分散型测控网络技术精.ppt

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1、分散型测控网络技术第1页，本讲稿共51页7.1 工业网络技术工业网络技术 7.1.1 网络拓扑结构7.1.2 介质访问控制技术7.1.3 信息交换技术7.1.4 差错控制技术第2页，本讲稿共51页7.1.17.1.1 网络拓扑结构网络拓扑结构 网络中互连的点称为节点或站节点或站，节点间的物理连接结构称为拓扑拓扑。1 星形结构2 环形结构3 总线形4 树形结构7.1 工业网络技术工业网络技术第3页，本讲稿共51页网络拓扑结构网络拓扑结构7.1 工业网络技术工业网络技术星形结构环形结构树形结构总线形结构第4页，本讲稿共51页1 星形结构星形结构 网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；网络延迟时间

2、短，传输错误率低；网络可靠性低，一旦中央结点出现故障，将会导致全网瘫痪；网络资源大部分在外围结点，相互之间必须经过中央结点中转才能传送信息；通信线路都是专用线路，利用率不高，网络成本较高。7.1 工业网络技术工业网络技术第5页，本讲稿共51页2 2 环形结构环形结构 信息流在网络中沿着固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径的选择控制；环路中的每个结点的收发信息均有环接口控制，控制软件较简单；环路中，当某一结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；环路接口其结点数的增加将会影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。7.1 工业网络技术工业网络技术第6页，本讲稿共51页3 3

3、 总线形总线形 网络结构简单灵活，扩展方便；可靠性高，网络响应速度快；网络共享资源能力强，便于广播式工作；设备少，价格低，安装使用方便；由于共用一条总线，因此总线上的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。7.1 工业网络技术工业网络技术第7页，本讲稿共51页4 4 树形结构树形结构 树形结构是分层结构，适用于分级管理和控制系统。与星形结构比，由于通信线路总长度短，故联网成本低，易于维护和扩展，但较星形结构复杂。网络中除了叶结点及其连线外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路的正常工作。7.1 工业网络技术工业网络技术第8页，本讲稿共51页7.1.2 7.1.2 介质访问控制技术

4、介质访问控制技术1 冲突检测的载波侦听多路访问2 令牌环（Token Ring）3 令牌总线（Token Ring Bus）7.1 工业网络技术工业网络技术第9页，本讲稿共51页1 1 冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问q 又称为随机访问技术或争用技术。主要用于总线形和树形网络结构。q 工作原理q 存在的两个问题q 特点7.1 工业网络技术工业网络技术第10页，本讲稿共51页1 1 冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问 当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其他结点正在发送信息，若没有则立即发送，否则，就等待一定时间，再侦听，直至信道有了空闲，开始发送。

5、7.1 工业网络技术工业网络技术第11页，本讲稿共51页1 1 冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问问题信道被占用时等待时间的确定问题。7.1 工业网络技术工业网络技术确定等待时间的方法：a：当某结点检测到信道被占用后，继续检测下去，待发现信道空闲时，立即发送；b：当某点检测到信道被占用后，就延迟一个随机的时间，然后再检测。直到空闲。第12页，本讲稿共51页1 1 冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问问题信息冲突问题。7.1 工业网络技术工业网络技术当某个结点占用信道发送信息后，它会继续对网络检测，也就是它会一边发送一边接收，且把发送的信息与收到的信息比较，看结

6、果是否相同，如相同，说明发送正常，可以继续；如不同，则说明还有其他结点在发送信息，数据混乱，立即停止发送。第13页，本讲稿共51页1 1 冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问7.1 工业网络技术工业网络技术特点：原理简单，技术上容易实现。各结点处于平等的地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制。在网络负载不重的情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息等待时间长，效率显著降低。第14页，本讲稿共51页2 2 令牌环（令牌环（Token RingToken Ring）q 工作原理q 特点q 全称令牌通行环（Token Passing Ring），适用于环形结构。7.1 工

7、业网络技术工业网络技术第15页，本讲稿共51页2 2 令牌环（令牌环（Token RingToken Ring）工作原理：令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一结点。传送方法：令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。令牌有“空，忙”两个状态，空表示令牌没有被占用，当空的令牌被传送至正在等待发送信息的结点时，该结点就立即发送信息并置令牌为忙的状态，其所发信息绕环一周，并由发送结点清除，忙令牌又变为空状态，绕环传送令牌，直到下一个结点获得。7.1 工业网络技术工业网络技术第16页，本讲稿共51页2 2 令牌环（令牌环（To

