计算机控制系统概述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 计算机控制系统,华东理工大学信息学院自动化系,计算机控制系统概述,第1页,定义：,计算机控制就是利用计算机实现工业生产过程自动控制。,计算机控制系统=自动化技术+计算机技术,计算机控制系统概述,第2页,10.3 可编程控制器,本章主要内容：,10.1 概述,10.2 集散控制系统,10.4 现场总线控制系统,10.5 综合自动化系统,计算机控制系统概述,第3页,10.1 概述,10.1.1 计算机控制系统组成,图,9-1,计算机控制系统框图,计算机控制系统概述,第4页,组成：被控对象,、,测量变送、控制器及执行器,图,9-2,计算机控制系统经典结构图,连续控制系统 计算机控制系统,相同点：,组成相同,不一样点：,模拟控制器 数字控制器,多路开关、采样保持器、,A/D、D/A,计算机控制系统概述,第5页,10.1.2 计算机控制系统发展,图,9-3,计算机控制系统发展,最初：,DDC,直接数字控制系统（集中控制系统）,20,世纪70年代：,DCS,集散控制系统（集中管理、分散控制）,20,世纪60年代：,PLC,可编程逻辑控制器,20,世纪末：,FCS,现场总线控制系统,当前及未来：,CIMS,计算机集成制造系统,CIPS,计算机集成过程系统,计算机控制系统概述,第6页,10.2 集散控制系统,10.2.0 基本概念,定义：集散控制系统,又称为,分散型控制系统（,Distributed Control System）,简称为,DCS,系统，,是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制一个全新,分布式计算机控制系统。,工作原理：,该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息经过通信网络由上位管理机监控，实现最优化控制，经过,CRT,装置、通信总线、键盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。,计算机控制系统概述,第7页,10.2.1 集散控制系统特点,主要特征：集中管理和分散控制。详细有以下几个方面：,图,9-4 DCS,结构层次,(1)分级递阶结构,这种结构从系统工程出发，考虑功效分散、危险分散、提升可靠性、强化系统应用灵活性、降低设备复杂性与投资成本，而且便于维修和技术更新等优化选择而得出。,计算机控制系统概述,第8页,过程控制级：,依据上层决议直接控制生产。,控制管理级：,对生产过程实现集中操作和统一管理。,生产管理级：,负担最优化任务,经营管理级：,全方面综合型经营管理和决议,每一级由若干子系统组成，形成金字塔结构。同一级各决议子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级干预，子系统可经过上级相互交换信息。,图,9-4 DCS,结构层次,计算机控制系统概述,第9页,(2)采取微机智能技术,DCS,采取了以微处理器为基础“智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰富领域。现场控制单元、过程输入输出接口、数据通信等均采取微处理器，能够实现自适应、自诊疗和自检测等“智能”控制过程。,(3)丰富功效软件包,DCS,含有丰富功效软件包，它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印和信息检索等功效。,计算机控制系统概述,第10页,(4)采取局部网络通信技术,DCS,数据通信采取工业局域网络技术进行通信，传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对分散现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理。大多采取光纤传输媒质，通信可靠性和安全性大大提升。通信协议已开始向标准化前进，如采取,IEEE802.3、IEEE802.4,等。,(5)友善人机接口,(6)高可靠性,硬件、软件采取冗余技术,计算机控制系统概述,第11页,10.2.2 集散控制系统发展,第一个集散控制系统,TDC：1975,年，美国,Honeywell,三个时期：,初创期,（19751980）,成熟期,（19801985）,扩展期,（,1985年以后）,计算机控制系统概述,第12页,初创期：该时期,DCS,系统是一个,含有许多微处理机分级控制系统,，,它采取分散控制设备来适应分散生产过程，经过高速数据通道将系统各个单元联络起来。