DCS控制網絡系統(tǒng)及網絡控制技術

1、19.1集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng)9.3以太控制網絡系統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步9.6閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析9.7閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法29.1.1 概述概述9.1.2 功能分層體系及基本結構功能分層體系及基本結構9.1.3 集散控制系統(tǒng)的組態(tài)性集散控制系統(tǒng)的組態(tài)性 3 相關概念相關概念集中控制集中控制 采用單一的計算機來實現對工業(yè)大系統(tǒng)的控制。采用單一的計算機來實現對工業(yè)大系統(tǒng)的控制。分布式

2、控制分布式控制 將一個工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，分別由若干臺控制器將一個工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，分別由若干臺控制器去控制。分布式控制承認各個子系統(tǒng)間的聯系，經過通信子網去控制。分布式控制承認各個子系統(tǒng)間的聯系，經過通信子網將各個局部控制器聯系起來，為了實現大系統(tǒng)意義上的總體目將各個局部控制器聯系起來，為了實現大系統(tǒng)意義上的總體目標最優(yōu)，還設置上級協調器，實現全系統(tǒng)的協調控制。標最優(yōu)，還設置上級協調器，實現全系統(tǒng)的協調控制。集散型計算機控制系統(tǒng)集散型計算機控制系統(tǒng)又稱為又稱為分散型綜合控制系統(tǒng)分散型綜合控制系統(tǒng)（Total Distributed Control Systems，簡稱，

3、簡稱集散系統(tǒng)集散系統(tǒng)DCS） 以微處理器為基礎，是應用于過程控制的工程化的分布式計算以微處理器為基礎，是應用于過程控制的工程化的分布式計算機控制系統(tǒng)。機控制系統(tǒng)。 實際需要實際需要管理要集中，控制要分散管理要集中，控制要分散4網絡系統(tǒng)的功能增強，而且朝著開放、標準化方向發(fā)展。網絡系統(tǒng)的功能增強，而且朝著開放、標準化方向發(fā)展。(2) 中小型集散控制系統(tǒng)有較大發(fā)展。現場總線技術的發(fā)展和中小型集散控制系統(tǒng)有較大發(fā)展?，F場總線技術的發(fā)展和PLC的發(fā)展的發(fā)展更促進了各集散控制系統(tǒng)制造商推出中小型集散控制系統(tǒng)。更促進了各集散控制系統(tǒng)制造商推出中小型集散控制系統(tǒng)。(3) 電控、儀表與計算機（電控、儀表與計算

4、機（Electrical Instrumentation Computer，EIC）“機電一體化機電一體化”將導致各公司的兼并，將導致各公司的兼并，EIC集成集成已是大勢所趨。已是大勢所趨。(4) 軟件與人機界面更加豐富。集散系統(tǒng)已經采用實時多用戶、多任務操軟件與人機界面更加豐富。集散系統(tǒng)已經采用實時多用戶、多任務操作系統(tǒng)。配備先進控制軟件的新型集散系統(tǒng)將可以實現適應控制、解耦作系統(tǒng)。配備先進控制軟件的新型集散系統(tǒng)將可以實現適應控制、解耦控制、優(yōu)化控制和智能控制?？刂啤?yōu)化控制和智能控制。(5) 系統(tǒng)集成化。集散控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)集成化。集散控制系統(tǒng)作為CIMS（計算機集成化制造系統(tǒng)）的（計算機

5、集成化制造系統(tǒng)）的基礎，是其系統(tǒng)集成的主要組成部分，成為提高企業(yè)綜合效益的重要途基礎，是其系統(tǒng)集成的主要組成部分，成為提高企業(yè)綜合效益的重要途徑。徑。(6) 以因特網（以因特網（Internet）、內聯網、局域網、控制網或現場總線為通）、內聯網、局域網、控制網或現場總線為通信網絡框架結構的一種更開放、更分散、集成度更高的分布式計算機控信網絡框架結構的一種更開放、更分散、集成度更高的分布式計算機控制網絡正在迅速發(fā)展，相應的控制理論和控制方法也將得到新的發(fā)展。制網絡正在迅速發(fā)展，相應的控制理論和控制方法也將得到新的發(fā)展。51. 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)功能分層體系功能分層體系 集散控制系統(tǒng)的本質是