8、ken RingToken Ring）特点：优点是能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。缺点是需要对令牌进行维护，控制电路复杂。7.1 工业网络技术工业网络技术第17页，本讲稿共51页3 3 令牌总线（令牌总线（Token Ring BusToken Ring Bus）q 工作原理q 特点q 主要用于总线形和树形网络结构。7.1 工业网络技术工业网络技术第18页，本讲稿共51页3 3 令牌总线（令牌总线（Token Ring BusToken Ring Bus）工作原理：受令牌环的影响，它把总线或树形传输介质上的各个结点形成一个逻辑环，即人为的给各个结点规定一个顺序。信

9、息可以双向传送，任何结点都可以听到其他结点发送的信息。工作原理同令牌环。7.1 工业网络技术工业网络技术第19页，本讲稿共51页3 3 令牌总线（令牌总线（Token Ring BusToken Ring Bus）吞吐能力大，随数据传输速率的提高而增加；7.1 工业网络技术工业网络技术 控制功能不随电缆线长度的增加而减弱；不需冲突检测；具有一定的实时性；节点获得令牌的时间开销大，一般一个节点要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。第20页，本讲稿共51页7.1.3 7.1.3 信息交换技术信息交换技术1 线路交换（Circuit Switching）2 报文交换（Message Switchi

10、ng）3 分组交换（Packet Switching）7.1 工业网络技术工业网络技术第21页，本讲稿共51页1 1 线路交换（线路交换（Circuit SwitchingCircuit Switching）q工作原理：线路交换是指通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物理通道进行数据传送，传送结束后再拆除线路。q特点：由于建立了一条专用的线路，所以报文传送的实时性好，各结点的延时小。但，一旦建立连接，即使没有数据传送，别的站也不能利用线路上的结点，利用率低。7.1 工业网络技术工业网络技术第22页，本讲稿共51页2 2 报文交换（报文交换（Message SwitchingMessage

11、 Switching）q工作原理：如果某站要发送报文，它把目的站名附加在报文上，然后把报文交给结点传送。传送过程中，结点接收整个报文，并暂存这个报文，然后发送到下个结点，直到目的站。q特点：线路的利用率高，许多报文可以分时共享一条结点到结点的线路。并能把一个报文发送到多个目的站，只需把目的站名附加到报文上。由于报文要在结点排队等待，延长了报文到达目的站的时间。7.1 工业网络技术工业网络技术第23页，本讲稿共51页3 3 分组交换（分组交换（Packet SwitchingPacket Switching）q工作原理：结合了线路交换和报文交换的优点。首先将报文分成若干段，每段附加上所需的控制信

12、息，经不同的路径分别传送到目的站后，再拼装成完整的报文。分为数据报方法和虚电路方法。7.1 工业网络技术工业网络技术第24页，本讲稿共51页7.1.4 7.1.4 差错控制技术差错控制技术 在通信线路上传输信息时，往往由于各种干扰，使接收端收到信息出现错误。提高传输质量的方法有两种：第一种方法是改善传输通道的电性能，使误码率降低（硬件）；第二种方法是接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重新发送，直至接收到正确的信息为止。称为差错控制技术。7.1 工业网络技术工业网络技术第25页，本讲稿共51页7.1.4 7.1.4 差错控制技术差错控制技术 差错控制技术包括检验错误和纠正错误。1 检验

13、错误方法2 纠错方式q 奇偶校验q 循环冗余校验q 重发纠错q 自动纠错q 混合纠错方式7.1 工业网络技术工业网络技术第26页，本讲稿共51页奇偶校验7.1 工业网络技术工业网络技术 是一个字符校验一次，在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位。通常用一个字节（）来表示，其中 为字符码位，而 最高位为校验位。这个校验位可为0或1，以便保证整个字节中为1的位数是奇数（称奇校验）或偶数（称偶校验）。发送端按照奇或偶校验的原则编码后，以字节为单位发送，接收端则也按照同样的原则检查收到的每个字节中1的位数。如果与发送端中1的位数相同，则传输正确，否则，则传输错误。第27页，本讲稿共51页循环冗余校验

14、7.1 工业网络技术工业网络技术 其原理是发送端发出的信息由基本的信息位和CRC校验位两部分组成。发送端首先发送基本的信息位，与此同时，CRC校验位生成器根据一定的原则生成CRC校验位并紧跟着基本的信息位发送。接收端在接收基本信息位的同时，CRC校验器根据相同的原则来生成一个数据，然后把它与接收到的CRC校验位相比较，如果相同，则传输正确，否则传输错误。第28页，本讲稿共51页重发纠错7.1 工业网络技术工业网络技术 发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端。如果传输错误，则再次发送，直到接收端任务正确为止。第29页，本

