计算机控制技术教案(第七章)

《计算机控制技术教案》第七章分散型测控网络技术

《计算机控制技术教案》《计算机控制技术教案》1分布式控制系统概念分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称DCS（DistributedControlSystem），它是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，采用多层分级、合作自治的结构形式，综合计算机（Computer）、通信（Communication）、终端显示（CRT）和控制（Control）技术而发展起来的新型控制系统。《计算机控制技术教案》2分布式控制系统的发展

第一阶段（1975年—1980年）

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代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等

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主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成。《计算机控制技术教案》2分布式控制系统的发展第二阶段（1980年—1985年）

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主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的CentumA，B，D等

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主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站US、网间连接器GW、系统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成《计算机控制技术教案》2分布式控制系统的发展◆

第三阶段（1985年—1990年）

—DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题

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典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等《计算机控制技术教案》2分布式控制系统的发展◆

第四阶段（1990年以后）

—DCS管控一体化出现，在硬件上采用了开放的工作站，采用了Client/Server的结构，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，在软件上采用UNIX和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中

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典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，日本横河公司的Centum-CS控制系统，Foxboro公司的I/AS50/51系统等《计算机控制技术教案》3分布式控制系统的特点DCS的特点◆

分级递阶控制◆硬件积木化◆

软件模块化：工程师站组态软件、操作站实时监控软件以及过程控制站软件◆

控制系统用组态方法生成◆

通信网络的应用◆

可靠性高：系统结构、冗余技术、自诊断技术、抗干扰技术和高性能的元件

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开放系统：可移植性、互操作性、可适宜性、可得到性《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构◆分散过程控制级（面向生产过程）

★功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能

★装置：现场控制站（工业控制机）可编程序控制器（PLC）智能调节器其它测控装置

《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构

★现场控制站

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主要由机箱（柜）、电源、PC总线工业控制机、通信控制单元、手动、自动显示操作单元等构成

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其功能主要有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能

《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构★智能调节器

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一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表—

智能调节器不仅可接受4～20mA，DC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS－422／485、RS－232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数

《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构◆集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）

★功能：以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估

★组成：监控计算机 工程师显示操作站 操作员显示操作站

《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构★显示工作站

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主要由键盘、CRT显示器和打印机构成

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主要是实现和操作员以及工程师有关的系统的功能：操作员在运转整个系统时必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能《计算机控制技术教案》4DCS的硬件体系结构◆综合信息管理级

★功能：实现整个企业的综合信息管理（主要包括生产管理和经营管理）

★组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统，应用了MIS系统《计算机控制技术教案》5DCS的软件体系◆

系统软件

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提供系统运行和管理的基本环境◆组态软件

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对过程管理系统组态、系统内各设备的定义、确定各设备的工作要求，设备网地址分配、定义各种控制点、点数据在显示图上的编排等◆应用软件

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用于整个生产过程的操作和控制，过程数据收集，信息分析、优化，监控控制，外来设备的网络化及完善《计算机控制技术教案》6DCS的通信网络系统◆

通信网络分类

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低速、中速、高速◆网络拓扑结构

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星型、总线型、树型、环型◆网络访问控制方式

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令牌传送协议、CSMA/CD协议《计算机控制技术教案》《计算机控制技术教案》7、工业自动化网络现场总线技术工业以太网Profibus现场总线AS-i总线《计算机控制技术教案》现场总线技术现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。《计算机控制技术教案》现场总线技术FCS对DCS的变革《计算机控制技术教案》现场总线技术◆

FCS的信号传输实现了全数字化◆FCS的系统结构是全分散式，它废弃了DCS的输入／输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之

◆FCS的现场设备具有互操作性

◆FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库◆FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用

《计算机控制技术教案》现场总线技术现场总线的分类◆

全功能数字网络

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提供从物理层到用户层的所有功能，标准化工作比较完善

◆传感器网络

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以CAN（ControllerAreaNetwork）网络为基础的现场总线

◆数字信号串行线

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最简单的数据总线，不提供应用层和用户层《计算机控制技术教案》现场总线技术现场总线的实质◆

现场总线的定义

★ISASP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义

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现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系★国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义

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现场总线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《计算机控制技术教案》现场总线技术

★现场总线的本质含义

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现场通信网络

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现场设备互联

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互操作性

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分散功能块

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通信线供电

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开放式互联网络《计算机控制技术教案》现场总线技术◆

现场总线的协议

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现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议

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各厂家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集《计算机控制技术教案》现场总线技术◆

现场总线系统组成

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从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等

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现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等《计算机控制技术教案》现场总线技术现场总线的结构

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现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层，现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并增加了用户层《计算机控制技术教案》工业以太网通讯技术

在物流自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商。《计算机控制技术教案》工业以太网通讯技术工业网络与传统办公室网络相比，有一些不同之处，如表所示。办公室网络工业网络应用场合普通办公场合工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高拓扑结构支持线形、环形、星形等结构支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力可用性一般的实用性需求，允许网络故障时间以秒或分钟计极高的实用性需求，允许网络故障时间＜300ms以避免生产停顿网络监控和维护网络监控必须有专人员使用专用工具完成网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如WinCC监控，故障模块容易更换《计算机控制技术教案》工业以太网应用中的关键问题1、通信实时性问题以太网采用的CSMA/CD(Carriersensemultipleaccess/collisiondetection)的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实的解决方案。2、对环境的适应性与可靠性的问题

以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。《计算机控制技术教案》Profibus现场总线PROFIBUS是国际性的开放的现场总线标准PROFIBUS标准是完整的、开放的、与制造商无关的、已经生效的一种标准

节省硬件和安装费用

节省工程费用

更大的制造灵活性

减少故障时间

准确、可靠的诊断数据

可靠的数字传输技术《计算机控制技术教案》PROFIBUS减少40%的安装费用工程费组装费硬件费51%23%27%22%22%12%0%50%100%硬件组装工程100%57%Today(4...20mA)PROFIBUS27%《计算机控制技术教案》Profibus总线通信方式PROFIBUS主动站、主设备被动站、从设备多主通信和主从通信PLCPLCPC主设备间的逻辑令牌环《计算机控制技术教案》AS-I总线在现场总线系统中，PROFIBUS等可以解决现场级和车间级设备的通信问题，但工业自动化现场信号均要落实到具体的传感器或执行器上，这些设备散落在工厂的每个角落，数量庞大。它们不可能全都连接到PROFIBUS等高级总线上。因此，必须有一种低级的总线可以完成该任务，通过这种总线，可以将最低级设备连接到高层网络中，从而构成完整的工业通讯网络。AS-I的意思源自actuator-sensor-interface被公认为是一种最好的，最简单的和最低成本的底层现场总线，它通过高柔性和高可靠性的单根电缆把现场具有通信能力的传感器和执行器连接起来。

《计算机控制技术教案》AS-I特点和技术规范

1．简单。主站和从站的内部程序都是生产厂商预先在设备中写好的，用户只需按照要求做好基本的设置即可。而且传输电缆的连接也非常简单，不需要做传统的剥线等繁琐的工