计算机控制系统第8章-课件

1、第8章 计算机网络控制技术 8.1 计算机工业网络基础 8.2 集散控制系统8.3 现场总线控制系统8.4 以太控制网络系统兰州交通大学自动化学院8.5 控制网络与信息网络的集成技术 1总体结构（一个用于工业控制领域的通信系统示意图） 兰州交通大学自动化学院图8-l 一个用于工业控制领域的通信系统示意图2网络的三大功能： 网络的类型8.1 计算机工业网络基础 （l）数据传送（2）资源共享（3）提高计算机的可靠性和可用性 通信网络的类型可以按不同的标准进行划分，按网络范围和计算机之间互连的距离可分为广域网（WAN）和局域网（LAN）两种。兰州交通大学自动化学院1. 网络功能及分类 32. 网络拓

2、扑结构(1) 星形结构 星形结构的特点： b. 控制简单，建网 容易，通信功能 简单。 c. 网络延迟时间小， 传输误差较低。a. 结构简单，便于 管理。兰州交通大学自动化学院图82(a) 局域网星形拓扑结构 4(2) 环形结构 环形结构的特点： a. 在环路上，每个节点的地 位是相同的，每个节点都 可以获得网络的控制权。 b. 不需要进行路径选择，控 制比较简单，意味在环形 结构中，信息从源地址到 目的地的路径只有一条。 c. 传输信息的延迟时间固 定，有利于实时控制。兰州交通大学自动化学院图82(b) 局域网环形拓扑结构5(3) 总线形结构 总线形结构的特点：c. 由于多台设备共用一条通信

3、线，所以信道利用率较高。较好的扩充性，网 络上节点的增删容 易，网络大小可通 过转接部件延伸和 扩展。b. 不需要中央控制 器，有利于分布 控制，可靠性高。兰州交通大学自动化学院图82(c) 局域网总线形拓扑结构6d树形结构 树形结构的特点： 树形结构是分层结构，适用于分级管理和分级控制系统。与星形结构相比，由于通信线路总长度较短，故它连网成本低，易于维护和扩展，但结构较星形结构复杂。兰州交通大学自动化学院图82(d) 局域网树形拓扑结构73. 网络传输介质 传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物理通道，起了设备互连和传播信息的作用。传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞线、

4、同轴电缆、光纤等）和无线介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的载体）。 4. 网络访问控制 信息访问控制有：查询、令牌环、令牌总线、CSMACD、信息槽等，其功能是合理解决信道的分配问题。 5. 信息交换技术 信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容，它分为两类：线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为两种：报文存储转发交换与报文分组存储转发交换。兰州交通大学自动化学院86. 网络协议及其层次结构 在通信网络中所有“成员”必须遵循某种相互都能接受的一组规则，以便实现彼此的通信和资源共享。这些规则的集合称为网络协议。在计算机网络中各终端用户之间，用户与资源之间或资源与资源之间的

5、对话与合作必须按照预先规定的协议进行。 利用分层方法，我们可以容易地实现网际联网、网络配置间的连接。1977年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型OSI（Open System InterconnectionReference Model）。这个网络层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。兰州交通大学自动化学院图8-5 OSI模型97. 网络互连 网络互连是指采用网络互连设备将同一类型的网络或不同类型的网络及其产品相互连接起来组成地理覆盖范围更大，功能更强的网络。 8-6网桥工作原理 网络互连常用设备有：中继器、网桥、路由器、网关。 兰州交通大学自动化学院10中继器

6、是网络物理层的一种介质连接设备，是延长网络距离的最简单、最廉价的互连设备。 网桥是同类型网络之间的互连设备。8-7 路由器工作原理 路由器属于OSI网络层的一种互连设备，对应于网络层进行数据分组转发，用路由器连接的网络可以使用在数据链路层和物理层互不相同的协议。兰州交通大学自动化学院11 网关又称为网间连接器，能使不同类型（异种网络操作系统）的网络连接在一起。8-8 网关连接示意图 兰州交通大学自动化学院12IEEE802局域网标准对OSI参考模型中的数据链路层又划分出两个子层：逻辑链路控制子层LLC和介质访问（存取）控制子层MAC。 8. IEEE 802 标准 逻辑链路控制子层主要提供寻址