其,通信系统,是一初、中级局部网络，全系统由一个通信指挥器指挥和协调。,初创期含有代表性,DCS,系统有,Spectrum,(,Foxboro,企业)、,Network(,贝利企业)、,Centum(,日本横河企业),计算机控制系统概述,第13页,成熟期：该时期,DCS,系统,从原来单纯工业控制向生产管理自动化发展。,大规模,IC,发展以及计算机技术、自动控制技术、数据通信技术、图像处理技术飞速发展，使得,DCS,系统在扩大功效、数据通信以及工业自动化信息管理等方面有所提升，形成第二代,DCS,系统。,成熟期含有代表性,DCS,系统有,TDC3000,(,Honeywell,企业)、,PROVOX(Fisher)、MCS(,贝利企业)、,YEWPACK-MARKII(,日本横河企业)等,计算机控制系统概述,第14页,扩展期,：,该时期,DCS,系统增加了综合信息管理层，把过程控制、监督控制、管理调度有机结合在一起，采取教授系统、,MAP,标准（一个,ISO,开放互连,OSI,结构基础上加工自动化协议,）,以及引入计算机集成制造系统,CIMS,等，扩展期,DCS,特点是,综合化、开放化,和,现场级智能化。,计算机控制系统概述,第15页,综合化 包含纵向和横向两方面。,纵向方面,加强管理功效，包含从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检验、成品包装、出厂以及供销等一系列管理制度。,横向方面,则形成过程自动化与次序控制、电机控制相结合计算机、仪表、电器综合控制系统。,计算机控制系统概述,第16页,开放化,是,DCS,按照国际统一标准组成“开放”系统网络，便于不一样企业生产,DCS,产品之间方便地进行通信。,现场级智能化,是指现场传感器或变送器智能化，现场仪表能够由现场通信器或系统工作站进行远程访问、组态、调零、调量程及自动标定。传感器输出数字信号直接在现场仪表通信网络上传递。,计算机控制系统概述,第17页,扩展期含有代表性,DCS,系统有,TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。,这一时期,DCS,基本组成与第二代相比改变不大，但它,LAN,采取,MAP,协议或与,MAP,兼容协议，各个节点工作站软、硬件功效都有所加强，现场级智能仪表也有发展。,MAP Mobile Application Part,是,NO.7,信令系统应用层协议。,MAP,主要功效是在,MSC,和,HLR,、,VLR,、,EIR,等网络数据库之间交换与电路无关数据和指令,从而支持移动用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功效。,计算机控制系统概述,第18页,10.2.3 集散控制系统硬件和软件,(1),DCS,基本组成,过程控制单元（,PCU）：,又称为现场控制单元、现场控制站、基本控制器、多功效控制器等。,其组成有：,CPU、ROM/RAM、I/O、A/D、D/A,等。,它能够控制一个或多个回路，含有较强运算和控制功效，并能够进行连续控制和次序控制。,图,9-5 DCS,基本结构,计算机控制系统概述,第19页,过程接口单元（,PIU）：,又称为过程输入输出单元、数据采集单元、现场监视站、,I/O,扩展单元等。,它组成与过程控制单元类似，是以微处理器为关键数据采集设备，负责采集,非控制变量数据，,并将其数据经过通信系统传递给,CRT,操作站或上位管理计算机。,计算机控制系统概述,第20页,CRT,操作站,：,是,DCS,人-机接口，由,CRT、,微机、键盘、打印机、存放器、通信控制器等组成。,能够显示：生产总貌和系统主要参数、每个回路详细控制情况、当前和历史数据、曲线等。,在操作站上能够经过键盘发出操作指令，进行回路组态、调整参数、控制外设。,CRT,操作站还有自诊疗、报警功效,。,计算机控制系统概述,第21页,上位管理机,：,是,DCS,主计算机，它经过通信系统与各个工作站联络，综合管理全系统全部信息，能对整个系统起到优化控制和管理作用。,计算机控制系统概述,第22页,通信系统：,是含有高速通信能力信息总线，可由双绞线、同轴电缆或光纤组成。,早期集散系统采取专门通信标准或通信协议，系统兼容和互连性差。国际电工委员会(,IEC)、,国际标准化组织(,ISO)、,美国电子电气工程师协会(,IEEE)、,工厂自动化协议集团(,MAP),为不一样层次网络制订了对应标准。,计算机控制系统概述,第23页,(2),DCS,硬件、软件组态,DCS,硬件组态,：,依据：,系统规模及控制要求。