計算機控制技術(shù)教案(第七章)

《計算機控制技術(shù)教案》第七章分散型測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

《計算機控制技術(shù)教案》《計算機控制技術(shù)教案》1分布式控制系統(tǒng)概念分布式計算機控制系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)，簡稱DCS（DistributedControlSystem），它是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復雜的過程控制要求，從綜合自動化的角度出發(fā)，按功能分散、管理集中的原則構(gòu)思，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，綜合計算機（Computer）、通信（Communication）、終端顯示（CRT）和控制（Control）技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)?！队嬎銠C控制技術(shù)教案》2分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展

第一階段（1975年—1980年）

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代表產(chǎn)品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等

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主要由過程控制單元PCU、數(shù)據(jù)采集裝置DAU、CRT操作站、監(jiān)控計算機和數(shù)據(jù)高速公路HW五部分組成。《計算機控制技術(shù)教案》2分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展第二階段（1980年—1985年）

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主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的CentumA，B，D等

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主要由局部網(wǎng)絡(luò)LAN、多功能控制器MC、增強型操作站EOS、通用操作站US、網(wǎng)間連接器GW、系統(tǒng)管理模塊SMM和主計算機HC七部分組成《計算機控制技術(shù)教案》2分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展◆

第三階段（1985年—1990年）

—DCS向計算機網(wǎng)絡(luò)控制擴展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進一步結(jié)合起來，并且加強斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)和開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動化協(xié)議MAP標準，以及硬件上的諸多新技術(shù)，從而克服了自動化孤島問題

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典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等《計算機控制技術(shù)教案》2分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展◆

第四階段（1990年以后）

—DCS管控一體化出現(xiàn)，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)，并可與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富，一些優(yōu)化和管理良好的界面的軟件被開發(fā)并移植到DCS中

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典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，日本橫河公司的Centum-CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的I/AS50/51系統(tǒng)等《計算機控制技術(shù)教案》3分布式控制系統(tǒng)的特點DCS的特點◆

分級遞階控制◆硬件積木化◆

軟件模塊化：工程師站組態(tài)軟件、操作站實時監(jiān)控軟件以及過程控制站軟件◆

控制系統(tǒng)用組態(tài)方法生成◆

通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用◆

可靠性高：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)、抗干擾技術(shù)和高性能的元件

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開放系統(tǒng)：可移植性、互操作性、可適宜性、可得到性《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)◆分散過程控制級（面向生產(chǎn)過程）

★功能：完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制等功能

★裝置：現(xiàn)場控制站（工業(yè)控制機）可編程序控制器（PLC）智能調(diào)節(jié)器其它測控裝置

《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)

★現(xiàn)場控制站

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主要由機箱（柜）、電源、PC總線工業(yè)控制機、通信控制單元、手動、自動顯示操作單元等構(gòu)成

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其功能主要有6種，即數(shù)據(jù)采集功能、DDC控制功能、順序控制功能、信號報警功能、打印報表功能、數(shù)據(jù)通信功能

《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)★智能調(diào)節(jié)器

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一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表—

智能調(diào)節(jié)器不僅可接受4～20mA，DC電流信號輸入的設(shè)定值，還具有異步通信接口RS－422／485、RS－232等，可與上位機連成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，接受上位機下傳的控制參數(shù)，并上報各種過程參數(shù)

《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)◆集中操作監(jiān)控級（面向操作員和系統(tǒng)工程師）

★功能：以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，兼有部分管理功能。配備計算機及外設(shè)，以及相應(yīng)軟件，對生產(chǎn)過程實行高級控制策略、故障診斷、質(zhì)量評估

★組成：監(jiān)控計算機 工程師顯示操作站 操作員顯示操作站

《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)★顯示工作站

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主要由鍵盤、CRT顯示器和打印機構(gòu)成

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主要是實現(xiàn)和操作員以及工程師有關(guān)的系統(tǒng)的功能：操作員在運轉(zhuǎn)整個系統(tǒng)時必要的操作功能，工程師為了進行系統(tǒng)的生成和維護時必要的工程師功能《計算機控制技術(shù)教案》4DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)◆綜合信息管理級

