計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

集散控制系統(tǒng)（DCS）管理的集中性和控制的分散性是推動(dòng)集散控制系統(tǒng)發(fā)展的根本原因，其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、測(cè)量控制、通信網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口等技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分散控制，集中監(jiān)視、操作和管理的一種新型控制概念及技術(shù)。2第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述DCS硬件概括起來(lái)由集中顯示管理、分散控制監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)通信組成。集中顯示管理部分又可分為工程師站、操作員站和管理計(jì)算機(jī)，工程師站主要用于組態(tài)和維護(hù)；操作員站則用于監(jiān)視和操作；管理計(jì)算機(jī)用于系統(tǒng)的信息管理和完成部分優(yōu)化控制任務(wù)。分散控制監(jiān)測(cè)部分按功能可分為控制站、監(jiān)測(cè)站或現(xiàn)場(chǎng)控制站，用于實(shí)時(shí)的控制和監(jiān)測(cè)?；窘M成

3第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)通信部分連接DCS的各分布部分（統(tǒng)稱為工作站），完成數(shù)據(jù)、指令及其它信息的傳遞。各工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接起來(lái)，獨(dú)立自主地完成各自功能，如數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算、監(jiān)視、操作和控制等等。工作站采用微計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)容量容易擴(kuò)充，配套軟件功能齊全，是一個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行的高可靠性系統(tǒng)。基本組成

4第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述DCS軟件由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信軟件、組態(tài)軟件和各種應(yīng)用軟件組成。DCS軟件具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡(jiǎn)單規(guī)范化、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。基本組成

5第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.獨(dú)立性2.協(xié)調(diào)性3.友好性4.適應(yīng)性、靈活性和可擴(kuò)充性5.實(shí)時(shí)性分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

6第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述6.可靠性(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)(2)系統(tǒng)所有硬件采用冗余設(shè)計(jì)(3)軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)(4)“電磁兼容性”設(shè)計(jì)(5)結(jié)構(gòu)、組裝工藝的可靠性設(shè)計(jì)(6)在線快速排除故障的設(shè)計(jì)分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

7第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.DCS的開(kāi)創(chuàng)期(1975年~1980年)第一代DCS的基本結(jié)構(gòu)如圖8-1所示，主要由五大部分組成。(1)現(xiàn)場(chǎng)控制站(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站(3)CRT操作站(4)數(shù)據(jù)高速公路(5)監(jiān)控計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展

8第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述9第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2.集散控制系統(tǒng)的成長(zhǎng)與完善時(shí)期(1980年~1985年)第二代DCS主要由七大部分組成:(1)局部網(wǎng)絡(luò)LAN（LocalAreaNetwork）(2)多功能現(xiàn)場(chǎng)控制站MFCS（MultifunctionFieldControlStation）(3)增強(qiáng)型操作站EOS（EnhancedOperatorStation）(4)通用型操作站US（UniversalStation）(5)網(wǎng)關(guān)GW（Gateway）(6)系統(tǒng)管理模塊SMM（SystemManagementModule）(7)主計(jì)算機(jī)HC（HostComputer）10第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述3.集散控制系統(tǒng)的擴(kuò)展期（1985年以后）這一代產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的共同特點(diǎn)如下：1)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式的系統(tǒng)通信，向上能與MAP和以太網(wǎng)（Ethernet）接口，或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成綜合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場(chǎng)總線，使得過(guò)程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的崛起，使得DCS進(jìn)一步分散化和具有一定的智能。11第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述3.集散控制系統(tǒng)的擴(kuò)展期（1985年以后）這一代產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的共同特點(diǎn)如下：1)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式的系統(tǒng)通信，向上能與MAP和以太網(wǎng)（Ethernet）接口，或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成綜合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場(chǎng)總線，使得過(guò)程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的崛起，使得DCS進(jìn)一步分散化和具有一定的智能。12第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2)控制站使用32位微處理器，使控制功能更強(qiáng)，能方便地使用先進(jìn)控制算法；采用專用集成電路和表面安裝技術(shù)，使板卡上的元件數(shù)更少，體積更小，能耗更低，可靠性更高。13第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述3)操作站采用32位高檔微計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)圖形顯示功能，采用多窗口技術(shù)和觸摸屏調(diào)出畫(huà)面，操作簡(jiǎn)單，操作響應(yīng)速度加快。4)過(guò)程控制組態(tài)采用CAD方法，使其更直觀方便。5)人工智能特別是知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)（KBS）和專家系統(tǒng)（ES）與生產(chǎn)過(guò)程日益融合，并且在DCS各個(gè)層次中得到實(shí)現(xiàn)，包括自整定和自適應(yīng)控制器、故障診斷、生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真培訓(xùn)和在線維修等。14第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，集散控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展很快，生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)更緊密結(jié)合，DCS向綜合化、開(kāi)放化發(fā)展，形成新一代集散控制系統(tǒng)。如Honeywell公司的ExperionPKS系統(tǒng)、Emerson公司的PlantWeb、Yokogawa公司的R3、ABB公司的IndustrialIT、和利時(shí)公司的MACSSmartPro。15第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述這是因?yàn)?0年代的工廠自動(dòng)化要求加強(qiáng)各種設(shè)備之間的通信能力，以方便地構(gòu)成一個(gè)企業(yè)綜合自動(dòng)化大系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)通信的趨勢(shì)是向開(kāi)放系統(tǒng)互連模型（OSI）方向發(fā)展。因此，各DCS制造商為適應(yīng)這種發(fā)展，將自己的專用網(wǎng)絡(luò)改造成符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，或在自己的專用網(wǎng)絡(luò)與普通網(wǎng)絡(luò)之間加入網(wǎng)關(guān)，便于其與以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)連接。新一代的集散控制系統(tǒng)的開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，可方便地與指揮生產(chǎn)管理的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換，共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。16第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述在大型DCS進(jìn)一步完善和提高的同時(shí)，小型集散控制系統(tǒng)也在發(fā)展。隨著微處理器及VLSI技術(shù)的發(fā)展，DCS的主機(jī)不斷更新，采用多處理器或RISC工作站，速度更快，容量更大；彩色CRT分辨率更高，廣泛采用復(fù)合窗口技術(shù)和觸摸屏技術(shù)的圖形窗口功能更豐富；17第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述過(guò)程控制采用32位微機(jī)，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制策略和先進(jìn)控制，并將反饋控制、順序控制和批量控制集中于一體；應(yīng)用智能I/O設(shè)備，可實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。隨著PLC、DCS和其它控制回路之間接口的迅速發(fā)展，將連續(xù)控制、邏輯控制和批量控制功能匯入在統(tǒng)一的高性能系統(tǒng)中，從而將PLC和DCS融合在一起，以適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的要求。18第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)DCS按功能分層的層次結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了其分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想。DCS從下至上分為直接控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層，如圖8-3所示。DCS的層次結(jié)構(gòu)

