本科生講座——現(xiàn)場總線及其控制系統(tǒng)

1、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)與EPAEPAEPA浙江大學(xué)教授、浙大中控總工程師浙江大學(xué)教授、浙大中控總工程師報(bào)告提綱報(bào)告提綱一、什么是現(xiàn)場總線一、什么是現(xiàn)場總線二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)五、工業(yè)以太網(wǎng)與五、工業(yè)以太網(wǎng)與EPA六、結(jié)束語六、結(jié)束語一、什么是現(xiàn)場總線一、什么是現(xiàn)場總線一、什么是現(xiàn)場總線一、什么是現(xiàn)場總線一、什么是現(xiàn)場總線一、什么是現(xiàn)場總線什么是現(xiàn)場總

2、線什么是現(xiàn)場總線v 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化測連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化測量控制系統(tǒng)的量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是通信網(wǎng)絡(luò)v 位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層v 現(xiàn)場總線是低帶寬的控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是低帶寬的控制網(wǎng)絡(luò)v 它與上層的它與上層的Internet、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet相連相連v 構(gòu)成企業(yè)綜合自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)成企業(yè)綜合自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)FCS是新一代控制系統(tǒng)是新一代控制系統(tǒng)v 基地式儀表控制系統(tǒng)

3、基地式儀表控制系統(tǒng)v 單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)v 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)v 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCS、PLCv 現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)各階段測控儀表能力指數(shù)各階段測控儀表能力指數(shù)現(xiàn)場總線開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字DCS電動(dòng)單元?dú)鈩?dòng)、模擬模擬按回路運(yùn)行 按過程運(yùn)行過程優(yōu)化管控一體化五十年代 1960 1980 1998數(shù)字/模擬混合測控能力指數(shù)與一般通信技術(shù)的區(qū)別與一般通信技術(shù)的區(qū)別v 一般通信技術(shù)只是能實(shí)現(xiàn)信息的傳輸一般通信技術(shù)只是能實(shí)現(xiàn)信息的傳輸v 現(xiàn)場總線是一種控制系統(tǒng)框架現(xiàn)場總線是一種控制系統(tǒng)框架 一種全新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即：一種全新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即

4、：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System)代替代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)DCS 現(xiàn)場總線還包括網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備能夠進(jìn)行信息互訪現(xiàn)場總線還包括網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備能夠進(jìn)行信息互訪與互換與互換 總線上的設(shè)備之間能夠進(jìn)行互操作和系統(tǒng)集成總線上的設(shè)備之間能夠進(jìn)行互操作和系統(tǒng)集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCSv 采用開放式數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)采用開放式數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò) 突破突破DCS中的專用通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的專用通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)v 網(wǎng)絡(luò)集成的測量控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成的測量控制系統(tǒng) 單個(gè)分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單個(gè)分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 現(xiàn)場總線為紐帶現(xiàn)場總線

5、為紐帶 構(gòu)成共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)構(gòu)成共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量控制設(shè)備之間的信息共享實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量控制設(shè)備之間的信息共享二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)二、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)2.1 FCS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Multi-ControllersAOPIDAIPIDAOAI2.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)v全數(shù)字通信全數(shù)字通信v多分支結(jié)構(gòu)多分支結(jié)構(gòu)v系統(tǒng)的開放性系統(tǒng)的開放性v互可操作性和互用性互可操作性和互用性v現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自

6、治性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性v系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性v對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的高度適應(yīng)性對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的高度適應(yīng)性全數(shù)字通信全數(shù)字通信v抗干擾能力和魯棒性都比較高，傳輸精度也得到抗干擾能力和魯棒性都比較高，傳輸精度也得到顯著提高顯著提高信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)v可進(jìn)行多參數(shù)傳輸，消除了模擬信號(hào)的傳輸瓶頸可進(jìn)行多參數(shù)傳輸，消除了模擬信號(hào)的傳輸瓶頸現(xiàn)場設(shè)備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設(shè)現(xiàn)場設(shè)備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設(shè)備類型、型號(hào)、廠商信息、量程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等都備類型、型號(hào)、廠商信息、量程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等都可以通過一對(duì)導(dǎo)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場總線網(wǎng)

7、絡(luò)上的任何智能可以通過一對(duì)導(dǎo)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的任何智能設(shè)備，如中央控制器等。設(shè)備，如中央控制器等。 設(shè)備狀態(tài)可控設(shè)備狀態(tài)可控v操作員在控制室即可了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的操作員在控制室即可了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況工作狀況v可對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整、零點(diǎn)量程調(diào)校、可對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整、零點(diǎn)量程調(diào)校、組態(tài)信息調(diào)整等組態(tài)信息調(diào)整等v通過對(duì)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)分析預(yù)測故障通過對(duì)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)分析預(yù)測故障v發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)找到故障點(diǎn)，及時(shí)替換新的設(shè)發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)找到故障點(diǎn)，及時(shí)替換新的設(shè)備，即：現(xiàn)場設(shè)備始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與備，即：現(xiàn)場設(shè)備始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)，

8、提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性?？煽貭顟B(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。 一對(duì)多的總線型結(jié)構(gòu)一對(duì)多的總線型結(jié)構(gòu)v現(xiàn)場總線是多分支結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蔀榭偩€型、現(xiàn)場總線是多分支結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蔀榭偩€型、星型、樹形等多種形式，以總線型為主。星型、樹形等多種形式，以總線型為主。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中設(shè)備的連接都是一對(duì)一的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中設(shè)備的連接都是一對(duì)一的v布線簡單，工程安裝周期縮短、維護(hù)也很方便布線簡單，工程安裝周期縮短、維護(hù)也很方便v很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性主機(jī)能自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的增加或刪減主機(jī)能自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的增加或刪減無需架設(shè)新的線纜無需架設(shè)新的線纜無需系統(tǒng)停機(jī)無需系統(tǒng)停機(jī) 互換與互可操作互換與互可

