《計算機控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、第8章 計算機網(wǎng)絡控制,本章主要內(nèi)容,,1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡基礎 2、計算機網(wǎng)絡控制技術概述 3、集散控制系統(tǒng)（DCS） 4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS),總體結(jié)構（一個用于工業(yè)控制領域的通信系統(tǒng)示意圖）,,網(wǎng)絡的三大功能： （l）數(shù)據(jù)傳送 （2）資源共享 （3）提高計算機的可靠性和可用性,網(wǎng)絡的類型 通信網(wǎng)絡的類型可以按不同的標準進行劃分，按網(wǎng)絡范圍和計算機之間互連的距離可分為廣域網(wǎng)（WAN）和局域網(wǎng)（LAN）兩種。,1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡基礎,1) 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構,a. 星形結(jié)構,星形結(jié)構的特點： （1）結(jié)構簡單，便于 管理。 （2）控制簡單，建網(wǎng) 容易，通信功能 簡單。 （3）網(wǎng)絡

2、延遲時間 小，傳輸誤差較 低。,b環(huán)形結(jié)構,環(huán)形結(jié)構的特點： （1）在環(huán)路上，每個節(jié)點的地位是相同的，每個節(jié)點都可以獲得網(wǎng)絡的控制權。 （2）不需要進行路徑選擇，控制比較簡單，意味在環(huán)形結(jié)構中，信息從源地址到目的地的路徑只有一條。 （3）傳輸信息的延遲時間固定，有利于實時控制。,c總線形結(jié)構,總線形結(jié)構的特點： （l） 較好的擴充性，網(wǎng)絡上節(jié)點的增刪容易，網(wǎng)絡大小可通過轉(zhuǎn)接部件延伸和擴展。 （2）不需要中央控制器，有利于分布控制，可靠性高。,（3）由于多臺設備共用一條通信線，所以信道利用率較高。,d樹線形結(jié)構,樹線形結(jié)構的特點： 樹形結(jié)構是分層結(jié)構，適用于分級管理和分級控制系統(tǒng)。與

3、星形結(jié)構相比，由于通信線路總長度較短，故它連網(wǎng)成本低，易于維護和擴展，但結(jié)構較星形結(jié)構復雜。,網(wǎng)絡傳輸介質(zhì),傳輸介質(zhì)又稱傳輸媒體，是通信系統(tǒng)中接收方與發(fā)送方之間的物理通道，起了設備互連和傳播信息的作用。傳輸介質(zhì)可分為兩大類：有線介質(zhì)（如雙絞線、同軸電纜、光纖等）和無線介質(zhì)（如衛(wèi)星通信、紅外通信、微波通信的載體）。,網(wǎng)絡訪問控制,信息訪問控制有：查詢、令牌環(huán)、令牌總線、CSMACD、信息槽等。,信息交換技術,信息交換技術是計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)技術中十分重要和基本的內(nèi)容，它分為兩類：線路交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換中又分為兩種：報文存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換與報文分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。,網(wǎng)絡協(xié)議及其層次結(jié)構,在通信網(wǎng)

4、絡中所有“成員”必須遵循某種相互都能接受的一組規(guī)則，以便實現(xiàn)彼此的通信和資源共享。這些規(guī)則的集合稱為網(wǎng)絡協(xié)議。在計算機網(wǎng)絡中各終端用戶之間，用戶與資源之間或資源與資源之間的對話與合作必須按照預先規(guī)定的協(xié)議進行。 利用分層方法，我們可以容易地實現(xiàn)網(wǎng)際聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡配置間的連接。1977年國際標準化組織（ISO）提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI（Open System InterconnectionReference Model）。這個網(wǎng)絡層次結(jié)構模型規(guī)定了七個功能層，每層都使用它自己的協(xié)議。,網(wǎng)絡互連,網(wǎng)絡互連是指采用網(wǎng)絡互連設備將同一類型的網(wǎng)絡或不同類型的網(wǎng)絡及其產(chǎn)品相互連接起來組成地理覆蓋范圍

5、更大，功能更強的網(wǎng)絡。,,網(wǎng)橋工作原理,網(wǎng)絡互連常用設備有： 中繼器、網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關。,中繼器是網(wǎng)絡物理層的一種介質(zhì)連接設備，是延長網(wǎng)絡距離的最簡單、最廉價的互連設備。,網(wǎng)橋是同類型網(wǎng)絡之間的互連設備。,路由器工作原理,路由器屬于OSI網(wǎng)絡層的一種互連設備，對應于網(wǎng)絡層進行數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，用路由器連接的網(wǎng)絡可以使用在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層互不相同的協(xié)議。,網(wǎng)關又稱為網(wǎng)間連接器，能使不同類型（異種網(wǎng)絡操作系統(tǒng)）的網(wǎng)絡連接在一起。,網(wǎng)關連接示意圖,2、計算機網(wǎng)絡控制技術概述,1）控制網(wǎng)絡的特點 (1)要求有高實時性和良好的時間確定性； (2)傳送的信息多為短幀信息，且信息交換頻繁； (3)容錯

6、能力強，可靠性、安全性好； (4)控制網(wǎng)絡協(xié)議簡單實用，工作效率高； (5)控制網(wǎng)絡結(jié)構具有高度分散性； (6)控制設備的智能化與控制功能的自治性； (7)與信息網(wǎng)絡之間有高效的通信，易于實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡的集成。,2）控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的區(qū)別 (1)控制網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應的實時性是控制系統(tǒng)最基本的要求。 (2)控制網(wǎng)絡強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性? (3)在企業(yè)自動化系統(tǒng)中，分散的單一用戶必須借助控制網(wǎng)絡進入系統(tǒng)，所以通信方式多使用廣播和組播方式，在信息網(wǎng)絡中某個自主系統(tǒng)與另外一個自主系統(tǒng)一般都建立一對一的通信方式。 (4)控制網(wǎng)絡必須解決多家公司產(chǎn)品和系

7、統(tǒng)在同一網(wǎng)絡中相互兼容問題，即互操作性問題。,3）控制網(wǎng)絡的類型及其相互關系,,控制網(wǎng)絡的類型和相互關系,3、集散控制系統(tǒng)（DCS）,,設計原則:,采用分散控制和集中管理的設計思想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則，并采用層次化的體系結(jié)構。,所謂分散控制是用多臺微型計算機，分散應用于生產(chǎn)過程控制; 所謂集中管理是用通信網(wǎng)絡技術把多臺計算機構成網(wǎng)絡系統(tǒng).,分散控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)。,1）集散控制系統(tǒng),,,分散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構,2）集散控制系統(tǒng)（DCS）的特點,分散性和集中性 自治性和協(xié)調(diào)性 靈活性和擴展性 先進性和繼承性 可靠性和適應性 友好性和新穎性,3）集散控制系統(tǒng)

8、（DCS）的體系結(jié)構,主要有三代產(chǎn)品。,第一代DCS的基本結(jié)構,,基本結(jié)構由監(jiān)控機、操作站、數(shù)據(jù)采集裝置、過程控制單元及高速數(shù)據(jù)通道等5部分組成。,第二代DCS的基本結(jié)構,,(1)局部網(wǎng)絡 (LAN) ； (2)節(jié)點工作站，即指過樣控制單(PCU)； (3)中央操作站，它是掛接在LAN上的節(jié)點工作站，負責對全系統(tǒng)的信息進行綜合管理，是系統(tǒng)的主操作站； (4)系統(tǒng)管理站，又稱為系統(tǒng)管理模塊；,(5)主計算機，也稱管理計算機； (6)網(wǎng)關(GateWay)。,第三代DCS的基本結(jié)構,第一、二代DCS基本上為封閉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間無法互連，第三代DCS局域網(wǎng)(LAN)遵循開放系統(tǒng)互連參考模型的7層通

9、信協(xié)議,符合國際標準，比較容易構成信息集成系統(tǒng)。,4. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS),1) 現(xiàn)場總線,現(xiàn)場總線(Fieldbus)是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構的通信網(wǎng)絡。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)是一種以現(xiàn)場總線為基礎的分布式網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，也是現(xiàn)場自動化系統(tǒng)。,2) 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 一對N結(jié)構 可靠性高 可控狀態(tài) 互可操作性與互換性 系統(tǒng)結(jié)構的高度分散性 系統(tǒng)的開放性,用一對通信線連接多臺數(shù)字儀表取代一對信號線只能連接一 臺儀表； 用多變量、雙向、數(shù)字通信方式取代單變量、單向、模擬傳 輸方

10、式； 用多功能的現(xiàn)場數(shù)字儀表取代單功能的現(xiàn)場模擬儀表； 用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站； 用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS； 變革傳統(tǒng)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準； 變革傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)體系結(jié)構、設計方法和安裝調(diào)試方 法。,3) 現(xiàn)場總線對自動化領域的變革,FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡互連。 FCS的系統(tǒng)結(jié)構為全分散式，它廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站，實現(xiàn)徹底的分散控制。 FCS的現(xiàn)場設備具有互操作性，徹底改

11、變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，使不同廠商的現(xiàn)場設備既可互連也可互換，統(tǒng)一組態(tài)。 FCS的通信網(wǎng)絡為開放式互連網(wǎng)絡，用戶可非常方便地共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，使同層網(wǎng)絡可以互連，也可以使不同網(wǎng)絡互連。 FCS的技術和標準實現(xiàn)了全開放，可供任何人使用。,4) FCS對 DCS的變革,5)現(xiàn)場總線的特點,系統(tǒng)的分散性 系統(tǒng)的開放性 產(chǎn)品的互操作性 環(huán)境的適應性 使用的經(jīng)濟性 維護的簡易性 系統(tǒng)的可靠性,6) 幾種有影響的現(xiàn)場總線,(1) CAN總線 CAN是德國Bosch公司從20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。,(2) LonWorks

12、控制網(wǎng)絡和Lon總線 LonWorks 是Echeon公司于1991年推出的全分布智能控制網(wǎng)絡技術。,(3) FF總線 FF總線既不被任何單個的公司擁有，也不被單個的國家或 標準組織控制,是一個非營利組織，由World FIP的北美部分和ISP(Interoperable System Protocol)合并而成 。,(4) Profibus協(xié)議 PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（Process Field Bus）的縮寫。它是德國國家標準 DIN 19245和歐洲標準EN 50170所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準。,（5）Modbus協(xié)議 Modbus是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議。,7)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的體系結(jié)構,采用“操作站數(shù)字式智能現(xiàn)場儀表”兩層式結(jié)構，現(xiàn)場設備均為智能數(shù)字儀表，見下圖：,傳統(tǒng)DCS 的結(jié)構示意圖 FCS的結(jié)構示意圖,