《計算機控制技術教案》第七章分散型測控網絡技術

《計算機控制技術教案》《計算機控制技術教案》1分布式控制系統概念分布式計算機控制系統又稱集散控制系統，簡稱DCS（DistributedControlSystem），它是一個為滿足大型工業生產和日益復雜的過程控制要求，從綜合自動化的角度出發，按功能分散、管理集中的原則構思，采用多層分級、合作自治的結構形式，綜合計算機（Computer）、通信（Communication）、終端顯示（CRT）和控制（Control）技術而發展起來的新型控制系統。《計算機控制技術教案》2分布式控制系統的發展

第一階段（1975年—1980年）

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代表產品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等

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主要由過程控制單元PCU、數據采集裝置DAU、CRT操作站、監控計算機和數據高速公路HW五部分組成。《計算機控制技術教案》2分布式控制系統的發展第二階段（1980年—1985年）

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主要代表產品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的CentumA，B，D等

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主要由局部網絡LAN、多功能控制器MC、增強型操作站EOS、通用操作站US、網間連接器GW、系統管理模塊SMM和主計算機HC七部分組成《計算機控制技術教案》2分布式控制系統的發展◆

第三階段（1985年—1990年）

—DCS向計算機網絡控制擴展，將過程控制、監督控制和管理調度進一步結合起來，并且加強斷續系統功能，采用專家系統和開放系統互連參考模型為基礎的制造自動化協議MAP標準，以及硬件上的諸多新技術，從而克服了自動化孤島問題

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典型產品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等《計算機控制技術教案》2分布式控制系統的發展◆

第四階段（1990年以后）

—DCS管控一體化出現，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結構，在網絡結構上增加了工廠信息網，并可與互聯網聯網，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統的軟件更豐富，一些優化和管理良好的界面的軟件被開發并移植到DCS中

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典型產品有Honeywell公司的TPS控制系統，日本橫河公司的Centum-CS控制系統，Foxboro公司的I/AS50/51系統等《計算機控制技術教案》3分布式控制系統的特點DCS的特點◆

分級遞階控制◆硬件積木化◆

軟件模塊化：工程師站組態軟件、操作站實時監控軟件以及過程控制站軟件◆

控制系統用組態方法生成◆

通信網絡的應用◆

可靠性高：系統結構、冗余技術、自診斷技術、抗干擾技術和高性能的元件

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開放系統：可移植性、互操作性、可適宜性、可得到性《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構◆分散過程控制級（面向生產過程）

★功能：完成生產過程的數據采集、調節控制等功能

★裝置：現場控制站（工業控制機）可編程序控制器（PLC）智能調節器其它測控裝置

《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構

★現場控制站

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主要由機箱（柜）、電源、PC總線工業控制機、通信控制單元、手動、自動顯示操作單元等構成

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其功能主要有6種，即數據采集功能、DDC控制功能、順序控制功能、信號報警功能、打印報表功能、數據通信功能

《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構★智能調節器

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一種數字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表—

智能調節器不僅可接受4～20mA，DC電流信號輸入的設定值，還具有異步通信接口RS－422／485、RS－232等，可與上位機連成主從式通信網絡，接受上位機下傳的控制參數，并上報各種過程參數

《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構◆集中操作監控級（面向操作員和系統工程師）

★功能：以操作監視為主要任務，兼有部分管理功能。配備計算機及外設，以及相應軟件，對生產過程實行高級控制策略、故障診斷、質量評估

★組成：監控計算機 工程師顯示操作站 操作員顯示操作站

《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構★顯示工作站

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主要由鍵盤、CRT顯示器和打印機構成

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主要是實現和操作員以及工程師有關的系統的功能：操作員在運轉整個系統時必要的操作功能，工程師為了進行系統的生成和維護時必要的工程師功能《計算機控制技術教案》4DCS的硬件體系結構◆綜合信息管理級

