第11章 控制网络技术

第十一章控制网络技术

10/15/20231第九章计算机集散控制系统几个名词释义DCS（DistributedControlSystem）分布式计算机控制系统，又称集散型控制系统、集散系统。

它以微处理机为核心，综合了控制技术、通信技术和图形显示等技术。以多台微处理机分散在生产现场，进行过程的测量和控制，实现了功能和地理上的分散。避免了测量和控制高度集中带来的危险性。通信技术和图形显示等技术以及其他外部设备的应用，能够方便地集中操作、显示和报警，克服了常规仪表控制过于分散和人—机联系困难的缺点。

（模拟数字混合、专用网络）

10/15/20232第九章计算机集散控制系统TDCS

（TotalDistributedControlSystem）集散控制系统（总体分散型控制系统）

是一种应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。

10/15/20233第九章计算机集散控制系统FCS（FieldbusControlSystem）

现场总线控制系统

根据国际电工委员会IEC1158定义，现场总线（Fieldbus）是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。其中，"生产过程"应包括断续生产过程和连续生产过程两类。现场设备/仪表指位于现场层的传感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。基于这项技术的自动化系统称为FCS。10/15/20234第九章计算机集散控制系统

现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）

（数字化、网络标准化、开放式）10/15/20235第九章计算机集散控制系统

过程控制经历了常规仪表控制系统、计算机集中控制系统、分布式控制系统几种体系结构。分布式控制系统向数字化、网络标准化、开放式方向发展，双向数字通信现场总线信号制将逐步取代4～20mA的模拟信号制。10/15/20236第九章计算机集散控制系统

11.1

控制网络与信息网络的区别控制网络数据通信以引发物质或能量的运动为最终目的。主要特点有：允许对实时响应的事件进行驱动通信，具有很高的数据完整性，在电磁干扰和有地电位差的情况下能正常工作，一般使用专用的通信网。主要区别有五点：实时性；环境条件；网络结构；通信方式；标准。10/15/20237第九章计算机集散控制系统11.2体系结构体系结构是指从功能上来描述网络的结构，而不涉及体系结构中所确定的功能怎样实现。DCS是具有多功能层次的网络系统。一般来说，典型的DCS采用了4层结构，自下至上是：直接控制层、监督控制层、计划调度层和决策管理层。每一层作为上一层的基础，接收上一层的控制指令，同时又将控制结果和各控制参数送上一层，各层完成的功能如下图所示。

l）直接控制层这是整个控制系统体系结构中的最低层，这一层直接与被控过程相连，完成以下功能。（1）过程数据采集直接采集现场的各种物理量测量值和状态开关值，对它们进行必要的滤波、转换等处理。（2）装置状态和设备运行状态监测与诊断对采集的各种信号进行处理，检查其是否是合格有效的数据、判断控制计算机的各模板是否运行正常，设备仪表及其连线是否正常，根据结果产生报警信号等。（3）闭环和开环控制接收上一级下达的控制指令（给定），实现DDC控制和顺序逻辑控制。2）监督控制层（SupervisoryProcessComputerControl，简称SPC）这一层主要是计算出装置优化的工作条件，以控制指令给定的形式给到其下一级（直接控制层）去执行，这一层的主要工作如下。（1）优化控制应用数学模型和其它形式的模型，结合装置的约束条件和控制目标函数，计算出最优的操作条件，送下级执行。（2）自适应控制根据采集到的各种物理量，对系统的模型参数进行在线估计，然后根据自适应算法或自调节算法得出控制给定，送下一级。（3）协调控制对于复杂的被控对象，根据各部分的关系和运行状态，还有根据装置的生产要求，原材料、库存和能耗等数据，以及一些优化数据，产生控制指令，送下一级执行。（4）装置运行监视监视整个装置运行参数、状态，制定生产记录报表，报警显示，故障显示分析、记录，等等。3）计划调度层（PlaningandScheduling）这一层主要完成一系列的调度控制功能，这些调度控制主要是基于运筹学和资源管理的科学，而不是基于控制工程方法。这一层功能包括了根据用户定货单、库存量、能耗约束条件和能耗指标等进行生产调度的功能。较先进的计划调度层除了完成上述基本功能外，还可以进行最优调度柔性生产调度功能，以适应灵活的用户市场需求。此外，这一层还完成工厂级的数据监视、统计，制定各种统计报表。对于一些小型的企业（单个装置，或少数装置），计划调度层可能就是最高的控制功能层了。

