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1、范立南 李雪飞 编著机械工业出版社计算机控制技术(第2版)第8章 计算机网络控制技术第8章 计算机网络控制技术 8.1 计算机工业网络基础8.2 集散控制系统8.3 现场总线控制系统8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础8.1.1 网络功能及分类网络功能及分类1网络的功能（1）数据传送（2）资源共享（3）提高计算机的可靠性和可用性2网络的类型 按网络范围和计算机之间互连的距离可分为：广域网和局域网。按网络拓扑结构可分为总线网、环形网、星形网等；按通信介质可分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网和无线网等。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础8.1.2 网络拓扑结构网络拓扑结构1星形拓扑
2、结构图8-1 星形拓扑结8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础3总线形拓扑结构图8-3 总线形拓扑结构8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础4树形拓扑结构图8-4 树形拓扑结构8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础8.1.3 传输介质传输介质 传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的载体）。1双绞线 双绞线既可用于模拟信号传输又可传输数字信号。若传输模拟信号，约56km要有一个放大器，若传输数字信号则每23km需要一个中继器。双绞线在传输距离、信道带宽和传输速率等方面均受一定限制，抗高频干扰能力较弱，但价格低廉。
3、双绞线适合于点对点的通信，不宜直接作分支传输。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础3光纤 光缆是网络传输介质中性能最好、应用最广泛的一种。光纤只能传输光信号，要传输电信号时，必须用发光元件把电信号转化为光信号，光信号在光缆中不断反射并向前传播，达到目的地后，再用检光元件把光信号转化为电信号。光纤最普遍的连接方法是点-点方式。光纤具有通信容量大、传输速率高、频带宽、传输距离长、对噪声和电磁干扰有较强的抗干扰能力和保密性强等优点。光纤电缆的传输速率可达几百Mbit/s。但光纤衔接困难，价格较贵。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础4无线通信 无线通信主要是指微波通信。在地面传播距离
4、一般在4060km范围。当传输距离超过上述范围时就要设中继站，以便信息的中继传递。微波通信具有通信容量大、受外界干扰小、传输质量高、初建费用小等优点，但保密性差。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础2令牌总线 令牌总线（Token Passing Bus）控制技术适用于总线形网络。令牌总线工作原理与令牌环相似。3冲突检测的载波侦听多路访问 带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术适用于总线形网络。该控制方式的工作原理是：当一节点要发送信息时，先要侦听总线是否空闲，若闲，则将信息发送到总线上；否则等待一段时间，再侦听，直至总线空闲为止。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基
5、础S1S6站 N1N7节点 图8-5 复杂网络的信息交换8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础 线路交换方式的通信分三步：建立线路，传送数据，拆除线路。该方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式通信。该方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低；系统不具有存储数据的能力，也不具备差错控制能力。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础（2）报文分组存储转发交换。首先将前面所说的报文分成若干个报文段，并在每个报文段上附加传送时所必需的控制信息。这些报文段经不同的路径分别传送到目的站后，再拼装成一个完整的报文。对于这些报文段，称为报文存储转发分组，它是分组交换中的基本单位。报文分组存储转
6、发交换与报文存储转发交换的形式差别在于不是以报文为单位，而是以报文分组为单位进行传送。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础PlPn报文分组号 P报文分组总组数 图8-6 报文分组存储转发示例8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础8.1.6 网络协议及其层次结构网络协议及其层次结构1网络协议2网络协议的层次结构网络协议的层次结构如下：（1）结构中的每一层都规定有明确的服务及接口标准。（2）把用户的应用程序作为最高层。（3）除了最高层外，中间的每一层都向上一层提供服务，同时又是下一层的用户。（4）把物理通信线路作为最低层，它使用从最高层传送来的参数，是提供服务的基础。8.1 计算机工