,包含通信系统、人机接口、过程接口和电源系统选择等,应综合考虑各方面原因：,满足系统控制要求，性能价格比最正确,系统在未来定位,操作人员易操作性、系统易维护性等,计算机控制系统概述,第24页,DCS,软件组态：是在系统硬件和系统软件基础上，,用软件组态方式将系统提供功效块连结起来到达过程控制要求。,应用软件组态方式：,直接经,DCS,操作站组态,经过填写表格组态,利用,PC,机进行组态,计算机控制系统概述,第25页,应用软件组态包含：,网络组态、文件组态、数据点组态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、区域数据库和控制程序编制等。,计算机控制系统概述,第26页,10.3 可编程控制器,可编程序控制器（,Programmable Controller,PC）,早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为,可编程逻辑控制器（,Programmable Logic Controller,）,简称,PLC。,10.3.1 概述,计算机控制系统概述,第27页,(1)可编程序控制器发展,初创阶段：,从1969年,DEC,企业推出第一台,PLC(PDP-14),到20世纪70年代中期。,该阶段产品主要用于逻辑运算、计时、计数。,扩展阶段：,20世纪70年代中期到20 世纪70年代末期。,扩展了数据传送、数据比较和运算、模拟量运算等功效。,通信阶段：,20世纪70年代末期到20 世纪80年代中期。,PLC,在通信方面得到了发展，形成了分布式通信网络系统,。,缺点是产品互通难,。,开放阶段,：20世纪80年代中期以后,。,计算机控制系统概述,第28页,(2)可编程序控制器特点（优点）,高可靠性：,PLC,主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提升系统可靠性办法。,易操作性：,操作、维修、编程,灵活性：,表现在编程、扩展、操作三个方面,机电一体化：,PLC,是专门为工业过程控制而设计控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控制领域主要控制设备。,计算机控制系统概述,第29页,(3),PLC,分类,按结构形式可将,PLC,分为两大类,：,一体化结构、模块化结构,一类（一体化结构）：,CPU、,电源、,I/O,接口、通信接口等都集成在一个机壳内一体化结构，以下列图所表示，小型及超小型,PLC,系统用此结构,9-6,一体化,PLC,结构示意图,计算机控制系统概述,第30页,另一类（模块化结构）：,各种模块在结构上是相互独立，在实际使用过程中可依据详细应用要求选择适当模块，安装在固定机架或导轨上，组成一个完整,PLC,应用系统，,以下列图所表示。大、中型,PLC,系统普通采取这类结构。增强了数据处理能力和网络通信能力，可组成大规模自动化控制系统，主要用于复杂程度较高自动控制，并在相当程度上能够替换,DCS,以实现更广泛自动化功效。,9-7,模块化,PLC,结构示意图,计算机控制系统概述,第31页,(4)可编程序控制器主要功效,开关逻辑和次序控制,：,最主要功效,模拟控制,：,过程控制点数较少，开关量控制较多时。采取模拟输入输出卡件来实现模拟量控制运算。,信号联锁：,信号联锁是安全生产确保，高可靠性,PLC,在信号联锁系统中发挥了很大作用。,通信,：,PLC,可作为下位机与上位机或同级,PLC,进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产过程信息控制和管理。,计算机控制系统概述,第32页,(5)可编程序控制器发展方向,伴随计算机综合技术发展和工业自动化内涵不停延伸，,PLC,结构和功效也在不停地进行完善和扩充。实现控制功效和管理功效结合，以不一样厂家产品组成开放型控制系统是自动化系统主要发展理念之一。,长久以来,PLC,走是专有化道路，这使得其成功发展同时也带来了许多制约原因。,当前，绝大多数,PLC,不属于开放系统,，,寻求开放型硬件或软件平台成了当今,PLC,主要发展目标。,计算机控制系统概述,第33页,10.3.2,PLC,基本组成,PLC,基本组成包含：,CPU、,通信接口、外设接口、,I/O,接口等,。,模块化,PLC,应用更广泛，它在系统配置上更灵活，用户能够依据规模和设计要求进行配置，模块与模块之间经过外部总线连接，以下列图所表示,9-7,模块化,PLC,结构示意图,计算机控制系统概述,第34页,在模块化,PLC,系统中，一组基本功效模块能够组成一个,机架,，,CPU,模块所在机架通常称为,中央机架,，,其它机架称为,扩展机架,。,依据安装位置不一样，机架扩展方式又分为,当地连接扩展,和,远程连接扩展,两种。