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工业自愿化

日期:2019-09-30 20:25 来源: 工业自动化

  

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  工业自动化技术 全有文档 2018/10/6 1 工业自动控制技术的发展概况 一、工业自动控制的基本概念 ? ? ? 自动控制:指在无人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对 象(机器、设备)的某一个物理量自动地按照预定的规律运行, 控制系统:为实现某一控制目标所需要的物理部件(及软件)的 有机组合,通常由控制器和被控对象组成。 自动控制理论:是研究自动控制共同规律的科学,它包括以反馈 控制理论为基础的古典控制理论(单输入、单输出),以状态空 间为基础的现代控制理论(多输入、多输出)以及以模糊控制和 神经网络为代表的智能控制(不需精确数学模型)。 2018/10/6 2 二、工业自动控制系统基本类型: ? 顺序控制系统:顺序控制是按照预先规定的时间顺序(或逻辑关 系),逐步对各设备或对象进行控制到方法。如电梯等。 过程控制系统:对工业生产过程中的各物理量(如温度、压力、 液位等)进行闭环控制,使其按照要求的规律变化。 ? ? 运动控制系统:控制运动物体的转速或位置,使其按照要求的规 律变化。如调速系统,位置随动系统等。 监控系统:对生产过程中的大量运行参数进行采集、显示、记录 或报警。 ? 2018/10/6 3 三、控制系统的传统实现方法: ? ? ? ? 顺序控制系统:继电逻辑控制系统。 过程控制系统:常规仪表控制系统。 运动控制系统:拖动控制系统。 监控系统:常规显示、记录或报警仪表。 2018/10/6 4 四、计算机技术对工业控制技术的影响 2018/10/6 5 五、实现计算机控制到几种尝试方案 ? ? ? ? 直接数字控制系统(DDC)。 单片机控制。 总线式工控机。 可编程调节器。 2018/10/6 6 六、计算机控制的现状及发展 ? ? ? ? 可编程控制器(PLC)。 集散控制系统(DCS)。 现场总线控制系统(FCS)。 工业以太网。 2018/10/6 7 七、计算机控制的设计原则 ? ? ? ? 可靠性与适应性。 操作性与友好性。 灵活性与扩展性。 实时性。 2018/10/6 8 分布式控制系统的体系结构 一、分布式控制系统体系结构的形成: ? ? ? ? 集中型计算机控制系统:采用专用计算机来处理工业控制问题(如 进行数据采集,数据处理,过程监视等)。 多级计算机控制系统:为了计算机的处理速度和自身的可靠性问 题和在计算机微型化的推动下,出现了多级计算机控制系统。 集散型计算机控制系统:将与现场设备打交道和需要进行实时处 理的功能分散到前端计算机上,而中央计算机只充当后继到系统 管理方面的工作,实现集中管理,分散控制,提高整个系统的可 靠性。 计算机集成综合系统:将中央计算机与工厂办公室自动化系统连 接起来,使工厂制造与办公室、实验室、仓库等商业和事务管理 等系统构成了一体化。 2018/10/6 9 二、分布式控制系统 分层结构中各层的功能 2018/10/6 10 三、分布式控制系统系统的基本结构 ? ? ? 现场控制器:通常带有I/O部件,与生产过程相联接,实现数据 采集和控制执行。 人机接口:让操作员了解生产能够过程的运行状况,并通过它发 出操作指令给生产过程。主要由操作站、工程师站和历史站。 通信系统:在分散过程控制装置与操作管理装置之间完成数据交 换和传递。 2018/10/6 11 四、现场控制器 ? ? ? ? 回路控制器:能完成以PID为基础的回路控制的数字仪表,多路 数据采集器以及无纸记录仪等一系列数字仪表,在面板上仍保留 棒图和手/自动切换,用数字显示代替指针显示,这些数字仪表统 称为回路控制器。回路控制器内部的算法预先用程序作成功能块 的形式,存在ROM中。可以按照所要求的控制策略,进行组态。 可编程控制器(PLC):PLC是由摸仿继电器控制原理发展起来的, 以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指 令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。 现代的也增加有一些控制回路用的算法。 运动控制器:用于控制运动部件的速度或位置,通常包括变频器 和伺服系统。 现场总线:全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪 表、控制装置;用分散的虚拟控制站取代集中的控制站;改变传 统的信号标准、通信标准。 2018/10/6 12 控制系统的硬件体系结构 2018/10/6 13 (1) 需适应恶劣的工业生产过程环境。冗余结构 模块1 模块1 模块2 模块2 模块3 三模冗余 TMR-Triple Module Redundancy 14 双模冗余 DMR-Dual Module Redundancy 2018/10/6 指 令 模块1 输 入 模块2 指 令 备用式冗余 Backup Redundancy 2018/10/6 指 令 输 入 模块1 输 表 出 决 指 器 模块2 令 输 选 出 状 择 态 器 表决式冗余 Voting Redundancy 15 模块1 主 模块2 表决器 A输出 互锁信号 A机 模块3 表决器 备 B输出 输 出 互 锁 选 择 器 输出 模块4 B机 互锁信号 2018/10/6 16 确定性实时和非确定性实时的对比 确定性实时 概率 deadline 概率 deadline 非确定实时 延迟 tmin tA tmax tdl tmin tA tmax tdl 延迟 有边界 ! 