★功能：實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息管理（主要包括生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理）

★組成：管理計算機、辦公自動化系統(tǒng)、工廠自動化服務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)用了MIS系統(tǒng)《計算機控制技術(shù)教案》5DCS的軟件體系◆

系統(tǒng)軟件

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提供系統(tǒng)運行和管理的基本環(huán)境◆組態(tài)軟件

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對過程管理系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的定義、確定各設(shè)備的工作要求，設(shè)備網(wǎng)地址分配、定義各種控制點、點數(shù)據(jù)在顯示圖上的編排等◆應(yīng)用軟件

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用于整個生產(chǎn)過程的操作和控制，過程數(shù)據(jù)收集，信息分析、優(yōu)化，監(jiān)控控制，外來設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化及完善《計算機控制技術(shù)教案》6DCS的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)◆

通信網(wǎng)絡(luò)分類

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低速、中速、高速◆網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

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星型、總線型、樹型、環(huán)型◆網(wǎng)絡(luò)訪問控制方式

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令牌傳送協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議《計算機控制技術(shù)教案》《計算機控制技術(shù)教案》7、工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)Profibus現(xiàn)場總線AS-i總線《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，所以現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS）是由現(xiàn)場總線和現(xiàn)場設(shè)備組成的控制系統(tǒng)，這是繼電式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)?！队嬎銠C控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)FCS對DCS的變革《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)◆

FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化◆FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，它廢棄了DCS的輸入／輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之

◆FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性

◆FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫◆FCS的技術(shù)和標準實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用

《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線的分類◆

全功能數(shù)字網(wǎng)絡(luò)

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提供從物理層到用戶層的所有功能，標準化工作比較完善

◆傳感器網(wǎng)絡(luò)

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以CAN（ControllerAreaNetwork）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線

◆數(shù)字信號串行線

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最簡單的數(shù)據(jù)總線，不提供應(yīng)用層和用戶層《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線的實質(zhì)◆

現(xiàn)場總線的定義

★ISASP50（美國儀表協(xié)會標準）中對現(xiàn)場總線的定義

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現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即場地級設(shè)備）之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系★國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF的定義

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現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)

★現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義

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現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

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現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)

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互操作性

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分散功能塊

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通信線供電

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開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)◆

現(xiàn)場總線的協(xié)議

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現(xiàn)場總線一般采用國際標準組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，OSI協(xié)議是為計算機聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中所有要處理的要素都是通過共同的路徑進行通信的，那么不管它是不是計算機網(wǎng)絡(luò)都可以使用該協(xié)議

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各廠家在實際制定自己的通信協(xié)議時，往往依據(jù)側(cè)重點的不同，僅實現(xiàn)該7層協(xié)議的子集《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)◆

現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成

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從物理結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)場總線系統(tǒng)有兩個主要組成部分：現(xiàn)場設(shè)備和傳輸介質(zhì)，其中現(xiàn)場設(shè)備由現(xiàn)場微處理芯片及外圍電路構(gòu)成，傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等

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現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)有很多種，如總線型、環(huán)型、樹型、星型等《計算機控制技術(shù)教案》現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)

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現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照OSI參考模型建立的，OSI參考模型共分7層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表達層和應(yīng)用層，現(xiàn)場總線將上述7層簡化為3層，分別由OSI參考模式的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層組成，并增加了用戶層《計算機控制技術(shù)教案》工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)