前者要求全部机架都集中安装在一起，机架与机架间连接距离通常,在数米,之内；后者普通经过光缆或通信电缆实现机架间连接，连接距离可达,几百米到数千米,，经过中继步骤还能够深入延伸。远程扩展机架也称为分布式,I/O,站点，这是一个介于模拟信号传输技术和现场总线技术中间产品。,计算机控制系统概述,第35页,一个,PLC,所允许配置机架数量以及每个机架所允许安装模块数量普通是有限制，主要取决于,PLC,地址配置和寻址能力以及机架结构和负载能力。,计算机控制系统概述,第36页,(1)CPU,模块,CPU,模块是模块化,PLC,关键部件，主要包含三个部分：,中央处理单元,CPU、,存放器和通信部件。,小型,PLC,CPU,单元通常采取价格低、通用性好8位微处理器或单片机；,中型,PLC,采取16位微处理器或单片机；,大型,PLC,通常采取位片式微处理器，它将多个位片式微处理器级联，并行处理多个任务，含有灵活性好、速度快、效率高等特点。另外，大中型,PLC,很多采取双,CPU,或多,CPU,结构，以加紧,PLC,处理速度。,计算机控制系统概述,第37页,惯用,存放器,主要有：,ROM、EPROM、EEPROM、RAM,等几个，用于存放系统程序、用户程序和工作数据。对于不一样,PLC，,存放器配置形式是一样，但存放器容量随,PLC,规模不一样有较大差异。,通信部件,作用是建立,CPU,模块与其它模块或外部设备数据交换。,计算机控制系统概述,第38页,(2)I/O,模块,PLC,经过,I/O,接口与现场仪表相连接，,PLC,最惯用,I/O,模块主要包含模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块。,计算机控制系统概述,第39页,(3),智能模块,该模块通常是一个较独立计算机系统，本身含有,CPU、,数据存放器、应用程序、,I/O,接口、系统总线接口等，能够独立地完成一些详细工作。但从整个,PLC,系统来看，它只是系统中一个单元，需要经过系统总线与,CPU,模块进行数据交换。,智能模块普通不参加,PLC,循环扫描过程，而是在,CPU,模块协调下，按照本身应用程序独立地参加系统工作。比如：,高速处理模块、通信处理器模块,等普通属于智能模块。,计算机控制系统概述,第40页,(4),接口模块,采取模块化结构系统是经过机架把各种,PLC,模块组织起来，依据应用对象规模和要求，整套,PLC,系统有可能包含若干个机架，接口模块就是用来把全部机架组织起来，组成一个完整,PLC,系统。,(5),电源模块,PLC,普通配有工业用开关式稳压电源供内部电路使用。与普通电源相比，普通要求电源模块输入电压范围宽、稳定性好、体积小、质量轻、抗干扰能力强。,计算机控制系统概述,第41页,(6),编程工具,作用是编制和调试,PLC,用户程序、设置,PLC,系统运行环境、在线监视或修改运行状态和参数，主要有,专用编程器或专用编程软件,两类,。,专用编程器,普通由,PLC,生产厂家提供，,只能适合用于特定,PLC,软件编程装置。,主要生产厂家普通都提供在,PC,机上运行,专用编程软件,，,借助于对应通信接口装置，用户能够在,PC,机上经过专用编程软件来编辑和调试用户程序，专用编程软件普通,可适合用于一系列,PLC,。,特点：功效强大、通用性强、升级方便等,计算机控制系统概述,第42页,10.3.3,PLC,基本工作原理,PLC,CPU,采取分时操作原理，其工作方式是一个不停循环次序扫描过程，即周期扫描方式。,PLC,整个扫描过程能够概括地归纳为上电初始化、普通处理扫描、数据,I/O,操作、用户程序扫描、外设端口服务五个阶段。每一次扫描所用时间称为一个工作周期（扫描周期）。,PLC,扫描周期与,PLC,硬件特征和用户程序长短相关。,计算机控制系统概述,第43页,9-8 PLC,扫描过程示意,(1)上电初始化,：,CPU,首先对,I/O、,继电器、定时器进行清零或复位处理,(2)普通处理扫描,：,每个扫描周期前自检，如,WDT,复位、,I/O,总线和用户存放器检验,(3)数据,I/O,操作,：,(4)扫描用户程序,：,基于用户程序指令，读入外部数据和状态、运算、输出,(5)外设端口服务,：,每次执行完用户程序后，开始外设操作请求服务，主要完成与外设端口连接外部设备（编程器、通信适配器等）通信。,计算机控制系统概述,第44页,10.3.4,PLC,程序设计语言,PLC,程序设计就是利用特定表示方式（编程语言）把控制任务描述出来。,PLC,是一个工业控制装置，它程序设计多采取面向现场、面向问题、简单而直观自然语言，它能直接表示被控对象动作及输入输出关系，通常是与电器控制线路或工艺流程图相同语言表示形式。常见程序设计语言有：,梯形图、语句表,、,逻辑功效图、计算机高级语言等。