《微型計算機控制技術》于海生第8章1

第ba章分布式測控網(wǎng)絡技術

數(shù)據(jù)通信是工業(yè)測控網(wǎng)絡和分散型測控系統(tǒng)的關鍵技術。對于大規(guī)模工業(yè)測控系統(tǒng)，需要將任務分給多個計算機系統(tǒng)并行工作，不同地理位置和不同功能計算機之間需要按照統(tǒng)一的協(xié)議連接和交換信息就構成計算機分布式測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。本章主要介紹工業(yè)網(wǎng)絡和通信技術、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線技術、綜合自動化技術和分布式測控網(wǎng)絡設計舉例。8.2基于串行總線的測控網(wǎng)絡技術8.2.1RS-232/RS-422/RS-485串行通信總線8.2.2RS-485總線測控網(wǎng)絡設計8.2.3RS-485總線測控網(wǎng)絡設計舉例8.2.1RS-232/422/485串行通信總線

（1）平衡和不平衡傳輸方式不平衡傳輸方式存在共模干擾

（2）RS-232C單線傳輸?shù)鼐€作為信號回路雙絞線，自成回路單線輸入雙端差動輸入

（3）RS-422A/RS-485全雙工工作方式半雙工工作方式（4）RS-485多點互連8.2.2RS-485總線測控網(wǎng)絡設計

基于RS-485的分布式測控系統(tǒng)基本結構圖8.2.2RS-485總線測控網(wǎng)絡設計由于PC或IPC一般只配有傳統(tǒng)的RS-232C接口，為了在實際應用中把處于遠距離的兩臺或多臺帶有RS-485接口的模塊連接起來，進行通訊或組成分布式系統(tǒng)，不能直接應用RS-232C連接，需要使用RS-232/RS-485轉換環(huán)節(jié)（如ADAM-4520模塊）來解決。應用RS-485聯(lián)網(wǎng)構成的主從式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，其結構如圖8-14所示。主機轉換器中繼器RS-232RS-48545204510從站1從站N從站N+1從站N+M……RS-485

基于ADAM-4000系列的RS-485總線測控網(wǎng)絡8.2.2RS-485總線測控網(wǎng)絡設計1.ADAM模塊遠程通信計算機與ADAM4000模塊之間的數(shù)據(jù)交換有三個步驟。1）設備要求傳送數(shù)據(jù)時，計算機會傳送一個字符串過去。此字符串的第一個字符是前導符，在前導符之后的是地址，地址之后是要設備解讀的命令或數(shù)據(jù)。2）當設備收到要求字符串，并經(jīng)判讀確定后，便會送出計算機所要求的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被送出時會在其之前加上前導符與地址。3）計算機收到設備傳送回來的字符串后，進行檢查，當檢查完成后，回送一個確定的字符串給設備，以說明計算機已成功收到字符串；而若傳送失敗，計算機也在此回送的字符串中要求設備重發(fā)數(shù)據(jù)。計算機與ADAM4000模塊之間的數(shù)據(jù)交換的三個步驟ADAM4520要求第一段字符串接收第二段字符串確認第三段字符串

計算機與ADAM4000模塊之間的數(shù)據(jù)交換ADAM4000模塊RS-232RS-485總線8.2.2RS-485總線測控網(wǎng)絡設計2.通信協(xié)議中小型工業(yè)測控網(wǎng)絡支持常用的兩種通信協(xié)議，其一是通過使用特定的字符來執(zhí)行通信控制功能，稱之為面向字符的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其標準為ISO-1745；其二是通過定義各字段長度、位置及作用來實現(xiàn)通信控制功能，所以稱之為面向位流(比特)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。3.通信方法計算機與具有串行通信接口的設備實現(xiàn)通信的方法有三種：第一種是直接端口訪問，實時性強，但界面編寫麻煩，需要了解底層硬件的詳細信息，不支持windows2000及以上操作系統(tǒng)，實際工程中一般不采用；第二種是調用MSCOMM控件，編程方便，具有更完善的發(fā)送和接收功能；第三種是調用WINDOWSAPI函數(shù),使用WINDOWS提供的通信函數(shù)編寫應用程序，要求對WINDOWSAPI函數(shù)有深入了解，編程較難，但程序可移植性強。8.3分布式控制系統(tǒng)(DCS)

