計算機控制系統(tǒng) 第2版 教學(xué)課件 ppt 作者 劉士榮 計算機控制系統(tǒng)第8章分布式計算機控制系統(tǒng)

1、計算機控制系統(tǒng),第8章 分布式計算機控制系統(tǒng),DCS硬件集中顯示管理，包括工程師站、操作員站和管理計算機分散控制監(jiān)測，包括控制站、監(jiān)測站或現(xiàn)場控制站網(wǎng)絡(luò)通信DCS軟件實時多任務(wù)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信軟件組態(tài)軟件應(yīng)用軟件,8.1 概述,8.1.1 基本組成,獨立性協(xié)調(diào)性友好性適應(yīng)性、靈活性和可擴充性實時性可靠性,8.1.2 分布式控制系統(tǒng)的特點,現(xiàn)場控制站 現(xiàn)場監(jiān)測站 CRT操作站 數(shù)據(jù)高速公路

2、 監(jiān)控計算機,8.1.3 分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展,1. DCS的開創(chuàng)期(1975年~1980年),圖8-1 第一代DCS基本結(jié)構(gòu),局部網(wǎng)絡(luò)LAN（Local Area Network） 多功能現(xiàn)場控制站MFCS（Multifunction Field Control Station） 增強型操作站EOS（Enhanced Operator Station） 通用型操作站US（Universal Station） 網(wǎng)關(guān)GW（

3、Gateway） 系統(tǒng)管理模塊SMM（System Management Module） 主計算機HC（Host Computer）,2. 集散控制系統(tǒng)的成長與完善時期(1980年~1985年),實現(xiàn)開放式的系統(tǒng)通信控制站使用32位微處理器采用專用集成電路和表面安裝技術(shù)操作站采用32位高檔微計算機過程控制組態(tài)采用CAD方法人工智能特別是知識庫系統(tǒng)（KBS）和專家系統(tǒng)（ES）與生產(chǎn)過程日益融合,3. 集散控制系統(tǒng)的擴展期

4、（1985年以后）,8.2 體系結(jié)構(gòu),8.2.1 DCS的層次結(jié)構(gòu),,圖8-4 典型集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖,8.2.2 DCS的硬件結(jié)構(gòu),8.2.3 DCS的軟件結(jié)構(gòu),圖8-5 典型集散控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖,圖8-6 現(xiàn)場控制站軟件執(zhí)行順序,圖8-7 現(xiàn)場控制站軟件結(jié)構(gòu),DCS的控制網(wǎng)絡(luò)CNETDCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNETDCS的管理網(wǎng)絡(luò)MNETDCS的決策管理網(wǎng)絡(luò)DNET,8.2.4 DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),8.2.

5、5 DCS實例,8.3 基本類型,8.3.1 集散型控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)高速公路(DHW)通用控制網(wǎng)(UCN)局部控制網(wǎng)(LCN),1. TDC3000的三種通信鏈路,過程控制級先進控制級，通常稱為工廠級。最高控制級，也稱為聯(lián)合級。,2. TDC3000提供的不同等級的分散控制,關(guān)鍵性系統(tǒng)單元采用帶有自動切換的全冗余操作員控制臺至少由三個通用的操作站組成控制臺的每一個操作站都可以存取相同的信息，任何一臺操作站都可以代替另

6、一臺進行操作。與過程連接的控制級，其冗余由過程管理器中的過程管理模塊實現(xiàn)，而關(guān)鍵環(huán)節(jié)的冗余是由TDC 3000基本型、擴展型和多功能控制器的不間斷的自動控制（UAC）特性來完成。在結(jié)構(gòu)上提供歷史模塊的冗余盤和冗余的應(yīng)用模塊來提高可靠性。局部控制網(wǎng)中，一根通訊電纜作為主要電纜，另一根則作為備用電纜，,3. TDC3000的冗余技術(shù),其測量變送和執(zhí)行機構(gòu)仍是基于模擬儀表的，與現(xiàn)場總線及智能儀表的數(shù)字信號傳送相比，其抗干擾能力與傳輸精