9、操作v不同設(shè)備間，除了能實(shí)現(xiàn)信息互訪外，還能理解不同設(shè)備間，除了能實(shí)現(xiàn)信息互訪外，還能理解信息的含義，并能根據(jù)信息要求進(jìn)行操作信息的含義，并能根據(jù)信息要求進(jìn)行操作v不同廠家的相同類型的設(shè)備可以互相替換不同廠家的相同類型的設(shè)備可以互相替換v可統(tǒng)一組態(tài)，無需專用的驅(qū)動(dòng)程序可統(tǒng)一組態(tài)，無需專用的驅(qū)動(dòng)程序v解決了設(shè)備的壟斷性和產(chǎn)品故障處理的時(shí)效性解決了設(shè)備的壟斷性和產(chǎn)品故障處理的時(shí)效性v為系統(tǒng)集成的自主性提供了產(chǎn)品保障為系統(tǒng)集成的自主性提供了產(chǎn)品保障用戶可選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品用戶可選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品現(xiàn)場設(shè)備的智能化和綜合功能現(xiàn)場設(shè)備的智能化和綜合功能v測量，包括多變量測量與處理測量，包括多變量測量與處理

10、v多參數(shù)補(bǔ)償多參數(shù)補(bǔ)償v工程量處理工程量處理v設(shè)備自診斷設(shè)備自診斷v設(shè)備狀態(tài)的控制設(shè)備狀態(tài)的控制v控制算法可在現(xiàn)場設(shè)備中實(shí)現(xiàn)控制算法可在現(xiàn)場設(shè)備中實(shí)現(xiàn)v根據(jù)遠(yuǎn)程命令進(jìn)行儀表調(diào)校根據(jù)遠(yuǎn)程命令進(jìn)行儀表調(diào)校集多種功能于一身，一表多用集多種功能于一身，一表多用分散控制分散控制LAN操 作 站服 務(wù) 器現(xiàn) 場 總 線AI 110PID 110 AO 110模 擬 量 輸 出 功 能 塊PID 控 制 功 能 塊FC 調(diào) 節(jié) 閥FT差 壓 變 送 器 模 擬 量 輸 入 功 能 塊 由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制系統(tǒng) 信號(hào)的測量、控制算法、控制信號(hào)的輸出等全部在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，無需主機(jī)參與 實(shí)現(xiàn)了完全分散開放式系統(tǒng)開放式系統(tǒng)v

11、通信協(xié)議完全公開，任何人、任何單位均可采用通信協(xié)議完全公開，任何人、任何單位均可采用v不同廠家的設(shè)備遵守相同的技術(shù)規(guī)范不同廠家的設(shè)備遵守相同的技術(shù)規(guī)范v不同廠家的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)信息互訪（即互操作）不同廠家的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)信息互訪（即互操作）v用戶可按需要，選用不同廠家的現(xiàn)場總線設(shè)備用戶可按需要，選用不同廠家的現(xiàn)場總線設(shè)備v不同設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)資源共享不同設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)資源共享v與其他網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）相聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)與其他網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）相聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫共享據(jù)庫共享對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)v專為現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計(jì)專為現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計(jì)v可支持多種傳輸介質(zhì)可支持多種傳輸介質(zhì)雙絞線、同軸電纜、光纜、射

12、頻、紅外線、電力線等雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等v可兩線制供電可兩線制供電v支持本質(zhì)安全與防爆支持本質(zhì)安全與防爆2.3 現(xiàn)場總線帶來的益處現(xiàn)場總線帶來的益處v節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省硬件數(shù)量與投資v節(jié)省安裝費(fèi)用節(jié)省安裝費(fèi)用v節(jié)省維護(hù)開銷節(jié)省維護(hù)開銷v用戶具有系統(tǒng)集成自主權(quán)用戶具有系統(tǒng)集成自主權(quán)v提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性用戶具有系統(tǒng)集成的主動(dòng)權(quán)用戶具有系統(tǒng)集成的主動(dòng)權(quán)v無需專用的驅(qū)動(dòng)程序無需專用的驅(qū)動(dòng)程序v不必為傳輸協(xié)議的不兼容而一籌莫展不必為傳輸協(xié)議的不兼容而一籌莫展v不必為接口的不公開而擔(dān)心系統(tǒng)的擴(kuò)展和集成不必為接口的不公開而擔(dān)心系統(tǒng)的擴(kuò)展和集成v

13、不必被某一品牌的產(chǎn)品所不必被某一品牌的產(chǎn)品所“框死框死”v可以選擇性價(jià)比高、服務(wù)質(zhì)量好的產(chǎn)品可以選擇性價(jià)比高、服務(wù)質(zhì)量好的產(chǎn)品v用戶是真正的用戶是真正的“上帝上帝”，擁有真正的選擇主動(dòng)權(quán)，擁有真正的選擇主動(dòng)權(quán)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)三、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的背景現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的背景v現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代v是為滿足日益急迫的企業(yè)綜合自動(dòng)化的需求是為滿足日益急迫的企業(yè)綜合自動(dòng)化的需求開放性開放性通用性通用性可靠性可

14、靠性v智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)現(xiàn)場總線的產(chǎn)生現(xiàn)場總線的產(chǎn)生420mAV/ID/AA/D放大放大調(diào)理調(diào)理微處微處理器理器傳感傳感信號(hào)信號(hào)結(jié)構(gòu)簡單；結(jié)構(gòu)簡單；信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。420mAV/I放大放大調(diào)理調(diào)理傳感傳感信號(hào)信號(hào)性能提高，成本增加；性能提高，成本增加；單向模擬傳輸方式未變。單向模擬傳輸方式未變。現(xiàn)場總線的產(chǎn)生現(xiàn)場總線的產(chǎn)生通信通信信號(hào)信號(hào)具有雙向通信功能的智能儀表具有雙向通信功能的智能儀表A/D放大放大調(diào)理調(diào)理微處微處理器理器傳感傳感信號(hào)信號(hào)通信通信接口接口雙向數(shù)字傳輸方式：雙向數(shù)字傳輸方式： 傳輸精度高；傳輸精度高； 功能

15、強(qiáng)，成本低；功能強(qiáng)，成本低； 協(xié)議不統(tǒng)一，無法互換。協(xié)議不統(tǒng)一，無法互換。成為控制領(lǐng)域的研究方向成為控制領(lǐng)域的研究方向v現(xiàn)場總線研究開發(fā)之熱始于現(xiàn)場總線研究開發(fā)之熱始于20世紀(jì)世紀(jì)90年代中期年代中期v信息時(shí)代各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展對(duì)測控系統(tǒng)提出的要求信息時(shí)代各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展對(duì)測控系統(tǒng)提出的要求計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)v網(wǎng)絡(luò)化、信息化給自控技術(shù)的發(fā)展提供的機(jī)遇網(wǎng)絡(luò)化、信息化給自控技術(shù)的發(fā)展提供的機(jī)遇v各國投入巨額資金與人力在開發(fā)這一技術(shù)，形成各國投入巨額資金與人力在開發(fā)這一技術(shù)，形成了企業(yè)、國家、國際標(biāo)準(zhǔn)了企業(yè)、國家、國際標(biāo)準(zhǔn)歐洲、北美、亞洲、中國歐洲、北美、

16、亞洲、中國現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)各種各樣現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)各種各樣v現(xiàn)場總線百花齊放現(xiàn)場總線百花齊放由于剛開始沒有一個(gè)統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)和企業(yè)由于剛開始沒有一個(gè)統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)相繼開發(fā)自己的總線產(chǎn)品，制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)相繼開發(fā)自己的總線產(chǎn)品，制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前市場上形形式式的現(xiàn)場總線有據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前市場上形形式式的現(xiàn)場總線有200多種多種號(hào)稱為開放標(biāo)準(zhǔn)的也有二、三十種號(hào)稱為開放標(biāo)準(zhǔn)的也有二、三十種 v現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158包含了包含了10種類型種類型IEC1158原技術(shù)規(guī)范、原技術(shù)規(guī)范、FF、HSE、P-NET、PROFIBUS、ProfiN

17、et、ControlNet、Swiftbus、Interbus、WorldFIP主要的現(xiàn)場總線比較主要的現(xiàn)場總線比較多總線并存的發(fā)展現(xiàn)狀多總線并存的發(fā)展現(xiàn)狀v 現(xiàn)場總線多種多樣現(xiàn)場總線多種多樣v 現(xiàn)場總線近期內(nèi)難以統(tǒng)一現(xiàn)場總線近期內(nèi)難以統(tǒng)一 IEC61158包含了包含了10種類型種類型 其他總線：其他總線：HART、ASI、CAN、Lonworks、v 形成了多種現(xiàn)場總線并存的局面形成了多種現(xiàn)場總線并存的局面v 由市場決定哪種總線領(lǐng)導(dǎo)市場由市場決定哪種總線領(lǐng)導(dǎo)市場 如以如以FF（包括（包括H1、HSE）和）和PROFIBUS（包括（包括Profibus-DP、ProfiNet等）在過程控制領(lǐng)域

18、的市場越來越大等）在過程控制領(lǐng)域的市場越來越大v 工業(yè)以太網(wǎng)成為新一輪研究熱點(diǎn)工業(yè)以太網(wǎng)成為新一輪研究熱點(diǎn)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)四、以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)Ethernet的回顧的回顧vEthernet產(chǎn)生于產(chǎn)生于20世紀(jì)七十年代世紀(jì)七十年代v為微型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端通信而設(shè)計(jì)為微型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端通信而設(shè)計(jì)v采用星型或總線型結(jié)構(gòu)采用星型或總線型結(jié)構(gòu)v傳輸速率當(dāng)時(shí)僅為幾傳輸速率當(dāng)時(shí)僅為幾M（目前已達(dá)（目前已達(dá)1000M甚甚至更高）至更高）v傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)屏蔽（非屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜（粗纜、屏蔽（非