7、业网络基础计算机工业网络基础 国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM（Open system InterconnectionReference Model）模型。“开放”的意思是使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统可以进行互联。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础图8-7 OSI模型 物理层在信道上传输未经处理的信息；数据链路层将可能有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无差错的传输线路；网络层的任务是使网络中传输分组；传输层的基本功能是从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据全部正确地到达另一端；会话层用于控制建立或结束一个
8、通信会话的进程；表示层实现不同信息格式和编码之间的转换；应用层规定在不同应用情况下所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础2网桥 网桥属于数据链路层的一种设备，是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。网桥属于数据链路层的一种设备，它的作用是扩展网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的距离，同时又有选择地将有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信。网桥的作用是通过“过滤和转发”功能来实现的，提高了整个网络的效率。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础3路由器 路由器工作在O
9、SI体系结构中的网络层，可以在多个网络上交换和路由数据包。路由器是用于连接多个逻辑上分开的网络。路由器与网桥相比，路由器不但能过滤和分隔网络信息流、连接网络分支，还能访问数据包中更多的信息。但是路由器比网桥慢，主要用于广域网或广域网与局域网的互连。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础4网关 网关的功能体现在OSI模型的最高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，网关很难实现通用的协议转换。8.1 计算机工业网络基础计算机工业网络基础 （2）中小型系统的工业网络选型2工业网络的选型 （
10、1）大型系统的工业网络选型 大型系统常采用分散型控制的模式，系统主要分为3级，并采用纵向层次结构，其网络选型可按以下考虑1）分散过程控制级。2）集中操作监控级。3）综合信息管理级。8.2 集散控制系统集散控制系统8.2.1 集散控制系统的产生与发展集散控制系统的产生与发展1集散控制系统的产生 在连续过程控制中，常规模拟仪表控制和早期的计算机控制可归纳为仪表分散控制系统、仪表集中控制系统和计算机集中控制系统3种类型。在20世纪50年代前：仪表分散控制系统。其优点是危险分散，缺点是只能实现简单的控制，不便于集中管理，而且只适用于几个控制回路的小型系统。8.2 集散控制系统集散控制系统2集散控制系统
11、的发展（1）第一代DCS的基本结构图8-8 第一代DCS的基本结构8.2 集散控制系统集散控制系统（2）第二代DCS的基本结构图8-9 第二代DCS的基本结构8.2 集散控制系统集散控制系统（3）第三代DCS的基本结构图8-10 第三代DCS的基本结构8.2 集散控制系统集散控制系统8.2.2 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构1DCS的层次结构图8-11 DCS的层次结构8.2 集散控制系统集散控制系统2DCS的硬件结构 DCS硬件采用积木式结构，可灵活地配置成小、中、大系统；另外，还可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加功能。DCS控制网络上的各类节点数，可按生产要求和用
12、户需要灵活地配置。另外，还可以灵活地配置每个节点的硬件资源。DCS控制站主要由输入输出单元、过程控制单元和电源三部分组成。输入输出单元是过程控制站的基础，过程控制单元是控制站的核心。8.2 集散控制系统集散控制系统 DCS操作员站、DCS工程师站和DCS监控计算机站的配置类似，一般为32位或64位微处理器或小型机，主要由主机、彩色显示器、操作员专用键盘和打印机等组成。其中工程师站既可用作离线组态，也可用作在线维护和诊断。一般DCS的直接控制层和操作监控层的设备都有定型产品供用户选择，而生产管理层和决策管理层的设备无定型产品，一般由用户自行配置。8.2 集散控制系统集散控制系统3DCS的软件结构
13、 DCS软件采用模块式结构，给用户提供了一个十分友好、简便的使用环境。在组态软件支持下，通过调用功能模块可快速地构成所需的控制回路，在绘图软件支持下，通过调用绘图工具和标准图素，可简便地绘制出人机界面。DCS控制站软件的用户表现形式是各类功能模块，DCS操作员站软件的用户表现形式是为用户提供了丰富多彩、图文并茂、形象直观的动态画面。DCS工程师站的用户软件包括组态软件、绘图软件和编程软件，其主要功能是组态。DCS监控计算机站软件的用户表现形式是应用软件包，用来实施高等过程控制策略，实现装置级的优化控制和协调控制，并对生产过程进行故障诊断、事故预报和处理。8.2 集散控制系统集散控制系统4DCS