7、度都大為遜色。各DCS開發(fā)生產(chǎn)企業(yè)制造的DCS使用專用平臺，使得不同廠商之間的產(chǎn)品互不兼容，互操作性差。傳統(tǒng)DCS在控制規(guī)律和控制算法方面，相對于常規(guī)儀表并沒有重大突破，所提供的編程計算工具功能仍顯簡單，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，使得許多先進的控制算法無法在DCS上直接實現(xiàn)，基于常規(guī)控制規(guī)律的DCS的控制品質(zhì)難以滿足生產(chǎn)的控制需求。,8.3.2集散型控制系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢,受信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機硬件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

8、、現(xiàn)場總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等）發(fā)展的影響，以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加各新型集散控制系統(tǒng)（DCS）廠商紛紛提升DCS系統(tǒng)的技術(shù)水平，并不斷地豐富其內(nèi)容?？梢哉f，以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（過程知識系統(tǒng)）、Emerson 公司的PlantWeb (Emerson Process Management)、橫河公司的R3（PRM-工廠資源管理系統(tǒng)）和ABB公司的 In

9、dustrial IT 系統(tǒng)為標(biāo)志的新一代DCS已經(jīng)形成。,8.3.3 基于IPC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng),1. IPC-DCS的層次結(jié)構(gòu),圖8-9 IPC-DCS的基本結(jié)構(gòu),,,圖8-10 客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu),,圖8-11 對等結(jié)構(gòu),2. IPC-DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),,圖8-12 混合結(jié)構(gòu),,圖8-13 以RS-232方式共享數(shù)據(jù),3. IPC-DCS的通信方式,圖8-14 以RS-485方式共享數(shù)據(jù),,圖8-15 通過

10、公共電話共享數(shù)據(jù),,8.3.4 基于PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng),,圖8-17 可編程控制器的層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),控制方式 操作方式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),8.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),系統(tǒng)的開放性 互可操作性與互換性 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性,8.4.1 現(xiàn)場總線概述,基金會現(xiàn)場總線的通信技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化功能塊（FB，F(xiàn)unction Block）與功能塊應(yīng)用進程（FBAP，F(xiàn)unction B

11、lock Application Process） 設(shè)備描述（DD，Device Description）與設(shè)備描述語言（DDL，Device Description Language）現(xiàn)場總線通信控制器與智能儀表或工業(yè)控制計算機之間的接口技術(shù) 系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)測試技術(shù),8.4.2 基金會現(xiàn)場總線FF,圖8-18 基金會現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu),Profibus分為Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus

12、-PA三個兼容版本。Profibus-DP是專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間的通信設(shè)計。使用Profibus-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0~20mA并行信號線。Profibus-FMS解決車間級通用性通信任務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。Profibus-PA專為過程自動化設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。,8.4.3

13、 過程現(xiàn)場總線Profibus,Profibus可使分散式數(shù)字控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(wǎng)絡(luò)化，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備，沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當(dāng)主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。,Profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)參考了ISO/OSI模型.Profibus-DP使用第1層、第2層和用戶接口。直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM，di

14、rect data link mapped）提供易于進入第2層的用戶接口。Profibus-FMS對第1、2和7層均加以定義。應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FMS，fieldbus message specification）和低層接口（LLI，lower layer interface。Profibus-PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的“Profibus-DP”協(xié)議。使用分段式耦合器，Profibus-PA設(shè)備能很方便地集成到Profibus

15、-DP網(wǎng)絡(luò)。,Profibus提供三種類型的傳輸技術(shù)：DP和FMS的RS-485傳輸；PA的IEC1158-2傳輸；光纖。其傳輸速率為9.6Kbps~12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個站點。,LonWorks技術(shù)由以下幾部分組成：LonWorks節(jié)點和路由器；LonTalk協(xié)議；LonWorks收發(fā)器；

16、網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具（LonBuilder）節(jié)點開發(fā)工具（NodeBuilder）。,8.4.4 LonWorks總線,Neuron芯片MC143150支持外部存儲器；MC143120本身帶有ROM，不支持外部存儲器。Neuron芯片集成了3個8位的微處理器CPU1是MAC處理器，完成介質(zhì)訪問控制（Media Access Control），處理ISO/OSI七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的1、2層，其中包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)的硬件和執(zhí)行沖突避免算法。