★功能：實現整個企業的綜合信息管理（主要包括生產管理和經營管理）

★組成：管理計算機、辦公自動化系統、工廠自動化服務系統，應用了MIS系統《計算機控制技術教案》5DCS的軟件體系◆

系統軟件

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提供系統運行和管理的基本環境◆組態軟件

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對過程管理系統組態、系統內各設備的定義、確定各設備的工作要求，設備網地址分配、定義各種控制點、點數據在顯示圖上的編排等◆應用軟件

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用于整個生產過程的操作和控制，過程數據收集，信息分析、優化，監控控制，外來設備的網絡化及完善《計算機控制技術教案》6DCS的通信網絡系統◆

通信網絡分類

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低速、中速、高速◆網絡拓撲結構

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星型、總線型、樹型、環型◆網絡訪問控制方式

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令牌傳送協議、CSMA/CD協議《計算機控制技術教案》《計算機控制技術教案》7、工業自動化網絡現場總線技術工業以太網Profibus現場總線AS-i總線《計算機控制技術教案》現場總線技術現場總線是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題，所以現場總線既是通信網絡，又是自控網絡。現場總線控制系統（FieldbusControlSystem,FCS）是由現場總線和現場設備組成的控制系統，這是繼電式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統DCS后的新一代控制系統。《計算機控制技術教案》現場總線技術FCS對DCS的變革《計算機控制技術教案》現場總線技術◆

FCS的信號傳輸實現了全數字化◆FCS的系統結構是全分散式，它廢棄了DCS的輸入／輸出單元和控制站，由現場設備或現場儀表取而代之

◆FCS的現場設備具有互操作性

◆FCS的通信網絡為開放式互連網絡，既可同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，用戶可極方便地共享網絡數據庫◆FCS的技術和標準實現了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用

《計算機控制技術教案》現場總線技術現場總線的分類◆

全功能數字網絡

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提供從物理層到用戶層的所有功能，標準化工作比較完善

◆傳感器網絡

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以CAN（ControllerAreaNetwork）網絡為基礎的現場總線

◆數字信號串行線

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最簡單的數據總線，不提供應用層和用戶層《計算機控制技術教案》現場總線技術現場總線的實質◆

現場總線的定義

★ISASP50（美國儀表協會標準）中對現場總線的定義

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現場總線是一種串行的數字數據通信鏈路，它溝通了過程控制領域的基本控制設備（即場地級設備）之間以及與更高層次自動控制領域的自動化控制設備（即車間級設備）之間的聯系★國際電工委員會IEC標準和現場總線基金會FF的定義

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現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡《計算機控制技術教案》現場總線技術

★現場總線的本質含義

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現場通信網絡

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現場設備互聯

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互操作性

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分散功能塊

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通信線供電

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開放式互聯網絡《計算機控制技術教案》現場總線技術◆

現場總線的協議

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現場總線一般采用國際標準組織ISO的開放系統互聯（OSI）協議，OSI協議是為計算機聯網而制定的7層參考模型，只要網絡中所有要處理的要素都是通過共同的路徑進行通信的，那么不管它是不是計算機網絡都可以使用該協議

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各廠家在實際制定自己的通信協議時，往往依據側重點的不同，僅實現該7層協議的子集《計算機控制技術教案》現場總線技術◆

現場總線系統組成

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從物理結構來看，現場總線系統有兩個主要組成部分：現場設備和傳輸介質，其中現場設備由現場微處理芯片及外圍電路構成，傳輸介質可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等

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現場總線的拓撲結構有很多種，如總線型、環型、樹型、星型等《計算機控制技術教案》現場總線技術現場總線的結構

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現場總線網絡結構是按照OSI參考模型建立的，OSI參考模型共分7層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表達層和應用層，現場總線將上述7層簡化為3層，分別由OSI參考模式的第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層組成，并增加了用戶層《計算機控制技術教案》工業以太網通訊技術