14、的网络结构 DCS采用层次化网络结构，从下至上依次分为控制网络、生产管理网络和决策管理网络。DCS控制网路是DCS的中枢，应具有良好的实时性、快速响应性、极高的安全性、恶劣环境的适应性、网络的互联性和网络的开放性等特点。选用局域网。DCS生产管理网络处于工厂级，覆盖一个厂区的各个网络节点。一般选用局域网。DCS决策管理网络处于公司级，覆盖全公司的各个网络节点，一般选用局域网或区域网。8.2 集散控制系统集散控制系统8.2.3 集散控制系统的特点集散控制系统的特点1分散性和集中性2自治性和协调性3灵活性和扩展性4先进性和继承性5可靠性和适应性6友好性和新颖性8.3 现场总线控制系统现场总线控制系
15、统8.3.1 现场总线控制系统概述现场总线控制系统概述1FCS的含义 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。2FCS的产生 现场总线的出现导致传统的模拟仪表控制系统、DDC和DCS产生革命性的变革，变革传统的信号标准，变革传统的系统结构，形成新一代的分布式网络集成的现场总线控制系统。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统 FCS变革了DCS的生产现场层和控制层，主要表现在以下五个方面。（1）FCS的信号传输实现了全数字化。（2）FCS的系统结构为全分散式。（3）FCS的现场设备具有互操作性。（4）FCS的通信网络为开放式互连网络。（5
16、）FCS的技术和标准实现了全开放。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统3FCS的特点（1）系统的分散性（2）系统的开放性（3）产品的互操作性（4）环境的适应性（5）使用的经济性（6）维护的简易性8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统8.3.2 几种有影响的现场总线几种有影响的现场总线1CAN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。CAN总线具有如下主要特点。（1）通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，通信距离最大可达10km（5 kbit/s），最高速率可达l Mbit/s（40m）。（2）用数据
17、块编码方式代替传统的站地址编码方式，用一个11位或29位二进制数组成的标识码来定义211或1129个不同的数据块，让各节点通过滤波的方法分别接收指定标识码的数据，这种编码方式使得系统配置非常灵活。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统（3）网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向其他节点发送数据，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，这是一种多主总线，可以方便地构成多机备份系统。（4）网络上的节点信息分成不同的优先级，当多个节点同时向总线发送数据时，优先级低的节点会主动停止数据发送，而优先级高的节点则不受影响地继续传送数据，大大节省了总线冲突裁决时间。（5）数据帧中的数据字段长
18、度最多为8bit，这样不仅可以满足工控领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的一般要求，而且保证了通信的实时性。（6）在每一个帧中都有CRC校验及其他检错措施，数据差错率低。（7）网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，退出网络通信，保证总线上的其他操作不受影响。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统2LonWorks控制网络和Lon总线 Echeon公司于1991年推出的LonWorks全分布智能控制网络技术。其网络结构由主从式发展到对等式直到今天的客户服务式。作为通用总线，LonWorks提供了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设备级、工厂级等任何一层总
19、线中，并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝集成。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统LON总线具有以下特点：（1）LonWorks通信协议LonTalk符合ISO定义的开放互连（OSI）模型，任何制造商的产品都可以实现互操作。（2）可用任何媒介进行通信，而且在同一网络中可以有多种通信媒介。（3）可以是主从式、对等式或客户/服务器式网络结构。（4）网络通信采用面向对象的设计方法。（5）在一个测控网络上的节点数可达32000个。（6）提供强有力的开发工具平台LonBuilder与Nodebuilder。（7）LonWorks技术核心元件Ne
