1、监控计算机直接控制计算机生产过程设备 监督控制系统框图监 控 计 算机1监 控 计 算机2监 控 计 算机3直接控制计算机1直接控制计算机2直接控制计算机3多计算机的监督控制系统Modem下位机电话网Modem远程监控计算机下位机下位机下位机RS232-RS485转换器. . .子系统子系统1子系统子系统2以太网一个网络化的管理监督控制系统上位机1本地监控计算机上位机2现场总线网关485总线PLC1PLC2PLC3PLCn. . . . . . .2022年4月16日8.网络化的计算机监督与控制系统网络化的计算机监督与控制系统的发展历史与现状的发展历史与现状v集散控制系统集散控制系统vRS48
2、5总线监督控制与数据采集系统总线监督控制与数据采集系统（SCADA）v现场总线控制系统现场总线控制系统2022年4月16日9网络化监控系统继承于集散控制系统一个实际的集散控制系统：日本的 系统如下： XL 最小系统2022年4月16日10集散控制系统的定义集散控制系统的定义v集散控制系统集散控制系统-又称分散型综合控制系统（DCS）系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。整个装置继承了常
3、规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人一机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。2022年4月16日11v分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息；无法全面了解信息；v集中控制方式：危险过集中，计算机出现故障时整集中控制方式：危险过集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；个生产装置瘫痪；v集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中DCS。v集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到
4、多集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。现场控制站危台计算机上，采取双重化冗余措施。现场控制站危险分散的设计原则险分散的设计原则2022年4月16日12集散系统 特点v控制设备的分散,监视和管理操作的集中,开放的系统结构.v硬件单元化：系统分级。第一级现场级。直接数字控制装置，采集现场信息。第二级操作站级。微型计算机控制直接数字装置。第三级管理级。高档微机，对整体系统进行监督管理和信息处理。v软件与模块化：采用组态方式生成各种控制系统。v系统结构灵活，易于扩展。一般只需两级，规模大的需要第三级。v可靠性高，功能分散。v降低了成本，提高了性能/价格比。直接数
5、字控制装置安装在现场。减少了现场单元到操作站的电缆连接。 v集散控制系统(DCS)存在的问题是控制站虽然放在离现场比较近的地方，但它仍是一种集中式控制，它与现场设备仍须大量电缆连接。2022年4月16日13集散控制系统的发展集散控制系统的发展v 初创期初创期(1975l980年年)v 成熟期成熟期(19801985年年)v 扩展期扩展期(1985年以后年以后)2022年4月16日14v国际著名厂商国际著名厂商 TDC-2000 TDC3000 SPECTRUM I/A series CENTUM XL 爱默生电气公司爱默生电气公司 WDPF PROVOX2022年4月16日15v国际著名厂商国
6、际著名厂商2022年4月16日16DCSDCS系统操作台系统操作台2022年4月16日17DCSDCS系统控制单元系统控制单元2022年4月16日18DCSDCS系统用户界面系统用户界面2022年4月16日19集散控制系统的现场控制站集散控制系统的现场控制站vDCS系统中，它是一个完整的计算机，实际运行中系统中，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。控制策略，保证生产装置正常运行。v控制站作为一个完整的计算机，它的主要控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为设备为现场的输入
7、、输出处理设备，以及过程输入现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出输出（P I/O）量，包括信号变换与信号调理，）量，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程远程I/O数据传输、小型化及减少数据传输、小型化及减少P I/O卡硬件规格卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。现场总线提供的数字信号。2022年4月16日20集散控制系统的现场控制
8、站集散控制系统的现场控制站v主要设备：现场控制单元。主要设备：现场控制单元。v主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。v用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。现场控制单元以构成现场控制站。v以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站控制站;v 以顺序控制、联锁控制功能为主
9、的现场控制站；以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；v 构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。控制站。2022年4月16日21DCS操作员站和工程师站操作员站和工程师站vDCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用功能。2022年4月16日22v实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的