6、：采用分散控制和集中管理的設計思集散控制系統(tǒng)的本質是：采用分散控制和集中管理的設計思想、分而自治和綜合協調的設計原則、采用層次化體系結構。想、分而自治和綜合協調的設計原則、采用層次化體系結構。 圖圖9-2 集散控制系統(tǒng)體系結構的各層功能集散控制系統(tǒng)體系結構的各層功能6(1) 第一代集散控制系統(tǒng)第一代集散控制系統(tǒng) 以以1975年由美國霍尼威爾年由美國霍尼威爾（Honeywell）公司首先）公司首先推出的集散系統(tǒng)推出的集散系統(tǒng)TDC-2000為第一代集散系統(tǒng)的為第一代集散系統(tǒng)的標志。標志。 這一代集散系統(tǒng)主要解決當這一代集散系統(tǒng)主要解決當時過程工業(yè)控制應用中采用時過程工業(yè)控制應用中采用模擬電動儀表

7、難以解決的有模擬電動儀表難以解決的有關控制問題。關控制問題。 圖圖9-3 第一代集散系統(tǒng)結構簡圖第一代集散系統(tǒng)結構簡圖7(2) 第二代集散控制系統(tǒng)第二代集散控制系統(tǒng) 20世紀世紀80年代，由于微機年代，由于微機技術的成熟和局部網絡技術技術的成熟和局部網絡技術的進入，使得集散系統(tǒng)得到的進入，使得集散系統(tǒng)得到飛速發(fā)展。第二代集散系統(tǒng)飛速發(fā)展。第二代集散系統(tǒng)以局部網絡為主干來統(tǒng)領全以局部網絡為主干來統(tǒng)領全系統(tǒng)工作，系統(tǒng)中各單元都系統(tǒng)工作，系統(tǒng)中各單元都可以看作是網絡節(jié)點的工作可以看作是網絡節(jié)點的工作站，局部網絡節(jié)點又可以掛站，局部網絡節(jié)點又可以掛接橋和網間連接器，并與同接橋和網間連接器，并與同網絡和

8、異型網絡相連。網絡和異型網絡相連。 特點是系統(tǒng)功能擴大及增強。特點是系統(tǒng)功能擴大及增強。 圖圖9-4 第二代集散系統(tǒng)結構簡圖第二代集散系統(tǒng)結構簡圖8(3) 第三代集散控制系統(tǒng)第三代集散控制系統(tǒng)其結構的主要變化是局部網絡采其結構的主要變化是局部網絡采用了用了MAP或者是與或者是與MAP兼容、兼容、或者局部網絡本身就是實時或者局部網絡本身就是實時MAP LAN。MAP是由美國是由美國GM（通用汽車公（通用汽車公司）負責制定的，它是一種工廠司）負責制定的，它是一種工廠系統(tǒng)公共的通信標準，已逐步成系統(tǒng)公共的通信標準，已逐步成為一種事實上的工業(yè)標準。為一種事實上的工業(yè)標準。除了局部網絡的根本進步之外，除

9、了局部網絡的根本進步之外，第三代集散控制系統(tǒng)的其它單元第三代集散控制系統(tǒng)的其它單元無論是硬件還是軟件，都有很大無論是硬件還是軟件，都有很大的變化，但系統(tǒng)的基本組成變化的變化，但系統(tǒng)的基本組成變化不大，其主要特征為開放系統(tǒng)。不大，其主要特征為開放系統(tǒng)。圖圖9-5 第三代集散系統(tǒng)結構簡圖第三代集散系統(tǒng)結構簡圖9(4) 第四代集散控制系統(tǒng)第四代集散控制系統(tǒng) 20世紀世紀90年代末期至年代末期至21世紀開始，由于電子信息產世紀開始，由于電子信息產業(yè)的開放潮流和現場總線技術的成熟與應用，業(yè)的開放潮流和現場總線技術的成熟與應用，DCS廠廠家進一步提升了系統(tǒng)功能范圍，將系統(tǒng)開發(fā)的方式由家進一步提升了系統(tǒng)功能

10、范圍，將系統(tǒng)開發(fā)的方式由原來完全自主開發(fā)變?yōu)榧砷_發(fā)，推出了第四代原來完全自主開發(fā)變?yōu)榧砷_發(fā)，推出了第四代DCS。 共性：共性： 全面支持企業(yè)信息化、系統(tǒng)構成集成化、混合控制功能兼容，全面支持企業(yè)信息化、系統(tǒng)構成集成化、混合控制功能兼容，營建進一步分散化、智能化和低成本化，系統(tǒng)平臺開放化、應營建進一步分散化、智能化和低成本化，系統(tǒng)平臺開放化、應用系統(tǒng)專業(yè)化。用系統(tǒng)專業(yè)化。 主要特征為：主要特征為： 信息化和集成化；混合控制系統(tǒng)；融合采用現場總線技術的進信息化和集成化；混合控制系統(tǒng)；融合采用現場總線技術的進一步分散化；一步分散化；I/O處理單元小型化、智能化、低成本；系統(tǒng)平處理單元小型化、智能