19、屏蔽）雙絞線、光纖、同軸電纜（粗纜、細(xì)纜）細(xì)纜）v只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議如介質(zhì)訪問控制機(jī)制采用如介質(zhì)訪問控制機(jī)制采用CSMA/CD通信的通信的“不確定性不確定性”v在一般商業(yè)環(huán)境下，以太網(wǎng)有以下特點(diǎn)：在一般商業(yè)環(huán)境下，以太網(wǎng)有以下特點(diǎn)：總線訪問存在隨機(jī)性：總線訪問存在隨機(jī)性：CSMA/CD，負(fù)荷大時(shí)，網(wǎng)，負(fù)荷大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)因碰撞增加而癱瘓絡(luò)會(huì)因碰撞增加而癱瘓響應(yīng)時(shí)間無法預(yù)知，實(shí)時(shí)性得不到保證響應(yīng)時(shí)間無法預(yù)知，實(shí)時(shí)性得不到保證因此以太網(wǎng)通信存在不確定性因此以太網(wǎng)通信存在不確定性v在在90年代中期之前，幾乎所有的控制系統(tǒng)均不年代中期之前，幾乎所有的控制系統(tǒng)均不選

20、用以太網(wǎng)，而選用令牌總線或令牌環(huán)選用以太網(wǎng)，而選用令牌總線或令牌環(huán) 微處理器功能簡單微處理器功能簡單v微處理器（單片機(jī)）作為工業(yè)現(xiàn)場智能儀表的微處理器（單片機(jī)）作為工業(yè)現(xiàn)場智能儀表的核心部件，在核心部件，在20世紀(jì)世紀(jì)80年代初時(shí)還處于初期年代初時(shí)還處于初期發(fā)展階段發(fā)展階段功能簡單功能簡單數(shù)字處理能力有限數(shù)字處理能力有限TCP（UDP）/IP協(xié)議比較復(fù)雜，早期的單片機(jī)處協(xié)議比較復(fù)雜，早期的單片機(jī)處理有困難，理有困難，這是以太網(wǎng)不用于控制網(wǎng)絡(luò)的原因之一這是以太網(wǎng)不用于控制網(wǎng)絡(luò)的原因之一其它原因其它原因 v應(yīng)用不廣，軟硬件技術(shù)資源不足應(yīng)用不廣，軟硬件技術(shù)資源不足v以太網(wǎng)剛產(chǎn)生時(shí)，成本很高以太網(wǎng)剛產(chǎn)

21、生時(shí)，成本很高v功耗大、環(huán)境適應(yīng)性差功耗大、環(huán)境適應(yīng)性差 因此，與令牌網(wǎng)及其他專用網(wǎng)絡(luò)比，因此，與令牌網(wǎng)及其他專用網(wǎng)絡(luò)比，以太網(wǎng)當(dāng)時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯，自然不會(huì)選擇以太以太網(wǎng)當(dāng)時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯，自然不會(huì)選擇以太網(wǎng)用于現(xiàn)場總線網(wǎng)用于現(xiàn)場總線以太網(wǎng)通信特性以太網(wǎng)通信特性v 以太網(wǎng)通信特性以太網(wǎng)通信特性 負(fù)荷越小，碰撞越少負(fù)荷越小，碰撞越少 負(fù)荷在負(fù)荷在10%左右時(shí)，左右時(shí)， 基本無碰撞基本無碰撞v 負(fù)荷在負(fù)荷在25%以下時(shí)，以下時(shí)， 以太網(wǎng)的通信響應(yīng)時(shí)以太網(wǎng)的通信響應(yīng)時(shí)間明顯短于令牌網(wǎng)間明顯短于令牌網(wǎng) （如（如 ARCnet）一般商用環(huán)境下的以太網(wǎng)負(fù)荷一般商用環(huán)境下的以太網(wǎng)負(fù)荷v 瞬時(shí)流量變化大，無法瞬時(shí)流量

22、變化大，無法預(yù)測預(yù)測v 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷波動(dòng)大網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷波動(dòng)大v 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越多，碰撞越網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越多，碰撞越頻繁頻繁 因此在商用環(huán)境下，無通信因此在商用環(huán)境下，無通信響應(yīng)實(shí)時(shí)性可言響應(yīng)實(shí)時(shí)性可言工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)v傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長度都比較小傳輸?shù)男畔⒘可伲畔㈤L度都比較小周期性信息較多周期性信息較多測量、控制信息測量、控制信息非周期性信息較少非周期性信息較少用戶操作指令、組態(tài)信息、診斷信息等等用戶操作指令、組態(tài)信息、診斷信息等等報(bào)警等突發(fā)性事件信息報(bào)警等突發(fā)性事件信息需要傳輸?shù)男畔⑸傩枰獋鬏數(shù)男畔⑸倬W(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn)信息流向具有明顯的方向性信息流向具有明顯的方向性

23、節(jié)點(diǎn)數(shù)少節(jié)點(diǎn)數(shù)少工控網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷實(shí)測例子工控網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷實(shí)測例子v 應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：6000多個(gè)多個(gè)I/O，10M以太網(wǎng)以太網(wǎng) 正常情況下，最大負(fù)荷為正常情況下，最大負(fù)荷為6.4% 組態(tài)信息傳輸時(shí)，最大為組態(tài)信息傳輸時(shí)，最大為7.2% 摘自浙大中控摘自浙大中控WebFieldWebField ECS-100 ECS-100測試測試報(bào)告報(bào)告今天的以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)今天的以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)昨天的以太網(wǎng)昨天的以太網(wǎng)今天的以太網(wǎng)今天的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偩€型總線型星型、總線型星型、總線型集線器集線器共享式共享式交換式交換式通信速率通信速率幾幾MM10、100、1000M、傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)粗同軸電纜粗同軸電纜光纖、粗纜