15、讲稿共51页自动纠错7.1 工业网络技术工业网络技术 发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能自动的发现错误，而且能自动的纠正传输中的错误。但是，纠错的位数有限，为了纠正比较多的错误，则要求附加的冗余码将比基本信息码多，因而传输效率低，译码设备也比较复杂。第30页，本讲稿共51页混合纠错方式7.1 工业网络技术工业网络技术 上述两种方式的综合，发送端发送的信息不仅能发现错误，而且有一定的纠错能力。接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动的进行纠错，如果错误多，则接收端要求发送端重发，直到正确为止。第31页，本讲稿共51页7.2 分散型控制

16、系统（分散型控制系统（DCS）分 散 型 控 制 系 统 又 称 分 布 式 控 制 系 统（Distributed Control System）。系统分成了3级，采用了4C技术。以计算机集成制造系统（CIMS）为目标，采用分散控制、集中管理、分而自治的设计原则。7.2.1 DCS概述7.2.2 DCS的分散过程控制级7.2.3 DCS的集中操作监控级7.2.4 DCS的综合信息管理级第32页，本讲稿共51页7.2.1 DCS7.2.1 DCS概述概述(1)(1)q 1975，美国Honey Well公司，推出世界上第一套分散型控制系统。q DCS DCS的体系结构的体系结构分散过程控制级，

17、集中操作监控级，综合信息管理级。7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第33页，本讲稿共51页7.2.1 DCS7.2.1 DCS概述概述(1)(1)7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第34页，本讲稿共51页7.2.1 DCS7.2.1 DCS概述概述(2)(2)q DCS DCS的特点的特点（1）硬件积木化（2）软件模块化（3）控制系统组态（4）通信网络的应用（5）高可靠性q 典型的典型的DCSDCS(1)日本 横河电机公司 CENTUM-XL(2)日本 山武霍尼威尔 TDCS-2000/3000(3)美国 Foxboro SPECTRUM(4)德国 西门子 TELE

18、PERM7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第35页，本讲稿共51页7.2.2 DCS7.2.2 DCS的分散过程控制级的分散过程控制级1 面向对象及完成功能：直接面向生产过程的，是DCS的基础，它直接完成生产过程的数据采集，调节控制，顺序控制等功能，其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电偶，热电阻，变送器（温度，压力，液位，流量等）及开关量信号，其输出是驱动执行机构（调节阀，电磁阀）。并能与集中操作监控级进行数据通信，接收显示操作站下传加载的参数和作业命令，以及将现场工作情况信息整理后向显示操作站汇报。7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第36页，本讲稿共51页7.

19、2.2 DCS7.2.2 DCS的分散过程控制级的分散过程控制级2 组成设备：（1）现场控制站（工业控制机）（2）智能调节器（3）PLC7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第37页，本讲稿共51页7.2.3 DCS7.2.3 DCS的集中操作监控级的集中操作监控级1 面向对象及完成功能：这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。这一级是面向操作员和控制系统工程师的，因而这一级配备有技术手段齐备，功能强的计算机系统以及各类外部抓装置，特别是CRT显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持，另外还需要功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态，监视和操作，对生产过

20、程实行高级控制策略，故障诊断，质量评估。7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第38页，本讲稿共51页7.2.3 DCS7.2.3 DCS的集中操作监控级的集中操作监控级2 显示操作站的构成：监控计算机：功能强，速度快，记录数据量大。键盘：操作员键盘（触摸屏），工程师键盘。CRT显示器：打印机：两台，一台用于生产记录报表和报警列表打印，行式打印机，一台用来打印流程画面，彩色打印机。3显示操作站的功能：显示操作站是信息集中分配中心，也是显示操作的中心。具有控制系统的生成，组态，集中监视操作，报警，显示，报表，通信等功能。分为操作员功能和工程师功能。7.2 分散型控制系统（分散型控制系统

21、（DCS）第39页，本讲稿共51页7.2.4 DCS7.2.4 DCS的综合信息管理级的综合信息管理级1 面向对象及完成功能：这一级由管理计算机，办公自动化系统，工厂自动化系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理，主要包括生产管理和经营管理。实际上是一个管理信息系统（MIS:ManagementInformationSystem），借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第40页，本讲稿共51页7.2.4 DCS7.2.4 DCS的综合信息管理级的综合信息管理级2 MIS的组成及功能：MIS应向用户提供信息，以便改进决策能力和提高效率，这意味着信