19第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖8-3

典型DCS的結(jié)構(gòu)示意圖20第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.DCS的直接控制層直接控制層又稱為現(xiàn)場(chǎng)控制層，是DCS的基礎(chǔ)，其主要設(shè)備是控制站CS，CS主要由輸入輸出單元IOU、控制單元CU、電源單元PU組成。輸入輸出單元直接與生產(chǎn)過(guò)程的傳感器、變送器和執(zhí)行器連接，其功能是采集過(guò)程變量和狀態(tài)變量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器傳送模擬量操作信號(hào)4～20mA(DC)和數(shù)字量操作信號(hào)。21第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)控制單元通過(guò)I/O總線與I/O單元連接，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制，即連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接操作站/工程師站，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視和操作，同時(shí)進(jìn)行冗余處理，一旦發(fā)現(xiàn)DCS故障，就立即切換到備用設(shè)備，保證系統(tǒng)連續(xù)安全運(yùn)行。22第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2.DCS的操作監(jiān)控層操作監(jiān)控層主要設(shè)備是操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)站和計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)。操作員站為32位或64位微處理器或小型機(jī)，并配置彩色CRT、操作員專用鍵盤和打印機(jī)等外部設(shè)備，供工藝操作員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理，具有友好的人機(jī)界面。23第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)工程師站為32位或64位微處理機(jī)，或由操作員站兼用，供計(jì)算機(jī)工程師對(duì)DCS進(jìn)行系統(tǒng)生成和診斷維護(hù)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)站為32位或64位小型機(jī)，用來(lái)建立生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，實(shí)施先進(jìn)過(guò)程控制策略，實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)的優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行故障診斷、預(yù)報(bào)和分析，保證生產(chǎn)安全。計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)CGI用于連接生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)MNET。24第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.DCS的生產(chǎn)管理層生產(chǎn)管理層的主要設(shè)備是生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)（ManufactureManagementComputer,MMC），一般由一臺(tái)中型機(jī)和若干臺(tái)微型機(jī)組成。該層處于工廠級(jí)，根據(jù)訂貨量、庫(kù)存量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)原料和能源供應(yīng)情況及時(shí)制定全廠的生產(chǎn)計(jì)劃，分解落實(shí)到生產(chǎn)車間，并根據(jù)生產(chǎn)狀況及時(shí)協(xié)調(diào)全廠的生產(chǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和科學(xué)管理。25第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)4.DCS的決策管理層決策管理層的主要設(shè)備是決策管理計(jì)算機(jī)，一般由一臺(tái)大型機(jī)、幾臺(tái)中型機(jī)和若干臺(tái)微型機(jī)組成。該層處于公司級(jí)，通過(guò)收集各個(gè)部門的信息，進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)做出決策，協(xié)助各級(jí)管理人員指揮調(diào)度，使公司各個(gè)部門的工作處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。26第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖8-4典型集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖DCS的硬件結(jié)構(gòu)

27第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)DCS基于分級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接各硬件單元或硬件模塊，硬件系統(tǒng)主要包括：控制單元、輸入輸出單元、電源單元、控制網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)站、機(jī)柜和操作臺(tái)等。如圖8-4所示。28第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.控制單元控制單元是各個(gè)DCS控制站的中央處理單元，是DCS的核心設(shè)備?？刂茊卧梢杂梢粋€(gè)、二個(gè)或多個(gè)控制模板分別構(gòu)成非冗余控制單元、雙模冗余控制單元或多模冗余控制單元。作為控制站的運(yùn)算處理中心，控制模板一般由主CPU模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNet驅(qū)動(dòng)單元和冗余控制網(wǎng)絡(luò)CNet驅(qū)動(dòng)單元等功能模塊組成。控制單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)處理控制站內(nèi)部的所有I/O模板或其它功能模板的數(shù)據(jù)交流和控制運(yùn)算，如I/O信號(hào)處理、回路控制計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信處理、冗余診斷等功能。29第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)控制單元的關(guān)鍵指標(biāo)是處理容量、控制周期、負(fù)荷率，這與其CPU型號(hào)、主頻、外圍芯片、內(nèi)存容量、外存容量等并不直接掛鉤，其更大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和控制軟件的設(shè)計(jì)。30第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)控制單元的處理容量包括可連接I/O的數(shù)量和可裝載程序的容量，其中I/O的處理數(shù)量是包括物理點(diǎn)和邏輯點(diǎn)的總點(diǎn)數(shù)?？刂浦芷谑茄h(huán)執(zhí)行一次I/O輸入輸出、用戶程序計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信的周期時(shí)間，可以根據(jù)需要把控制策略分解為幾個(gè)子任務(wù)，并設(shè)定不同的控制周期，以提高運(yùn)行效率。負(fù)荷率是控制單元所處理負(fù)荷占總體處理能力的比例，一般維持30~40%的負(fù)荷率，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件或雪崩狀態(tài)。31第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)控制單元所特有的可靠性設(shè)計(jì)主要有：控制冗余設(shè)計(jì)、控制網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的掉電保持、在線診斷與狀態(tài)指示、故障隔離與故障恢復(fù)等。32第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2.輸入輸出單元輸入輸出單元是由各種類型的輸入輸出模板組成，包括大信號(hào)模擬量輸入模板、熱電偶輸入模板、熱電阻輸入模板、通用模擬量輸入模板、模擬量輸出模板、開(kāi)關(guān)量輸入模板、SOE輸入模板、開(kāi)關(guān)量輸出模板、脈沖量輸入模板等。33第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.電源單元DCS系統(tǒng)主要采用開(kāi)關(guān)電源，包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、控制電路和保護(hù)電路等。開(kāi)關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高、輸出精度高、抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬。主要指標(biāo)包括：輸入電壓范圍、額定輸出功率、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、紋波和噪聲、轉(zhuǎn)換效率、絕緣、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、溫度漂移、工作溫度等。34第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)4.機(jī)柜現(xiàn)場(chǎng)控制站的機(jī)柜內(nèi)部均裝有多層機(jī)架，以供安裝電源及各種模塊之用。為給機(jī)柜內(nèi)部的電子設(shè)備提供完善的電磁屏蔽，其外殼均采用金屬材料（如鋼板或鋁材），并且活動(dòng)部分（如柜門與機(jī)柜主體）之間要保證有良好的電氣連接。同時(shí)，機(jī)柜還要求可靠接地，接地電阻應(yīng)小于4歐姆。35第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為保證柜內(nèi)電子設(shè)備的散熱降溫，一般柜內(nèi)均裝有風(fēng)扇，以提供強(qiáng)制風(fēng)冷。同時(shí)為防止灰塵侵入，在與柜外進(jìn)行空氣交換時(shí)，要采用正壓送風(fēng)，將柜外低溫空氣經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后壓入柜內(nèi)。在灰塵多、潮濕或有腐蝕性氣體的場(chǎng)合，一些廠家還提供密封式機(jī)柜，冷卻空氣僅在機(jī)柜內(nèi)循環(huán)，通過(guò)機(jī)柜外殼的散熱葉片與外界交換熱量。36第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為保證在特別冷或熱的室外環(huán)境下正常工作，還為這種密封式機(jī)柜設(shè)計(jì)了專門的空調(diào)裝置，以保證柜內(nèi)溫度維持在正常值。另外，現(xiàn)場(chǎng)控制站機(jī)柜內(nèi)大多設(shè)有溫度自動(dòng)檢測(cè)裝置，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度超過(guò)正常范圍時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。37第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)5.DCS的操作站DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。其中工程師站提供技術(shù)人員生成控制系統(tǒng)的人機(jī)接口，或者對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，配有組態(tài)軟件，提供靈活的、功能齊全的工作平臺(tái)，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制策略。為節(jié)省投資，有很多系統(tǒng)的工程師站用一個(gè)操作員站代替。DCS操作站的主要功能為過(guò)程顯示和控制、系統(tǒng)生成與診斷、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和恢復(fù)等。38第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)DCS軟件系統(tǒng)分為工程師站組態(tài)軟件、操作員站監(jiān)控軟件及現(xiàn)場(chǎng)控制站控制軟件三大部分，三部分軟件分別運(yùn)行在不同層次的硬件平臺(tái)上，并通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，彼此互相配合協(xié)調(diào)，交換管理和控制信息，完成整個(gè)集散控制系統(tǒng)的各種功能。如圖8-5所示。