,计算机控制系统概述,第45页,(1),梯形图,梯形图是在继电器控制电器原理图基础上开发出来一个直观形象图形编程语言。它沿用了继电器、触点、串/并联等术语和类似图形符号，所以现场操作和维护人员会很轻易掌握。,传统继电器控制逻辑由硬接线完成，,PLC,则是利用其内部可编程序存放器，经过软件方法实现对应连接。梯形图实现轻易，信号流向清楚，便于修改，是多数,PLC,第一用户语言。,计算机控制系统概述,第46页,(,a),电器控制梯形图,(,b)PLC,梯形图,图,9-9 PLC,梯形图示意,计算机控制系统概述,第47页,(2)语句表,语句表,STL,是一个类似于汇编语言助记符编程语言，每种控制功效经过一条或多条语句来描述。,语句表编程语言特点是面向机器，编程灵活方便，尤其适合用于模拟量解算。语句表基本指令格式都是由,操作码和操作数,两部分组成。,计算机控制系统概述,第48页,(,b)PLC,梯形图,LD 00001,OR 00002,LD NOT 00003,AND 00004,AND LD,OUT 00200,语句表（欧姆龙）,计算机控制系统概述,第49页,10.3.5,PLC,程序结构,线性化编程,将用户指令逐条编写在一个连续指令块中，适合用于比较简单任务。,结构化编程,适合编制并组织复杂应用程序，它允许把整个应用程序划分成若干个模块，用一个主程序来对这些模块进行组织和调用。,计算机控制系统概述,第50页,10.4 现场总线控制系统,现场总线控制系统,（,Fieldbus Control System,FCS）,是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展基础上，与自动控制技术相结合产物。它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后新一代控制系统。,计算机控制系统概述,第51页,现场总线,是20世纪80年代中期在国际上开始出现，90年代初发展形成。,它是应用于生产现场、微机化测量设备之间以及现场与控制室（或控制设备）之间一个双向串行、多节点,数字通信系统,，也被称为,开放式、数字化、多节点通信底层控制网络。,计算机控制系统概述,第52页,10.4.1 现场总线控制系统发展,(1)现场总线是综合自动化发展需要,伴随计算机、信息技术飞速发展，20 世纪末世界最重大改变是全球市场逐步形成，从而造成竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。处于全球市场中工业生产必须加紧新产品开发，按市场需求调整产品上市时间,T(Time to market)，,改进质量,Q(Quality)，,降低成本,C(Cost)，,完善售后服务,S(Service)。,追求完善,T、Q、C、S,是一个永无止境过程，它能不停促进技术进步与管理改革。所以形成了,计算机集成制造系统,CIMS(Computer Integrated Manufacturing System),，,它采取系统集成、信息集成观点来组织生产。把市场、生产技术、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑生产过程，并采取计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程综合自动化，以改进生产加工、管理决议等。,计算机控制系统概述,第53页,计算机为,CIMS,实施提供了良好物质基础。但处于企业生产过程底层测控自动化系统，要与外界交换信息，要实现整个生产过程信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一个能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉通信系统，以实现现场自动化智能设备之间,多点数字通信,，,形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界信息交换。,现场总线就是在这种背景下产生。,计算机控制系统概述,第54页,(2)高新技术发展为现场总线出现奠定了基础,传输信号数字化是实现数字通信基础。,1983年，,Honeywell,推出了智能化仪表,Smar,变送器，这些带有微处理器芯片仪表除了在原有模拟仪表基础上增加了复杂计算功效外，还在输出420,mA,直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间连接由模拟信号过渡到了数字信号。这种属于,模拟混合仪表,，,其系统或设备间只能按模拟信号方式一对一地布线，难以实现智能仪表之间信息交换，智能仪表能处理多个信息和复杂计算优越性难以充分发挥，应用需求呼唤着具备通信功效、传输信号全数字化仪表与系统出现。