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计算机控制系统第8章分布式计算机控制系统➢DCS硬件⚫集中显示管理，包括工程师站、操作员站和管理计算机⚫分散控制监测，包括控制站、监测站或现场控制站⚫网络通信➢DCS软件⚫实时多任务操作系统⚫数据库管理系统⚫数据通信软件⚫组态

软件⚫应用软件8.1概述8.1.1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分布式控制系统的发展1.DCS的开

创期(1975年~1980年)图8-1第一代DCS基本结构➢局部网络LAN（LocalAreaNetwork）➢多功能现场控制站MFCS（MultifunctionFieldControlStation）➢增强型操作站EOS（En

hancedOperatorStation）➢通用型操作站US（UniversalStation）➢网关GW（Gateway）➢系统管理模块SMM（SystemManagementModule）➢主计算机HC（HostComputer）2.集散控制系统的成长与完

善时期(1980年~1985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.集散控制系统的扩展期（1985年以后）8.2体系结构8.2.1DCS的层次结构SNetMNet生产计划质量管理销售业务备品库存成本会计采购业务工程师站操作站操作站数据服

务器MNet：管理网络SNet：系统网络CNet：控制网络现场控制站CNet…I/O模板00I/O00I/O01I/O02I/O15...I/O模板01I/O00I/O01I/O02I/O15...I/O模板02控制模板00SNet驱动SNet驱动控

制模板01现场控制站I/O模板31图8-4典型集散控制系统的硬件结构示意图8.2.2DCS的硬件结构8.2.3DCS的软件结构监控软件：◆实时数据库◆画面及流程显示◆控制算法运行◆系统硬件诊断◆报警、报表、趋势显示◆DDE

、OPC、ODBC、ActiveX等接口◆SOE分析软件(SunySOE)◆WEB服务◆安全性保证Internet/Intranet服务器操作员站管理网络MNETTCP/IP协议冗余系统网络SNET现场控制站冗余控

制网络CNET现场I/O工程师站控制软件：◆多任务多线程实时操作系统◆信号采集◆数据转换◆控制算法运行◆通讯功能◆冗余切换◆故障诊断◆在线组态、在线下装支持ERP系统现场I/O组态软件：◆实时数据库组态◆控制及算法组态◆系统硬件组态◆工程管理组态◆图形组态

◆历史记录组态◆报表、报警组态◆在线组态、在线下装◆安全性组态图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图8-7现场控制站软件结构➢DCS的控制网络CNET➢DCS的系统网络SNET➢DCS的管理网络MNET➢D

CS的决策管理网络DNET8.2.4DCS的网络结构8.3基本类型8.3.1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.TDC3000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.TDC3000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TDC3000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.TDC300

0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。8.3.2集散型控制系统存在的问题8.3.3基于IPC构成的分布式控制系统1.IPC-DCS的层次结构管理层（SMS）以太网串行接口操作层（IOS）以太网终端BUS现场控制层（FC

S）仪表层（FIS）工业以太网（Profibus或PMI)ARCNET或485NET图8-9IPC-DCS的基本结构监控组态软件-服务端I/O设备监控组态软件-客户端监控组态软件-客户端I/O连接网络图8-10客户/服务器结构监控组态软件I/O设备I/O连接网络I/O连接图8-11对等结构2.IP

C-DCS的网络结构监控组态软件监控组态软件监控组态软件监控组态软件关系数据库应用程序浏览器应用程序过程网络I/O连接I/O连接图8-12混合结构工作站工作站工作站工作站COM1COM3COM2COM1COM1COM1图8-13以RS-232方式共享数据3.IP

C-DCS的通信方式COM1COM1COM1COM1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监控组态软件TelServer监控组态软件TelServerMODEMMODEMW

ebServer市话网MODEM办公室局域网生产装置生产装置监控组态软件TelClient8.3.4基于PLC构成的分布式控制系统图8-16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，FunctionBlock）与功能块应用进程（FBAP，FunctionBlo

ckApplicationProcess）➢设备描述（DD，DeviceDescription）与设备描述语言（DDL，DeviceDescriptionLanguage）➢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基金会现场总线FF图8-17基金会现场总线的拓扑结构➢Profibus分为Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA三个兼容版本。⚫Profib

us-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0~20mA并行信号线。⚫Profibus-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。⚫Profibus-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过程现场总线Profibus➢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-D

P使用第1层、第2层和用户接口。直接数据链路映像（DDLM，directdatalinkmapped）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，fieldbusmessagespecification）和低层接口（LLI，lowerlayerinterface。➢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9.6Kbp

s~12Mbps，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：⚫LonWorks节点和路由器；⚫LonTalk协议；LonWorks收发器；⚫网

