣延遲小于一個采樣周期的簡單系統(tǒng)模型考察每一采樣延遲小于一個采樣周期的簡單系統(tǒng)模型周期為周期為T的采樣系統(tǒng)：的采樣系統(tǒng)： 擴展?fàn)顟B(tài)為擴展?fàn)顟B(tài)為 10mkkskik iiXA XB U01(1)( )() ( )() (1)( )( )kkx kx ku ku ky kCx k ( )( ),(1)TTw kxk

44、u k(1)( ) ( )w kk w k針對最簡單一階系統(tǒng)：針對最簡單一階系統(tǒng)：( )( )x tu t 根據(jù)離散系統(tǒng)穩(wěn)定性要求根據(jù)離散系統(tǒng)穩(wěn)定性要求 ，有，有圖圖9-41 積分控制的穩(wěn)定區(qū)域積分控制的穩(wěn)定區(qū)域491. 基于時間驅(qū)動的被控對象離散模型基于時間驅(qū)動的被控對象離散模型2. 基于時間驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析基于時間驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1( )kdkdk m kXA XB Uk時刻控制信號的時刻控制信號的傳輸延遲傳輸延遲 假設(shè)：采樣周期恒定為假設(shè)：采樣周期恒定為T T、實際傳輸延遲整數(shù)化、省略周期、實際傳輸延遲整數(shù)化、省略周期T T的書寫。的書寫。 被控對象方程被控對

45、象方程 控制器方程控制器方程 kkkkkkCXYBUAXXcp)(1kkkkkkHZUGYFZZpc)(1)(1)(1kkkkkkkkpccpGCYFZZBHZAXX50)(1)(1kkkkkkkkpccpGCYFZZBHZAXXkkkXX1TTkTkTkTkTkTkkZXZXZXXmaxmax,11)(max),(maxmaxmaxkkcpkpck)(),(kkQpccpk000000000max210IIIAAAAFGBAA000其中：其中：00iiiGBA), 2 , 1(maxi)(,0)(,kikiGCGpcpci)(,0)(,kikiBHBcpcpi系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由由 決

46、定決定矩陣集合矩陣集合 519.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)9.4 控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)9.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法52基本思想：基本思想：將隨機延遲轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對轉(zhuǎn)化將隨機延遲轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對轉(zhuǎn)化后的固定延遲設(shè)計時延網(wǎng)絡(luò)控制器，也就是后的固定延遲設(shè)計時延網(wǎng)絡(luò)控制器，也就是將一個不確定性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個定常系統(tǒng)。

47、將一個不確定性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個定常系統(tǒng)。方法步驟：方法步驟：1. 對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的幾點假設(shè)：對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的幾點假設(shè)：控制器和執(zhí)行器都采用時間驅(qū)動控制器和執(zhí)行器都采用時間驅(qū)動各部分延遲都有確定的上界各部分延遲都有確定的上界執(zhí)行器、被控對象和傳感器在同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，執(zhí)行器、被控對象和傳感器在同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，并統(tǒng)稱為被控對象。并統(tǒng)稱為被控對象。 532. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的被控對象狀態(tài)方程網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的被控對象狀態(tài)方程1 , 0 ,0n nn pkkk mq nk lk lXAXBuARBRmyCXCRl 54(1)實例證明對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制實例證明對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來設(shè)計控制器，雖系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來設(shè)計控制器，雖