24、、細(xì)纜、雙絞線光纖、粗纜、細(xì)纜、雙絞線通信方式通信方式半雙工半雙工半雙工、全雙工半雙工、全雙工芯片成本芯片成本高于高于$1000$1000十幾人民幣十幾人民幣芯片應(yīng)用環(huán)境芯片應(yīng)用環(huán)境商業(yè)級(jí)商業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)芯片已有問世工業(yè)級(jí)芯片已有問世應(yīng)用應(yīng)用商業(yè)終端商業(yè)終端幾乎所有領(lǐng)域幾乎所有領(lǐng)域軟硬件資源軟硬件資源有限有限豐富豐富被認(rèn)知程度被認(rèn)知程度不熟悉不熟悉非常熟悉、幾乎無需培訓(xùn)非常熟悉、幾乎無需培訓(xùn)v以太網(wǎng)完全能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性以太網(wǎng)完全能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性要求要求v以太網(wǎng)具有以太網(wǎng)具有ARCnet等專用網(wǎng)絡(luò)所無法比擬等專用網(wǎng)絡(luò)所無法比擬的優(yōu)勢(shì)：的優(yōu)勢(shì)：技術(shù)通用，與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通用，與信

25、息網(wǎng)絡(luò)IT技術(shù)兼容技術(shù)兼容價(jià)格低廉價(jià)格低廉供應(yīng)方便供應(yīng)方便培訓(xùn)、維護(hù)簡單培訓(xùn)、維護(hù)簡單與令牌網(wǎng)相比，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)與令牌網(wǎng)相比，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)已成為控制系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)首選已成為控制系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)首選v國內(nèi)外自上世紀(jì)九十代中后期開始已將以太國內(nèi)外自上世紀(jì)九十代中后期開始已將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化基于以太網(wǎng)的基于以太網(wǎng)的DCSFUJI的的OPEN AX、浙大中控的、浙大中控的JX-300X、Fisher-Rosemount的的Delta-V等等基于以太網(wǎng)的基于以太網(wǎng)的PLC與遠(yuǎn)程與遠(yuǎn)程I/OMODICON、A-B、GE Fanuc 等等基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀表和儀器基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀表和儀器

26、HP、浙大中控、浙大中控、NI等等中高層網(wǎng)絡(luò)廣泛采用以太網(wǎng)中高層網(wǎng)絡(luò)廣泛采用以太網(wǎng)Foundation Fieldbus HSEEthernet/IPPROFINetMODBUS TCPP-NET on EthernetInterbus on Ethernet五、工業(yè)以太網(wǎng)與五、工業(yè)以太網(wǎng)與五、工業(yè)以太網(wǎng)與五、工業(yè)以太網(wǎng)與五、工業(yè)以太網(wǎng)與五、工業(yè)以太網(wǎng)與EPAEPAEPA什么是工業(yè)以太網(wǎng)什么是工業(yè)以太網(wǎng)v工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)上，工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)（即技術(shù)上，工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)（即ISO/IEC 8802; IEC 61784-1; IEEE Std 1588:2002; IEEE

27、802.1D&Q標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)兼容標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)兼容應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境（主要指生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境）應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境（主要指生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境）必須滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的需求必須滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的需求v將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于控制器間、甚至是現(xiàn)場設(shè)備間的工業(yè)將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于控制器間、甚至是現(xiàn)場設(shè)備間的工業(yè)通信通信v支持現(xiàn)場區(qū)域的支持現(xiàn)場區(qū)域的Internet能力，但必須滿足現(xiàn)場區(qū)域的能力，但必須滿足現(xiàn)場區(qū)域的工業(yè)通信自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的以下特征工業(yè)通信自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的以下特征實(shí)時(shí)性，即時(shí)間確定性通信；實(shí)時(shí)性，即時(shí)間確定性通信；現(xiàn)場設(shè)備（如驅(qū)動(dòng)器）時(shí)間同步的行為現(xiàn)場設(shè)備（如驅(qū)動(dòng)器）時(shí)間同步的行為充分而頻繁的交換非常小的數(shù)據(jù)

28、記錄充分而頻繁的交換非常小的數(shù)據(jù)記錄工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)要求工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)要求v （1）具有較好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性）具有較好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動(dòng)化控制工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動(dòng)化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時(shí)性要好，一般為為毫秒中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時(shí)性要好，一般為為毫秒0.1秒秒級(jí)級(jí)v （2）容錯(cuò)性要求）容錯(cuò)性要求 在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時(shí)間內(nèi)重新在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時(shí)間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路v （3）力求簡潔）力求簡潔 以減小軟硬件開銷，從而減低設(shè)備成本，同時(shí)也可以提高系以減小軟

29、硬件開銷，從而減低設(shè)備成本，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的健壯性統(tǒng)的健壯性v （4）開放性要好）開放性要好 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)盡量不要采用專用網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)盡量不要采用專用網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)v通信實(shí)時(shí)性技術(shù)通信實(shí)時(shí)性技術(shù)v總線供電技術(shù)總線供電技術(shù)v互可操作技術(shù)互可操作技術(shù)v遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)v網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)v可靠性與抗干擾技術(shù)可靠性與抗干擾技術(shù)v本質(zhì)安全本質(zhì)安全v國家國家“863”計(jì)劃組織攻關(guān)情況計(jì)劃組織攻關(guān)情況v 一個(gè)重點(diǎn)課題一個(gè)重點(diǎn)課題 “基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備”（編號(hào)：（編號(hào)：2001AA413010） 承擔(dān)單

30、位：浙江大學(xué)承擔(dān)單位：浙江大學(xué) 參加單位：浙大中控、中科院沈陽自動(dòng)化所、大連理工大學(xué)、參加單位：浙大中控、中科院沈陽自動(dòng)化所、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)清華大學(xué)v 二個(gè)面上課題二個(gè)面上課題 “現(xiàn)場級(jí)無線以太網(wǎng)協(xié)議研究及設(shè)備開發(fā)現(xiàn)場級(jí)無線以太網(wǎng)協(xié)議研究及設(shè)備開發(fā)”（編號(hào)：（編號(hào)：2001AA413610） 承擔(dān)單位：中科院沈陽自動(dòng)化所承擔(dān)單位：中科院沈陽自動(dòng)化所 “基于基于藍(lán)牙藍(lán)牙技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)其及關(guān)鍵技技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)其及關(guān)鍵技術(shù)研究術(shù)研究” 承擔(dān)單位：重慶郵電學(xué)院承擔(dān)單位：重慶郵電學(xué)院已取得的成果已取得的成果v 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān) 解決了：以太

31、網(wǎng)實(shí)時(shí)通信、總線供電、可靠性與解決了：以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信、總線供電、可靠性與抗干擾、遠(yuǎn)距離傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全以及基于以太網(wǎng)抗干擾、遠(yuǎn)距離傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全以及基于以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)等難題控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)等難題v 起草了起草了EPA國家標(biāo)準(zhǔn)，參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作國家標(biāo)準(zhǔn)，參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作 歷時(shí)歷時(shí)15個(gè)月，先后個(gè)月，先后8次召開標(biāo)準(zhǔn)起草工作會(huì)議，次召開標(biāo)準(zhǔn)起草工作會(huì)議，起草了起草了用于測量與控制系統(tǒng)的用于測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)通信標(biāo)準(zhǔn)v 開發(fā)了基于開發(fā)了基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并在生產(chǎn)現(xiàn)場成功應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場成功應(yīng)用1、提高通信響應(yīng)實(shí)時(shí)性的方

32、法、提高通信響應(yīng)實(shí)時(shí)性的方法 v交換式以太網(wǎng)技術(shù)交換式以太網(wǎng)技術(shù) 消除交換機(jī)端口對(duì)端口之間的碰撞消除交換機(jī)端口對(duì)端口之間的碰撞v全雙工通信技術(shù)全雙工通信技術(shù)消除交換機(jī)端口與設(shè)備端口之間的碰撞消除交換機(jī)端口與設(shè)備端口之間的碰撞v降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率減少?zèng)_突減少?zèng)_突v優(yōu)先級(jí)技術(shù)優(yōu)先級(jí)技術(shù)時(shí)間緊急事件先處理時(shí)間緊急事件先處理基于以太網(wǎng)的確定性通信基于以太網(wǎng)的確定性通信v技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)實(shí)時(shí)信息和非實(shí)時(shí)信息，采用不同的通信調(diào)度方式實(shí)時(shí)信息和非實(shí)時(shí)信息，采用不同的通信調(diào)度方式周期信息：采用一種時(shí)隙訪問的控制方式，以固定周期信息：采用一種時(shí)隙訪問的控制方式，以固定的

33、時(shí)隙進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)交換的時(shí)隙進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)交換 非周期信息：采用集中調(diào)度方式，在周期信息通信非周期信息：采用集中調(diào)度方式，在周期信息通信的間隙進(jìn)行的間隙進(jìn)行 三個(gè)優(yōu)先級(jí)：三個(gè)優(yōu)先級(jí)：0、1、2級(jí)級(jí)傳輸周期傳輸周期時(shí)間確定性通信確定性通信設(shè)備發(fā)送周期信息的時(shí)間設(shè)備發(fā)送周期信息的時(shí)間設(shè)備發(fā)送聲明報(bào)文的時(shí)間設(shè)備發(fā)送聲明報(bào)文的時(shí)間傳輸周期傳輸周期周期通信周期通信非周期通信非周期通信D1D2D3D4D5D6D 表示設(shè)備表示設(shè)備通信實(shí)時(shí)性效果通信實(shí)時(shí)性效果v 提高通信實(shí)時(shí)性方法提高通信實(shí)時(shí)性方法 現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)分區(qū)域微網(wǎng)化，控制每個(gè)網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù)現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)分區(qū)域微網(wǎng)化，控制每個(gè)網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)主干網(wǎng)、各控制區(qū)

34、域網(wǎng)絡(luò)之間相互隔離，減少系統(tǒng)主干網(wǎng)、各控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間相互隔離，減少負(fù)荷負(fù)荷 采用確定性通信方法采用確定性通信方法 減少通信處理量減少通信處理量v 效果效果 經(jīng)測試，通信響應(yīng)時(shí)間小于經(jīng)測試，通信響應(yīng)時(shí)間小于2ms，甚至可小于，甚至可小于1ms2、基于以太網(wǎng)的總線供電技術(shù)、基于以太網(wǎng)的總線供電技術(shù)v總線供電是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的特殊要求總線供電是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的特殊要求工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，供電、布線不方便、維護(hù)不方便工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，供電、布線不方便、維護(hù)不方便為減少安裝復(fù)雜性，提高安全性、經(jīng)濟(jì)性，要求現(xiàn)場為減少安裝復(fù)雜性，提高安全性、經(jīng)濟(jì)性，要求現(xiàn)場設(shè)備由總線供電設(shè)備由總線供電連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅能