DCS的軟件結(jié)構(gòu)

39第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖8-5典型集散控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖40第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、控制算法組態(tài)、系統(tǒng)硬件組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)、歷史記錄組態(tài)、報(bào)表組態(tài)、報(bào)警組態(tài)、在線組態(tài)、在線下裝、安全性組態(tài)等功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)是通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)編輯器來(lái)完成的，用來(lái)定義各站點(diǎn)的變量信息，包括各站的組成設(shè)備及其屬性，各點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換、報(bào)警、歷史記錄、安全區(qū)等屬性。1.組態(tài)軟件41第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)算法編輯器用于生成DCS系統(tǒng)所有連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制、特殊處理算法等控制策略。，一般采用IEC61131-3國(guó)際可編程控制組態(tài)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，以滿足過(guò)程控制領(lǐng)域的組態(tài)需求。系統(tǒng)硬件組態(tài)用于配置DCS系統(tǒng)的模板、模塊及控制模板的專用軟件，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)所有模板和模塊數(shù)據(jù)，具備在線工程下裝，模板、模塊及組態(tài)等方面的故障診斷功能。畫(huà)面組態(tài)主要指工藝流程畫(huà)面的生成。1.組態(tài)軟件42第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)報(bào)表打印是DCS不可缺少的功能。大多數(shù)DCS都支持兩類報(bào)表打印功能：一類是周期性的報(bào)表打印，另一類為觸發(fā)性報(bào)表。周期性報(bào)表記錄生產(chǎn)操作記錄和統(tǒng)計(jì)記錄，包括班報(bào)表或日?qǐng)?bào)表等，它可以代替操作工每班或每天的報(bào)表。觸發(fā)性報(bào)表則用來(lái)記錄在某些特定事件發(fā)生前后的某些過(guò)程點(diǎn)的值，以及報(bào)警記錄列表和鍵盤調(diào)用列表。1.組態(tài)軟件43第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為便于生成符合用戶需要的打印報(bào)表，多數(shù)DCS都提供一個(gè)報(bào)表生成軟件，用戶可以離線生成打印報(bào)表格式和確定報(bào)表內(nèi)容，生成報(bào)表格式文件和報(bào)表數(shù)據(jù)文件。報(bào)表管理軟件根據(jù)這些文件內(nèi)容，依次到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中取出數(shù)據(jù)填入表格并打印。1.組態(tài)軟件44第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)報(bào)警、歷史記錄組態(tài)可以方便地設(shè)置數(shù)據(jù)點(diǎn)的報(bào)警組、報(bào)警限、報(bào)警偏差、變化率報(bào)警限等屬性來(lái)滿足不同的報(bào)警需要；可以選擇變化記錄和定時(shí)記錄的方式來(lái)記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)，提供給歷史趨勢(shì)和歷史報(bào)表進(jìn)行顯示分析。安全性組態(tài)可以對(duì)畫(huà)面上的圖形對(duì)象設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限，同時(shí)給操作者分配訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)和安全區(qū)。1.組態(tài)軟件45第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作員站監(jiān)控軟件完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、控制回路調(diào)節(jié)和顯示、生產(chǎn)工藝流程畫(huà)面顯示、系統(tǒng)狀態(tài)、趨勢(shì)顯示以及生產(chǎn)記錄的打印和管理等功能，實(shí)現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵就是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理。2.監(jiān)控軟件46第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(1)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)的最大區(qū)別就是實(shí)時(shí)多任務(wù)執(zhí)行核心，它為計(jì)算機(jī)硬件和在其上運(yùn)行的軟件提供了邏輯接口（LogicInterface）、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信以及資源管理等功能。47第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是DCS最基本的資源，DCS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，通常采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)控制站上存儲(chǔ)該站所用的各種點(diǎn)記錄的全記錄信息，例如對(duì)于一個(gè)I/O點(diǎn)的記錄內(nèi)容就確定了該點(diǎn)的索引信息、點(diǎn)值和狀態(tài)信息、顯示信息、通道地址信息、報(bào)警信息和轉(zhuǎn)換信息等。為了實(shí)現(xiàn)操作站集中顯示的快速刷新，同時(shí)考慮到操作站系統(tǒng)有限的硬件、軟件資源，一般只將現(xiàn)場(chǎng)控制站各點(diǎn)記錄的索引、點(diǎn)值與點(diǎn)狀態(tài)等部分信息存放在操作站數(shù)據(jù)庫(kù)中。48第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)當(dāng)操作站只需顯示點(diǎn)值和點(diǎn)狀態(tài)等信息時(shí)，可直接在本站數(shù)據(jù)庫(kù)中獲??；而當(dāng)它要用到某點(diǎn)的完整記錄時(shí)，則向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)出全記錄調(diào)用，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理任務(wù)將該請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)向網(wǎng)絡(luò)通信管理任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)通信管理任務(wù)則負(fù)責(zé)向該點(diǎn)所在的現(xiàn)場(chǎng)控制站讀取該記錄，并及時(shí)返回給調(diào)用任務(wù)。因此整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是全局性的，點(diǎn)值和狀態(tài)全局性的周期刷新，同時(shí)又合理地利用系統(tǒng)資源，使信息分布存儲(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)行全局管理。49第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)配置文件和管理程序兩部分組成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)配置文件由數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)軟件生成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各點(diǎn)的完整記錄下載到現(xiàn)場(chǎng)控制站，而將點(diǎn)值與點(diǎn)狀態(tài)等信息存放在操作站數(shù)據(jù)庫(kù)中。管理程序負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理（如備份、下載等）以及處理其它任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)請(qǐng)求。