,计算机控制系统概述,第55页,(3)现场总线将朝着开放系统、统一标准方向发展,以微处理器芯片为基础各种智能仪表，为现场信号数字化以及实现复杂应用功效提供了条件。但不一样厂商所提供设备之间通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一标准，组成开放互连网络。把不一样厂商提供自动化设备互连为系统。这里,开放,意味着对同一标准共同遵从，意味着这些来自不一样厂商而遵从相同标准设备可互连为一致通信系统。所以,现场总线就是工厂自动化领域开放互连系统。,计算机控制系统概述,第56页,10.4.2 现场总线控制系统特点与优点,(1)现场总线控制系统,结构特点,现场总线系统打破了传统控制系统结构形式,。,传统模拟控制系统采取一对一设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场测量变送器与位于控制室控制器之间，控制器与位于现场执行器、开关、马达之间均为一对一物理连接。,现场总线系统因为采取了智能现场设备，能够把原先,DCS,系统中处于控制室控制模块、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备含有通信能力，现场测量变送仪表能够与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统能够不依赖控制室计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底分散控制。,计算机控制系统概述,第57页,传统计算机控制系统结构示意,FCS,结构示意,图,9-10 DDC,与,FCS,结构比较,计算机控制系统概述,第58页,(2)现场总线控制系统特点,现场总线将含有网络连接功效现场智能仪表连接起来，组成了现场总线控制系统。其在技术上含有以下特点：,系统开放性,开放是指总线标准、通信协议一致性、公开性，强调对标准共识与遵从。一个开放系统是指它能够与世界上任何地方恪守相同标准其它设备或系统连接。不一样厂家设备之间可实现信息交换。用户可按自己需要，把来自不一样供给商产品组成大小随意系统。所以，借助现场总线能够构筑自动化领域开放互连系统。,计算机控制系统概述,第59页,互可操作性与交换性,互可操作性,是指相互连接仪表间、设备间及系统间信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点数字通信。,交换性,则意味着不一样生产厂家性能类似仪表、设备可实现相互替换。,现场设备智能化与功效自治性,它将传感器测量、赔偿计算、线性化处理、工程量变换与控制等功效分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制基本功效，并可随时诊疗设备运行状态。,计算机控制系统概述,第60页,系统结构高度分散性,现场总线已组成一个新全分散性控制系统体系结构。从根本上改变了现有,DCS,集中与分散相结合集散控制系统体系，简化了系统结构，提升了可靠性。,对现场环境适应性,作为工厂网络底层现场总线，是专为现场环境而设计，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，含有较强抗干扰能力，能采取两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。,计算机控制系统概述,第61页,(3)现场总线控制系统优点,节约硬件数量与投资,节约安装费用,节约维护开销,用户含有高度系统集成主动权,提升了系统准确性与可靠性,计算机控制系统概述,第62页,10.4.3 现场总线国际标准,(1)现场总线标准形成,在现场总线开发过程中，出现了各种总线（如FF、Lon Works、Hart、CAN等）标准，它们结构、特征各异，通信协议也不相同，都有自己特定应用背景。不过现场总线既然是开放，就应该有一个统一国际标准，只有大家都恪守相同标准，现场总线才能真正发挥其优越性，并得到健康发展。国际电工委员会（IEC）非常重视现场总线标准制订，早在1984年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线系列标准。因为参加讨论各大集团企业都从本身利益角度出发，分歧很大，工作进展迟缓。经过长久争论和重复修改，在年初，IEC颁布了由多数国家确认IEC 61158现场总线标准。,计算机控制系统概述,第63页,IEC 61158,并非是单一现场总线标准，而是包含了从,Type 1,至,Type 8,共,8,种总线标准，这是因为它要兼顾众多厂商投资利益和考虑现场总线实际使用情况。