計(jì)算機(jī)控制

控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制領(lǐng)域新的問題、需求與挑戰(zhàn)控制規(guī)模的擴(kuò)張控制區(qū)域地理分布廣泛集中管理和分布操作的需求控制對(duì)象、算法復(fù)雜“維數(shù)災(zāi)”……解決思路一：分解-聯(lián)系-協(xié)調(diào)分解（底層）對(duì)于復(fù)雜大系統(tǒng)，沿地理位置或控制任務(wù)進(jìn)行子系統(tǒng)（局部控制器）分解對(duì)于高維大系統(tǒng)分解成若干低維子系統(tǒng)，先分別進(jìn)行優(yōu)化，通過協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)最優(yōu)控制聯(lián)系（通信）各子系統(tǒng)間具有聯(lián)系，通過通信子網(wǎng)將各局部控制器聯(lián)系起來協(xié)調(diào)（上層）設(shè)置上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)意義上的總體目標(biāo)最優(yōu)，及系統(tǒng)集成例如：分解層（底層）聯(lián)系層(通信子網(wǎng))協(xié)調(diào)層（上層）上位機(jī)控制系統(tǒng)各分離的部分按照計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架來設(shè)計(jì)和集成分解-聯(lián)系-協(xié)調(diào)策略——分解原則按地理位置的分布情況進(jìn)行分解；按工藝流程進(jìn)行分解；按已有的控制經(jīng)驗(yàn)、算法進(jìn)行分解；按獲得的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分解……局部控制器承擔(dān)分解得到的子系統(tǒng)控制任務(wù)分解-聯(lián)系-協(xié)調(diào)策略——協(xié)調(diào)控制原理關(guān)聯(lián)（耦合）各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)客觀存在協(xié)調(diào)控制器在各子系統(tǒng)局部最優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立協(xié)調(diào)控制器，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大系統(tǒng)最優(yōu)化解決思路二：分層遞階智能模型決策層組織級(jí)管理層協(xié)調(diào)級(jí)執(zhí)行層過程級(jí)復(fù)雜對(duì)象自頂向下自底向上分層遞階智能控制模型仿人控制的一類系統(tǒng)模型從功能上模擬人的智能決策行為并從結(jié)構(gòu)上仿效這一行為的執(zhí)行過程。優(yōu)勢(shì)與特性較好地解決跨地域，信息測(cè)控點(diǎn)分布面廣、分散，信息類型種類多，采集方式復(fù)雜，信息準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性要求高等問題。例如：灌區(qū)水資源管理自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案：構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)基本概念I(lǐng)nfranet(InfrastructureNetwork)orControlNetwork源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，處于信息網(wǎng)絡(luò)的底層數(shù)據(jù)通信以引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)為目的特別強(qiáng)調(diào)可靠性與實(shí)時(shí)性支撐學(xué)科與技術(shù)控制理論電子、電氣計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信控制網(wǎng)絡(luò)的特性高實(shí)時(shí)性，時(shí)間確定性；多為短幀信息，信息交換頻繁通信協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用，工作效率高容錯(cuò)，可靠性、安全性；結(jié)構(gòu)具有高度分散性可擴(kuò)展性同層間易于擴(kuò)展與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效的通信，易于實(shí)現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的集成；……計(jì)算機(jī)控制控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的比較數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性例如：過程控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間0.01~0.5s，制造自動(dòng)化系統(tǒng)0.5~2.0s。而在信息網(wǎng)絡(luò)的很多使用中，實(shí)時(shí)性可以忽略；在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性；通信方式多使用廣播和組播方式；而在信息網(wǎng)絡(luò)中自主系統(tǒng)間一般建立一對(duì)一通信方式；目前還沒有形成像信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品那樣完善的統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)控制控制網(wǎng)絡(luò)的類型從企業(yè)自動(dòng)化層次模型來分：設(shè)備層：面向設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化層：面向自動(dòng)化的主干控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備層作為其一個(gè)接入節(jié)點(diǎn)從組網(wǎng)技術(shù)來分：共享總線控制網(wǎng)絡(luò)例如一些工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)、現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）等，適合于底層（現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備層等）的控制網(wǎng)絡(luò)交換式控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活方便，便于組建虛擬控制網(wǎng)絡(luò)，適用于組建包含高層的控制網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)控制控制網(wǎng)絡(luò)舉例：制造自動(dòng)化系統(tǒng)(MAS)