在物流自動化領域，越來越多的企業需要建立包含從工廠現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡管控平臺，建立以工業控制網絡技術為基礎的企業信息化系統。工業以太網提供了針對制造業控制網絡的數據傳輸的以太網標準。該技術基于工業標準，利用了交換以太網結構，有很高的網絡安全性、可操作性和實效性，最大限度地滿足了用戶和生產廠商的需求。工業以太網以其特有的低成本、高實效、高擴展性及高智能的魅力，吸引著越來越多的制造業廠商。《計算機控制技術教案》工業以太網通訊技術工業網絡與傳統辦公室網絡相比，有一些不同之處，如表所示。辦公室網絡工業網絡應用場合普通辦公場合工業場合、工況惡劣，抗干擾性要求較高拓撲結構支持線形、環形、星形等結構支持線形、環形、星形等結構，并便于各種結構的組合和轉換，簡單的安裝，最大的靈活性和模塊性，高擴展能力可用性一般的實用性需求，允許網絡故障時間以秒或分鐘計極高的實用性需求，允許網絡故障時間＜300ms以避免生產停頓網絡監控和維護網絡監控必須有專人員使用專用工具完成網絡監控成為工廠監控的一部分，網絡模塊可以被HMI軟件如WinCC監控，故障模塊容易更換《計算機控制技術教案》工業以太網應用中的關鍵問題1、通信實時性問題以太網采用的CSMA/CD(Carriersensemultipleaccess/collisiondetection)的介質訪問控制方式，其本質上是非實時的。平等競爭的介質訪問控制方式不能滿足工業自動化領域對通信的實時性要求。因此以太網一直被認為不適合在底層工業網絡中使用。需要有針對這一問題的切實的解決方案。2、對環境的適應性與可靠性的問題

以太網是按辦公環境設計的，將它用于工業控制環境，其環境適應能力、抗干擾能力等是許多從事自動化的專業人士所特別關心的。在產品的設計時要特別注重材質、元器件的選擇。使產品在強度、溫度、濕度、振動、干擾、輻射等環境參數方面滿足工業現場的要求。還要考慮到在工業環境下的安裝要求，例如采用DIN導軌式安裝等。像RJ45一類的連接器，在工業上應用太易損壞，應該采用帶鎖緊機構的連接件，使設備具有更好抗振動、抗疲勞能力。《計算機控制技術教案》Profibus現場總線PROFIBUS是國際性的開放的現場總線標準PROFIBUS標準是完整的、開放的、與制造商無關的、已經生效的一種標準

節省硬件和安裝費用

節省工程費用

更大的制造靈活性

減少故障時間

準確、可靠的診斷數據

可靠的數字傳輸技術《計算機控制技術教案》PROFIBUS減少40%的安裝費用工程費組裝費硬件費51%23%27%22%22%12%0%50%100%硬件組裝工程100%57%Today(4...20mA)PROFIBUS27%《計算機控制技術教案》Profibus總線通信方式PROFIBUS主動站、主設備被動站、從設備多主通信和主從通信PLCPLCPC主設備間的邏輯令牌環《計算機控制技術教案》AS-I總線在現場總線系統中，PROFIBUS等可以解決現場級和車間級設備的通信問題，但工業自動化現場信號均要落實到具體的傳感器或執行器上，這些設備散落在工廠的每個角落，數量龐大。它們不可能全都連接到PROFIBUS等高級總線上。因此，必須有一種低級的總線可以完成該任務，通過這種總線，可以將最低級設備連接到高層網絡中，從而構成完整的工業通訊網絡。AS-I的意思源自actuator-sensor-interface被公認為是一種最好的，最簡單的和最低成本的底層現場總線，它通過高柔性和高可靠性的單根電纜把現場具有通信能力的傳感器和執行器連接起來。

《計算機控制技術教案》AS-I特點和技術規范

1．簡單。主站和從站的內部程序都是生產廠商預先在設備中寫好的，用戶只需按照要求做好基本的設置即可。而且傳輸電纜的連接也非常簡單，不需要做傳統的剝線等繁瑣的工