机电一体机械电子系统的网络监控

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1、第九章 机械电子系统的 网络监控 通信技术在工业控制系统中并不是一种全新的技术 ，但是随着智能化仪表、特别是智能信息技术的发 展，已经成为工业现场的“神经系统”，是系统的重 要组成部分。以一个自动制造单元为例，它包括铣 床、车床等若干台机床、用机械手装卸的工件和刀 具、传送系统搬运物料。控制这样一个自动制造单 元的方法之一是：用一个单处理器系统控制单元内 所有的机床。这种单处理器系统有以下缺点：l1)计算处理任务繁重，必须使用高性能处理器，硬件费用 昂贵；l2)要完成多重任务，软件非常复杂；l3)系统可靠性低，处理器故障会造成整个制造单元停止工 作；l4)软件、硬件维护费用很高。另一种可选择的

2、控制方法是：给单元内每 一台机床配置自己的局部控制系统，用一 个监控系统协调各个局部控制器的功能。 这些局部控制器通过数字通讯系统与监测 控制器相连，监测控制器可以向每个局部 控制器发布命令，并且监视各个局部控制 器的工作状态。这种方案的优点是： 1)每个局部控制器的工作量要比单处理器方案中 控制器的工作量少得多(因为它们无需具有这么多 的功能)，因而硬件可以采用低费用的微处理器； 2)在每个局部控制器中的软件不像在单处理器系 统那样复杂，因而很容易写入并保存； 3)任何一个局部控制器的失效，只对它所控制的 那部分单元产生影响。然而，在一些关键环节上的 故障，可能会导致整个单元停止工作。系统的

3、可靠 性可以采用容错技术来提高，如在系统的关键环节 上采用双处理器冗余系统，但在使用这些技术之前 必须把由此产生的费用与普通系统发生故障而引起 的损失做一番权衡。 上述单处理器方案是通常所指的集中处理系统。 多处理器方案中，控制器分布在系统的各个接近 控制作用点的位置，因而这种方法叫做分布式系 统。因为许多控制器是基于微处理器技术的，“分 布式”这个词同时也隐含了智能的分布和处理能力 的分布。一个分布式控制系统可能由多个基于微 处理器的控制器和计算机组成，这些控制器或计 算机能进行相互间的通信以便交换命令和信息， 因此通信系统是分布式系统中不可缺少的一部分 ，它们的工作性能将对整个控制系统的性

4、能产生 直接影响。本章从工业控制应用出发，介绍通信系统的基本 内容。 9.1 控制系统和通信系统的分层体系 大型或复杂的 控制系统中， 控制功能形成 了分层体系。 图9-1中所示 为制造系统分 层控制体系的 一般结构图。图91 制造系统分层体系在分层体系的最上层是那些支持着制造过 程整体管理功能的系统，如工作调度程序 、库存控制和工作量监督系统。这些上层 管理系统对下面一层的系统发出命令，同 时接收关于下面一层系统的状态报告，通 过这些报告得到关于整个制造过程的工作 信息。必要时上层管理系统向下发出指示 ，改进整个系统工作状况。这一层次也与 其他工程系统相联系，如计算机应用过程 辅助设计系统等

5、。下一层是监控层，其作用是对系统进行全 面控制。在全自动化制造系统中，设计系 统向各台机器和制造单元给出关于零件制 造的各种指示，指示机器和制造单元使用 何种材料，材料放在何处，怎样运送材料 以及最终产品按什么次序放在什么地点。 监控控制器确保把必要的控制信息传送到 机器，并使产品制造过程的各个阶段得到 控制和监视。 体系更下一层是直接数字控制和顺序控制层，它 执行的是系统的底层控制。直接数字控制指模拟 变量的数字控制，如温度或位置；而顺序控制则 对逻辑变量进行控制，这些变量只有开或关两个 状态。两种控制方式都要用传感器测量被控量的 变化，同时控制器根据这些测量信息来调整其输 出控制信号，通过

