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1、计算机控制技术及应用,王平 谢昊飞 蒋建 主编,第6章 计算机控制网络技术概论,第6章 计算机控制网络技术概论,6.1 集散控制系统简介 6.1.1 集散控制系统的发展历程 6.1.2 集散控制系统的组成 6.1.3 JX-300X集散控制系统 6.2 现场总线技术简介 6.2.1 现场总线控制系统的演变 6.2.2 现场总线技术的特点 6.2.3 现场总线标准化 6.2.4 典型现场总线简介,第6章 计算机控制网络技术概论,6.3 工业以太网技术简介 6.3.1 工业以太网标准化进程 6.3.2 IEC 61784-2标准体系结构 6.3.3 IEC 61784-2中主要标准简介 6.3.4
2、 IEC 61784-1/2与IEC61158,6.1 集散控制系统简介,6.1.1 集散控制系统的发展历程 6.1.2 集散控制系统的组成 6.1.3 JX-300X集散控制系统,6.1.1 集散控制系统的发展历程,1975年前后，大规模集成电路由4位微处理器发展成8位，在形成单板机产品投入工业应用的同时，自动化与仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，结合阴极射线管(CRT)、数据通信技术，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统，后来也称为分散型控制系统(DCS)。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年
3、代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。 20世纪70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。由于当时计算机并不普及，人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作，所以开发DCS强调用户可以不懂计算机就能使用DCS。,6.1.2 集散控制系统的组成,1. DCS控制站 2. DCS操作站 3.通信网络,6.1.2 集散控制系统的组成,图6-1 集散控制系统的典型结构,1. DCS控制站,DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行中
4、可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，其中第一代采用8位微处理器，第二代采用16位微处理器，第三代采用32位微处理器。大型DCS控制站对中央处理器要求较高，必须为专用的处理器，可用于复杂控制运算、冗余切换、通信等操作。,2. DCS操作站,DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能。其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用功能。 DCS操作站与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站(或称工作站)分开，也有公司将操作站的历史数
5、据存储用硬盘(历史模件)和高级语言应用站(应用模件)分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善。,3.通信网络,在DCS系统诞生时，主要需要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题。第二代DCS则需解决多个装置的DCS互联问题。第三代DCS则需解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题。 在实际应用中，如石化行业，DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。电力行业、冶金行业、自来水行业则将控制站分散放在楼上、楼下、生产线上或分散在各处，与
6、集中放置操作站的控制室总距离一般也多在1km以内。由于计算机网络系统技术的发展，全厂各生产车间用DCS的通信总线相连的较少，所以在第三代DCS中DCS通信功能的发展是与全厂管理网络(以太网)技术相融合，逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡。第三代DCS的通信系统特点是具有开放性。,6.1.3 JX-300X集散控制系统,1.系统结构 2.系统特点,1.系统结构,图6-2 JX-300X集散控制系统结构示意图 OS操作站 ES工程师站 CS控制站 MFS多功能计算站 BCU总线变换单元 CIU通信接口单元 PCS过程控制站 ACS区域控制站 LCS逻辑控制站 DAS数据采集站 SBUS系统I/
7、O总线 IOUIO单元 RIOU远程IO单元,2.系统特点,图6-3 JX-300X提供的基本组态软件组成示意图,6.2 现场总线技术简介,6.2.1 现场总线控制系统的演变 6.2.2 现场总线技术的特点 6.2.3 现场总线标准化 6.2.4 典型现场总线简介,6.2.1 现场总线控制系统的演变,1.从PLC到通用工业PC 2.从PLC的I/O模块到现场总线分布式I/O 3.从PLC 4.从DCS向FCS的演变 5.采用通用平台的系统软件 6.现场总线技术的发展趋势,1.从PLC到通用工业PC,1)在传统控制系统中，控制器(或称CPU、或处理器)与I/O模块及其他功能模块、机架为同一系列产
8、品，有一致的物理结构设计。 2)基于现场总线的控制系统中，控制器与现场设备(I/O模块、功能模块及传感器、变送器、驱动器等)连接是通过标准的现场总线，因此没有必要使用与控制器捆绑的I/O模块产品(这与插在PLC机架上的I/O模块的配置方法不同)，可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。,图6-4 传统PLC与工业PC配置方式的比较,2.从PLC的I/O模块到现场总线分布式I/O,在FCS系统中，插在控制器机架上的I/O模块将被连接到现场总线上的分散式I/O模块所取代。分散式I/O不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第三方厂家的产品。廉价的、专用的、具有特殊品质的I/O模块(如高防护