11、化、低成本；系統(tǒng)平臺開放型與應用的專業(yè)化。臺開放型與應用的專業(yè)化。10圖圖9-6 和利時第四代集散控制系統(tǒng)體系結構和利時第四代集散控制系統(tǒng)體系結構11 分散性和集中性分散性和集中性系統(tǒng)控制分散、功能分散，負荷分散，從而危險分散。系統(tǒng)控制分散、功能分散，負荷分散，從而危險分散。集中性體現：監(jiān)視集中、操作集中、管理集中。集中性體現：監(jiān)視集中、操作集中、管理集中。 自治性和協調性自治性和協調性 各工作站獨立自主地完成分配給自己任務，并通過通信網各工作站獨立自主地完成分配給自己任務，并通過通信網絡傳送各種信息，協調工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能絡傳送各種信息，協調工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處

12、理。和優(yōu)化處理。 友好性友好性采用實用而簡潔的人機會話系統(tǒng)，豐富的畫面顯示。采用實用而簡潔的人機會話系統(tǒng)，豐富的畫面顯示。 (4) 適應性、靈活性和可擴充性適應性、靈活性和可擴充性 采用開放式、標準化和模塊化設計，具有靈活的配置，可采用開放式、標準化和模塊化設計，具有靈活的配置，可以適應不同用戶的需要?？梢愿鶕a要求，改變系統(tǒng)的以適應不同用戶的需要。可以根據生產要求，改變系統(tǒng)的大小配置。大小配置。 12 實時性實時性 采用網絡通信技術，實現集中監(jiān)視、操作和管理。使得管采用網絡通信技術，實現集中監(jiān)視、操作和管理。使得管理與現場分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化。理與現場分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化。

13、通過人機接口和通過人機接口和I/O接口，可對過程對象進行實時采集、接口，可對過程對象進行實時采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，并包括對系統(tǒng)結構和組態(tài)分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，并包括對系統(tǒng)結構和組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維護等，提高了系統(tǒng)的回路的在線修改、局部故障的在線維護等，提高了系統(tǒng)的可用性。可用性。 可靠性可靠性 廣泛采用了冗余技術、容錯技術。各單元都具備自診斷、廣泛采用了冗余技術、容錯技術。各單元都具備自診斷、自檢查、自修理功能，故障出現時還可自動報警。自檢查、自修理功能，故障出現時還可自動報警。使集散系統(tǒng)的可靠性和安全性得到大大提高。使集散系統(tǒng)的可靠性和安全性得到大大提高。

14、13(1) 數據傳輸的介質數據傳輸的介質 雙絞線、光釬、同軸電纜等。雙絞線、光釬、同軸電纜等。(2) 數據傳輸方式數據傳輸方式 基帶傳輸方式基帶傳輸方式 頻帶傳輸方式頻帶傳輸方式 (3) 數據通信網絡的拓撲結構數據通信網絡的拓撲結構 星型、環(huán)型和總線星型、環(huán)型和總線/樹型等常見幾種樹型等常見幾種 (4) 網絡的訪問控制方法網絡的訪問控制方法集散控制系統(tǒng)采用的信息存取控制方式主要為：集散控制系統(tǒng)采用的信息存取控制方式主要為： CSMACD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。◣в袥_突檢測的載波偵聽多路存?。?令牌環(huán)法令牌環(huán)法 令牌總線令牌總線14集散控制系統(tǒng)的組態(tài)類型集散控制系統(tǒng)的組態(tài)類型系統(tǒng)組態(tài)

15、系統(tǒng)組態(tài)完成組成系統(tǒng)的各設備間的連接；完成組成系統(tǒng)的各設備間的連接； 畫面組態(tài)畫面組態(tài)完成操作站的各種畫面、畫面間的連接；完成操作站的各種畫面、畫面間的連接； 控制組態(tài)控制組態(tài) 完成各控制器、過程控制裝置的控制結構連接、完成各控制器、過程控制裝置的控制結構連接、參數設置等。參數設置等。 15指一些包括數據采集與工程控制的專用軟件，屬于自動控制監(jiān)控層一指一些包括數據采集與工程控制的專用軟件，屬于自動控制監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，可以非常容易實現和完成監(jiān)控層的各項功發(fā)界面和

16、簡捷的使用方法，可以非常容易實現和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設備，向控制層和管設備，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統(tǒng)的集成。理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統(tǒng)的集成。 組態(tài)軟件的分類：組態(tài)軟件的分類： 國外專業(yè)軟件廠商提供的產品，如美國國外專業(yè)軟件廠商提供的產品，如美國Wonderware公司的公司的INTOUCH、美國、美國Intellution公司的公司的FIX以及西門子公司的以及西門子公司的WINCC 國內自行開發(fā)的國產化產品有國內自行開發(fā)的國產化產品有Synall、組態(tài)王、力控、組態(tài)王、力控、M

