第8章计算机控制技术

计算机控制系统第8章分布式计算机控制系统DCS硬件集中显示管理，包括工程师站、操作员站和管理计算机分散控制监测，包括控制站、监测站或现场控制站网络通信DCS软件实时多任务操作系统数据库管理系统数据通信软件组态软件应用软件8.1概述8.1.1基本组成独立性协调性友好性适应性、灵活性和可扩充性实时性可靠性8.1.2分布式控制系统的特点现场控制站现场监测站CRT操作站数据高速公路监控计算机8.1.3分布式控制系统的发展1.DCS的开创期(1975年~1980年)图8-1第一代DCS基本结构局部网络LAN（LocalAreaNetwork）多功能现场控制站MFCS（MultifunctionFieldControlStation）增强型操作站EOS（EnhancedOperatorStation）通用型操作站US（UniversalStation）网关GW（Gateway）系统管理模块SMM（SystemManagementModule）主计算机HC（HostComputer）2.集散控制系统的成长与完善时期(1980年~1985年)实现开放式的系统通信控制站使用32位微处理器采用专用集成电路和表面安装技术操作站采用32位高档微计算机过程控制组态采用CAD方法人工智能特别是知识库系统（KBS）和专家系统（ES）与生产过程日益融合3.集散控制系统的扩展期（1985年以后）8.2体系结构8.2.1DCS的层次结构SNetMNet生产计划质量管理销售业务备品库存成本会计采购业务工程师站操作站操作站数据服务器MNet：管理网络SNet：系统网络CNet：控制网络现场控制站CNet…I/O模板00I/O00I/O01I/O02I/O15...I/O模板01I/O00I/O01I/O02I/O15...I/O模板02控制模板00SNet驱动SNet驱动控制模板01现场控制站I/O模板31图8-4典型集散控制系统的硬件结构示意图8.2.2DCS的硬件结构8.2.3DCS的软件结构监控软件：◆实时数据库◆画面及流程显示◆控制算法运行◆系统硬件诊断◆报警、报表、趋势显示◆DDE、OPC、ODBC、ActiveX等接口◆SOE分析软件(SunySOE)◆WEB服务◆安全性保证Internet/Intranet服务器操作员站管理网络MNETTCP/IP协议冗余系统网络SNET现场控制站冗余控制网络CNET现场I/O工程师站控制软件：◆多任务多线程实时操作系统◆信号采集◆数据转换◆控制算法运行◆通讯功能◆冗余切换◆故障诊断◆在线组态、在线下装支持ERP系统现场I/O组态软件：◆实时数据库组态◆控制及算法组态◆系统硬件组态◆工程管理组态◆图形组态◆历史记录组态◆报表、报警组态◆在线组态、在线下装◆安全性组态图8-5典型集散控制系统软件结构图图8-6现场控制站软件执行顺序图8-7现场控制站软件结构DCS的控制网络CNETDCS的系统网络SNETDCS的管理网络MNETDCS的决策管理网络DNET8.2.4DCS的网络结构8.3基本类型8.3.1集散型控制系统数据高速公路(DHW)通用控制网(UCN)局部控制网(LCN)1.TDC3000的三种通信链路过程控制级先进控制级，通常称为工厂级。最高控制级，也称为联合级。2.TDC3000提供的不同等级的分散控制关键性系统单元采用带有自动切换的全冗余操作员控制台至少由三个通用的操作站组成控制台的每一个操作站都可以存取相同的信息，任何一台操作站都可以代替另一台进行操作。与过程连接的控制级，其冗余由过程管理器中的过程管理模块实现，而关键环节的冗余是由TDC3000基本型、扩展型和多功能控制器的不间断的自动控制（UAC）特性来完成。在结构上提供历史模块的冗余盘和冗余的应用模块来提高可靠性。局部控制网中，一根通讯电缆作为主要电缆，另一根则作为备用电缆，3.TDC3000的冗余技术其测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表的，与现场总线及智能仪表的数字信号传送相比，其抗干扰能力与传输精度都大为逊色。各DCS开发生产企业制造的DCS使用专用平台，使得不同厂商之间的产品互不兼容，互操作性差。传统DCS在控制规律和控制算法方面，相对于常规仪表并没有重大突破，所提供的编程计算工具功能仍显简单，难以实现复杂的控制规律，使得许多先进的控制算法无法在DCS上直接实现，基于常规控制规律的DCS的控制品质难以满足生产的控制需求。8.3.2集散型控制系统存在的问题8.3.3基于IPC构成的分布式控制系统1.IPC-DCS的层次结构管理层（SMS）以太网串行接口操作层（IOS）以太网终端BUS现场控制层（FCS）仪表层（FIS）工业以太网（Profibus或PMI)ARCNET或485NET图8-9IPC-DCS的基本结构监控组态软件-服务端I/O设备监控组态软件-客户端监控组态软件-客户端I/O连接网络图8-10客户/服务器结构监控组态软件I/O设备I/O连接网络I/O连接图8-11对等结构2.IPC-DCS的网络结构监控组态软件监控组态软件监控组态软件监控组态软件关系数据库应用程序浏览器应用程序过程网络I/O连接I/O连接图8-12混合结构工作站工作站工作站工作站COM1COM3COM2COM1COM1COM1图8-13以RS-232方式共享数据3.IPC-DCS的通信方式COM1COM1COM1COM1图8-14以RS-485方式共享数据图8-15通过公共电话共享数据监控组态软件TelServer监控组态软件TelServerMODEMMODEMWebServer市话网MODEM办公室局域网生产装置生产装置监控组态软件TelClient8.3.4基于PLC构成的分布式控制系统图8-16可编程控制器的层次化网络结构控制方式操作方式系统结构8.4现场总线控制系统系统的开放性互可操作性与互换性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性8.4.1现场总线概述基金会现场总线的通信技术标准化功能块（FB，FunctionBlock）与功能块应用进程（FBAP，FunctionBlockApplicationProcess）设备描述（DD，DeviceDescription）与设备描述语言（DDL，DeviceDescriptionLanguage）现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术系统集成技术系统测试技术8.4.2基金会现场总线FF图8-17基金会现场总线的拓扑结构Profibus分为Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA三个兼容版本。