9、等级、本质安全、可接受高压或大电流信号等)将具有广阔市场。,3.从PLC I/O控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备,现场设备包括传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构等。传统PLC控制系统的I/O设备与PLC I/O模块连接，PLC通过模拟量(420mA)或开关量(如24VDC)控制监测现场设备。在FCS系统中，现场设备具有现场总线接口，控制器通过标准的现场总线与现场设备连接。,4.从DCS向FCS的演变,图6-5 DCS向现场总线控制FCS的演变,5.采用通用平台的系统软件,在传统PLC系统中，系统软件(包括PLC系统软件和编程软件)与PLC硬件联系紧密，技术上对外是封闭的。在F
10、CS系统中，控制器采用通用工业PC平台，系统软件不再与控制器、I/O、现场设备等硬件捆绑，可运行在通用标准的工业PC+Windows/NT平台上。,6.现场总线技术的发展趋势,图6-6 主要现场总线 支持TCP/IP规范的情况,6.2.2 现场总线技术的特点,(1)系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。 (2)互可操作性与互用性 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。 (3)现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可
11、完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 (4)系统结构的高度分散性 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。,6.2.2 现场总线技术的特点,(5)对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。,(1)系统的开放性,开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指
12、对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。,(2)互可操作性与互用性,这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。,(3)现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，
13、并可随时诊断设备的运行状态。,(4)系统结构的高度分散性,由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。,(5)对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。,6.2.3 现场总线标准化,1.现场总线标准化大历程 2.现场总线标准IEC61158Ed.45的构成,1.现场总线标准化大历程,现
14、场总线技术自20世纪90年代初开始发展以来，一直是世界各国关注和发展的热点，目前具有一定规模的现场总线已有数十种之多，为了开发应用以及争夺市场的需要，世界各国所采用的技术路线基本上都体现在开发研究的过程中同步制订的各自的国家标准(或协会标准)中。同时各国还力求将自己的协议标准转化成各区域标准化组织的标准。,2.现场总线标准IEC61158Ed.45的构成,表6-1 IEC61158 Ed.4现场总线类型,6.2.4 典型现场总线简介,1.基金会现场总线 2.现场总线ProfiBus技术要点,1.基金会现场总线,(1)FF总线的通信模型 基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。
15、 (2)FF H1低速现场总线 H1总线的物理层采用了IEC61158-2的协议规范。 (3)HSE高速以太网 2000年3月现场总线基金会公布了高速以太网的技术规范HSE，取代原先规划的H2高速总线标准。 (4)FF总线协议,(1)FF总线的通信模型 基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。,图6-7 FF通信模型,(2)FF H1低速现场总线,H1总线的物理层采用了IEC61158-2的协议规范。数据链路层DLL规定如何在设备间共享网络和调度通信，支持面向连接和非连接的数据通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问。应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以
16、及请求应答中的信息格式。按照现场总线的实际要求，H1把应用层划分为两个子层：总线访问子层FAS和总线报文规范子层FMS。功能块应用进程只使用FMS，并不直接访问FAS，FAS负责把FMS映射到DLL。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。不过，在相应软硬件开发的过程中，往往把数据链路层和应用层看作一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可简单地视为三层。,(3)HSE高速以太网,2000年3月现场总线基金会公布了高速以太网的技术规范HSE，取代原先规划的H2高速总线标准。HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的通信模型，如图6-7所示。其中，一四层为标准的Internet协议；第五层是现场设备访问会话FDA Session，为现场设备访问代理FDA Agent提供会话组织和同步服务；第七层是应用层，它也划分为FMS和现场设备访问FDA两个子层，其中的FDA的作用与H1中的FAS相类似，也是基于虚拟通信关系VCR为FMS提供通信服务。,(4)FF总线协议,1)物理层。 2)通信栈