在正常运行条件及可恢复故障条件下, 任务延迟超过最后期限(deadline)的概 率为零。 无边界 ! 在正常运行条件及可恢复故障条件下, 任务延迟超过最后期限(deadline)的概 率很小,但不为零。 2018/10/6 17 实时性:典型任务的响应时间要求 1 ?s: 10 ?s: 30 ?s: 100 ?s: 200 ?s: 1 ms: 2 ms: 10 ms: 50 ms: 200 ms: 1 s: 3 s: 2018/10/6 控制器执行一个加法运算的典型时间 控制器执行一个PID运算的典型时间 通讯信号传输9km的时间延迟(信号速度30万公里/秒) 多任务实时系统任务切换时间 从实时数据库(内存)中访问获取一个数据对象的时间 在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间 在局域网中发送一个报文的时间 流程工业中的事件分辨率(但目前很多招标书都要求2ms) 控制器中通讯任务的执行时间 操作人员的手感(接近硬接线般的感觉) 操作员站画面上的数据刷新速度 操作员站画面翻页速度 18 主控制器应用设计:工艺过程划分 通过系统网络引用另一对主控制器的IO点数据 系统网络 第1对主控制器 第2对主控制器 系统网络 系统网络 IO IO IO IO 工艺过程1 工艺过程2 通过硬接线引用另一对主控制器的IO点数据 2018/10/6 19 AI信号的输入处理过程 热电阻(RTD) (Resistor Temperature Detector ) 热电偶(TC) (Thermal Couple) 电桥变换 滤波 模数转换 (A/D) 信号放大 滤波 模数转换 (A/D) 变送器(4-20mA,1--5V) (温度,压力,流量,物位) 电流-电压变换 滤波 模数转换 (A/D) 工业现场的 传感器或变送器 采用的信号调理技术 (Signal Conditioning) 数字化处理 Analog Input-AI 2018/10/6 20 双积分型A/D转换器 Integrator Analog Input (Va) -Vreference Comparator + + Start of Conversion Status Digital Output 12 Counter Clock Control Logic Comparator output - 2018/10/6 21 逐次比较型A/D转换器 Analog Input + Comparator output D/A Converter Digital Output Start of Conversion Status 12 Successive Approximation Register Clock 2018/10/6 22 2018/10/6 23 变压器隔离型放大器 2018/10/6 24 电容隔离型放大器 2018/10/6 25 线 三种模拟信号隔离放大器比较 性价典型 值 线性度 信号带宽 隔离电压 体积 价格 变压器隔离型 放大器 0.005% 120kHz 1500Vrms 笨重 最贵(40$) 电容隔离型 放大器 0.01% 50kHz 1500Vrms 小 10$ 线性光偶隔 离型放大器 0.1% 50kHz 1500Vrms 小 5$ 2018/10/6 27 模拟量输出 R 1V D0 D1 D2 D3 8R 4R 2R R + 2018/10/6 28 开关量输入(DI:Digital Input) 2018/10/6 29 开关量输出(DO:Digital Output) 2018/10/6 30 控制系统的控制算法 常见计算机控制算法、 ? PID控制算法:形成一个闭环的控制回路,对被控变量产生的一切 扰动都进行响应。 ? ? 选择性控制系统:对两个或多个控制器的输出端的信号进行选择。 前馈控制:按扰控量进行补偿的开环控制,即当影响系统的扰动出 现是(被控变量还未显示变化以前),按扰动量大小直接产生校正作 用,以抵消扰动的影响。 ? 顺序控制:顺序控制是按照预先规定的顺序(逻辑关系),逐步对 各阶段进行信息处理的控制方法. ? 计算机优化控制 2018/10/6 31 一、 理想 PID 控制算法 PID 控制器是一种线性的控制器,用于输出量与给定之间的偏差的时间 函数来表示 1、 2、 3、 e(t) ? y(t) ? r(t) 比例控制器 u(t) ? k e(t) p 比例积分控制器 t e(t)dt] u(t) ? k p[e(t) ? 1 ?0 T I 比例积分微分控制器 t e(t)dt ?T de(t)] u(t) ? k p[e(t) ? 1 ?0 D dt T I 2018/10/6 32 控制作用: ? ? ? ? 比例控制:比例控制能迅速反应误差,从而减小稳态误差。 但是,比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大, 会引起系统的不稳定。 积分控制:积分控制的作用是,只要系统有误差存在,积 分控制器就不断地积累,输出控制量,以消除误差。因而, 只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差,使系统 误差为零,从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超 调加大,甚至使系统出现振荡。 微分控制:微分控制可以减小超调量,克服振荡,使系统 的稳定性提高,同时加快系统的动态响应速度,减小调整 时间,从而改善系统的动态性能。 应用PID控制,必须适当地调整比例放大系数KP,积分时 间TI和微分时间TD,使整个控制系统得到良好的性能。 2018/10/6 33 2018/10/6 34 二、离散的 PID 控制 1、位置算法 比例进行采样: kpe(t)≈ kpe(k) T k 用求和代替积分: S ?e( j) Ti j?0 T de ( t ) 用差分代替微分:T ? D[e(k) ?e(k ?1)] d dt T S 所以离散 PID 控制为: T k T S U (k ) ? kp{e(k)? e( j) ? d [e(k) ?e(k ?1)]} ? Ti j?0 T S 上式为全量式,非递推式,式中 TS 为采样周期,TI 为积分时间;TD 为 微分时间。 2018/10/6 35 为了求和,必须将系统的偏差的全部过去值都储存起 来,这种算法得出的全量U(K)是控制量的绝对值。在控制系 统中,这种控制量确定了执行机构的位置,是一一对应的。 缺点是每时刻计算机都要重复计算阀位的位置,必须把偏差 的全部过去数据都积累起来,容易产生积分饱和 2018/10/6 36 2、增量算法 由位置算法求出: T k T S U (k ) ? k p{e(k) ? e(t) D [e(k) ? e(k ?1)]} ? T j?0 T I S T k T U (k ?1) ? k p{e(k -1) ? S ? e(t) D [e(k ?1 ) ? e(k ? 2)]} T j?0 T I S ?U (k ) ?U (k ) ?U (k ?1) ? k p[e(k ) ? e(k ?1)]? k e(k ) ? k [e(k ) ? 2e(k ?1) ? e(k ? 2) ] I D ?e??? k ??? ? e??? k ??? ? e??? k ?1??? ? ? ? ? ? ? 设 ??U (k ) ? k p ?e(k ) ?k e(k ) ? k [?e(k ) ? ?e( k ?1 ) ] I D 上式只表示出各次偏差量对控制作用的影响,已看不出 P 、I、D 作用的直 接关系了,只存储三个偏差采样值足够 e(k) e(k-1) e(k-2) 2018/10/6 37 2018/10/6 38 三、采样周期 采样周期选择: ◆ 根据香农采样定理,系统采样频率为 : fs ≥2fmax( fmax 被采样信号的最高) 满足这一定理,采样信号方可恢复或近似地恢 复为原 模拟信号,而不丢失主要信息。在这个限制范围内,采样 周期越小,采样-数据控制系统的性能越接近于连续-时间 控制系统。 2018/10/6 39 ◆ 从执行机构的特性要求来看,有时需要输出信号保持一定的宽度, 采样周期必须大于这一时间 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看,要求采样周期短些 ◆ ◆ 从微机的工作量和每个调节回路的计算来看,一般要求采样周期大 些 从计算机的精度看,过短的采样周期是不合适的 — 采用周期要比对象的时间常数小得多,否则采样信号无法反映瞬变过程 — 采用周期应远小于对象的扰动信号的周期 — 考虑执行器的响应速度 ◆ 实际选择采样周期时,必须综合考虑 — 当系统纯滞后占主导地位时,应按纯滞后大小选取,并尽可能使纯滞后 时间接近或等于采用周期的整数倍 — 考虑对象所要求的控制质量,精度越高,采样周期越短,以减小系统的 纯滞后 2018/10/6 40 ◆ 常见被控量的经验采样周期 被测参数 电流 速度 流量 压力 液位 温度 成分 采样周期 10-100us 1-10ms 1—5 3—10 6—8 15—20 15—20 说 明 优先选用10—20s 优先选用1—2ms 优先选用1—2s 优先选用6—8s 优先选用7s 或纯滞后时间,串级系统: 副环T=1/4—1/5T主环 优先选用18s 2018/10/6 41 ? ? ? ? ? ? ? 四、参数整定 实验凑试法的整定步骤为“先比例,再积分,最后微分。 1 整定比例控制 预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟 时间的十分之一。用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分 作用,将控制选择为纯比例控制器,构成闭环运行。逐渐加大比例放 大系数KP,即将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到 反应快、超调小的响应曲线,即系统对输入的阶跃信号的响应出现临 界振荡(稳定边缘)。 2 整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求,需加入积分控制。 先将步骤(1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分 时间置一个较大值,观测响应曲线。然后减小积分时间,加大积分作 用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例 和积分的参数。 2018/10/6 42 3整定微分环节 ? ? ? 若经过步骤(2),PI控制只能消除稳态误差,而动态过程不能令 人满意,则应加入微分控制,构成PID控制。 