7、、排序、差错控制等功能。介质访问（存取）控制子层主要提供传输介质和访问控制方式。 图89 OSI模型与IEEE 802标准的关系 兰州交通大学自动化学院13IEEE 802为局域网络指定的标准包括： IEEE 802.1 系统结构和网络互连；IEEE 802.2 逻辑链路控制；IEEE 802.3 CSMA/CD 总线访问方法和物理层技术规范；IEEE 802.4 Token Passing Bus访问方法和物理层技术规范； IEEE 802.5 Token Passing Ring访问方法和物理层技术规范；IEEE 802.6 城市网络访问方法和物理层技术规范； IEEE 802.7 宽带网

8、络标准；IEEE 802.8 光纤网络标准；IEEE 802.9 集成声音数据网络。兰州交通大学自动化学院14介质存取控制层（MAC）：支持介质存取，并为逻辑链路控制层提供服务。它支持的介质存取法有：载波检测多路存取/冲突检测（CSMA/CD）、令牌总线（Token Bus）和令牌环（Token Ring）。逻辑链路控制层（LLC）：支持数据链路功能、数据流控制、命令解释及产生响应等，并规定局部网络逻辑链路控制协议（LNLLC）。 兰州交通大学自动化学院159. 控制网络的特点(1)要求有高实时性和良好的时间确定性；(2)传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁；(4)控制网络协议简单实用，工作

9、效率高；(3)容错能力强，可靠性、安全性好；(5)控制网络结构具有高度分散性；(6)控制设备的智能化与控制功能的自治性；(7)与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络 的集成。 兰州交通大学自动化学院1) 控制网络的技术特点 162) 控制网络与信息网络的区别 (1)控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。 (2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 (3)在企业自动化系统中，分散的单一用户必须借助控制网络进入系统，所以通信方式多使用广播和组播方式，在信息网络中某个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式。 (4)控制网络必须解决多家

10、公司产品和系统在同一网络中相互兼容问题，即互操作性问题。兰州交通大学自动化学院17控制网络的类型及其相互关系 图810 控制网络的类型和相互关系 兰州交通大学自动化学院1810. 工业控制网络的选型考虑拓扑结构 目前工业局域网络主要采用星形、环形和总线形拓扑结构。 介质访问方式 令牌环数据吞吐能力高于令牌总线； 令牌环的稳定性能较令牌总线好 ； 令牌总线的可靠性和灵活性均强于令牌环。 工业网络的结构模式 大型系统通常采用集散控制模式，系统分为3级，并采用纵向层次结构； 中小型系统，可采用工业大系统中结构模式的部分子集。 兰州交通大学自动化学院19集散型计算机控制系统又称分散型综合控制系统(Di

11、stributed Control System ，DCS )。该系统因其本质是采用集中管理和分散控制的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则，并采用层次化的体系结构，从而构成了集中分散型控制系统。8.2 集散控制系统兰州交通大学自动化学院201.集散控制系统的产生与发展 集散控制系统结构原型图811 DCS 结构原型兰州交通大学自动化学院21集散控制系统的发展 1) 网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方 向发展；2）现场总线技术的发展和PLC的发展更促进推出中 小型集散控制系统 ；3）EIC集成已是大势所趋 ；4）软件与人机界面更加丰富；5）以CIMS为代表的系统集成自动化成为提高企业

12、 综合效益的重要途径； 6）以因特网(Internet)、内联网、局域网、控制网 或现场总线为通信网络框架结构的分布式计算机控制网 络正在迅速发展。 兰州交通大学自动化学院222. 集散控制系统的特点 分散性和集中性 自治性和协调性 灵活性和扩展性 先进性和继承性 可靠性和适应性 友好性和新颖性兰州交通大学自动化学院233. 集散控制系统的体系结构图8-12集散控制系统的典型结构 兰州交通大学自动化学院1) 集散控制系统的功能分层体系242) 集散控制系统的基本组成结构 基本结构由监控机、操作站、数据采集装置、过程控制单元及高速数据通道等5部分组成。 兰州交通大学自动化学院图8-13 第一代D

