《工业自动化技术》PPT课件.ppt

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1、2022-4-241工业自动化技术授课：黎 英博士， 教授138880635702022-4-242工业自动控制技术的发展概况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一、工业自动控制的基本概念n自动控制：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，n控制系统：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。n自动控制理论：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

2、）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）。2022-4-243二、工业自动控制系统基本类型：二、工业自动控制系统基本类型：n顺序控制系统：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。n过程控制系统：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。n运动控制系统：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。n监控系统：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。2022-4-244三、控制系统

3、的传统实现方法：三、控制系统的传统实现方法：n顺序控制系统：顺序控制系统：继电逻辑控制系统。n过程控制系统：过程控制系统：常规仪表控制系统。n运动控制系统：运动控制系统：拖动控制系统。n监控系统：监控系统：常规显示、记录或报警仪表。2022-4-245四、计算机技术对工业控制技术的影响四、计算机技术对工业控制技术的影响2022-4-246五、实现计算机控制到几种尝试方案五、实现计算机控制到几种尝试方案n直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC)。n单片机控制。单片机控制。n总线式工控机总线式工控机。n可编程调节器。可编程调节器。2022-4-247六、计算机控制的现状及发展六、计算机控制的现

4、状及发展n可编程控制器可编程控制器(PLC)。n集散控制系统集散控制系统(DCS)。n现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)。n工业以太网。工业以太网。2022-4-248七、计算机控制的设计原则七、计算机控制的设计原则n可靠性与适应性。可靠性与适应性。n操作性与友好性操作性与友好性。n灵活性与扩展性。灵活性与扩展性。n实时性。实时性。2022-4-249分布式控制系统分布式控制系统的体系结构的体系结构一、分布式控制系统体系结构的形成：一、分布式控制系统体系结构的形成：n集中型计算机控制系统：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)。n

5、多级计算机控制系统：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。n集散型计算机控制系统：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。n计算机集成综合系统：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。2022-4-2410二、分布式控制系统二、分布式控制系统 分层结构中各层的功能分层结构中各层的功能2022-4-24

6、11三、三、分布式控制系统分布式控制系统系统的基本结构系统的基本结构n现场控制器现场控制器：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。n人机接口：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。n通信系统：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。2022-4-2412四、现场控制器四、现场控制器n回路控制器：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

7、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。 n可编程控制器可编程控制器(PLC)(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。 n运动控制器：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。n现场总线：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。2022-4-2413控制

8、系统的硬件体系结构2022-4-2414模块模块1模块模块2模块模块1模块模块2模块模块3双模冗余双模冗余DMRDual Module Redundancy 三模冗余三模冗余TMRTriple Module Redundancy (1) 需适应恶劣的工业生产过程环境。冗余结构需适应恶劣的工业生产过程环境。冗余结构2022-4-2415模块模块1模块模块2模块模块1模块模块2表表决决器器选选择择器器状状态态指指令令指指令令输输出出输输出出指指令令指指令令输输入入输输入入备用式冗余备用式冗余Backup Redundancy表决式冗余表决式冗余Voting Redundancy2022-4-241

9、6模块模块3模块模块4表决器表决器B输出输出模块模块1模块模块2表决器表决器A输出输出输输出出互互锁锁选选择择器器输出输出A机机B机机互锁信号互锁信号互锁信号互锁信号主主备备2022-4-2417tA确定性实时确定性实时非确定实时非确定实时延迟延迟deadline概率概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl无边界无边界 !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)的概率为零。有边界有边界 !概率概率延迟延迟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。确定性实时和非确定性实时的对比20

10、22-4-2418200 ms:操作人员的手感（接近硬接线般的感觉）10 ms:流程工业中的事件分辨率（但目前很多招标书都要求2ms)1 s:操作员站画面上的数据刷新速度3 s:操作员站画面翻页速度1 s:控制器执行一个加法运算的典型时间10 s:控制器执行一个PID运算的典型时间30 s:通讯信号传输9km的时间延迟（信号速度30万公里/秒）100 s:多任务实时系统任务切换时间200 s:从实时数据库（内存）中访问获取一个数据对象的时间1 ms:在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间2 ms:在局域网中发送一个报文的时间 50 ms:控制器中通讯任务的执行时间实时性：典型任务的响应时间要求2

11、022-4-2419主控制器应用设计：工艺过程划分第第1对主控制器对主控制器IOIO工艺过程工艺过程1第第2对主控制器对主控制器IOIO工艺过程工艺过程2系统网络系统网络系统网络系统网络系统网络系统网络通过系统网络引用另一对主控制器的通过系统网络引用另一对主控制器的IO点数据点数据通过硬接线引用另一对主控制器的通过硬接线引用另一对主控制器的IO点数据点数据2022-4-2420热电阻（热电阻（RTD）（Resistor Temperature Detector）热电偶（热电偶（TC）（Thermal Couple）变送器（变送器（420mA,1-5V）（温度，压力，流量，物位）温度，压力，流量

12、，物位）电桥变换电桥变换滤波滤波信号放大信号放大滤波滤波电流电压变换电流电压变换滤波滤波模数转换模数转换（A/D）模数转换模数转换（A/D）模数转换模数转换（A/D）工业现场的工业现场的传感器或变送器传感器或变送器采用的信号调理技术采用的信号调理技术（Signal Conditioning）数字化处理数字化处理AI信号的输入处理过程Analog Input-AI2022-4-2421双积分型A/D转换器Control LogicCounterStart of ConversionStatusClockAnalog Input (Va)Digital Output12+-Comparator o

13、utput+-VreferenceComparatorIntegrator2022-4-2422逐次比较型A/D转换器D/A ConverterSuccessiveApproximationRegisterStart ofConversionStatusClockAnalog InputDigital Output12+-Comparator output2022-4-24232022-4-2424变压器隔离型放大器2022-4-2425电容隔离型放大器2022-4-2426线性光偶隔离型放大器2022-4-2427性价典型性价典型值值变压器隔离型变压器隔离型放大器放大器电容隔离型电容隔离型放

14、大器放大器线性光偶隔线性光偶隔离型放大器离型放大器线性度线性度0.005%0.005%0.01%0.01%0.1%0.1%信号带宽信号带宽120120kHzkHz5050kHzkHz5050kHzkHz隔离电压隔离电压15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms体积体积笨重笨重小小小小价格价格最贵（最贵（40$40$）10$10$5$5$三种模拟信号隔离放大器比较2022-4-2428+-2R4R8RR1VRD0D1D2D3模拟量输出2022-4-2429开关量输入（DI：Digital Input)2022-4-2430开关量输出（DO：D

15、igital Output)2022-4-2431常见计算机控制算法、常见计算机控制算法、lPID控制算法：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。l选择性控制系统：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。l前馈控制：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。l顺序控制：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.l计算机优化控制计算机优化控制控制系统的控制算法控制系统的控制算法2022-4-2432202

16、2-4-2433控制作用控制作用：l比例控制：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。l积分控制：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。l微分控制：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。l应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数K

17、P，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。 2022-4-24342022-4-24352022-4-2436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2022-4-24372、增量算法 由位置算法求出： )1(0)(e(k)pk)(kekeSTDTkjteITSTkU）（ )2(10)(1)-e(kpk) 1(kekeSTDTkjteITSTkU）（ 2() 1(2)(

18、)()1()() 1()()(）kekekeDkkeIkkekepkkUkUkU 设1kekeke 1)()()()(）（ kekeDkkeIkkepkkU 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) 2022-4-24382022-4-2439三、采样周期2022-4-2440 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

19、，过短的采样周期是不合适的实际选择采样周期时，必须综合考虑 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 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2022-4-2441 常见被控量的经验采样周期被测被测参数参数采样周期采样周期说说 明明电流电流10-100us优先选用优先选用1020s速度速度1-10ms优先选用优先选用12ms流量流量15优先选用优先选用12s压力压力310优先选用优先选用68s

20、液位液位68优先选用优先选用7s温度温度1520或纯滞后时间，串级系统：或纯滞后时间，串级系统：副环副环T=1/41/5T主环主环成分成分1520优先选用优先选用18s2022-4-2442n四、参数整定四、参数整定n实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分。n 1 整定比例控制整定比例控制n 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

21、响应出现临界振荡（稳定边缘）。n 2 整定积分环节整定积分环节n 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。n先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，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。2022-4-2443 3整定微分环节整定微分环节n 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。n 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。n参数整定

22、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两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低 2022-4-2444 五、离散五、离散PID控制算法的优缺点控制算法的优缺点n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。n缺点：如果采用等效的PID参数，离散PID控制往往差于连续的