Profibus-DP是专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计。使用Profibus-DP模块可取代价格昂贵的24V或0~20mA并行信号线。Profibus-FMS解决车间级通用性通信任务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。Profibus-PA专为过程自动化设计，采用标准的本质安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。8.4.3过程现场总线ProfibusProfibus可使分散式数字控制器从现场底层到车间级网络化，该网络系统分为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。Profibus协议的结构参考了ISO/OSI模型.Profibus-DP使用第1层、第2层和用户接口。直接数据链路映像（DDLM，directdatalinkmapped）提供易于进入第2层的用户接口。Profibus-FMS对第1、2和7层均加以定义。应用层包括现场总线信息规范（FMS，fieldbusmessagespecification）和低层接口（LLI，lowerlayerinterface。Profibus-PA数据传输采用扩展的“Profibus-DP”协议。使用分段式耦合器，Profibus-PA设备能很方便地集成到Profibus-DP网络。Profibus提供三种类型的传输技术：DP和FMS的RS-485传输；PA的IEC1158-2传输；光纤。其传输速率为9.6Kbps~12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。LonWorks技术由以下几部分组成：LonWorks节点和路由器；LonTalk协议；LonWorks收发器；网络开发工具（LonBuilder）节点开发工具（NodeBuilder）。8.4.4LonWorks总线Neuron芯片MC143150支持外部存储器；MC143120本身带有ROM，不支持外部存储器。Neuron芯片集成了3个8位的微处理器CPU1是MAC处理器，完成介质访问控制（MediaAccessControl），处理ISO/OSI七层网络协议的1、2层，其中包括驱动通信子系统的硬件和执行冲突避免算法。CPU2是网络处理器，实现ISO/OSI网络协议的3～6层功能，处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。MAC处理器和网络处理器间通过使用网络缓冲区进行数据传递。CPU3是应用处理器，执行用户程序。Neuron芯片具有一个由5个引脚组成的通用网络通信口，可将5个引脚（CP0～CP4）配置成三种不同的接口工作方式单端（single-ended）双端差分（differential）特殊目的（specialpurpose）方式。LonTalk协议提供OSI参考模型规定的7层服务，特点如下：发送的报文都是很短的数据（通常几个到几十个字节）；通信带宽不高（几Kbps到2Mbps）；网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机；多节点，多通信介质；可靠性高，实时性强。LonTalk协议提供四种基本报文服务：应答确认方式（Acknowledge）请求/响应方式（Request/Response）非应答重复方式（UnacknowledgedRepeated）非应答方式（Unacknowledged）带预测的P-坚持CSMA按固定概率P给出随机数量的时间片，待发送的节点任意分布在这些时间片上。根据对信道上积压工作的估计，确定一个值为1～63的n，由n来决定应该增加的时间片数。负载轻时缩短介质访问延时，负载重时减轻冲突的可能。可选择设置优先级为每一个节点分配一个待定的优先级时间片（PrioritySlot）发送时，数据报文在该时间片里将数据报文发送出去。时间片从0～127，0表示不需要等待立即发送，1表示等待一个时间片，……，时间片加在P-概率时间片之前。没有优先级的节点必须等待优先级时间片都完成之后，再等待P-概率时间片后才发送。加入优先级的节点比非优先级的节点具有更快的响应时间。HART通信协议参照ISO/OSI七层参考模型，简化并引用了其中1，2，7三层，即：物理层、数据链路层和应用层。物理层规定了HART通讯的物理信号方式和传输介质。采用基于Bell202标准的频移键控技术（FSK—FrequencyShiftKeying），在4~20mA的模拟信号上叠加了一个幅度为0.5mA的正弦调制波，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，如图8-18所示。HART通信具有点对点和多点连接模式，传输介质一般为双绞线，当传输距离较长时，可用屏蔽双绞线。通信速率为1200bps。8.4.5HART通信协议图8-18HART数字通信信号数据链路层规定了数据帧格式和数据通信规程。数据帧基本格式如图8-19所示，最长可达25个字