第11章 控制網絡技術

第十一章控制網絡技術

10/15/20231第九章計算機集散控制系統幾個名詞釋義DCS（DistributedControlSystem）分布式計算機控制系統，又稱集散型控制系統、集散系統。

它以微處理機為核心，綜合了控制技術、通信技術和圖形顯示等技術。以多臺微處理機分散在生產現場，進行過程的測量和控制，實現了功能和地理上的分散。避免了測量和控制高度集中帶來的危險性。通信技術和圖形顯示等技術以及其他外部設備的應用，能夠方便地集中操作、顯示和報警，克服了常規(guī)儀表控制過于分散和人—機聯系困難的缺點。

（模擬數字混合、專用網絡）

10/15/20232第九章計算機集散控制系統TDCS

（TotalDistributedControlSystem）集散控制系統（總體分散型控制系統）

是一種應用于過程控制的工程化的分布式計算機控制系統。

10/15/20233第九章計算機集散控制系統FCS（FieldbusControlSystem）

現場總線控制系統

根據國際電工委員會IEC1158定義，現場總線（Fieldbus）是“安裝在生產過程區(qū)域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線”?；蛘哒f，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。其中，"生產過程"應包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程兩類?，F場設備/儀表指位于現場層的傳感器、驅動器、執(zhí)行機構等設備。因此，現場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數字化網絡技術。基于這項技術的自動化系統稱為FCS。10/15/20234第九章計算機集散控制系統

現場總線技術近年來成為國際上自動化和儀器儀表發(fā)展的熱點，它的出現使傳統的控制系統結構產生了革命性的變化，是自控系統朝著智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化的方向邁進，形成新型的網絡集成式全分布式控制系統---現場總線控制系統FCS（FieldbusControlSystem）

（數字化、網絡標準化、開放式）10/15/20235第九章計算機集散控制系統

過程控制經歷了常規(guī)儀表控制系統、計算機集中控制系統、分布式控制系統幾種體系結構。分布式控制系統向數字化、網絡標準化、開放式方向發(fā)展，雙向數字通信現場總線信號制將逐步取代4～20mA的模擬信號制。10/15/20236第九章計算機集散控制系統

11.1

控制網絡與信息網絡的區(qū)別控制網絡數據通信以引發(fā)物質或能量的運動為最終目的。主要特點有：允許對實時響應的事件進行驅動通信，具有很高的數據完整性，在電磁干擾和有地電位差的情況下能正常工作，一般使用專用的通信網。主要區(qū)別有五點：實時性；環(huán)境條件；網絡結構；通信方式；標準。10/15/20237第九章計算機集散控制系統11.2體系結構體系結構是指從功能上來描述網絡的結構，而不涉及體系結構中所確定的功能怎樣實現。DCS是具有多功能層次的網絡系統。一般來說，典型的DCS采用了4層結構，自下至上是：直接控制層、監(jiān)督控制層、計劃調度層和決策管理層。每一層作為上一層的基礎，接收上一層的控制指令，同時又將控制結果和各控制參數送上一層，各層完成的功能如下圖所示。

l）直接控制層這是整個控制系統體系結構中的最低層，這一層直接與被控過程相連，完成以下功能。（1）過程數據采集直接采集現場的各種物理量測量值和狀態(tài)開關值，對它們進行必要的濾波、轉換等處理。（2）裝置狀態(tài)和設備運行狀態(tài)監(jiān)測與診斷對采集的各種信號進行處理，檢查其是否是合格有效的數據、判斷控制計算機的各模板是否運行正常，設備儀表及其連線是否正常，根據結果產生報警信號等。（3）閉環(huán)和開環(huán)控制接收上一級下達的控制指令（給定），實現DDC控制和順序邏輯控制。2）監(jiān)督控制層（SupervisoryProcessComputerControl，簡稱SPC）這一層主要是計算出裝置優(yōu)化的工作條件，以控制指令給定的形式給到其下一級（直接控制層）去執(zhí)行，這一層的主要工作如下。（1）優(yōu)化控制應用數學模型和其它形式的模型，結合裝置的約束條件和控制目標函數，計算出最優(yōu)的操作條件，送下級執(zhí)行。（2）自適應控制根據采集到的各種物理量，對系統的模型參數進行在線估計，然后根據自適應算法或自調節(jié)算法得出控制給定，送下一級。（3）協調控制對于復雜的被控對象，根據各部分的關系和運行狀態(tài)，還有根據裝置的生產要求，原材料、庫存和能耗等數據，以及一些優(yōu)化數據，產生控制指令，送下一級執(zhí)行。（4）裝置運行監(jiān)視監(jiān)視整個裝置運行參數、狀態(tài)，制定生產記錄報表，報警顯示，故障顯示分析、記錄，等等。3）計劃調度層（PlaningandScheduling）這一層主要完成一系列的調度控制功能，這些調度控制主要是基于運籌學和資源管理的科學，而不是基于控制工程方法。這一層功能包括了根據用戶定貨單、庫存量、能耗約束條件和能耗指標等進行生產調度的功能。較先進的計劃調度層除了完成上述基本功能外，還可以進行最優(yōu)調度柔性生產調度功能，以適應靈活的用戶市場需求。此外，這一層還完成工廠級的數據監(jiān)視、統計，制定各種統計報表。對于一些小型的企業(yè)（單個裝置，或少數裝置），計劃調度層可能就是最高的控制功能層了。

