计算机控制技术教案(第七章)

《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 — 典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公 司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等
现场总线技术 • 现场总线的结构
◆ 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
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现场总线技术
◆ 现场总线系统组成
— 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 — 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、 树型、星型等
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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 拓扑结构 可用性
普通办公场合
支持线形、环形、星形等结构
一般的实用性需求，允许网络 故障时间以秒或分钟计
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高
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
◆ 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
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现场总线技术
• 现场总线的分类
◆ 全功能数字网络
— 提供从物理层到用户层的所有功能，标准化工作比较完善
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第七章 分散型测控网络技术
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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（Distributed Control System），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。
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2 分布式控制系统的发展
• 第一阶段（1975年—1980年）
— 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
— 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。
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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 ◆ 开放系统：可移植性、互操作性、可适宜性、可得到性
现场总线技术
◆ 现场总线的协议
— 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 — 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
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。
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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
★ 国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义
— 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
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现场总线技术
★ 现场总线的本质含义 — 现场通信网络 — 现场设备互联 — 互操作性 — 分散功能块 — 通信线供电 — 开放式互联网络
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★ 现场控制站 — 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 — 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》
4 DCS的硬件体系结构
★ 智能调节器 — 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
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Win CC监控，故障模块容易更换
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•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(Carrier sense multiple access/collision detection)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。
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。
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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（Fieldbus Control System, FCS）是
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4 DCS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
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4 DCS的硬件体系结构
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4 DCS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
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4 DCS的硬件体系结构
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100%
PROFIBUS 减少40%的安装费用 100%
22%
50% 0%
27%
57% 12%
工程费
51%
22% 组 装 费 23% 硬 件 费
Today (4...20mA) 硬件
组装
PROFIBUS 工程
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Profibus总线通信方式 多主通信和主从通信
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。
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现场总线技术
• FCS对DCS的变革
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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
◆ 传感器网络
— 以CAN（Controller Area Network）网络为基础的现场总线
◆ 数字信号串行线
— 最简单的数据总线，不提供应用层和用户层
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现场总线技术
• 现场总线的实质
◆ 现场总线的定义
★ ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定 义
— 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
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6 DCS的通信网络系统
◆ 通信网络分类 — 低速、中速、高速
◆ 网络拓扑结构 — 星型、总线型、树型、环型
◆ 网络访问控制方式 — 令牌传送协议、CSMA/CD协议
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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
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2 分布式控制系统的发展
• 第二阶段（1980年—1985年）
— 主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的 Centum A，B，D等 — 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
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5 DCS的软件体系
◆ 系统软件 — 提供系统运行和管理的基本环境
◆ 组态软件 — 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 — 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
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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XWindows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 — 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
4 DCS的硬件体系结构
★ 显示工作站 — 主要由键盘、CRT显示器和打印机构成 — 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
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4 DCS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