1、工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡,清華大學自動化系 62783125-252 陽憲惠,第1講 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡概述主要內(nèi)容,控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線 控制網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡的區(qū)別 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡) 網(wǎng)絡化控制系統(tǒng) 全分布式控制系統(tǒng) 傳感器總線、設備總線和現(xiàn)場總線 早期的現(xiàn)場總線技術,控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求 控制網(wǎng)絡在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位與作用 控制網(wǎng)絡面臨的問題 控制網(wǎng)絡與上層網(wǎng)絡的連接方式 控制網(wǎng)絡的技術發(fā)展與標準化 課程的幾個教學環(huán)節(jié),第1講 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡概述,工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡是近年來發(fā)展形成的自控領域的網(wǎng)絡技術。是計算機網(wǎng)絡、通信技術與自控技術結合的產(chǎn)物 適應了企業(yè)信息集成系統(tǒng) 、

2、管理控制一體化 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與需要。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡系統(tǒng)；網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)。 是IT技術在自控領域的延伸;自控領域的IT技術 本課程講述多種總線的技術特點、規(guī)范、通信控制芯片、接口電路、控制網(wǎng)絡的設計與應用等,控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線,什么是現(xiàn)場總線技術？ IEC規(guī)范中對現(xiàn)場總線的描述：現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場控制設備之間、現(xiàn)場設備與監(jiān)控裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。 控制網(wǎng)絡： 由多個分散在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有數(shù)字通信能力的測量控制儀表作為網(wǎng)絡節(jié)點而形成的網(wǎng)絡 以現(xiàn)場總線作為通信連接的紐帶 完成測量控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)、控制系統(tǒng),控制網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡的區(qū)別,

3、網(wǎng)絡節(jié)點 計算機網(wǎng)絡：計算機、工作站、打印機、顯示終端 控制網(wǎng)絡：除了以上設備之外，還有PLC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、開關、馬達、變送器、閥門、按鈕等。為內(nèi)嵌有CPU、單片機或其它專用芯片的設備，或功能簡單的非智能設備 工作環(huán)境 計算機網(wǎng)絡：辦公室 控制網(wǎng)絡：工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，酷暑嚴寒、粉塵、電磁干擾、震動、易燃易爆環(huán)境（本質(zhì)安全），總線供電的需求,任務 計算機網(wǎng)絡：傳輸文件、圖象、話音等。許多情況下有人參與。 控制網(wǎng)絡：傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)（圖象），承擔自動測控任務。許多情況下要求自動完成 特點 實時性 可靠性的要求高 數(shù)據(jù)幀包含的字節(jié)數(shù)少 控制網(wǎng)絡是一類特殊的網(wǎng)絡 廣泛應用于離散、連續(xù)制造業(yè)，交通、樓宇、家電、

4、以至農(nóng)、林、牧、漁等各行各業(yè)。,工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),工業(yè)數(shù)據(jù)通信 在測量、控制設備的各功能單元之間、設備與設備之間、以及這些設備與計算機之間傳遞數(shù)據(jù)信息的過程。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信: 多個工業(yè)控制設備之間二進制數(shù)據(jù)的交換過程 它區(qū)別于電話、電報通信，也有別于計算機通信 工業(yè)數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容 生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、閥門的工作位置 開關狀態(tài)、報警狀態(tài) 設備的資源信息與維護信息、零點量程調(diào)校信息 系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改信息等,工業(yè)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡結構 傳統(tǒng)的測量控制系統(tǒng)在設備間一對一的并行連線，即點到點布線傳送模擬信號 現(xiàn)場總線系統(tǒng)：一對導線上可掛接多個傳感器、執(zhí)行器、開關、按鈕，控制設備等，總線是現(xiàn)場