4）決策管理層（DecisionandManagement）這是公司控制系統體系結構中的最高層，它廣泛地涉及工程、經濟、商務、人事以及其它各種功能。將這些功能集成到一個大的軟件系統，通過這個軟件系統，整個工廠的復雜生產調度和計劃等問題可以得到優(yōu)化解決。這一層主要完成的功能有市場分析、用戶信息搜集、定單統計分析、銷售與生產計劃、合同管理、生產工廠（裝置）協調、制定價格、生產能力與定貨平衡、生產和分銷渠道的監(jiān)督、生產、合同、定貨的各種統計報表、生產效率、產值、經營額、利潤／成本以及其它財政分析報表。

以上層次劃分主要是基于連續(xù)性生產企業(yè)而設計的，它基本上反映了大多數企業(yè)的控制功能劃分要求。但不同行業(yè)的企業(yè)由于其生產過程的特殊性和復雜性，如治金企業(yè)（大集團企業(yè)）、制造工業(yè)、火力發(fā)電、水力發(fā)電等，可能會對每一層賦予特殊的內容，或增加一些層次。例如可以有車間級、工廠級、公司級甚至企業(yè)級的生產管理和控制功能，但它們只是把上述四個功能由各級來分別加以完成。

具有這四種功能的系統是一個完整的高度自動化的系統。在大多數的情況下，DCS具有第一層、第二層的全部功能，并完成第三層的部分功能。第四層的功能則通過一層通用管理系統來完成。該管理系統當今多采用開放的網絡平臺將多臺計算機（包括工作站、高檔微型計算機、各種智能終端等）連接起來。該管理網絡與各生產裝置的DCS通過網關直接相連，因而可以得到全廠的實時數據，同時，該管理系統還可以直接通過網絡得到所有的銷售信息、原材料信息等等。

從當前的發(fā)展趨勢來看，在大型企業(yè)，過程DCS系統是一種把控制和管理融為一體的綜合自動化系統，又稱為計算機集成生產系統。它是在自動化技術，信息技術和各種工業(yè)生產技術的基礎上，通過計算機系統將工廠全部生產活動所需的信息和各種分散的自動化系統有機地集成起來，形成一個能適應生產環(huán)境下確定性和市場需求多變性總體最優(yōu)的高質量、高效益、高柔性的智能生產系統，已成為當前控制領域中的一個重要研究方向。

11.3分級遞階控制策略11.4控制網絡配置結構11.4.1控制網絡的硬件體系（1）模塊化控制站+與制造自動化協議兼容的寬帶、局域網+信息綜合管理系統（2）分散過程控制+高速數據公路+操作站+上位機（3）可編程邏輯控制器PLC+通信系統+操作管理站（4）單回路控制器+通信系統+操作管理站11.4.2控制網絡的組態(tài)軟件

從工業(yè)生產對控制的要求出發(fā)將分布式系統所具有的功能連接起來，配置成一個可供執(zhí)行的應用軟件的過程，稱為系統組態(tài)（Configuration）。在分布式系統中，一般都配備了系統組態(tài)軟件，用戶不需編程就能方便地選擇控制策略、構成控制系統、繪制顯示圖表、建立有關數據庫等，生成所需的應用軟件。

