控制网络系统及网络控制技术

④ 测试、试运行和维护
– 只需应用仿真器就可对一个组态进行测试。
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1 集散型控制系统 2 现场总线控制系统 3 以太控制网络系统 4 控制网络与管理网络集成技术 5 网络控制系统及其时间同步 6 闭环网络控制系统分析 7 闭环网络控制系统的控制器设计方法
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2 现场总线控制系统
2.1 概述 2.2 现场总线类型 2.3 典型应用系统构成
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2.1 概述
1. 现场总线概述
– 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备 之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为 开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
– 现场总线控制系统FCS（fieldbus control system）
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2. 现场总线控制系统的体系结构
• FCS的体系结构主要表现在以下5个方面。
• 这一代集散系统主要解决当 时过程工业控制应用中采用 模拟电动仪表难以解决的有 关控制问题。
图9-3 第一代集散系统结构简图
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2. 集散控制系统基本结构（续）
(2) 第二代集散控制系统
• 20世纪80年代，由于微机 技术的成熟和局部网络技术 的进入，使得集散系统得到 飞速发展。第二代集散系统 以局部网络为主干来统领全 系统工作，系统中各单元都 可以看作是网络节点的工作 站，局部网络节点又可以挂 接桥和网间连接器，并与同 网络和异型网络相连。
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4. 现场总线的优点
• (1) 节省硬件数量与投资 • (2) 节省安装费用 • (3) 节省系统维护开销 • (4) 用户具有高度的系统集成主动权 • (5) 提高了系统的准确性与可靠性
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2.2 现场总线类型
• 几种较流行的现场总线
– 基金会现场总线 – CAN（控制器局域网络） – LonWorks（局部操作网络） – PROFIBUS（过程现场总线）
• 组态软件的分类：
– 国外专业软件厂商提供的产品，如美国Wonderware公司的 INTOUCH、美国Intellution公司的FIX以及西门子公司的 WINCC
– 国内自行开发的国产化产品有Synall、组态王、力控、MAGS、 Controlx等。
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(1) 组态软件需要解决的问题：
• 如何与采集、控制设备间进行数据交换。 • 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素
成控制的基本功能。 (4) 开放性
– FCS对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。 通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通 过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。
(5) 互操作性和互用性
– 互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通。互用则意味着 不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
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1.1 概述
• 相关概念
– 集中控制
• 采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。
– 分布式控制
• 将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器 去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网 将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目 标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。
• 通记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态 回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的 可用性。
(6) 可靠性
– 广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、 自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。
– 使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。
• 除了局部网络的根本进步之外， 第三代集散控制系统的其它单元 无论是硬件还是软件，都有很大 的变化，但系统的基本组成变化 不大，其主要特征为开放系统。
图9-5 第三代集散系统结构简图
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2. 集散控制系统基本结构（续）
(4) 第四代集散控制系统
• 20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产 业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，DCS厂 家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由 原来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。
关联起来。 • 处理数据报警及系统报警。 • 存储历史数据并支持历史数据的查询。 • 各类报表的生成和打印输出。 • 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应
不同应用领域的需求。 • 最终生成的应用系统运行稳定可靠。 • 具有与第3方程序的接口，方便数据共享。
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某工厂集散控制系统的组态画面
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• PROFIBUS—FMS（现场信息规范） • PROFIBUS—PA（Process Field Bus） • PROFIBUS—DP（Distributed Periphery）
– HART总线
• 可寻址远程传感器高速通道的开放协议
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2.3 典型应用系统构成
1. 汽车总线控制系统
图9-19 目前国产轿车上的网络连接方式
(2) 许多组态软件具有的突出特性：
① 组态向导（软件助手）
– 组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来进行或修改 组态过程。
② 库和模块
– 已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中调出。这样 使用户可以开发公司、技术或部门专用的标准，有助于快速建立 项目。
③ 交叉引用组态
– 可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的组态工具， 具有数据的导入/导出功能，可以导入和导出变量、导入和导出 消息、导入和导出文本。
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1.2 功能分层体系及基本结构
集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计 原则、采用层次化体系结构。
1. 集散控制系统 功能分层体系
图9-2 集散控制系统体系结构的各层功能
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2. 集散控制系统基本结构
(1) 第一代集散控制系统
• 以1975年由美国霍尼威尔 （Honeywell）公司首先 推出的集散系统TDC2000为第一代集散系统的 标志。
(1) 现场通信网络
• 现场总线将通信一直延伸到生产现场或生产设备。
(2) 现场设备互连
• 现场设备通过一对传输线（如双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等） 互连。
(3) 控制功能分散
• 输入/输出单元和控制站的部分功能分散给现场智能仪表，从而构成 虚拟控制站。
(4) 通信线供电
• 允许现场仪表直接从通信线上获取能量。
– 集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统
（Total Distributed Control Systems，简称 集散系统DCS）
• 以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算 机控制系统。
• 实际需要——管理要集中，控制要分散
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DCS发展新趋势：
(1)网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。 (2) 中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和PLC的发展
控制网络系统及网络控制技术
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1 集散型控制系统 2 现场总线控制系统 3 以太控制网络系统 4 控制网络与管理网络集成技术 5 网络控制系统及其时间同步 6 闭环网络控制系统分析 7 闭环网络控制系统的控制器设计方法
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1 集散型控制系统
1.1 概述 1.2 功能分层体系及基本结构 1.3 集散控制系统的组态性
(5) 开放式互连网络
• 既可以与同层网络互连，又可以与不同层的网络互连，同时还体现 在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不 同厂商的网络和设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。
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3. 现场总线技术特点
(1) 可靠性高、有较强的抗干扰能力 (2) 具有高度的控制功能分散性 (3) 现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完
更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系统。 (3) 电控、仪表与计算机（Electrical Instrumentation
Computer，EIC）“机电一体化”将导致各公司的兼并，EIC集成 已是大势所趋。 (4) 软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操 作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦 控制、优化控制和智能控制。 (5) 系统集成化。集散控制系统作为CIMS（计算机集成化制造系统）的 基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途 径。 (6) 以因特网（Internet）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通 信网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控 制网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将得到新的发展。
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3 以太控制网络系统
• 工业以太网是指用于工业控制系统中的以太网技术，最初 是为办公自动化发展起来的，因此这种商用主流的通信技 术发展至今已有应用广泛、价格低廉、传输速率高、软硬 件资源丰富等技术优势。
图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构
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3. 集散控制系统特点
(1) 分散性和集中性
系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。 集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。
(2) 自治性和协调性
各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网 络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能 和优化处理。
• 共性：
– 全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容， 营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应 用系统专业化。
• 主要特征为：
– 信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进 一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平 台开放型与应用的专业化。
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• 特点是系统功能扩大及增强。
图9-4 第二代集散系统结构简图
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2. 集散控制系统基本结构（续）
(3) 第三代集散控制系统