自动化系统网络结构I.ppt

自动化系统网络结构 一、综述 二、现场总线 三、基础自动化网络技术 四、过程自动化网络技术 五、生产制造执行系统简介 一、综述 1、企业自动化系统结构 2、自动化系统常用的网络拓扑结构 3、网络设备 1 、企业自动化系统结构 企业信息化和自动化系统 是分层实现的，一般分为 五层结构： 现场设备与总线级（l0） 基础自动化级（l1） 过程控制级（l2） 制造执行级（l3） 企业资源规划级（l4） 自动化系统的典型网络拓扑 企业自动化系统的结构原理图 2 、自动化系统常用的网络拓扑结构 自动化系统常用的网络拓扑结构主要有星型、环型、总线 型三种 （1）星形拓扑 星形拓扑是由中央节点和通过点到到通信链路接到中央节 点的各个站点组成。星形拓扑结构分为单星形拓扑和双星 形拓扑两种 星形拓扑结构优点主要有： 1. 控制简单 2. 故障诊断和隔离容易 3. 方便服务 星形拓扑结构缺点主要有： 1. 电缆长度和安装工作量可观 2. 中央节点的负担较重，形成瓶颈 3. 各站点的分布处理能力较低 （2）环形拓扑 环形拓扑网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一 个封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环 单向或双向传输，其中，双向传输时须考虑路径控制问题 。 环形拓扑优点主要有： 1. 电缆长度短。 2. 增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作 3. 可使用光纤 4. 结构简单 5. 控制逻辑简单 6. 挂接或摘除结点也比较容易 7. 系统的初始开发成本以及修改费用较低 环形拓扑缺点主要有： 1. 节点的故障会引起全网故障 2. 故障检测困难 3. 环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌 传达式传递的方式，在负载很轻时，信道利用率 相对来说就比较低。 （3）总线拓扑 总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通 过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共 传输媒体即称为总线。有些总线设有通讯控制器，采取集 中控制方式；而有些把通讯控制功能分设在各通讯接口中 ，称为发散控制方式 总线拓扑结构优点主要有： 1. 总线结构所需要的电缆数量少 2. 总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性 3. 易于扩充，增加或减少用户比较方便 总线拓扑结构优点主要有： 1. 总线的传输距离有限，通信范围受到限制 2. 故障诊断和隔离较困难 3. 分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时 功能 网络拓扑结构特点的对比与总结 拓扑结结构结结构特点优优点缺点应应用领领域 总线 型网络上所 有节点连接 在一个信道 上 节省传 输介质； 系统结 构 简单 ；总 线易于扩 展 网络数 据大时性 能下降； 传输 介质 断开，影 响面广， 查找问题 困难等 适应对 等网络或 小型（10个用户以 下）基于服务器的 网络，大量用在控 制系统的现场设备 层（l0层），而很 少应用于基础自动 化层（l1层） 拓扑结结构结结构特点优优点缺点应应用领领域 环形网络上所 有结点都通 过点对点链 路连接，并 构成一个封 闭环 结构和控 制逻辑简单 ：系统为 所 有节点提供 相同接入； 用户数据较 多时，仍能 保持适当性 能 节点的故 障会引起全 网故障、故 障检测 困难 ；网络重新 配置将终止 正常操作 适应于令 牌型局域网 、fddi或 cddi。在控 制系统中， 常应用于要 求通讯可靠 性高、冗余 或容错的网 络 拓扑结结构结结构特点优优点缺点应应用领领域 星形依赖集线 器的网络结 构 方便布线 ，系统易于 变化和扩展 ；集中式监 视和管理； 某个节点故 障，不影响 其它部分 需用大量 传输 介质； 中心节点负 担较重，一 旦出问题 ， 该节 点连接 所有设备 均 受影响 最常用网 络拓扑结构 ，在控制系 统应 用最为 广泛，在对 网络没有特 殊要求时， 一般推荐使 用 3 、网络设备 （1）传输介质 传输传输 介质质 特点传输传输 距离 传输传输 速度 通信容量 传输质传输质 量 适用范围围 同轴电缆结构特殊 （多层结 构，有铜 芯、绝缘 层、屏蔽 层、外包 皮） 10base-2 类（细缆 ）能到 185m； 10base-5 类（粗同 轴电缆 ） 能到500m 能支持 10mbps， 速度相对 较低 支持连 接较多 设备， 以及较 大的通信 容量 具有很强 的抗干 扰能力 ， 传输的 信号质 量比较 好 各种视频 传输，楼 宇监控， 以及部分 带宽要求 高的局域 