計算機(jī)控制技術(shù)第9章

1、自動化教研室第第9 9章章 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)主講：顧德英主講：顧德英v 9.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)概述v 9.2 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)v 9.3工業(yè)以太網(wǎng)v 9.4集散控制系統(tǒng)（DCS）v 9.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)v 9.6 綜合自動化系統(tǒng)v 9.7物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù) 9.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)概述工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)概述v 9.1.1 企業(yè)信息化與自動化v 9.1.2 控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)v 9.1.3 控制網(wǎng)絡(luò)的類型9.1.1 企業(yè)信息化與自動化企業(yè)信息化與自動化v 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ),從結(jié)構(gòu)上看可分為3 個層次,即管理層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。 v 最上層的是企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)，它

2、主要用于企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、計劃、銷售、庫存、財務(wù)、人事以及企業(yè)的經(jīng)營管理等方面信息的傳輸。 v 中間的過程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要用于將采集到的現(xiàn)場信息置入實(shí)時數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行先進(jìn)控制與優(yōu)化計算、集中顯示、過程數(shù)據(jù)的動態(tài)趨勢與歷史數(shù)據(jù)查詢、報表打印。 v 最底層的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)則主要用于控制系統(tǒng)中大量現(xiàn)場設(shè)備之間測量與控制信息以及其他信息(如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門開度狀態(tài)、故障診斷信息等) 的傳輸。這些信息報文的長度一般都比較小, 因此對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓撸珜νㄐ彭憫?yīng)的實(shí)時性和確定性要求較高。 9.1.2 控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)v 具有較好的響應(yīng)實(shí)時性。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快,而且在工業(yè)自動化控制

3、中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時性要好，一般為ms0.1s 級；v 高可靠性，即能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，具有耐沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及較好的電磁兼容性，在現(xiàn)場設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下,能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路；v 力求簡潔，以減小軟硬件開銷，從而減低設(shè)備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性；v 開放性要好，即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)盡量不要采用專用網(wǎng)絡(luò)。9.1.3 控制網(wǎng)絡(luò)的類型控制網(wǎng)絡(luò)的類型v 從工業(yè)自動化與信息化層次模型來說，控制網(wǎng)絡(luò)可分為面向設(shè)備的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與面向自動化的主干控制網(wǎng)絡(luò)。在主干控制網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線作為主干網(wǎng)絡(luò)的一個接入節(jié)點(diǎn)。v 從網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)來分，控制網(wǎng)絡(luò)

4、通常有兩類：共享式控制網(wǎng)絡(luò)與交換式控制網(wǎng)絡(luò)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的類型及其相互關(guān)系如圖所示。9.2 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)v 9.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)v 9.2.2 介質(zhì)訪問控制技術(shù)v 9.2.3 差錯控制技術(shù)v 9.2.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與層次結(jié)構(gòu)v 9.2.5 TCP/IP參考模型9.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)v 網(wǎng)絡(luò)中互連的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)或站，結(jié)點(diǎn)間的物理連接結(jié)構(gòu)稱為拓?fù)洹 通常有星形、環(huán)形、總線形和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖9.3所示。 9.2.2 介質(zhì)訪問控制技術(shù)介質(zhì)訪問控制技術(shù)v 在局部網(wǎng)絡(luò)中，由于各結(jié)點(diǎn)通過公共傳輸通路傳輸信息，因此任何一個物理信道在某一時間段內(nèi)只能為一個節(jié)點(diǎn)服務(wù)，即被某結(jié)點(diǎn)

5、占用來傳輸信息，這就產(chǎn)生了如何合理使用信道、合理分配信道的問題，各結(jié)點(diǎn)能充分利用信道的空間時間傳送信息，而不至于發(fā)生各信息間的互相沖突。v 傳輸訪問控制方式的功能就是合理解決信道的分配。目前常用的傳輸訪問控制方式有三種：v 沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）；v 令牌環(huán)（Token Ring）；v 令牌總線（Token Bus）。9.2.3 差錯控制技術(shù)差錯控制技術(shù)v 由于通信線路上的各種干擾，傳輸信息時會使接收端收到錯誤信息。v 提高傳輸質(zhì)量的方法有兩種：第一種方法是改善信道的電性能，使誤碼率降低；v 第二種方法是接收端檢驗(yàn)出錯誤后，自動糾正錯誤，或讓發(fā)送端重新發(fā)送，直至接收到正確

