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第5章DCS及其网络技术5.1DCS体系结构新型DCS：•开放型的体系结构;•可方便地与生产管理的上位机相互交换信息,实现管控一体化;•从功能上可分为四(五)个层次。《图5.1》5.1DCS体系结构图5.1新型DCS体系结构过程控制过程优化生产调度企业管理经营决策第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第二层：先进控制，过程优化第三层：生产调度，系统优化第一层：单元自动化，简单控制生产过程5.1DCS体系结构DCS实际层次：•大多数中小规模的控制系统则只有第一、二层；•少数情况使用到第三层的功能；•在大规模的控制系统中才应用到完全的四层模式；•就目前世界上优秀集散型控制系统产品来看,多数局限在第一、二、三层,第四层的功能只附带在第三层的硬件基础上。5.2典型DCS及其网络技术介绍5.2.1TDC-3000型集散控制系统•Honeywell公司1983年10月推出；•应用较广而又具有四层体系结构；•解决过程控制领域内的关键问题——过程控制系统与信息管理系统的协调为实现全厂生产管理提供最佳系统。•TDC-3000发展十几年来,已几经更新换代,但它的基本系统与基本设备仍具有很强的生命力。《图5.2》5.2.1TDC-3000型集散控制系统图5.2TDC-3000集散型控制系统分层结构图(1)局部控制网络(LCN)；(2)万能控制网络(UCN)；(3)数据公路(DH)5.2.1TDC-3000型集散控制系统1.TDC-3000有三种通信链路(1)局部控制网络(LCN):•TDC-3000的主干网;•令牌存取通信控制方式,符合IEEE802.4;•传输速率5Mb/s,总线拓扑结构;•通过计算机接口与DECnet/Ethernet相连。5.2.1TDC-3000型集散控制系统1.TDC-3000有三种通信链路(2)万能控制网络(UCN):•1988年开发的以MAP为基础的双重化实时控制网络,•令牌传送载带总线网络,传输速率为5Mb/s,•支持32个冗余设备,应用层采用RS-511标准。(3)数据公路(DH):•第一代DCS的通信系统,采用串行半双工方式工作,•优先存取和定时询问方式控制,•传输介质为75欧同轴电缆,传输速率为250Kb/s,•DH上设置了一个通信指挥器(HTD)来管理通信,任何DH之间的通信必须由HTD指挥,必须从HTD获得使用DH的权利。5.2.1TDC-3000型集散控制系统2.TDC-3000的网络接口设计：TDC-3000的网络接口支持二类板卡：•PCNM是TDC-3000系统与PC机系统的网络连接网关；•PCLM是TDC-3000系统与DEC公司小型机或工作站系统的网络连接网关。5.2.1TDC-3000型集散控制系统2.TDC-3000的网络接口设计：（1）使用PCNM网络连接方案•PCNM服务器由PC机构成,安装网卡,软件可以安装WINDOWS-NT4.0；•PCNM工作站由PC机构成,安装网卡,软件可以安装WINDOWS95/98;•PCNM服务器与工作站之间用同轴电缆连接;•系统连接及安装完毕以后,在PCNM工作站上可以进行编程,完成数据采集,传送,显示等功能。并可提供全厂的数据流通及共享,为实现全厂综合自动化系统提供支持。《图5.3》5.2.1TDC-3000型集散控制系统图5.3使用PCNM进行网络连接的系统结构图5.2.1TDC-3000型集散控制系统2.TDC-3000的网络接口设计：（2）使用PCLM进行网络连接•在DEC小型机或工作站端,应安装CM50S通讯驱动软件,使用VMS5.4以上版本的操作系统;•CM50S服务器安装DEC网卡,VMS操作系统,TCP/IP软件包,C语言编译器等；•PC工作站安装DEC网卡和WINDOWS95/98操作系统;•CM50S服务器与PC工作站之间用同轴电缆连接。•系统连接及安装完毕以后,在CM50S服务器上需要用CM50S编程,将数据从TDC-3000采集到DEC小型机或工作站上,同时用TCP/IP将数据传送到PC工作站上,实现全厂的数据流通及共享。《图5.4》5.2.1TDC-3000型集散控制系统图5.4使用PCLM进行网络连接的系统结构图5.2.2Centum-XL•日本横河电机1987年推出;•以“工厂整体自动化”为核心;•它能容纳横河几代产品于一体,包括Centum、YS-80、YEWPACK、FA500(生产线控制器)和µXL等。5.2.2Centum-XL1.通信网络为三层(1)局域网络,它有2个LAN系统：①SV-NET系统：•按MAP标准进行设计,传输速率为10Mb/s,•可连接节点(机器台数)100个,•传送标准距离500m,•与光适配器一起使用最长可达5.5km。②Ethernet系统,以适应通信的开放化、网络化。5.2.2Centum-XL1.通信网络为三层(2)数据公路：•称为HF总线,双重化结构,传输介质为8D-2V电缆,•网络拓扑为总线型,控制方式为无主令牌传送,•符合PROWAYC标准,传送速率为1Mb/s，•可接32个节点(站),标准传送距离为1km,•和光通信系统一起使用最长距离可达10km。(3)RL总线：•µXL连接分散设置的操作站和控制单元的通信总线,•可以双重化,同轴电缆,令牌传输方式,1Mb/s,•传输标准距离为1km,光适配器时最长可达15km。5.2.3I/ASeries•Foxboro公司1987年推出的新一代集散型控制计算机一智能自动化系统(I/ASeries)。•它的硬件、软件和通信都采用国际标准,为工业自动化提供了灵活性、完整性、经济性和安全性,而且也为全厂信息集成和自动化系统提供了良好的结构。《图5.5》5.2.3I/ASeries图5.5I/ASeries系统网络图(1)宽带局域网络；(2)载带局域网络；(3)节点总线；(4)现场总线5.2.3I/ASeries1.I/ASeries的通信网络是一个四层结构主干是局域网络(宽带和载带),采用ISO/OSI规范与MAP协议兼容,能集成不同厂商的产品和系统。(1)宽带局域网络：•全系统的主干,可延伸15km,•向下连接64个载带局域网络,传输速率为10Mb/s。(2)载带局域网络：•可挂接100个节点,传输速率为5Mb/s,•传输介质为软性同轴电缆,最长距离为2km,•几个载带局域网络可以向上连接到宽带局域网络上,形成一个更大的系统。•节点是由节点总线与所连接的工作站所组成。5.2.3I/ASeries1.I/ASeries的通信网络是一个四层结构(3)节点总线：•传输介质为软性同轴电缆,•通信规程符合IEEE802.3,传输速率为10Mb/s,•最长距离为300m,可挂接32个工作站：–应用处理机、控制处理机、工作站处理机、–节点扩展器、载带接口(DCLl)、个人计算机–网间连接器(连接Spectrum系统)控制处理机通过现场总线挂接现场总线组件。5.2.3I/ASeries1.I/ASeries的通信网络是一个四层结构(4)现场总线：•传输介质为双绞线,是一种单主站共用串行数据通信总线；•它遵从EIARS-485标准,传输速率为268.75Kb/s；•现场总线的数据交换均由主站启动,所连接的现场总线组件都被视为从站。5.2.4INFI-90系统•贝利公司1987年的新一代DCS。•正式命名：过程决策管理系统(StrategicProcessManagementSystem),《图5.6》5.2.4INFI-90系统图5.6INFI-90系统图(1)INFI-NET中央环(2)INFI-NET环(3)控制公路(ControlWay)(4)受控总线(SlaveBus)5.2.4INFI-90系统INFI-90的通信结构分四层(1)第一层网络为INFI-NET中央环：•可带载250个节点,•传输速率为10Mb/s。(2)第二层网络有两类：①INFI-NET环：•可带载250个节点,传输速率为10Mb/s；②INFI-90工厂环：•可带载63个节点,传输速率为500Kb/s。