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计算机控制系统计算机控制系统 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 DCS硬件 l集中显示管理，包括工程师站、操作员站和管理 计算机 l分散控制监测，包括控制站、监测站或现场控制 站 l网络通信 DCS软件 l实时多任务操作系统 l数据库管理系统 l数据通信软件 l组态软件 l应用软件 8.1 8.1 概述概述 8.1.1 8.1.1 基本组成基本组成 独立性 协调性 友好性 适应性、灵活性和可扩充性 实时性 可靠性 8.1.2 8.1.2 分布式控制系统的特点分布式控制系统的特点 现场控制站 现场监测站 CRT操作站 数据高速公路 监控计算机 8.1.3 8.1.3 分布式控制系统的发展分布式控制系统的发展 1. DCS1. DCS的开创期的开创期(1975(1975年年19801980年年) ) 图8-1 第一代DCS基本结构 CRT操作站 监控计算机 数 据 高 速 公 路 DHW 现场监测站 现场控制站 局部网络LAN（Local Area Network） 多功能现场控制站MFCS（Multifunction Field Control Station） 增强型操作站EOS（Enhanced Operator Station） 通用型操作站US（Universal Station） 网关GW（Gateway） 系统管理模块SMM（System Management Module） 主计算机HC（Host Computer） 2. 2. 集散控制系统的成长与完善时期集散控制系统的成长与完善时期(1980(1980年年19851985年年) ) 实现开放式的系统通信 控制站使用32位微处理器 采用专用集成电路和表面安装技术 操作站采用32位高档微计算机 过程控制组态采用CAD方法 人工智能特别是知识库系统（KBS）和专 家系统（ES）与生产过程日益融合 3. 3. 集散控制系统的扩展期（集散控制系统的扩展期（19851985年以后）年以后） 8.2 体系结构 8.2.1 DCS8.2.1 DCS的层次结构的层次结构 图8-4 典型集散控制系统的硬件结构示意图 8.2.2 DCS8.2.2 DCS的硬件结构的硬件结构 8.2.3 DCS8.2.3 DCS的软件结构的软件结构 图8-5 典型集散控制系统软 件结构图 图8-6 现场控制站软件执行顺序 在线诊断 SOE记录检查 控制算法运算 数据转换和报警检查 通道数据巡检 图8-7 现场控制站软件结构 网络通信模块控制输出模块 实时数据库 控制算法库 数据采集模块 DCS的控制网络CNET DCS的系统网络SNET DCS的管理网络MNET DCS的决策管理网络DNET 8.2.4 DCS8.2.4 DCS的网络结构的网络结构 8.2.5 DCS8.2.5 DCS实例实例 8.3 基本类型 8.3.1 8.3.1 集散型控制系统集散型控制系统 数据高速公路(DHW) 通用控制网(UCN) 局部控制网(LCN) 1. TDC30001. TDC3000的三种通信链路的三种通信链路 过程控制级 先进控制级，通常称为工厂级。 最高控制级，也称为联合级。 2. TDC30002. TDC3000提供的不同等级的分散控制提供的不同等级的分散控制 关键性系统单元采用带有自动切换的全冗余 操作员控制台至少由三个通用的操作站组成 控制台的每一个操作站都可以存取相同的信息，任何一台 操作站都可以代替另一台进行操作。 与过程连接的控制级，其冗余由过程管理器中的过程管理 模块实现，而关键环节的冗余是由TDC 3000基本型、扩 展型和多功能控制器的不间断的自动控制（UAC）特性来 完成。 在结构上提供历史模块的冗余盘和冗余的应用模块来提高 可靠性。 局部控制网中，一根通讯电缆作为主要电缆，另一根则作 为备用电缆， 3. TDC30003. TDC3000的冗余技术的冗余技术 其测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表的，与现场总 线及智能仪表的数字信号传送相比，其抗干扰能力与传 输精度都大为逊色。 各DCS开发生产企业制造的DCS使用专用平台，使得不 同厂商之间的产品互不兼容，互操作性差。 传统DCS在控制规律和控制算法方面，相对于常规仪表 并没有重大突破，所提供的编程计算工具功能仍显简单 ，难以实现复杂的控制规律，使得许多先进的控制算法 无法在DCS上直接实现，基于常规控制规律的DCS的控 制品质难以满足生产的控制需求。 8.3.28.3.2集散型控制系统存在的问题及发展趋势集散型控制系统存在的问题及发展趋势 受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌 入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术 、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的 控制功能与管理功能需求的增加 各新型集散控制系统（DCS）厂商纷纷提升DCS系 统的技术水平，并不断地丰富其内容。 可以说，以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统）、Emerson 公司的 PlantWeb (Emerson Process Management)、横河 公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司 的 Industrial IT 系统为标志的新一代DCS已经形成 。 8.3.3 8.3.3 基于基于IPCIPC构成的分布式控制系统构成的分布式控制系统 1. IPC-DCS1. IPC-DCS的层次结构的层次结构 图8-9 IPC-DCS的基本结构 图8-10 客户/服务器结构图8-11 对等结构 2. IPC-DCS2. IPC-DCS的网络结构的网络结构 图8-12 混合结构 图8-13 以RS-232方式共享数据 3. IPC-DCS3. IPC-DCS的通信方式的通信方式 图8-14 以RS-485方式共享数据 图8-15 通过公共电话共享数据 8.3.4 8.3.4 基于基于PLCPLC构成的分布式控制系统构成的分布式控制系统 MNET 计算机 CNET IOBUS 图8-17 可编程控制器的层次化网络结构 控制方 式 操作方 式 系统结 构 8.4 现场总线控制系统 系统的开放性 互可操作性与互换性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性 8.4.1 8.4.1 现场总线概述现场总线概述 基金会现场总线的通信技术 标准化功能块（FB，Function Block）与功能块 应用进程（FBAP，Function Block Application Process） 设备描述（DD，Device Description）与设备描 述语言（DDL，Device Description Language） 现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算 机之间的接口技术 系统集成技术 系统测试技术 8.4.2 8.4.2 基金会现场总线基金会现场总线FF FF 图8-18 基金会现场总线的拓扑结构 树型菊花链型总线型点对点 H1 H1 H1 H2 H2 H1 H1 H1 网桥 Profibus分为Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA 三个兼容版本。 