10、历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗口、CAD等技术，使人机界面友好。2022年4月16日23DCS操作站的功能（三大功能）v工程功能完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理；v操作功能监视、记录、运行；v通信功能完成现场控制站于上位机之间的数据交换。v主要介绍操作功能操作运行中的操作画面v（1）总貌画面反映生产过程总体状况。v（2）分组画面对应显
11、示各内部仪表状态，操作中观察其 它回路中的关联变化。v（3）回路调整画面v（4）报警画面v（5）趋势分组画面v（6）流程子画面2022年4月16日24操作站操作站嵌入型台式操作站 桌面型操作站信息报警站工程师站 控制站 显示器 标准键盘 主机 操作站主机柜 工作台 2022年4月16日25v DCS DCS 操作站一般分为操作站一般分为操作员站和工程师站操作员站和工程师站两种两种。v工程师站主要是工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口技术人员与控制系统的人机接口，可以对，可以对应用系统进行监视。应用系统进行监视。v工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，工程师站为用户提供了一个
12、灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。v有些小型有些小型DCSDCS的的工程师站可以用一个操作员站代替工程师站可以用一个操作员站代替。2022年4月16日26操作站的基本功能操作站的基本功能2022年4月16日27数据通信及网络v在在DCSDCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCSDCS则解决则解决多个装置的多个装置的DCSDCS互联问题；第三代互联问题；第三代DCSDCS则
13、解决一个工厂的多个则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。计思想。v在实际应用中，如石化行业，在实际应用中，如石化行业，DCSDCS一直多用在一个生产装置一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。在控制室内。 v在在DCSDCS中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程总线及远程I/OI/O总线，以及在第三代总线，以及在第三代DCSDCS的控制站内增
14、加了连的控制站内增加了连接接PLCPLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使DCSDCS与现场仪表与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCSDCS向向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。2022年4月16日28DCSDCS工程设计步骤工程设计步骤（1 1）方案论证：）方案论证：c) 系统的选型。如规模、生产厂家等。b) 硬件配置。（可提出几种配置方案）a) 制定系统功能规范，其中包括：系统功能，即信号处理功能、输入量的通道数和输出量的路数。显示功能、操作
15、功能、报警功能、控制功能、管理功能、通信功能和可扩展功能等；系统的性能指标，如信号处理指标、控制品质指标、通信功能指标、可靠性指标等；环境要求，如湿度、温度、抗震动抗冲击、电源等指标。2022年4月16日29（3）工程设计及文件设计（2）方案设计 根据厂方提供的技术资料，结合生产工艺过程实际，确定系统的硬件配置，列出详细的订货清单。a) 设计与建立应用技术文档文件。 b) 系统应用软件设计c) 机房或控制室设计2022年4月16日30RS485总线监督控制与数据采集系统总线监督控制与数据采集系统（SCADA）v集散控制系统是专用系统，扩展需要配套的软硬件；价格一般都很昂贵；不适合中小行系统。v
16、RS485总线监督控制与数据采集系统总线监督控制与数据采集系统由一些软件开发商开发的监督控制与数据采集系统（SCADA Supervisory Control And Data Acquisition）是一种两级计算机控制系统两级计算机控制系统。它是基于PC的监督与控制软件，是一种可组态的人机界面程序HMI(Human Machine Interface),又称SCADA组态软件。它很好地解决了中小企业中量大面广的设备监督与控制问题。2022年4月16日31v这种系统在通用性上比集散控制系统前进了一步。这种软件以工业控制机的WINDOWS操作系统为平台，可以通过网络连接不同厂家的远距离智能I/
17、O模块、PLC、变频调速器、智能仪表等。v设计思想仍然采用先进的硬件积木化，软件模块化的思想；不同之处是硬件可以选用不同厂家的产品，软件中集成了对各厂家生产的硬件模块的驱动程序，用户可用硬件组态的方法选用不同的设备。2022年4月16日32工控机定义工控机定义v工控机即工业控制计算机，英文简称工控机即工业控制计算机，英文简称IPC，全称，全称Industrial Personal Computer。工控机通俗的说。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。是从就是专门为工业现场而设计的计算机。是从PC机演机演变过来的，因为一些工作环境，比如说：工业现场，变过来的，因为一些工作环境，比如说
18、：工业现场，那里是的环境是很恶劣的，一般那里是的环境是很恶劣的，一般PC就工作不了，所就工作不了，所在才产生了工业控制计算机，主要表现在：工控机在才产生了工业控制计算机，主要表现在：工控机插槽的可扩展性、抗震、防尘、防潮湿等等，随着插槽的可扩展性、抗震、防尘、防潮湿等等，随着工控机所应用的行业越来越广，现在也超出了只应工控机所应用的行业越来越广，现在也超出了只应用在工业现场的范围，比如说现在很多网络安全方用在工业现场的范围，比如说现在很多网络安全方面的硬件、数字监控录像机，等等，都用到了工控面的硬件、数字监控录像机，等等，都用到了工控方面的产品。但现在，更时髦的叫法是产业电脑或方面的产品。但现