17、AGS、Controlx等。等。 16 如何與采集、控制設備間進行數據交換。如何與采集、控制設備間進行數據交換。 使來自設備的數據與計算機圖形畫面上的各元素使來自設備的數據與計算機圖形畫面上的各元素關聯起來。關聯起來。 處理數據報警及系統(tǒng)報警。處理數據報警及系統(tǒng)報警。 存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢。存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢。 各類報表的生成和打印輸出。各類報表的生成和打印輸出。 為使用者提供靈活、多變的組態(tài)工具，可以適應為使用者提供靈活、多變的組態(tài)工具，可以適應不同應用領域的需求。不同應用領域的需求。 最終生成的應用系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。最終生成的應用系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。 具有與第具有與

18、第3方程序的接口，方便數據共享。方程序的接口，方便數據共享。17 組態(tài)向導（軟件助手）組態(tài)向導（軟件助手） 組態(tài)向導提供預定義的參數，組態(tài)工程師可借鑒它來進行或修改組態(tài)向導提供預定義的參數，組態(tài)工程師可借鑒它來進行或修改組態(tài)過程。組態(tài)過程。 庫和模塊庫和模塊 已建立的對象可儲存在一個庫內，也可將它們從庫中調出。這樣已建立的對象可儲存在一個庫內，也可將它們從庫中調出。這樣使用戶可以開發(fā)公司、技術或部門專用的標準，有助于快速建立使用戶可以開發(fā)公司、技術或部門專用的標準，有助于快速建立項目。項目。 交叉引用組態(tài)交叉引用組態(tài) 可以通過交叉索引列表的畫面，提供處理大量數據的組態(tài)工具，可以通過交叉索引列表

19、的畫面，提供處理大量數據的組態(tài)工具，具有數據的導入具有數據的導入/導出功能，可以導入和導出變量、導入和導出導出功能，可以導入和導出變量、導入和導出消息、導入和導出文本。消息、導入和導出文本。 測試、試運行和維護測試、試運行和維護 只需應用仿真器就可對一個組態(tài)進行測試。只需應用仿真器就可對一個組態(tài)進行測試。 189.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網絡系統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4 控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5 網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析 9

20、.7 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法199.2.1 概述概述 9.2.2 現場總線類型現場總線類型9.2.3 典型應用系統(tǒng)構成典型應用系統(tǒng)構成20現場總線概述現場總線概述現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節(jié)點數字通信的系統(tǒng)，也被稱為之間實現雙向串行多節(jié)點數字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng)FCS（fieldbus control system） 21 FCS的體系結構主要表現在以下的體系

21、結構主要表現在以下5個方面。個方面。(1) 現場通信網絡現場通信網絡 現場總線將通信一直延伸到生產現場或生產設備?，F場總線將通信一直延伸到生產現場或生產設備。(2) 現場設備互連現場設備互連 現場設備通過一對傳輸線（如雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等）現場設備通過一對傳輸線（如雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等）互連?；ミB。(3) 控制功能分散控制功能分散 輸入輸入/輸出單元和控制站的部分功能分散給現場智能儀表，從而構成輸出單元和控制站的部分功能分散給現場智能儀表，從而構成虛擬控制站。虛擬控制站。(4) 通信線供電通信線供電 允許現場儀表直接從通信線上獲取能量。允許現場儀表直接從通信線上獲取能量

22、。(5) 開放式互連網絡開放式互連網絡 既可以與同層網絡互連，又可以與不同層的網絡互連，同時還體現在既可以與同層網絡互連，又可以與不同層的網絡互連，同時還體現在網絡數據庫共享，通過網絡對現場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠網絡數據庫共享，通過網絡對現場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠商的網絡和設備融為一體，構成統(tǒng)一的現場總線控制系統(tǒng)。商的網絡和設備融為一體，構成統(tǒng)一的現場總線控制系統(tǒng)。22(1) 可靠性高、有較強的抗干擾能力可靠性高、有較強的抗干擾能力(2) 具有高度的控制功能分散性具有高度的控制功能分散性(3) 現場儀表或設備具有高度的智能化與功能自主性，可完現場儀表或設備具有高度的智能化與功能

23、自主性，可完成控制的基本功能。成控制的基本功能。(4) 開放性開放性 FCS對相關標準具有一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。對相關標準具有一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。通信協議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換，通通信協議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換，通過現場總線可構筑自動化領域的開放互連系統(tǒng)。過現場總線可構筑自動化領域的開放互連系統(tǒng)。(5) 互操作性和互用性互操作性和互用性 互操作性指互連設備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通?；ビ脛t意味著互操作性指互連設備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通?；ビ脛t意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。不同生產廠家的性能類似