6、地信息為止。v 差錯控制技術(shù)包括檢驗(yàn)錯誤和糾正錯誤。v 檢錯方法：奇偶校驗(yàn)，循環(huán)冗余校驗(yàn)；v 糾錯方法：重發(fā)糾錯，自動糾錯，混合糾錯。9.2.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其層次結(jié)構(gòu)v 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，為使各計算機(jī)之間或計算機(jī)與終端之間能正確地傳送信息，必須在關(guān)于信息傳輸順序、信息格式和信息內(nèi)容等方面有一組約定或規(guī)則，這組約定或規(guī)則即所謂的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。v 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議含有3個要素：語義、語法、規(guī)則，協(xié)議的語義是指對協(xié)議含義的解釋。v 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實(shí)體間通信時使用的一種語言。v 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的層次及其協(xié)議的集合，就是所謂的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。v 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是關(guān)于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)設(shè)置哪幾層，每個層次又應(yīng)提供哪些

7、功能的精確定義。 v OSI模型v OSI模型是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織創(chuàng)建的一種標(biāo)準(zhǔn)。它為開放式系統(tǒng)環(huán)境定義了一種分層模型。v “開放”是指：只要遵循 OSI 標(biāo)準(zhǔn)，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進(jìn)行通信。OSI參考模型如圖9.4所示。vIEEE802標(biāo)準(zhǔn)v 美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）于1980年2月成立的IEEE802課題組于1981年底提出了IEEE802局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（見圖9.6）。v 參照OSI 圖9.6 IEEE802標(biāo)準(zhǔn)模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，保持OSI高五層和第一層協(xié)議不變，將數(shù)據(jù)鏈路層分成兩個子層，分別是邏輯鏈路控制（LLC）子層和介質(zhì)訪問

8、控制（MAC）子層。邏輯鏈路控制LLC介質(zhì)存取控制MAC物理信號層PS應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層IEEE802標(biāo)準(zhǔn)OSI模型圖9.6 IEEE802標(biāo)準(zhǔn) 9.2.5 TCP/IPTCP/IP參考模型概述參考模型概述v TCPIP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議。v 它起源于美國ARPAnet網(wǎng)，由它的兩個主要協(xié)議即TCP協(xié)議和IP協(xié)議而得名。v TCPIP是Internet上所有網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)之間進(jìn)行交流所使用的共同“語言”，是Internet上使用的一組完整的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議。v 通常

9、所說的TCPIP協(xié)議實(shí)際上包含了大量的協(xié)議和應(yīng)用，且由多個獨(dú)立定義的協(xié)議組合在一起。因此，更確切地說，應(yīng)該稱其為TCPIP協(xié)議集。9.3 工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)v 9.3.1 工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)v 9.3.2 以太網(wǎng)的優(yōu)勢v 9.3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)v 9.3.4 常用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議9.3.1 工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)v 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是普通以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)物。前者源于后者又不同于后者。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，特別是它在 internet中的廣泛應(yīng)用，使得它的技術(shù)更為成熟，并得到了廣大開發(fā)商與用戶的認(rèn)同。因此無論從技術(shù)上還是產(chǎn)品價格上，以太網(wǎng)較之其他類型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

10、都具有明顯的優(yōu)勢。 v 為了促進(jìn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（IEA），工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（IAONA）等組織，目標(biāo)是在世界范圍內(nèi)推進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、教育和標(biāo)準(zhǔn)化管理，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的各個層次運(yùn)用以太網(wǎng)。v 美國電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）也正著手制定現(xiàn)場裝置與以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)。v 這些組織還致力于促進(jìn)以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)自動化的現(xiàn)場級，推動以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。v 按ISO開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的分層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)規(guī)范只包括通信模型中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。v 而現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，不僅包含了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)規(guī)范，而且包含 TCP/I