50第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(3)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為了適應(yīng)不同的用途，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)一般分為短時(shí)間間隔歷史數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間間隔歷史數(shù)據(jù)，前者主要用于顯示趨勢(shì)曲線，存儲(chǔ)間隔一般是秒級(jí)，而后者主要用于長(zhǎng)時(shí)間的趨勢(shì)分析、記錄打印和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，存儲(chǔ)間隔從一分鐘到幾十分鐘不等。51第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(4)網(wǎng)絡(luò)通信管理操作站對(duì)DCS集中管理和操作的基礎(chǔ)就是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，這是DCS的關(guān)鍵技術(shù)之一。DCS對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求可以概括為高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。高可靠性即要求在硬件上高度可靠，同時(shí)在軟件上要有較好的容錯(cuò)能力，即當(dāng)收到不正確的信息包或有不正確的通信要求時(shí)，它能夠自動(dòng)處理，而不會(huì)造成死機(jī)。52第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性則要求現(xiàn)場(chǎng)控制站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要及時(shí)廣播到操作站，對(duì)其它站的定向請(qǐng)求要及時(shí)實(shí)現(xiàn)；另一方面，在操作站上，操作員或工程師要檢查某一現(xiàn)場(chǎng)控制站的詳細(xì)狀態(tài)時(shí)，該請(qǐng)求應(yīng)該盡快地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)給所要求的現(xiàn)場(chǎng)控制站，該站收到信息之后應(yīng)立即給予答復(fù)。靈活性指能夠支持多種數(shù)據(jù)信息格式的能力。53第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為保證控制站高可靠運(yùn)行，控制模板軟件常采取一些可靠性保護(hù)措施，如控制模板與控制網(wǎng)絡(luò)的故障診斷、網(wǎng)絡(luò)冗余、主從切換、故障恢復(fù)、數(shù)據(jù)掉電保持等。控制軟件各功能模塊依其重要性被賦予不同的優(yōu)先級(jí)，再輔以對(duì)突發(fā)中斷事件的實(shí)時(shí)處理，因而在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)下，控制軟件能有效的利用CPU資源，使各功能模塊協(xié)調(diào)地工作。3.控制軟件54第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)控制軟件主要完成以下功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、算法運(yùn)行、控制輸出、與其他站點(diǎn)通信及實(shí)時(shí)廣播數(shù)據(jù)、控制站自診斷及故障恢復(fù)、冗余切換、在線組態(tài)在線下裝、工程在線升級(jí)和數(shù)據(jù)保持。3.控制軟件55第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)控制站的軟件分為執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)兩部分。執(zhí)行代碼一般固化在EPROM中，而數(shù)據(jù)則保留在RAM中，在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)或恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，這些數(shù)據(jù)的初始值從網(wǎng)絡(luò)上載入。執(zhí)行方式有兩種周期執(zhí)行和隨機(jī)執(zhí)行。周期執(zhí)行一般由硬件時(shí)鐘定時(shí)觸發(fā)，完成周期性的工作，如定時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理，控制算法的周期運(yùn)算，周期性的系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和周期性網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等。56第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)隨機(jī)執(zhí)行一般由硬件中斷激活，主要完成系統(tǒng)的故障信號(hào)處理、事件順序信號(hào)（SequenceofEvent,SOE）處理、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收等，這類信號(hào)發(fā)生的時(shí)間不定，而一旦發(fā)生就要求及時(shí)處理。典型的現(xiàn)場(chǎng)控制站軟件執(zhí)行順序如圖8-6所示?，F(xiàn)場(chǎng)控制站軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。57第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)58第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是現(xiàn)場(chǎng)控制站軟件系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，其作用有兩方面信息傳遞和數(shù)據(jù)共享。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)一般都有以下四種基本數(shù)據(jù)類型：模擬量輸入輸出結(jié)構(gòu)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出結(jié)構(gòu)、模擬計(jì)算量結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)量點(diǎn)組合結(jié)構(gòu)。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的存取一般有以下幾種形式：59第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1)輸入/輸出模塊取得通道信息和轉(zhuǎn)換信息后，經(jīng)運(yùn)算后將運(yùn)算結(jié)果存回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。例如，輸入模塊將采集數(shù)據(jù)的處理結(jié)果寫回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，而輸出模塊則存回執(zhí)行輸出的結(jié)果狀態(tài)。2)控制算法從數(shù)據(jù)庫(kù)中取得運(yùn)算所需要的各種變量值，并把控制結(jié)果寫回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。3)網(wǎng)絡(luò)通信模塊周期性地從數(shù)據(jù)庫(kù)取得各記錄的實(shí)時(shí)值廣播到網(wǎng)絡(luò)上，以刷新其它各站的數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)不斷接受網(wǎng)絡(luò)上的控制信息包，并將該信息寫回該點(diǎn)的記錄中。60第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.DCS的控制網(wǎng)絡(luò)CNET控制網(wǎng)絡(luò)是控制站內(nèi)部使用的冗余實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在控制站內(nèi)部各個(gè)智能I/O模板和控制模板之間信息傳遞。2.DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET是DCS的中樞，具有良好的實(shí)時(shí)性、快速的響應(yīng)性、極高的安全性和網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性等特點(diǎn)。DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

