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工业控制网络技术 周虎 副教授 计算机控制系统组成结构 图计算机控制系统组成框图 直接数字控制系统 计算机监督控制 SCC SCC系统由上 下位机构成 上位机起监控作用 下位机起DDC作用 图SCC系统原理图 8 计算机工业网络基础 网络协议及其层次结构 在通信网络中 对所有的节点来说 它们都要共享网络中的资源或相互之间要进行信息交换 但由于连接到网上的计算机或设备可能出自不同的生产厂家 型号也不尽相同 再加上软硬件的差异 这些都给节点之间的通信带来了困难 因此在通信网络中所有 成员 必须遵循某种相互都能接受的一组规则 以便实现彼此的通信和资源共享 这些规则的集合称为网络协议 在计算机网络中各终端用户之间 用户与资源之间或资源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行 利用分层方法 我们可以容易地实现网际联网 网络配置间的连接 为了实现计算机系统之间的互连 1977年国际标准化组织 ISO 提出了开放系统互连参考模型OSI OpenSystemInterconnection ReferenceModel 这个网络层次结构模型规定了七个功能层 每层都使用它自己的协议 计算机网络控制技术概述 控制网络的特点从技术上讲 控制网络有以下一些技术特点 1 要求有高实时性和良好的时间确定性 2 传送的信息多为短帧信息 且信息交换频繁 3 容错能力强 可靠性 安全性好 4 控制网络协议简单实用 工作效率高 5 控制网络结构具有高度分散性 6 控制设备的智能化与控制功能的自治性 7 与信息网络之间有高效的通信 易于实现与信息网络的集成 控制网络与信息网络的区别 控制网络和信息网络有以下四点区别 1 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求 2 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性 可靠性 3 在企业自动化系统中 分散的单一用户必须借助控制网络进入系统 所以通信方式多使用广播和组播方式 在信息网络中某个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式 4 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容问题 即互操作性问题 计算机网络控制 集散控制系统 DCS 设计原则 采用分散控制和集中管理的设计思想 分而自治和综合协调的设计原则 并采用层次化的体系结构 所谓分散控制是用多台微型计算机 分散应用于生产过程控制 所谓集中管理是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统 分散控制系统是纵向分层 横向分散的大型综合控制系统 集散控制系统 集散控制系统的基本构成 13 集散控制系统的体系结构 14 操作站 工程师站和上位计算机构成集中管理部分 现场监测站 现场控制站构成分散控制部分 通信网络是连接集散系统各部分的纽带 是实现集中管理 分散控制的关键 集散控制系统特点 15 控制功能丰富 监视操作方便 信息和数据共享 系统扩展灵活 安装维护方便 系统可靠性高 分散性和集中性自治性和协调性灵活性和扩展性先进性和继承性可靠性和适应性友好性和新颖性 第一代DCS的基本结构 第一代DCS的基本结构 其基本结构由监控机 操作站 数据采集装置 过程控制单元及高速数据通道等5部分组成 第二代DCS的基本结构 第二代DCS的基本结构 组成 1 局部网络 LAN 2 节点工作站 即指过程控制单元 PCU 3 中央操作站 它是挂接在LAN上的节点工作站 负责对全系统的信息进行综合管理 是系统的主操作站 4 系统管理站 又称为系统管理模块 5 主计算机 也称管理计算机 6 网关 GateWay 第三代DCS的基本结构 第三代DCS的基本结构 第一 二代DCS基本上为封闭系统 不同系统之间无法互连 第三代DCS局域网 LAN 遵循开放系统互连参考模型的7层通信协议 符合国际标准 比较容易构成信息集成系统 现场总线控制系统 51 现场总线 Fieldbus 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统 它既是现场通信网络系统 也是现场自动化系统 现场总线控制系统FCS是在DCS系统的基础上发展而成的 它继承了DCS的分布式特点 但在各功能子系统之间 尤其是在现场设备和仪表之间的连接上 采用了开放式的现场网络 从而使系统现场设备的连接形式发生了根本的改变 具有自己所特有的性能和特征 传统计算机控制系统的缺点 50 传统计算机控制系统结构示意图 现场总线对自动化领域的变革 1 用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表 2 用多变量 双向 数字通信方式取代单变量 单向 模拟传输方式 3 用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表 4 用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站 5 用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS 6 变革传统的信号标准 通信标准和系统标准 7 变革传统的自动化系统体系结构 设计方法和安装调试方法 8 FCS的信号传输实现了全数字化 从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络 逐层向上直至最高层均为通信网络互连 9 FCS的系统结构为全分散式 它废弃了DCS的输入 输出单元和控制站 由现场设备或现场仪表取而代之 即把DCS控制站的功能化整为零 分散地分配给现场仪表 从而构成虚拟控制站 实现彻底的分散控制 10 FCS的现场设备具有互操作性 彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性 