35、夠傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還要連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅能夠傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備提供電源能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備提供電源v兩種供電方式兩種供電方式總線供電法總線供電法 網(wǎng)絡(luò)供電法網(wǎng)絡(luò)供電法 基于以太網(wǎng)的總線供電基于以太網(wǎng)的總線供電v 優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)： 保留了原有兩對(duì)預(yù)留線保留了原有兩對(duì)預(yù)留線 省去了對(duì)省去了對(duì)4、5、7、8改動(dòng)改動(dòng) 絕緣方面也能滿足要求絕緣方面也能滿足要求 經(jīng)經(jīng)EMI測試滿足標(biāo)準(zhǔn)測試滿足標(biāo)準(zhǔn)v 弊端：弊端： 一定程度上改變了網(wǎng)絡(luò)一定程度上改變了網(wǎng)絡(luò)變壓器的電磁特性變壓器的電磁特性 一定程度上改變了以太一定程度上改變了以太網(wǎng)傳輸邏輯網(wǎng)傳輸邏輯RXRXTX1236457812364578供電設(shè)備

36、調(diào)制取電設(shè)備解調(diào)TX基于以太網(wǎng)的基于以太網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)供電網(wǎng)絡(luò)供電”v優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)： 可以不通過網(wǎng)絡(luò)變可以不通過網(wǎng)絡(luò)變壓器壓器 對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的電磁對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的電磁特性沒有任何影響特性沒有任何影響1236457812364578+24V取電設(shè)備TXGND網(wǎng)絡(luò)供電方式RX總線供電效果總線供電效果測試項(xiàng)目測試項(xiàng)目總線不供電方式總線不供電方式總線供電方式總線供電方式差模信號(hào)峰峰值差模信號(hào)峰峰值934mV934mV振幅對(duì)稱振幅對(duì)稱1%1%信號(hào)上升信號(hào)上升/下降時(shí)間下降時(shí)間 4.984.684.984.68差模輸入損耗差模輸入損耗TX 2, 30, 60, 80 Mhz-27 , -24, -30, -27 dB

37、-27, -24, -30, -27 dB差模輸入損耗差模輸入損耗RX 2, 30, 60, 80 Mhz -29, -29, -25, -22 dB-29, -29, -25, -22 dB測試結(jié)論測試結(jié)論總線供電方式對(duì)于通訊的影響幾乎測不總線供電方式對(duì)于通訊的影響幾乎測不出來，可以忽略不計(jì)出來，可以忽略不計(jì)3、工業(yè)以太網(wǎng)安全技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)安全技術(shù)v必要性必要性 工業(yè)控制系統(tǒng)中任一個(gè)測量信息、控制信工業(yè)控制系統(tǒng)中任一個(gè)測量信息、控制信號(hào)受到攻擊，后果不斟設(shè)想號(hào)受到攻擊，后果不斟設(shè)想v一般網(wǎng)絡(luò)安全性技術(shù)不適用于工業(yè)自動(dòng)化儀一般網(wǎng)絡(luò)安全性技術(shù)不適用于工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表器儀表 MD5鑒別技術(shù)、鑒

38、別技術(shù)、RSA公開密鑰加密和數(shù)字公開密鑰加密和數(shù)字簽名技術(shù)、隧道模式的簽名技術(shù)、隧道模式的ESP技術(shù)技術(shù) CPU占用時(shí)間大，對(duì)通信實(shí)時(shí)響應(yīng)影響大占用時(shí)間大，對(duì)通信實(shí)時(shí)響應(yīng)影響大4、網(wǎng)絡(luò)隔離與防火墻、網(wǎng)絡(luò)隔離與防火墻v 報(bào)文過濾與網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)報(bào)文過濾與網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù) 用于系統(tǒng)主干網(wǎng)與各控制區(qū)域之間的跨網(wǎng)段通信和隔用于系統(tǒng)主干網(wǎng)與各控制區(qū)域之間的跨網(wǎng)段通信和隔離離兩層過濾：兩層過濾： IP地址、以太網(wǎng)端口過濾地址、以太網(wǎng)端口過濾 應(yīng)用層數(shù)據(jù)有效性和合法性過濾應(yīng)用層數(shù)據(jù)有效性和合法性過濾v 防火墻與代理服務(wù)器防火墻與代理服務(wù)器 用于控制系統(tǒng)與外部環(huán)境間的信息交換用于控制系統(tǒng)與外部環(huán)境間的信息交換包括信

39、息的監(jiān)視與過濾包括信息的監(jiān)視與過濾v 控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的物理隔離控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的物理隔離5、EPA遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)v必要性必要性以太網(wǎng)單端傳輸距離較短，如雙絞線為以太網(wǎng)單端傳輸距離較短，如雙絞線為100米，細(xì)米，細(xì)同軸電纜為同軸電纜為185米，組纜為米，組纜為500米米工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備分布較廣工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備分布較廣v解決方案解決方案采用光纖環(huán)網(wǎng)連接控制室與各現(xiàn)場控制區(qū)域采用光纖環(huán)網(wǎng)連接控制室與各現(xiàn)場控制區(qū)域現(xiàn)場控制區(qū)域內(nèi)采用總線供電式工業(yè)以太網(wǎng)中繼器現(xiàn)場控制區(qū)域內(nèi)采用總線供電式工業(yè)以太網(wǎng)中繼器 控制區(qū)域的劃分，除了按系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的通信耦合程度控制區(qū)域的劃分，除了按系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的