lProfibus-DP是专为自动控制系统和设备级分 散I/O之间的通信设计。使用Profibus-DP模块可取 代价格昂贵的24V或020mA并行信号线。 lProfibus-FMS解决车间级通用性通信任务，完 成中等传输速度的循环和非循环通信任务。 lProfibus-PA专为过程自动化设计，采用标准 的本质安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定 的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线 供电的站点。 8.4.3 8.4.3 过程现场总线过程现场总线ProfibusProfibus Profibus可使分散式数字控制器从现场底层到车 间级网络化，该网络系统分为主站和从站。 主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制 权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信 息。 从站为外围设备，没有总线控制权，仅对接收到 的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信 息。 Profibus协议的结构参考了ISO/OSI模型. Profibus-DP使用第1层、第2层和用户接口。直 接数据链路映像（DDLM，direct data link mapped）提供易于进入第2层的用户接口。 Profibus-FMS对第1、2和7层均加以定义。应用 层包括现场总线信息规范（FMS，fieldbus message specification）和低层接口（LLI， lower layer interface。 Profibus-PA数据传输采用扩展的“Profibus-DP” 协议。使用分段式耦合器，Profibus-PA设备能 很方便地集成到Profibus-DP网络。 Profibus提供三种类型的传输技术：DP和 FMS的RS-485传输；PA的IEC1158-2传输 ；光纤。 其传输速率为9.6Kbps12Mbps，最大传 输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时 为400m，可用中继器延长至10km。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。 LonWorks技术由以下几部分组成： lLonWorks节点和路由器； lLonTalk协议；LonWorks收发器； l网络开发工具（LonBuilder） l节点开发工具（NodeBuilder）。 8.4.4 8.4.4 LonWorksLonWorks总线总线 Neuron芯片 lMC143150支持外部存储器； lMC143120本身带有ROM，不支持外部存储器。 Neuron芯片集成了3个8位的微处理器 lCPU1是MAC处理器，完成介质访问控制（Media Access Control），处理ISO/OSI七层网络协议的1、2 层，其中包括驱动通信子系统的硬件和执行冲突避免算 法。 lCPU2是网络处理器，实现ISO/OSI网络协议的3 6层功能，处理网络变量、地址、认证、后台诊断、 软件定时器、网络管理和路由等进程。MAC处理器和 网络处理器间通过使用网络缓冲区进行数据传递。 lCPU3是应用处理器，执行用户程序。 Neuron芯片具有一个由5个引脚组成的通 用网络通信口，可将5个引脚（CP0CP4 ）配置成三种不同的接口工作方式 l单端（single-ended） l双端差分（differential） l特殊目的（special purpose）方式。 LonTalk协议提供OSI参考模型规定的7层 服务，特点如下： l发送的报文都是很短的数据（通常几个 到几十个字节）； l通信带宽不高（几Kbps到2Mbps）； l网络上的节点往往是低成本、低维护的 单片机； l多节点，多通信介质； l可靠性高，实时性强。 LonTalk协议提供四种基本报文服务： l应答确认方式（Acknowledge） l请求/响应方式（Request/Response） l非应答重复方式（Unacknowledged Repeated） l非应答方式（Unacknowledged） 带预测的P-坚持CSMA l按固定概率P给出随机数量的时间片，待发送的节 点任意分布在这些时间片上。根据对信道上积压工作的 估计，确定一个值为163的n，由n来决定应该增加的 时间片数。 l负载轻时缩短介质访问延时，负载重时减轻冲突 的可能。 可选择设置优先级 l为每一个节点分配一个待定的优先级时间片（ Priority Slot） l发送时，数据报文在该时间片里将数据报文发送 出去。 l时间片从0127，0表示不需要等待立即发送，1 表示等待一个时间片， l时间片加在P-概率时间片之前。没有优先级的节 点必须等待优先级时间片都完成之后，再等待P-概率时 间片后才发送。加入优先级的节点比非优先级的节点具 有更快的响应时间。 HART通信协议参照ISO/OSI七层参考模型，简 化并引用了其中1，2，7三层，即：物理层、数 据链路层和应用层。 l物理层规定了HART通讯的物理信号方式和传 输介质。采用基于Bell202标准的频移键控技术（ FSKFrequency Shift Keying），在420mA的模 拟信号上叠加了一个幅度为0.5mA的正弦调制波， 1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，如图8- 19所示。 lHART通信具有点对点和多点连接模式，传输 介质一般为双绞线，当传输距离较长时，可用屏蔽 双绞线。