控制系统网络
集散控制系统的通信网络与系统特性
OSI模型的各层及其定义
层次
定义
7．应用
给开放系统互连OSI环境的用户提供服务，例如终端访问、文件传送协议、网络管理
6．表示
解释通讯数据的意义，如代码转换、格式变换等，使不同的终端可以表示。还包括 加密与解密、压缩与解压等。
5．会话
提供在两个进程之间建立、维护和结束连接（会话）的手段。
4．传送
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3.1.4 通信控制方式
链路控制
➢ 在共享链路的网络结构中，链路控制是一个关键问题。由于网 上连接着许多设备，它们彼此间要频繁地交换信息，这些信息 都要通过链路进行传输，所以必须确定在什么时间里，在什么 条件下，哪些节点可以得到链路的使用权，这就是链路的控制 问题。
➢ 链路的控制方式分为集中式和分散式两种。集中式控制是指网 络中有单独的集中式控制器，由它控制各节点之间的通信。星 型结构的网络便采用这种控制方式，控制机构集中在星型网络 的中央节点内。分散式是指网络中没有集中式链路控制器，各 节点之间的通信由它们各自的控制器来控制，环型及总线型网 络一般采用分散链路控制方式。
计算机中的信息是以二进制形式存在的，这 些二进制信息可以用一系列的脉冲信号来表 示，所谓基带传输，就是直接将这些脉冲信 号通过信道进行传输。
基带传输不适用于远距离数据传输。当传输 距离较远时，需要进行调制。用基带信号调 制载波之后，在信道上传输调制后的载波信 号，这就是载带传输。
7
5. 载带传输中的数据表示方法
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2.具有极高的可靠性
集散控制系统的通信系统必须连续运行，通信系统的任何 中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故。 因此通信系统必须具有极高的可靠性。一般集散控制系统 通信系统采用双网备份方式，以提高可靠性。
网络控制系统中的基本问题
P5U2B
Stability of NCSs with Network –induced Delay
第五部分第二单元课文B
带网络延时的网络控制系统的稳定性
B
带网络延时的网络控制系统的稳定性
1.课文内容简介：主要介绍《网络控制技术》中的带网络延 时的网络控制系统的建模、小于一个采样周期的延时、长 时间延时、积分器和一般标量系统的稳定区域分析等问题。 2.温习离散控制系统关于采样周期、稳定性分析方面的内容。 3. 生词与短语 clock-driven adj. 时钟驱动的 event-driven adj. 事件驱动的 lumped adj. 集总的 piecewise continuous 分段连续 infeasible adj. 不可行的
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。
P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems
第五部分第二单元课文A
网络控制系统中的基本问题
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。
控制系统的网络化与云平台应用
控制系统的网络化与云平台应用随着信息技术的不断发展，控制系统日益向网络化和云平台方向发展。
本文通过分析控制系统网络化的概念与特点，探讨云平台在控制系统中的应用，以及网络化与云平台对控制系统带来的优势和挑战。
一、控制系统网络化的概念与特点控制系统网络化是指将各个控制设备和子系统通过网络连接起来，实现数据共享、远程监控和远程控制的方式。
网络化控制系统具有以下几个特点：1. 数据共享与协同：网络化控制系统能够将不同设备和子系统的数据整合在一起，实现信息的共享和协同，提高整体控制效率。
2. 远程监控与控制：网络化控制系统可以通过网络实现远程监控和控制，使得操作人员可以远程获取和控制设备的状态，提高工作的便捷性和效率。
3. 系统集成与扩展：网络化控制系统可以方便地进行系统集成和扩展，无需大规模改造硬件设备，只需对网络进行调整和优化即可实现新设备的接入。
二、云平台在控制系统中的应用云平台作为一种提供资源和服务的虚拟化平台，可以为控制系统的网络化提供支持和管理。
云平台在控制系统中的应用主要体现在以下几个方面：1. 数据存储与处理：云平台可以提供大规模的数据存储和处理能力，将传感器采集到的海量数据进行存储和分析，为系统提供决策支持。
2. 远程配备与升级：云平台可以实现对控制系统的远程配备和升级，无需实际操作设备，只需对云平台进行操作即可实现设备的配置和升级。
3. 业务拓展与创新：云平台具有强大的扩展和创新能力，可以为控制系统提供更多的业务拓展和应用场景，满足不断变化的需求。
三、网络化与云平台带来的优势网络化和云平台应用对控制系统带来了许多优势，主要有：1. 提高效率与精确度：网络化控制系统使得整个系统能够实时获取设备状态和数据，迅速反应并控制设备，提高了控制效率和精确度。
2. 降低成本与风险：网络化控制系统可以通过远程监控和控制，减少人力成本和物力成本，并降低操作风险和安全隐患。
3. 提升智能与自动化水平：网络化控制系统可以通过数据分析和学习算法，实现智能化和自动化控制，提升系统的智能与自动化水平。
