计算机网络化控制课件.ppt

1、网络化控制基础 2、主从式控制网络 3、集散控制系统 4、现场总线技术 9.1 网络化控制基础 1、概述 2、网络化控制的特殊问题 3、网络化控制的时延分析 4、网络化控制的时钟同步 5、网络化控制系统模型 1、概述 网络化控制系统（Network based Control Systems）广义上定义为利用传输媒体把不同地点的多个独立的自动控制装置、计算机系统、现场设备等按照不同的拓扑结构，应用各种通信方式连接起来的在网络环境下实现的控制系统。从这个意义上说，集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FBS）、PLC以及工业以太网等都属于网络控制系统。 网络化控制系统狭义上定义控制系统通过计算机通信网络将传感器、控制器和执行机构联系在一起构成反馈控制的控制系统。 控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，用于工业生产现场的测量与控制信息传输，产生或引发物质或能量的运动和转换，因此与一般的数据通信网络相比有起特殊的要求。 （1）具有较好的响应实时性。控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为10ms～1s 级； （2）高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路； （3）简洁实用。以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性； （4）具有好的开放性。控制网络尽量不采用专用网络。 为了实现计算机系统之间的互连，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 )。 OSI参考模型将数据传输过程分解为一系列功能元素，把相关的功能组合在一起称为层，每一层完成一项通信子功能，并且下层为上层提供服务。 OSI参考模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。 在计算机控制系统中有多种通信网络协议，包括目前应用最广的局域网LAN的网络协议、各种DCS的通信协议、各种FCS的通信协议、工业以太网以及串行通信总线的通信协议等。 一般而言，控制网络为了提高实时性只采用了ISO/OSI七层参考模型中的最低两层——物理层、数据链路层，以及应用层。 物理层主要涉及传输介质的电气特性、机械特性等一些物理性质。 数据链路层包括了两个子层：介质访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。 介质访问控制层主要功能包括：控制各主机访问通信介质，提供通信介质的复用机制；发送和接收数据帧；比特流差错检测；寻址。逻辑链路控制层主要功能包括：建立、维持和拆除链路连接；实现无差错传输。 响应时间和时延的确定性对控制网络是至关重要的。由于网络化控制系统中的各个节点共用传输线路，在同一时间可能有多个设备同时请求数据传输，因此就必须采用某种介质访问控制方式来协调设备访问介质的顺序。 节点对于网络的访问是由介质访问控制（MAC）协议来决定，分析各种网络控制系统的MAC协议，可以定性和定量的分析网络的时延和效率。 在网络控制系统中，常用的介质访问控制协议主要有4种：令牌访问（包括令牌总线和令牌环）、载波监听多路访问（CSMA）及其改进协议、TDM协议，以及主从式访问。主从式介质访问是在一个主设备和多个从设备之间通过循环查询、应答方式通信，不存在通信的冲突，所以通信的时延是确定的，主要由通信速率和节点个数决定。 （1）令牌协议(Token Passing) 基于令牌的传递协议有令牌环（802.3）和令牌总线（802.4）。令牌环适用于环形网络拓扑。令牌总线适用于总线网络拓扑，其中的各节点按一定的逻辑顺序构成逻辑环。 令牌协议中令牌是控制标志，网络中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。只有拥有令牌的节点才可得到网络的控制权，向网络发送消息。当该节点发送完成或时间到时，将令牌传给下一个节点。 令牌网络工作时，令牌依次沿每个节点传送，使每个节点都有平等发送信息的机会。当一个节点占令牌期间，发送该节点信息并置令牌为“忙”状态，其它节点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周后，由发送节点清除，“忙”令牌被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则得到该令牌，同时将令牌由“空”状态置为“忙”状态，并发送信息。 对于令牌环而言，依赖于网络的拓扑结构来传递令牌是一个很大的优点，可以省去在令牌中携带地址信息，更重要的是每个站点无需知道环上下一个站点的地址。当站点离开或加入环时，环上现已存在的站点不需要更改任何配置。但同时这种依赖拓扑结构传递令牌的机制无法使用一些拓扑结构不能控制的物理传