工業(yè)通信網(wǎng)絡1

1、工業(yè)通信網(wǎng)絡與技術工業(yè)通信網(wǎng)絡與技術現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線許勇許勇2021-12-25教學計劃教學計劃前置課程：數(shù)據(jù)通信基礎、計算機網(wǎng)絡前置課程：數(shù)據(jù)通信基礎、計算機網(wǎng)絡等等教材教材:許勇，工業(yè)通信網(wǎng)絡技術及應用，許勇，工業(yè)通信網(wǎng)絡技術及應用，西電西電出版社，出版社，20201313.1參考教材：陽憲惠，參考教材：陽憲惠，網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)-現(xiàn)現(xiàn)場總線技術，場總線技術，清華大學出版社，清華大學出版社，2002009.5教師教師:許勇許勇Email:Telephone:229-1208Office:東區(qū)東區(qū)-3502主要教學內(nèi)容和學時分配主要教學內(nèi)容和學時分配第

2、一章第一章 工業(yè)通信概述工業(yè)通信概述2第二章 數(shù)據(jù)通信基礎4第三章 通信總線技術及應用8計算機接口總線工控機與測控儀器接口總線常用工業(yè)通信總線第四章 現(xiàn)場總線/控制網(wǎng)絡的核心技術8現(xiàn)場總線概述FF/Lonworks/Profibus等網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)第五章 汽車網(wǎng)絡和CANbus12第六章工業(yè)以太網(wǎng)及其應用 4復習2合計合計 4040工業(yè)數(shù)據(jù)通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信）通訊是信息的交換。隨著工業(yè)系統(tǒng)走向分布化和網(wǎng)絡化，通信技術和網(wǎng)絡技術成為工業(yè)自動化技術的核心內(nèi)容之一。工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)和生產(chǎn)控制單元之間，控制器與各種生產(chǎn)設備之間的信息流通道成為工業(yè)企業(yè)的命脈。對通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦斫庖彩俏覀儗W習理解生產(chǎn)

3、系統(tǒng)的基礎一部分。工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：在生產(chǎn)設備之間傳遞數(shù)字信息在生產(chǎn)設備之間傳遞數(shù)字信息, ,的局域網(wǎng)，的局域網(wǎng)，是是生產(chǎn)企業(yè)的底層網(wǎng)絡。生產(chǎn)企業(yè)的底層網(wǎng)絡。Chapter1 Chapter1 工業(yè)通信概述工業(yè)通信概述生產(chǎn)控制系統(tǒng)要素：（1）認識需要控制的對象（過程），即“讀讀”（2）對對象施加作用，“寫寫”，和（3）決定施加作用的方式、時間和內(nèi)容。對于計算機控制系統(tǒng)來說，即“算算”；（4）隨著控制系統(tǒng)的分布化，控制單元之間要“連連”，包括供電和通訊通訊。計算機控制系統(tǒng)就是一個人們設計和實現(xiàn)的，在人和控一個人們設計和實現(xiàn)的，在人和控制對象間的完成制對象間的完成“讀讀”“”“算

4、算”“”“寫寫”和和“連連”的代理的代理系統(tǒng)系統(tǒng)（agent）。系統(tǒng)遠程系統(tǒng)遠程控制命令控制命令幾個術語幾個術語：（1）實時實時：所謂“實時”，是指對輸入信息以足夠快的速度進行處理。 “硬實時(hard real-time)”和“軟實時 ( soft real-time)” 。在硬實時系統(tǒng)中，要求任務響應要實時，而且要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成事件的處理。軟實時系統(tǒng)僅要求事件響應是實時的，并不限定任務必須在多長時間內(nèi)完成。工業(yè)控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求依賴于特定的應用。比如：化工熱化控制須有秒級的響應時間；過程控制和監(jiān)控系統(tǒng)需要100ms的響應時間；基于可編程控制器PLC（Programmabl

5、e Logic Controller）的機械控制系統(tǒng)需要10ms的響應時間；多軸協(xié)同動態(tài)高速運動控制系統(tǒng)實時性要求在1ms以內(nèi)。（2）“在線在線”方式和方式和“離線離線”方式方式： 在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。工業(yè)控制信號有周期性實時數(shù)據(jù)、非周期性實時數(shù)據(jù)和軟實時數(shù)據(jù)等。周期性實時數(shù)據(jù)和非周期性實時數(shù)據(jù)必須嚴格在規(guī)定時間內(nèi)響應，否則將導致設備誤操作，甚至整個控制系統(tǒng)崩潰。軟實時數(shù)據(jù)是的傳輸延時雖然不會造成災難性的損失

6、，但同樣威脅系統(tǒng)的正常運行。一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。工業(yè)通信應該滿足的要求工業(yè)通信應該滿足的要求1）可靠性高：平均無故障工作時間MTBF（Mean Time Between Failure)可達到幾萬小時，盡量縮短故障修復時間MTTR（Mean Time To Repair) ；2）實時性好：系統(tǒng)實時響應控制對象各種參數(shù)的變化；3）環(huán)境適應性強：工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴重。因此要求工控系統(tǒng)具有很強的環(huán)境適應能力；防塵、防腐蝕、防振動沖擊；具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力；4）輸入輸出配套較好：具有豐富的多種功能的過程輸入和輸出手段：模擬量、開

7、關量、脈沖量、頻率量等。有多種類型的信號調(diào)理功能，如隔離型和非隔離型信號調(diào)理；各類熱電偶，熱電阻信號輸入調(diào)理；電壓電流信號輸入和輸出信號的調(diào)理等；5）系統(tǒng)擴充性好： 隨著工廠自動化水平的提高，控制規(guī)模也在不斷擴大，因此工控系統(tǒng)要有靈活的擴充性；6）系統(tǒng)開放性：要求工控系統(tǒng)在主系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡通信、軟件兼容及升級等方面，以便于擴充、連接；7）控制軟件包功能強；8）系統(tǒng)通信功能強：具有串行通信、網(wǎng)絡通信功能；9）后備措施齊全：包括供電后備、存儲器信息保護、手動自動操作切換、緊急事故處理裝置等；10）具有冗余性：在可靠性要求更高的場合，要求有雙機工作及冗余系統(tǒng)，包括雙控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信、雙供電

8、系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機切換功能、雙機監(jiān)視軟件等，以確保系統(tǒng)長期不間斷地運行。早期發(fā)展歷史早期發(fā)展歷史早期工業(yè)通信通過連線在測控設備之間傳遞信息，傳感器、按鈕、執(zhí)行機構(gòu)等連接z控制器上。最早的測控設備主要是氣動、電動單元組合式儀表和集中控制室，全模擬式儀表將傳感器信號進行調(diào)理放大后，經(jīng)過V/I電路轉(zhuǎn)換，輸出420mA或05V的模擬信號。19世紀中已經(jīng)出現(xiàn)了基于513psi氣動信號標準的氣動控制系統(tǒng)PCS（Pneumatic Control System）20世紀50年代，基于010mA或420mA的電流模擬信號 得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來； 70年代，數(shù)字計算機出現(xiàn)，產(chǎn)生了“

9、集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)。信號傳輸系統(tǒng)大部分依然沿用420mA的模擬信 號，集中控制系統(tǒng)發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）。數(shù)字傳輸信號逐步取代模擬傳輸信號，數(shù)字通信網(wǎng)絡延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場。工業(yè)通信系統(tǒng)的發(fā)展工業(yè)通信系統(tǒng)的發(fā)展2.工業(yè)數(shù)據(jù)通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信就是在設備功能單元間、設備間遵照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術傳遞數(shù)據(jù)信息的過程。1983年，Honeywell推出了智能化儀表（Smar變送器），帶芯片，增加了計算功能；還在420mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，由模擬信號過渡到數(shù)字信號。在智能儀表，過程變量經(jīng)調(diào)理放大、A/D采樣，

10、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并經(jīng)過微處理器的運算、補償?shù)忍幚砗?，再通過D/A、V/I等電路，仍然以420mA或05V的模擬信號輸出。由于采用從模擬信號中的過濾技術，數(shù)字信號并不會影響模擬量信號的讀數(shù)。這就是HART協(xié)議協(xié)議能夠傳送數(shù)字信息的基礎。智能儀表模擬信號傳輸精度和可靠性都不高。于是人們開始以數(shù)字通信的方式代替模擬信號傳輸（如：232）。由于對于數(shù)據(jù)鏈路層及其以上各高層協(xié)議規(guī)范沒有統(tǒng)一定義，致使不同生產(chǎn)廠家的儀器儀表由于通信協(xié)議的專有與不兼容而無法實現(xiàn)相互之間的信息互訪。計算機用于工業(yè)控制后，用來連接計算機外部的系統(tǒng)總線也被擴展成外部總線，去連接一些測控設備或儀表。最早的工業(yè)數(shù)據(jù)通信常用點對點的串行

11、通信方式，共用設備或節(jié)點，則用星型連接（工業(yè)電話線）。3.工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線20世紀70年代中的分布式控制系統(tǒng)（DCS），可看作工業(yè)計算機網(wǎng)絡雛形。早期的DCS無統(tǒng)一網(wǎng)絡標準。網(wǎng)絡規(guī)模小節(jié)點不多，通信距離約在1km以內(nèi)。主要節(jié)點為控制站和操作站，拓撲結(jié)構(gòu)以環(huán)型和總線型為主，通信介質(zhì)多為同軸電纜，也有采用雙絞線的，通信速率在1Mb/s以內(nèi)，節(jié)點內(nèi)有“通信卡”等專用網(wǎng)絡部件。這時的現(xiàn)場儀表大部分還是模擬儀表，少數(shù)專用設備有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可與之相連接。隨著自動化系統(tǒng)的發(fā)展，為完成越來越復雜的分布式生產(chǎn)系統(tǒng)的測控，自動化測控系統(tǒng)對通信的質(zhì)