6、各种执行器使被控量达到给定 值。这种类型的控制被称为闭环控制，因为信息 流从控制器出发，到驱动系统的执行器，再到传 感器，最终反馈到控制器，整个过程组成一个闭 环。还有一种控制是开环控制，在这种情况下不 测量被控变量，控制器只是简单地向执行器输出 控制信号以驱动系统。 在分层体系的最底层是传感器层。传感器 提供了控制系统与过程之间的界面。在这 里模拟量和数字量的传感器都很常见。传 感器技术的发展趋势是在传感器上使用微 处理器系统来提高它们的性能和功能，这 样就把智能分布到控制系统与它们所控制 的机器、系统或各个过程之间的各个界面 。这使得许多信号处理功能在传感器层， 也就是最有效的部位完成。

7、从这个制造系统层次体系的描述中，可以 看到在体系中各层次的排列次序定义了一 个从高到低的命令结构和一个从低到高的 信息流。在分布式系统中，数字通信系统 使得这些信息在分层体系的同一层次和不 同层次之间高效地传递。 体系各层次不同的功能导致计算机和控制 器之间传递的数据特征不同。在管理层中 的信息传递通常是计算机和一些终端之间 的文件传递。操作者在终端上通过通信系 统与计算机联系。因此在最高层的通信系 统中，传输数据的一个特征是数量大但不 频繁，主要是文件形式；另一个特征是小 批量较频繁的字符形式。这两种数据传输 类型都可以认为是随机发生的。在管理层 通信中没有实时过程，无需规定数据传输 最大时

8、延。 在监控层中传递的数据特征与管理层类 似，只是当数据被用于监控控制系统功能 时具有较宽的实时性。也就是说，尽管监 控层的数据被用于实时控制功能，但数据 的时间依赖性并不十分严格。超过规定时 限的操作将导致系统工作性能的降低，但 不会引起重大的故障。 数据由小批量数据传递组成，这些数据 主要是测量信息、命令或状态信息。由于 数字控制系统采样类型的不同，数据传递 有可能是周期性的。 不同层次通信系统的技术要求显然是不同 的。通信系统价格与需要互相通信的设备 价格的比例也是考虑的重要因素之一。小 型计算机通信系统的价格比小型可编程控 制器通信系统的价格要高得多，因此配置 通信系统时要考虑性价比。

9、 由于大多数控制系统都采用微处理器和 计算机技术，分布式控制系统的通信系统 也采用了分布式计算机系统的通信技术， 尤其是局域网技术。 9.2 数据通信基础 1信号带宽 2信道最大数据传输率 9.2.1 信号带宽和信道容量信号带宽在局域网络的通信线路上，数据是以电信号 形式传送的。如果在传输介质上直接传送数 字信号，则形成电压脉冲系列，这些信号包 含的谐波分量可用傅里叶级数进行表示和分 析。根据推导，近似认为，传输脉冲宽度为 ，的矩形脉冲所需要的带宽为 (9-1)可见，带宽和脉冲宽度成反比。数字传输频 率愈高，脉冲宽度就愈窄，就要求更宽的带 宽。 信道最大数据传输率早在1924年，奈奎斯特就推导

10、出非理想有限带宽 无噪声信道数据传输率的表达式。信道的带宽与 放大器、滤波器带宽的概念相似，是指随传输信 号的频率增高，其输出幅度的衰减在允许的范围( 譬如3dB)的最高频率。假定信号带宽为B，奈奎 斯特定理限制的最高数据率Rb为 (9-2)式中：y为被传输信号可以取值的、离散的电子级 数。如果信道上传输的是二进制信号，信号电平 可以取“0”和“1”两个值，则V=2，这样信道的最大 传输率为Rb=2B。这个定理为估算已知带宽的信 道最高速率提供了依据。信道能传输的最高速率又称为信道容量。 显然，信道容量应大于被传信号的速率。9.2.2 信道的主要技术指标对通信系统的信号传输，是从数量和质量 两

11、个方面提出要求。在数量方面，以传输 速率衡量传输的有效性；在质量方面，以 错误率衡量传输的可靠性。 1传输速率 2出错率 传输速率 码元是对信号的物理状态如电平、脉宽、相位 等进行编码所用的代码最小单位。 码元速率(RB)：又称信号速率，它指每秒传输 的码元数，单位为“b”。 信息速率(Rb)：指每秒传输的信息量，单位为 “bs”。 由于二进制信号每个码元含1个比特信息，故 码元速率和信息速率在数值上相等。但对于M进 制，信息速率大于码元速率，两者的关系如下式 所示(9-3) 出错率传输错误率也称误码率，其定义如下：误码率(Pe)：指错误接收信息的码元数在传输消息 的总码元数中所占的比例户。P

