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计算机控制技术作者：罗文广，徐箭雨石玉秋，廖凤依第5章网络控制系统5.1网络控制系统概述实例：移动式混凝土厂拌设备FCS系统子系统：粗细骨料配给系统、水泥和粉煤灰配给系统、清水和添加剂供给系统、输送机（集料皮带机和混合料输送机）、搅拌装置、混合料贮仓和计量控制系统等现场测控仪表：液体流量FCS测控仪表、失重秤专用FCS测控仪表、粉体、固体专用FCS测控仪表工控机监控软件图5-2MR-100/150M3混凝土厂拌设备FCS网络集成式全分布控制系统结构图5.1.1计算机网络计算机网络：把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规膜大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。计算机网络功能和特点：数据信息的快速传输和处理、资源共享、可靠性高、均衡负载、互联协作、分布处理、提高综合信息服务的水平计算机网络分类：网络协议：计算机网络中实现通信必须遵循的约定，主要是对速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定。5.1.2基于网络的控制1.网络控制特点：非定常性、非完整性、非有序性、非确定性2.网络控制结构图5-3网络控制结构图（无本地控制器）图5-4网络控制结构图（有本地控制器）5.1.3网络控制系统的发展状况1、集散控制系统DCS2、现场总线控制系统FCS3、工业以太网控制系统5.2.1DCS结构与特点设计原则：集中操作、综合管理、分而自治5.2分布式控制系统（DCS）1.DCS的体系结构通常为三级：分散过程控制级；集中操作监控级；综合信息管理级。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。4～20mA信号图5-5DCS结构图面向生产过程操作监视、管理2.DCS的特点(1)硬件积木化(2)软件模块化(3)控制系统组态(4)通信网络的应用(5)可靠性高5.2.2DCS的分散过程控制级1.现场控制站：工控机(1)现场控制站的构成1）机箱(柜)2）电源3）PC总线工业控制机4）通信控制单元5）动／自动显示操作单元(2)现场控制站的功能：数据采集、DDC控制、顺序控制、信号报警、打印报表、数据通信（3）现场控制站的工作方式：①控制模式：自动、软手动、串级、硬手动、上位机②无扰动切换操作：PV跟踪、阀值跟踪、工作模式判定2.智能调节器：数字化的过程控制仪表3．可编程序控制器(PLC)：配制的是开关量输入、输出通道，用于执行顺序控制功能5.2.3DCS的集中操作监控级显示操作站1.构成：由监控计算机、键盘、CRT显示器、打印机等几部分构成2．功能(1)操作员功能①DDC标准三画面：总貌画面、组貌画面、回路画面②图形显示功能③趋势曲线画面④操作指导画面⑤报警画面(2)工程师功能系统的组态、控制、维护和管理功能5.2.4DCS的综合信息管理级实现整个企业(或工厂)的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。实际上是一个管理信息系统MIS1．MIS的组成1）硬件2)MIS的软件组成①市场经营管理子系统②生产管理子系统③财务管理子系统④人事管理子系统5.3现场总线控制系统FCS智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。1．现场总线控制系统的结构操作站操作站控制站现场设备1生产现场控制层现场设备3现场设备2现场总线现场仪表1现场仪表3现场仪表2现场仪表4图5-6FCS和DCS结构比较5.3.1现场总线的技术特点2．现场总线控制系统的特点(1)数字信号完全取代4～20mA模拟信号；(2)使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；(3)使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；(4)实现现场管理和控制的统一；(5)真正实现系统开放性、互操作性。5.3.2现场总线的OSI模型1．OSI参考模型图5-7OSI参考模型示意图2.0SI参考模型各层的基本功能1）物理层利用物理传输媒体为数据链路层提供物理连接。2）数据链路层在通信实体之间建立数据链路连接，传送帧。3）网络层完成网络中主机之间的报文传输，通过执行路由算法，为报文分组通过通信子网选择最佳路径。4）传输层提供通信实体之间一种可靠的透明数据传输。5）会话层提供一种有效的办法，组织、协商两个表示层进程之间的会话，并管理它们之间的数据交换。6）表示层用于处理两个网络系统中交换数据的表示方式，即包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与解压缩等功能。7）应用层直接面向用户以满足用户不同需求3．OSI参考模型的数据传输图5-8OSI参考模型中的数据流数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层7-6接口6-5接口5-4接口4-3接口3-2接口2-1接口物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层7-6接口6-5接口5-4接口4-3接口3-2接口2-1接口物理层系统A系统B应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议第7层第6层第5层第4层第3层第2层第1层物理传输信道数据链路层网络层3-2接口2-1接口物理层中间节点网络层协议数据链路层协议物理层协议物理传输信道5.3.3五种典型的现场总线CAN，Lonworks，PROFIBUS，HART，FF1．CAN(控制器局域网络)：德国Bosch公司，最初面向汽车电子，点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据2．LONWORKS(局部操作网络)美国Echelon公司，ISO/OSI1~7层4．HART(可寻址远程传感器数据通路)美国Rosemount研制，ISO/OSI127层5．FF(现场总线基金会)现场总线现场总线基金会(FF)，ISO/OSI127层3．PROFIBUS(过程现场总线)：德国标准(1)PROFIUS-PA：过程自动化(2)PROFIBUS-FMS：一般自动化(3)PROFIBUS-DP：加工自动化和分散的外围设备5.3.4现场总线控制系统设计方法以FF现场总线技术为例1．物理层(PhysicalLayer)①传输介质可以采用有线电缆、光纤和无线通信。②通过有线电缆传送信号的波特率定义了两种速率标准：③H1标准最大传输距离为1900米(无需中继器)，最多串接四台中继器。H2标准在1Mbps波特率下，最大传送距离750米；在2.5Mbps波特率下，最大传送距离500米。⑤编码方式和报文结构。2．数据链路层(DataLinkLayer)3．应用层(ApplicationLayer)4．用户层④现场总线协议支持总线型、树型和点对点型三种拓扑结构。5.4工业以太网控制系统5.4.1工业以太网的技术特点1工业以太网以太网规范只包括通信模型中的物理层与数据链路层+TCP／IP协议组2.工业以太网技术应解决的问题(1)通信实时性问题(2)对环境的适应性与可靠性问题(3)总线供电(4)本质安全5.4.2工业以太网控制系统设计方法1.工业以太网控制系统结构图5-9工业以太网控制系统结构2.工业以太网控制器设计图5-10工业以太网控制器3.工业以太网控制器的功能(1)具备AI、AO、DI、DO等接口可以与各种现场设备相连接；(2)具备多种逻辑运算功能和基本的控制算法，可实现对现场设备的监测与控制的功能(3)具备与其它控制器及上位机的网络通信功能(4)可实现基于以太网/因特网的远程监控功能。4.工业以太网控制软件开发平台设计(1)智能控制器的软件设计图5-11工业以太网控制软件系统结构(2)应用软件开发5．工业以太网控制的应用图5-12工业以太网控制器用于控制控制