计算机控制技术第8章课件.ppt

1、第一节 数据通信与工业网络一、概述 计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展，促成了信息技术的革命。信息技术革命的一个重要方面便是计算机网络的产生和发展。随着信息技术和计算机网络的迅速发展，自动化领域也相应地发生了深刻变化。现代工业生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，对产品的品质和花色要求越来越高，这一切都对生产过程的自动化提出了更高的要求。单机自动化已不能满足现代生产需求，而计算机网络的发展促成了自动化领域的开放系统互联通信网络的出现，从而形成了分散式网络集成自动化系统。集散控制系统和现场总线控制系统正是当今自动化领域重要的新型计算机控制系统，它们构成了工业过程控制典型实现模式。工业计算机

2、网络是在通用计算机网络基础上发展起来的，用于完成二、数据通信技术与工业自动化相关的各种生产任务的计算机网络系统，其目的是实现资源共享、分散处理和工业控制与管理的一体化。工业网络在体系结构上可分为信息网和控制网两个层次，信息网位于上层，是企业决策级数据共享和协同操作的载体；控制网位于下层，与信息网紧密地集成在一起，服从信息网的操作，同时，又具有独立性和完整性。因此，工业计算机网络可理解为是利用传输媒体把分布在不同地点的多个独立的计算机系统、自动控制装置、现场设备等按照不同的拓朴结构，应用各种数据通信方式连接起来的一种网络。计算机数据通信技术则是计算机网络的支撑技术之一。(一)数据传送方式 计算机

3、之间或计算机与控制设备交换信息方式有两种：数据各位同时传送的并行通信方式和数据各位依次传送的串行通信方式。(1)单工通信(2)半双工通信(3)全双工通信(二)数据传输形式1基带传输2频带传输(三)同步技术1同步通信方式2异步通信方式异步通信方式又称为起止同步方式，是计算机通信中常用的同步方式。(四)差错控制技术1奇偶校验2CRC校验(1)循环冗余校验原理(2)循环码的生成(3)纠错方式1)重发纠错。在数据传输中发现错误后，控制差错的方法主要有两种：一是采用具有纠错能力的检验码自动纠正错误；二是采用只具有检错能力的检验码，发现错误后，控制数据重发。因此，常用的纠错方法有三种：重发纠错、自动纠错和

4、混合纠错。接收端发现传输数据出错，则请求发送端再次发送，直到接收端认为正确为止。2)自动纠错。发送端发送能纠错的信息码接收端收到编码后，通过译码不仅能自动地发现错误，而且能自动纠正传输中的错误。3)混合纠错。该方式是前两种方式的结合，发送端发送的信息码不但有检错能力，且有一定的纠错能力。因此，若接收端接收的码组中的差错个数在纠错能力之内，可自动纠错；若超过纠错能力，则接收端将通过反馈信道命令发送端重发，直到正确为止。三、网络拓朴结构 网络拓朴结构是从网络拓朴的观点来讨论和设计网络的特性，也就是讨论网络中的通信节点和通信信道连接构成的各种几何构形，用以反映出网络各组成部份之间的结构关系，从而反映

5、整个网络的结构外貌。局域网常见的拓朴结构有星形、环形、总线型等。1星形结构 星形拓朴结构是一种以中央节点为中心，把若干个外围节点连接起来的幅射式互连结构。星形的中心是通信交换节点，而外围节点则是各个远程站。每个节点都是通过点对点线路与中央节点相连接，呈星形状态，因而得名。2环形结构 所有节点连接成环状，如图所示。在这种结构中线路上的信息按点对点的方式传输，即由一个节点发出的信息只传到下一个节点，若该节点不是信息的接收站，就再把信息传到下一个节点，重复进行，直到信息到达目的节点为止。环形网具有如下特点：1)由于它是一种多点式访问型网络结构，即可以实现点对点通信，也可实现广播式数据通信，覆盖地域较

6、远。2)环形网由于数据在整个网上顺序传输，因此中间环节中任一节点或信道故障都会终止网络的工作，因此可靠性较差。此外，加入新的节点也较困难。3总线型结构 1)有较好的扩充性，节点的增加和位置的变动相对比较容易，网络的长度可通过增加中继器延伸和扩展。2)总线网络通常采用无源工作方式，因此，网上任一节点发生故障时不会造成整个网络故障，使网络的可靠性得以提高，但网络对总线故障比较敏感。3)由于节点共用一条传输线路，所以信道利用率高。四、网络通信协议 在通信网络中，对所有节点来说，它们都要共享网络中的资源或相互之间要进行信息交换。而不同实体要想成功地通信，它们必须具有相同的语言，必须遵从某种都能接受的规

7、则，这些规则的集合称为协议。通信协议又称通信规程，它是通信双方如何进行对话的约定与规则，它决定了网络通信中传输的信息报文格式与控制方式。协议的主要功能是数据交换、信息编码、差错控制与线路合理利用等。(一)OSI参考模型结构 开放型互联0SI参考模型共分为七层功能及协议，从下至上依次为物理层、链路层、网络层、传输层、对话层、表示层、应用层，其参考模型如图所示。(二)0SI参考模型各层协议1物理层PH(Phvsieal)物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。物理层主要任务是为通信各方提供物理信道(如电缆类型、信号、电平、传输速率等)，它提供物

8、理连接的四个特性。(1)机械特性(2)电气特性(3)功能特性(4)规程特性2数据链路层DL(Data Link)3网络层N(Network)(1)网络地址(2)网络连接为建立、维护和释放网络连接提供方法。是网络层识别传输实体的标志，也是传输实体问相互识别的标志。(3)网络服务数据单元的传输4传输层T(Tran8port)5会话层S(Session)6表示层P(Presentation)7应用层A(Application)第二节 集散控制系统一、概述(一)集散控制系统概念计算机控制系统按总体结构来分，有集中型控制和集散型控制两大类。1集中型控制系统2集散型控制系统(二)集散控制系统特点(1)自主

9、性(2)协调性(3)在线性和实时性(4)高可靠性(5)适应性、灵活性和可扩充性(6)友好性(三)集散控制系统发展过程及典型产品 集散控制系统随着计算机网络技术、控制技术、通信技术的发展，共经历了三个重要的发展阶段。二、集散控制系统的功能层次结构 典型的DCS采用了如图所示的三层结构，第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。(一)分散过程控制级2智能调节器3可编程序控制器(PLC)(二)集中操作监控级1现场控制站(1)过程数据采集(2)装置状态和设备运行状态监测与诊断(3)闭环和开环控制1DCS操作员站1)模拟图。2)棒形图。3)曲线图。4)以任意主要参数为中心和

10、若干与其有关的参数组成的一幅画面。便于随其主要参数进行综合监视和分析。5)成组画面。6)检索类画面。2DCS的系统工程师站(三)综合信息管理级三、集散控制系统的发展趋势(一)传统集散控制系统面临的挑战1价格昂贵，技术滞后 2开放程度不够 3功能需进一步分散化、智能化(二)新一代开放式集散控制系统1工业PC机在DCS中的应用2通用化、标准化软件包在DCS中的应用工程师站应提供如下功能：(1)硬件配置组态功能(2)数据库组态功能(3)控制回路组态功能(5)控制算法语言的组态(6)操作员站显示画面的生成(4)逻辑控制及批控制组态第三节 现场总线控制系统一、现场总线概述(一)现场总线 (1)美国仪表协

11、会ISA标准与实施(Standard and Practice)第50组简称SP50的定义现场总线是一种串行的数字数据通信线路它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即现场设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备)之间的联系。(2)国际电工委员IEC标准和现场总线基金会FF的定义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、多分支结构的通信网络。(二)现场总线的体系结构(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)开放式互连网络(三)现场总线技术产生的意义 1)现场总线是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场网络通信协

12、议，这是工业现场级设备通信的一次数字化革命。2)传统的现场级自动化监控系统采用一对一连接的420mA24V(DC)信息，信息量有限，大量的数据，如设备参数、故障记录等数据很难得到。3)基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的范围一直延伸到生产现场。二、现场总线的特点与优势1现场总线的特点(1)全数字化通信(2)开放性(3)智能化(4)互换性(5)风险分散性(6)适应性三、现场总线通信协议(1)通信介质的多样性(2)实时性(3)信息的完整性、精确性(4)可靠性(5)可互操作性(6)开放性四、几种典型的现场总线2现

13、场总线系统的优势(1)节省硬件数量(2)节省安装费用(3)节省维护费用(4)用户具有系统集成的主动权(5)提高了系统的准确性与可靠性CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用许多新技术及独特的1PROFIBUS PROFIBUS(Process Fieldbus)是以德国Siemens公司为首的十几家德国公司和研究所共同推出的现场总线标准，PROFIBUS是不依赖设备生产商的现场总线标准。针对不同的应用场合，PROFIBUS分为PROFIBUSDP(Distributed Peripheral)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)PROFIB

14、USPA(Process Automation)三个系列。2基金会现场总线(FF)基金会现场总线(Foundation Fieldbus)是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、危险场合、多变量过程以及总线供电等方面，都有完善的措施。3LonWorks4CAN设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：1)采用多主方式工作，网络上的任意节点可主动向其他节点发送数据。它是一种多主总线，可以方便地构成多机备份系统。2)CAN网络上的节点信息可以定义成不同的优先级，大大节省了总线冲突裁决时间。3)数据传递采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，这样不仅可以满足工控领域中传递控制指令、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。4)每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据差错率低。5)通信介质可为双绞线、同轴电缆和光纤，选择灵活，通信距离可达40m(1 Mbits时)10km(5kbits时)，总线节点数最多可达110个。