第8章 分布式测控网络技术 教案.pdf

计算机控制技术教案青岛大学教案（理论教学用）青岛大学教案（理论教学用）第 8 章 共 5 学时章节8.1工业网络技术的结构、网络协议及性能8.2基于串行总线的测控网络技术8.3分布式控制系统及其体系结构8.4现场总线控制系统及几种现场总线技术8.5系统集成与集成自动化系统8.6综合自动化系统讲授主要内容数据编码技术，平衡与不平衡传输技术，RS-422/RS-485 接口及应用，工业网络概述，网络协议及其层次结构，IEEE 802 标准，工业网络的性能评价和选型分散型控制系统（DCS）、现场总线(Fieldbus)技术重点难点1.平衡与不平衡传输技术2.RS-422/RS-485 接口及应用3.工业网络概述4.DCS的结构特点和分级管理5.现场总线(Fieldbus)技术6.企业综合自动化技术、五层 Purdue 模型、ERP/MES/PCS 三层结构青岛大学自动化工程学院控制工程系 丁军航计算机控制技术教案要求掌握知识点和分析方法数据通信是工业测控网络和分散型测控系统的关键技术。在一个规模较大的工业测控系统中，常常会有几十个、几百个甚至更多的测量和控制对象，即使速度很高的系统也难以满足要求，因此必须将任务分给多个计算机系统并行工作，不同地理位置和不同功能的计算机之间需要交换信息，如果把它们按照统一的协议连接起来就构成了计算机分散测控网络系统。1、工业网络和通信技术四种常用拓扑结构：星形结构、环形结构、总线形结构、树形结构三种介质访问控制技术：冲突检测的载波侦听多路访问、令牌环、令牌总线差错控制技术：奇偶校验、循环冗余校验CRC 校验纠错方式：重发纠错、自动纠错、混合纠错数据通信与编码技术（1）两种通讯方式：并行通讯与串行通讯（2）四种数字编码方式：不归零码、归零码、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码1977 年国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互连参考模型 OSI(Open System Interconnection/Reference Model)。这个网络层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。2、基于串行总线的测控网络技术（1）平衡与不平衡传输（2）RS-232、RS-422、RS-485 的概念结构（3）RS-485 总线测控网络设计（4）基于 ADAM-4000 系列的 RS-485 总线测控网络3、分布式控制系统分散型控制系统（Distributed Control System）：将以计算机集成制造系统（CIMS）为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化综合集成系统。（1）DCS的体系结构（2）DCS的分散过程控制级（3）DCS的集中操作监控级（4）DCS的综合信息管理级要求掌握知识点和分析方法4、现场总线技术（1）现场总线概述 现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是随着控制、计算机、网络、通信和信息集成技术的发展而产生的。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通讯网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统。（2）CAN总线技术总线的技术特征、通信模型、网络结构、用户应用层协议、常用芯片（3）Profibus 总线技术总线的技术特点、总线通信模型、网络结构、用户应用层协议、常用芯片（4）工业以太网（5）几种常见现场总线DeviceNet总线、HART 总线、INTERBUS 总线、ControlNet总线、WorldFIP 总线、P-Net现场、SwiftNet 总线、AS-i 总线5、综合自动化技术6、分布式测控网络设计举例青岛大学自动化工程学院控制工程系 丁军航计算机控制技术教案教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等数据通信是工业测控网络和分散型测控系统的关键技术。而串行通信适合远距离的数据传输，在串行通信中，首先要搞清楚是编码形式。介绍不平衡方式和平衡方式，以及平衡传输方式的优点。针对常用的串行传输方式RS-232、RS-422 和 RS-485，画出发送和接收电路图，说明 RS232C 的电气接口是单端的、双极性电源供电电路；RS-422 和RS-485 是差分平衡的电气接口，并对三种传输方式的性能进行了对比。RS-485 电路在多点互联系统中应用较为广泛，画出较为详细的节点连接电路，并指出在实际做过的项目中，自己碰到的一些问题及解决方法。工业网络的拓扑结构包括：星形、环形、总线形和树型，介绍相应优缺点。介质访问控制技术有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMACD)；令牌环(TokenRing)；令牌总线(Token Bus)。介绍工作原理，并给出每种控制技术的优缺点。简单了解信息交换技术。奇偶校验(Parity Check)和循环冗余校验 CRC(Cyclic Redundancy Check)是最常用的两种检错技术，前者用于单个字符校验，后者用于多个字节组成的数据块校验。在实际数据操作中，如果数据量不算太大，还可以利用最简单的“校验和”来进行差错检验。开放系统互连参考模型 OSI(Open System InterconnectionReference Model)，以详细图解和大家熟知的协议、设备来阐述，使得学生容易接受该模型。1.DCS：分散型控制系统(Distributed Control System 即 DCS)。综合了 Computer、Control、Communication、CRT 技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。以计算机集成制造系统(CIMS)为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。分散型控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则。教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等首先概述分散型控制系统、DCS的特点、DCS的体系结构、典型的DCS，然后分别介绍DCS的分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级。DCS的(1)硬件积木化、(2)软件模块化和(3)控制系统组态等三个特点。2.FCS：现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通讯网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统(Fieldbus Control System-FCS)。分析现场总线产生的原因，介绍现场总线的发展过程，五种典型的现场总线（CAN，Lonworks,PROFIBUS,HART,FF）的特性、芯片和应用场合。最后，给出了四种控制系统性能对比表，说明 FCS的优越性。现场总线被称为 21 世纪工业控制网络标准。工业以太网技术与现场总线技术的结合是现场总线技术的发展趋势。3.学科引导：（几个拟解决的问题）基于 Fieldbus 控制系统网络化、集成化、智能化问题；基于 Fieldbus 和 Ethernet 的透明工厂方案问题；商业集成问题（把技术用于商业战略的制定之中），即信息系统之间的集成；垂直集成问题，即控制系统和信息系统的集成；水平集成问题，即控制系统各部分之间的集成；分布式控制网络、嵌入式控制网络、交换式控制网络等新技术的应用问题。作业布置8.1，8.2，8.3，8.4，8.5，8.6查阅文献资料，初步了解分散型测控网络技术和现场总线技术，写出文献总结。青岛大学自动化工程学院控制工程系 丁军航计算机控制技术教案主要参考资料微型计算机控制技术（第 2版），于海生，清华大学出版社计算机网络,谢希仁，陈鸣，张兴元,北京：电子工业出版社MCS-51 系列单片机实用接口技术,李华,北京：北京航空航天大学出版社PC 总线工业控制系统精粹，凌澄,清华大学出版社基于网络环境的智能控制，周祖德，国防工业出版社现场总线和现场总线控制系统,王锦标,化工自动化及仪表,1997，24(2，3)现场总线技术,斯可克,自动化仪表,1997，18(4，5)备注青岛大学自动化工程学院控制工程系 丁军航