5、設備之間數(shù)字信號的傳輸介質(zhì)，成為數(shù)字信息的公共傳輸通道 控制網(wǎng)絡（現(xiàn)場總線系統(tǒng)）按網(wǎng)絡連接方式構建數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)數(shù)字信號的串行傳輸，形成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。 工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的規(guī)模。 三、兩個數(shù)據(jù)節(jié)點的簡單系統(tǒng) 成千上萬臺設備的復雜網(wǎng)絡 一個汽車組裝生產(chǎn)線可能有多達25萬個I/O點 石油煉制過程的一個普通裝置也會有上千臺測量控制設備,生產(chǎn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡系統(tǒng),網(wǎng)絡化連接 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的一對一連接 網(wǎng)絡化連接,Network-based control system,傳感器總線、設備總線和現(xiàn)場總線,傳感器總線屬于位(Bit)級總線，其通信幀的長度只有幾個數(shù)據(jù)位或十幾位 如ASI（Actuator Senso

6、r Interface）總線 設備總線屬于字節(jié)(Byte)級總線，其通信幀的長度一般為幾個到幾十個字節(jié) 如CAN（Control Area Network）總線 現(xiàn)場總線則屬于塊(Block)級的總線,其通信幀的長度可達到幾百個字節(jié)，當要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊再長時，可支持分包傳送。 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus 傳感器總線、設備總線可統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線,早期的現(xiàn)場總線技術,早期的現(xiàn)場總線（工業(yè)電話線），把傳感器、按鈕、執(zhí)行機構等測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)計算機。 對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

7、器的輸出用于驅(qū)動信號燈、接觸器、開關、調(diào)節(jié)閥門等。 第一個設備層現(xiàn)場總線： 上世紀70年代，在PLC出現(xiàn)的同時，Culter-Hammer推出了第一個設備層現(xiàn)場總線系統(tǒng)。 早期(80年代)出現(xiàn)至今還在應用的幾種現(xiàn)場總線 General Electric的Genius I/O; Phoenix的Interbus; TURCK的Senseplex; Process Data 的PNET,Genius I/O 在PLC之間、PLC與人機界面之間傳遞數(shù)據(jù)信息 令牌總線,采用分支受限制的總線拓撲； 網(wǎng)段節(jié)點數(shù)32個；每個節(jié)點的輸入、輸出均為1024位， 傳輸距離約1000米/傳輸速率153.6K時;22

8、50米/傳輸速率38.4K時； 屏蔽雙絞線，光纜； 采用FSK頻移鍵控調(diào)制信號,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個節(jié)點,每個節(jié)點的輸入、輸出數(shù)據(jù)為16位 覆蓋距離最遠可達12.5公里 典型傳輸速率為500Kbps 物理信號連接遵循EIA485標準 采用單總幀結構,數(shù)據(jù)幀中有效位的比率高,Senseplex 最初用于德國科隆福特汽車公司機器人的焊接臂上。工作環(huán)境靠近電磁場,抗噪聲、抗電磁干擾方面的能力很強，在上述惡劣環(huán)境中的工作狀態(tài)良好 Senseplex系統(tǒng)采用主從結構； 連接采用75歐姆同軸電纜； 使用FSK頻移鍵控調(diào)制信號； 采用總線

9、拓撲，支持總線供電和本質(zhì)安全; 節(jié)點總數(shù)為32/64/120個 每個節(jié)點的數(shù)據(jù)輸入、輸出位均為8位。 主節(jié)點與最遠從節(jié)點之間的距離為200米，使用中繼器可使該距離增加至400米。 傳輸速度為187K,P-Net 用于動物飼養(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)絡結構較為復雜的系統(tǒng) EIA-485標準，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個設備。 每幀數(shù)據(jù)為56位當數(shù)據(jù)大于56位時 P-Net采用分段結構的多主網(wǎng)絡系統(tǒng),網(wǎng)絡中可以連接多至32個主節(jié)點。,P-Net多主網(wǎng)絡系統(tǒng),小結,從早期總線技術可以看出工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡的特

10、點。 它在網(wǎng)絡結構、節(jié)點種類、通信幀的長度、所處的工作環(huán)境、各種通信技術參數(shù)、需要考慮解決的問題等方面，都具有區(qū)別于話音通信、計算機通信系統(tǒng)的顯著特征。 早期總線技術的缺點 大多是專有通信技術，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)一的技術規(guī)范 多個芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitachi 開放性促進了該技術的發(fā)展與推廣應用,新型控制系統(tǒng)結構 網(wǎng)絡化控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的結構變遷 基地式氣動儀表 氣動、電動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)絡化現(xiàn)場控制

