计算机控制系统第11章 控制网络系统及网络控制技术1第11章主要内容l11.1 集散型控制系统l11.2 现场总线控制系统l11.3 以太控制网络系统l11.4 控制网络与信息网络集成技术l11.5 网络控制系统设计l本章小结211.1 集散型控制系统11.1.1 概述概述 l相关概念u集中控制采用单一计算机来实现对工业大系统的控制。u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。u集散型计算机控制系统（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。 l实际需要管理要集中，控制要分散311.1.1 概述 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的发展更促进相关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。411.1.1 概述(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。511.1.2 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、层次化体系结构。1. 集散控制系统功能分集散控制系统功能分层体系层体系62. 集散控制系统基本结构1) 第一代集散控制系统l以1975年由美国霍尼威尔（Honeywell）公司首先推出的集散系统TDC-2000为第一代集散系统的标志。l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。2) 第二代集散控制系统l20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。l特点:系统功能扩大及增强结构简图结构简图72. 集散控制系统基本结构(续)3) 第三代集散控制系统l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。lMAP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。l除了局部网络的根本进步之外，第三代集散控制系统的其他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。结构简图82. 集散控制系统基本结构(续)4) 第四代集散控制系统u20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。l共性：u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。l主要特征为：u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。结构简图93. 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，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 u各工作站独立自主地完成分配给自己任务，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。(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。 103. 集散控制系统特点(续)(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。(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。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。113. 集散控制系统特点(续)(6) 可靠性 u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。u使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。124. 集散控制系统数据通信(1) 数据传输的介质 u双绞线、光钎、同轴电缆等。(2) 数据传输方式u基带传输方式u频带传输方式 (3) 数据通信网络的拓扑结构u星形、环形和总线/树形等常见几种 (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：CSMACD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）令牌环法令牌总线1311.1.3 集散控制系统的组态性1. 集散控制系统的组态类型集散控制系统的组态类型u系统组态完成组成系统的各设备间的连接。 u画面组态完成操作站的各种画面、画面间的连接。 u控制组态 完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。 组态画面1411.1.3 集散控制系统的组态性2. 集散控制系统的组态软件集散控制系统的组态软件l指一些包括数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一级的软件平台和开发环境，以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，可以非常容易实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统的集成。 l组态软件的分类：u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WINCCu国内自行开发的国产化产品有Synall、组态王、力控、MAGS、Controlx等。152. 集散控制系统的组态软件1) 组态软件需要解决的问题u如何与采集、控制设备间进行数据交换。u使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。u处理数据报警及系统报警。u存储历史数据并支持历史数据的查询。u各类报表的生成和打印输出。u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。u最终生成的应用系统运行稳定可靠。u具有与第3方程序的接口，方便数据共享。 162. 集散控制系统的组态软件2) 组态软件具有的功能u强大的画面显示组态功能。u良好的开放性。开放性指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。组态软件向下能实现与底层的数据设备通信，向上实现与上层的管理层通信。u丰富的功能模块，良好的人机界面。u强大的数据库。u可编程的命令语言。u周密的系统安全防范。u仿真功能。提供强大的仿真功能，使系统并行设计，从而缩短开发周期。173. 组态设计步骤1）将所有I/O点的参数收集齐全，并填写表格。2）搞清楚所使用的I/O设备的生产商、种类、型号，使用的通信接口类型，采用的通信协议，以便在定义I/O设备时作出准确选择。3）将所有I/O点的I/O标识收集齐全，并填写表格。I/O标识是唯一确定一个I/O点的关键字，组态软件通过向I/O设备发出I/O标识来请求其对应的数据。4）根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面草图。5）按照1)统计出的表格，建立实时数据库，正确组态各种变量参数。183. 组态设计步骤（续）6）根据1)和3)的统计结果，在实时数据库中建立实时数据库变量与I/O点的一一对应关系，即定义数据连接。7）根据4)的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面。8）将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，规定动画属性和幅度。9）对组态内容进行分段和总体调试。10）系统投入运行。1911.1.4 民用机场供油集散系统实例l1. 民用机场供油系统工艺简介图l2. 机场供油系统的总体结构及硬件配置图l3. 系统功能设计l4. 系统软件设计l5. 实际开发系统的特点203. 系统功能设计1）直接控制级功能设计u数据采集 u数据计算u触发报警u对现场设备进行直接控制u对工艺过程进行自动控制213. 系统功能设计2）监控管理级功能设计u显示工艺流程、过程装置及测量仪表的工作状态u显示工艺过程参数、设备工作参数以及统计数据u显示某些重要变量的趋势图u采用声光两种方式报警提示及管理u对泵或电动阀门等设备进行控制u对三个主要的工艺过程进行控制u设置设备维修状态和设置系统参数u存储关键变量和系统事件内容及时间等数据u生成及打印各种记录报表u进行三级用户访问权限管理u进行应用程序管理、与外界通信224. 系统软件设计l直接控制级与监控管理级的各项功能由应用软件实现。l监控管理级的功能涵盖了过程监控与生产管理两个层次。该级在硬件上是一级，在功能上是监控和管理两层。l本质区别：监控层功能面向控制过程，要求较强的实时性，其实现以实时数据库为核心；而管理层功能重在对已有数据进行统计、报表和查询，因此其实现以关系数据库为核心。监控管理软件结构图235. 实际开发系统的特点l采用分级分布式总体结构，具有DCS的“集中管理，分散控制”的优点。还具有特点：(1) 采用智能化总线仪表，实现了对现场设备的主动维护。(2) 直接控制级采用PLC构建，保证了系统的可靠性和可扩展性。(3) 监控管理级的应用软件采用组态软件开发，保证了应用软件的可靠性以及人机界面的友好性。(4) 直接控制级和监控管理级采取了相应的热备份与冗余设计，进一步提高了系统的可靠性。(5) 系统在功能设计上将直接控制级设置为系统的核心，它可以独立于监控管理级运行，使得系统的功能划分更为清晰，为系统的维护和使用带来了方便，也进一步提高了系统的可靠性。2411.2 现场总线控制系统l11.2.1 现场总线概述l11.2.2 现场总线控制系统的体系结构l11.2.3 现场总线技术特点l11.2.4 典型的几种现场总线l11.2.5 应用系统汽车总线控制系统2511.2.1 现场总线概述l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系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络（Infranet）。它可以与因特网（Internet）、企业内部网（Intranet）相连，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。l现场总线控制系统FCS（fieldbus control system） 2611.2.2 FCS的体系结构(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。(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。2711.2.3 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，可完成控制的基本功能。(4) 开放性u 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u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。2811.2.4 典型的几种现场总线1.基金会现场总线 2.CAN（控制器局域网络） 3.PROFIBUS（过程现场总线） uPROFIBUSFMS（现场信息规范）uPROFIBUSPA（Process Field Bus）uPROFIBUSDP（Distributed Periphery）4. HART总线 u可寻址远程传感器高速通道的开放协议2911.2.5 应用系统汽车总线控制系统(1)网络连接方式l目前汽车上的网络连接方式主要采用两条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kbps；另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kbps。l国内汽车网络连接方式图(2)汽车CAN总线节点ECU的设计l汽车节点ECU的开发可以选择带有在片CAN的微控制器，也可以选择其他微控制器和相应的片外CAN控制器、收发器。