先置微分时间TD=0,逐渐加大TD,同时相应地改变比例系数和积 分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 参数整定法:参数整定找最佳,从小到大顺序查 先是比例后积分,最后再把微分加 曲线振荡很频繁,比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢,积分时间往下降 曲线波动周期长,积分时间再加长 曲线振荡频率快,先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线 一看二调多分析,调节质量不会低 2018/10/6 43 五、离散PID控制算法的优缺点 ? ? 优点:离散PID的P、I、D三个作用是独立的,可以分别整定,计算机 实施时,等效的Ti Td可以在更大范围内自由选择;积分微分作用的某 些改进更为灵活多变。 缺点:如果采用等效的PID参数,离散PID控制往往差于连续的控制, 滞后1/2Ts(画图展示) ? PID控制算法的改进 积分分离:积分分离法是在误差量较大时,不进行积分,直至误差达 到一定值之后,才在控制量的计算中加入积分累积。 带不灵敏区:对控制作用尽量少变得场合,在偏差小于某一值时,没 有控制作用,偏差大于某一值时,有控制作用。 2018/10/6 44 分布式控制系统的数据通信 一、网络和数据通信的基本概念 1. 数据信息:具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。 2. 传输速率:传输速率是指信道在单位时间内传输的信息量。一般以每秒 所能够传输的比特(bit)数来表示。 3. 传输方式:通信方式按照信息的传输方向分为单工、半双工和全双工三 种方式。 ? ? ? 单工方式:信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式。 半双工方式:信息可以沿着两个方向传输,但在某一时刻只能沿一个 方向传输。 全双工方式:信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。 2018/10/6 45 4. 基带传输、载带传输与宽带传输 ? 基带传输:直接将数字数据信号通过信道进行传输。 ? 载带传输:用基带信号调制载波后,在信道上传输调制后的载波 信号。 ? 宽带传输:在一条信道上同时传送不同的载波频率的多路信号, 实现多路信号同时传输。 5. 异步传输与同步传输 ? 异步传输:字符的传输是同步的,但字符与字符之间的时间间隔 是不确定的。 ? 同步传输:用同步的时钟脉冲,使发送装置和接收装置保持同步 以获得较高的传输速率。 6. 串行传输与并行传输 ? 串行传输:数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式。 ? 并行传输:把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的 方式。 2018/10/6 46 二、数据通信的编码与调制 1. 平衡、归零、双极性。用正极性脉冲表示1,用负极性脉冲表示0, 在相邻脉冲之间保留一定的空闲间隔。 2. 平衡、归零、单极性。这种方法又称为曼彻斯特(Manchester)编码 方法。在每一位中间都有一个跳变,这个跳变既作为时钟,又表示 数据。从高到低的跳变表示1,从低到高的跳变表示0, 3. 平衡、不归零、单极性。它以高电平表示1,低电平表示0。这种方 法主要用于速度较低的异步传输系统。 4. 非平衡、归零、双极性。用正负交替的脉冲信号表示1,用无脉冲表 示零。由于脉冲总是交替变化的,所以它有助于发现传输错误,通 常用于高速传输。 5. 非平衡、归零、单极性。这种表示方法与上一种表示方法的区别在 于它只有正方向的脉冲而无负方向的脉冲,所以只要将前者的负极 性脉冲改为正极性脉冲,就得到后一种表达方法。 6. 非平衡、不归零、单极性。这种方法的编码规则是,每遇到一个1 电 平就翻转一次,所以又称为“跳1 法”或NRZ-1 编码法。 2018/10/6 47 2018/10/6 48 1. 调幅方式。调幅方式(Amplitude Modulation,AM)又称为幅移键控法 (Amplitude-Shift Keying,ASK)。它是用调制信号的振幅变化来表示 一个二进制数的,例如,用高振幅表示1,用低振幅表示0。 2. 调频方式。调频方式(Frequency Modulation,FM)又称为频移键控法 (Frequency-Shift Keying,FSK)。它是用调制信号的频率变化来表示 一个二进制数的,例如,用高频率表示1,用低频率表示0。 3. 调相方式。调相方式(Phase Modulation,PM)又称为相移键控法 (Phase-Shift Keying,PSK)。它是用调制信号的相位变化来表示二进 制数的,例如用0°相位表示二进制的0,用180°相位表示二进制的 1。 2018/10/6 49 2018/10/6 50 三、 数据通信的传输介质 1. 双绞线。双绞线是由两个相互绝缘的导体扭绞而成的线对,在线对 的外面常有金属箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线. 同轴电缆。它是由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层组成的。 信号通过内导体和外导体传输。外导体总是接地的,起到了良好的 屏蔽作用。 3. 光缆。它的内芯是由二氧化硅拉制成的光导纤维,外面敷有一层玻 璃或聚丙烯材料制成的覆层,由于内芯和覆层的折射率不同,以一 定角度进入内芯的光线能够通过覆层折射回去,沿着内芯向前传播 以减少信号的损失。 2018/10/6 51 四、数据通信的网络结构 1. 星形结构:在星形结构中,每一个节点都通过一条链路连接到一 个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。 2. 环形结构:在环形结构中,所有的节点通过链路组成一个环形。 需要发送信息的节点将信息送到环上,信息在环上只能按某一确 定环形方向传输, 3. 总线型结构:所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。 总线型结构的优点是结构简单,便于扩充。 中心节点 2018/10/6 52 五、数据通信的信息交换技术 1. 线路交换方式:在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理 连接,然后再在这条实际的物理连接上交换数据,数据交换完成之后再 拆除物理连接。因此,线路交换方式将通信过程分为3个阶段:即线路 建立、数据通信和线. 报文交换方式:不需要在两站之间建立专用的物理信道,而是把待发送 的信息分割成一份份的报文,在报文的头尾加上源地址、目的地址、报 文序号以及校验码等。然后将整个报文(Message)作为一个整体一起发 送,.从网络上的一个节点传送到另一个节点,直到目的地。在交换过 程中,交换设备将接收到的报文先存储,实施差错校验和路由选择(即路 径选择),然后在信道空闲时转发出去。 3. 报文分组交换方式: 报文分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文 分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。 由于报文分组比报文短的多,传输时比较灵活。特别是当传输出错需要 重发时,它只需重发出错的报文分组,而不必像报文交换方式那样重发。 2018/10/6 53 五、OSI参考模型: 2018/10/6 54 ? ? ? ? ? ? ? 物理层:有关在物理链路上传输非结构的比特流。 数据链路层:把一条不可靠的传输通道转变为一条可靠的通道, 发送带有检查的数据块,使用差错检测和帧确认。 网络层:通过网络传输数据分组,分组可以是独立传输的或者使 通过一条预先建立的网络连接传输的,负责路由选择和拥挤控制。 传送层:在端点之间提供可靠的、透明的数据传送,提供端到端 的错误恢复和流控制。 会话层:提供在两个进程之间建立、维护和结束连接的手段,可 以提供检查点和再启动服务、隔离服务。 表示层:通常完成有用的数据转换,提供一个标准的应用接口和 公共的通信服务。 应用层:给开放系统互连OSI模型环境的用户提供服务。 2018/10/6 55 六、物理层协仪 物理层协议涉及通信系统的驱动电路、接收电路与通信介质之间的接口 问题。物理层协议主要包括以下内容。 (1) 接插件的类型以及插针的数量和功能。 (2) 数字信号在通信介质上的编码方式,如电平的高低和0、1 的表达方 法。 (3) 确定与链路控制有关的硬件功能,如定义信号交换控制线C标准接口:RS是推荐标准的意思,即Recommend standard的缩写,232是表识号。C表示此标准的修改的次数,适合于 数据传输速率在0~20kbit/s范围内的串行通信。 2、RS-485标准接口:RS-485是为弥补RS-232 通信距离短速率低等缺 点而产生的。RS-485只规定了平衡驱动器和接收器的电特性而没有规 定接插件传输电缆和应用层通信协议。 3. Can 4. Ethernet 2018/10/6 56 七、常用网络控制协议 ? ? ? ? 时分多路访问法: 多用于总线型网络。在网络中有一个总线控制器, 负责把时钟脉冲送到网络中的每个节点上。每个节点有一个预先分 配好的时间槽,在给定的时间槽里它可以发送信息。 查询法: 可用于总线型或环形网络。也要有一个网络控制器,按照 一定的次序查询网络中的每个节点,看它们是否要求发送信息。 令牌法:用于总线型或环形网络。令牌是一个特定的信息,按照预 先确定的次序,从网络中的一个节点传到下一个节点,并且循环进 行。只有获得令牌的节点才能发送信息。 带有冲突检测的载波监听多路访问法又称为CSMA/CD法。这种方 法用于总线型网络,发送前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发 送;如果信道忙,则继续监听,一旦空闲就立即发送;在发送过程 中,仍需继续监听。若监听到冲突,则立即停止发送数据,等待一 段随机时间(称为退避)以后,再重新尝试。发前先听,空闲即发 送,边发边听,冲突时退避。 2018/10/6 57 数据帧格式 地址 1B 序号 1B 功能 1B 数据长度 1B 数据 0-28B 校验 1B 2018/10/6 58 八、网络设备 一、中继器:中继器(Repeater)又称重发器。由于网络节点间存在一定 的传输距离,网络中携带信息的信号在通过一个固定长度的距离后, 会因衰减或噪声干扰而影响数据的完整性,影响接收节点正确的接收 和辨认,因而经常需要运用中继器。中继器接受一个线路中的报文信 号,将其进行整形放大、重新复制,并将新生成的复制信号转发至下 一网段或转发到其他介质段。 二、网桥:网桥是存储转发设备,用来连接同一类型的局域网。网桥将 数据帧送到数据链路层进行差错校验,再送到物理层,通过物理传输 介质送到另一个子网或网段。它具备寻址与路径选择的功能,在接收 到帧之后,要决定正确的路径将帧送到相应的目的站点。