4）决策管理层（DecisionandManagement）这是公司控制系统体系结构中的最高层，它广泛地涉及工程、经济、商务、人事以及其它各种功能。将这些功能集成到一个大的软件系统，通过这个软件系统，整个工厂的复杂生产调度和计划等问题可以得到优化解决。这一层主要完成的功能有市场分析、用户信息搜集、定单统计分析、销售与生产计划、合同管理、生产工厂（装置）协调、制定价格、生产能力与定货平衡、生产和分销渠道的监督、生产、合同、定货的各种统计报表、生产效率、产值、经营额、利润／成本以及其它财政分析报表。

以上层次划分主要是基于连续性生产企业而设计的，它基本上反映了大多数企业的控制功能划分要求。但不同行业的企业由于其生产过程的特殊性和复杂性，如治金企业（大集团企业）、制造工业、火力发电、水力发电等，可能会对每一层赋予特殊的内容，或增加一些层次。例如可以有车间级、工厂级、公司级甚至企业级的生产管理和控制功能，但它们只是把上述四个功能由各级来分别加以完成。

具有这四种功能的系统是一个完整的高度自动化的系统。在大多数的情况下，DCS具有第一层、第二层的全部功能，并完成第三层的部分功能。第四层的功能则通过一层通用管理系统来完成。该管理系统当今多采用开放的网络平台将多台计算机（包括工作站、高档微型计算机、各种智能终端等）连接起来。该管理网络与各生产装置的DCS通过网关直接相连，因而可以得到全厂的实时数据，同时，该管理系统还可以直接通过网络得到所有的销售信息、原材料信息等等。

从当前的发展趋势来看，在大型企业，过程DCS系统是一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统，又称为计算机集成生产系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机地集成起来，形成一个能适应生产环境下确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，已成为当前控制领域中的一个重要研究方向。

11.3分级递阶控制策略11.4控制网络配置结构11.4.1控制网络的硬件体系（1）模块化控制站+与制造自动化协议兼容的宽带、局域网+信息综合管理系统（2）分散过程控制+高速数据公路+操作站+上位机（3）可编程逻辑控制器PLC+通信系统+操作管理站（4）单回路控制器+通信系统+操作管理站11.4.2控制网络的组态软件

从工业生产对控制的要求出发将分布式系统所具有的功能连接起来，配置成一个可供执行的应用软件的过程，称为系统组态（Configuration）。在分布式系统中，一般都配备了系统组态软件，用户不需编程就能方便地选择控制策略、构成控制系统、绘制显示图表、建立有关数据库等，生成所需的应用软件。

目前在分布式控制系统中采用的系统组态语言大致可分为三类：（1）专用控制语言。系统中配有各种专用控制语言，供用户使用，例如美国西屋公司的WDPF系统中，采用了面向问题的语言POL’S。这种方法对操作者要求高，并且需要操作系统的支持。（2）填表式，填空式。填表式组态是将组态方案转换成组态结构图，由操作者在屏幕上将有关参数和连接方式填入表内。填空式组态是用菜单驱动的，只要操作者回答屏幕上的提问就完成了组态。这两种方式常常结合使用。例如英国Kent和P-4000系统、美国Foxboro的SPECTRUM等均采用这种组态方法。（3）符号式。这种组态语言应用范围较窄，一般适用于顺序控制。系统组态是在组态语言支持下实现的。这个语言实际上是实时多任务操作站的人机接口之一，是构成具体控制系统不可缺少的工具。尽管各个系统所配备的组态软件不同，但组态功能是一样的。组态软件功能基本配置组态（系统结构组态）——给系统一个配置信息：如各种站的个数、其索引标志、各现场工作站的最大点数、最短执行周期画面组态数据组态报表生成控制组态操作级别——DCS的操作软件、监督员级、工程师级可以看到，组态软件功能包括了系统的控制，显示，操作等全部内容。至于利用图9.1中过程计算机完成的高级过程控制策略则不在组态范围之内。

