計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 課件 第8章 典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成2023年6月8日第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成28.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)38.1模塊導(dǎo)學(xué)1、計(jì)算機(jī)控制的平臺(tái)作用與地位4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1、計(jì)算機(jī)控制的平臺(tái)作用與地位8.1模塊導(dǎo)學(xué)52、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程與趨勢(shì)1950年前的氣動(dòng)信號(hào)控制PCS稱(chēng)作第一代（氣動(dòng)）4～20mA等模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱(chēng)為第二代（模擬）數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)（DDC）和監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）稱(chēng)為第三代（集中+數(shù)字控制）集散控制系統(tǒng)DCS稱(chēng)作第四代（分級(jí)）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）稱(chēng)為第五代（分布）網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（NCS）稱(chēng)為第六代（分布和開(kāi)放）8.1模塊導(dǎo)學(xué)6第二代：模擬控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成78.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)88.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)首先需要把控制對(duì)象的被控參數(shù)和過(guò)程狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量單元進(jìn)行參

采集,并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算,將控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量,通過(guò)功率放大后輸入給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過(guò)程。8.2.1

DDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)98.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)1）基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的DDC系統(tǒng)

中國(guó)工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展在經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代的第一代STD總線(xiàn)（StandardDataBus）工控機(jī)，20世紀(jì)90年代的第二代工業(yè)PC機(jī)（Industrial

Personal

Computer，簡(jiǎn)稱(chēng)IPC）之后，現(xiàn)在已進(jìn)入了第三代CompactPCI（簡(jiǎn)稱(chēng)CPCI）總線(xiàn)工控機(jī)時(shí)期。8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

STD總線(xiàn)工控機(jī)開(kāi)創(chuàng)了低成本工控機(jī)的先河

第二代工控機(jī)—IPC解決了PC機(jī)兼容的問(wèn)題

以CPCI總線(xiàn)工控機(jī)技術(shù)為核心，以PXI和AdvancedTCA等技術(shù)為補(bǔ)充

的第三代工控機(jī)技術(shù)。108.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)IPC主機(jī)組成118.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)IPC的主要結(jié)構(gòu)：

(1)全鋼機(jī)箱:IPC的全鋼機(jī)箱是按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，抗沖擊、抗振動(dòng)、抗電磁干擾。

(2)無(wú)源底板：無(wú)源底板的插槽由ISA和PCI總線(xiàn)的多個(gè)插槽組成，ISA或PCI插槽的數(shù)量和位置根據(jù)需要有一定選擇。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。

(3)工業(yè)電源：AT電源，平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間達(dá)到250,000小時(shí)。

(4)CPU卡：有多種，根據(jù)尺寸分為長(zhǎng)卡和半長(zhǎng)卡，根據(jù)處理器分為386、486、586、PII、PIII主板，用戶(hù)可視自己的需要任意選配。

(5)其他配件：IPC的其他配件基本上都與PC機(jī)兼容，主要有內(nèi)存、顯卡、硬盤(pán)、軟驅(qū)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、光驅(qū)、顯示器等。128.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)IPC半長(zhǎng)卡全長(zhǎng)卡138.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)CPCI工控機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：

CompactPCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過(guò)改造而成的，在結(jié)構(gòu)上具體有三個(gè)方面：

（1）繼續(xù)采用PCI局部總線(xiàn)技術(shù)；（2）拋棄IPC傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，改用高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動(dòng)沖擊能力、符合電磁兼容性要求；（3）拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性，進(jìn)一步提高了可靠性，并增加了負(fù)載能力。

經(jīng)過(guò)改造的CPCI工控機(jī)非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，由于具有熱插拔和冗余設(shè)計(jì)能力，可以構(gòu)建高可用性系統(tǒng)，滿(mǎn)足電信、數(shù)字通信、軍事裝備以及其它高可靠領(lǐng)域的要求。目前CompactPCI技術(shù)是國(guó)際上最先進(jìn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)。148.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)CPCICPU卡

158.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)2）基于PC/104總線(xiàn)工控機(jī)的DDC系統(tǒng)PC/104是一種專(zhuān)為嵌入式控制而推出的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)質(zhì)上就是ISA工業(yè)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)IEEE-996的延伸PC104系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）小尺寸結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是3.6*3.8英寸，即90*96mm；（2）堆棧式連接：去掉總線(xiàn)背板和插板滑道，總線(xiàn)以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線(xiàn)模塊間總線(xiàn)的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性；（3）能耗低：由于減少了元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊1-2瓦能耗。8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)168.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)PC104模塊8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)178.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)3）基于單片機(jī)的DDC系統(tǒng)單片機(jī)構(gòu)成的單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器示例8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺(tái)188.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)1）DDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則8.2.3

DDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）安全可靠性：在設(shè)計(jì)過(guò)程中要把安全可靠放在首位。（2）實(shí)時(shí)性：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部事件和外部事件能及時(shí)地的響應(yīng)，并做出處理，不丟失信息，不延誤操作。（3）操作性：操作性好包括使用方便和容易維修兩個(gè)方面（4）通用性：盡管計(jì)算機(jī)控制的對(duì)象千變?nèi)f化，但適用于某個(gè)領(lǐng)域或行業(yè)的控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有通用性。（5）開(kāi)放性：開(kāi)放性體現(xiàn)在硬件和軟件兩個(gè)方面（6）經(jīng)濟(jì)性：計(jì)算機(jī)控制應(yīng)該帶來(lái)高的經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮性?xún)r(jià)比，要有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)198.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)2）DDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟8.2.3

DDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）確定系統(tǒng)總體方案：系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前首先應(yīng)詳細(xì)了解控制對(duì)象的工作過(guò)程和控制要求，對(duì)于用于工業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)還需要詳細(xì)了解各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)工藝參數(shù)的要求，充分考慮用戶(hù)的操作規(guī)律。（2）數(shù)學(xué)模型與控制算法的設(shè)計(jì)：數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)變量和輸出之間的關(guān)系。（3）硬件設(shè)備的選擇：計(jì)算機(jī)機(jī)型的選擇；傳感器的選擇；外圍接口；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇（4）軟件設(shè)計(jì)：一般在進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都需要用到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序，以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在最短周期開(kāi)發(fā)出目標(biāo)系統(tǒng)軟件（5）系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行：系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行分為離線(xiàn)仿真調(diào)試階段和在線(xiàn)調(diào)試運(yùn)行階段第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成208.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)218.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.1

PLC的基本架構(gòu)與特點(diǎn)PLC特點(diǎn)：

高可靠性通過(guò)綜合采用可靠性措施，可使PLC的平均故障間隔時(shí)間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）高達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí)（30年以上）。

功能強(qiáng)，具有很好的可擴(kuò)展性

PLC可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開(kāi)關(guān)量邏輯控制，能夠方便地實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、數(shù)字控制等。

采用模塊化結(jié)構(gòu)由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，且各種模塊上均設(shè)有運(yùn)行和故障指示，使PLC安裝性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性好。

編程簡(jiǎn)單易學(xué)

PLC編程大多采用類(lèi)似于繼電器控制線(xiàn)路的梯形圖進(jìn)行。?？刂葡到y(tǒng)采用模塊配置、系統(tǒng)集成，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期短。228.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.1

PLC的基本架構(gòu)與特點(diǎn)SIEMENS控制器K7M-DR40U238.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.1

PLC的基本架構(gòu)與特點(diǎn)

PLC系統(tǒng)組成框圖248.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.2

PLC的硬件和軟件平臺(tái)1）PLC的硬件組成和功能中央處理單元：可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片式微處理器三種類(lèi)型。存儲(chǔ)器：PLC通常配有ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）兩種存儲(chǔ)器。輸入輸出接口電路：輸入／輸出接口又稱(chēng)I/O接口或I/O模塊，是PLC與外圍設(shè)備之間的連接部件擴(kuò)展接口：為了提升PLC的性能、增強(qiáng)PLC控制功能，可以通過(guò)擴(kuò)展接口給PLC增加一些專(zhuān)用功能模塊

電源：PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)

通訊接口：監(jiān)視器、打印機(jī)、其他PLC、計(jì)算機(jī)等設(shè)備

編程器：利用編程器可將用戶(hù)程序輸入PLC的存儲(chǔ)器258.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.2

PLC的硬件和軟件平臺(tái)2）PLC的軟件結(jié)構(gòu)可編程控制器的系統(tǒng)軟件分為兩部分，一部分是固化于主機(jī)模塊的存儲(chǔ)器(ROM、PROM或EPROMD)中的內(nèi)核軟件，執(zhí)行輸入、輸出、運(yùn)算、控制、通信和診斷等功能,并對(duì)可編程控制器的運(yùn)行進(jìn)行管理；另一部分安裝在編程器、操作監(jiān)視器。工程師站和操作員站的組態(tài)編程軟件及人機(jī)界面軟件，供工程師對(duì)可編程控制器進(jìn)行組態(tài)編程，供操作員對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行操作監(jiān)視。268.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.2

PLC的硬件和軟件平臺(tái)3）PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)278.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.3

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1）PLC控制系統(tǒng)的原則步驟在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循一下四點(diǎn)基本原則：（1）以最大限度地滿(mǎn)足被控對(duì)象的控制要求；（2）保證PLC控制系統(tǒng)的安全可靠；（3）簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便；（4）適應(yīng)發(fā)展的需要。在上述原則下PLC系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)步驟如下：（1）分析被控對(duì)象，規(guī)劃控制系統(tǒng)的控制要求；（2）根據(jù)對(duì)系統(tǒng)控制要求的分析，確定PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出設(shè)備。（3）選擇PLC控制器。（4）分配PLC控制器的I/O資源，設(shè)計(jì)I/O連接圖。（5）根據(jù)控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)PLC控制程序288.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.3

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）PLC控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容與流程

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，PLC控制程序設(shè)計(jì)是最重要的部分，它主要包括以下工作：（1）分析控制程序的整體結(jié)構(gòu)、所要完成的功能、需要的I/O資源、各個(gè)功能模塊的功能等；（2）設(shè)計(jì)梯形圖，根據(jù)梯形圖編寫(xiě)控制程序；（3）使用編程器將程序下載到PLC控制器的存儲(chǔ)器中，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；（4）繪制技術(shù)文件。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成298.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)308.4集散控制系統(tǒng)8.4.1

DCS基本架構(gòu)與特點(diǎn)318.4集散控制系統(tǒng)8.4.2

DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與軟件平臺(tái)1）DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸入輸出總線(xiàn)：通過(guò)IOBUS與過(guò)程控制單元交換信息控制網(wǎng)絡(luò)：控制網(wǎng)絡(luò)選用國(guó)際流行的局域網(wǎng)協(xié)議，如以太網(wǎng)（Ethernet）、制造自動(dòng)化協(xié)議（MAP）和TCP/IP等生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)：一般由以太網(wǎng)構(gòu)成，傳輸距離為5Km-10Km，傳輸速率為5Mbps-10Mbps，傳輸介質(zhì)為同軸電纜和光纜。決策管理網(wǎng)絡(luò)：決策管理網(wǎng)絡(luò)處于公司級(jí)，覆蓋全公司的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。一般選用局域網(wǎng)或區(qū)域網(wǎng)，采用Ethernet或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。328.4集散控制系統(tǒng)8.4.2

DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與軟件平臺(tái)2）DCS的軟件平臺(tái)DCS的軟件和其他計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件一樣，也分為兩大部分：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。（1）DCS的系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件一般指通用的、面向計(jì)算機(jī)的軟件。DCS的系統(tǒng)軟件一般由以下幾個(gè)主要部分組成：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，面向過(guò)程的編程語(yǔ)言，工具軟件。（2）DCS的應(yīng)用軟件DCS的應(yīng)用軟件主要包括過(guò)程控制軟件包和組態(tài)生成軟件兩大類(lèi)。過(guò)程控制軟件包通常包括數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)字控制算法、順序控制、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)接口等模塊。

組態(tài)生成軟件用于根據(jù)具體控制任務(wù)，組態(tài)生成滿(mǎn)足要求的過(guò)程控制軟件。338.4集散控制系統(tǒng)8.4.3

DCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)1）DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（1）控制水平：DCS控制水平可以分為三類(lèi)，第一類(lèi)是采用常規(guī)控制策略；第二類(lèi)是采用先進(jìn)控制策略；第三類(lèi)是采用控制和管理一體化策略。（2）操作方式：操作員站應(yīng)具有良好交互性的人機(jī)界面，它具有信息顯示的功能和分配系統(tǒng)信息以及收到發(fā)往任何生產(chǎn)過(guò)程的操作指令。（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：DCS采用通信網(wǎng)絡(luò)式的層次結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為三檔，第一檔為直接控制層和操作監(jiān)控層；第二檔再增加生產(chǎn)管理層；第三檔再增加決策管理層。（4）硬件部分：DCS系統(tǒng)硬件應(yīng)能滿(mǎn)足任何工況下的監(jiān)控要求（包括緊急故障處理），CPU負(fù)荷率應(yīng)控制在設(shè)計(jì)指標(biāo)之內(nèi)并留有裕度。348.4集散控制系統(tǒng)8.4.3

DCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（1）熟悉工藝流程：由于不同工廠的設(shè)備生產(chǎn)能力、精度以及工人熟練程度等因素大不相同，所以生產(chǎn)工藝流程具有不確定性和不唯一性。（2）確定輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)：確定工藝流程需要監(jiān)測(cè)哪些信息點(diǎn)，控制哪些信息點(diǎn)，輸入信息點(diǎn)如何檢測(cè)，輸出信息點(diǎn)如何控制。（3）DCS總體規(guī)劃：首先確定采用哪種DCS架構(gòu)產(chǎn)品，然后確定傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后分配硬件和軟件的功能。（4）DCS架構(gòu)確定及軟、硬件選型購(gòu)買(mǎi)：系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)；節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的選擇；輸入/輸出通道選擇；支撐軟件的選擇。（5）DCS軟件組態(tài)：不同的系統(tǒng)有不同的組態(tài)軟件，組態(tài)就是將軟件庫(kù)中提供的工具、模板、方法進(jìn)行特定組合，實(shí)現(xiàn)特定控制目標(biāo)358.4集散控制系統(tǒng)8.4.4

DCS系統(tǒng)的典型應(yīng)用368.4集散控制系統(tǒng)8.4.4

DCS系統(tǒng)的典型應(yīng)用第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成378.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)388.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.1

NCS的基本架構(gòu)與特點(diǎn)典型網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的功能是由以下四種基本組件構(gòu)成：傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息交換。其主要特點(diǎn)如下：系統(tǒng)的開(kāi)放性系統(tǒng)的互操作性系統(tǒng)的分散性系統(tǒng)的智能化與功能自治性環(huán)境的適應(yīng)性398.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.1

NCS的基本架構(gòu)與特點(diǎn)思科NCS系統(tǒng)408.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.2典型的控制網(wǎng)絡(luò)1）1533B總線(xiàn)1553這一最初版本主要用于F-16戰(zhàn)斗機(jī)。通過(guò)一些修訂和改進(jìn)，一個(gè)三軍通用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1553A在1975年被發(fā)布。首先使用1553A協(xié)議的是美國(guó)空軍的F-16戰(zhàn)斗機(jī)和陸軍的新型攻擊直升機(jī)AH-64阿帕奇。1553B總線(xiàn)由于在減少電子設(shè)備的體積、重量、復(fù)雜性以及電子系統(tǒng)綜合費(fèi)用諸方面的優(yōu)點(diǎn)，成為了機(jī)動(dòng)平臺(tái)電子系統(tǒng)的主要工作支柱。它具有不同于一般電子網(wǎng)絡(luò)的鮮明特點(diǎn)：1553B總線(xiàn)是一種廣播式分布處理的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)1553B總線(xiàn)強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)性，傳輸碼速率為1Mbps1553B總線(xiàn)按指令/響應(yīng)的方式異步操作兼顧實(shí)時(shí)性的條件下，采用了合理的差錯(cuò)控制措施418.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.2典型的控制網(wǎng)絡(luò)2）工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)。目前存在多種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)在底層協(xié)議上基本一致，核心是以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議，但在應(yīng)用層協(xié)議上存在較大區(qū)別。現(xiàn)在影響比較大的典型的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有：EtherNet/IP、HSE和Modbus-IDA。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)428.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化與發(fā)展趨勢(shì)1）控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化在控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)制定中有一些值得注意現(xiàn)象：（1）每種總線(xiàn)都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。（2）每種總線(xiàn)都力圖拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)張其勢(shì)力范圍。（3）大多數(shù)總線(xiàn)都成立了相應(yīng)的國(guó)際組織，力圖在制造商和用戶(hù)中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時(shí)也想顯示出其技術(shù)是開(kāi)放的。（4）每種總線(xiàn)都有一個(gè)或幾個(gè)公司且多是大型跨國(guó)公司為背景，公司的利益與總線(xiàn)的發(fā)展息息相關(guān)。438.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化與發(fā)展趨勢(shì)1）控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化（6）每種總線(xiàn)大多將自己作為國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)自己的競(jìng)爭(zhēng)地位。（7）在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的前景。（8）盡管單一現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)未能實(shí)現(xiàn)，但作為開(kāi)放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，仍然應(yīng)該堅(jiān)持一致通信的原則。（5）大多數(shù)設(shè)備制造商都積極參加不止一個(gè)總線(xiàn)組織。448.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化與發(fā)展趨勢(shì)2）控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

控制網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必向著趨于開(kāi)放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。而眾多領(lǐng)域的需求各異，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)體系下可能不只接納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，幾大技術(shù)均具有自己的特點(diǎn)，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。多種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)共存的發(fā)展現(xiàn)狀458.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化與發(fā)展趨勢(shì)2）控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)Ethernet進(jìn)軍控制領(lǐng)域的問(wèn)題和解決方案Ethernet能夠迅速進(jìn)軍工業(yè)自動(dòng)化的主要原因是：（1）低成本的刺激：以太網(wǎng)適配器的價(jià)格大幅度下跌以及各產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。（2）速度的提高：Ethernet從最初的10Mbps發(fā)展到100Mbps，目前已有超過(guò)1000Mbps的產(chǎn)品了。FF的高速以太網(wǎng)（HSE）定義為100Mbps，因此，其根本上的因碰撞而產(chǎn)生的傳輸信息時(shí)間的隨機(jī)性問(wèn)題就大大淡化了468.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化與發(fā)展趨勢(shì)2）控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)Ethernet進(jìn)軍控制領(lǐng)域的問(wèn)題和解決方案在以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正逐步滲透到控制領(lǐng)域的今天，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正成為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的新亮點(diǎn)。以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還必須解決以下問(wèn)題：（1）如何保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性以滿(mǎn)足工業(yè)控制的要求（2）Ethernet如何滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境（3）在工業(yè)控制中使用Ethernet如何獲得技術(shù)支持47裝備需求：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)要求，各種先進(jìn)的武器裝備如飛機(jī)、裝甲車(chē)輛、艦船和導(dǎo)彈等各種機(jī)動(dòng)平臺(tái)子系統(tǒng)需要共享、處理的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，類(lèi)型也越來(lái)越復(fù)雜。