网桥能够互 联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网 络。它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。 三、路由器:路由器工作在物理层、数据链路层和网络层。在路由器所 包含的地址之间,可能存在若干路径,路由器可以为某次特定的传输 选择一条最好的路径。报文传送的目的地网络和目的地址一般存在于 报文的某个位置。当报文进入时,路由器读取报文中的目的地址,然 后把这个报文转发到对应的网段中。 四、网关:网关又被称为网间协议变换器,用以实现不同通信协议的网 络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。一个普通的 网关可用于连接两个不同的总线或网络。由网关进行协议转换,提供 更高层次的接口。 2018/10/6 59 九、现场控制总线、现场控制总线的产生 ? ? ? ? 节省硬件数量与投资。 节省安装费用。 节省维护开销。 用户具有高度的系统集成主动权。 ? 提高了系统的准确性与可靠性。 2018/10/6 60 2、现场控制总线的特点 ? 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开,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。 ? 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。 ? 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,并可随时诊断设备的运行状态。 ? 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。 ? 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端,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。 2018/10/6 61 3、现场总线技术介绍 ? FF:基金会现场总线:FF 是在过程自动化领域得到广泛 支持和具有良好发展前景的一种技术。基金会现场总线Kbit/s,通信距离可达1.9km。H2 的传输速率可为 1Mbit/s 和2.5Mbit/s 两种,通信距离为750m 和500m。 物理传输介质可为双绞线、光缆和无线,其传输信号采 用曼彻斯特编码。基金会现场总线以 ISO/OSI 开放系统 互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。 2018/10/6 62 ? LonWorks LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议,其 通讯速率从300bps至15Mbps不等,直接通信距离可达 到2700m(78kbps,双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光 纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质,被定为建 筑自动化协议BACnet的一个标准。 LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为 Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU; 一个用于完成开放互连模型中第 1~ 2层的功能,称为 媒体访问控制处理器,实现介质访问的控制与处理 ;第 二个用于完成第3~6层的功能,称为网络处理器,进行 网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、 软件计量时、网络管理,并负责网络通信控制、收发数 据包等;第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户 代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间 的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 2018/10/6 63 ? ? PROFIBUS Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准 prEN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模 型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA组成 了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输,适 合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范, 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等 一般自动化,而PA型则是用于过程自动化的总线标准。该项技术是由西门子公司为主 的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI 模型的物理层、数据链路层,由这两部分形成了其标准 第一部分的子集,DP型隐去了3~7层,而增加了直接 数据连接拟合作为用户接口,FMS型只隐去第3~6层, 采用了应用层,作为标准的第二部分。