MAS包含CIMS五層遞階模型的下三層生產(chǎn)車間制造單元制造單元工作站工作站工作站設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備工廠計(jì)算機(jī)控制控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(Architecture)對(duì)已有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的引用、遵循與簡(jiǎn)化，主要涉及：ISO/OSIRMISO于1977年提出，試圖使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架IEEE802LANRM由1980年成立的IEEE802委員會(huì)制定，已成為國際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)控制ISO/OSIRM底層與IEEE802LANRMDataLinkLayerPhysicalLayerMediumOSIRM(底層)邏輯鏈路控制LLC媒體訪問控制MACPhysicalLayerMediumIEEE802LANRMScopeofIEEE802Standard如802.3計(jì)算機(jī)控制IEEE802各分委員會(huì)結(jié)構(gòu)及內(nèi)容802.7寬帶技術(shù)802.8光纖技術(shù)802.3CSMA/CDMAC物理層802.4令牌總線MAC物理層802.5令牌環(huán)網(wǎng)MAC物理層802.9話音數(shù)據(jù)綜合LAN802.11無線LAN802.6MANMAC物理層802.2邏輯鏈路控制LLC802.1體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互連802.10可互操作的局域網(wǎng)的安全機(jī)制物理層數(shù)據(jù)鏈路層工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)計(jì)算機(jī)控制控制網(wǎng)絡(luò)的通信組網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)(IEC1158標(biāo)準(zhǔn))應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，互連自動(dòng)化設(shè)備及控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的局域網(wǎng)之一常作控制網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)備網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)常作控制網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議：遵循OSIRM通信協(xié)議ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysical應(yīng)用實(shí)體AApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysical應(yīng)用實(shí)體BPhysicalMedium應(yīng)用層表示層對(duì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層ISO/OSIRM例如：LonWorks采用LonTalk通信協(xié)議，遵循OSIRM的全部7層模型；HART參照OSIRM的第1、2、7層……計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)利用數(shù)字通信代替4~20mA信號(hào)，較好地解決了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層中MAC以及設(shè)備的接入問題；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上可以實(shí)現(xiàn)基本的控制功能；采用快速工業(yè)以太網(wǎng)(FastEthernet)作為網(wǎng)絡(luò)干線；開放性致力于建立統(tǒng)一的企業(yè)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議的一致性、公開性。用戶可以按照實(shí)際控制需求，靈活組建自定義系統(tǒng)?；ゲ僮餍耘c互用性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性，提高了可靠性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性支持多種傳輸介質(zhì)，具較強(qiáng)抗干擾能力；可以采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，滿足本質(zhì)安全防爆要求。由現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分散控制計(jì)算機(jī)控制集中控制

一對(duì)一的物理設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。分散控制

采用智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，把中央控制室的控制模塊、I/O模塊置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，部分或全部控制功能直接在現(xiàn)場(chǎng)完成?，F(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備1現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備2現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備3數(shù)字線路上層服務(wù)器或上位機(jī)中央控制器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上層服務(wù)器或上位機(jī)中央控制器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)致力于采用開放通信標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)各種設(shè)備…...以實(shí)現(xiàn)智能化、互操作、網(wǎng)絡(luò)化......再通過多種方式，如有線、無線通信公網(wǎng)或Internet接入更廣的網(wǎng)絡(luò)世界Dimmer/SwitchHumanMachineInterfaceSecurityCameraMotionSensorThermostatHVACValve

ElectronicBallastLonWorksControlNetworkOvertheInternet…Fromyourbrowser…計(jì)算機(jī)控制一些有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線：FF(FoundationFieldbus)LonWorksProfibusCANInterbusHARTDeviceNetModbusInterbusCC-linkControlNetAsiBACnetARCnet……計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用實(shí)例：采用Lonworks的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)Dimmer/Switch

HVACValveMotionSensorThermostatElectronicBallastLNSserveronsite

IPbackboneLegacySystemetc.i.LONAppPSGLonWorksControlNetwork基于LonWorks的智能門徑系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制采用PROFIBUS的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制一些有影響的工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNetEtherNet/IPHSE（HighSpeedEthernet）EtherCATEPAModbus/TCPPowerlink計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式DDC(DirectDigitalControl)直接數(shù)字控制SCC(SupervisoryComputerControl)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制SCADA(Supervisor

Control

And

Data

Acquisition）監(jiān)測(cè)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）分布式控制系統(tǒng)TDCS(TotalDistributedControlSystem)集散控制系統(tǒng)……計(jì)算機(jī)控制分布式控制系統(tǒng)(DCS)概述產(chǎn)生于70年代，廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)分解-協(xié)調(diào)控制策略特點(diǎn)：控制功能分散、負(fù)荷分散、危險(xiǎn)性分散，可靠性得以提高、投資減小、維護(hù)方便；監(jiān)視、操作和管理集中，管理與現(xiàn)場(chǎng)分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化；控制與管理都具實(shí)時(shí)性，較好解決系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)問題。計(jì)算機(jī)控制分布式控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型StarTopology總線型BusTopology環(huán)型RingTopology混合型局部控制器控制節(jié)點(diǎn)中心控制器局部控制器控制節(jié)點(diǎn)，從站主站Ring計(jì)算機(jī)控制DCS的基本結(jié)構(gòu)第一代（70年代中）數(shù)據(jù)采集裝置DAU或過程接口單元PIU過程控制單元PCU或基本控制器BC監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）操作站計(jì)算機(jī)控制第二代DCS結(jié)構(gòu)（80年代中）

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器過程控制單元PCU（節(jié)點(diǎn)工作站）主工作站中央操作站系統(tǒng)管理模塊

SMMLAN子系統(tǒng)其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器以局域網(wǎng)為核心，各單元作為LAN的節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制第三代DCS結(jié)構(gòu)主計(jì)算機(jī)操作站其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)MAP或兼容網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作站節(jié)點(diǎn)裝置智能變送器智能儀表MAP：制造自動(dòng)化協(xié)議IEEE802.4令牌總線(TokenPassingBUS)GM負(fù)責(zé)制定，事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)控制目前常用的DCS層次化結(jié)構(gòu)：…Internet/IntranetWAN/LAN工作站服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)路由器

上層（主干網(wǎng)）

下層（控制現(xiàn)場(chǎng)）應(yīng)用系統(tǒng)舉例計(jì)算機(jī)控制城市自來水生產(chǎn)過程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制城市自來水生產(chǎn)過程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)——無線通信方案計(jì)算機(jī)控制城市自來水生產(chǎn)過程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)——無線數(shù)傳電臺(tái)通信方案上位計(jì)算機(jī)（管理中心）數(shù)據(jù)采集器水表煤氣表電表中央空調(diào)總表數(shù)據(jù)采集器中央空調(diào)總表（包括冷水機(jī)組水泵，冷卻塔及末端備的所有設(shè)備的用電量）RS485總線空調(diào)末端數(shù)據(jù)采集器LED電費(fèi)顯示器信號(hào)變換高中底三速開關(guān)風(fēng)機(jī)送風(fēng)回風(fēng)冷凍水表冷器智能抄表及中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制某輸氣站監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)MAP現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)FCSInternetATM網(wǎng)絡(luò)802.11移動(dòng)終端以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的層次物理層：中繼器或集線器，數(shù)據(jù)位(Bit)在同一類型網(wǎng)絡(luò)中傳輸；數(shù)據(jù)鏈路層：網(wǎng)橋或交換機(jī)，將幀轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)相同或不同的網(wǎng)絡(luò)中?？梢赃M(jìn)行有限的協(xié)議轉(zhuǎn)換，如以太網(wǎng)802.3到無線網(wǎng)802.11，PROFIBUS到HART，等。網(wǎng)絡(luò)層：路由器，轉(zhuǎn)換分組格式，允許網(wǎng)絡(luò)層