工業(yè)控制網(wǎng)絡技術(shù)基礎緒論

工業(yè)控制網(wǎng)絡技術(shù)基礎緒論第一頁，共52頁。教材趙新秋.工業(yè)控制網(wǎng)絡.中國電力出版社，2009.汪晉寬,吳雨川.工業(yè)網(wǎng)絡技.北京電子大學出版社.

楊衛(wèi)華.工業(yè)控制網(wǎng)絡技術(shù).機械出版社.劉美.集散控制系統(tǒng)及工業(yè)控制網(wǎng)絡.中國石化出版社第二頁，共52頁。要求1.上課不能玩手機，若抓到?jīng)]收；2.有事請假，不允許遲到、早退；3.曠課3次，不允許考試；4.平時成績40%，考試成績60%(是否開卷未定）第三頁，共52頁。第1章緒論1.1工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡概述

1.2網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)1.3控制網(wǎng)絡在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位與作用

習題

第四頁，共52頁。工業(yè)控制網(wǎng)絡實例1第五頁，共52頁。控制系統(tǒng)總體設計實例2第六頁，共52頁?；诂F(xiàn)場總線陶瓷窯控制系統(tǒng)實例3第七頁，共52頁。CAN總線節(jié)點控制器實例4第八頁，共52頁。LonWorks技術(shù)應用系統(tǒng)（智能樓宇、連鎖店）5第九頁，共52頁?，F(xiàn)場總線應用實例6第十頁，共52頁?，F(xiàn)場總線應用實例7第十一頁，共52頁。基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型第十二頁，共52頁。1.1工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡概述

1.1.1控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線

控制網(wǎng)絡：將多個分散在生產(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，采用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，以現(xiàn)場總線作為通信連接的紐帶，將現(xiàn)場控制設備連接成可相互傳遞信息，共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線：是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。它由IEC的國際標準化小組SC65C/WG6定義。第十三頁，共52頁。

a、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）被譽為新一代控制系統(tǒng)。它采用了基于公開化、標準化的開放式解決方案，實現(xiàn)了真正的全分布式結(jié)構(gòu)，將控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)更加趨向于分布化、扁平化、網(wǎng)絡化、集成化和智能化。下圖是兩種控制模式的比較。

第十四頁，共52頁?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有兩個新特征：1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的控制器、I/O卡及模擬信號和傳輸線四部分用統(tǒng)一標準的現(xiàn)場總線來替代，減少了層次傳遞，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨于扁平化.2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)用智能現(xiàn)場儀表替代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的模擬現(xiàn)場儀表，其智能體現(xiàn)在：變送器不僅僅具有信號變換、補償、累加功能，而且具有諸如PID等運算控制功能；執(zhí)行器不僅具有驅(qū)動和調(diào)節(jié)功能，而且有特性補償、自校驗和自診斷功能。第十五頁，共52頁。b、現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)第十六頁，共52頁。

c、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點

1、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設備之間可互聯(lián)為系統(tǒng)并實現(xiàn)信息交換。2、互可操作性與互用性?；タ刹僮餍?，是指實現(xiàn)互聯(lián)設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；互用則意味著對不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行更換而實現(xiàn)相互替換。3、現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性。將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性?，F(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。第十七頁，共52頁。

d、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

1．現(xiàn)場總線使的智能變送器中的微處理器能夠直接與數(shù)字控制系統(tǒng)通信，而不需要I/O轉(zhuǎn)換，節(jié)約了費用；2．現(xiàn)場總線可以取代每個傳感器到控制器的單獨布線，大大減少了連線費用；3．現(xiàn)場總線可以將一些先進功能，如線性化、工程量轉(zhuǎn)換以及報警處理等賦予現(xiàn)場儀表，提高了現(xiàn)場儀表的精度和可靠性；4．現(xiàn)場總線可提供控制裝置與傳感器、執(zhí)行器之間的雙向通信，方便了操作員與被控設備之間的交互；5．現(xiàn)場總線使得專門根據(jù)現(xiàn)場總線開發(fā)的現(xiàn)場儀表的使用成為可能，并將最終取代單變量模擬儀表，減少了儀表的購置、安裝與保修費用；6．現(xiàn)場總線的開放性將使用戶有可能對各儀表廠商的產(chǎn)品任意進行選擇，并組成系統(tǒng)，而不必考慮接口是否匹配的問題。第十八頁，共52頁。e、現(xiàn)場總線按照應用行業(yè)分類1、過程控制（連續(xù)生產(chǎn)過程）用現(xiàn)場總線：FF的HI、Profibus-PA等2、離散控制用現(xiàn)場總線：Profibus-DP、Device-NET等3、樓宇自動化用現(xiàn)場總線：Lonworks等4、車輛制造業(yè)用現(xiàn)場總線：CAN等5、飛機制造業(yè)用現(xiàn)場總線：SwiftNet等6、農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)用現(xiàn)場總線：P-Net等第十九頁，共52頁。f、現(xiàn)場總線的本質(zhì)1、現(xiàn)場通信網(wǎng)絡用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡。2、現(xiàn)場設備互連傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連。3、互操作性現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”;用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。4、分散功能塊

FCS廢棄了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸入/輸出單元和控制站，把傳統(tǒng)控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成就地控制站。第二十頁，共52頁。5、通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。6、開放式互連網(wǎng)絡既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。不同制造商的網(wǎng)絡實現(xiàn)互連，用戶通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡及設備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。第二十一頁，共52頁。g、產(chǎn)生多標準的原因1、各種現(xiàn)場總線都是受國際上一些處于壟斷地位的跨國大公司所支持。2、跨國大公司為了他們的長遠利益和保持他們的壟斷地位又不得不去開發(fā)現(xiàn)場總線，以領(lǐng)導新潮流。3、有的公司早期投人大量資金使得產(chǎn)品間世較早。4、一些小國家在技術(shù)上和經(jīng)濟上很大程度地依賴于一些跨國的大公司。5、IEC是多極化的組織，其代表都來自各個國家的一些大公司，不可避免地出現(xiàn)斗爭的復雜性和反復性。第二十二頁，共52頁。h、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀1、多種總線協(xié)調(diào)共存；2、每種總線各有其應用領(lǐng)域；3、每種總線各有其國際組織；4、每種總線均有其支持背景；5、設備制造商參加多個總線組織；6、多種總線均作為國家和地區(qū)標準；7、工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域；第二十三頁，共52頁。i、現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和研究熱點1、工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用2、各種現(xiàn)場總線技術(shù)的拓展和完善3、現(xiàn)場總線安全技術(shù)的研究和開發(fā)4、對FCS中本質(zhì)安全技術(shù)的研究。5、現(xiàn)場總線從站設備的開發(fā)6、通用的設備管理工具和軟件的研究7、總線轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)8、更多的組態(tài)和分析診斷軟件的開發(fā)和使用第二十四頁，共52頁。1.1.2工業(yè)數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信：是指在兩點或多點之間以二進制形式進行信息交換的過程。

工業(yè)數(shù)據(jù)通信：是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中除計算機及其外圍設備之外的各類工藝參數(shù)變送器和生產(chǎn)過程控制設備，此類設備的各功能單元間、設備與設備間及設備與計算機間遵照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)信息的過程。

第二十五頁，共52頁。1.2網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)1.2.1控制系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散式控制系統(tǒng)之后的新型結(jié)構(gòu)?；厥絻x表現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放化標準化集散控制系統(tǒng)DCS數(shù)字調(diào)節(jié)器PLC直接數(shù)字控制數(shù)字信號集中控制系統(tǒng)模擬信號氣動、電動式儀表巡檢第二十六頁，共52頁。1.2.2基于現(xiàn)場總線集散控制系統(tǒng)20世紀90年代末期至21世紀開始，由于電子信息產(chǎn)業(yè)的開放潮流和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟與應用，集散型計算機控制系統(tǒng)又稱為分散型綜合控制系統(tǒng)（TotalDistributedControlSystems，簡稱集散系統(tǒng)DCS）廠家進一步提升了系統(tǒng)功能范圍，將系統(tǒng)開發(fā)的方式由原來完全自主開發(fā)變?yōu)榧砷_發(fā)，推出了第四代DCS。1、集中控制采用單一的計算機來實現(xiàn)對工業(yè)大系統(tǒng)的控制。2、分布式控制將一個工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，分別由若干臺控制器去控制。分布式控制承認各個子系統(tǒng)間的聯(lián)系，經(jīng)過通信子網(wǎng)將各個局部控制器聯(lián)系起來，為了實現(xiàn)大系統(tǒng)意義上的總體目標最優(yōu)，還設置上級協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。3、以微處理器為基礎，是應用于過程控制的工程化的分布式計算機控制系統(tǒng)。第二十七頁，共52頁。4、共性：全面支持企業(yè)信息化、系統(tǒng)構(gòu)成集成化、混合控制功能兼容，營建進一步分散化、智能化和低成本化，系統(tǒng)平臺開放化、應用系統(tǒng)專業(yè)化。5、主要特征：信息化和集成化；混合控制系統(tǒng)；融合采用現(xiàn)場總線技術(shù)的進一步分散化；I/O處理單元小型化、智能化、低成本；系統(tǒng)平臺開放型與應用的專業(yè)化。第二十八頁，共52頁。

集散控制系統(tǒng)舉例現(xiàn)場網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡監(jiān)控網(wǎng)絡管理網(wǎng)絡第二十九頁，共52頁。A、基于現(xiàn)場總線集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)第三十頁，共52頁。B、功能分層體系及基本結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的本質(zhì)是：采用分散控制和集中管理的設計思想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則、采用層次化體系結(jié)構(gòu)。

集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的各層功能第三十一頁，共52頁。C.集散控制系統(tǒng)特點

1、分散性和集中性系統(tǒng)控制分散、功能分散，負荷分散，從而危險分散。集中性體現(xiàn)：監(jiān)視集中、操作集中、管理集中。

2、自治性和協(xié)調(diào)性各工作站獨立自主地完成分配給自己任務，并通過通信網(wǎng)絡傳送各種信息，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

