第第7 7章章 网络集成式分散控制系统网络集成式分散控制系统本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：4 4、现场总线控制系统、现场总线控制系统(FCS) (FCS) 2 2、计算机网络控制技术概述、计算机网络控制技术概述 3 3、集散控制系统（、集散控制系统（DCSDCS） 1 1、计算机工业网络基础、计算机工业网络基础 总体结构总体结构（一个用于工业控制领域的通信系统示意图）（一个用于工业控制领域的通信系统示意图） 一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络的三大功能：网络的三大功能： （l l）数据传送）数据传送 （2 2）资源共享）资源共享 （3 3）提高计算机的可靠性和可用性）提高计算机的可靠性和可用性 网络的类型网络的类型通信网络的类型可以按不同的标准进行划分，按网络范围和计算机之间互连的距通信网络的类型可以按不同的标准进行划分，按网络范围和计算机之间互连的距离可分为广域网（离可分为广域网（WANWAN）和局域网（）和局域网（LANLAN）两种。）两种。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络拓扑结构网络拓扑结构 1星形结构星形结构 星形结构的星形结构的特点特点：（1 1）结构简单，便于管理。）结构简单，便于管理。（2 2）控制简单，建网容易，通信功能简单。）控制简单，建网容易，通信功能简单。（3 3）网络延迟时间小，传输误差较低。）网络延迟时间小，传输误差较低。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络拓扑结构网络拓扑结构 2环形结构环形结构 环形结构的环形结构的特点特点：（1 1）在环路上，每个节点的地位是相同的，每个）在环路上，每个节点的地位是相同的，每个节点都可以获得网络的控制权。节点都可以获得网络的控制权。（2 2）不需要进行路径选择，控制比较简单，意味）不需要进行路径选择，控制比较简单，意味在环形结构中，信息从源地址到目的地的路径只在环形结构中，信息从源地址到目的地的路径只有一条。有一条。（3 3）传输信息的延迟时间固定，有利于实时控制。）传输信息的延迟时间固定，有利于实时控制。第第8 8章章 计算机网络控制计算机网络控制一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络拓扑结构网络拓扑结构 3总线形结构总线形结构 总线形结构的总线形结构的特点特点： （l l） 较好的扩充性，网络上节点的增删容易，较好的扩充性，网络上节点的增删容易，网络大小可通过转接部件延伸和扩展。网络大小可通过转接部件延伸和扩展。 （2 2）不需要中央控制器，有利于分布控制，）不需要中央控制器，有利于分布控制，可靠性高。可靠性高。 （3 3）由于多台设备共用一条通信线，所以信）由于多台设备共用一条通信线，所以信道利用率较高。道利用率较高。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络拓扑结构网络拓扑结构 4树线形结构树线形结构 树线形结构的树线形结构的特点特点：树树形形结结构构是是分分层层结结构构，适适用用于于分分级级管管理理和和分分级级控控制制系系统统。与与星星形形结结构构相相比比，由由于于通通信信线线路路总总长长度度较较短短，故故它它连连网网成成本本低低，易易于于维维护护和和扩扩展展，但但结结构构较较星形结构复杂。星形结构复杂。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络传输介质网络传输介质 传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物理通道，起传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物理通道，起了设备互连和传播信息的作用。传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞了设备互连和传播信息的作用。传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的线、同轴电缆、光纤等）和无线介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的载体）。载体）。 网络访问控制网络访问控制 信息访问控制信息访问控制有：查询、令牌环、令牌总线、有：查询、令牌环、令牌总线、CSMACSMACDCD、信息槽等。、信息槽等。 信息交换技术信息交换技术 信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容，它分为两类：信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容，它分为两类：线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为两种：报文存储转发交换线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为两种：报文存储转发交换与报文分组存储转发交换。与报文分组存储转发交换。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络协议及其层次结构网络协议及其层次结构 在通信网络中，对所有的节点来说，它们都要共享网络中的资源或相互之间要进行信息交换，但由于连接到网上的计算机或设备可能出自不同的生产厂家，型号也不尽相同，再加上软硬件的差异，这些都给节点之间的通信带来了困难。因此在通信网络中所有“成员”必须遵循某种相互都能接受的一组规则，以便实现彼此的通信和资源共享。这些规则的集合称为网网络协议络协议。在计算机网络中各终端用户之间，用户与资源之间或资源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行。 利用分层方法，我们可以容易地实现网际联网、网络配置间的连接。为了实现计算机系统之间的互连，1977年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型OSI（Open System InterconnectionReference Model）。这个网络层次结构层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网络互连网络互连 网络互连是指采用网络互连设备将同一类型网络互连是指采用网络互连设备将同一类型的网络或不同类型的网络及其产品相互连接的网络或不同类型的网络及其产品相互连接起来组成地理覆盖范围更大，功能更强的网起来组成地理覆盖范围更大，功能更强的网络。络。 网络互连网络互连常用设备常用设备有：有：中继器、网桥、路由器、网关。中继器、网桥、路由器、网关。 中继器中继器是网络物理层的一种介质连接设备，是网络物理层的一种介质连接设备，是延长网络距离的最简是延长网络距离的最简 单、最廉价的互单、最廉价的互连设备。连设备。 网桥同类型网络之间的互连设备。一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 路由器路由器属于属于OSIOSI网络层的一种互连设备，对应于网络层进行数据分组网络层的一种互连设备，对应于网络层进行数据分组转发，用路由器连接的网络可以使用在数据链路层和物理层互不相同转发，用路由器连接的网络可以使用在数据链路层和物理层互不相同的协议。下面为的协议。下面为路由器路由器工作原理工作原理： 一、计算机工业网络基础一、计算机工业网络基础 网关网关又称为网间连接器，能使不同类型（异种网络操作系统）的网络又称为网间连接器，能使不同类型（异种网络操作系统）的网络连接在一起。连接在一起。下图是网关连接示意图下图是网关连接示意图 二、二、计算机网络控制技术概述计算机网络控制技术概述 1.1.控制网络的特点控制网络的特点 从技术上讲，控制网络有以下一些技术特点：从技术上讲，控制网络有以下一些技术特点： (1)(1)要求有高实时性和良好的时间确定性；要求有高实时性和良好的时间确定性； (2)(2)传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁；传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁； (3)(3)容错能力强，可靠性、安全性好；容错能力强，可靠性、安全性好； (4)(4)控制网络协议简单实用，工作效率高；控制网络协议简单实用，工作效率高； (5)(5)控制网络结构具有高度分散性；控制网络结构具有高度分散性； (6)(6)控制设备的智能化与控制功能的自治性；控制设备的智能化与控制功能的自治性； (7)(7)与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成。与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成。 二、二、计算机网络控制技术概述计算机网络控制技术概述 2.控制网络与信息网络的区别控制网络与信息网络的区别 控制网络和信息网络有以下四点区别：控制网络和信息网络有以下四点区别： (1)(1)控制网络中数据传输的及时性和系统响应的控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性实时性是控制系统最基是控制系统最基本的要求。本的要求。 (2)(2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性可靠性。 (3)(3)在企业自动化系统中，分散的单一用户必须借助控制网络进入系统，在企业自动化系统中，分散的单一用户必须借助控制网络进入系统，所以通信方式多使用所以通信方式多使用广播和组播广播和组播方式，在信息网络中某个自主系统与另外方式，在信息网络中某个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式。一个自主系统一般都建立一对一的通信方式。 (4)(4)控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容兼容问题，问题，即即互操作性互操作性问题。问题。二、二、计算机网络控制技术概述计算机网络控制技术概述 3.控制网络的类型及其相互关系控制网络的类型及其相互关系 三、集散控制系统（三、集散控制系统（DCSDCS） 设计原则设计原则: 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，并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，并采用层次化的体系结构采用层次化的体系结构. . 所谓所谓分散控制分散控制是用多台微型计算机，分散应用于生产过程控制是用多台微型计算机，分散应用于生产过程控制; ;所谓所谓集中管理集中管理是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统. .分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。见下图见下图: : 1.集散控制系统集散控制系统 三、集散控制系统（三、集散控制系统（DCSDCS） 三、集散控制系统（三、集散控制系统（DCSDCS） 2.2.集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）的特点）的特点 分散性和集中性分散性和集中性自治性和协调性自治性和协调性灵活性和扩展性灵活性和扩展性先进性和继承性先进性和继承性可靠性和适应性可靠性和适应性友好性和新颖性友好性和新颖性三、集散控制系统（三、集散控制系统（DCSDCS） 3.3.集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）的体系结构）的体系结构 主要有三代产品主要有三代产品 第一代第一代DCSDCS的基本结构的基本结构 其基本结构由监控机、操作站、其基本结构由监控机、操作站、数据采集装置、过程控制单元数据采集装置、过程控制单元及高速数据通道等及高速数据通道等5 5部分部分组成组成。 三、集散控制系统（三、集散控制系统（DCSDCS） 3.3.集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）的体系结构）的体系结构 主要有三代产品主要有三代产品 第二代第二代DCSDCS的基本结构的基本结构 组成：组成：(1)(1)局部网络局部网络 (LAN) (LAN) ；(2)(2)节点工作站，即指过样控制单节点工作站，即指过样控制单(PCU)(PCU)；(3)(3)中央操作站，它是挂接在中央操作站，它是挂接在LANLAN上的节点上的节点工作站，负责对全系统的信息进行综合管工作站，负责对全系统的信息进行综合管理，是系统的主操作站；理，是系统的主操作站；(4)(4)系统管理站，又称为系统管理模块；系统管理站，又称为系统管理模块；(5)(5)主计算机，也称管理计算机；主计算机，也称管理计算机；(6)(6)网关网关( (GateWayGateWay) )。三、集散控制系统（三、集散控制系统（DCSDCS） 3.3.