17、CPU2是網(wǎng)絡(luò)處理器，實現(xiàn)ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的3～6層功能，處理網(wǎng)絡(luò)變量、地址、認證、后臺診斷、軟件定時器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等進程。MAC處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器間通過使用網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)傳遞。CPU3是應(yīng)用處理器，執(zhí)行用戶程序。,Neuron芯片具有一個由5個引腳組成的通用網(wǎng)絡(luò)通信口，可將5個引腳（CP0～CP4）配置成三種不同的接口工作方式單端（single-ended）雙端差分（differential）特殊目的（speci

18、al purpose）方式。,LonTalk協(xié)議提供OSI參考模型規(guī)定的7層服務(wù)，特點如下：發(fā)送的報文都是很短的數(shù)據(jù)（通常幾個到幾十個字節(jié)）；通信帶寬不高（幾Kbps到2Mbps）；網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點往往是低成本、低維護的單片機；多節(jié)點，多通信介質(zhì)；可靠性高，實時性強。,LonTalk協(xié)議提供四種基本報文服務(wù)：應(yīng)答確認方式（Acknowledge）請求/響應(yīng)方式（Request/Response）非應(yīng)答重復(fù)方式（Unackno

19、wledged Repeated）非應(yīng)答方式（Unacknowledged）,帶預(yù)測的P-堅持CSMA按固定概率P給出隨機數(shù)量的時間片，待發(fā)送的節(jié)點任意分布在這些時間片上。根據(jù)對信道上積壓工作的估計，確定一個值為1～63的n，由n來決定應(yīng)該增加的時間片數(shù)。負載輕時縮短介質(zhì)訪問延時，負載重時減輕沖突的可能?？蛇x擇設(shè)置優(yōu)先級為每一個節(jié)點分配一個待定的優(yōu)先級時間片（Priority Slot）發(fā)送時，數(shù)據(jù)報文在該時間片里將數(shù)據(jù)報文

20、發(fā)送出去。時間片從0～127，0表示不需要等待立即發(fā)送，1表示等待一個時間片，……，時間片加在P-概率時間片之前。沒有優(yōu)先級的節(jié)點必須等待優(yōu)先級時間片都完成之后，再等待P-概率時間片后才發(fā)送。加入優(yōu)先級的節(jié)點比非優(yōu)先級的節(jié)點具有更快的響應(yīng)時間。,HART通信協(xié)議參照ISO/OSI七層參考模型，簡化并引用了其中1，2，7三層，即：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層規(guī)定了HART通訊的物理信號方式和傳輸介質(zhì)。采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)

21、的頻移鍵控技術(shù)（FSK—Frequency Shift Keying），在4~20mA的模擬信號上疊加了一個幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，如圖8-19所示。HART通信具有點對點和多點連接模式，傳輸介質(zhì)一般為雙絞線，當(dāng)傳輸距離較長時，可用屏蔽雙絞線。通信速率為1200bps。,8.4.5 HART通信協(xié)議,數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程。數(shù)據(jù)幀基本格式如圖8-20所示

22、，最長可達25個字節(jié)。HART協(xié)議是主從式的通信協(xié)議，系統(tǒng)允許有兩個主設(shè)備，最多可有15個從設(shè)備。從設(shè)備可尋址范圍為0~15，當(dāng)?shù)刂窞?時，為點對點模式；當(dāng)?shù)刂窞?~15時，為多點模式。,應(yīng)用層規(guī)定了HART通信命令的內(nèi)容（見表8-1）第一類是通用命令（Universal Commands）第二類是普通應(yīng)用命令（Common-Practice Commands）第三類是特殊命令（Device-Specific Commands

23、）,HART通信的應(yīng)用通常有三種方式。第一種方式是用手持通信終端（HHT）與現(xiàn)場智能儀表進行通信。第二種方式帶HART通信功能的控制室儀表，可與多臺HART儀表進行通信并組態(tài)，為操作人員提供一個人機界面和信號擴展接口。第三種方式是與PC機或DCS操作站進行通信。,廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先

24、級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；  采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個（CAN技術(shù)規(guī)范2.0A），數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；   每幀數(shù)據(jù)都有CRC效驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕?8.4.6 CAN總線,1、基本特點,CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響；