11、P 協(xié)議組，即包含網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議 IP、傳輸層的傳輸控制協(xié)議 TCP、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP 等。 9.3.2 以太網(wǎng)的優(yōu)勢以太網(wǎng)的優(yōu)勢v 應(yīng)用廣泛v 成本低廉v 通信速率高v 軟硬件資源豐富v 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ髒 易于與Internet 連接,能實(shí)現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成9.3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)v通信實(shí)時性v 以太網(wǎng)通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一。v 采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)交換技術(shù),可以大大減少(半雙工方式) 或完全避免碰撞(全雙工方式) ,從而使以太網(wǎng)的通信確定性得到了大大增強(qiáng),并為以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)

12、用于工業(yè)現(xiàn)場控制清除了主要障礙。 v總線供電v “總線供電”或“總線饋電”,是指連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號,還能給現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。v互操作性v 互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡(luò)上不同廠家的設(shè)備之間通過統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用,性能類似的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互換。 v網(wǎng)絡(luò)生存性v 所謂網(wǎng)絡(luò)生存性,是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制時,必須具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可用性。 v本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)v遠(yuǎn)距離傳輸9.3.4 常用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議常用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議vModbus/TCPv Modbus/TCP是MODICON公司在20世紀(jì)70年代提出的一種用于PLC之間通信的協(xié)議。v 由于Modbus是一種

13、面向寄存器的主從式通信協(xié)議，協(xié)議簡單實(shí)用，而且文本公開，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域作為通用的通信協(xié)議使用。v 最早的Modbus協(xié)議是基于RS232/485/422等低速異步串行通信接口，隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，將Modbus數(shù)據(jù)報文封裝在TCP數(shù)據(jù)幀中，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這就是Modbus/TCP。vEthernet/IPv Ethernet/IP是由美國Rockwell公司提出的以太網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議，其原理與Modbus/TCP相似，只是將ControlNET和DeviceNET使用的CIP（Control Information Protocol）報文封裝在TCP數(shù)據(jù)幀中，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。v

14、滿足CIP的三種協(xié)議Ethernet/IP，ControlNET和DeviceNET共享相同的對象庫、行規(guī)和對象，相同的報文可以在三種網(wǎng)絡(luò)中任意傳遞，實(shí)現(xiàn)即插即用和數(shù)據(jù)對象的共享。vFF HSEv HSE是IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中的一種，HSE的14層分別是以太網(wǎng)和TCP/IP，用戶層與FF相同，現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS在H1中定義了服務(wù)接口，在HSE中采用相同的接口。vPROFInetv PROFInet是在PROFIBUS的基礎(chǔ)上縱向發(fā)展，形成的一種綜合系統(tǒng)解決方案。PROFInet主要基于Microsoft的DCOM中間件，實(shí)現(xiàn)對象的實(shí)時通信，自動化對象以DCOM對象的型式在以太網(wǎng)上

15、交換數(shù)據(jù)。9.4 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DCS）v 9.4.1 DCS概述v 9.4.2 DCS的分散過程控制級v 9.4.3 DCS的集中操作監(jiān)控級v 9.4.4 DCS的綜合信息管理級9.4.1 DCS概述概述v 集散控制系統(tǒng)（DCS），亦稱分散型控制系統(tǒng)或分散型綜合控制系統(tǒng)（TDCS）。v 它是綜合了4C技術(shù)（計算機(jī)技術(shù)Computer、通信技術(shù)Communication、CRT顯示技術(shù)和控制技術(shù)Control）的新型控制系統(tǒng)。v 其設(shè)計原則是分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治。集散控制系統(tǒng)集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。v 現(xiàn)今的分散型控制系統(tǒng)將以計算機(jī)