12、和量有了更高的要求，要求設計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，這些網(wǎng)絡的通信標準必須進行統(tǒng)一，能組成開放互連系統(tǒng)，能實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。在測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)現(xiàn)場總線就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。而IC芯片的不斷發(fā)展和價格的急劇降低，為此提供了基礎。世界逐漸形成了兩個現(xiàn)場總線集團：一個是以Siemens、Rosemount、橫河為首的ISP；另一個是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP。ISP技術主要基于德國的Profibus標準，World FIP基于法國FIP。目標都是為建立一種開放性

13、的、相互兼容的現(xiàn)場總線。1994年，兩大集團宣布合并，融合成現(xiàn)場總線基金會FF。目前市場上的現(xiàn)場總線有200多種，常見的有40多種現(xiàn)場總線，號稱為開放標準的也有二三十種。主要有FF、Profibus、CAN、lonWorks等，各有其領域，比如FF、Profibus-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制 領域；LonWorks、Profibus-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運輸、農(nóng)業(yè)等領域；DeviceNet、Profibus-DP適用于加工制造業(yè)。BOSCH的CAN、ECHELON的LonWorks等。面對自動化行業(yè)千變?nèi)f化的現(xiàn)場儀表設備，現(xiàn)場總線技術標準化工作至

14、關重要。為此IEC61158要制定現(xiàn)場總線技術標準。 1999年12月，IEC61158放棄了原有設想，通過妥協(xié)方案，作為IEC61158技術標準的方案包含Control Net、Profibus、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP和Interbus等總線。自動化行業(yè)期待了十多年的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術標準的努力失敗，面臨一個多種總線技術標準并存的現(xiàn)實世界。傳統(tǒng)現(xiàn)場總線都能較好實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。而關鍵是互操作性。企業(yè)自動化系統(tǒng)中的通信（右邊表示不同層次中對信息交換速度的不同要求）工業(yè)通信系統(tǒng)系統(tǒng)特點工業(yè)通信系統(tǒng)系統(tǒng)特點工業(yè)自動控制網(wǎng)絡通信技術需要考慮：（1）傳

15、輸及時性和系統(tǒng)實時性：比較制造化系統(tǒng)響應時間要求在0.010.5s，過程控制系統(tǒng)響應時間為0.52s。而信息網(wǎng)絡響應時間是26s。顯然，工業(yè)通信網(wǎng)絡的實時性要實時性要求高。（2）高可靠性：環(huán)境惡劣下工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡必須適應環(huán)境，包括電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性（EMC）、氣候環(huán)境適應性（耐溫、防水、防塵）、機械環(huán)境適應性（耐沖擊、耐振動）。在易爆或可燃的場合，應有本質(zhì)安全本質(zhì)安全的性能。（3）工業(yè)通信需要解決不同廠商的產(chǎn)品和系統(tǒng)相互兼容問題，強調(diào)互操作性，在ISO/OSI 參考模型上，加了用戶層，通過標準功能塊和裝置描述（DD）功能來保證開放性通信開放性通信。（4）總線供電：總線供電：工業(yè)

16、現(xiàn)場控制網(wǎng)絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。（5）現(xiàn)場控制層設備間傳輸?shù)男畔㈤L度都比較小，通常僅為幾位比特或幾個、幾十個字節(jié)，對帶寬要求不高。這些信息包括生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、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、零點與量程調(diào)校信息等。不過，現(xiàn)在隨著工業(yè)現(xiàn)場傳輸多媒體信息增加，網(wǎng)絡傳輸?shù)膸捯笠苍谠黾印＃?）工業(yè)現(xiàn)場設備向網(wǎng)絡上發(fā)送數(shù)據(jù)都遵循嚴格的時序。周期與非周期信息同時存在，正常工作狀態(tài)下，周期性信息（如過程測量與控制信息、監(jiān)控信息等）較多，而非

17、周期信息（如突發(fā)事件報警、程序上下載等）較少。（7）信息流向的單一性較強，如測量信息由變送器向控制器傳送，控制信息由控制器向執(zhí)行機構(gòu)傳送，過程監(jiān)控與突發(fā)信息由現(xiàn)場儀表向操作站傳送。正是由于以上特點和特殊性，目前現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡主要由低速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡（如Profibus、Can、DeviceNet等）組成，而正在向高速網(wǎng)絡發(fā)展。1）以雙絞線、光纜或無線電等為介質(zhì)，用總線方式傳輸數(shù)字信號，減少大量導線，提高可靠性和抗干擾能力。2）采用統(tǒng)一的標準，同標準下不同廠家產(chǎn)品相互兼容，整個系統(tǒng)具有開放性，便于操作、維護和擴展。當然，在這一點上，工業(yè)以太網(wǎng)表現(xiàn)最顯著。3）控制功能下放在現(xiàn)場儀表，控制室內(nèi)裝置主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動化等功能。4）硬件相對簡化，初期系統(tǒng)投資相對較低，同時，現(xiàn)場總線可提供來自現(xiàn)場儀表的設備管理數(shù)據(jù)作為維護的參考，將非正常停工損失降為最低。5）采用功能塊方式組態(tài)，已有大量可滿足過程控制的功能模塊，如輸入、輸出、PID調(diào)節(jié)等，一些模塊還具有報警功能。6）采用完全分散的數(shù)據(jù)庫概念，只使用一個數(shù)據(jù)庫，任何同現(xiàn)場總