25、60; CAN可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)；CAN總線直接通信距離最遠可達10km/5KBPS，通信速率最高可達1MBPS/40m；  采用不歸零碼（Non Retrun to Zero，NRZ）編碼/解碼方式，采用位填充（插入）技術(shù)。,CAN總線采用了OSI的3層模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN支持的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型。傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜和光纖等，采用雙絞線通信

26、時，速率為1Mbps/40m、50Kbps/10km，結(jié)點數(shù)可達110個。CAN的通信介質(zhì)訪問為帶有優(yōu)先級的CSMA/CD。采用多主競爭方式結(jié)構(gòu)。在發(fā)生沖突時，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)：當(dāng)幾個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息時，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的表示符，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)發(fā)送信息。,2. CAN總線通信介質(zhì)訪問控制方式,CAN控制器實現(xiàn)了CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有協(xié)議內(nèi)

27、容，通信功能均由CAN控制器自動管理執(zhí)行。CAN控制器的地址域由控制段和報文緩存器組成，控制段可被編程以配置通信參數(shù)。CAN總線上的通信也通過此段由CPU控制，被發(fā)送的報文必須寫入發(fā)送緩存器，成功接收后，CPU可以從接收緩存器讀取報文，然后釋放它，以備下次使用。CAN控制器與CPU之間的接口一般借助于４個特殊寄存器：地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器。,3. 基于CAN總線的軟件設(shè)計技術(shù),現(xiàn)場總線的缺點現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)

28、準(zhǔn)過多。相互之間不能兼容，不能真正實現(xiàn)透明信息互訪；目前的現(xiàn)場總線由于速度較低，支持的應(yīng)用有限，難以和Internet信息集成，不能滿足企業(yè)綜合自動化的發(fā)展要求。,8.5 基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng),以太網(wǎng)優(yōu)點通信速率高 應(yīng)用廣泛成本低廉 易于信息集成可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?以太網(wǎng)向工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展時存在以下障礙： 通信存在不確定性不適用于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境 安全性和總線供電 微處理器功能限制,HSE(H

29、igh Speed Ethernet)HSE定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。由HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP，在應(yīng)用層和用戶層直接采用FF H1的應(yīng)用層服務(wù)和功能塊應(yīng)用進程規(guī)范，并通過鏈接設(shè)備將FF H1網(wǎng)絡(luò)連接到HSE網(wǎng)段上。HSE鏈接設(shè)備同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，其網(wǎng)橋功能可以連接多個H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上的H

30、l設(shè)備之間能夠進行對等通信而無需主機的干預(yù)。HSE主機可以與所有的鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接的H1設(shè)備進行通信,PROFInet基于通用對象模型（COM）的分布式自動化系統(tǒng)；規(guī)定了Profibus和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信；提供了一個包括設(shè)備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(tǒng)模型。PROFInet采用以太網(wǎng)+TCP/IP作為低層的通信模型，采用TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址?？赏瑫r

31、掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可通過代理設(shè)備連接到PROFInet。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理與PROFInet上的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。,Ethernet/IP采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結(jié)構(gòu)，利用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接。協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)

32、議CIP等3個部分組成。采用ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP。采用生產(chǎn)者/消費者的通信模式，允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點同時存取同一個源的數(shù)據(jù)。協(xié)議將信息分為顯式和隱式兩種。顯式消息由Ethernet/IP應(yīng)用TCP/ IP發(fā)送，其數(shù)據(jù)段既包括協(xié)議信息又包括行為指令。收到顯式信息后，節(jié)點執(zhí)行所要求的任務(wù)并產(chǎn)生應(yīng)答。隱式信息由Ethernet/ IP采用UDP/ IP發(fā)送，其數(shù)據(jù)段沒有協(xié)議信息，僅包括實時I

33、/O數(shù)據(jù)。,Modbus TCP/IP基于Modbus協(xié)議Modbus TCP/IP協(xié)議將Modbus幀嵌入到TCP幀請求/應(yīng)答的機制與Modbus的主/從機制相互配合Modbus注冊了502號端口,現(xiàn)場設(shè)備層控制管理層生產(chǎn)管理層,8.5.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng),現(xiàn)場設(shè)備層的主要作用是連接現(xiàn)場設(shè)備，完成數(shù)據(jù)的原始采集。一個采集區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)如圖8-21所示。在控制管理層，將現(xiàn)場采集實時數(shù)據(jù)傳送到SCA