23、控制，滞后1/2Ts（画图展示）nPID控制算法的改进 积分分离：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：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。2022-4-2445分布式控制系统分布式控制系统的数据通信的数据通信一、网络和数据通信的基本概念一、网络和数据通信的基本概念1. 数据信息：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：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

24、表示。3. 传输方式：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。n单工方式：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。n半双工方式：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。n全双工方式：全双工方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。2022-4-24464. 基带传输、载带传输与宽带传输基带传输、载带传输与宽带传输n基带传输：基带传输：直接将数字数据信号通过信道进行传输。n载带传输：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。n宽带传输：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

25、信号同时传输。5. 异步传输与同步传输异步传输与同步传输n异步传输异步传输：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。n同步传输同步传输：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与并行传输n串行传输：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。n并行传输：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。2022-4-2447二、数据通信的编码与调制二、数据通信的编码与调制1. 平衡、归零、双极性。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.

26、 平衡、归零、单极性。这种方法又称为曼彻斯特平衡、归零、单极性。这种方法又称为曼彻斯特(Manchester)编码编码方法。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。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。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。非平衡、归零、单极性。这种表示方法与上一种表示方法的区

27、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。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。2022-4-24482022-4-24491. 调幅方式。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。调频方式(Frequency M

28、odulation，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。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。2022-4-24502022-4-2451三、三、 数据通信的传输介质数据通信的传输介质1. 双绞线。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

29、箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线， 2. 同轴电缆。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。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。2022-4-2452四、数据通信的网络结构四、数据通信的网络结构1. 星形结构：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：环形结构：

30、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：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。中心节点中心节点2022-4-2453五、数据通信的信息交换技术五、数据通信的信息交换技术1. 线路交换方式：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、数据通信和线路拆除阶段。2. 报文交换方式：报文交换方式：不需要在

31、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: 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

32、样重发。2022-4-2454五、五、OSIOSI参考模型：参考模型： 2022-4-2455n物理层：物理层：有关在物理链路上传输非结构的比特流。n数据链路层：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。n网络层：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。n传送层：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。n会话层：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。n表示层：表示层：通常完成

33、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。n应用层：应用层：给开放系统互连OSI模型环境的用户提供服务。2022-4-2456六、物理层协仪六、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或者忙测试线等。1、RS-232C标准接口：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

34、，适合于数据传输速率在020kbit/s范围内的串行通信。2、RS-485标准接口：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. Can4. Ethernet2022-4-2457七、常用网络控制协议七、常用网络控制协议n时分多路访问法时分多路访问法: 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。n查询法查询法: 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

35、次序查询网络中的每个节点，看它们是否要求发送信息。n令牌法：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。n带有冲突检测的载波监听多路访问法又称为带有冲突检测的载波监听多路访问法又称为CSMA/CD法。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，空闲即发发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。送，边

36、发边听，冲突时退避。2022-4-2458数据帧格式数据帧格式地址序号功能数据长度数据校验1B1B1B1B0-28B1B2022-4-2459 八、网络设备网络设备一、中继器：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：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

37、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：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：四、网关：网关又被

38、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。2022-4-2460九、现场控制总线九、现场控制总线 1、现场控制总线的产生、现场控制总线的产生n节省硬件数量与投资。n节省安装费用。n节省维护开销。 n用户具有高度的系统集成主动权。 n提高了系统的准确性与可靠性。 2022-4-24612、现场控制总线的特点、现场控制总线的特点n系统的开放性。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

39、品组成大小随意的系统。 n互可操作性与互用性，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。 n现场设备的智能化与功能自治性。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。 n系统结构的高度分散性。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

40、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。 n对现场环境的适应性。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。 2022-4-24623、现场总线技术介绍、现场总线技术介绍nFF：基金会现场总线：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。基金会现场总线分为H1 和H2 两种通信速率。H1 的传输速率为31.25Kbit/s，通信距离可达1.9km

41、。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。2022-4-2463n LonWorksLonWorks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

42、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36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。2022-4-2464nPROFIBUSnProfibus是作为德国国家标准DIN

43、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类型，它遵从IEC1158-2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37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接

44、口，FMS型只隐去第36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。 2022-4-2465nCAN nCAN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，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂接设备最多可达 110个。 nCAN的信号传输采用短帧

45、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。nCAN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，从而避免了总线冲突。 2022-4-2466十、工业以太网十、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

46、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。 2022-4-2467n确定性：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

47、处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。n实时性：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。n可靠性：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

48、会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。2022-4-2468n交换技术：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。n高速以太网：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。n对时机制：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。