控制系统网络图
控制系统网络图
LED灯具照明控制系统各灯光控制区域，包括调光控制区域、
开关控制区域，组成了一个统一的分布式控制网络系统，具有适应
不同的用户管理界面。
系统可实行中央监控，并可根据需要在网络范围内设立多个监
控中心。
可根据需要，灵活、方便的设定控制区域及操作管理权限。
监控管理功能集中于中央控制室和有相当操作级别的终端，同时通
过各区域所在地的可编程控制面板，手动改变灯光场景
LED灯具控制系统网络图如下：
a系统分区控制完全独立，互不干扰，一个塔楼停止工作绝不
会影响其他塔楼设备的正常运行；任意塔楼中任意器件损坏也不影
响本场馆内其他器件正常工作。
b各塔楼通信线路中断不会影响其他分场馆的正常运行。
c各塔楼属模块化结构。
d具有独立的时钟智能化管理，可实现任意部分区域自动起停。
并可根据需求自动按程序设定对整个照明控制网络内的模块进行调
光或开关；还可根据季节变化自动顺延开灯、关灯的时间。
e控制网络具有极强的可扩充性，可随时根据需要非常方便快
捷的进行扩充。
控制系统中的神经网络与智能控制技术
控制系统中的神经网络与智能控制技术在现代科技的发展中，控制系统扮演着重要的角色，它用于监测和管理各种工业和非工业过程。
随着技术的不断进步，控制系统也在不断提升。
神经网络和智能控制技术作为现代控制系统中的关键组成部分，正在被广泛研究和应用。
本文将重点探讨控制系统中神经网络和智能控制技术的应用和发展。
一、神经网络与控制系统神经网络是模拟人脑神经元网络结构和功能的数学模型，它能够通过学习和训练来逼近和模拟人脑的决策过程。
在控制系统中，神经网络可以用于处理和解决复杂的非线性控制问题。
通过神经网络的学习和适应能力，控制系统可以更好地应对不确定性和非线性特性。
1.1 神经网络在控制系统中的基本原理神经网络模型由多个神经元组成，这些神经元通过连接权重相互连接。
每个神经元将输入信号经过激活函数进行处理，产生输出信号，并传递给其他神经元。
通过调整连接权重和激活函数参数，神经网络可以逐步地优化输出结果，实现更精确的控制。
1.2 神经网络在控制系统中的应用神经网络在控制系统中有广泛的应用，例如在机器人控制、电力系统控制和交通管理等领域。
在这些应用中，神经网络能够通过学习和自适应的方式，提高系统的鲁棒性和稳定性，使得系统能够更好地适应不确定性和变动性。
二、智能控制技术智能控制技术是指结合人工智能和控制理论，用于设计和实现智能化的控制系统。
智能控制技术通过引入模糊逻辑、遗传算法和专家系统等，能够更好地适应动态和非线性控制问题。
2.1 智能控制技术的基本原理智能控制技术的核心思想是将人类专家的经验和知识转化为计算机程序，使得系统能够进行智能化的决策和控制。
通过建立模糊规则和使用遗传算法进行参数优化，智能控制系统能够自主学习和适应环境的变化，对于复杂的动态系统具有较好的控制性能。
2.2 智能控制技术的应用智能控制技术在工业自动化、机器人控制和交通管理等领域有着广泛的应用。
例如，在工业生产中，智能控制系统可以根据实时数据和模糊规则，自主地进行生产调度和质量控制；在交通管理中，智能控制系统可以根据交通流量和路况信息，优化信号配时和路线选择，提高交通效率和安全性。
控制系统中的神经网络控制理论与应用
控制系统中的神经网络控制理论与应用神经网络控制理论在控制系统中的应用日益广泛。
本文将从神经网络控制的定义和原理入手，深入探讨其在控制系统中的理论与应用方面。
一、神经网络控制的定义和原理神经网络控制是利用神经网络模型来实现对控制系统的建模与控制。
神经网络是一种模仿生物神经元网络结构和功能的人工神经网络模型。
其原理基于多层次、并行处理的结构，通过学习和适应能力实现对系统的建模和控制。
神经网络控制的核心是建立适当的网络结构和权值，并通过学习算法对其进行训练。
常用的神经网络模型包括前馈神经网络、递归神经网络和径向基函数神经网络等。
通过对输入信号的处理和网络参数的调整，神经网络能够实现对复杂系统的非线性建模和控制。
二、神经网络控制在控制系统中的应用1. 神经网络控制在自适应控制中的应用神经网络具有自适应性和非线性映射能力，适合用于自适应控制。
其能够通过学习和反馈调整网络参数，实现对系统的模型自适应和参数识别。
在自适应控制中，神经网络能够实时跟踪系统的变化，并做出相应的控制调整，提高系统的鲁棒性和适应性。
2. 神经网络控制在优化控制中的应用神经网络能够通过学习和优化算法，对系统的控制策略进行优化。
在优化控制中，神经网络可以作为一个强大的优化工具，通过学习系统的状态和控制规律，找到最优的控制策略，提高系统的性能和效率。
3. 神经网络控制在非线性系统控制中的应用传统的控制方法在处理非线性系统时常常面临困难，而神经网络可以有效地处理非线性系统的建模和控制。
通过神经网络的非线性映射能力，可以准确地描述和控制非线性系统的动态性质。
在非线性系统控制中，神经网络能够处理多变量和耦合的系统，并实现对系统的非线性控制。
4. 神经网络控制在智能控制中的应用神经网络具有学习和适应的能力，可以通过不断的学习和训练提高系统的控制能力。
在智能控制中，神经网络能够根据系统的运行状态和外部环境对控制策略进行优化和调整，实现对系统的智能化控制。
第一章控制网络系统概述
1.3.2 控制网络系统的研究现状
国内外学者对于控制网络系统理论与应用的研究，目 前主要集中在以下几个方面： 1.对于各种控制网络协议本身性能和特性的分析与对 比。这主要包括数学建模分析、计算机仿真和实 际网络实验结果。 2.针对各种控制网络协议的改进方法、网络通讯调度 算法以及路由算法等方面的研究。这主要体现在 两个层次上。局域网内协议改进与通讯调度算法 的研究集中在网络数据链路层，即MAC和LLC子 协议层。广域网研究表现为寻求不同网络间基于 路径或时间最短的路由算法。 3.解决由于采用了控制网络技术，对系统性能和控制 策略上带来的影响。闭环控制网络系统中信息传 输延时、数据丢失和分帧传输都将对控制网络系 统的稳定性和控制性能带来不利影响。
1.1.2 控制网络系统的特点
1．分布式的网络体系结构 2．全数字化通讯 3．模块化的功能设计 4．节点间较强的藕合性 5．网络通讯的强实时性 6．低成本和恶劣环境的适应性 7．网络的局域性 8．系统的开放性和兼容性 9．系统的可扩展性和易重构性
1.1.3 控制网络系统的优点
1．提高了控制系统的精度和可靠性 2．增强了系统信息集成能力，有利于不同网 络的互连集成 3．便于安装和维护 4．可以降低系统成本 5．可以作为实现各种复杂分布式或优化控制 算法的应用平台 6．对于系统开发者和用户而言，它都打破了 技术垄断
1.5.2
现场总线的发展
ISA/SP50：1984年 Profibus：1986年 ISP和ISPF：1992年 WbrldFIP：1993年 HARI…和HCF：1986年 FF(FielbdusFoundatino)：1994年 不同行业的大公司利用自身的行业背景，推出了适合一定应 用领域的现场总线，如德国Boseh公司推出的CAN (eontrollerAreaNetwokr)、美国Echeofn公司推出的 onW6rkS等。 现场总线自二十世纪八十年代产生以来，经历了市场的竞争、 淘汰、合并与重组等过程。自二十世纪八十年代产生以来， 经历了市场的竞争、淘汰、合并与重组等过程，到目前为 止，世界上各式各样的现场总线有100多种，其中，宣称为 开放型的现场总线就有40多种。
分布式控制系统中的网络
绝缘层
网状织物
中心导体 绝缘材料
(三）光缆： – 地理范围：衰减极小，可在6-8公里内不使用中继 器；
– 抗干扰性：不受外界电磁干扰，误码率极低。
(四）其他： 微波、红外、激光、卫星、水声等。
二、连接器
1. RJ-45连接器: 用于连接屏蔽或非屏蔽双铰线
2 开放系统互联基本参考模型
计算机系统A
计算机系统B
7 应用层
7 应用层
6 表示层 5 会话层
通信子网
6 表示层 5 会话层
4 传输层
4 传输层
3 网络层 3 网络层
3 网络层 3 网络层
2 数据链路层 2 数据链路层 2 数据链路层 2 数据链路层
1 物理层 1 物理层
1 物理层 1 物理层
传输介质
1、令牌（Token）控制方式(分散控制)
标 目的 源地 志 地址 址
控制 信息
有效 信息
出错检 测码
ACK肯定 令牌 回答源自Token源节点发出一帧非空信息，绕环传递（使令牌非空），达到目的 节点后将有效信息复制下来，使ACK=1，此帧信息返回源节点。 根据ACK=1移走全部信息，并将令牌置空，下一节点即可用此令 牌。
按一定顺序在各站点之间传递令牌，谁得到令牌谁有权发送数据。
2、信息槽（Message Slots） 控制方式（集中式） 固定长度与数量的信息槽始终绕环传递，槽头有满/空标志。源
节点可以将信息置入空槽内，并置“满”标志目的节点，取走信 息后将槽置“空”。一般应将长报文分组。
分询问多路传输（DM）时分多路传输（STDM）
3. FDDI（光纤分布式数据接口）
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计算机控制系统
计算机控制系统CCS（Computer Control System ），是第三代控制系统 体系。它的诞生，标志着将数字计算 机开始走入控制领域，也逐渐产生了 “集中控制”的概念。 它内部的运算和处理采用数字信 号，但信号传输系统依然是大部分沿 用4～20mA的模拟信号。
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 8
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I-Device
• 通过简单组 态，S7-1200 控制器通过 对I/O映射区 的读写操作， 可实现主从 架构的分布 式I/O应用。
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 27
各种协议的功能模块
• S7协议 Get / Put • TCP协议 TCON / TDISCON / TSEND / TRCV TSEND_C / TRCV_C
分布式控制系统
分布式控制系统DCS（Distributed Control System ），又称为集散控制系 统，是第四代控制系统体系。它开创 性的提出了“集中管理”和“分散控 制”的概念。 它不仅内部的运算和处理采用数 字信号，而且各分散的控制站和操作 站它们相互间的信号传输也采用数字 信号，但由现场传输而来的信号依然 沿用模拟信号。
• 控制系统体系
• 西门子支持的通信网络
• 控制系统网络的发展趋势
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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控制系统体系
气动控制系统PCS 模拟控制系统ACS 计算机控制系统CCS
分布式控制系统DCS
现场总线控制系统FCS
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支持连接的设备 • PG • HMI • 控制器 （ 例如 S7-300/400、S71200/1500等） • PROFIBUS I/O 设备 （例如 ET 200等）
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PROFIBUS
支持连接的协议 • S7 通信 • 分布式IO
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AS-i
2014-11-13
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IO Link MASTER
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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远距离控制通信
• 通过使用 GPRS通信处 理器，实现 简单的远程 控制。
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上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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西门子支持的通信网络
• 思考与讨论：
• 制定控制系统方案时，如何选 择网络通信方式？
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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控制系统网络的发展趋势
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模拟控制系统
模拟控制系统ACS（Analog Control System ），是第二代控制系统 体系。它的诞生，标志着电气自动控 制时代的到来。 基于基于0～10mA或4～20mA的 电流模拟信号标准，提出并独立设立 控制室，使控制和执行分离。
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 10
控制系统体系
• 思考与讨论：
• 谈控制系统体系，为什么没有 提到PLC？ • PLC和DCS，以及FCS究竟有什么 区别？ • 数字信号相对模拟信号传输， 又有哪些优势？
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
RS485
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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各种通信的接口模块
• TS模块 TS Adapter IE Basic TS Module Modem TS Module ISDN TS Module RS232 TS Module GSM
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控制系统网络的发展
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上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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西门子支持的通信网络
• • • • • • • • •
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PROFINET PROFIBUS 点对点（PtP）通信 USS 通信 Modbus RTU AS-i I/O Link MASTER 远距离控制通信 I-Device
• USS协议 USS_PORT / USS_DRV / USS_RPM / USS_WPM
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
2014-11-13
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各种通信的接口模块
• 通信扩展模块CM CM1241 RS485/RS232 CM1243-5 PROFIBUS DP 主站 CM1242-5 PROFIBUS DP 从站 CM1278 4 × I/O Link MASTER CM1242-7 GPRS模块 • 通信扩展板CB CB1241
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 25
远距离控制通信
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
• 通过使用TS 适配器，实 现简单的远 程控制。 • 目前，西门 子TS模块支 持的通信方 式包括： Modem,ISDN, GSM,RS232.
• 现场层，主要是执 行器/传感器级的通 信将得到加强 • 无线网络通信将得 到广泛应用
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
2014-11-13
33
问题与讨论 谢谢
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 34
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 9
现场总线控制系统
现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System ），是第五代控制系统 体系。它在DCS的基础上，将“分散 控制”的概念进一步推升到“现场控 制”的高度。 它的目标是构建连接智能测 量与控制设备的全数字式、双向传输、 具有多节点分支结构的通信链路。系 统中数据的传输采用“总线”的方式。
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
5
气动控制系统
气动控制系统PCS（Pneumatic Control System ），诞生于150多年前， 是第一代控制系统体系。 基于5～13psi的气动信号标准， 主要实现简单的就地操作。
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
浅谈控制系统网络
技术研发部 李智超
控制系统网络
管理层 执行层 控制层
现场层
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
2
控制系统网络
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
3
控制系统网络
USS 通信
支持连接的设备 • 支持USS协议的驱 动器
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
2014-11-13
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Modbus RTU
支持连接的设备 • 支持Modbus RTU 协议的设备
2014-11-13
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上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
15
PROFINET
支持连接的设备 • PG • HMI • 控制器 （ 例如 S7-300/400、S71200/1500等） • PROFINET I/O 设备 （例如 ET 200等） • 使用标准的 TCP 通信协议的设备
2014-11-13 上海埃蒙特自动化系统有限公司 / 16
PROFINET
支持连接的协议 • TCP • ISO-on-TCP • UDP • S7 通信
2014-11-13
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17
PROFIBUS
• UDP协议 TCON / TDISCON / TUSEND / TURCV
2014-11-13
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2D_PTP / RCV_PTP / PORT_CFG / SEND_CFG / RCV_CFG / RCV_RST SGN_GET / SGN_SET • Modbus协议 MB_COMM_LOAD / MB_MASTER / MB_SLAVE
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上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
西门子支持的通信网络
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
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西门子支持的通信网络
• 思考与讨论：
• 网络、接口和协议，是一个概 念吗？又有什么区别呢？
2014-11-13
上海埃蒙特自动化系统有限公司 /
2014-11-13
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点对点（PtP）通信
支持连接的设备 • 打印机 • 条形码阅读器 • RFID读写器 • 视觉系统 • ……
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