所以，在其后一段时间里，出现各种现场总线共存，甚至同一生产现场有几个总线标准设备互连通信局面。不过，发展统一标准规范，形成真正开放式互连系统是众望所归，大势所趋。,计算机控制系统概述,第64页,在,IEC 61158,中包含10种现场总线网络协议（）,Type 1 PhL,DDL,以,FF H1,为原型，,AL,是,IEC TS,Type 2 PhL,DDL,是,ControlNet,AL,是,ControlNet+EtherNet/IP,Type 3 PROFIBUS,Type 4 P-NET,Type 5 PhL,DDL,无，,AL,是,FF HSE,Type 6 SwiftNet,Type 7 WorldFIP,Type 8 INTERBUS,Type 9 PhL,DDL,无，,AL,是,Type 1,子集,Type 10 PROFINET,(2),IEC61158,10,种现场总线,计算机控制系统概述,第65页,Type 1,现场总线,Type 1,现场总线由,IEC 61158 TS,技术规范全方面定义。该现场总线网络协议是按国际标准化组织(,ISO),开放互连系统(,OSI),参考模型建立，它由物理层、数据链路层、应用层及用户层组成，用户层是考虑到现场仪表控制功效和详细应用而增加。,Type 1,总线主要用于现场控制级，传输速率为31.25,Kbps，,支持总线供电和本质安全放爆。总线用户层含有标准功效快和装置描述功效，使现场仪表能就地实施控制策略，并实现仪表间互操作功效。,计算机控制系统概述,第66页,Type 2,现场总线,Type 2,总线即,Control Net,现场总线，由,A-B/Rockwell,企业设计并得到,CI(Control Net International),组织支持。该总线是一个用于对信息传递有时间苛刻要求高速确定性网络，同时它允许传送无时间苛求报文数据。通信模式为生产者/客户模式（,producer/consumer model），,这种模式允许网络上全部节点同时从单个数据源存取相同数据，传输速率可达5,Mbps。,由,Type 2,现场总线组成系统包含信息层（,Ethernet）、,控制层（,Control Net）,和现场层（,Device Net）。,计算机控制系统概述,第67页,Type 3,现场总线,Type 3,总线即,Profibus,现场总线，由德国多家企业和科研机构按照,ISO/OSI,参考模型设计，得到了,PNO(Profibus National Organization),用户组织支持，并被确定为欧洲标准,EN 50170V.2。Profibus,系列由三个兼容部分组成：,Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。Profibus-DP,适合用于装置一级自动控制系统与分散,I/O,之间高速通信，它使用物理层、数据链路层及用户接口。,Profibus-FMS,用于车间级监控网络，它使用物理层、数据链路层及应用层。,Profibus-PA，,应用于过程控制领域，能够把测量变送器、阀门、执行机构用串行总线联网，采取,IEC61158-2,物理传输技术和,PROFIBUS-DP,协议，通讯速率31.25,KbitS。,含有本质安全防爆性能，并可经过总线向仪表供电。,计算机控制系统概述,第68页,Type 4,现场总线,Type 4,即,P-NET,现场总线，由丹麦,Process-Data,企业开发并得到了,P-NET,用户组织支持。该现场总线主要应用于啤酒、食品、农业和喂养业等，现已成为欧洲标准一部分（,EN 50170V.1）。P-NET,为带多网络和多端口功效多主总线，允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构。该总线通信协议包含,ISO/OSI,互连参考模型第1、2、3、4和7层，并利用信道结构定义用户层。物理层使用,RS-485,标准，数据链路层功效由,P-NET,接口芯片完成，第3、4层功效则由宿主处理器中软件处理。,计算机控制系统概述,第69页,Type 5现场总线,Type 5即为IEC定义H2总线，它由基金会现场总线（FF）组织负责开发，现已广泛应用于IT产业高速以太网（High Speed Ethernet,HSE）标准。该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持Type 1现场总线各项功效，诸如功效快和设备描述语言等，并允许基于以太网装置经过一个链接设备与H1相连接。H1设备无需主系统干预能够进行对等层通信。