通信速率为1200bps。 8.4.5 HART8.4.5 HART通信协议通信协议 数据链路层规定了数据帧格式和数据通信 规程。数据帧基本格式如图8-20所示，最 长可达25个字节。 lHART协议是主从式的通信协议，系统 允许有两个主设备，最多可有15个从设备。 l从设备可寻址范围为015，当地址为0 时，为点对点模式；当地址为115时，为多 点模式。 应用层规定了HART通信命令的内容（见 表8-1） l第一类是通用命令（Universal Commands） l第二类是普通应用命令（Common- Practice Commands） l第三类是特殊命令（Device-Specific Commands） HART通信的应用通常有三种方式。 l第一种方式是用手持通信终端（HHT） 与现场智能仪表进行通信。 l第二种方式带HART通信功能的控制室 仪表，可与多台HART仪表进行通信并组态 ，为操作人员提供一个人机界面和信号扩展 接口。 l第三种方式是与PC机或DCS操作站进 行通信。 废除了传统的站地址编码，代之以对数据通信数 据块进行编码，可以多主方式工作； 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络 上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发 送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数 据，有效避免了总线冲突； 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个（ CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干 扰的概率低，重新发送的时间短； 每帧数据都有CRC效验及其他检错措施，保证 了数据传输的高可靠性； 8.4.68.4.6 CANCAN总线总线 1 1、基本特点、基本特点 CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总 线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其 它操作不受影响； CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广 播集中方式传送和接受数据； CAN总线直接通信距离最远可达10km/5KBPS， 通信速率最高可达1MBPS/40m； 采用不归零码（Non Retrun to Zero，NRZ）编 码/解码方式，采用位填充（插入）技术。 CAN总线采用了OSI的3层模型：物理层、数据链路层和 应用层。CAN支持的拓扑结构为总线型。传输介质为双 绞线、同轴电缆和光纤等，采用双绞线通信时，速率为 1Mbps/40m、50Kbps/10km，结点数可达110个。 CAN的通信介质访问为带有优先级的CSMA/CD。采用 多主竞争方式结构。在发生冲突时，采用非破坏性总线 优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送消息时，运 用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的表示符，优先级 低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受 影响的继续发送信息。 2. CAN2. CAN总线通信介质访问控制方式总线通信介质访问控制方式 CAN控制器实现了CAN总线物理层和数据链路层的所有协 议内容，通信功能均由CAN控制器自动管理执行。 CAN控制器的地址域由控制段和报文缓存器组成，控制段 可被编程以配置通信参数。CAN总线上的通信也通过此段 由CPU控制，被发送的报文必须写入发送缓存器，成功接 收后，CPU可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以 备下次使用。 CAN控制器与CPU之间的接口一般借助于个特殊寄存器 ：地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。 3. 3. 基于基于CANCAN总线的软件设计技术总线的软件设计技术 现场总线的缺点 l现有的现场总线标准过多。 l相互之间不能兼容，不能真正实现透明 信息互访； l目前的现场总线由于速度较低，支持的 应用有限，难以和Internet信息集成，不能 满足企业综合自动化的发展要求。 8.5 8.5 基于工业以太网和现基于工业以太网和现 场总线的分布式控制系统场总线的分布式控制系统 以太网优点 l通信速率高 l应用广泛 l成本低廉 l易于信息集成 l可持续发展潜力大 以太网向工业控制领域发展时存在以下障碍 ： l通信存在不确定性 l不适用于恶劣的工业现场环境 l安全性和总线供电 l微处理器功能限制 HSE(High Speed Ethernet) lHSE定位于实现控制网络与Internet的集成。由 HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上 并进一步送到企业的ERP和管理系统。 lHSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用 层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应 用进程规范，并通过链接设备将FF H1网络连接到 HSE网段上。 lHSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能， 其网桥功能可以连接多个H1总线网段，使不同H1网 段上的Hl设备之间能够进行对等通信而无需主机的干 预。 lHSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上 挂接的H1设备进行通信 PROFInet l基于通用对象模型（COM）的分布式自动化系统 ； l规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通 信； l提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商 的系统模型。 lPROFInet采用以太网+TCP/IP作为低层的通信模 型，采用TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成 节点之间的通信和网络寻址。 l可同时挂接传统Profibus系统和新型的