19、在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑。工业电脑。2022年4月16日33v工控机可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠工控机可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在运行。早在80年代初期，美国年代初期，美国AD公司就推出了类公司就推出了类似似IPC的的MAC-150工控机，随后美国工控机，随后美国IBM公司正式公司正式推出工业个人计算机推出工业个人计算机IBM7532。v由于由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目前，前，IPC已被广泛应用于通讯、工业控制现
20、场、路已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。 2022年4月16日34IPC的技术特点的技术特点1、采用符合、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。干扰能力。 2、采用总线结构和模块化设计技术。、采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。动能力。 3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以、机箱内装有双风扇，正压对流排
21、风，并装有滤尘网用以防尘。防尘。 4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。法键盘输入。 6、具有自诊断功能。、具有自诊断功能。 7、可视需要选配、可视需要选配I/O模板。模板。 8、设有、设有“看门狗看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。预而自动复位。 9、开放性好，兼容性好，吸收了、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接机的全部功能，可直接运行运行PC机的各种应
22、用软件。机的各种应用软件。 10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。、可采用无源母板（底板），方便系统升级。2022年4月16日35IPC的主要结构的主要结构 1、全钢机箱、全钢机箱 IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同装同PC-bus兼容的无源底板。兼容的无源底板。 2、无源底板、无源底板 无源底板的插槽由无源底板的插槽由ISA和和PCI总线的多个插槽组成，总线的多个插槽组成，ISA或或PCI插
23、槽的数量和插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。卡等。 3、工业电源、工业电源 为为AT开关电源，平均无故障运行时间达到开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。小时。 4、CPU卡卡 IPC的的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为卡
24、有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度点是：工作温度0-600C；装有；装有“看门狗看门狗”计时器；低功耗，最大时为计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。 5、其他配件：、其他配件： IPC的其他配件基本上都与的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。2022年4月16日36v国内生产工控机的厂家有研祥、华北工控、国内生产
25、工控机的厂家有研祥、华北工控、研华、爱雷丝等。国外的工控机西门子的很研华、爱雷丝等。国外的工控机西门子的很出名。工控机箱标准长度为出名。工控机箱标准长度为19英寸，高度为英寸，高度为4U 。v注：高度以注：高度以U为单位（为单位（1U=1.75英寸英寸=44.45毫毫米），通常有米），通常有1U，2U，3U，4U，5U，7U几种标准的服务器几种标准的服务器 2022年4月16日37v很多网络化计算机监督与控制系统的下位自动化设备是可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)； v目前绝大多数PLC都具有数据通信与连网的能力，用PLC构成网络化计算
26、机监督与控制系统是非常容易的。2022年4月16日38现场总线控制系统定义现场总线控制系统定义v现场总线是指安装在制造或过程区域的现场现场装置装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。v现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量设备和控制设备作为网络节点用总线相连接实现相互交换信息共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。2022年4月16日39现场总线控制系统的产生现场总线控制系统的产生v在复杂或大规模的应用中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内，如果在底层上采用传统的星形拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常高；所以需要在底层设计一种
27、造价低又能经受工业现场环境的通信系统。现场总线就是在这种背景下产生的。v现场总线的出现是计算机、通信和控制技术发展的结晶，它彻底动摇并取代了20世纪60年代至80年代一直占据过程控制领域的420mA信号标准的地位。2022年4月16日404-20mA信号v4-20mA信号是国际通用标准信号，是连接仪表、变送设备、控制设备、计算机采样设备的一种标准。与此相对应的信号有：010mA、05V、010V等。 2022年4月16日41v远距离传输模拟信号，使用电压方式显然不合理，因为有线路消耗存在压降，当然可以以高传输阻抗减少传输电流来降低压降的影响，但是系统的抗干扰能力大大降低。 双绞线特性阻抗是50