在一个链接设备上H1设备一样无需主系统干预可与另一个链接设备上H1设备直接进行通信。该总线经过试验室测试和现场测试后，于年开始推向市场。,计算机控制系统概述,第70页,Type 6,现场总线,Type 6,即,Swiftnet,现场总线，由美国,SHIP STAR,协会主持制订，得到美国波音企业支持，主要用于航空和航天等领域。该总线结构简单，实时性高，协议仅包含物理层和数据链路层。物理层传输速率为5,Mbps，,总线使用,TDMA(Slotted time division multiple access),槽路时间片多路存取方式，该方式是将总线上时间分割为相等长度间隔，即槽路。只有当总线上站分配到槽路时，它才能监听和发送。,计算机控制系统概述,第71页,Type 7,现场总线,Type 7,即,World FIP,现场总线，由,World FIP,协会制订，现已成为欧洲标准,EN50170,第3部分。该总线广泛应用于发电与输配电、加工自动化、楼宇自动化、过程自动化和铁路运输等领域。,World FIP,协议由物理层、数据链路层和应用层组成。,物理层采取,IEC 61158.2,标准，数据链路层采取总线裁决(,bua arbitrator),方式，在任何一个给定瞬间，仅有一个站能够执行总线裁决功效。,Type 7,现场总线组成系统能满足用户各种需要，适合于各种类型应用结构：集中型、分散型和主站/从站性。为了适应低成本要求，开发了,Device World FIP(DWF),总线，它是现场级网络，能很好适应工业现场各种恶劣环境，并含有本质安全防爆性能，能够实现多主站与从站通信。,计算机控制系统概述,第72页,Type 8,即,Interbus,现场总线，由德国,Phoenix Contact,企业开发，得到,Interbus Club,组织支持，已成为德国,DIN19258,标准。它是一个串行总线系统，适合用于分散输入输出以及不一样类型控制系统间数据传输。该总线广泛应用于机械加工和制造业。,协议包含物理层、数据链路层和应用层。,Interbus,总线可组成主/从式和环形拓扑网络，传输速率为500,Kbps。,物理层采取,RS-485,标准，数据链路层采取整体帧协议（,total frame protocol）,方式传输循环数据和非循环数据，应用层只对主站有效。,Interbus,总线还对单主机远程,I/O,含有良好诊疗能力。,计算机控制系统概述,第73页,Type 9,现场总线即,FF H1,现场总线，该总线由,FF,现场总线基金会负责制订。,FF,基金会组员由世界著名仪表制造商和用户组成，其组员生产变送器、,DCS,系统、执行器、流量仪表占世界市场90，它们对过程控制现场工业网络功效需求了解透彻，在过程控制方面积累了丰富经验，提出现场总线网络架构比较全方面。,计算机控制系统概述,第74页,Type 10现场总线即Profinet总线，该总线标准源自Profibus 现场总线国际标准组织(PI，Profibus International)开放自动化总线标准。PNO组织于年8月发表了Profinet规范。Profinet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有开放性。,计算机控制系统概述,第75页,除了上面介绍纳入,IEC 61158,国际标准,10,种总线外，还有各种有影响现场总线应用于控制领域，这些总线是由国家、地域或专业标准化组织制订。它们都有自己应用领域。,计算机控制系统概述,第76页,10.4.4,几个有影响现场总线,基金会现场总线,FF（Foundation Fiedbus）,基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成一个现场总线,由现场总线基金会推出。与私有网络总线协议不一样,FF,总线不从属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参考,ISO,OSI,模型中物理层、数据链路层和应用层,并增加了用户层而建立起来通信模型。,FF,得到了世界上几乎全部著名仪表制造商支持,同时恪守,IEC,协议规范,与,IEC,现场总线国际标准和草案基本一致,加上它在技术上优势,所以已成为国际标准之一。,FF,总线提供了,Hl,和,H2,两种物理层标准。,Hl,是用于过程控制低速总线,传输速率为31.25,Kbps,传输距离为200,m、450m、1200m、1900m,四种（加中继器能够延长）,可用总线供电,支持本质安全设备和非本质安全总线设备。,H2,为高速总线,其传输速率为1,Mbps（,此时传输距离为750,m）,或2.5,Mbps（,此时传输距离为500,m）。H1,和,H2,每段节