分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem-DCS)也稱集散控制系統(tǒng)。DCS綜合了計算機(Computer)技術、控制(Control)技術、CRT顯示技術、通信(Commmunication)技術即4C技術，集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。

8.3.1DCS概述

8.3.2DCS的分散過程控制級

8.3.3DCS的集中操作監(jiān)控級

8.3.4DCS的綜合信息管理級8.3.1DCS概述

DCS的體系結構通常為三級。第一級為分散過程控制級；第二級為集中操作監(jiān)控級；第三級為綜合信息管理級。各級之間由通訊網(wǎng)絡連接，級內各裝置之間由本級的通訊網(wǎng)絡進行通信聯(lián)系。其典型的DCS體系結構如下圖所示。(1)分散過程控制級構成這一級的主要裝置有：①現(xiàn)場控制站(工業(yè)控制機)；②可編程序控制器(PLC)；③智能調節(jié)器；④其它測控裝置。(2)集中操作監(jiān)控級其具體組成包括： ①監(jiān)控計算機； ②工程師顯示操作站； ③操作員顯示操作站。(3)綜合信息管理級這一級由管理計算機、辦公自動化系統(tǒng)、工廠自動化服務系統(tǒng)構成。(4)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)2.DCS的特點DCS具有以下幾個特點：

(1)硬件積木化

(2)軟件模塊化

(3)控制系統(tǒng)組態(tài)

(4)通信網(wǎng)絡的應用

(5)可靠性高3.典型的DCSCENTUM-XL是日本橫河電機推出的分散型控制系統(tǒng)，如下圖所示。分散過程控制級集中操作監(jiān)控級綜合信息管理級8.3.2DCS的分散過程控制級1.現(xiàn)場控制站

(1)現(xiàn)場控制站的構成①機箱(柜)②電源③PC總線工業(yè)控制機④通信控制單元⑤手動/自動顯示操作單元

(2)現(xiàn)場控制站的功能①數(shù)據(jù)采集功能②DDC控制功能③順序控制功能④信號報警功能⑤打印報表功能⑥數(shù)據(jù)通信功能(3)現(xiàn)場控制站的工作方式

①控制模式：自動、軟手動、串級、硬手動、上位機控制模式的優(yōu)先級是：硬手動＞軟手動＞自動＞串級＞上位機。②無擾動切換操作

(a)PV跟蹤(PV是測量值)(b)閥值跟蹤

(c)工作模式判定2.智能調節(jié)器3.可編程序控制器(PLC)8.3.3DCS的集中操作監(jiān)控級1.顯示操作站的構成顯示操作站主要由監(jiān)控計算機、鍵盤、CRT顯示器、打印機等幾部分構成。2.顯示操作站的功能

(1)操作員功能操作員功能主要是指正常運行時的工藝監(jiān)視和運行操作，主要由畫面指示構成。主要包括DDC標準三畫面、圖形顯示功能、趨勢曲線畫面、操作指導畫面、報警畫面。

(2)工程師功能工程師功能主要包括系統(tǒng)的組態(tài)功能、系統(tǒng)的控制功能、系統(tǒng)的維護功能、系統(tǒng)的管理功能等。8.3.4DCS的綜合信息管理級DCS的綜合信息管理級實際上是一個管理信息系統(tǒng)(ManagementInformationSystem,簡稱MIS)，MIS是借助于自動化數(shù)據(jù)處理手段進行管理的系統(tǒng)。MIS由計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫、各種規(guī)程和人共同組成。

1.MIS的基本概念

(1)管理管理工作的六個要素是：目標、信息、人員、資金、設備、物資。

(2)信息

(3)系統(tǒng)2.MIS的組成(1)MIS的硬件組成：管理計算機、綜合管理級(2)MIS的軟件組成①市場經(jīng)營管理子系統(tǒng)市場經(jīng)營管理信息子系統(tǒng)一般由計劃與市場研究、分配、銷售三個部分組成。②生產管理子系統(tǒng)生產管理的職能包括預測、計劃、控制三部分。③財務管理子系統(tǒng)④人事管理子系統(tǒng)3.DCS中MIS的功能8.4現(xiàn)場總線(Fieldbus)控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）是隨著控制、計算機、網(wǎng)絡、通信和信息集成技術的發(fā)展而產生的?，F(xiàn)場總線是連接工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點的串行通訊網(wǎng)絡，與控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表聯(lián)用，組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。8.4.1現(xiàn)場總線概述8.4.2CAN總線技術8.4.3Profibus總線技術8.4.4FF總線技術8.4.5工業(yè)以太網(wǎng)8.4.6設計舉例-基于PLC的Profibus測控網(wǎng)絡8.4.1現(xiàn)場總線概述