在物流自動化領(lǐng)域，越來越多的企業(yè)需要建立包含從工廠現(xiàn)場設(shè)備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)管控平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對制造業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標準。該技術(shù)基于工業(yè)標準，利用了交換以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、可操作性和實效性，最大限度地滿足了用戶和生產(chǎn)廠商的需求。工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本、高實效、高擴展性及高智能的魅力，吸引著越來越多的制造業(yè)廠商?！队嬎銠C控制技術(shù)教案》工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)辦公室網(wǎng)絡(luò)相比，有一些不同之處，如表所示。辦公室網(wǎng)絡(luò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合普通辦公場合工業(yè)場合、工況惡劣，抗干擾性要求較高拓撲結(jié)構(gòu)支持線形、環(huán)形、星形等結(jié)構(gòu)支持線形、環(huán)形、星形等結(jié)構(gòu)，并便于各種結(jié)構(gòu)的組合和轉(zhuǎn)換，簡單的安裝，最大的靈活性和模塊性，高擴展能力可用性一般的實用性需求，允許網(wǎng)絡(luò)故障時間以秒或分鐘計極高的實用性需求，允許網(wǎng)絡(luò)故障時間＜300ms以避免生產(chǎn)停頓網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控必須有專人員使用專用工具完成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控成為工廠監(jiān)控的一部分，網(wǎng)絡(luò)模塊可以被HMI軟件如WinCC監(jiān)控，故障模塊容易更換《計算機控制技術(shù)教案》工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題1、通信實時性問題以太網(wǎng)采用的CSMA/CD(Carriersensemultipleaccess/collisiondetection)的介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實時的。平等競爭的介質(zhì)訪問控制方式不能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺膶崟r性要求。因此以太網(wǎng)一直被認為不適合在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用。需要有針對這一問題的切實的解決方案。2、對環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性的問題

以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計的，將它用于工業(yè)控制環(huán)境，其環(huán)境適應(yīng)能力、抗干擾能力等是許多從事自動化的專業(yè)人士所特別關(guān)心的。在產(chǎn)品的設(shè)計時要特別注重材質(zhì)、元器件的選擇。使產(chǎn)品在強度、溫度、濕度、振動、干擾、輻射等環(huán)境參數(shù)方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。還要考慮到在工業(yè)環(huán)境下的安裝要求，例如采用DIN導軌式安裝等。像RJ45一類的連接器，在工業(yè)上應(yīng)用太易損壞，應(yīng)該采用帶鎖緊機構(gòu)的連接件，使設(shè)備具有更好抗振動、抗疲勞能力。《計算機控制技術(shù)教案》Profibus現(xiàn)場總線PROFIBUS是國際性的開放的現(xiàn)場總線標準PROFIBUS標準是完整的、開放的、與制造商無關(guān)的、已經(jīng)生效的一種標準

節(jié)省硬件和安裝費用

節(jié)省工程費用

更大的制造靈活性

減少故障時間

準確、可靠的診斷數(shù)據(jù)

可靠的數(shù)字傳輸技術(shù)《計算機控制技術(shù)教案》PROFIBUS減少40%的安裝費用工程費組裝費硬件費51%23%27%22%22%12%0%50%100%硬件組裝工程100%57%Today(4...20mA)PROFIBUS27%《計算機控制技術(shù)教案》Profibus總線通信方式PROFIBUS主動站、主設(shè)備被動站、從設(shè)備多主通信和主從通信PLCPLCPC主設(shè)備間的邏輯令牌環(huán)《計算機控制技術(shù)教案》AS-I總線在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，PROFIBUS等可以解決現(xiàn)場級和車間級設(shè)備的通信問題，但工業(yè)自動化現(xiàn)場信號均要落實到具體的傳感器或執(zhí)行器上，這些設(shè)備散落在工廠的每個角落，數(shù)量龐大。它們不可能全都連接到PROFIBUS等高級總線上。因此，必須有一種低級的總線可以完成該任務(wù)，通過這種總線，可以將最低級設(shè)備連接到高層網(wǎng)絡(luò)中，從而構(gòu)成完整的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)。AS-I的意思源自actuator-sensor-interface被公認為是一種最好的，最簡單的和最低成本的底層現(xiàn)場總線，它通過高柔性和高可靠性的單根電纜把現(xiàn)場具有通信能力的傳感器和執(zhí)行器連接起來。

《計算機控制技術(shù)教案》AS-I特點和技術(shù)規(guī)范

1．簡單。主站和從站的內(nèi)部程序都是生產(chǎn)廠商預先在設(shè)備中寫好的，用戶只需按照要求做好基本的設(shè)置即可。而且傳輸電纜的連接也非常簡單，不需要做傳統(tǒng)的剝線等繁瑣的工