13、CS的基本结构第一代集散控制系统25(1)局部网络 (LAN) ；(6)网关(GateWay)。(2)节点工作站，即指 过程控制单元 (PCU)；(3)中央操作站，它是 挂接在LAN上的节 点工作站，负责对 全系统的信息进行 综合管理，是系统 的主操作站；(4)系统管理站，又为 系统管理模块；(5)主计算机，也称管理计算机；兰州交通大学自动化学院图814 第二代DCS的基本结构第二代集散控制系统26第三代集散控制系统第一、二代DCS基本上为封闭系统，不同系统之间无法互连，第三代DCS局域网(LAN)遵循开放系统互连参考模型的7层通信协议,符合国际标准，比较容易构成信息集成系统。兰州交通大学自动

14、化学院图815 第三代DCS的基本结构27第四代集散控制系统 图8-16 和利时第四代DCS体系结构兰州交通大学自动化学院283) 集散控制系统的数据通信 数据传输的介质 数据传输的介质可以有多种，如有双绞线、光纤、同轴电缆等； 数据传输方式 可分为两种：基带传输方式和频带传输方式； 数据通信网络的拓扑结构目前主要有总线型和环型两种 ；网络的访问控制方法主要为：CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）、令牌环法和令牌总线3种。 兰州交通大学自动化学院294）集散控制系统的组态功能集散控制系统的组态类型：包括系统组态、画面组态和控制组态 ；集散控制系统的组态软件：指一些包括数据采集与工程

15、控制的专用软件 ； 使用者在组态软件中，只需要填写一些事先设计的表格，再利用组态软件的图形功能就可以将被控对象形象地画出，通过内部数据连接，将被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。对应用系统进行修改，十分方便。 兰州交通大学自动化学院30图8-17 集散控制系统的组态画面兰州交通大学自动化学院318.3 现场总线控制系统 现场总线(Fieldbus)是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统

16、。兰州交通大学自动化学院321.现场总线控制系统的产生与发展 现场总线控制系统产生的初衷是用数字通信代替420mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。 现场总线的产生，将传统的模拟仪表变为数字仪表，并将单一的信号检测功能变为集检测、运算、控制和通信于一体的综合功能。不仅出现了具有综合功能的数字通信仪表，而且出现了新一代的现场总线控制系统。利用现场总线通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 兰州交通大学自动化学院332.现场总线控制系统的特点系统的分散性系

17、统的开放性产品的互操作性环境的适应性环境的适应性使用的经济性维护的简易性系统的可靠性兰州交通大学自动化学院343. 现场总线控制系统的体系结构 （a）传统DCS 的结构示意图 ( b ) FCS的结构示意图 图818 传统DCS和FCS的结构比较兰州交通大学自动化学院35现场通信网络 ；现场设备互连 ；控制功能分散 ；通信线供电 ；开放式互连网络 现场总线控制系统的体系结构主要表现：兰州交通大学自动化学院364. 几种有影响的现场总线 (1) CAN总线（控制器局域网络） CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；CAN可以用点

18、对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。属于总线式通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 兰州交通大学自动化学院37 (2) LonWorks（局域操作网络） LonWorks 是Echeon公司于1991年推出的全分布智能控制网络技术。 LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron神经网络芯片。Neuron芯片实现LonWorks所采用的LonTalk通信协议， 共集成有三个8位CPU ；由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信；LonWorks支持双绞线、光纤、红外线，电力线等多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，被誉为通用控制网络。 兰州交通大学自

19、动化学院38 (3) FF总线（基金会现场总线） 基金会现场总线(foundation field bus，FF)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。 FF现场总线保留了420mA模拟系统的许多理想特征，比如线缆的标准物理接口、单根线缆上的总线供电设备、复杂的安全选择。它也部分地继承了HART协议行之有效的技术，如设备描述技术。 具有设备互操作性强、可以改善的过程数据、对进程更多的了解 、提高现场设备安全性能和降低网络安装成本等优点。 兰州交通大学自动化学院39(4) PROFIBUS（过程现场总线） PROFIBUS是种不依赖厂家的开放式现场总线标准，采用PROFIB