24、的設備可實現相互替換。 23 (1) 節(jié)省硬件數量與投資節(jié)省硬件數量與投資 (2) 節(jié)省安裝費用節(jié)省安裝費用 (3) 節(jié)省系統(tǒng)維護開銷節(jié)省系統(tǒng)維護開銷 (4) 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權 (5) 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性24幾種較流行的現場總線幾種較流行的現場總線基金會現場總線基金會現場總線 CAN（控制器局域網絡）（控制器局域網絡） LonWorks（局部操作網絡）（局部操作網絡） PROFIBUS（過程現場總線）（過程現場總線） PROFIBUSFMS（現場信息規(guī)范）（現場信息規(guī)范）PROFIBUSPA（Process Field

25、Bus）PROFIBUSDP（Distributed Periphery） HART總線總線 可尋址遠程傳感器高速通道的開放協議可尋址遠程傳感器高速通道的開放協議 259.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網絡系統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4 控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5 網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法26 工業(yè)以太網是指用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的以太網技術，最初工業(yè)以太網是指用于

26、工業(yè)控制系統(tǒng)中的以太網技術，最初是為辦公自動化發(fā)展起來的，因此這種商用主流的通信技是為辦公自動化發(fā)展起來的，因此這種商用主流的通信技術發(fā)展至今已有應用廣泛、價格低廉、傳輸速率高、軟硬術發(fā)展至今已有應用廣泛、價格低廉、傳輸速率高、軟硬件資源豐富等技術優(yōu)勢。件資源豐富等技術優(yōu)勢。 相比之下，一般的以太網技術除了通信的吞吐量要求較高相比之下，一般的以太網技術除了通信的吞吐量要求較高外，對其他性能沒有特殊要求；而工業(yè)控制現場由于其環(huán)外，對其他性能沒有特殊要求；而工業(yè)控制現場由于其環(huán)境的特殊性，對工業(yè)以太網的實時性、可靠性、網絡生存境的特殊性，對工業(yè)以太網的實時性、可靠性、網絡生存性、安全性等均有很高的

27、要求。性、安全性等均有很高的要求。 9.3.1 控制網絡的技術基礎控制網絡的技術基礎9.3.2 以太控制網絡系統(tǒng)的組成及其特點以太控制網絡系統(tǒng)的組成及其特點9.3.3 以太網用于工業(yè)現場的關鍵技術以太網用于工業(yè)現場的關鍵技術271. 控制網絡的局域網技術控制網絡的局域網技術 局域網局域網LAN（Local Area Network）的概念產生）的概念產生于于20世紀世紀60年代末。年代末。IEEE于于1980年成立的局域網年成立的局域網標準委員會制定了標準委員會制定了802標準。標準。 到到20世紀世紀80年代，局域網的產品已經大量涌現，其典年代，局域網的產品已經大量涌現，其典型代表就是以太網

28、。型代表就是以太網。 圖圖9-26 IEEE 802參考模型參考模型28(1) 交換式控制網絡的技術特點交換式控制網絡的技術特點（與共享式控制網絡相比與共享式控制網絡相比） 具有很高的傳輸帶寬，且利用網絡分段，增加每個端口的可用帶具有很高的傳輸帶寬，且利用網絡分段，增加每個端口的可用帶寬，還可進一步緩解共享式控制網絡的擁塞狀況。寬，還可進一步緩解共享式控制網絡的擁塞狀況。 容量大，可支持幾十至幾百個接入設備，并具有組網方便的優(yōu)點。容量大，可支持幾十至幾百個接入設備，并具有組網方便的優(yōu)點。 一般可以提供無擁塞的服務與多對端口之間的同時通信，且交換一般可以提供無擁塞的服務與多對端口之間的同時通信，

29、且交換設備具有低交換傳輸延時，一般可以滿足實時控制要求。設備具有低交換傳輸延時，一般可以滿足實時控制要求。 支持虛擬網絡服務；支持虛擬網絡服務； 可靠性高。可靠性高。(2) 網絡交換技術的工作方式網絡交換技術的工作方式 直通方式直通方式 存儲轉發(fā)方式存儲轉發(fā)方式29圖圖9-30 分布式控制網絡結構分布式控制網絡結構30圖圖9-31 虛擬局域網結構示意圖虛擬局域網結構示意圖31 分割功能層分割功能層 VLAN可以有效將管理層與控制層、不同功能單元在邏輯上分割可以有效將管理層與控制層、不同功能單元在邏輯上分割開，使底層控制域的過程控制可以免受管理層的廣播數據報的影開，使底層控制域的過程控制可以免受

