第05章 DCS及其网络技术ok

1、第五章集散控制系统及其网络技术，5.1集散控制系统体系结构新型集散控制系统：开放式体系结构；便于与生产管理上位机交换信息，实现管控一体化；它在功能上可以分为四(5)个级别。图5.1、5.1集散控制系统体系结构、图5.1新集散控制系统体系结构、5.1集散控制系统体系结构、集散控制系统实际水平：大多数中小型控制系统只有一、二层；在少数情况下，使用第三层的功能；它仅适用于大型控制系统中的完整四层模式；就世界上优秀的分布式控制系统产品而言，它们大多局限于一楼、二楼和三楼，而四楼的功能仅附属于三楼的硬件。5.2典型集散控制系统及其网络技术介绍，霍尼韦尔公司于1983年10月推出的5 . 2 . 1分布式

2、控制系统；它被广泛使用并具有四层架构；为了解决过程控制领域的关键问题，过程控制系统和信息管理系统之间的协调为实现全厂的生产管理提供了最佳的系统。TDC-3000经过十几年的发展，已经进行了多次更新，但其基本系统和设备仍然具有强大的生命力。图5.2、图5.2.1 TDC-3000分布式控制系统、图5.2 TDC-3000分布式控制系统层次结构图(1)本地控制网络(LCN)；(2)通用控制网络(UCN)；(3)数据高速公路(DH)，5.2.1TDC-3000分布式控制系统，1。TDC-3000有三条通信链路：(1)本地控制网(LCN):TDC-3000骨干网；令牌接入通信控制模式，符合IEEE80

3、2.4传输速率5Mb/s，总线拓扑；它通过计算机接口与DECnet/以太网相连。5.2.1TDC-3000分布式控制系统，1。TDC-3000有三种通信链路(2)通用控制网络(UCN) :一个基于1988年开发的MAP的双实时控制网络，令牌传输载波总线网络，传输速率为5Mb/s，支持32个冗余设备，应用层采用RS-511 (3)数据高速公路(DH):第一代集散控制系统的通信系统，工作在串行半双工模式，并由优先访问和定时查询控制。传输介质为75欧姆同轴电缆，传输速率为250千字节/秒。在井下设置通信控制器(HTD)来管理通信。DH之间的任何通信必须由HTD指导，并且DH的使用权必须从HTD获得。

4、5.2.1TDC-3000分布式控制系统，2。TDC-3000网络接口设计：TDC-3000网络接口支持二级板：PCNM是TDC-3000系统与PC机系统之间的网络连接网关；PCLM是TDC-3000系统与DEC公司小型机或工作站系统之间的网络连接网关。5.2.1TDC-3000分布式控制系统，2。TDC-3000网络接口设计：(1)采用PCNM网络连接方案，PCNM服务器由安装网卡的PC机组成，软件可以安装WINDOWS-NT4.0；PCNM工作站由PC机组成，安装有网卡，软件可以安装windows 95/98；PCNM服务器和工作站通过同轴电缆连接。系统连接安装后，PCNM工作站可编程完成

5、数据采集、传输和显示功能。它还可以提供全厂的数据流通和共享，为全厂实现综合自动化系统提供支持。图5.3，5 . 2 . 1直流-3000分布式控制系统，图5.3采用PCNM网络连接的系统结构图，5 . 2 . 1直流-3000分布式控制系统，2。TDC-3000网络接口设计：(2)在DEC小型机或工作站上使用PCLM进行网络连接时，应安装CM50S通信驱动软件，虚拟机应使用CM50S服务器配有DEC网卡、虚拟机操作系统、TCP/IP软件包、c语言编译器等。PC机工作站配有DEC网卡和WINDOWS95/98操作系统；CM50S服务器和电脑工作站通过同轴电缆连接。系统连接安装后，需要使用CM50

6、S在CM50S服务器上进行编程，从TDC-3000采集数据到DEC小型机或工作站，通过传输控制协议/网络协议将数据传输到上位机工作站，实现全厂的数据流通和共享。图5.4，图5.2.1 TDC-3000集散控制系统，图5.4采用PCLM网络连接的系统结构图，图5 . 2 . 2日本横河电机1987年推出的entum-XL；以“全厂自动化”为核心；它可以容纳几个，5 . 2 . 2锝-XL，1。通信网络是一个三层(1)局域网，它有两个局域网系统：SV-NET系统，它是根据MAP标准设计的，传输速率为10Mb/s，100个可连接节点(机器数量)，传输标准距离为500米，与光适配器一起使用时最大距离为