16、集成系統(tǒng)為目標(biāo)，以新的控制方法、現(xiàn)場總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，為用戶實(shí)現(xiàn)過程控制自動化與信息管理自動化相結(jié)合的管理控制一體化的綜合集成系統(tǒng)。v1DCS的體系結(jié)構(gòu)v2DCS的特點(diǎn)v 硬件積木化v 軟件模塊化v 控制系統(tǒng)組態(tài)v 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用v 可靠性高9.4.2 DCSDCS的分散過程控制級的分散過程控制級v DCS的分散過程控制級，直接與生產(chǎn)過程現(xiàn)場的傳感器（熱電偶、熱電阻等）、變送器（溫度、壓力、液位、流量變送器等）、電氣開關(guān)（觸點(diǎn)輸入輸出）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、電磁閥等）連接，完成生產(chǎn)過程控制，并能與集中操作監(jiān)控級進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；接收顯示操作站下傳加載的參數(shù)和作業(yè)命令，向顯示

17、器操作站報告現(xiàn)場工作情況。v 分散過程控制級常用的測控裝置有三種：v 現(xiàn)場控制站、可編程序控制器（PLC）、智能調(diào)節(jié)器。9.4.3 DCSDCS的集中操作監(jiān)控級的集中操作監(jiān)控級v DCS的集中操作監(jiān)控級主要是顯示操作站。v 功能一：顯示、操作、記錄、報警；v 功能二：進(jìn)行控制系統(tǒng)的生成、組態(tài)。9.4.4 DCSDCS的綜合信息管理級的綜合信息管理級v 綜合信息管理級實(shí)現(xiàn)整個企業(yè)（或工廠）的綜合信息管理，主要執(zhí)行生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理功能。v DCS的綜合信息管理級實(shí)際上是一個管理信息系統(tǒng)（MIS）。MIS是一個以計算機(jī)為主體、信息處理為中心的綜合性系統(tǒng)，即管理信息系統(tǒng)。v 用戶根據(jù)MIS提供的信息

18、來改進(jìn)決策能力和提高效率，信息是MIS的最主要資源。9.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)v 9.5.1現(xiàn)場總線技術(shù)概述v 9.5.2典型的現(xiàn)場總線v 9.5.3 FCS的體系結(jié)構(gòu)9.5.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述現(xiàn)場總線技術(shù)概述v 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。v 它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。 v現(xiàn)場總線及其體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)v 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)v 現(xiàn)場設(shè)備互連v 互操作性v 分散功能塊v 通信線供電操作站H1H1H1網(wǎng)橋H2現(xiàn)場總線H1現(xiàn)場總線H1現(xiàn)場總線 32現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備12432LAN服務(wù)器圖9.10新一

19、代FCS控制操作站現(xiàn)場總線LAN服務(wù)器FCFTAI110PID110AO110調(diào)節(jié)閥圖9.11 現(xiàn)場總線的分散功能v現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn) v 系統(tǒng)的開放性。v 可操作性與互用性 v 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 v 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 v 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 v現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)v 節(jié)省硬件數(shù)量與投資。 v 節(jié)省安裝費(fèi)用。 v 節(jié)省維護(hù)開銷 v 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán) v 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 9.5.2 典型的現(xiàn)場總線典型的現(xiàn)場總線vFF基金會現(xiàn)場總線v 它以ISOOSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主

20、要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能模塊集。vLONWORKS 局部操作網(wǎng)v 它采用了ISOOSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置、其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達(dá)2700m（78Kbps，雙絞線）；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)防爆安全產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 vPROFIBUS 過程現(xiàn)場總線v PROFIBUS是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170的現(xiàn)場總線。PROFIBUSD

21、P、PROFIBUSFMS（Fieldbus Message Specification）、PROFIBUSPA （Process Automation）組成了PROFIBUS系列，分別用于不同的場合。 vHART 可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路v 它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間通信的一種協(xié)議。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)的市場競爭力，且得到了較快發(fā)展。 vCAN控制器局域網(wǎng)v CAN控制網(wǎng)絡(luò)是由德國Bosch公司推出的，用于汽車檢測與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信。v 其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際