20、uron芯片具备通信和控制功能。（8）改善了CSMA，在网络负载很重的情况下，不会导致网络瘫痪。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统3FF总线 FF总线即基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）是为适应生产自动化，尤其是过程自动化而设计的。FF标准是现场总线基金会组织开发的，它综合了通信技术和控制技术。FF规定了低速现场总线（H1）和高速以太网（High Speed Ethernet，HSE）两类标准。该基金会为世界上任何一个用户提供FF标准，为开发者提供FF产品的一致性测试和互操作性测试，并举行产品注册认证。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统优点：（1）设备互
21、操作性。（2）改善的过程数据。（3）对进程更多的了解。（4）提高现场设备安全性能，满足日益严格的控制设备安全要求。（5）提供预测性维护能力。（6）FF现场总线大大减少了网络安装费用，构建和运行启动时间大大减少，可以利用总线设备中的软件控制模块简化编程和控制功能。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统4Profibus总线 过程现场总线（Process FieldBus，Profibus）可用于制造自动化、过程自动化等领域。该总线首先成为德国国家标准DIN19245，接着成为欧洲标准EN50170，最后成为国际电工委员会（IEC）的现场总线标准IEC61158。Profibus中3个互相兼容协
22、议：（1）Profibus-DP。（2）Profibus-PA。（3）Profibus-FMS。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统Profibus总线协议具有如下特点：（1）不支持长信息段235B和短信息组块功能。（2）本规范不提供由网络层支持运行的功能。（3）除规定的最小组态外，根据需求可以建立任意的服务子集。（4）采用总线形网络拓扑结构，两端带终端器或不带终端器。（5）介质、距离、站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，单段长度小于或等于1.2km，不带中继器，每段32个站点。可选第二种介质。（6）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kbit/s到12Mbit/s不等。（7）在传
23、输时，使用半双工，异步，滑差保护同步（无位填充）。（8）报文数据的完整性，用海明距离=4同步滑差检查和特殊序列，以避免数据的丢失和增加。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统（9）地址定义范围为：0127（对广播和群播而言，127是全局地址），对区域地址、段地址的服务存取地址（服务存取点）的地址扩展，每个6bit。（10）使用两类站：主站（主动站，具有总线存取控制权）和从站（被动站，没有总线存取权）。如果对实时性要求不苛刻，最多可用32个主站，总站数可达127个。（11）总线存取基于混合、分散、集中三种方式：主站间用令牌传送，主站与从站之间用主-从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。如
24、果系统中仅有一个主站，则不需要令牌传送。这是一个单主站-多从站的系统。最小的系统配置由一个主站和一个从站或两个主站组成。（12）数据传输服务有两类：非循环的（有/无应答要求的发送数据；有应答要求的发送和请求数据）和循环的（有应答要求的发送和请求数据）。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统8.3.3 FCS的体系结构的体系结构1FCS的层次结构图8-12 FCS的层次结构8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统2FCS的硬件结构 FCS硬件采用积木式结构，可灵活地配置成小、中、大系统。现场总线的段数及现场总线仪表或设备的数量，可按信号输入、输出、运算和控制要求配置。监控网络上的操作员站、工程
25、师站和监控计算机站的数量，可按操作监控要求配置。FCS的操作员站、工程师站和监控计算机站的硬件结构也DCS的类似，而FCS的现场仪表的硬件结构与DCS有所不同。常用的现场总线仪表有变送器和执行器，这些变送器、执行器的外观和基本结构与常规模拟仪表一样，只是在常规模拟仪表的基础上增加了与现场总线有关的硬件和软件，即增加了信号处理、运算控制、总线协议及通信接口。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统3FCS的软件结构 FCS的操作员站、工程师站和监控计算机站的软件结构与DCS的类似，FCS的现场仪表的软件结构与DCS的不同。现场总线的节点是现场仪表或现场设备，其软件可分为通信协议软件和应用软件两部分。应用软件的用户表现形式是各类功能块，如输入块、输出块、控制块和运算块。在组态软件的支持下，用这些功能块在现场总线上构成所需的控制回路。8.3 现场总线控制系统现场总线控制系统4FCS的网络结构 FCS采用层次化网络结构，从下至上依次分为现场总线网络（FNET）、监控网络（SNET）、生产管理网络（MNET）和决策管理网络（DNET）。现场总线网络是FCS的基础，由多条现场总线段构成，支持总线形、树形网络拓扑结构，传输速率从几十Kbps几Mbps，常用的传输介质为双绞线。目前有多种现场总线，每种现场总线都有最为合适的应用领域。监控网络、生产管理网络和决策管理网络与DCS的类似。