络开发工具（LonBuilder）⚫节点开发工具（NodeBuilder）。8.4.4LonWorks总线➢Neuron芯片⚫MC143150支持外部存储器；⚫MC143120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⚫CPU1是MAC处理器，完成介质访问控制（MediaAccessControl），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。⚫CPU2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。⚫CPU3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（CP0～CP4）配置

成三种不同的接口工作方式⚫单端（single-ended）⚫双端差分（differential）⚫特殊目的（specialpurpose）方式。➢LonTalk协议提供OSI参考模型规定的7层服务，特点如下：⚫发送的报文都是很短的数据（通常

几个到几十个字节）；⚫通信带宽不高（几Kbps到2Mbps）；⚫网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机；⚫多节点，多通信介质；⚫可靠性高，实时性强。➢LonTalk协议提供四种基本报文服务：⚫应答确认方式（Ackno

wledge）⚫请求/响应方式（Request/Response）⚫非应答重复方式（UnacknowledgedRepeated）⚫非应答方式（Unacknowledged）➢带预测的P-坚持CSMA⚫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1～63的n，由n来决定应该增加的时间片数。⚫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⚫为每一个节点分配一个待定的优先级时间片（PrioritySlot）⚫发送时，数

据报文在该时间片里将数据报文发送出去。⚫时间片从0～127，0表示不需要等待立即发送，1表示等待一个时间片，……，⚫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。⚫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（FSK—FrequencyShiftK

eying），在4~20mA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8-18所示。⚫HART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。8.4.5HART通信协议图8-18HART数字通信信号➢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8-19所示，

最长可达25个字节。⚫HART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。⚫从设备可寻址范围为0~15，当地址为0时，为点对点模式；当地址为1~15时，为多点模式。图8-18HART数据通信帧格式➢应用层规定了HART通信命令的内容（见表8-1）⚫第一类是通用命令（U

niversalCommands）⚫第二类是普通应用命令（Common-PracticeCommands）⚫第三类是特殊命令（Device-SpecificCommands）表8-1HART命令➢HART通信的应用通常有三种方式。⚫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。⚫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。⚫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；8.4.6CAN通信协议1、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（NonRetruntoZero，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.CAN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４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.基于CAN总线的软件设计技术➢现场总线的缺点⚫现有的现场总线标准过多。⚫相互之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访；⚫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基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统➢以太网优点⚫通信速率高⚫应用广泛⚫成本低廉⚫易于信息集成⚫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：⚫通信存在不确定性⚫不适用

于恶劣的工业现场环境⚫安全性和总线供电⚫微处理器功能限制➢HSE(HighSpeedEthernet)⚫HSE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。

⚫HSE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FFH1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备将FFH1网络连接到HSE网段上。⚫HSE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。⚫HSE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⚫基于通用对象模型（COM）的分布式自动化系统；⚫规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；⚫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。⚫PROFInet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。⚫可同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现

场设备。现有的Profibus网段可通过代理设备连接到PROFInet。传统的Profibus设备可通过代理与PROFInet上的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。➢Ethernet/IP⚫采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，利用以太网交换机

实现各设备间的点对点连接。⚫协议由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP等3个部分组成。⚫采用ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP。⚫采用生产者/消费者的通信模式，允许网络上

的不同节点同时存取同一个源的数据。⚫协议将信息分为显式和隐式两种。•显式消息由Ethernet/IP应用TCP/IP发送，其数据段既包括协议信息又包括行为指令。收到显式信息后，节点执行所要求的任务并产生应答。•隐式信息由Ethernet/IP采用UDP/IP发送，其数据段没有协议信

息，仅包括实时I/O数据。➢ModbusTCP/IP⚫基于Modbus协议⚫ModbusTCP/IP协议将Modbus帧嵌入到TCP帧⚫请求/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合Modbus注册了502号端口➢现场设备层➢控制管理层➢生产管理层8.5.

2基于工业以太网和现场总线构成的分布式控制系统➢现场设备层的主要作用是连接现场设备，完成数据的原始采集。一个采集区域的网络如图8-20所示。➢在控制管理层，将现场采集实时数据传送到SCADA节点并进行处理，在本地实现流程图显示、趋势曲线、历史数据保存、历史曲线查询、参数调

整、报警管理、报表管理等功能。控制管理层如图8-21所示：图8-20现场设备层网络结构示意图图8-21控制管理层和生产管理层网络结构示意图第8章完