lCAN总线节点原理图3011.3 以太控制网络系统l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。l11.3.1 控制网络概述l11.3.2 以太控制网络系统的组成及其特点l11.3.3 以太网用于工业现场的关键技术3111.3.1 控制网络概述l企业信息化的基本思路：u充分利用现代信息技术，改造生产工艺，实现生产过程自动化；u改善企业经营服务，实现管理方式系统化；u改进信息系统，实现知识管理网络化；u改变营销手段，实现商务运营的电子化、网络化。 图图11-16企业信息化层次图企业信息化层次图3211.3.2 以太控制网络系统的组成及其特点(1) 以太控制网络以交换式集线器或网络交换机为中心，采用星型结构 (2) 监视工作站用于监视控制网络的工作状态(3) 控制设备l一般工控机、现场总线控制网络、PLC、嵌入式控制系统(4) 可采用分段结构，连成更大的网络 (5) 以太控制网络的底层协议为IEEE 802.3 (6) 实时控制网络软件是集实时控制、数据处理、信息传输、信息共享、网络管理于一体的庞大而复杂的软件工程。 以太控制网络的组成图3311.3.3 以太网用于工业现场的关键技术1. 实时性 2. 工业以太网质量服务(QoS)3. 网络生存性4. 网络安全性5. 总线供电与安全防爆6. 可互操作性3411.4 控制网络与信息网络集成技术l控制网络与信息网络的集成主要是实现信息交换和资源共享。涉及到的主要集成技术:11.4.1 网络互联技术11.4.2 动态数据交换技术11.4.3 远程通信技术11.4.4 数据库访问技术主要集成技术图3511.5 网络控制系统设计11.5.1 网络控制系统概述11.5.2 闭环网络控制系统模型11.5.3 闭环网络控制系统分析11.5.4 闭环网络控制系统控制器设计11.5.5 存在问题3611.5.1 网络控制系统概述1. 网络控制系统的定义网络控制系统的定义u通过网络实时交换数据而形成闭环的反馈控制系统。2. 将传输网络引入闭环控制系统所带来的问题将传输网络引入闭环控制系统所带来的问题(1) 大大增加系统分析和设计的复杂性。(2) 网络传输存在传输延迟且是时变的。(3) 网络传输中有数据包丢失等现象发生。某种网络控制系统结构图3711.5.2 闭环网络控制系统模型l执行器的工作方式可分为:时间驱动_执行器在采样时钟的作用下等周期对控制信号采样，然后施加到被控制对象上。事件驱动_控制信号到达执行器后，执行器立刻将控制信号施加到被控对象上。闭环网络控制系统结构图381 基于事件驱动的被控对象离散模型 被控对象的离散时间模型为施加于被控对象上的控制信号图离散化后的系统矩阵 392 基于时间驱动的被控对象离散模型 被控对象的离散时间模型为施加于被控对象上的控制信号图离散化后的系统矩阵 m(k)为k时刻控制信号的传输延迟。4011.5.3 闭环网络控制系统分析1.基于事件驱动的网络控制系统的稳定性分析基于事件驱动的网络控制系统的稳定性分析考察采样延迟小于一个采样周期的简单系统模型周期为T的采样系统：扩展状态为 4111.5.3 闭环网络控制系统分析2.基于时间驱动的网络控制系统的稳定性分析基于时间驱动的网络控制系统的稳定性分析假设：采样周期恒定为T、实际传输延迟整数化、省略周期T的书写。被控对象方程 控制器方程 42其中：其中：系统的稳定性系统的稳定性由由 决定决定矩阵集合矩阵集合 4311.5.4 闭环网络控制系统控制器设计l基本思想：u将随机延迟转化为固定延迟，然后针对转化后的固定延迟设计时延网络控制器，也就是将一个不确定性系统转化成一个定常系统。1 对网络控制系统提出的几点假设：对网络控制系统提出的几点假设：u控制器和执行器都采用时间驱动 u各部分延迟都有确定的上界u执行器、被控对象和传感器在同一网络节点上，并统称为被控对象。2 网络控制系统的被控对象状态方程网络控制系统的被控对象状态方程 443 确定性控制设计方法1）实例证明对于具有随机传输延迟的闭环控制系统，若按最大传输延迟来设计控制器，虽然在最大传输延迟情况下系统是稳定的，但实际闭环控制系统却不一定稳定。2）一类网络控制系统的状态观测器的设计方法是：针对得到最大确定延迟步数系统，建立多步观测器和（或）预测观察器，借鉴原有的理论和方法进行控制器设计。453 确定性控制设计方法3）采用闭环网络控制系统的扩展回路传输恢复（LTR）综合方法，并将标准的LTR技术从一步预测推广到多步预测的情况，在设计过程中可以兼顾到闭环系统的性能和鲁棒稳定性。 4）针对网络控制系统中普遍存在的通信延迟问题，在有动态噪声及测量噪声存在的情况下，采用适当的延迟补偿器结构，以实现对随机通信延迟的补偿和对信号的最小方差预测。464. 确定性控制设计方法的优点l可以利用已有的确定性系统的设计和分析方法对闭环网络控制系统进行设计和分析，不受网络诸多因素变化的影响。因此在传输延迟相对固定或时延特性难以获取或变化较快的情况下使用确定性控制设计方法，可以得到良好的控制效果。475. 确定性控制设计方法的缺陷1) 在确定性控制系统设计方法中，控制器、执行器采用的都是时间驱动的工作方式，导致新的信息得不到及时利用，不利于系统控制性能的进一步提高。2) 将每一步的传输延迟都转化为最大的传输延迟，相当于人为地将延迟扩大化，降低了系统应有的控制性能。4811.5.5 存在问题存在很多问题需要继续进行以下深入研究：1） 对应的延迟补偿技术和信息预测技术；2） 在已有的分析与设计方法中，没有考虑建模的不确定性。故在建模存在不确定性的情况下如何设计闭环网络控制系统，仍需要进一步深入研究。3） 对随机控制方案的研究，缺乏关于控制器设计的解析方法，4）控制器的鲁棒性问题尚未得到有效解决。5） 当被控对象为非线性对象时，如何进行闭环网络控制系统的分析和网络控制器设计。6） 如何对整个控制网络进行优化设计。 49本章小结l介绍集散控制系统的基本概念和层次化体系结构，基本特点和组态特性。l总结现场总线的技术特点，介绍其体系结构和几种常用的现场总线。 l介绍以太控制网络的组成及特点，总结归纳了以太网应用于工业现场时的关键技术问题。 l归纳了几种信息网络与控制网络的集成技术。l针对网络信息传输中存在的延迟进行了理论分析，分别建立了基于事件驱动和基于时间驱动的网络控制系统数学模型，给出了闭环网络控制系统确定性控制器设计方法。 50 第第 11 11 章章 结结 束束51