7、5.5公里。以太网系统适应通信的开放性和网络化。5 . 2 . 2锝-XL，1。通信网络为三层(2)数据高速公路：称为高频总线，具有双重结构，传输介质为8D-2V电缆，网络拓扑为总线型，控制方式为无令牌传输，符合PROWAYC标准，传输速率为1Mb/s，可连接32个节点(站)，标准传输距离为1km (3)RL总线：XL为连接分散操作站和控制单元的通信总线，可复制，同轴电缆，令牌传输方式，1Mb/s，传输标准距离为5.2.3智能/自动化系统，1987年由Foxboro公司推出的新一代分布式控制计算机智能自动化系统。其硬件、软件和通信均采用国际标准，为工业自动化提供了灵活性、完整性、经济性和安全性

8、，也为全厂的信息集成和自动化系统提供了良好的架构。图5.5，5 . 2 . 3一系列，图5.5一系列系统网络图(1)宽带局域网；(2)运营商局域网；(3)节点总线；(4)现场总线，5.2.3接口，接口的通信网络为四层结构。主干网是一个局域网(宽带和载带)，通过采用国际标准化组织/开放系统互连规范，与地图协议兼容，并能集成不同制造商的产品和系统。(1)宽带局域网：整个系统的主干，可延伸15公里，连接64个局域网，传输速率为10Mb/s.(2)载波局域网：可连接100个节点，传输速率为5Mb/s，传输介质为柔性同轴电缆，最长距离为2公里。几个载波局域网可以连接到宽带局域网，形成一个更大的系统。节点

9、由节点总线和相连的工作站组成。5.2.3输入/输出和1.1输入/输出的通信网络是四层结构。(3)节点总线：传输介质为柔性同轴电缆，通信规则符合IEEE802.3，传输速率为10Mb/s，最长距离为300米，可连接32个工作站：应用处理器、控制处理器、工作站处理器、节点扩展器和载带5.2.3 I/Aseries和1.1 I/Aseries的通信网络为四层结构。(4)现场总线：传输介质为双绞线，是单个主站共享的串行数据通信总线；符合EIARS-485标准，传输速率为268.75千字节/秒；现场总线的数据交换由主站启动，连接的现场总线组件被视为从站。5.2.4INFI-90系统，贝利公司1987年的

10、新一代集散控制系统。正式名称：战略过程管理系统，图5.6，5.2.4INFI-90系统，图5.6INFI-90系统图(1)INFI-NET中心环(2)INFI-NET环(3)控制路(4)从属总线(5.2.4INFI-90)系统，INFI-90的通信结构分为四层。(1)第一层网络是INFI-NET中心环，可承载250个节点，传输速率为10mb/s；(2)第二层网络有两种类型：INFI-NET环，可承载250个节点，传输速率为10mb/s；INFI-90工厂环：可承载63个节点，传输速率为500 KB/s，5.2.4INFI-90系统，INFI-90通信结构分为四层(3)第三层网络为总线结构控制路

11、：通信介质为腐蚀的印刷电路板，可承载32个站(智能模块)，传输速率为1Mb/s，采用无指挥官自由竞争协议。(4)第四层网络是总线结构从属总线：通信介质是腐蚀的印刷电路板。并行总线主要支持智能模块的输入输出通道。每个智能模块可携带64个输入/输出子模块，传输速率为500千字节/秒。5.2.4INFI-90系统，INFI-90通信协议：使用无通信控制器的存储转发通信协议，环路上的节点在通信中具有同等地位。同时，每个节点可以接收和发送信息，并依次传输，直到信息返回到源节点。5.2.5MOD300集散控制系统，MOD300由ABBTAYLOR公司设计制造，是在Mod3 MOD3、MOD30的基础上开发

12、的，由一系列功能和区域分散的子系统组成，具有通用的硬件、软件和通信单元，因此可以适应小型结构，实现全厂自动化系统。MOD300是一个开放系统，通过接口可以方便地与PLC和其他计算机进行通信，从而实现先进控制，为企业管理信息系统提供信息，进而使企业建立计算机集成管理信息系统。图5.7，5 . 2 . 5分布式控制系统，图5.7分布式控制系统体系结构图，5 . 2 . 5分布式控制系统，1。通信系统架构MOD300的通信网络称为分布式通信网络(DCN)。通信标准是IEEE802.5，这是所谓的令牌环通信模式。有五层和七层的国际标准化组织/现场视察参考，数据传输速度为5兆位/秒；双链接(冗余媒体允许

