控制网络系统及网络控制技术
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• 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
7
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。
(3) 友好性
采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。
(4) 适应性、灵活性和可扩充性
采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可 以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的 大小配置。
12
3. 集散控制系统特点（续）
(5) 实时性
• 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管 理与现场分离，管理更能综合化和系统化。
5
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
6
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。
• 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
8
2. 集散控制系统基本结构（续）
(3) 第三代集散控制系统
• 其结构的主要变化是局部网络采 用了MAP或者是与MAP兼容、 或者局部网络本身就是实时MAP LAN。
• MAP是由美国GM（通用汽车公 司）负责制定的，它是一种工厂 系统公共的通信标准，已逐步成 为一种事实上的工业标准。
3
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。
• 通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、 分析、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。
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。
– 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
4
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
• 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。
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4. 集散控制系统数据通信
(1) 数据传输的介质
ห้องสมุดไป่ตู้– 双绞线、光钎、同轴电缆等。
(2) 数据传输方式
– 基带传输方式 – 频带传输方式
(3) 数据通信网络的拓扑结构
– 星型、环型和总线/树型等常见几种
(4) 网络的访问控制方法
集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：
• CSMA／CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取） • 令牌环法 • 令牌总线
• 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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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。
控制网络系统及网络控制技术
1
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
2
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
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。
(3) 友好性
采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。
(4) 适应性、灵活性和可扩充性
采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可 以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的 大小配置。
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3. 集散控制系统特点（续）
(5) 实时性
• 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管 理与现场分离，管理更能综合化和系统化。
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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。
• 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
• 其结构的主要变化是局部网络采 用了MAP或者是与MAP兼容、 或者局部网络本身就是实时MAP LAN。
• MAP是由美国GM（通用汽车公 司）负责制定的，它是一种工厂 系统公共的通信标准，已逐步成 为一种事实上的工业标准。
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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。
• 通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、 分析、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。
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。
– 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
• 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。
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4. 集散控制系统数据通信
(1) 数据传输的介质
ห้องสมุดไป่ตู้– 双绞线、光钎、同轴电缆等。
(2) 数据传输方式
– 基带传输方式 – 频带传输方式
(3) 数据通信网络的拓扑结构
– 星型、环型和总线/树型等常见几种
(4) 网络的访问控制方法
集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：
• CSMA／CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取） • 令牌环法 • 令牌总线
• 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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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。
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