PA型的标准目前 还处于制定过程之中,其传输技术遵从IEC1158-2 (1 ) 标准,可实现总线供电与本质安全防爆。 2018/10/6 64 ? ? ? ? CAN CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称,已广泛应 用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织 的开放系统互连模型基础上的,不过,其模型结构只有 3层,只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应 用层。其信号传输介质为双绞线m,直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂 接设备最多可达 110个。 CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为 8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重 错误时,具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联 系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强 的抗干扰能力。 CAN支持多主方式工作,网络上任何节点均在任意时刻 主动向其它节点发送信息,支持点对点、一点对多点和 全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术, 当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的 节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发 送,从而避免了总线 十、工业以太网 现场总线的出现,对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的 推动作用,但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高,速度低 和支持应用有限等缺陷,再加上总线通信协议的多样性,使得不同 总线产品不能互相互连,互用和互操作等,因而现场总线工业网络 的进一步发展受到了极大的限制。随着以太网技术的发展,特别是 高速以太网的出现使得以太网能够克服了自己本身的缺陷,进入工 业领域成为工业以太网,因而使得人们可以用以太网设备去代替昂 贵的工业网络设备。 2018/10/6 66 ? ? ? 确定性:由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD,该协议使得在网络 上存在冲突,特别是在网络负荷过大时,更加明显。对于一个工业 网络,如果存在着大量的冲突,就必须得多次重发数据,使得网间 通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中这种从一处到另一处 的不确定性,必然会带来系统控制性能的降低。 实时性:工业系统对数据的传递的实时性要求十分严格,往往数据 的更新是在数十ms内完成的。由于以太网存在的CSMA/CD机制, 当发生冲突的时候,就得重发数据,这种解决冲突的机制是以付出 时间为代价的。而且一但出现掉线,那怕是仅仅几秒种的时间,就 有可能造成整个生产的停止甚至是设备,人身安全事故。 可靠性:由于以太网在设计之初,并不是从工业网应用出发的。当 它应用到工业现场,面对恶劣的工况,严重的线间干扰等,这些都 必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络必须具备较好的 可靠性,可恢复性,以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组 件发生故障时,不会导致应用程序,操作系统,甚至网络系统的崩 溃和瘫痪。 2018/10/6 67 ? ? ? 交换技术:为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题,可以使 用以太网交换机。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分 技术。各个冲突域之间用交换机连接,以减少CSMA/CD机制带来 的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生,提高系 统的确定性。 高速以太网:当网络中的负载越大的时候,发生冲突的慨率也就 越大。显然提高以太网的通信速度,就可以有效降低网络的负荷。 现在以太网已经出现通信速率达1000M/S,的高速以太网,在加 上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行 控制,完全可以采用以太网作为工业网络。 对时机制:在测量和控制网络中,定义一个与网络交流、本地计 算和分配对象有关的精确同步时钟的协议(PTP),使用时间印章 来同步本地时间的机制。通过采用这种技术,以太网TCP/IP协议 不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。 2018/10/6 68

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