現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：如果數(shù)據(jù)的處理、傳輸仍采用過(guò)去點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的電纜網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，將需要裝置大量的電纜線(xiàn)路和連接器，這對(duì)系統(tǒng)性能和維護(hù)造成不利影響。

解決方案：這一問(wèn)題直接有效的方式就是引入控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將這些電子設(shè)備按一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，加以有效的綜合，使之達(dá)到資源共享和功能共享從而提高武器裝備的總體性能和作戰(zhàn)效能。1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用a.現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)本身所用的先進(jìn)電子設(shè)備愈來(lái)愈多,飛機(jī)的性能明顯提高,但在飛機(jī)的初始成本、維護(hù)工作負(fù)擔(dān)與飛機(jī)可用性等方面也付出了重大代價(jià)；8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)488.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求b.另外，由于飛機(jī)及其所掛載的懸掛物都是互相獨(dú)立或各自獨(dú)門(mén)研制的。這種研制方式常常形成各自特有的飛機(jī)／懸掛物電氣連接要求，并使懸掛物接口設(shè)計(jì)的總工作量全面增加，同時(shí)也由于沒(méi)有飛機(jī)／懸掛物電氣連接接口方面的標(biāo)準(zhǔn)，使得各軍兵種之間和各機(jī)種（包括各種飛機(jī)及其改型）之間的飛機(jī)／懸掛物互用性水平很低，并使為靈活使用各種懸掛物而需要的飛機(jī)改進(jìn)、改裝和綜合保障費(fèi)用大大增加。迫切需要一種標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)－1553B總線(xiàn)的誕生。8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)498.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)50美國(guó)軍方提出一種針對(duì)美空軍電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)：MIL-STD-1553B總線(xiàn)，該種總線(xiàn)是一種中央集權(quán)式串行總線(xiàn)。美國(guó)現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)都使用這種結(jié)構(gòu)，如最早的F16C／D、F/A-18、F－15E等。這種結(jié)構(gòu)在美國(guó)、歐等國(guó)已成為成熟技術(shù)，很多飛機(jī)的改型、更新大多采用這種系統(tǒng)。8.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求2）在軍機(jī)中的應(yīng)用8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)51

分布式航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用

通過(guò)雙余度的1553B總線(xiàn)互為備份，采用上下二層1553B總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，上層為航空電子總線(xiàn)，下層為雷達(dá)內(nèi)總線(xiàn)8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)522）在軍機(jī)中的應(yīng)用8.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)53MIL-STD-1553bbusofJAS39Griffin(鷹獅)

主要機(jī)載設(shè)備有（1）PS-50/A多功能脈沖多普勒雷達(dá)，具有目標(biāo)搜索／截獲和地面檢視／攻擊能力；（2）D80中心電腦系統(tǒng)（3）3條STD1553B數(shù)據(jù)總線(xiàn)（4）雷射慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)高度表（4）EP17座艙電子顯示系統(tǒng)，（5）先進(jìn)的電子反制系統(tǒng)等。EP17包括一臺(tái)衍射光學(xué)抬頭顯示器、三臺(tái)儀表顯示器、一臺(tái)FD5040錄像錄影機(jī)，以及少量備用常規(guī)儀表組成。需求分析典型的坦克等自行武器系統(tǒng)主要有以下幾部分構(gòu)成：8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)54

火控計(jì)算機(jī)、操作控制計(jì)算機(jī)、綜合顯示系統(tǒng)、搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、電視跟蹤系統(tǒng)、紅外跟蹤系統(tǒng)、激光測(cè)距機(jī)、微光夜視儀、GPS定位導(dǎo)航設(shè)備、尋北定向設(shè)備、姿