5.2.4INFI-90系统INFI-90的通信结构分四层(3)第三层网络为总线结构-控制公路(ControlWay)：•通信介质为经过腐蚀的印刷电路板,•可带载32个站(智能模件),传输速率为1Mb/s,•采用无指挥器的自由竞争协议。(4)第四层网络为总线结构-受控总线(SlaveBus)：•通信介质为经过腐蚀的印刷电路板。•并行总线,主要支持智能化模件的I/O通道。•每个智能模件可带载64个I/O子模件,传输速率为500Kb/s。5.2.4INFI-90系统INFI-90通信协议：•使用无通信指挥器的存储转发通信协议,•环路上的节点在通信中的地位是平等的,•在同一时刻,每一节点均能接受和发送信息,并且依次传递,直至信息回到源节点。5.2.5MOD300集散型控制系统•MOD300由ABBTAYLOR公司设计、制造,•在MOD3,MOD30基础上发展起来,由功能上和地域上分散的一系列子系统组成,具有通用的硬件、软件和通信单元,因而可以适应小型的结构,也可以实现全工厂的自动化系统。•MOD300是一个开放系统,经接口可以方便地和PLC与其它计算机通信,因而可以实现高级控制,并为企业管理信息系统提供信息,进而使企业建成计算机综合管理信息系统。《图5.7》5.2.5MOD300集散型控制系统图5.7MOD300集散型控制系统结构体系示意图5.2.5MOD300集散型控制系统1.通信系统结构MOD300的通信网络称为分布通信网络(DCN)•通信标准是IEEE802.5,即所谓令牌环通信方式,其中有五层与ISO/OSI的七层参考模型相符;•数据传递速度为5Mbps;•双重化链路(冗余介质允许在线扩充);•一个DCN上可挂34个子系统(节点),两个节点之间距离可达1.6km,大系统可以几个DCN相连,总计可以挂255个节点,而不牺牲性能和系统的实时性。5.2.5MOD300集散型控制系统1.通信系统结构•可选用光纤DCN(两个节点之间的距离可达9km);•现场总线：–可以挂接31个接口装置,–其通信采用HART协议,–通过串行I/O接口,可以与SC控制器子系统进行数字通信。•提供标准的Ethernet网络接口,可以与高层管理系统和办公室自动化系统相连。5.3制造自动化协议—MAPMAP研究背景：•工业制造和过程控制领域的“自动化孤岛”现象；•为了解决这个问题,通用汽车公司(GM)于1982开始研究制造自动化协议MAP；•GM的MAP工作组决定以ISO的OSI模型为基础,建立一个适合于工业控制领域的网络互连分层协议,每层的协议分别采用：–IEEE802.4(令牌总线网)标准；–ISO、MBS(美国国家标准局)的有关标准。•MAP协议获得了如波音、DEC、IBM等大公司的支持。5.3.1MAP在工业制造领域的应用MAP几种形式：•宽带MAP：–最早提出的MAP模型,–采用一种宽带主干道,下挂数控机、工业计算机和其它MAP装置，–实时性不强,主要是解决公司级的通讯任务的。•MiniMAP(小MAP)：–为了提高全MAP的实时响应性能,取消了全MAP中的一些中间层,而只保留了物理层、数据链路层和应用层,使响应时间大大缩短。–主要应用于控制设备间的通信。5.3.1MAP在工业制造领域的应用MAP几种形式：•EPAMAP(增强性能结构MAP)：–是宽带MAP和MiniMAP两种结构酌折衷,它的一边可以采用全MAP,另一边支持小MAP的三层塌缩结构,以适应有苛刻时间要求的控制任务,两边互相通信。《图5.8》•这几种形式的MAP可以互连。•全MAP：能实现完整的OSI七层协议,并具有从设备装置级直到公司级的所有通信功能。5.3.1MAP在工业制造领域的应用图5.8EPAMAP的结构5.3.1MAP在工业制造领域的应用NBS模型：•被普遍接受的计算机工业控制系统的分层模型NBS(美国国家标准局)模型；•将工厂计算机控制系统分为六层,每层具有限定的通讯要求和数据处理能力;《图5.