40、通信耦合程度 現(xiàn)場設(shè)備（現(xiàn)場控制器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）間現(xiàn)場設(shè)備（現(xiàn)場控制器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）間 的距離盡可的距離盡可能短能短6、EPA可靠性與抗干擾技術(shù)可靠性與抗干擾技術(shù) v可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù) 冗余與容錯(cuò)技術(shù)冗余與容錯(cuò)技術(shù)故障探測與自恢復(fù)故障探測與自恢復(fù)工業(yè)級(jí)通信線纜、聯(lián)接器件工業(yè)級(jí)通信線纜、聯(lián)接器件看門狗技術(shù)看門狗技術(shù)v抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù)硬件抗干擾技術(shù)硬件抗干擾技術(shù)屏蔽干擾源、接地抗干擾屏蔽干擾源、接地抗干擾 、控制回路的抗干擾、控制回路的抗干擾 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)數(shù)值濾波算數(shù)值濾波算 v實(shí)現(xiàn)效果實(shí)現(xiàn)效果串串/共模、浪涌、群脈沖等共模、浪涌、群脈沖等EMC測試全

41、部符合工業(yè)應(yīng)用要求測試全部符合工業(yè)應(yīng)用要求7、互可操作性、互可操作性v一般設(shè)備只能進(jìn)行互聯(lián)，不能互相通信一般設(shè)備只能進(jìn)行互聯(lián)，不能互相通信 IEEE802.3只規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層只規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層 TCP/IP映射為網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層映射為網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層 缺少基于以太網(wǎng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場控制要求的應(yīng)用層協(xié)議（及用缺少基于以太網(wǎng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場控制要求的應(yīng)用層協(xié)議（及用戶層協(xié)議）戶層協(xié)議）v現(xiàn)有基于以太網(wǎng)的協(xié)議不適用現(xiàn)有基于以太網(wǎng)的協(xié)議不適用 只適用于通信實(shí)時(shí)性相對(duì)不強(qiáng)的過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)只適用于通信實(shí)時(shí)性相對(duì)不強(qiáng)的過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò) 面向通信工程師或計(jì)算機(jī)工程師面向通信工程師或計(jì)算機(jī)工程師v解

42、決方案解決方案 開放統(tǒng)一、面向控制工程師的通信協(xié)議開放統(tǒng)一、面向控制工程師的通信協(xié)議成立成立EPA標(biāo)準(zhǔn)起草工作組標(biāo)準(zhǔn)起草工作組v兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目聯(lián)合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目聯(lián)合 起草起草用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信標(biāo)準(zhǔn)v成立成立EPA標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)起草工作組起草工作組 組長：組長： 金建祥（浙大中控）金建祥（浙大中控） 副組長：王宏（中科院沈陽自動(dòng)化所）副組長：王宏（中科院沈陽自動(dòng)化所） 馮冬芹（浙江大學(xué)）馮冬芹（浙江大學(xué)） 秘書長：馮冬芹（浙江大學(xué)）秘書長：馮冬芹（浙江大學(xué)） 主要成員：仲崇權(quán)主要成員：仲崇權(quán) （大連理工大學(xué)）（大連理工大學(xué)） 楊佃福（

43、清華大學(xué)）楊佃福（清華大學(xué)） 王平（重慶郵電學(xué)院）王平（重慶郵電學(xué)院） 歐陽勁松（機(jī)械工業(yè)儀綜所）歐陽勁松（機(jī)械工業(yè)儀綜所） 顧問：顧問： 繆學(xué)勤（上海儀表所）繆學(xué)勤（上海儀表所）EPA標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)vEPA=以太網(wǎng)（物理層鏈路層）以太網(wǎng)（物理層鏈路層）TCP/IP(網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層）應(yīng)用層用戶層傳輸層）應(yīng)用層用戶層v目標(biāo)：目標(biāo)：降低現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用難度，促進(jìn)先進(jìn)技降低現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用難度，促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用術(shù)的推廣應(yīng)用降低現(xiàn)場總線產(chǎn)品的成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的管理控降低現(xiàn)場總線產(chǎn)品的成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的管理控制一體化制一體化基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制設(shè)備互連與互可操作實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的工

44、業(yè)控制設(shè)備互連與互可操作實(shí)現(xiàn)EPA控制系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)模型分布式控制系統(tǒng)基于XML的設(shè)備描述功能模塊EPA通信實(shí)體EPA設(shè)備1基于XML的設(shè)備描述功能模塊EPA通信實(shí)體EPA設(shè)備2基于XML的設(shè)備描述功能模塊EPA通信實(shí)體EPA設(shè)備nEPA通信媒體EPA通信模型通信模型EPA管理功能塊應(yīng)用進(jìn)程管理功能塊應(yīng)用進(jìn)程功能塊功能塊應(yīng)用進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序SNMP簡單簡單網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理管理協(xié)議協(xié)議SNTP簡單簡單網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間時(shí)間協(xié)議協(xié)議DHCP動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)主機(jī)主機(jī)配置配置協(xié)議協(xié)議EPA管理管理服務(wù)服務(wù)EPA實(shí)時(shí)應(yīng)用層實(shí)時(shí)應(yīng)用層服務(wù)服務(wù)EPA套接字映射接口套接字映射接口HTTP協(xié)議協(xié)議FTP協(xié)議協(xié)議其他其他標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議協(xié)議UDPTCPIPIEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15EPA管理管理信息信息庫庫六、應(yīng)用六、應(yīng)用六、應(yīng)用六、應(yīng)用六、應(yīng)用六、應(yīng)用EPAEPAEPA的好處的好處的好處的好處的好處的好處“e網(wǎng)到底網(wǎng)到底”？ 控制層網(wǎng)絡(luò)控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)Web服務(wù)器服務(wù)器 操作站操作站