1.現(xiàn)場總線及其體系結構現(xiàn)場總線的體系結構主要表現(xiàn)在以下六個方面，如下圖所示。

(1)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡

(2)現(xiàn)場設備互連現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指變送器、執(zhí)行器、服務器和網(wǎng)橋、輔助設備、監(jiān)控設備等，這些設備通過一對傳輸線互連。

(3)互操作性(4)分散功能塊(5)通信線供電(6)開放式互連網(wǎng)絡2.現(xiàn)場總線和FCS的變革(1)現(xiàn)場總線對自動化領域的變革現(xiàn)場總線對當今的自動化領域帶來以下7個方面的變革：用一對通信線連接多臺數(shù)字儀表代替一對信號線只能連接一臺儀表；用多變量、雙向、數(shù)字通信方式代替單變量、單向、模擬傳輸方式；用多功能的現(xiàn)場數(shù)字儀表代替單功能的現(xiàn)場模擬儀表；用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站；用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS；變革傳統(tǒng)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準；變革傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)體系結構、設計方法和安裝調試方法。(2)FCS對DCS的變革①FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡互連。②前面圖示的FCS的系統(tǒng)結構是全分散式，它廢棄了傳統(tǒng)的DCS的輸入／輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站，實現(xiàn)徹底的分散控制。③FCS的現(xiàn)場設備具有互操作性，不同廠商的現(xiàn)場設備既可互連也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性。④FCS的通信網(wǎng)絡為開放式互連網(wǎng)絡，既可同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。⑤FCS的技術和標準實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用。3.現(xiàn)場總線產生的原因(1)模擬儀表的缺點①一對一結構②可靠性差③失控狀態(tài)④互換性差(2)現(xiàn)場總線的優(yōu)點①一對N結構②可靠性高③可控狀態(tài)④互換性⑤互操作性⑥綜合功能⑦分散控制⑧統(tǒng)一組態(tài)⑨開放式系統(tǒng)4.現(xiàn)場總線的發(fā)展過程(1)ISA/SP50(2)PROFIBUS(3)ISP和ISPF(4)WorldFIP(5)HART和HCF(6)FF(現(xiàn)場總線基金會)

8.4.2CAN總線技術控制器局域網(wǎng)絡CAN(ControllerAreaNetwork)是由德國Bosch公司的為汽車的監(jiān)測和控制而設計的，逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領域的控制。CAN已成為國際標準化組織ISO11898標準。

CAN總線協(xié)議也是建立在OSI參考模型基礎上，取其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。通信速率最高可達10Mbps（40m），直接傳輸距離最遠可達10km（5Kbps）。1.CAN總線的技術特性2.CAN總線的通信模型3.CAN總線的網(wǎng)絡結構4.用戶應用層協(xié)議節(jié)點N1接口PC機節(jié)點N2接口現(xiàn)場控制節(jié)點節(jié)點N3接口節(jié)點Nm接口……圖8-21CAN總線控制網(wǎng)絡結構示意圖CAN-HCAN-LCAN總線：CAN總線協(xié)議也是建立在OSI參考模型基礎上，取其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。技術特點：采用多主競爭式總線結構、采用非破壞性總線仲裁技術、廢除傳統(tǒng)的站地址編碼、是高速、具有復雜的錯誤檢測和恢復功能的高可靠性網(wǎng)絡、有豐富的支持器件。Profibus總線技術特點：層次不同功能各異、總線訪問協(xié)議統(tǒng)一、適用性強、協(xié)議芯片數(shù)量多、價格便宜。8.4.3Profibus總線技術過程現(xiàn)場總線Profibus((ProcessFieldBus)是由Siemens公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。廣泛適用于制造業(yè)自動化．流程工業(yè)自動化和樓宇．交通電力等其他領域自動化。Profibus由三個兼容部分組成，即Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）、Profibus-PA（ProcessAutomation）和Profibus-FMS(FieldbusMessageSpecification)。主要使用主-從方式，通常周期性地與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換。Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現(xiàn)場總線標準。Profibus傳送速率為9.6Kbps～12Mbps，相應的通信距離為1200m～100m，可實現(xiàn)總線供電和本質安全防爆。1.Profibus的技術特點2.Profibus總線通信模型3.Profibus總線的網(wǎng)絡結構變送器現(xiàn)場層M1操作站、工程師站車間監(jiān)控層N2Profibus-DP圖8-22Profibus總線的網(wǎng)絡結構Profibus-FMS或Ethernet可編程控制器（PLC）等N1DP/PA耦合器Profibus-PAM2傳動設備傳感器電氣開關執(zhí)行器8.4.4FF現(xiàn)場總線技術FF現(xiàn)場總線標準共有四層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和用戶層。下面簡單介紹該標準各層協(xié)議的主要技術內容。1.物理層(PhysicalLayer)

物理層定義了傳送數(shù)據(jù)幀的結構，信號波形的幅度限制，以及傳輸介質，波特率、功耗和網(wǎng)拓撲結構。①傳輸介質可以采用有線電纜、光纖和無線通信。②通過有線電纜傳送信號的波特率定義了兩種速率標準：H1：31.25Kbps低速率網(wǎng)絡；H2：1Mbps/2.5Mbps高速網(wǎng)絡。③H1標準最大傳輸距離為1900米(無需中繼器)，最多串接四臺中繼器。H2標準在1Mbps波特率下，最大傳送距離750米；在2.5Mbps波特率下，最大傳送距離500米。④現(xiàn)場總線協(xié)議支持總線型、樹型和點對點型三種拓撲結構。⑤編碼方式和報文結構2.數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)

這一層由上下兩部分組成：下層部分功能是對傳輸介質傳送的信號進行發(fā)送、接收控制；上層部分功能是對數(shù)據(jù)鏈路進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的裝置。3.應用層(ApplicationLayer)

現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報文規(guī)范FMS兩部分構成了應用層?，F(xiàn)場總線訪問子層FAS(FieldbusAccessSublayer)提供3類服務：發(fā)布/索取(Publisher/Subscriber)，客戶機/服務器(Client/Server)，報告分發(fā)(ReportDistribution)，這3類服務被稱為虛擬通信關系VCR(VirtualCommunicationRelationships)。4.用戶層用戶層規(guī)定了標準的“功能塊”供用戶組態(tài)成為系統(tǒng)。利用功能塊數(shù)據(jù)結構執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、控制和輸出功能。每一個功能塊包含一種對數(shù)據(jù)進行處理的算法。用戶為每一個功能塊定義一個名稱，稱為塊標記。在同一網(wǎng)絡中名稱必須唯一。數(shù)據(jù)被分解成輸入、輸出和內部變量。8.4.5工業(yè)以太網(wǎng)1.以太網(wǎng)概述以太網(wǎng)是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準，組建于七十年代早期。Ethernet(以太網(wǎng)）是一種傳輸速率為10Mbps的常用局域網(wǎng)（LAN）標準。

2.工業(yè)以太網(wǎng)所謂工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialEthernet)，就是應用于工業(yè)自動化領域的以太網(wǎng)技術。3.原理及體系結構工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有多種，如HSE、ProfiNet、Ethernet/IP、ModbusTCP等，它們在本質上仍基于以太網(wǎng)技術（即IEEE802.3標準）。4.工業(yè)以太網(wǎng)的應用應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層ISO/OSI模型TCP/UDPIPIEEE802.3傳輸層應用層工業(yè)以太網(wǎng)圖8-24工業(yè)以太網(wǎng)通信模型8.4.6設計舉例-基于PLC的Profibus測控網(wǎng)絡1.Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成2.Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構3.Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的相關軟件8.5系統(tǒng)集成與集成自動化系統(tǒng)8.5.1系統(tǒng)集成的含義與框架8.5.2集成自動化系統(tǒng)的體系結構8.5.3綜合自動化技術8.4.1系統(tǒng)集成的含義與框架1.系統(tǒng)集成的含義系統(tǒng)集成(SystemIntegration)可理解為：按系統(tǒng)整體性原理，將原來沒有聯(lián)系或聯(lián)系不緊密的元素組成為具