61第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.DCS的管理網(wǎng)絡(luò)MNET生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)MNET處于工廠級(jí)，覆蓋一個(gè)廠區(qū)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。4.DCS的決策管理網(wǎng)絡(luò)DNET決策管理網(wǎng)絡(luò)DNET處于公司級(jí)，覆蓋整個(gè)公司的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

62第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型TDC3000已經(jīng)形成三種相對(duì)獨(dú)立的通信鏈路：數(shù)據(jù)高速公路（DATAHighway，DHW）、通用控制網(wǎng)（UniversalControlNetwork，UCN）和局部控制網(wǎng)（LocalControlNetwork，LCN），以這三種網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)形成DCS的層次結(jié)構(gòu)。集散型控制系統(tǒng)

63第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型(1)數(shù)據(jù)高速公路(DHW)是1975年Honeywell公司推出TDC2000時(shí)首次提出的，它是第一代DCS的通信系統(tǒng)。其通信采用串行、半雙工方式工作，優(yōu)先存取和定時(shí)詢問(wèn)方式控制，傳輸介質(zhì)為75Ω同軸電纜，傳輸速率為250Kb/s。1.TDC3000的三種通信鏈路64第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型在DHW上設(shè)有通信指揮器（HTD）來(lái)管理通信，任何DHW之間通信必須首先從HTD獲得相應(yīng)的權(quán)利。在DHW上可掛有多種設(shè)備，如基本控制器（BasicController）、過(guò)程接口單元（ProcessInterfaceUnit）、多功能控制器（MC），這些以DHW為基礎(chǔ)的設(shè)備以及其它一些相關(guān)設(shè)備在系統(tǒng)中起著過(guò)程控制第一級(jí)的作用。1.TDC3000的三種通信鏈路65第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型(2)通用控制網(wǎng)(UCN)通用控制網(wǎng)UCN是1988年開(kāi)發(fā)的以MAP為基礎(chǔ)的雙重化控制網(wǎng)絡(luò)，與IEEE和ISO標(biāo)準(zhǔn)兼容。其通信采用令牌傳送方式，傳輸速率為5Mbps，可支持32個(gè)冗余設(shè)備，它的對(duì)等通信能力使得系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)共享，并可方便地增加和減少節(jié)點(diǎn)。1.TDC3000的三種通信鏈路66第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型過(guò)程管理器（ProcessManager，PM）作為UCN上的重要設(shè)備，是一個(gè)高度靈活的數(shù)據(jù)采集和控制裝置。PM可以包括多達(dá)40個(gè)可選擇的I/O處理器、一個(gè)高性能的控制處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、邏輯和順序控制功能。此外，分離的通信和I/O接口處理器，能夠確保內(nèi)部和外部到PM的高速信息流。數(shù)據(jù)、類型以及處理速率均可由用戶組態(tài)。1.TDC3000的三種通信鏈路67第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型(3)局部控制網(wǎng)(LCN)是TDC3000的主干網(wǎng)，通信采用令牌存取通信控制方式，符合IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為5Mbps，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算機(jī)接口，LCN可以與DECnet/Ethernet相連，與系統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)系構(gòu)成綜合管理系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制、優(yōu)化管理的目標(biāo)。1.TDC3000的三種通信鏈路68第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型在LCN上主要掛有通用站（UniversalStation，US）、通用工作站（UniversalWorkStation，UWS）、計(jì)算模塊（ComputingModule，CM）、應(yīng)用模塊（ApplicationModule，AM）和歷史模塊（HistoryModule，HM）等高級(jí)模塊，以及通信網(wǎng)絡(luò)接口。1.TDC3000的三種通信鏈路69第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型其中的US或UWS可被操作員、工程師或維修技術(shù)人員用來(lái)完成各自相關(guān)任務(wù)，包括系統(tǒng)和過(guò)程操作功能、過(guò)程工程功能以及維護(hù)功能；計(jì)算模塊可使用戶通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編程來(lái)提供更高水平的控制；應(yīng)用模塊允許用戶使用一些標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)控制算法以及一些優(yōu)化工具軟件包；1.TDC3000的三種通信鏈路70第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型歷史模塊收集和存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)；通信網(wǎng)絡(luò)接口包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（ComputerGateway，CG）、網(wǎng)絡(luò)接口模網(wǎng)關(guān)（NetworkInterfaceModule，NIM）和高速公路網(wǎng)關(guān)（HighwayGateway，HG）。1.TDC3000的三種通信鏈路71第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型1)以過(guò)程控制設(shè)備，如過(guò)程管理器PM、邏輯管理器LM以及DH上各設(shè)備為基礎(chǔ)，組成過(guò)程控制級(jí)。2)先進(jìn)控制級(jí)，包括比過(guò)程控制級(jí)更加復(fù)雜的控制策略和計(jì)算，通常稱為工廠級(jí)。3)最高控制級(jí)，提供高級(jí)計(jì)算技術(shù)和手段，例如適用于復(fù)雜控制的過(guò)程模型，過(guò)程最優(yōu)控制及線性規(guī)劃等，故稱為聯(lián)合級(jí)。2.TDC3000提供的不同等級(jí)的分散控制72第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型1)對(duì)大多數(shù)的關(guān)鍵性系統(tǒng)單元都采用了帶有自動(dòng)切換的全冗余，如對(duì)于局部控制網(wǎng)、通用控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)高速公路始終是冗余的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)接口模塊和高速公路接口都是與LCN相連接的關(guān)鍵性部件。3.TDC3000的冗余技術(shù)73第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型2)典型的操作員控制臺(tái)至少由三個(gè)通用的操作站組成，對(duì)某一操作員控制臺(tái)，其冗余度是由其他任何US的能力來(lái)保證的。TDC3000系統(tǒng)中，控制臺(tái)的每一個(gè)操作站都可以存取相同的信息，任何一臺(tái)操作站都可以代替另一臺(tái)進(jìn)行操作。這樣當(dāng)其中一臺(tái)用于維護(hù)系統(tǒng)時(shí)，操作員可以使用其余的操作站進(jìn)行正常的監(jiān)控操作。3.TDC3000的冗余技術(shù)74第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型3)與過(guò)程連接的控制級(jí)，其冗余由過(guò)程管理器中的過(guò)程管理模塊實(shí)現(xiàn)，而關(guān)鍵環(huán)節(jié)的冗余是由TDC3000基本型、擴(kuò)展型和多功能控制器的不間斷的自動(dòng)控制（UAC）特性來(lái)完成。3.TDC3000的冗余技術(shù)75第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型4)TDC3000在結(jié)構(gòu)上提供歷史模塊的冗余盤和冗余的應(yīng)用模塊來(lái)提高可靠性。具有歷史模塊冗余的所有信息分別寫在兩塊磁盤上，如果一個(gè)出現(xiàn)故障，則切換到另一塊盤上繼續(xù)操作。在失效盤恢復(fù)以后，冗余盤上的信息可以拷貝到修復(fù)的盤上而無(wú)須中斷在線操作。在正常運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)周期地從兩個(gè)盤上讀取信息，以確保它們都可以正常使用。76第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型通過(guò)將所有新的信息存入工作和備用的接口模塊，使備用網(wǎng)絡(luò)接口模塊或高速公路接口與處于工作狀態(tài)的接口模塊盡量保持一致，而信息只從處于工作狀態(tài)的接口模塊中輸出，周期地進(jìn)行出錯(cuò)校驗(yàn)和其他例行檢查，以決定當(dāng)工作部件失靈時(shí)，備用接口模塊立即投入運(yùn)行。77第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型如果接口模塊失靈，提醒操作員的同時(shí)，將備用部件切入工作狀態(tài)，其切換時(shí)間小于5秒鐘。由于開(kāi)關(guān)切換沒(méi)有考慮系統(tǒng)的故障和對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的沖擊，因此，操作員應(yīng)密切注意切換過(guò)程。與接口模塊一樣，應(yīng)用模塊的切換是在失靈后的5秒鐘內(nèi)完成的，因此輸出作用和有關(guān)信息都不會(huì)丟失。78第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型5)在TDC3000的局部控制網(wǎng)中，一根通訊電纜作為主要電纜，另一根則作為備用電纜，所有信息同時(shí)在兩根電纜中傳送，但是各個(gè)模塊只從主要電纜中接受信息。系統(tǒng)定期地發(fā)布命令到所有模塊中去進(jìn)行主要電纜和備用電纜之間的切換。若有某一個(gè)模塊不能從主要電纜中接受到信息，那么它就切換到備用電纜中接受信息，并且發(fā)送一個(gè)出錯(cuò)信號(hào)給錯(cuò)誤日志和操作員。79第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型在TDC3000的數(shù)據(jù)高速公路上，也使用類似于局部控制網(wǎng)的雙纜結(jié)構(gòu)，一根為主要電纜，另一根為備用電纜，TDC3000系統(tǒng)周期地切換使用通訊電纜，以保證兩者的正常工作。當(dāng)有一根電纜失效或出錯(cuò)，則相應(yīng)的模塊即自動(dòng)地切換到備用電纜上。UCN和數(shù)據(jù)高速電纜以及與之相連的各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)都能在操作站上監(jiān)視，在任何時(shí)候，操作員都可以切換到備用電纜上。TDC3000的這種結(jié)構(gòu)使得它可以在維護(hù)時(shí)取下或裝上某一模塊而不對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響，因此TDC3000的維護(hù)工作可以在線進(jìn)行。80第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型DCS完成數(shù)據(jù)采集和處理、連續(xù)及順序控制等，從而克服了集中控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)集中，以及常規(guī)儀表控制功能單一的局限性。其應(yīng)用的效益主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：由于DCS具有較高的可靠性，大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行的故障率，提高了系統(tǒng)正常運(yùn)行的周期；DCS的應(yīng)用提高了控制系統(tǒng)的控制精度，可以在一些生產(chǎn)過(guò)程中采取“卡邊控制”；由于實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控，使操作更加方便，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。集散型控制系統(tǒng)的問(wèn)優(yōu)點(diǎn)81第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型DCS的局限性。首先，在組成控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，其測(cè)量變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍是基于模擬儀表的，使得檢測(cè)信號(hào)的精度低，與現(xiàn)場(chǎng)總線及智能儀表的數(shù)字信號(hào)傳送相比，其抗干擾能力與傳輸精度都大為遜色。集散型控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

