自动化专业英语教程PART5.docx
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自动化专业英语教程PART5
PART5ProcessControl
UNIT1
A自动化网络的应用领域
网络已应用于自动化的所有领域。
在工厂自动化、过程自动化及楼宇自动化的领域内，网络完成各种各样的任务。
而且，由于不同的工业领域具有各自的特性和各种不同的要求，不同自动化网络所执行的任务也有明显的差异。
此外，网络中设备的连接、组态及数据的交换也不同。
没有一种单一的总线能适用于所有工业控制；相反，每种总线总是针对其所运用领域的特点而优化的。
举例而言，工厂自动化与过程自动化通常应用在苛刻的和危险的场合。
而在这些场合，人员、环境及昂贵的机器设备处于危险之中，或者生产的中断会造成巨大损失。
这些需求同追逐低成本的楼宇自动化相比，有明显的差异。
工厂自动化
在具有装配线的制造业类工厂中，如汽车、灌装与机械工业，离散逻辑控制处于主导地位，而传感器所感受到的将只是“是”或“否”，例如，是否有一个箱子处于流程机器的前方。
对简单的离散I/O较为理想的网络类型注重低开销及小的数据包，但它们不适用于组态下载（Configurationdownload）等较大的报文。
这些类型的网络有Seriplex，Interbus-S及AS—I（AS—Interfa-ce），有时将它们称为传感器总线或比特（bit）级总线。
其他更为先进的离散逻辑协议则包括DeviceNet?
，ControlNet?
，及PROFIBUS（DP及FMS应用行规）。
这些总线有时被归类于设备总线或字节（byte）级总线。
工厂自动化含有快速移动的机械，因此同较慢的过程相比要有更快的响应。
这些任务在传统上是由PLC来处理的。
过程自动化
对炼油、造纸、电力以及化工等过程对象而言，连续的调节性控制占支配地位。
测量是模拟的（此处意味着标量值是以数字信号传送的），而执行则是调节性的。
当然，过程工业也采用一些离散控制，而以离散为主的制造业也采用一些调节性控制。
现在，市场上已经存在现场总线开/关，它是用作通/断传感器的小型远程安装的I/O模块。
以前，是由集散控制系统（DCS）或单回路调节器完成这种工作。
本文将重点讨论三种与过程相关的网络：
基金会现场总线（FF），PROFIBUS（PA应用行规）与HART。
这些总线目前一般都被笼统地称为现场总线，尽管有些人会有争议，说其中有的不属于现场总线。
这三种协议在设计时已明确了现场仪表由总线供电，也规定了现场仪表应具备所定义的参数与指令用于设备管理，如识别、诊断、材质及用于校验及调试的功能。
就规模而论，一般认为，工业自动化网络所组成的局域网（LAN）跨越不大于直径为1km或2km的区域，而且一般限制在一幢建筑物或一群建筑物内。
显然，只能延伸几米的网络是不够用的，而跨越城市或甚至全球的网络则过大了。
现场与主站网络的层次
即使在过程工业的控制系统中，其体系结构的每一层次也都具有不同的网络特性。
在现场端的许多仪表如变送器与阀门定位器有其特定的需求，而在主站级的工作站、链接设备与控制器则有其它的需求（见图5-1A-1）。
当现场总线开始发展时、
过程工业对现场级网络
提出了大量其他网络不
曾遇到的要求。
因此．
需要考虑许多新的设计
思路。
在上层，所有来
自现场级网络的数据都
需要被集中到单一的主
站级网络中。
同时，主站级网络还需执行所有与工厂自动化相关的任务。
现场级
在现场级，对于过程仪表占主导地位的协议有HART、基金会现场总线（FF）的H1及PROFIBUSPA。
HART协议与其他两个协议有很大的不同。
HART是所谓的智能（smart）协议，它是将数字通信叠加在常规的4—20mA的信号上而产生的组合。
正因如此，HART协议是从模拟向数字过渡过程中的一种理想的中间解决方案。
HART与现有的模拟记录仪、控制器与指示仪兼容，而同时它又使用数字通信，使远程组态和诊断成为可能。
尽管HA-RT协议允许数台设备多挂接在一根双绞线上，但由于数据更新速度低（一般为每台设备0.5s），所以不经常使用这种连接方式。
在绝大多数的系统中，HART设备采用点到点的连接方式，也就是每台设备各用一根双绞线。
同时，为了组态及维护，可经常
地临时接上手持终端。
基金会现场总线的H1与PROFIB-BUSPA都完全是数字化的协议，甚至都遵循IEC61158-2标准而使用同样的布线。
然而除此之外，这两种协议之间存在着很大的差异，根据所需要的系统结构的不同，其中的一种协议可能比另一种更适合。
在现场级有着大量仪表，往往是成百上千。
线路往往也很长，网络电缆必须从控制室一直连接到现场，或接到塔上，然后再分支到遍及现场的所有设备。
由于每个网络能多挂接的设备数量受限制，因此，即使是一个中等规模的工厂，也可能有多条网络电缆引向现场，尽管线缆数量比点到点的布线已减少了很多。
现场级网络从设计上使线缆可以延伸得很远，并允许现场设备从网络中获得供电。
这样，同一根双绞线不但可向设备供电而且同时传送数字信号，从而避免了单独供电用的电缆，既简化了布线又降低了成本。
作为降低成本的另一种措施，设计者选择了适中的现场级网络通信速度，以便可以使用标准的、仪表等级的电缆而非特殊的数据电缆。
由于也不需要特殊的连接器、耦合器和集线器，所以可以完成简单而实用的连接。
在多数场合下，常规仪表所使用的电缆的等级完全可以满足现场总线网洛的要求。
这也使得当现有的工厂采用现场总线时，有可能可以使用原有的电缆。
在可能出现可燃流体的危险过程环境，本质安全常常是优先选用的保护措施。
所以现场总线网络在设计上允许将安全栅安装在总线上。
另外，由于设计者选择了适中的现场网络通信速度，因此所连接的设备并不需要耗费大量的CPU处理能力来快速处理通信。
结果是它们也只消耗很少的功率。
由于设备的低功耗意味着在线路上的压降也低，因此，即使在长距离甚至还使用了本质安全栅的情况下，仍可以将几台设备用分支线接在同一个网络上。
现场级网络的另一个突出优点是由布线自由而带来的网络拓扑结构上的自由度。
最后，这些现场总线网络的设计还使它们可以在相当恶劣并有电气干扰的现场环境中运行。
主站级
在主站级，以太网标准已经成为占支配地位的布线技术（图5-1A-2）。
有许多协议是基于以太网布线的，它们包括基金会现场总线（HSE），PROFInet，
Modbus／TCP等协议。
使用现场总线及设备管
理软件的工厂会遇到带
宽需求的激增，因此在
主站级必须具有高速网
络。
现场级网络从现场
仪表采集了如此众多的
数据．结果使信息量剧
增。
这一巨大的信息量是一个老式的专有控制级网络无法应对的。
以太网具备传送大量数据所需的吞吐量，这些数据用于传统工厂的操作和历史趋势，用于新增的远程诊断、维护及组态功能，以及用于对工厂自动化任务的快速响应。
这些应用之所以选择以太网，是因为其高速度使其有能力传送所有的这些信息。
此外，以太网已经成为标准，并被广大技术人员深入了解，也已获得广泛的应用。
用于以太网的各种各样的设备与解决方案都是现成的。
在许多应用中，对主站级协议的关键要求之一是有效性。
网络必须能容错，也就是说在有故障时能启动和运行。
由于整个工厂是通过该网络来操作并进行监控的，所以主站级网络的有效性尤为关键。
停车具有极大的破坏性并会造成巨大损失；网络的彻底崩溃将导致极其严重的后果。
虽然以太网源自办公环境，但在工厂控制系统中可以采用坚固的工业级（与商业级不同）附件及布线方案。
主站级网络的设计允许冗余，以便使网络能容错。
采用多层冗余及工业增强型部件的工业级网络，能处理多个同时发生的故障。
物理上的远距离对主站级网络来说并不重要。
因为它一般只局限在控制室内，所以以太网所规定的距离一般来讲是足够的。
作为公认的标准，以太网的一大优势是可以使用几种可供选择的介质。
采用铜芯介质的以太网不适合现场，因为它不能延伸很长的距离。
因此它的应用局限于控制室内（即“主站总线”而不是“现场总线”）。
然而，光纤及无线电以太网则可以延伸到很长的距离，所以适用于远程应用。
主站级网络将过程自动化系统中所有的子系统连接在一起。
除基本控制功能以外，工厂里还经常有带辅助功能的成套设备，如锅炉或压缩机。
它们往往有随设备自带的控制单元需要同系统的其余部分集成起来（图5-1A-3）。
例如，一个炼油厂可能有安全停车系统，造纸厂有扫描架，而化工厂可以有先进控制系统。
基于以太网标准协议的子系统可以简单地接入到系统中。
主站级网络可以同工厂不同区域的现场级网络连接在一起而构成大系统。
在各区域内部的控制及监测是可能的。
主站级协议可以直接地或通过历史数据库及其他工厂信息软件同企业商务系统连为一体。
特别值得注意的是，以太网并不是一个完整的协议。
实质上，以太网标准只规定了针对电缆的不同选项以及在网络上的设备如何访问总线。
以太网并不规定数据的格式或数据的语义。
即使结合其他技术如TCP/IP和UDP，协议仍然是不完整的。
一些控制系统制造商已经使用以太网多年，但每家提供的数据格式及功能都各不相同。
即使包含了TCP/IP，市场上控制系统P5U1AAutomationNetworkingApplicationAreas第五部分第一单元课文A自动化网络的应用领域
所采用的大多数以太网网络实际上都是专有的。
这是因为尽管连接在同一根线上而且不存在什么矛盾，网络上的设备却无法相互访问及解释彼此的信息。
因此，当购买以太网的产品及系统时，要非常谨慎小心；它们往往不是所宣传的那样。
TCP，UDP及IP在第4章“过程控制”中进行讨论。
更好的想法是寻找一个基于以太网的完全开放的协议，这样不同的设备和子系统甚至对等网络之间可以互相通信。
均一化的网络体系结构
由于它们的需求几乎相反，因此现场级和主站级的需求有各自不同的特点。
因为现场级网络通信速度低，所以不适合主站级网络；而主站级网络在距离上受很大的限制，所以也不太可能在现场级使用。
现场级网络取代了智能仪表及子系统的传统协议，而主站级网络则取代了控制网络及商务网络。
控制系统的主站级网络使用服商务网络相同的网络技术，因此它们可以无缝地集成在一起。
依靠一个简单的路由器便可使纯粹的商务通信与纯粹的
控制通信隔离开来，从而确保快速的响应。
为使系统的集成简化及紧密，重要的是选择一个均一化的网络体系结构，即它的上、下层协议基本上是一样的，而只是在不同的介质上进行传送。
这样，就可确保其透明度，并使其在通信映射及互操作性方面问题最少。
幸运的是，已经有了像这样的协议“组合”。
较为理想的组合是基金会现场总线H1及HSE或PROFIBUSPA和PROFInet。
如果在主站级或在仪表与操作员间的某个环节上使用专有协议，那么很可能会丧失重要的功能及互操作性，还将迫使工程师们在协议间去作艰巨耗时的参数映射。
在整个系统内应用同一技术，可大大简化系统的初步工程设计与配置以及后续的运行与管理。
工程师技术人员也可以在系统的各个部分毫不费力地工作，而且不需要重新培训。
B控制系统体系结构的演变
现场的信号传输与系统的体系结构在发展上是紧密相联的。
信号传输的每一次改进都导致了系统在更大程度上的分散化以及对现场仪表更好的访问。
在气动时代,控制器一般位于现场并就地进行操作，因此毫无系统可言。
随着模拟电流回路的出现,可以将现场仪表的信号传输到位于控制室的中央控制器,然后再
向现场的调节阀门发出控制信号。
在完全集中的直接数字控制（DDC）体系机构中,全部的控制策略是在计算机中完成的。
由于所有的功能集中在一台计算机中，即使是计算机的一个单一的故障也会使整个系统及其所有的回路失效。
由于这个原因，一种常见的做法是在现场采用后备的就地气动调节器。
这样,一旦DDC出现故障，它马上就可以投入运行。
显然,集中的体系结构有着相当严重的有效性问题。
到了20世纪70年代初期，更为分散的可编程逻辑控制器（PLC）及集散控制系统体系结构（DCS）便应运而生了。
DCS和PLC体系结构
DCS与PLC是随着数字通信的到来而诞生的。
但其体系结构还是基于4~20mA的现场变送器与阀门定位器而进行设计的。
然而，DCS比DDC在控制方面有了很大的进步，因为它将控制分散在几个较小型的控制器中，而每个控制器处理30个左右的控制回路。
这样，一个故障只会影响工厂的一部分，而不像DDC中影响工厂全部。
换言之,较大程度的分散增加了系统的有效性。
这是第一个好处。
第二个好处是可以更好地组织组态。
用户可分开管理针对各个独立的工厂单元的组态与控制器。
DCS和PLC的体系结构的特点在于有常规I/O（输入/输出）子系统或“巢窝”，其中I/0模板组合通过一个I/O子系统网络分别连入其各自的中央控制器。
现场仪表的主体是常规的模拟设备。
通过控制层网络，控制器彼此间以及控制器同工作站间组成网络。
在最顶层，还可以有一个工厂层网络将工作站连接到商务环境。
经过多年的演变，DCS可以带有同使用专有协议的智能仪表相兼容的通信接口，因而也可提供某种程度的组态与检查。
并非所有的智能仪表协议都允许同时传输4~20mA与通信。
这就使得许多用户无法使用通信功能。
此外,大多数DCS不提供HART接口，因为所有的DCS系统制造商都有与其竞争的专有协议。
因此，工厂倾向于从系统供应商，而不是第三方，购买现场仪表。
一个DCS系统通常有多达4层不同的网络，每层都有其不同的技术，即：
设备，I/O子系统，控制器以及商务与全厂的集成（见图5-1B-1）。
所有这些硬件及网络的层次使系统变得相当复杂而且昂贵。
DCS之所以一开始被冠名为“分散”（distributed）的，是因为它没有DDC体系结构那么集中。
但是，如按今天的标准来衡量，DCS应该被认为是集中的。
这种体系结构相对来讲是脆弱的，因为哪怕一个故障也会产生大范围的影响。
正是由于这一脆弱性，控制器、I/O子系统网络、I/0模块等不得不采取冗余技术，以避免整体失控。
当然，每个层次的冗余意味着复杂的结构和昂贵的价格。
FCS体系结构
基金会现场总线（FF）规范同其他网络技术的独特差异在于，它不仅是一个通信协议，而且还是一个建立控制策略的编程语言。
标准的编程语言同强有力的通信功能相结合的结果之一是将控制分散到现场设备中，而不集中在一个控制器上。
例如，通常将作为回路一部分的阀门定位器当作调节器使用。
它只在自身回路执行PID功能块，而不参与其他回路。
这种基于现场设备能力的新型体系结构已不再以控制器为核心，所以被称为现场控制系统（FCS）,它可以取代DCS（见图5-1B-2）。
FCS不再将每台现场设备看作外设。
由于它的分散性，FCS的体系结构具有很多优点，如较高的有效性、较大的规模弹性及较低的成本。
FCS的体系结构从DCS的概念演变而来，并且在DCS概念的基础上更进一步，其结果就是系统更加分散，因而降低了在发生故障时的脆弱性。
在FCS体系结构中处于现场级网络的仪表通过链路设备同位于主站级网络的工作站相连接。
因此，在FCS中只有两个网络层。
通常，现场仪表执行在过程工业占自动化任务中大部分的调节性控制。
链路设备或中央控制器可以完成离散逻辑和顺序控制。
当控制在现场设备中完成时，所需中央控制器的数量急剧减少，在某些情况下甚至完全不需要中央控制器。
这就大大地降低了系统的成本。
换言之，应用总线技术将不单是在电缆上获得节省。
由于中央控制器被从以计算为主的调节性控制中解脱出来，它可以从事于执行其他较高性能的控制任务，从而改善控制。
由于在FCS中不再由一个控制器处理多个回路，这样便避免了一个单一故障影响大部分工厂的状况。
但在FCS系统
中依然存在处理离散I/0及控制的中央控制器，因为这些功能一般很少网络化。
当工厂使用中央控制器时，如果要获得高的有效性，就应当采取冗余技术。
乍听起来,很难想象小型现场设备控制器能取代一台“单元控制器”来控制一个大型的工厂。
其秘密在于每台设备只处理一个回路。
通过将成千上万台设备用网络连接在一起，它们所集结的众多微处理器的能力将超过早期的系统。
控制的任务被分割成部分，并分散到并行工作的现场设备中去，而每台设备只对其自己的回路负责。
由这些设备同时工作而构成的真正的多任务系统，是只靠单一的处理器不可能实现的。
最终结果是系统具有非常好的性能，而且加入的设备越多，系统的能力越强。
能力的增强使得有可能不必将模拟数值转变为整数。
而对于集中控制系统，浮点运算并不总是可能的，因为它会太多地增加处理器负荷。
目前，浮点运算的格式已贯穿现场总线设备的整个控制策略。
主站与系统
由于4~20mA的信号只单向地携带单个信息，所以操作员无法确定模拟设备内到底发生了什么，也不可能在系统的操作台上完成组态、诊断及其他检查任务。
在应用了智能仪表的场合下，则可用手持终端来获得一些额外的信息。
常规的甚至是智能的设备不能被认为是集成在控制系统中的，因为它们无法被操作员完全访问。
操作员的视野只能延伸到控制器，还可能到达I/O子系统，但不可能更远。
因为现场仪表是多个孤立的实体，它们被看作独立于控制系统之外，而不是系统的一个组成部分。
而在FCS中，现场仪表是整个系统的一个有机部分。
过去所谓的“系统”部分只剩下工作站及链路设备。
直接与主站级网络相连的工作站则被简称为主站（host）（见图5-1B-3）
UNIT2
A网络控制系统中的基本问题
控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统叫作网络控制系统。
网络控制系统定义的特点是信息（参考输入、系统输出、控制输入等）是使用网络在控制系统组件（传感器、控制器、执行器等等）中进行交换。
图5-2A-1给出了网络控制系统的典型结构和信息流。
网络控制系统的主要优点是减少系统接线，易于系统诊断和维护，并增加系统敏捷性。
在反馈回路中加入通讯网络使网络控制系统的分析和设计变得复杂。
传统控制理论有许多理想的假设，比如同步控制、无信号检测延迟、无激励延迟等，在将它用于网络控制系统之前必须对其进行重新评估。
特别要讨论下面几个问题。
第一个问题是网络产生的延迟（传感器到控制器延迟和控制器到传感器延迟），当连接到公共介质上的装置交换数据时，这种延迟发生。
这种延迟，或恒定（令人担忧）或不定，会降低设计时没考虑这种延迟的控制系统的性能指标，甚至使系统不稳定。
其次，网络可被看成由不可靠传输通道组成的一张网。
一些数据包不仅有传输延迟，甚至会在传输过程中丢失。
因此，必须考虑丢失的信息量对网络控制系统性能指标的影响程度。
另一个问题是由于网络带宽和信息容量的限制，系统输出可采用多个网络数据包（所谓多重数据包传输）。
由于网络平台对网络上其它节点的仲裁，可能性是全部/部分/没有信息包在控制运算时间内到达。
分布式控制可追溯到20世纪70年代初期，当时诞生了霍尼韦尔分布式控制系统（DCS）。
分布式控制系统中的控制模块被松散地连接到一起，因为大部分实时控制任务（信号检测、计算、激励）在单独的模块中执行。
仅仅开/关信号、监控信息、报警信息等通过串行网络进行传输。
今天，借助于特定用途集成电路芯片设计和硅材料的大幅降价，传感器和执行机构都可安装网络接口，因此成为实时控制网络的独立节点。
因此，在网络控制系统中，实时检测和控制数据通过网络进行传输，网络节点需要密切协作以完成控制任务。
现用于网络控制系统的候选网络有DeviceNet、Ethernet和FireWire等有限几个网络。
每个网络有自己为特定应用场合而设计的通讯协议。
此外，网络控制系统的特性主要取决于网络本身的性能参数，这些参数包括传输速率，介质访问协议，数据包长度等。
主要有两种方法来解决网络控制系统设计中碰到的这些问题。
一种方法是在设计控制系统时不考虑数据包延迟和丢失的问题，而是设计一个使这些事件发生的可能性最小化的通讯协议。
例如，当网络交通超过网络管理的极限时，已提出各种堵塞控制和避路算法以获得更好的性能。
另一种方法是将网络协议和交通作为已知条件，设计详细考虑上述问题的控制策略。
为了管理延迟，可以形成基于延迟微分方程研究的控制策略。
这里我们讨论针对网络导致的延迟和数据包丢失的分析和设计策略。
现在，我们将分析网络控制系统中的一些基本问题，包括网络导致的延迟，系统输入和输出的单个数据包或多重数据包，网络数据包的丢失。
网络导致的延迟在网络控制系统中当传感器、执行器和
控制器通过网络交换数据时会发生网络导致的延迟。
这种延迟
会降低在设计时没有考虑这个问题的控制系统的性能降低，甚
至会使系统不稳定。
取决于控制网络介质访问控制协议，网络导致的延迟可以是常数，时变。
甚至随机的。
介质访问控制协议通常分为两种：
随机访问和按时序访问。
载波侦听多路访问在随机访问网络中用的最多，而令牌和分时多路访问通常在按时序访问网络中。
使用载波侦听多路访问协议的控制网络包括DeviceNet和Ethernet。
图5-2A-2给出了这种网络各种可能出现的情况。
图形描述了连续传递信息（具有固定时间顺序）的两个节点。
在载波侦听多路访问网络上的节点在每次传递信息前监视网络情况。
当网络时空闲的，它马上开始传递信息，如图5-2A-2中的情况1所示。
否则节点在网络空闲前一直等待。
当两个以上节点要同时传递信息时，会发生网络冲突。
解决冲突的方法依赖于网络协议。
DeviceNet是一种控制器局域网，它使用带有位智能仲裁的载波侦听多路访问协议。
由于控制器局域网的信息是划分优先次序的，当传递冲突发生时，具有最高优先级别的信息继续传递，而优先级别较低的信息的传递被中断，当网络空闲时再传递，如图5-2A-2中的情况2所示。
使用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议。
以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种情况。
这些类型网络上的数据包收到随机延时的影响，在最坏情况下数据包的传递时间是无法限定在某一时间范围内，因此，CSMA网络通常是一种不确定性网络。
但是，如果网络信息被划分优先次序，最高优先级别的信息有更好的机会及时传递信息。
令牌传递协议出现在令牌总线（IEEE标准802.4）、令牌环（IEEE标准802.5）和光纤分布式数据接口MAC结构中，时分多址协议用于FireWire网络。
这类网络的时序图如图5-2A-3所示。
这些协议通过让网络的每一个节点按照预先确定好的时间表传递信息从而消除了对共享网络介质的争夺。
在令牌总线中，令牌是绕着逻辑环传递，但是在令牌环中，令牌实际上绕着物理环传递。
在时序网络中，可以安排信息的周期性传递。
例如，FireWire网络有一个可分成小时间空档的传递周期，在传递周期中保证每一个同步传递有一个时间空档进行传递。
在时序网络中当等待令牌或时间空档时产生延时。
当周期性地传递数据包时，等待令牌或时间空档的时间都是有限的
单数据包与多重数据包传输单数据包传输指的是传感器或执行器数据被集中在一个网络数据包中同时传输，而多重数据包传输中传感器或执行器数据由互相独立的多个数据包传输，这些数据包不可能同时到达控制器和系统。
多重数据包传输的一个原因是由于数据包容量限制，分组交换网络在一个数据包中只能携带有限的信息。
因此，大量数据必须分成多个数据包再进行传递。
另一个原因是网络控制系统中的传感器和执行器分布在巨大的物理空间内，不可能将数据放在一个网络数据包内。
传统采样系统认为系统输出和控制输入是同时传递的，但对带有多重数据包传输的网络控制系统而言是不可能的。
由于网络访问延时，控制器不可能在作控制运算的时间内收到所有更新的系统输出数据。
不同的网络适合不同类型的数据传输。
以太网，最初是为传递数据文件而设计的，最多一个数据包可容纳1,500个字节。
因此，
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