20、US的标准系统后，不同厂商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可通信。PROFIBUS为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。分为以下3个系列： PROFIBUSDP (distributed periphery，分布式外设) PROFIBUSPA (process automation，过程自动化) PROFIBUSFMS (field bus message specification，现 场总线报文) 兰州交通大学自动化学院40（5）Modbus协议 Modbus是一种工业通信和分布式控制系统协议。 Modbus是一种主从网络，允许一个主计算机和一个或多个从机通信，以

21、完成编程、数据传送、程序上装/下装及其主机操作。 兰州交通大学自动化学院411. 工业以太网概述 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，工业以太网是应用于工业自动化领域的以太网技术。与一般的以太网技术相比，除了通信的吞吐量要求高以外，由于其工业控制现场环境的特殊性，对其实时性、可靠性、网络生存性、安全性等均有很高的要求。 近年来，随着以太网技术飞速发展，特别是以太网通信速率的提高、交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使以太网成为确定网络，为它应用于工业自动化控制消除了障碍。 兰州交通大学自动化学院8.4 以太控制网络系统422 . 以太控制网络系统的特点 1）

22、以太控制网络以交换式集线器或网络交换 机为中心，采 用星型结构；2）监视工作站用于监视控制网络的工作状态；3）控制设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场总线 控制网络、PLC或嵌入式控制系统；4）当控制网络规模较大时，可采用分段结构，建立相对独 立的控制子网，再连成更大的网络 ；5）以太控制网络的底层协议为IEEE 802.3，基本通信协议采 用TCPIP，高级应用协议为CORBA或DCOM，网络操 作系统为Windows、Linux或UNIX； 6）实时控制网络软件集实时控制、数据处理、信息传输、 信息共享、网络管理于一体。 兰州交通大学自动化学院433. 以太控制网络系统的组成结构 图8

23、-19 以太控制网络系统组成结构兰州交通大学自动化学院444. 以太网用于工业现场的关键技术 工业以太网需要解决的关键技术包括： 1）通信的实时性 2） 网络的服务质量 3）网络的生存性性 4）网络的安全性 5）总线供电与安全防爆技术 6）可互操作性和远距离传输 兰州交通大学自动化学院458.5 控制网络与信息网络的集成技术图8-20 控制网络与信息网络的主要集成技术 将信息网络与控制网络进行集成主要是实现信息交换和资源共享。 兰州交通大学自动化学院46 网络互联技术是实现控制网络与信息网络集成的基本技术之一。是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，构成更大的互联网络系统。网络互联的层次可

24、以分为以下3类： 1）数据链路层互联 2）网络层互联 3）高层互联 兰州交通大学自动化学院1.网络互联技术47典型的控制网络与信息网络互联技术 现场总线控制网络与信息网络互联 图8-21 LonWorks网络与Intranet互联兰州交通大学自动化学院48共享式控制网络与信息网络的互联图8-22 利用网桥实现共享式控制网络与信息网络的互联兰州交通大学自动化学院49交换式控制网络与信息网络的互联 图8-23 外部路由器实现的交换式控制网络与信息网络互联 兰州交通大学自动化学院502. 动态数据交换技术 当控制网络与信息网络有一共享工作站或通信处理机时，可以通过动态数据交换技术实现控制网络中实时数

25、据与信息网络中数据库数据的动态交换，以实现网络的集成。 图8-24应用DDE技术实现控制网络与信息网络集成兰州交通大学自动化学院513. 远程通信技术 当控制网络与信息网络在地理上相距较远时，远程通信技术是实现网络集成的有效方法之一 。图8-25 应用调制解调器实现控制网络与信息网络集成1）应用调制解调器实现控制网络与信息网络集成兰州交通大学自动化学院522）基于TCPIP实现控制网络与信息网络集成 基于TCP/IP的通信程序设计 Winsock(Windows socket)是Windows操作系统下通用的TCP/IP应用程序的网络编程接口。将Socket看成一个文件指针，只要向指针对应的文件读写数据，就可以实现网络通信。 文件传输协议(file transfer protocol，FTP) 文件传输是TCPIP中使用最广泛的应用之一，它实现主机间的文件传输。FTP使用两个TCP连接来完成文件的传送操作。一个连接用于命令传送，一个连接用于数据传送。