13、在线扩展)；34个子系统(节点)可以挂在一个DCN上，两个节点之间的距离可以达到1.6公里。大型系统可以连接几个分布式控制网络，总共可以挂255个节点而不牺牲系统的性能和实时性能。5 . 2 . 5 OD300分布式控制系统，1。可以选择光纤DCN作为通信系统结构(两个节点之间的距离可以达到9千米)；现场总线：可连接31个接口设备，其通信采用HART协议。通过串行输入输出接口，可以与单片机控制子系统进行数字通信。提供标准以太网接口，可与高层管理系统和办公自动化系统连接。5.3制造自动化协议制造自动化协议研究背景：工业制造和过程控制领域的“自动化孤岛”现象；为了解决这个问题，通用汽车公司开始研究

14、制造自动化协议MAP1982年。通用汽车的地图工作组决定基于国际标准化组织的现场视察模型，建立一个适用于工业控制领域的网络互连分层协议。每层协议采用IEEE802.4(令牌总线网络)标准；国际标准化组织和美国国家标准局。MAP协议已经得到了波音、DEC、IBM和其他大公司的支持。5 . 3 . 1地图在工业制造领域的应用，地图的几种形式：宽带地图：最早提出的地图模型，采用宽带主干道，配有数控机床、工业计算机等地图设备，不实时，主要解决公司层面的通信任务。小地图：为了提高全地图的实时响应性能，取消了全地图中的一些中间层，只保留了物理层、数据链路层和应用层，大大缩短了响应时间。它主要用于控制设备之

15、间的通信。5 . 3 . 1地图在工业制造领域的应用，地图的几种形式：增强型性能结构：它是宽带地图和极小地图的折中，一方面可以采用全地图，另一方面支持小地图的三层折叠结构，以适应时间要求严格的控制任务，双方相互沟通。图5.8这些形式的地图可以相互连接。全图：可实现完整的OSI七层协议，具备从设备级到公司级的所有通信功能。5.3.1图5.8环境保护局图的结构，5.3.1图在工业制造领域的应用，NBS模型：计算机工业控制系统NBS(美国国家标准局)模型的普遍接受的分层模型；工厂计算机控制系统分为六层，每一层都有有限的通信要求和数据处理能力；图5.9说明了使用映射实现NBS层次结构。5 . 3 .

16、1 map在工业制造中的应用，图5.9NBS模型通过MAP网络实现，5 . 3 . 1 MAP在工业制造中的应用，基于MAP和NBS模型的大型系统：在公司层面采用远程网络通信，主要采用TOP和X.25WAN协议，与MAP无关，但在工厂层面采用宽带MAP网络，在区域和单元层面采用EPAMAP，设备如图5.10所示为一个实用的MAP系统。5.3.1地图在工业制造中的应用，图5.10地图系统的应用，5 . 3 . 1地图协议和结构，地图3.0结构基于IEEE802 pr5 . 3 . 2协议和结构，1。MAP网络的逻辑链路控制层LLC采用IEEE802.2逻辑链路层中最简单的服务模式：无应答无连接服

17、务；LLC层尽可能简单，可以用超大规模集成电路实现，从而大大降低网络成本；然而，这种简单性也带来了一些问题，如数据传输的可靠性差、数据接收顺序颠倒、没有流量控制、没有或几乎没有错误恢复功能等。在MAP网络中，这些功能由较高层完成，其物理层可以保证较高的可靠性；在一些实现中，也可以提供没有连接的服务。5 . 3 . 2协议和结构，2。在MAP网络的媒体访问控制层采用IEEE802.4令牌总线协议，基于以下考虑：目前使用的许多可编程工业现场设备都是基于令牌总线进行通信的。令牌总线可以支持数据的优先级。在令牌总线中，高优先级数据可以在一定的有限时间内传送，具有良好的实时性。在MAP结构中，MAP帧采用48位地址结构：它不仅可以在单个局域网中容纳更多的节点，而且可以为多个相连网络(甚至广域网)中的某个节点提供唯一的标识符。5 . 3 . 2协议和结构，3。地图的节点结构节点是网络的核心，地图的