集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）的体系结构）的体系结构 主要有三代产品主要有三代产品 第三代第三代DCSDCS的基本结构的基本结构 第一、二代第一、二代DCSDCS基本上为封闭系统，基本上为封闭系统，不同系统之间无法互连，第三代不同系统之间无法互连，第三代DCSDCS局域网局域网(LAN)(LAN)遵循开放系统互连参考遵循开放系统互连参考模型的模型的7 7层通信协议层通信协议, ,符合国际标准，符合国际标准，比较容易构成信息集成系统。比较容易构成信息集成系统。四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 1.1.现场总线现场总线 现场总线现场总线( (Fieldbus) )是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多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。分支结构的通信网络。现场总线控制系统现场总线控制系统( (Fieldbus Control System，FCS) )是一种以现场总线为基础的是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。2.2.现场总线的优点现场总线的优点一对一对N N结构结构可靠性高可靠性高可控状态可控状态 互可操作性与互换性互可操作性与互换性 系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性 系统的开放性系统的开放性四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 3.3.现场总线对自动化领域的变革现场总线对自动化领域的变革现场总线对当今的自动化领域带来的变革是：现场总线对当今的自动化领域带来的变革是：用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表；用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表；用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式；用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式；用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表；用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表；用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；用现场总线控制系统用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统代替传统的分散控制系统DCS；变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 4.FCS4.FCS对对 DCSDCS的变革的变革FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。FCS的系统结构为全分散式，它废弃了的系统结构为全分散式，它废弃了DCS的输入的输入/输出单元和控制站，由现场输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。FCS的现场设备具有互操作性，彻底改变传统的现场设备具有互操作性，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性，控制层的封闭性和专用性，使不同厂商的现场设备既可互连也可互换，还可统一组态。使不同厂商的现场设备既可互连也可互换，还可统一组态。FCS的通信网络为开放式互连网络，用户可非常方便地共享网络数据库，使同的通信网络为开放式互连网络，用户可非常方便地共享网络数据库，使同层网络可以互连，也可以使不同网络互连。层网络可以互连，也可以使不同网络互连。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。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。四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 5.5.现场总线的特点现场总线的特点系统的分散性系统的分散性系统的开放性系统的开放性产品的互操作性产品的互操作性环境的适应性环境的适应性使用的经济性使用的经济性维护的简易性维护的简易性系统的可靠性系统的可靠性四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 6.6.几种有影响的现场总线几种有影响的现场总线 (1)CAN总线总线CAN是德国是德国Bosch公司从公司从20世纪世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。 (2)LonWorks(2)LonWorks控制网络和控制网络和LonLon总线总线LonWorks 是是Echeon公司于公司于1991年推出的全分布智能控制网络技术。年推出的全分布智能控制网络技术。 (3)FF总线总线FFFF总线总线既不被任何单个的公司拥有，也不被单个的国家或标准组织控制既不被任何单个的公司拥有，也不被单个的国家或标准组织控制, ,是一个是一个非营利组织，由非营利组织，由World FIPWorld FIP的北美部分和的北美部分和ISP(InteroperableISP(Interoperable System Protocol) System Protocol)合并而成合并而成 。四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 6.6.几种有影响的现场总线几种有影响的现场总线 （4）Profibus协议协议PROFIBUS是过程现场总线（是过程现场总线（Process Field Bus）的缩写。它是德国国家标准）的缩写。它是德国国家标准 DIN 19245和欧洲标准和欧洲标准EN 50170所规定的现场总线标准。所规定的现场总线标准。（5）Modbus协议协议 Modbus是一种工业通信和分布式控制系统协议。是一种工业通信和分布式控制系统协议。 四、四、现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 7.7.现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)(FCS)的体系结构的体系结构 采用采用“操作站操作站数字式智能现场仪表数字式智能现场仪表”两层式两层式结构，现场设备均为智能数字仪结构，现场设备均为智能数字仪表，见下图：表，见下图：传统传统DCS 的结构示意图的结构示意图 FCS的结构示意图的结构示意图