目前在分布式控制系統中采用的系統組態(tài)語言大致可分為三類：（1）專用控制語言。系統中配有各種專用控制語言，供用戶使用，例如美國西屋公司的WDPF系統中，采用了面向問題的語言POL’S。這種方法對操作者要求高，并且需要操作系統的支持。（2）填表式，填空式。填表式組態(tài)是將組態(tài)方案轉換成組態(tài)結構圖，由操作者在屏幕上將有關參數和連接方式填入表內。填空式組態(tài)是用菜單驅動的，只要操作者回答屏幕上的提問就完成了組態(tài)。這兩種方式常常結合使用。例如英國Kent和P-4000系統、美國Foxboro的SPECTRUM等均采用這種組態(tài)方法。（3）符號式。這種組態(tài)語言應用范圍較窄，一般適用于順序控制。系統組態(tài)是在組態(tài)語言支持下實現的。這個語言實際上是實時多任務操作站的人機接口之一，是構成具體控制系統不可缺少的工具。盡管各個系統所配備的組態(tài)軟件不同，但組態(tài)功能是一樣的。組態(tài)軟件功能基本配置組態(tài)（系統結構組態(tài)）——給系統一個配置信息：如各種站的個數、其索引標志、各現場工作站的最大點數、最短執(zhí)行周期畫面組態(tài)數據組態(tài)報表生成控制組態(tài)操作級別——DCS的操作軟件、監(jiān)督員級、工程師級可以看到，組態(tài)軟件功能包括了系統的控制，顯示，操作等全部內容。至于利用圖9.1中過程計算機完成的高級過程控制策略則不在組態(tài)范圍之內。

經過系統組態(tài)后，只要把生成的應用軟件向下傳到各個現場控制站，就可以具體實施。如果運行中需要作某些修改或擴充，可以在線重新組態(tài)，不影響系統的連續(xù)正常工作。因此，在組態(tài)軟件的支持下可以十分方便、靈活而有效地進行系統的組態(tài)，這是分布式控制系統得以廣泛推廣應用的原因之一。正因為如此，利用組態(tài)軟件進行系統組態(tài)的方法已從分布式控制系統擴展到小型分級分布系統，甚至單機系統，極大地推動了計算機在工業(yè)生產中的應用。

11.5局部網絡在控制分散、信息集中的分布式控制系統中，數據通信具有十分重要的地位。近年來已普遍增加局部網絡來加強數據通信的能力，例如在TDC-3000系統中開發(fā)了局部控制網絡LCN，在CFNTUM-XL系統中采用了SV-NET局部網絡。所謂局部網絡是相對范圍更大的廣域網而言的，它指的是將數百米至數公里范圍內的幾臺或幾十臺諸如計算機、人工智能站、操作站、控制站以及其它外部設備按一定通信協議連接起來構成的局部地區(qū)計算機網絡（LocalAreaNetwork，簡稱LAN）。這種局部網絡具有性能價格比高，傳輸速度快（例如10Mbps），可靠性高，可擴展性好，靈活性強等特點，因而受到用戶的歡迎。

局部網絡的技術內容涉及網絡拓撲結構、信道訪向方式、傳輸介質、網絡接口、信號發(fā)送技術等等。在此講述前4項。

1、網絡拓撲結構（NetworkTopolopy）網絡拓撲結構是指各工作站在網絡中的連接方式，拓撲結構有總線形、環(huán)形、星形和樹形等，如圖9.2所示。

（a）總線型拓撲結構所有節(jié)點都直接連到一條主干電纜上，該類結構沒有關鍵性節(jié)點，任何一個節(jié)點可以通過主干電纜與連接到總線上的所有節(jié)點通信。

（b）環(huán)型拓撲結構這種結構的所有節(jié)點形成閉合的環(huán)，信息在環(huán)中作單向流動，可實現環(huán)上任意兩節(jié)點間的通信。

（c）星型拓撲結構以一臺設備作為中央節(jié)點，其他外圍節(jié)點都單獨連接在中央節(jié)點上；各外圍節(jié)點之間不能直接通信，必須通過中央節(jié)點進行通信。

（d）樹形拓撲則是總線形的復合形式。

在過程控制網絡中以總線形和環(huán)形拓撲最為流行。

2、信道訪問方式（accesscontrol）（數據鏈路層的信道共享技術）信道訪問方式又稱為網絡傳輸介質的訪問控制方式，是指協調公用信道使用權的方法。沖突測檢式載波偵聽多路訪問協議（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測，CSMA／CD）和令牌傳遞協議（TokenPassing）是采用較多的兩種協議。

1）在CSMA／CD協議中，當某個站需要發(fā)送信息包時，首先要偵聽信道情況，若空閑則開始發(fā)送，如發(fā)現有沖突時，馬上停止發(fā)送，經過隨機延時后再重新發(fā)送。

?CSMA——CarrierSenseMultipleAccess載波監(jiān)聽多路訪問，也叫作“先聽后說”，即需要發(fā)送數據的站首先對傳輸介質進行監(jiān)聽，以確定是否有別的站在發(fā)送。如果介質空閑，則該站將數據發(fā)送到介質上，否則，該站等待一段時間后再重新嘗試。但是，采用CSMA時，由于信道存在著傳播延遲，這樣，當兩個站點監(jiān)聽到信道上沒有正在傳播的信號而發(fā)送其各自的數據時，仍會發(fā)生沖突。

CSMA/CD——CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDete