1、.,1,工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò),清華大學(xué)自動(dòng)化系 yangxh 62783125-252 陽憲惠,.,2,第1講 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)概述 主要內(nèi)容,控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線 控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)) 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 全分布式控制系統(tǒng) 傳感器總線、設(shè)備總線和現(xiàn)場(chǎng)總線 早期的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),.,3,控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求 控制網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位與作用 控制網(wǎng)絡(luò)面臨的問題 控制網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式 控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化 課程的幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),.,4,第1講 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)概述,工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展形成的自控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)

2、與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物 適應(yīng)了企業(yè)信息集成系統(tǒng) 、管理控制一體化 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與需要。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)。 是IT技術(shù)在自控領(lǐng)域的延伸;自控領(lǐng)域的IT技術(shù) 本課程講述多種總線的技術(shù)特點(diǎn)、規(guī)范、通信控制芯片、接口電路、控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用等,.,5,控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線,什么是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)？ IEC規(guī)范中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的描述：現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與監(jiān)控裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。 控制網(wǎng)絡(luò)： 由多個(gè)分散在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具有數(shù)字通信能力的測(cè)量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而形成的網(wǎng)絡(luò) 以現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信連接的紐帶 完成測(cè)量控

3、制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng),.,6,.,7,控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)、工作站、打印機(jī)、顯示終端 控制網(wǎng)絡(luò)：除了以上設(shè)備之外，還有PLC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、開關(guān)、馬達(dá)、變送器、閥門、按鈕等。為內(nèi)嵌有CPU、單片機(jī)或其它專用芯片的設(shè)備，或功能簡(jiǎn)單的非智能設(shè)備 工作環(huán)境 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：辦公室 控制網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，酷暑嚴(yán)寒、粉塵、電磁干擾、震動(dòng)、易燃易爆環(huán)境（本質(zhì)安全），總線供電的需求,.,8,任務(wù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：傳輸文件、圖象、話音等。許多情況下有人參與。 控制網(wǎng)絡(luò)：傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)（圖象），承擔(dān)自動(dòng)測(cè)控任務(wù)。許多情況下要求自動(dòng)完成 特點(diǎn) 實(shí)時(shí)性 可靠性的要求高 數(shù)據(jù)幀包含的字

4、節(jié)數(shù)少 控制網(wǎng)絡(luò)是一類特殊的網(wǎng)絡(luò) 廣泛應(yīng)用于離散、連續(xù)制造業(yè)，交通、樓宇、家電、以至農(nóng)、林、牧、漁等各行各業(yè)。,.,9,工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),工業(yè)數(shù)據(jù)通信 在測(cè)量、控制設(shè)備的各功能單元之間、設(shè)備與設(shè)備之間、以及這些設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)信息的過程。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信: 多個(gè)工業(yè)控制設(shè)備之間二進(jìn)制數(shù)據(jù)的交換過程 它區(qū)別于電話、電報(bào)通信，也有別于計(jì)算機(jī)通信 工業(yè)數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容 生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量、閥門的工作位置 開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài) 設(shè)備的資源信息與維護(hù)信息、零點(diǎn)量程調(diào)校信息 系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改信息等,.,10,工業(yè)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的測(cè)量控制系統(tǒng)在設(shè)備間一對(duì)一的并行連線，即點(diǎn)到點(diǎn)布線

5、傳送模擬信號(hào) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)：一對(duì)導(dǎo)線上可掛接多個(gè)傳感器、執(zhí)行器、開關(guān)、按鈕，控制設(shè)備等，總線是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間數(shù)字信號(hào)的傳輸介質(zhì)，成為數(shù)字信息的公共傳輸通道 控制網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)）按網(wǎng)絡(luò)連接方式構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的串行傳輸，形成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。 三、兩個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單系統(tǒng) 成千上萬臺(tái)設(shè)備的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 一個(gè)汽車組裝生產(chǎn)線可能有多達(dá)25萬個(gè)I/O點(diǎn) 石油煉制過程的一個(gè)普通裝置也會(huì)有上千臺(tái)測(cè)量控制設(shè)備,.,11,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),.,12,網(wǎng)絡(luò)化連接 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的一對(duì)一連接 網(wǎng)絡(luò)化連接,.,13,Network-based control system,.,14,傳感

6、器總線、設(shè)備總線和現(xiàn)場(chǎng)總線,傳感器總線屬于位(Bit)級(jí)總線，其通信幀的長(zhǎng)度只有幾個(gè)數(shù)據(jù)位或十幾位 如ASI（Actuator Sensor Interface）總線 設(shè)備總線屬于字節(jié)(Byte)級(jí)總線，其通信幀的長(zhǎng)度一般為幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié) 如CAN（Control Area Network）總線 現(xiàn)場(chǎng)總線則屬于塊(Block)級(jí)的總線,其通信幀的長(zhǎng)度可達(dá)到幾百個(gè)字節(jié)，當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊再長(zhǎng)時(shí)，可支持分包傳送。 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus 傳感器總線、設(shè)備總線可統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線,.,15,早期的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),早期的現(xiàn)場(chǎng)總線（工業(yè)電話線），把傳感

7、器、按鈕、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等測(cè)量控制部件接到某種類型的控制器上，例如PLC或者是工業(yè)計(jì)算機(jī)。 對(duì)控制器的輸入包括按鈕、傳感器、接觸器的位置狀態(tài)與數(shù)值， 控制器的輸出用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈、接觸器、開關(guān)、調(diào)節(jié)閥門等。 第一個(gè)設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線： 上世紀(jì)70年代，在PLC出現(xiàn)的同時(shí)，Culter-Hammer推出了第一個(gè)設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。 早期(80年代)出現(xiàn)至今還在應(yīng)用的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線 General Electric的Genius I/O; Phoenix的Interbus; TURCK的Senseplex; Process Data 的PNET,.,16,Genius I/O 在PLC之間、PLC與人機(jī)界面之間

8、傳遞數(shù)據(jù)信息 令牌總線,采用分支受限制的總線拓?fù)洌?網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù)32個(gè)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出均為1024位， 傳輸距離約1000米/傳輸速率153.6K時(shí);2250米/傳輸速率38.4K時(shí)； 屏蔽雙絞線，光纜； 采用FSK頻移鍵控調(diào)制信號(hào),.,17,Interbus 在物理連接方式屬于直線總線，數(shù)據(jù)傳輸屬于數(shù)據(jù)環(huán)的方式 總線最多帶有64個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出數(shù)據(jù)為16位 覆蓋距離最遠(yuǎn)可達(dá)12.5公里 典型傳輸速率為500Kbps 物理信號(hào)連接遵循EIA485標(biāo)準(zhǔn) 采用單總幀結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)幀中有效位的比率高,.,18,Senseplex 最初用于德國(guó)科隆福特汽車公司機(jī)器人的焊接臂上。工作環(huán)境靠近

9、電磁場(chǎng),抗噪聲、抗電磁干擾方面的能力很強(qiáng)，在上述惡劣環(huán)境中的工作狀態(tài)良好 Senseplex系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)； 連接采用75歐姆同軸電纜； 使用FSK頻移鍵控調(diào)制信號(hào)； 采用總線拓?fù)洌С挚偩€供電和本質(zhì)安全; 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為32/64/120個(gè) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入、輸出位均為8位。 主節(jié)點(diǎn)與最遠(yuǎn)從節(jié)點(diǎn)之間的距離為200米，使用中繼器可使該距離增加至400米。 傳輸速度為187K,.,19,P-Net 用于動(dòng)物飼養(yǎng)系統(tǒng)，奶制品廠，啤酒廠，農(nóng)業(yè)環(huán)境控制等 可以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的系統(tǒng) EIA-485標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽雙鉸線 傳輸速率為76.8Kbps 最大傳輸距離為1200m 每段最多可以連接125個(gè)設(shè)備。

10、 每幀數(shù)據(jù)為56位當(dāng)數(shù)據(jù)大于56位時(shí) P-Net采用分段結(jié)構(gòu)的多主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)中可以連接多至32個(gè)主節(jié)點(diǎn)。,.,20,P-Net多主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),.,21,小結(jié),從早期總線技術(shù)可以看出工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。 它在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)種類、通信幀的長(zhǎng)度、所處的工作環(huán)境、各種通信技術(shù)參數(shù)、需要考慮解決的問題等方面，都具有區(qū)別于話音通信、計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的顯著特征。 早期總線技術(shù)的缺點(diǎn) 大多是專有通信技術(shù)，自成系統(tǒng)，不具備開放性。不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品之間不能相互通信，通信幀一般較短 開放總線的典型范例CAN 有公開統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范 多個(gè)芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitac

11、hi 開放性促進(jìn)了該技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用,.,22,新型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變遷 基地式氣動(dòng)儀表 氣動(dòng)、電動(dòng)系列的單元組合式儀表 集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) DCS、PLC 網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng) FCS,.,23,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)上形成設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)式連接 節(jié)省大量線纜、槽架、連接件； 連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少 增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備無需增設(shè)新的電纜 實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)式遠(yuǎn)程傳輸與集中管理，擴(kuò)大了操作人員的視野，為遠(yuǎn)程監(jiān)視與操作提供了基礎(chǔ)條件 無人值守機(jī)站 將控制功能模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了全分布式控制系統(tǒng) 支持總線供電 為自動(dòng)化系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的溝

12、通，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管理控制一體化創(chuàng)造了條件,.,24,網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng),.,25,擴(kuò)大了操作視野,傳統(tǒng) 4-20 mA 只能看到 I/O 子系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線 視野可以擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)儀表,控制器,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)場(chǎng)總線,遠(yuǎn)程輸入/輸出,子系統(tǒng),控制器,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),.,26,網(wǎng)絡(luò)化、全分布式控制系統(tǒng),.,27,控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求,開放性、互可操作性、通信的實(shí)時(shí)性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性 開放性：通信協(xié)議公開，能與任一遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它廠商設(shè)備互連為系統(tǒng) 互可操作性： 互連設(shè)備間的信息傳送與溝通； 互用：不同生產(chǎn)廠家性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換 通信的實(shí)時(shí)性：具有嚴(yán)格的時(shí)序和定時(shí)要求 達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求或因時(shí)間

13、同步等問題影響了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)作時(shí)序，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。 環(huán)境適應(yīng)性 在高溫、嚴(yán)寒、粉塵等惡劣環(huán)境下能正常工作，能抗震動(dòng)、抗電磁干擾、在易燃易爆環(huán)境下能保證本質(zhì)安全，有能力支持總線供電等,.,28,控制網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位與作用,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) Internet-Intranet-Infranet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 功能層次。 企業(yè)資源規(guī)劃層ERP（Enterprise Resource Planning） 制造執(zhí)行層MES（Manufacturing Execution System） 現(xiàn)場(chǎng)控制層FCS（Field Control System） 信息類型：運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制

14、量、閥門的工作位置、開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)量程調(diào)校信息等。,.,29,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),.,30,.,31,.,32,現(xiàn)場(chǎng)控制層面臨的問題,控制網(wǎng)絡(luò)種類繁多，形形色色的現(xiàn)場(chǎng)總線再加上DCS、PLC、SCADA等 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信一致性差，個(gè)異性強(qiáng) 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)存在較大差異 通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型等有較大差異 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換有難度 實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性方面還面臨許多問題需要解決,.,33,控制網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式,采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把控制網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上 將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機(jī)的

15、PCI插槽內(nèi)，在PC機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的連接 將WEB服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備內(nèi)，借助WEB服務(wù)器和通用瀏覽工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)交互,.,34,通過網(wǎng)關(guān)連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò),.,35,采用PCI卡連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò),.,36,控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化,現(xiàn)場(chǎng)總線的百花齊放與興盛發(fā)展 各種總線一百多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種 歐洲、北美、亞洲的許多國(guó)家都投入巨額資金與人力進(jìn)行研究開發(fā) 形成了各式各樣的企業(yè)、國(guó)家、地區(qū)、及國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)場(chǎng)總線組織 現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation） LonMark協(xié)會(huì), Profib

16、us協(xié)會(huì)， 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工業(yè)自動(dòng)化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）,.,37,現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程 IEC/TC65 負(fù)責(zé)測(cè)量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作 于1984年就開始著手總線標(biāo)準(zhǔn)的制定，致力于推出世界上單一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，于1993年制定了IEC61158-2 歷經(jīng)波及全球的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)，16年的艱難歷程后，于2000年初

17、宣布8種現(xiàn)場(chǎng)總線共同構(gòu)成IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)子集 IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S 以后該標(biāo)準(zhǔn)又增加為10種，13種 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在沒有形成正式標(biāo)準(zhǔn)之前以有14個(gè)子集,.,38,IEC/17B 負(fù)責(zé)制定低壓開關(guān)裝置與控制裝置用控制設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn) 已通過的標(biāo)準(zhǔn)IEC62026，包括 第2部分ASI 第3部分 DeviceNet； 第4部分智能分布式系統(tǒng)SDS（Smart Distributed System）; 第5部分Senseplex ISO 最早成為現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的CAN（ISO11898） 其它有實(shí)力、有發(fā)展前景的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù) LonWorks; HART；Modbus；