30、管理層的廣播數據報的影響，以保證帶寬。響，以保證帶寬。 分割部門分割部門 通過通過VLAN劃分功能單元，各自的單元子網不受其他網段的影響，劃分功能單元，各自的單元子網不受其他網段的影響，可以保證本部門之間的網絡的實時性?？梢员ＷC本部門之間的網絡的實時性。 提高網絡的整體安全性提高網絡的整體安全性 不同不同VLAN之間的通信必須經過第三層路由，可以在核心層交換之間的通信必須經過第三層路由，可以在核心層交換機配置路由訪問列表，控制用戶訪問權限和數據流向，達到安全機配置路由訪問列表，控制用戶訪問權限和數據流向，達到安全目的。目的。 簡化網絡管理簡化網絡管理 如果對某些終端重新進行網段分配，在采用如果

31、對某些終端重新進行網段分配，在采用VLAN技術后，只需技術后，只需網絡管理人員在網管中心進行網絡管理人員在網管中心進行VLAN網段的重新分配即可。網段的重新分配即可。32圖圖9-32 以太控制網絡系統(tǒng)組成以太控制網絡系統(tǒng)組成33以交換式集線器或網絡交換機為中心，采用星型結構。系統(tǒng)中包括數以交換式集線器或網絡交換機為中心，采用星型結構。系統(tǒng)中包括數據庫服務器、文件服務器。以太網絡交換機有多種帶寬接口，以滿足據庫服務器、文件服務器。以太網絡交換機有多種帶寬接口，以滿足工業(yè)工業(yè)PC、PLC、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務器時對網絡、嵌入式控制器、工作站等頻繁訪問服務器時對網絡帶寬的要求。帶寬的要

32、求。(2) 監(jiān)視工作站用于監(jiān)視控制網絡的工作狀態(tài)。監(jiān)視工作站用于監(jiān)視控制網絡的工作狀態(tài)。(3) 控制設備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、現場總線控制網絡、控制設備可以是一般的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、現場總線控制網絡、PLC、嵌入式控制系統(tǒng)等。、嵌入式控制系統(tǒng)等。(4) 當控制網絡規(guī)模較大時，可采用分段結構，連成更大的網絡，每一當控制網絡規(guī)模較大時，可采用分段結構，連成更大的網絡，每一個交換式集線器及控制設備構成相對獨立的控制子網。若干個控制子個交換式集線器及控制設備構成相對獨立的控制子網。若干個控制子網互聯組成規(guī)模較大的控制網絡。網互聯組成規(guī)模較大的控制網絡。(5) 以太控制網絡的底層協議為以太控

33、制網絡的底層協議為IEEE 802.3、基本通信協議采用、基本通信協議采用TCP/IP，高級應用協議為，高級應用協議為CORBA或或DCOM，網絡操作系統(tǒng)為，網絡操作系統(tǒng)為Windows、Linux或或Unix。(6) 實時控制網絡軟件是集實時控制、數據處理、信息傳輸、信息共享、實時控制網絡軟件是集實時控制、數據處理、信息傳輸、信息共享、網絡管理于一體的龐大而復雜的軟件工程。網絡管理于一體的龐大而復雜的軟件工程。 34實時性實時性通過限制總線上的站點數目、控制網絡流量，使總線保持在輕負荷工通過限制總線上的站點數目、控制網絡流量，使總線保持在輕負荷工作條件；作條件；通過全雙工以太網交換技術可以完

34、全避免通過全雙工以太網交換技術可以完全避免CSMACD碰撞，通過半雙碰撞，通過半雙工以太網交換技術可以極大降低碰撞的可能性，并提高網絡帶寬的利工以太網交換技術可以極大降低碰撞的可能性，并提高網絡帶寬的利用率和實時性。用率和實時性。 工業(yè)以太網質量服務工業(yè)以太網質量服務(QoS)目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。目的是向用戶提供端到端的服務質量保證。 網絡生存性網絡生存性 包括：可靠性、可恢復性和可管理性包括：可靠性、可恢復性和可管理性 網絡安全性網絡安全性 總線供電與安全防暴技術總線供電與安全防暴技術 可互操作性和遠距離傳輸可互操作性和遠距離傳輸 359.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9

35、.2 現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網絡系統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4 控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5 網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法36 主要是實現信息交換和資源共享。主要是實現信息交換和資源共享。圖圖9-33 控制網絡與信息網絡的主要集成技術控制網絡與信息網絡的主要集成技術37 網絡互聯，是指將分布在不同地理位置的網絡、網絡互聯，是指將分布在不同地理位置的網絡、設備相連接，構成更大的互聯網絡系統(tǒng)。設備相連接