经过系统组态后，只要把生成的应用软件向下传到各个现场控制站，就可以具体实施。如果运行中需要作某些修改或扩充，可以在线重新组态，不影响系统的连续正常工作。因此，在组态软件的支持下可以十分方便、灵活而有效地进行系统的组态，这是分布式控制系统得以广泛推广应用的原因之一。正因为如此，利用组态软件进行系统组态的方法已从分布式控制系统扩展到小型分级分布系统，甚至单机系统，极大地推动了计算机在工业生产中的应用。

11.5局部网络在控制分散、信息集中的分布式控制系统中，数据通信具有十分重要的地位。近年来已普遍增加局部网络来加强数据通信的能力，例如在TDC-3000系统中开发了局部控制网络LCN，在CFNTUM-XL系统中采用了SV-NET局部网络。所谓局部网络是相对范围更大的广域网而言的，它指的是将数百米至数公里范围内的几台或几十台诸如计算机、人工智能站、操作站、控制站以及其它外部设备按一定通信协议连接起来构成的局部地区计算机网络（LocalAreaNetwork，简称LAN）。这种局部网络具有性能价格比高，传输速度快（例如10Mbps），可靠性高，可扩展性好，灵活性强等特点，因而受到用户的欢迎。

局部网络的技术内容涉及网络拓扑结构、信道访向方式、传输介质、网络接口、信号发送技术等等。在此讲述前4项。

1、网络拓扑结构（NetworkTopolopy）网络拓扑结构是指各工作站在网络中的连接方式，拓扑结构有总线形、环形、星形和树形等，如图9.2所示。

（a）总线型拓扑结构所有节点都直接连到一条主干电缆上，该类结构没有关键性节点，任何一个节点可以通过主干电缆与连接到总线上的所有节点通信。

（b）环型拓扑结构这种结构的所有节点形成闭合的环，信息在环中作单向流动，可实现环上任意两节点间的通信。

（c）星型拓扑结构以一台设备作为中央节点，其他外围节点都单独连接在中央节点上；各外围节点之间不能直接通信，必须通过中央节点进行通信。

（d）树形拓扑则是总线形的复合形式。

在过程控制网络中以总线形和环形拓扑最为流行。

2、信道访问方式（accesscontrol）（数据链路层的信道共享技术）信道访问方式又称为网络传输介质的访问控制方式，是指协调公用信道使用权的方法。冲突测检式载波侦听多路访问协议（载波监听多路访问/冲突检测，CSMA／CD）和令牌传递协议（TokenPassing）是采用较多的两种协议。

1）在CSMA／CD协议中，当某个站需要发送信息包时，首先要侦听信道情况，若空闲则开始发送，如发现有冲突时，马上停止发送，经过随机延时后再重新发送。

•CSMA——CarrierSenseMultipleAccess载波监听多路访问，也叫作“先听后说”，即需要发送数据的站首先对传输介质进行监听，以确定是否有别的站在发送。如果介质空闲，则该站将数据发送到介质上，否则，该站等待一段时间后再重新尝试。但是，采用CSMA时，由于信道存在着传播延迟，这样，当两个站点监听到信道上没有正在传播的信号而发送其各自的数据时，仍会发生冲突。

CSMA/CD——CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDete