DCS控制网络系统及网络控制技术

19.1集散型控制系统9.2现场总线控制系统9.3以太控制网络系统9.4控制网络与管理网络集成技术9.5网络控制系统及其时间同步9.6闭环网络控制系统分析9.7闭环网络控制系统的控制器设计方法29.1集散型控制系统9.1.1概述9.1.2功能分层体系及基本结构9.1.3集散控制系统的组态性39.1.1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。–集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统（TotalDistributedControlSystems，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4DCS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（ElectricalInstrumentationComputer，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。59.1.2功能分层体系及基本结构1.集散控制系统功能分层体系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。图9-2集散控制系统体系结构的各层功能62.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TDC-2000为第一代集散系统的标志。•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72.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。•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82.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MAPLAN。•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。•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92.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。•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。10图9-6和利时第四代集散控制系统体系结构113.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。(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。123.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。•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。134.集散控制系统数据通信(1)数据传输的介质–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149.1.3集散控制系统的组态性1.集散控制系统的组态类型–系统组态•完成组成系统的各设备间的连接；–画面组态•完成操作站的各种画面、画面间的连接；–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。152.集散控制系统的组态软件•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。•组态软件的分类：–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WINCC–国内自行开发的国产化产品有Synall、组态王、力控、MAGS、Controlx等。16(1)组态软件需要解决的问题：•如何与采集、控制设备间进行数据交换。•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。•处理数据报警及系统报警。•存储历史数据并支持历史数据的查询。•各类报表的生成和打印输出。•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。•最终生成的应用系统运行稳定可靠。•具有与第3方程序的接口，方便数据共享。17(2)许多组态软件具有的突出特性：①组态向导（软件助手）–组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来进行或修改组态过程。②库和模块–已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中调出。这样使用户可以开发公司、技术或部门专用的标准，有助于快速建立项目。③交叉引用组态–可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的组态工具，具有数据的导入/导出功能，可以导入和导出变量、导入和导出消息、导入和导出文本。④测试、试运行和维护–只需应用仿真器就可对一个组态进行测试。189.1集散型控制系统9.2现场总线控制系统9.3以太控制网络系统9.4控制网络与管理网络集成技术9.5网络控制系统及其时间同步9.6闭环网络控制系统分析9.7闭环网络控制系统的控制器设计方法199.2现场总线控制系统9.2.1概述9.2.2现场总线类型9.2.3典型应用系统构成209.2.1概述1.现场总线概述–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的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。–现场总线控制系统FCS（fieldbuscontrolsystem）212.现场总线控制系统的体系结构•FCS的体系结构主要表现在以下5个方面。(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（如双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等）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。223.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–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–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。234.现场总线的优点•(1)节省硬件数量与投资•(2)节省安装费用•(3)节省系统维护开销•(4)用户具有高度的系统集成主动权•(5)提高了系统的准确性与可靠性249.2.2现场总线类型•几种较流行的现场总线–基金会现场总线–CAN（控制器局域网络）–LonWorks（局部操作网络）–PROFIBUS（过程现场总线）•PROFIBUS—FMS（现场信息规范）•PROFIBUS—PA（ProcessFieldBus）•PROFIBUS—DP（DistributedPeriphery）–HART总线•可寻址远程传感器高速通道的开放协议259.1集散型控制系统9.2现场总线控制系统9.3以太控制网络系统9.4控制网络与管理网络集成技术9.5网络控制系统及其时间同步9.6闭环网络控制系统分析9.7闭环网络控制系统的控制器设计方法269.3以太控制网络系统•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。•相比之下，一般的以太网技术除了通信的吞吐量要求较高外，对其他性能没有特殊要求；而工业控制现场由于其环境的特殊性，对工业以太网的实时性、可靠性、网络生存性、安全性等均有很高的要求。9.3.1控制网络的技术基础9.3.2以太控制网络系统的组成及其特点9.3.3以太网用于工业现场的关键技术279.3.1控制网络的技术基础1.控制网络的局域网技术–局域网LAN（LocalAreaNetwork）的概念产生于20世纪60年代末。IEEE于1980年成立的局域网标准委员会制定了802标准。–到20世纪80年代，局域网的产品已经大量涌现，其典型代表就是以太网。图9-26IEEE802参考模型282.交换式控制网络技术(1)交换式控制网络的技术特点（与共享式控制网络相比）具有很高的传输带宽，且利用网络分段，增加每个端口的可用带宽，还可进一步缓解共享式控制网络的拥塞状况。容量大，可支持几十至几百个接入设备，并具有组网方便的优点。一般可以提供无拥塞的服务与多对端口之间的同时通信，且交换设备具有低交换传输延时，一般可以满足实时控制要求。支持虚拟网络服务；可靠性高。(2)网络交换技术的工作方式–直通方式–存储转发方式293.分布式控制网络技术图9-30分布式控制网络结构304.虚拟局域网(VirtualLAN，VLAN)技术图9-31虚拟局域网结构示意图31