36、，構成更大的互聯網絡系統(tǒng)。 控制網絡與信息網絡互聯要解決的兩個問題：控制網絡與信息網絡互聯要解決的兩個問題： 物理互聯物理互聯 邏輯互聯（即互聯軟件）邏輯互聯（即互聯軟件） 網絡連接方式：網絡連接方式： 對于同構的控制網絡與信息網絡，可以通過網橋進行對于同構的控制網絡與信息網絡，可以通過網橋進行連接；連接； 對于異構的控制網絡與信息網絡，則進行網絡互聯的對于異構的控制網絡與信息網絡，則進行網絡互聯的兩種主要部件為路由器和網關。兩種主要部件為路由器和網關。38 動態(tài)數據交換（動態(tài)數據交換（DDE）協議使用共享內存在應用程）協議使用共享內存在應用程序之間傳輸數據，完成應用程序之間的數據交換。序之間

37、傳輸數據，完成應用程序之間的數據交換。圖圖9-34 應用應用DDE實現控制網絡與信息網絡集成實現控制網絡與信息網絡集成39 當兩個網絡在地理上相距較遠時，可應用當兩個網絡在地理上相距較遠時，可應用遠程通信技術來實現控制網絡與信息網絡遠程通信技術來實現控制網絡與信息網絡的集成。的集成。 遠程通信技術：遠程通信技術：1. 利用調制解調器的數據通信技術利用調制解調器的數據通信技術2. 基于基于TCP/IP通信技術通信技術 40 一般的信息網絡采用開放式數據庫系統(tǒng)，一般的信息網絡采用開放式數據庫系統(tǒng)，這樣可以通過數據庫訪問技術來方便地實這樣可以通過數據庫訪問技術來方便地實現控制網絡與信息網絡的集成?，F

38、控制網絡與信息網絡的集成。 常用的訪問數據庫應用編程接口常用的訪問數據庫應用編程接口API： ODBC（Open Database Connectivity）API 固有連接固有連接API JDBC（Java Database Connectivity）API 419.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網絡系統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4 控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5 網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡

39、控制系統(tǒng)的控制器設計方法429.5.1 網絡控制系統(tǒng)定義及存在問題網絡控制系統(tǒng)定義及存在問題9.5.2 傳輸延遲的分析傳輸延遲的分析9.5.3 網絡控制的時鐘同步網絡控制的時鐘同步431. 網絡控制系統(tǒng)的定義網絡控制系統(tǒng)的定義通過網絡實時交換數據而形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。通過網絡實時交換數據而形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。 2. 將傳輸網絡引入閉環(huán)控制系統(tǒng)所帶來的問題將傳輸網絡引入閉環(huán)控制系統(tǒng)所帶來的問題(1) 大大增加系統(tǒng)分析和設計的復雜性。大大增加系統(tǒng)分析和設計的復雜性。(2) 網絡傳輸存在傳輸延遲且是時變的。網絡傳輸存在傳輸延遲且是時變的。(3) 網絡傳輸中有數據包丟失等現象發(fā)生。網絡傳輸中有

40、數據包丟失等現象發(fā)生。44 傳輸延遲又可分為：傳輸延遲又可分為： 處理延遲處理延遲 排隊延遲排隊延遲 傳送延遲傳送延遲 傳播延遲傳播延遲圖圖9-38 交換網絡中的數據傳輸過程交換網絡中的數據傳輸過程45時鐘同步的提出時鐘同步的提出建立公共時鐘基的過程就稱為時鐘同步。建立公共時鐘基的過程就稱為時鐘同步。 時鐘同步的解決方法時鐘同步的解決方法硬件同步硬件同步利用時鐘硬件設備（如利用時鐘硬件設備（如GPS接收機等）進行局部時鐘間的接收機等）進行局部時鐘間的同步，其操作對象往往是計算機內部的或外接的硬件時鐘。同步，其操作對象往往是計算機內部的或外接的硬件時鐘。軟件同步軟件同步指利用軟件同步算法進行節(jié)點

41、局部時鐘的同步。指利用軟件同步算法進行節(jié)點局部時鐘的同步。混合同步混合同步是硬件和軟件相結合的同步方法。是硬件和軟件相結合的同步方法。主要思路是：在軟件同步無法獲得滿意的同步精度的節(jié)點中主要思路是：在軟件同步無法獲得滿意的同步精度的節(jié)點中引入硬件同步，從而提高整個系統(tǒng)的同步精度。引入硬件同步，從而提高整個系統(tǒng)的同步精度。 469.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網絡系統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4 控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5 網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡

42、控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法47 執(zhí)行器的工作方式可以分為執(zhí)行器的工作方式可以分為:時間驅動時間驅動_執(zhí)行器在采樣時鐘的作用下等周期對控制信號采執(zhí)行器在采樣時鐘的作用下等周期對控制信號采樣，然后施加到被控制對象上。樣，然后施加到被控制對象上。事件驅動事件驅動_控制信號到達執(zhí)行器后，執(zhí)行器立刻將控制信號控制信號到達執(zhí)行器后，執(zhí)行器立刻將控制信號施加到被控對象上。施加到被控對象上。9.6.1 基于事件驅動的穩(wěn)定性分析基于事件驅動的穩(wěn)定性分析9.6.2 基于時間驅動的穩(wěn)定性分析基于時間驅動的穩(wěn)定性分析圖圖9-39 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)結構圖閉環(huán)網

43、絡控制系統(tǒng)結構圖48基于事件驅動的被控對象離散模型基于事件驅動的被控對象離散模型 基于事件驅動的網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析基于事件驅動的網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析考察每一采樣延遲小于一個采樣周期的簡單系統(tǒng)模型考察每一采樣延遲小于一個采樣周期的簡單系統(tǒng)模型周期為周期為T的采樣系統(tǒng)：的采樣系統(tǒng)： 擴展狀態(tài)為擴展狀態(tài)為 10mkkskik iiXA XB U01(1)( )() ( )() (1)( )( )kkx kx ku ku ky kCx k ( )( ),(1)TTw kxku k(1)( ) ( )w kk w k 針對最簡單一階系統(tǒng)：針對最簡單一階系統(tǒng)：( )( )x tu t 根據離散系

44、統(tǒng)穩(wěn)定性要求根據離散系統(tǒng)穩(wěn)定性要求 ，有，有圖圖9-41 積分控制的穩(wěn)定區(qū)域積分控制的穩(wěn)定區(qū)域49基于時間驅動的被控對象離散模型基于時間驅動的被控對象離散模型 基于時間驅動的網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析基于時間驅動的網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1( )kdkdk m kXA XB Uk時刻控制信號的時刻控制信號的傳輸延遲傳輸延遲 假設：采樣周期恒定為假設：采樣周期恒定為T T、實際傳輸延遲整數化、省略周期、實際傳輸延遲整數化、省略周期T T的書寫。的書寫。 被控對象方程被控對象方程 控制器方程控制器方程 kkkkkkCXYBUAXXcp)(1kkkkkkHZUGYFZZpc)(1)(1)(1kkkkk

45、kkkpccpGCYFZZBHZAXX50)(1)(1kkkkkkkkpccpGCYFZZBHZAXXkkkXX1TTkTkTkTkTkTkkZXZXZXXmaxmax,11)(max),(maxmaxmaxkkcpkpck)(),(kkQpccpk000000000max210IIIAAAAFGBAA000其中：其中：00iiiGBA), 2 , 1(maxi)(,0)(,kikiGCGpcpci)(,0)(,kikiBHBcpcpi系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由由 決定決定矩陣集合矩陣集合 519.1 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)9.2 現場總線控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng) 9.3 以太控制網絡系

46、統(tǒng)以太控制網絡系統(tǒng)9.4 控制網絡與管理網絡集成技術控制網絡與管理網絡集成技術9.5 網絡控制系統(tǒng)及其時間同步網絡控制系統(tǒng)及其時間同步 9.6 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)分析 9.7 閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法52基本思想：基本思想：將隨機延遲轉化為固定延遲，然后針對轉化將隨機延遲轉化為固定延遲，然后針對轉化后的固定延遲設計時延網絡控制器，也就是后的固定延遲設計時延網絡控制器，也就是將一個不確定性系統(tǒng)轉化成一個定常系統(tǒng)。將一個不確定性系統(tǒng)轉化成一個定常系統(tǒng)。方法步驟：方法步驟：對網絡控制系統(tǒng)的幾點假設：對網絡控制系統(tǒng)的幾點假設：控制器和執(zhí)行器都采用時間驅動控制器和執(zhí)行器都采用時間驅動各部分延遲都有確定的上界各部分延遲都有確定的上界1. 執(zhí)行器、被控對象和傳感器在同一網絡節(jié)點上，執(zhí)行器、被控對象和傳感器在同一網絡節(jié)點上，并統(tǒng)稱為被控對象。并統(tǒng)稱為被控對象。 532. 網絡控制系統(tǒng)的被控對象狀態(tài)方程網絡控制系統(tǒng)的被控對象狀態(tài)方程1 , 0 ,0n nn pkkk mq nk lk lXAXBuARBRmyCXCRl 54實例證明對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制實例證明對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大