28、欧姆左右，相隔1CM宽的0.2平方毫米的导线特性阻抗300欧姆左右，所以负载电阻选择50-300欧姆比较理想，为了AD转换方便，负载电阻上的信号最大量程值一般5-10V比较合适，那么权衡所有，负载电阻250欧姆，电流20mA，负载压降5V比较满意。 2022年4月16日42v那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中借用4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。 2022年4月16日43什么是什么是4-20mA两线制两线制?三线制？四线三线制？四线制？制？v二线制
29、传输方式中，供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号；三线制方式中，电源正端和信号输出的正端，它们共用一个地线，其电流信号是从I+和V-两端之间得到的。四线制方式中，供电电源、负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。2022年4月16日44什么是有源和无源 v有源是指各类变送器或者信号源等设备已经有一组供电回路给它供电。直接输出一组420mA正负两线的信号回路,给采集设备直接测量。无源是指各类变送器或者信号源等设备没有供电回路给它供电。必须要有采集设备供给它工作电源，才可以输出一组420mA正负两线的信号回路,给采
30、集设备直接测量。2022年4月16日45现场总线控制系统的类型现场总线控制系统的类型v我国应用比较广的现场总线控制系统有：v以ProfiBus总线技术和AS-i执行器传感器接口产品组成的控制系统；v以ControlNet与DeviceNet产品组成的控制系统。v还有CAN、FF、Lonwork、1-Wire(单总线)等其他类型的现场总线产品； 2022年4月16日46现场总线的技术特点v系统的开放性v开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。
31、一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2022年4月16日47v互可操作性互用性v这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 2022年4月16日48v现场设备的智能化与功能自治性v它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设
32、备的运行状态。 2022年4月16日49v系统结构的高度分散性v由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 2022年4月16日50v对现场环境的适应性v工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2022年4月16日51现场总线的优点 v节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在
33、设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 v变送器：将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。一般分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。2022年4月16日52v节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多
34、个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。 2022年4月16日53v节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 2022年4月16日54v用户具有高度的系统集成主动权：用户可
35、以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 2022年4月16日55v提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。v此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 2022年4月16日56典型现场总线简介 v基金会现场总线，即基金会
36、现场总线，即FoudationFieldbus,简称简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 2022年4月16日57v基金会现场
37、总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为 3125Kbps,通信距离可达 1900m (可加中继器延长),可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为 1Mbps和 2 5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。2022年4月16日58LonWorks vLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了
38、ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。 2022年4月16日59Profibus vProfibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP
39、型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第36层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2 (1 )标准，可实现总线供电与本质安全防爆。 2022年4月16日