22、標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。v CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型的基礎(chǔ)之上，不過，其模型結(jié)構(gòu)只采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層，提高了實(shí)時性。v 信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/kbps，可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個。 9.5.3 FCS的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)v FCS變革DCS直接控制層的控制站和生產(chǎn)現(xiàn)場層的模擬儀表，保留了DCS的操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層。v FCS的體系結(jié)構(gòu)類似于DCS。v FCS從下至上依次分為現(xiàn)場控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層。v 其中現(xiàn)場控制層是FCS所特有

23、的，另外三層和DCS相同 。 vFCS的現(xiàn)場控制層v 現(xiàn)場控制層是FCS的基礎(chǔ)、其主要設(shè)備是現(xiàn)場總線儀表(傳感器、變送器、執(zhí)行器)和現(xiàn)場總線接口(FBI)，另外還有儀表電源和本質(zhì)安全柵等。v 現(xiàn)場總線儀表的功能是信號輸入、輸出、運(yùn)算、控制和通信，并提供功能塊，以便在現(xiàn)場總線上構(gòu)成控制回路。v 現(xiàn)場總線接口的功能是下接現(xiàn)場總線、上接監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(SNET) vFCS的操作監(jiān)控層v 操作監(jiān)控層是FCS的中心，其主要設(shè)備是操作員站(OS)、工程師站(ES)、監(jiān)控計算機(jī)站(SCS)和計算機(jī)網(wǎng)關(guān)(CGl)。v 操作員站供工藝操作員對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理，具備圖文并茂、形象逼真、動態(tài)效應(yīng)的人機(jī)界面(M

24、MI)。v 工程師站供計算機(jī)工程師對FCS進(jìn)行系統(tǒng)生成和診斷維護(hù)，供控制工程師進(jìn)行控制回路組態(tài)、人機(jī)界面繪制、報表制作和特殊應(yīng)用軟件編制。v 監(jiān)控計算機(jī)站實(shí)施高等過程控制策賂，實(shí)現(xiàn)裝置級的優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制，并可以對生產(chǎn)過程進(jìn)行故障診斷、預(yù)報和分析，保證安全生產(chǎn)。 v 計算機(jī)網(wǎng)關(guān)(CG1)用作監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)(MNET)之間相互通信 vFCS的生產(chǎn)管理層v 生產(chǎn)管理層的主要設(shè)備是生產(chǎn)管理計算機(jī)(MMC)，一般由一臺中型機(jī)和若干臺微型機(jī)組成。v 該層處于工廠級，根據(jù)訂貨量、庫存量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)原料和能源供應(yīng)情況及時制定全廠的生產(chǎn)計劃，并分解落實(shí)到生產(chǎn)車間或裝置；另外還要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時協(xié)

25、調(diào)全廠的生產(chǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和科學(xué)管理，使全廠的生產(chǎn)始終處于最佳狀態(tài)，并能應(yīng)付不可預(yù)測的事件。v 計算機(jī)網(wǎng)關(guān)(CG2)用作生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)和決策管理網(wǎng)絡(luò)(DNET)之間相互通信。vFCS的決策管理層v 決策管理層的主要設(shè)備是決策管理計算機(jī)(DMC)，一般由一臺大型機(jī)、幾臺中型機(jī)和若干臺微型機(jī)組成。v 該層處于公司級，管理公司的生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、技術(shù)、計劃、市場、財務(wù)、人事、后勤等部門。通過收集各部門的信息，進(jìn)行綜合分析，實(shí)時作出決策，協(xié)助各級管理人員指揮調(diào)度，使公司各部門的工作處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。另外還協(xié)助公司經(jīng)理制定中長期生產(chǎn)計劃和遠(yuǎn)景規(guī)劃。v 計算機(jī)網(wǎng)關(guān)(CG3)用作決策管理網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)之間相互

26、通信，即企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息通道 9.5.4 OPC開放現(xiàn)場控制系統(tǒng)集成橋梁開放現(xiàn)場控制系統(tǒng)集成橋梁v OPC全稱是OLE for Process Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。 v 在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動程序。 vOPC技術(shù)v OPC是OLE for process