82第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型其次，各DCS開(kāi)發(fā)生產(chǎn)企業(yè)制造的DCS使用他們自己的專用平臺(tái)，且對(duì)外保密，使得不同廠商之間的產(chǎn)品互不兼容，互操作性差。再其次，傳統(tǒng)DCS在控制規(guī)律和控制算法方面，相對(duì)于常規(guī)儀表并沒(méi)有重大突破，所提供的編程計(jì)算工具功能仍顯簡(jiǎn)單，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，使得許多先進(jìn)的控制算法無(wú)法在DCS上直接實(shí)現(xiàn)，基于常規(guī)控制規(guī)律的DCS的控制品質(zhì)難以滿足生產(chǎn)的控制需求。集散型控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

83第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型1.IPC-DCS的層次結(jié)構(gòu)(1)管理層(SMS)(2)操作層(IOS)1)圖形系統(tǒng)，用于自由組態(tài)畫(huà)面，并完全通過(guò)圖形對(duì)象進(jìn)行操作，圖形對(duì)象具有動(dòng)態(tài)屬性，并可對(duì)屬性進(jìn)行在線組態(tài)?；贗PC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)

84第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型2)報(bào)警信息系統(tǒng)，記錄和存儲(chǔ)時(shí)間并顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報(bào)表。3)變量存檔，接受、記錄和壓縮測(cè)量值。4)曲線和圖表顯示。5)用戶檔案庫(kù)，用于存儲(chǔ)有關(guān)用戶數(shù)據(jù)記錄及配方參數(shù)。6)報(bào)表系統(tǒng)，用戶自由選擇一定的報(bào)表格式，按時(shí)間順序或者時(shí)間觸發(fā)來(lái)操作信息、歸檔數(shù)據(jù)，進(jìn)行用戶報(bào)表輸出?；贗PC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)

85第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型7)處理功能，編輯組態(tài)圖形對(duì)象的動(dòng)作連接。8)標(biāo)準(zhǔn)接口，是該系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，可通過(guò)ODBC和SQL訪問(wèn)用于組態(tài)和過(guò)程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。9)應(yīng)用程序接口，可在所有應(yīng)用模塊中使用，并提供便利的訪問(wèn)函數(shù)和數(shù)據(jù)功能，開(kāi)放的開(kāi)發(fā)工具允許用戶編寫可用于擴(kuò)展該系統(tǒng)基本功能的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序?；贗PC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)

86第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型(3)現(xiàn)場(chǎng)控制層(FCS)用于控制設(shè)備間、現(xiàn)場(chǎng)控制間和現(xiàn)場(chǎng)儀表間，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)I/O程序、PID運(yùn)算、現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)及現(xiàn)場(chǎng)顯示。(4)儀表層(FIS)位于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，提供變送器、傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)調(diào)整（放大、隔離、整定）、數(shù)據(jù)采集和前端控制及有關(guān)連接電纜。87第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型圖8-9IPC-DCS的基本結(jié)構(gòu)88第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如圖8-10所示。對(duì)等結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)如圖8-11所示?；旌辖Y(jié)構(gòu)如圖8-12所示。2.IPC-DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)89第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型圖8-10客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖8-11對(duì)等結(jié)構(gòu)90第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型圖8-12混合結(jié)構(gòu)91第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型(1)串行通信，如圖8-13所示。當(dāng)串口使用RS-485時(shí)，如圖8-14所示。(2)使用公眾電話網(wǎng)撥號(hào)通信，如圖8-15所示。(3)通過(guò)以太網(wǎng)用TCP/IP協(xié)議通信。3.IPC-DCS的通信方式

92第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型圖8-13以RS-232方式共享數(shù)據(jù)93第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型圖8-14以RS-485方式共享數(shù)據(jù)94第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型圖8-15通過(guò)公共電話共享數(shù)據(jù)

95第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型基于PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)

96第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類型可編程控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)的基本原則是最大限度地滿足被控對(duì)象（生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備）的控制要求，安全可靠，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。主要體現(xiàn)在控制方式、操作方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這三個(gè)方面。(1)控制方式(2)操作方式(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)97第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(1)系統(tǒng)的開(kāi)放性(2)互可操作性與互換性(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性(5)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性現(xiàn)場(chǎng)總線概述

98第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(1)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信技術(shù)包括基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信模型、通信協(xié)議、通信控制芯片、通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理軟件等內(nèi)容。它涉及一系列與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的軟、硬件，如通信棧軟件，被稱為圓卡的儀表內(nèi)置接口卡，F(xiàn)F總線與計(jì)算機(jī)的接口卡，各種網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、中繼器等，它是現(xiàn)場(chǎng)總線的核心基礎(chǔ)技術(shù)之一?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF

99第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(2)標(biāo)準(zhǔn)化功能塊（FB，F(xiàn)unctionBlock）與功能塊應(yīng)用進(jìn)程（FBAP，F(xiàn)unctionBlockApplicationProcess）它提供一個(gè)通用結(jié)構(gòu)，把實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所需要的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，并把它們組成為可在某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進(jìn)程，便于實(shí)現(xiàn)不同制造廠商產(chǎn)品的混合組態(tài)與調(diào)用。功能塊的通用結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能與自動(dòng)化功能的基礎(chǔ)?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF

100第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(3)設(shè)備描述（DD，DeviceDescription）與設(shè)備描述語(yǔ)言（DDL，DeviceDescriptionLanguage）為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的互操作性，支持標(biāo)準(zhǔn)的功能塊操作，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用了設(shè)備描述技術(shù)。設(shè)備描述為控制系統(tǒng)理解來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)意義提供必需的信息，因而也可以看作控制系統(tǒng)或主機(jī)對(duì)某個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，即設(shè)備描述是設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF

101第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用設(shè)備描述編譯器，把DDL編寫的設(shè)備描述的源程序轉(zhuǎn)化成為機(jī)器可讀的輸出文件?？刂葡到y(tǒng)正是憑借這些機(jī)器可讀的輸出文件來(lái)理解各制造廠商設(shè)備的數(shù)據(jù)意義?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)把基金會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)基金會(huì)注冊(cè)過(guò)的制造廠商附加DD寫成CD-ROM，提供給用戶。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF

102第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(4)現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器與智能儀表或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間的接口技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，常采用OEM（OriginalEquipmentManufacturer）集成方法構(gòu)成新產(chǎn)品。(5)系統(tǒng)集成技術(shù)包括通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成，如網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理、控制系統(tǒng)組態(tài)、人機(jī)接口、系統(tǒng)管理維護(hù)等。103第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(6)系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)包括通信系統(tǒng)的一致性與可互操作性測(cè)試技術(shù)；總線監(jiān)聽(tīng)分析技術(shù)；系統(tǒng)的功能與性能測(cè)試技術(shù)。一致性與可互操作性測(cè)試是為了保證系統(tǒng)的開(kāi)放性而采取的重要措施。新產(chǎn)品一般要經(jīng)授權(quán)過(guò)的第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)作專門測(cè)試，驗(yàn)證符合統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范后，將測(cè)試結(jié)果交基金會(huì)登記注冊(cè)，授予FF標(biāo)志。104第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有時(shí)，對(duì)由具有FF標(biāo)志的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所組成的實(shí)際系統(tǒng)，還需進(jìn)一步進(jìn)行互可操作性測(cè)試和功能、性能測(cè)試，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。總線監(jiān)聽(tīng)分析用于測(cè)試、判斷總線上通信信號(hào)的流通狀態(tài)，以便于通信系統(tǒng)的調(diào)試、診斷與評(píng)價(jià)。對(duì)由現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備構(gòu)成的自動(dòng)化系統(tǒng)，功能與性能測(cè)試技術(shù)還應(yīng)包括對(duì)其實(shí)現(xiàn)的各種控制功能的能力、指標(biāo)參數(shù)的測(cè)試，并可在測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)通信系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)綜合指標(biāo)的評(píng)價(jià)。105第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)3.基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)106第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，Profibus分為Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中Profibus-DP是專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)。使用Profibus-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0~20mA并行信號(hào)線。過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus

107第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus-FMS解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、傳感器和執(zhí)行器、可編程序控制器、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備等一般自動(dòng)化領(lǐng)域。Profibus-PA專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus

108第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus可使分散式數(shù)字控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)（令牌）時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息。過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus

109第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括：輸入輸出裝置、閥門、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量變送器等。它們沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實(shí)施起來(lái)特別經(jīng)濟(jì)。過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus

110第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)參考了ISO/OSI模型，其中Profibus-DP使用第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加描述，這種結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行А?11第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM，directdatalinkmapped）提供易于進(jìn)入第2層的用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶、系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同Profibus-DP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的RS-485傳輸技術(shù)或光纖。112第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus-FMS對(duì)第1、2和7層均加以定義。應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（FMS，fieldbusmessagespecification）和低層接口（LLI，lowerlayerinterface），F(xiàn)MS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供可廣泛選擇的強(qiáng)有力的通信服務(wù)，LLI負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并向FMS提供不依賴設(shè)備訪問(wèn)第2層的服務(wù)，它還為Profibus-FMS提供了RS-485傳輸技術(shù)或光纖。113第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus-PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的“Profibus-DP”協(xié)議，根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電。使用分段式耦合器，Profibus-PA設(shè)備能很方便地集成到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。Profibus-DP和Profibus-FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問(wèn)協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。114第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus提供三種類型的傳輸技術(shù)：DP和FMS的RS-485傳輸；PA的IEC1158-2傳輸；光纖。其傳輸速率為9.6Kbps~12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m，1.5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。115第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonWorks使用的開(kāi)放式通信協(xié)議LonTalk為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)。在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下，系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。LON現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)（這些節(jié)點(diǎn)可以是直接采用神經(jīng)元芯片Neuron作為通信處理器和測(cè)控處理器，也可以是基于Neuron的HostBase節(jié)點(diǎn)）、通信介質(zhì)和通信協(xié)議。

LonWorks總線

116第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonWorks技術(shù)由以下幾部分組成：LonWorks節(jié)點(diǎn)和路由器；LonTalk協(xié)議；LonWorks收發(fā)器；網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具（LonBuilder）和節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具（NodeBuilder）。路由器在LonWorks技術(shù)中是一個(gè)主要的部分。由于路由器的使用，使LON總線突破其他現(xiàn)場(chǎng)總線的限制（不受通信介質(zhì)、通信距離、通信速率的限制）。

LonWorks總線

117第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在LON總線中，當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)建成以后，需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)工具為其分配邏輯地址，同時(shí)也需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報(bào)文連接起來(lái)；一旦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建成正常運(yùn)行后，需對(duì)其進(jìn)行維護(hù)；此外還需要上位機(jī)隨時(shí)了解該網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報(bào)文的變化情況。

LonWorks總線

118第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)所以，網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能有：網(wǎng)絡(luò)安裝、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。通過(guò)節(jié)點(diǎn)、路由器和網(wǎng)絡(luò)管理這三部分有機(jī)的結(jié)合就可以構(gòu)成一個(gè)帶有多介質(zhì)、完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

LonWorks總線

119第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonWorks技術(shù)的核心是Neuron芯片。它是高度集成的大規(guī)模集成電路，主要包括MC143150或MC143120兩大系列，其中MC143150支持外部存儲(chǔ)器，適合更為復(fù)雜的應(yīng)用；而MC143120本身帶有ROM，不支持外部存儲(chǔ)器。2.Neuron芯片120第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Neuron芯片通過(guò)硬件和軟件的獨(dú)特結(jié)合，提供了處理來(lái)自監(jiān)控設(shè)備的輸入和通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)媒介傳送控制信息的所有關(guān)鍵功能，使一個(gè)NEURON芯片幾乎包含一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的大部分功能塊（應(yīng)用CPU、I/O處理單元、通信處理器）。因此，一個(gè)Neuron芯片加上收發(fā)器便可構(gòu)成一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)，使得開(kāi)發(fā)低成本現(xiàn)場(chǎng)總線成為可能。2.Neuron芯片121第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Neuron芯片集成了3個(gè)8位的微處理器（CPU），分別完成不同的功能。CPU1是MAC處理器，完成介質(zhì)訪問(wèn)控制（MediaAccessControl），處理ISO/OSI七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的1、2層，其中包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)的硬件和執(zhí)行沖突避免算法。2.Neuron芯片122第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)CPU2是網(wǎng)絡(luò)處理器，實(shí)現(xiàn)ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的3～6層功能，處理網(wǎng)絡(luò)變量、地址、認(rèn)證、后臺(tái)診斷、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等進(jìn)程。MAC處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器間通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。2.Neuron芯片123第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)CPU3是應(yīng)用處理器，執(zhí)行用戶程序。由于OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的1～6層是固化在ROM中的，因而，用戶只需編寫應(yīng)用CPU的程序，不需考慮網(wǎng)絡(luò)編程。Neuron的基本編程語(yǔ)言是NeuronC，它是ANSIC針對(duì)LON總線的分布控制應(yīng)用經(jīng)優(yōu)化、加強(qiáng)而成。2.Neuron芯片124第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為適合不同的通信介質(zhì)，Neuron芯片具有一個(gè)由5個(gè)引腳組成的通用網(wǎng)絡(luò)通信口，可將5個(gè)引腳（CP0～CP4）配置成三種不同的接口工作方式，以適合不同的編碼方案和不同的波特率。這三種工作方式是：?jiǎn)味耍╯ingle-ended）、雙端差分（differential）和特殊目的（specialpurpose）方式。2.Neuron芯片125第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonTalk協(xié)議是為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)的專用通信協(xié)議，它遵循ISO/OSI七層參考模型，提供了OSI參考模型規(guī)定的7層服務(wù)，這同其它的現(xiàn)場(chǎng)總線4層模型有顯著的差別。它具有以下的一些特點(diǎn)：發(fā)送的報(bào)文都是很短的數(shù)據(jù)（通常幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié)）；通信帶寬不高（幾Kbps到2Mbps）；網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)往往是低成本、低維護(hù)的單片機(jī)；多節(jié)點(diǎn)，多通信介質(zhì)；可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。3.LonTalk協(xié)議126第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonTalk協(xié)議不受通信媒介、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南拗?。它可在任何媒介下通信，如雙絞線、光纖、電力線、同軸電纜、射頻和紅外線；采用總線、環(huán)型、星型等任何拓?fù)湫问?；使用現(xiàn)在所有通信結(jié)構(gòu)，從主從式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到客戶/服務(wù)式結(jié)構(gòu)。3.LonTalk協(xié)議127第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonTalk協(xié)議提供四種基本報(bào)文服務(wù)：應(yīng)答確認(rèn)方式（Acknowledge）、請(qǐng)求/響應(yīng)方式（Request/Response）、非應(yīng)答重復(fù)方式（UnacknowledgedRepeated）和非應(yīng)答方式（Unacknowledged）。在前兩種服務(wù)方式中，發(fā)送方需要得到每一個(gè)接收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號(hào)，報(bào)文應(yīng)答服務(wù)由網(wǎng)絡(luò)處理器（NetworkProcessor）完成，不必由應(yīng)用程序來(lái)干預(yù)；3.LonTalk協(xié)議128第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)后兩種則不需要每一個(gè)接收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)向發(fā)送方應(yīng)答或響應(yīng)。LonTalk協(xié)議支持授權(quán)報(bào)文，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)安裝時(shí)約定了一個(gè)6字節(jié)48位的授權(quán)字，接收者在接收?qǐng)?bào)文時(shí)將檢查發(fā)送者是否經(jīng)授權(quán)，只有經(jīng)發(fā)送方授權(quán)的報(bào)文方可接收，因此授權(quán)功能禁止非法訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)。3.LonTalk協(xié)議129第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonTalk協(xié)議的介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）子層是鏈路層的一部分，它使用OSI各層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口和鏈路層的其他部分進(jìn)行通信。在ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5定義了載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）標(biāo)準(zhǔn)、令牌總線（TOKENBUS）和令牌環(huán)（TOKENRING）標(biāo)準(zhǔn)。130第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)LonTalk協(xié)議中的MAC算法符合CSMA/CD標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)CSMA/CD算法做了改進(jìn)，稱為帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA，它在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服其在控制網(wǎng)絡(luò)中的不足。P-堅(jiān)持CSMA算法按固定概率P給出隨機(jī)數(shù)量的時(shí)間片（最少16個(gè)），待發(fā)送的節(jié)點(diǎn)任意分布在這些時(shí)間片上。根據(jù)對(duì)信道上積壓工作的估計(jì)，確定一個(gè)值為1～63的n，由n來(lái)決定應(yīng)該增加的時(shí)間片數(shù)。131第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)這種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間片的方法，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)縮短了介質(zhì)訪問(wèn)延時(shí)，在負(fù)載重時(shí)則減輕了沖突的可能。132第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)另外，LonTalk協(xié)議為提高緊急事件的響應(yīng)時(shí)間，提供了一個(gè)可選擇設(shè)置優(yōu)先級(jí)的功能。該功能容許用戶為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)待定的優(yōu)先級(jí)時(shí)間片（PrioritySlot），在發(fā)送過(guò)程中，優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)報(bào)文將在該時(shí)間片里將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送出去。133第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)時(shí)間片從0～127，0表示不需要等待立即發(fā)送，1表示等待一個(gè)時(shí)間片，2表示等待兩個(gè)時(shí)間片，……，片號(hào)越低，優(yōu)先級(jí)別越高，越先得到發(fā)送。這個(gè)時(shí)間片是加在P-概率時(shí)間片之前的。所以，沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)必須等待優(yōu)先級(jí)時(shí)間片都完成之后，再等待P-概率時(shí)間片后才發(fā)送。因而，加入優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)比非優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)具有更快的響應(yīng)時(shí)間。134第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)HART通信協(xié)議參照ISO/OSI七層參考模型，簡(jiǎn)化并引用了其中1，2，7三層，即：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信協(xié)議

135第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)物理層規(guī)定了HART通訊的物理信號(hào)方式和傳輸介質(zhì)。它采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控技術(shù)（FSK—FrequencyShiftKeying），在4~20mA的模擬信號(hào)上疊加了一個(gè)幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，如圖8-19所示。HART通信協(xié)議

136第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)HART通信協(xié)議

137第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于所疊加的正弦信號(hào)平均值為0，所以數(shù)字通訊信號(hào)不會(huì)干擾4~20mA的模擬信號(hào)，這就使數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)并存而互不干擾，這是HART標(biāo)準(zhǔn)的重要優(yōu)點(diǎn)。HART通信具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)連接模式，傳輸介質(zhì)一般為雙絞線，當(dāng)傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，可用屏蔽雙絞線。通信速率為1200bps。HART通信協(xié)議

138第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程。數(shù)據(jù)幀基本格式如圖8-20所示，最長(zhǎng)可達(dá)25個(gè)字節(jié)。HART協(xié)議是主從式的通信協(xié)議，系統(tǒng)允許有兩個(gè)主設(shè)備，最多可有15個(gè)從設(shè)備。從設(shè)備可尋址范圍為0~15，當(dāng)?shù)刂窞?時(shí)，為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式；當(dāng)?shù)刂窞?~15時(shí)，為多點(diǎn)模式。智能變送器可以作為從設(shè)備應(yīng)答主設(shè)備的詢問(wèn)；也可以處于“突發(fā)模式”，自動(dòng)、連續(xù)地發(fā)送信息，后者速度較快，但僅用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。HART通信協(xié)議

139第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)應(yīng)用層規(guī)定了HART通信命令的內(nèi)容（見(jiàn)表8-1），智能設(shè)備從這些命令中辨識(shí)對(duì)方信息的含義。這些命令共分為三類。第一類是通用命令（UniversalCommands），適用于所有符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，如讀制造廠號(hào)及產(chǎn)品型號(hào)，讀過(guò)程變量值及單位，讀電流百分比輸出等。140第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)第二類是普通應(yīng)用命令（Common-PracticeCommands），適用于大部分符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，但不同公司的HART產(chǎn)品可能會(huì)有少量區(qū)別，如寫過(guò)程變量單位，微調(diào)DA的零點(diǎn)和增益，寫阻尼時(shí)間常數(shù)等。第三類是特殊命令（Device-SpecificCommands），這是各家公司針對(duì)具體產(chǎn)品的特殊性而設(shè)立的特有命令，不互相兼容。141第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)2.HART協(xié)議的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)1)因?yàn)槟M信號(hào)帶有過(guò)程控制信息，同時(shí)，數(shù)字信號(hào)允許雙向通信，HART協(xié)議允許模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)同時(shí)存在，這樣就使動(dòng)態(tài)控制回路更靈活、有效和安全。2)因?yàn)镠ART協(xié)議能同時(shí)進(jìn)行模擬和數(shù)字通信，因此，在與智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表通信時(shí)還可和其他模擬設(shè)備混合使用，如記錄儀、控制器等。3)由于支持多個(gè)數(shù)字通信主機(jī)，在一根雙絞線上可同時(shí)連接多個(gè)智能化儀表。142第8章分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)4)可通過(guò)租用電話線連接儀表，允許多站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可延伸到一段相當(dāng)長(zhǎng)的距離，使遠(yuǎn)方的現(xiàn)場(chǎng)