40、60vPorfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答 ),或有选择地向一组站点广播。 vProfibus的传输速率为9612kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为4
41、00m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点。2022年4月16日61CAN vCAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 vCAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率
42、最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂接设备最多可达 110个。 vCAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。2022年4月16日621.通信网络通信网络 ( 1 ) 如 何 确 保 通 信 的 实 时 性 与 确 定 性如 何 确 保 通 信 的 实 时 性 与 确 定 性网络化的监督与控制系统应能及时地，在规网络化的监督与控制系统应能及时地，在规定的时间内传输现场过程信息和操作管理信定的
43、时间内传输现场过程信息和操作管理信息。根据不同的应用要求响应时间也不同，息。根据不同的应用要求响应时间也不同，工业控制中的响应时间通常在毫秒量级。工业控制中的响应时间通常在毫秒量级。1.3 网络化的计算机监督与控制系统网络化的计算机监督与控制系统的主要技术问题的主要技术问题2022年4月16日63(2)如何确保系统具有高可靠性如何确保系统具有高可靠性v通信系统的任何故障都可能造成整个系通信系统的任何故障都可能造成整个系统的崩溃，甚至威胁人身安全，因此通统的崩溃，甚至威胁人身安全，因此通信系统必须具有较高的可靠性。按照一信系统必须具有较高的可靠性。按照一般的要求，现场总线的数据误码率应小般的要求
44、，现场总线的数据误码率应小于于10-8，而且应有较强的检测和纠错能，而且应有较强的检测和纠错能力，关键的软硬件应有必要的冗余，发力，关键的软硬件应有必要的冗余，发生故障时可以在线切换。生故障时可以在线切换。2022年4月16日64v(3)如何保证系统有较好的可扩展性如何保证系统有较好的可扩展性包括网络的应用扩充，网络容量扩包括网络的应用扩充，网络容量扩充，以及网络配置灵活等。充，以及网络配置灵活等。v(4)如何保证系统具有较强的环境适如何保证系统具有较强的环境适应能力应能力2022年4月16日65.网络化监督控制理论网络化监督控制理论分解与协调分解与协调 分解与协调分解与协调：网络化计算机监督
45、与控制系统主要用来：网络化计算机监督与控制系统主要用来解决对复杂大系统的控制问题。解决对复杂大系统的控制问题。 复杂大系统其特点是参数多、维数高、多目标、分散性复杂大系统其特点是参数多、维数高、多目标、分散性与关联性。与关联性。 解决复杂系统或大系统的维数灾问题通常采用递阶控解决复杂系统或大系统的维数灾问题通常采用递阶控制或分散控制的方法。制或分散控制的方法。 递阶控制是将整个系统分解为若干个子系统，各子系统递阶控制是将整个系统分解为若干个子系统，各子系统由其直接控制器进行控制，整个系统再由协调器进行总由其直接控制器进行控制，整个系统再由协调器进行总体协调管理。体协调管理。 2022年4月16
46、日661.4网络化计算机监督与控制系统设网络化计算机监督与控制系统设计计v网络化计算机监督与控制系统的设计大体上可分为网络化计算机监督与控制系统的设计大体上可分为三个阶段。三个阶段。第一阶段是系统分析与方案论证阶段。第一阶段是系统分析与方案论证阶段。 第二阶段是系统设计阶段。针对所论证的方案，进行系第二阶段是系统设计阶段。针对所论证的方案，进行系统设计，包括各子系统的软件与硬件设计、网络通信系统设计，包括各子系统的软件与硬件设计、网络通信系统设计和总体结构设计等。统设计和总体结构设计等。第三阶段是系统总体评价、分析与协调阶段。第三阶段是系统总体评价、分析与协调阶段。 2022年4月16日67
47、网络化计算机监督与控制系统设计步骤网络化计算机监督与控制系统设计步骤开始系统分析与建模各子系统设计通信系统设计总体结构设计模型简化分解评价总体分析评价与协调符合要求？完成设计转调试运行修改2022年4月16日68硬件设计含两个层次v其一是部件设计，部件设计与单计算机应用系统类似，不同点是，在网络化计算机监督与控制系统中各部件必须协调工作，因此必需有通信功能和可编程功能。 v其二是系统集成，网络化计算机监督与控制系统的设计并不一定要从部件开始设计，目前已有许多智能部件可供使用，因此设计一个网络化计算机监督与控制系完全可以用系统集成的方法完成。 2022年4月16日69软件设计软件设计v网络软件的
48、设计与开发，主要是网络化操作系统与网络化文件管理系统，网络化数据库及其管理系统，网络化语言等。 v许多中小型软件公司已经开发了适用于工业过程控制中广泛使用分级网络化计算机系统的组态软件。一般组态软件能按系统的配置选用硬件驱动程序,进行硬件组态,具有图形界面程序设计和简易的后台语言设计功能,在可靠性方面还具有完善的用户管理功能等；工业控制组态软件是一种功能完善的应用程序，组态软件是一种容易使用的软件，使用它可以大大减轻用户编程的工作量。2022年4月16日70优化控制算法设计优化控制算法设计v网络化计算机监督与控制系统是由许多智能网络化计算机监督与控制系统是由许多智能模块通过连网构成的。设计中要解决系统中模块通过连网构成的。设计中要解决系统中各子系统的功能分配，系统总体性能的实现各子系统的功能分配，系统总体性能的实现与优化，保证系统的控制与管理功能以及对与优化，保证系统的控制与管理功能以及对可靠性、安全性、保密性等方面的要求等。可靠性、安全性、保密性等方面的要求等。其关键是要实现总体性能的优化。目前比较其关键是要实现总体性能的优化。目前比较成熟的优化方法是静态优化技术，也就是分成熟的优化方法是静态优化技术，也就是分解与协调的优化方法。解与协调的优化方法。