27、control的縮寫，即把OLE應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。v OLE原意是對象鏈接和嵌入，隨著OLE的發(fā)展，其范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個概念。v 現(xiàn)在的OLE包含了許多新的特征，如統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)構(gòu)化存儲和自動化，已經(jīng)成為獨(dú)立于計算機(jī)語言、操作系統(tǒng)甚至硬件平臺的一種規(guī)范，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計概念的進(jìn)一步推廣。 vOPC技術(shù)的應(yīng)用v 數(shù)據(jù)采集技術(shù) v 歷史數(shù)據(jù)訪問 v 報警和事件處理 v 數(shù)據(jù)冗余技術(shù) v 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問 vOPC技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用中的作用v 解決了設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的異構(gòu)問題 v 解決了現(xiàn)場總線系統(tǒng)中異構(gòu)網(wǎng)段之間數(shù)據(jù)交換 v 可作為訪問專有數(shù)據(jù)庫的中間件 v 便于集成不同的數(shù)據(jù)為控制系統(tǒng)向

28、管理系統(tǒng)升級提供了方便 v OPC使控制軟件能夠與硬件分別設(shè)計、生產(chǎn)和發(fā)展，并有利于獨(dú)立的第三方軟件供應(yīng)商產(chǎn)生與發(fā)展，從而形成新的社會分工，有更多的競爭機(jī)制，為社會提供更多更好的產(chǎn)品。v主要OPC規(guī)范v OPC規(guī)范是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是在Microsoft公司的合作下，由全世界在自動化領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位的軟、硬件提供商協(xié)作制定，是一個基于COM技術(shù)的接口標(biāo)準(zhǔn)。 v 數(shù)據(jù)訪問規(guī)范 v OPC報警與事件接口規(guī)范 9.6 綜合自動化系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)v 9.6.1流程工業(yè)綜合自動化體系結(jié)構(gòu)v v 9.6.2流程工業(yè)MES系統(tǒng)v 綜合自動化系統(tǒng)又稱現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)v （Contemporary Integ

29、rated Manufacturing Systems），簡稱CIMS。v 其中“現(xiàn)代”的意思是信息化、智能化和計算機(jī)化。v “集成”包含信息集成、功能集成等。9.6.1流程工業(yè)綜合自動化體系結(jié)構(gòu)流程工業(yè)綜合自動化體系結(jié)構(gòu)v 目前，已經(jīng)有多個已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)的面向全局的CIM體系結(jié)構(gòu)，如歐共體ESPRIT項(xiàng)目AMICE研究組開發(fā)的CIM-OSA，法國波爾大學(xué)開發(fā)的GRAI-GIM集成方法體系，美國普渡大學(xué)CIM委員會提出的PURDUE企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu)等。v基于PURDUE模型的流程工業(yè)CIMS功能體系結(jié)構(gòu)v 基于PURDUE模型的流程工業(yè)CIMS功能體系結(jié)構(gòu)，如圖9.13所示。它自上而下從功

30、能上被分為經(jīng)營決策層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)調(diào)度層、過程監(jiān)控層和過程控制層五個層次，實(shí)現(xiàn)上述功能的兩個支撐系統(tǒng)分別是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。決策信息管理信息調(diào)度信息工況與核算信息測量信息經(jīng)營決策系統(tǒng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化過程優(yōu)化與監(jiān)控DCS/控制算法投入產(chǎn)出模型資金流模型物料與能量平衡靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)特性關(guān)系數(shù)據(jù)庫實(shí)時數(shù)據(jù)庫決策層管理層調(diào)度層監(jiān)控層控制層信息控制對象生產(chǎn)與經(jīng)營過程產(chǎn)品策略生產(chǎn)計劃調(diào)度指令優(yōu)化設(shè)定控制信息v 經(jīng)營決策系統(tǒng) 依據(jù)企業(yè)內(nèi)部和外部信息對企業(yè)產(chǎn)品策略、中長期目標(biāo)、發(fā)展規(guī)劃和企業(yè)經(jīng)營提出決策支持。v 生產(chǎn)管理系統(tǒng) 對廠級、車間、各科室的生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實(shí)現(xiàn)集成管理，并依據(jù)

31、經(jīng)營決策指令制定年、季、月綜合計劃。v 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng) 完成生產(chǎn)計劃分解，將年、月生產(chǎn)計劃劃分解成旬、周、五日、三日或日作業(yè)調(diào)度計劃，已形成調(diào)度指令，即時指揮生產(chǎn)。v 過程監(jiān)控系統(tǒng) 根據(jù)調(diào)度指令完成過程優(yōu)化操作、先進(jìn)控制、故障診斷、過程仿真等功能。v DCS系統(tǒng) 完成對生產(chǎn)過程的監(jiān)測和常規(guī)控制 vERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)模型v 將流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)分為：v 以設(shè)備綜合控制為核心的過程控制系統(tǒng)（PCS）；v 以財物分析/決策為核心的企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）；v 以優(yōu)化管理、優(yōu)化運(yùn)行為核心的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。v 使得流程工業(yè)CIMS中原本難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得

32、到了解決。ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)模型如圖9.14所示。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)企業(yè)資源系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)ERPMESPCSv 三層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：v 更適合于扁平化的現(xiàn)代企業(yè)結(jié)構(gòu) 相對于傳統(tǒng)的流程工業(yè)CIMS體系結(jié)構(gòu)，ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)更符合現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理“扁平化”思想，促使管理以職能功能為中心向以過程為中心轉(zhuǎn)化，更易于集成和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而解決了當(dāng)前軟件生產(chǎn)經(jīng)營層與生產(chǎn)層之間脫節(jié)的現(xiàn)狀。v 生產(chǎn)成本低 v 許多軟件開發(fā)商支持開發(fā)的MES軟件，廣泛采用分布式技術(shù)和重構(gòu)技術(shù)，容易建立和被操作人員掌握， 開發(fā)費(fèi)用較低。同時，由于許多企業(yè)已經(jīng)購買和實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的生產(chǎn)層和管理層的軟件，可以在這些系統(tǒng)的

33、基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)企業(yè)的集成，成本較低。v 使用范圍廣 v MES較好的解決了流程工業(yè)中存在的過程、設(shè)備、原料費(fèi)用高，不可控因素多，計劃與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)等問題。9.6.2流程工業(yè)流程工業(yè)MES系統(tǒng)系統(tǒng)v MES是處于計劃層和控制層之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。v 它通過生產(chǎn)過程信息處理和支持系統(tǒng)提供的信息與知識，對生產(chǎn)統(tǒng)計、生產(chǎn)調(diào)度、物料平衡、生產(chǎn)成本、設(shè)備、質(zhì)量以及安全等進(jìn)行實(shí)時管理；v 它必須采用物料管理控制與平衡、生產(chǎn)過程成本核算與管理控制、設(shè)備監(jiān)控與管理、生產(chǎn)調(diào)度與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、過程模擬與過程優(yōu)化、質(zhì)量與安全管理控制等先進(jìn)管理控制技術(shù)，強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制和優(yōu)

34、化管理等核心技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在線成本預(yù)測、控制、反饋校正和以形成生產(chǎn)成本控制中心來保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化運(yùn)行，v 以實(shí)施生產(chǎn)全過程的優(yōu)化調(diào)度、統(tǒng)一指揮和以形成生產(chǎn)指揮中心來保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控和以形成質(zhì)量管理體系與設(shè)備健康保障體系來保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。9.7 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)v 9.6.1物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)概述v 9.6.2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)v 物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）的概念美國麻省理工學(xué)院（MIT）的專家在1999年提出的。v 從技術(shù)上物聯(lián)網(wǎng)可定義為：通過傳感器、射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。9.7.1 物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)v 物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖9.16所示。v 其技術(shù)體系包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)以及公共技術(shù)。9.7.2 物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用v制造業(yè)供應(yīng)鏈管理v 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)原材料采購、庫存、銷售等領(lǐng)域，通過完善和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理體系，提高了供應(yīng)鏈效率，降低了成本?？罩锌蛙囃ㄟ^在供應(yīng)鏈體系中應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應(yīng)鏈體系。v