3、友好性采用實用而簡潔的人機會話系統(tǒng)，豐富的畫面顯示。

4、適應性、靈活性和可擴充性采用開放式、標準化和模塊化設計，具有靈活的配置，可以適應不同用戶的需要?？梢愿鶕?jù)生產(chǎn)要求，改變系統(tǒng)的大小配置。

第三十二頁，共52頁。5、實時性采用網(wǎng)絡通信技術(shù)，實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和管理。使得管理與現(xiàn)場分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化。通過人機接口和I/O接口，可對過程對象進行實時采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，并包括對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維護等，提高了系統(tǒng)的可用性。

6、可靠性廣泛采用了冗余技術(shù)、容錯技術(shù)。各單元都具備自診斷、自檢查、自修理功能，故障出現(xiàn)時還可自動報警，使集散系統(tǒng)的可靠性和安全性得到大大提高。

第三十三頁，共52頁。D、集散控制系統(tǒng)的組態(tài)性集散控制系統(tǒng)的組態(tài)類型：1、系統(tǒng)組態(tài)完成組成系統(tǒng)的各設備間的連接；2、畫面組態(tài)完成操作站的各種畫面、畫面間的連接；3、控制組態(tài)完成各控制器、過程控制裝置的控制結(jié)構(gòu)連接、參數(shù)設置等。第三十四頁，共52頁。E、集散控制系統(tǒng)的組態(tài)界面第三十五頁，共52頁。F、網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)1、網(wǎng)絡互聯(lián)，是指將分布在不同地理位置的網(wǎng)絡、設備相連接，構(gòu)成更大的互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)。解決數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。利用調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信技術(shù)和基于TCP/IP解決系統(tǒng)通信技術(shù)。2、控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡互聯(lián)要解決的兩個問題：物理互聯(lián)邏輯互聯(lián)（即互聯(lián)軟件）3、網(wǎng)絡連接方式：對于同構(gòu)的控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡，可以通過網(wǎng)橋進行連接；對于異構(gòu)的控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡，則進行網(wǎng)絡互聯(lián)的兩種主要部件為路由器和網(wǎng)關(guān)。第三十六頁，共52頁。G、存在問題1、針對通信中存在的時間延遲、數(shù)據(jù)包丟失、甚至數(shù)據(jù)鏈暫時丟失等情況，所對應的延遲補償技術(shù)和信息預測技術(shù)；2、在已有的分析與設計方法中，都假設被控對象都是模型精確可知，沒有考慮建模的不確定性。因此，在建模存在不確定性的情況下如何設計閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，仍需要進一步深入研究。3、對隨機控制方案的研究，缺乏關(guān)于控制器設計的解析方法，控制器的魯棒性問題尚未得到有效解決。4、當被控對象為非線性對象時，如何進行閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的分析和網(wǎng)絡控制器設計。5、如何對整個控制網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計。

第三十七頁，共52頁。H、集散控制系統(tǒng)發(fā)展新趨勢1、網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能增強，而且朝著開放、標準化方向發(fā)展。2、中小型集散控制系統(tǒng)有較大發(fā)展?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和PLC的發(fā)展更促進了各集散控制系統(tǒng)制造商推出中小型集散控制系統(tǒng)。3、電控、儀表與計算機（ElectricalInstrumentationComputer，EIC）“機電一體化”將導致各公司的兼并，EIC集成已是大勢所趨。4、軟件與人機界面更加豐富。集散系統(tǒng)已經(jīng)采用實時多用戶、多任務操作系統(tǒng)。配備先進控制軟件的新型集散系統(tǒng)將可以實現(xiàn)適應控制、解耦控制、優(yōu)化控制和智能控制。5、系統(tǒng)集成化。集散控制系統(tǒng)作為CIMS（計算機集成化制造系統(tǒng)）的基礎，是其系統(tǒng)集成的主要組成部分，成為提高企業(yè)綜合效益的重要途徑。6、以因特網(wǎng)（Internet）、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、控制網(wǎng)或現(xiàn)場總線為通信網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)的一種更開放、更分散、集成度更高的分布式計算機控制網(wǎng)絡正在迅速發(fā)展，相應的控制理論和控制方法也將得到新的發(fā)展。第三十八頁，共52頁。1.2.3控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求：

1、控制網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)應具有開放性（指協(xié)議、標準公開，遵循相同標準的設備可互連并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互）。開放是指對相關(guān)標準的一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從，一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)連接，通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換，用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。2、控制網(wǎng)絡中的控制設備應具有互操作性（指互連設備間的信息傳輸）與互用性（指設備的相互替換）。

互可操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通;而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換。

第三十九頁，共52頁。3、控制網(wǎng)絡應滿足系統(tǒng)的時序、實時性及有效性要求。4、控制網(wǎng)絡應具有對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，專為現(xiàn)場環(huán)境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。第四十頁，共52頁。1.3控制網(wǎng)絡在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位與作用1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡連接結(jié)構(gòu)劃分：底層控制網(wǎng)（Infranet）、