22、息是MIS最主要的资源。由MIS实现生产管理和经营管理。进行市场预测，经济信息分析，原材料库存情况，生产进度，工艺流程及工艺参数，生产统计，报表，长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，确保最佳化的经济效益。7.2 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS）第41页，本讲稿共51页7.3 现场总线（现场总线（Fieldbus）技术）技术 根据国际电工委员会IEC（International Electrotechnical Commision）标准和现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）的定义：现场总线现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式，双向传输，多分支机构的通信

23、网络。7.3.1 现场总线概述7.3.2 典型的现场总线7.3.3 现场总线控制系统7.3 现场总线技术现场总线技术 第42页，本讲稿共51页7.3.1 7.3.1 现场总线概述现场总线概述1 现场总线体系结构2 现场总线对自动化领域的变革4 现场总线产生的原因3 FCS对DCS的变革7.3 现场总线技术现场总线技术 第43页，本讲稿共51页1 1 现场总线体系结构现场总线体系结构现场总线的体系结构主要表现在：（1）现场通信网络（2）现场设备互连（3）互操作性（4）分散功能块（5）通信线供电（6）开放式互联网络7.3 现场总线技术现场总线技术 第44页，本讲稿共51页2 2 现场总线对自动化领

24、域的变革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代替一对信号线只能连接一台仪表；（2）用多变量，双向，数字通信方式代替单变量，单向，模拟传输方式；（3）用多功能的现场数字仪表代替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FCS代替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。7.3 现场总线技术现场总线技术 第45页，本讲稿共51页3 FCS3 FCS对对DCSDCS的变革的变革 （1）FCS的信号传输实现了全数字化，从最低层的传感器和执行器就采用现场总线，逐层向上均为通

25、信网络互连；（2）把DCS控制站的功能化整为零，分散的分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制；（3）FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备即可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变了传统DCS控制层的封闭性和专用性；（4）FCS的通信网络为开放式互连网络，即可同层互连，也可不同层互连，用户可方便的共享网络数据库；（5）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。7.3 现场总线技术现场总线技术 第46页，本讲稿共51页4 4 现场总线产生的原因现场总线产生的原因模拟仪表的缺点 （1）一对一结构；（2）可靠性差；（3）失控状态；（4）互换性差。（1）

26、一对N结构；（2）可靠性高；（3）可控状态；（4）互换性；（5）互操作性；（6）综合功能；（7）分散控制；（8）统一组态；（9）开放式系统；7.3 现场总线技术现场总线技术 第47页，本讲稿共51页7.3.2 7.3.2 典型的现场总线典型的现场总线1 1 CAN(Controller Area Network)CAN(Controller Area Network)控制器局域网络控制器局域网络2 2 LON(Local Operating Network)LON(Local Operating Network)局部操作网络局部操作网络3 3 PROFIBUSPROFIBUS（Process

27、Field BusProcess Field Bus）过程现场总线）过程现场总线4 4 FFFF（Fieldbus FoundationFieldbus Foundation）现场总线基金会现场总线）现场总线基金会现场总线5 HART7.3 现场总线技术现场总线技术 第48页，本讲稿共51页7.3.3 7.3.3 现场总线控制系统现场总线控制系统1 现场总线控制系统的产生2 现场总线控制系统的组成(1)智能仪表、控制器；(2)现场总线线路；(3)监控、组态计算机。7.3 现场总线技术现场总线技术 第49页，本讲稿共51页7.3.3 7.3.3 现场总线控制系统现场总线控制系统3现场总线控制系统

28、的特点(1)采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高可靠性和抗干扰能力。(2)采用统一的国际标准，不同厂家产品相互兼容，整个系统具有开放性，便于操作，维护和扩展。(3)控制功能下放在现场仪表中，控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。7.3 现场总线技术现场总线技术 第50页，本讲稿共51页7.3.3 7.3.3 现场总线控制系统现场总线控制系统(4)硬件相对简化，初期系统投资相对较低，同时，现场总线可提供来自现场仪表的设备管理数据作为维护的参考，将非正常停工损失降为最低。(5)采用功能块方式组态，现场总线已有大量可满足过程控制的功能模块，如输入、输出、PID调节等，一些模块还具有报警功能。(6)采用完全分散的数据库概念，只使用一个数据库，任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。这样，便不会产生重复的、不一致的数据库。7.3 现场总线技术现场总线技术 第51页，本讲稿共51页