使不同厂商的现场设备既可互连也可互换 还可统一组态 11 FCS的通信网络为开放式互连网络 用户可非常方便地共享网络数据库 使同层网络可以互连 也可以使不同网络互连 12 FCS的技术和标准实现了全开放 无专利许可要求 可供任何人使用 现场总线控制系统 FCS 的体系结构 采用 操作站 数字式智能现场仪表 两层式结构 现场设备均为智能数字仪表 见下图 传统DCS的结构示意图FCS的结构示意图 现场总线的特点 系统的分散性系统的开放性产品的互操作性环境的适应性使用的经济性维护的简易性系统的可靠性 几种有影响的现场总线 1 CAN总线CAN是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议 2 LonWorks控制网络和Lon总线LonWorks是Echeon公司于1991年推出的全分布智能控制网络技术 3 FF总线FF总线既不被任何单个的公司拥有 也不被单个的国家或标准组织控制 是一个非营利组织 由WorldFIP的北美部分和ISP InteroperableSystemProtocol 合并而成 几种有影响的现场总线 4 Profibus协议PROFIBUS是过程现场总线 ProcessFieldBus 的缩写 它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准 5 Modbus协议Modbus是一种工业通信和分布式控制系统协议 OPC技术 PIDControl FieldbusSystem FieldPointSystem PLCSystem OPCClient OPCServer OPCClient OPCClient OPCServer OPCServer HMI Excel Internet SCADA HMI SCADA 为什么需要OPC OPC的解决方案 OPC概述 OLEforProcessControl Objectlinkingandembedding now OpenProcessControlOpenessProductivityandConectivityOPC 用于过程控制的OLE 是一个工业标准 OPC由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件 软件公司与微软 Microsoft 紧密合作而建立的 OPC定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法 管理这个标准的国际组织是OPC基金会 OPC的宗旨 OPC的宗旨是在MicrosoftCOM DCOM和ActiveX技术的功能规程基础上开发一个开放的和互操作的接口标准 这个标准的目标是促使自动化 控制应用 现场系统 设备和商业 办公室应用之间具有更强大的互操作能力 BeforeOPC ABBPLCs T l m caniquePLCs SiemensPLCs MasterBusMMSdriver XWAYdriver Profinetdriver visualization historydatabase WithOPC ABBOperatorWorkplaceConnection ABBAC800M T l m caniqueTSX SiemensS7 AC800MOPCserver SchneiderOPCserver SiemensOPCserver OperatorIT applicationsoftwareiswrittenindependentlyfromthetypeofcontroller Historian InformationManager MMS XWAY ProfiNet thedriversstillexist buttheclientsdonotseethemanymore OPC技术基础 OPC技术基于微软的OLE 现在的ActiveX COM 部件对象模型 和DCOM 分布式部件对象模型 技术 OPC包括一整套接口 属性和方法的标准集 用于过程控制和制造业自动化系统 ActiveX COM技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据 不论过程中采用什么软件或设备 OPC为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的接口 OPC技术基础构成 onlybetweennodes OPC基金会 管理OPC标准的组织是OPC基金会 其前身由一个Fisher Rosemount RockwellSoftware Siemens Opto22 Intellution和IntuitiveTechnology等著名大公司组成专门的工作组 仅仅用了短短的一年时间便开发出一个基本的可运行的OPC技术规范 在1996年8月发布了简化的 一步到位的解决方案 OPC基金会 OPC基金会的工作比其他许多标准化集团能够更高速运转 原因十分简单 只是由于OPC是建立在已普遍使用的Mricrosoft标准基础上 而其他标准化集团必经完全从最基本开始定义标准 因此在其工作范围内达成一致的意见往往是费时费力 自然其工作效率是不能和OPC基金会比拟的 Micosoft是OPC基金会的一个成员 已给予OPC基金会强有力的支持 但Microsoft在OPC中的作用主要在于其强大的后援支持 而让具有丰富的行业经验的成员公司指导OPC基金会的工作 OPC中国基金会 OPC中国基金会的宗旨是在中国推广OPC 以消除中国与其它发达国家的信息差距 通过定期召开中国基金会会员大会 制定相应的规章制度 同时针对中国市场建立相应的市场营销体系 提供培训 信息以及展会的组织 以进一步加强各会员的利益 以本地化的形式加强与OPC基金会的联系 http www opcchina org OPC特性 任何客户机都可以与服务器连接即插即用的互操作性是其目标该标准已被公开并出版 OPC基金会是管理此工业标准的组织 灵活性接纳所有类型的客户机及服务器 高效性优化快速传输数据 可以支持所有编程语言 C C VB Java HTML DHTML 可利用Internet OPCasahub sou