12、e=错误接收的码元数传输的码元总数 (9- 4)误比特率(Pb)：指错误接收的比特数占传输总比特 数的比例Pe=错误接收的比特数传输的比特总数 (9- 5)在实际局域网中，一般都将长信号(如一个 长文件)分组按帧传送。通信中出现了差错 ，就用出错重发的方式进行纠正。分组过 大，如有一位错，该分组就必须重发。分 组过小，影响传输效率。实际上误码率P。 直接影响着分组的大小。在给定的误码率 下，存在着最佳的分组长度。9.2.3 通信介质和通信线路的连接形式1信息载体 2通信线路的连接形式 信息载体 信息载体指传送信息的介质。在网络中经常使用 的是有线通信、光纤、无线和卫星通信等。(1)有线介质有线

13、介质常用的有双扭线、电话线和同轴电缆。双扭线：在短距离内双扭线是便宜、简单的通信介质。 缺点是传输率低和易于受外界干扰。电话线：可将现有的市话线路和长途电话线用于计算机 通信，使用方便，但不适于高速大容量通信。同轴电缆：基本构造是一对导体按“同轴”的形式构成同轴 线对。具有很高的抗干扰能力，适用宽带传输，有很高的通 信容量。 (2)光纤 光纤是一种新的传输介质。其通信容量比普通 同轴电缆大100倍左右。受环境干扰小，保密性 好。 (3)微波 微波指1几十吉赫兹的电波，微波通信是把 微波信号当做载波使用。微波通信是一种无线电 通信，不需架设明线或敷设电缆，频率很高，可 同时传送大量信息，建设费比

14、同轴电缆低，缺点 是保密性差。 (4)卫星通信卫星通信是一种特殊的微波中继系统，由于转发 站在卫星上，可克服地面通信站之间通信距离的 局限。一个同步通信卫星可以覆盖地球1/3的表面 ，三个卫星可覆盖地球上全部通信区域，便可在 地球上任意通信站间进行通信。表9-1对各种通信 介质性能作了比较。通信线路的连接形式为了适应不同的需要，各站点之间可采用 如图9-2所示的几种连接方式。图9-2 通信线路连接方式 1)点-点连接方式：这是在一条线路两端连接两个 站的通信方式，使用的线路可以是专线，或是租 用电话线。如果点点连接是由交换设备实现的 ，称为交换连接方式。交换连接方式可使一个站 方便灵活地与许多

15、站建立临时的点点连接，通 信完后需拆除建立的连接。2)多点连接方式：也称分支连接，这是一种多点 线路连接方式。各站都连接到一条公共通信线路 的不同分支点上。这种共享信道方式，需要有占 用信道进行通信的控制。3)集成连接方式：如果在距主机很远的地方，聚 集了多个终端设备且都要和计算机通信，可在距 这一群终端较近的地方，设置一个线路汇集站， 用以把终端线路集中起来，再用一条频带很宽的 高速线路传送给计算机。这种连接叫集成式连接 方式，线路汇集站称为集中器。 9.2.4 通信信道的通信方式根据信号在信道上传输方向，把数据通信 方式分为单工通信、半双工通信和全双工 通信，如图9-3所示。 图93 各种

16、通信方式示意图单工通信 单工通信方式使用单工通信信道，数据信 号仅从一个地方传送到另一个地方，亦即 信息流仅沿一个方向流动，发送站和接收 站是固定分配的。无线电广播是单工通信 的例子。在数据通信系统中，接收站对收 到的信息进行校验，如果检出错误要求发 送方重发原信息，对于正确接收的信息也 要返回确认信息，因此，就必须附有一条 控制倌道。传送的确认信号、请求重发信 号等称为监视信号，如图中的虚线所示。半双工通信 半双工通信采用半双工信道，数据信号可 以从A传送到B，也可以从B传送到A，但不 能在两个方向上同时进行传输。通信的双 方都具有发送器和接收器，但信道只能容 纳一个方向的传输(例如二线制基带线路)。 由一方发送变为另一方发送必须倒换信道 方向。由于半双工在通信中频繁调换信道 方向，效率低，但可节省传输线路，