11、系統(tǒng) FCS,網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的特點,結構上形成設備的網(wǎng)絡式連接 節(jié)省大量線纜、槽架、連接件； 連線設計與接頭校對的工作量也大大減少 增加現(xiàn)場控制設備無需增設新的電纜 實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡式遠程傳輸與集中管理，擴大了操作人員的視野，為遠程監(jiān)視與操作提供了基礎條件 無人值守機站 將控制功能模塊置入現(xiàn)場設備，實現(xiàn)了全分布式控制系統(tǒng) 支持總線供電 為自動化系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的溝通，為實現(xiàn)企業(yè)的管理控制一體化創(chuàng)造了條件,網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng),擴大了操作視野,傳統(tǒng) 4-20 mA 只能看到 I/O 子系統(tǒng),現(xiàn)場總線 視野可以擴展到現(xiàn)場儀表,控制器,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡,現(xiàn)場總線,遠程輸入/輸出,子系統(tǒng),控制器,控制

12、系統(tǒng)網(wǎng)絡,網(wǎng)絡化、全分布式控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求,開放性、互可操作性、通信的實時性、對環(huán)境的適應性 開放性：通信協(xié)議公開，能與任一遵守相同標準的其它廠商設備互連為系統(tǒng) 互可操作性： 互連設備間的信息傳送與溝通； 互用：不同生產(chǎn)廠家性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換 通信的實時性：具有嚴格的時序和定時要求 達不到實時性要求或因時間同步等問題影響了網(wǎng)絡節(jié)點間的動作時序，甚至會造成災難性的后果。 環(huán)境適應性 在高溫、嚴寒、粉塵等惡劣環(huán)境下能正常工作，能抗震動、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,控制網(wǎng)絡在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位與作用,企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的層次結構 Intern

13、et-Intranet-Infranet的網(wǎng)絡結構 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)場控制層FCS（Field Control System） 信息類型：運行參數(shù)的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關狀態(tài)、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點量程調(diào)校信息等。,企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的層次結構,現(xiàn)場控制層面臨的問題,控制網(wǎng)絡種類繁多，形形色色的現(xiàn)場總線再加上DCS、PLC、SCADA等 網(wǎng)絡內(nèi)部的通信一致性差，個異性強 控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡存在

14、較大差異 通信協(xié)議，網(wǎng)絡節(jié)點類型等有較大差異 控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交換有難度 實時性、環(huán)境適應性方面還面臨許多問題需要解決,控制網(wǎng)絡與上層網(wǎng)絡的連接方式,采用專用網(wǎng)關完成不同通信協(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)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內(nèi)，在PC機內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。實現(xiàn)控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡的連接 將WEB服務器直接置入PLC或現(xiàn)場控制設備內(nèi)，借助WEB服務器和通用瀏覽工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互,通過網(wǎng)關連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡,采用PCI卡連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡,控制網(wǎng)絡的技術發(fā)展與標準化,現(xiàn)場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

15、型總線的就有40多種 歐洲、北美、亞洲的許多國家都投入巨額資金與人力進行研究開發(fā) 形成了各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)、及國際現(xiàn)場總線標準 現(xiàn)場總線組織 現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation） LonMark協(xié)會, Profibus協(xié)會， 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡聯(lián)盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）,現(xiàn)場總線國際標準化組織及標準化進程 IEC/

16、TC65 負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國際標準化工作 于1984年就開始著手總線標準的制定，致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標準，于1993年制定了IEC61158-2 歷經(jīng)波及全球的現(xiàn)場總線標準大戰(zhàn)，16年的艱難歷程后，于2000年初宣布8種現(xiàn)場總線共同構成IEC現(xiàn)場總線國際標準子集 IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S 以后該標準又增加為10種，13種 實時以太網(wǎng)在沒有形成正式標準之前以有14個子集,IEC/17B 負責制定低壓開關裝置與控制裝置用控制設備之間的接口標準 已通過的標準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)場總線國際標準的CAN（ISO11898） 其它有實力、有發(fā)展前景的控制網(wǎng)絡技術 LonWorks; HART；Modbus；CC-Li