网等 传输传输 介质质 特点传输传输 距离 传输传输 速度 通信容量 传输质传输质 量 适用范围围 双绞线双绞线 有两 种基本类型 ：屏蔽双绞 线（stp） 、非屏蔽双 绞线 （utp ），均由两 根绞在一起 的导线 来形 成传输电 路 较短，一 般不要超 过100m 有三种： 10mbps、 100mbps、 1000mbps 与同轴电 缆相比， 其带宽 受 到限制， 容量较少 utp类传 输信号较 差； stp类传 输信号较 好 适合中距离 （2km左右 ）传输 ， 对信号质量 没有过高要 求的领域， 如100base- t的局域网 传输传输 介 质质 特点传输传输 距离传输传输 速度 通信容量 传输质传输质 量 适用范围围 光纤光纤具有 园柱形的 形状，由 三部分组 成：纤芯 、包层和 护套。采 用光传 输信号 距离长， 可1000m以 上 速度高， 有 100mbps 、 1000mbps ，广泛用 于高速数 据通信网 频带宽 ，支持大 的通信容 量 传输衰 减小、能 电磁隔 离、误 码率低 等，信号 质量高 ，适宜于 要求高速 可靠通 讯的领 域 长距离的 高速通讯 领域，如 一些骨干 网应用， 部分可靠 性和速率 要求高的 的局域网 等 （2）交换机 交换机是按照通信两端需要，用自动方法把要传输的信 息送到符合要求网络上的设备。 选择交换机时，应把握几个原则： 确定适当的端口数和类型 考虑工作层次 考虑性能档次 交换机品牌非常多，国外著名品牌有cisco、安奈特、 netgear等，国内的如华为、d-link、tp-link、实达等 以tp-link tl-sg3424型24口全千兆二层交换机为例，介 绍生产自动化系统常用交换机的基本特性: tp-link tl-sg3424型交换机特性主要包括： 1. 提供丰富的接口，灵活接入：24个10/100/1000m自适 应rj45端口，4个千兆sfp（mini gbic）光纤模块扩展插 槽，1个配置管理接口 2. 支持存储转发，交换容量48gbps，支持8k bits地址表 3. 全面的安全防护体系，保障网络长期稳定运行丰富的 qos策略和acl访问控制功能，多业务高效融合运作 4. 支持端口汇聚和多种生成树协议，提高链路冗余备份 的能力 5. 提供web网管，cli命令行，snmp等安全灵活的方式;提 供环回检测、线缆检测、系统日志等功能，维护简单。 （3） 路由器 路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译” ，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个 更大的网络 选择路由器时，应把握几个原则： 确定连接方式 明确应用定位 选择合适端口 明确传输速率 关注控制管理功能 考虑可靠性和安全性 以华为quidway ar28-31型路由器为例，简单介绍一下生 产自动化系统常用路由器的基本特性: 配置包括： 1. 提供丰富的接口：2个10/100m自适应rj45端口， 1个aux口（备份），1个同步/异步接口，23个扩 展模块接口，1个配置管理接口 2. 基本配置为：cpu为mpc8245(300mhz),32mb flash，256mb sdram，90100kpps(包每秒)转发性 能 特性包括: 成熟的vpn解决方案 网络安全 互连协议 网络协议 应用层协议及业务特性 特性包括: qos 网络可靠性 系统可靠性 语音特性 简单便捷的网络检测工具 配置管理 （4）防火墙 防火墙指的是一个由软件和硬件设备组合而成，在内部 网和外部网之间、专用网与公共网之间的界面上构造的 保护屏障.是一种获取安全性方法的形象说法 防火墙是一种计算机硬件和软件的结合，使网络之间建 立起一个安全网关（security gateway），从而保护内 部网免受非法用户的侵入 选择防火墙时，应按照以下几个步骤来开展: 做好需求分析 把握基本原则 明确常用指标 防火墙产品中，国外主流厂商为思科（cisco）、 checkpoint、netscreen等，国内主流厂商为东软、天融 信、山石网科、网御神州、联想、方正等，它们都提供不 同级别的防火墙产品 以cisco asa5505型防火墙为例，简单介绍常用企业级防 火墙的基本特性： 配置包括： 1. 提供丰富的接口：8个以太网口(rj45型)，1个 ssc扩展插槽，3个usb 2.0接口，1个配置管理接口 （rj45） 2. 基本配置为：64mb flash，256mb sdram等 特性主要包括： 1. 防火墙吞吐率高达150mbps 2. vpn 吞吐率高达100mbps 3. 支持并发连接25000个 4. 安全过滤带宽为100mbps 5. ipsec vpn对为10或25 6. ssl vpn对许可证级别为10或25 7. 内置一个灵活的8端口10/100快速以太网交换机，其端口能进行动 态组合，为家庭、企业和互联网流量创建3个独立的无中继支持的虚 拟接口 (vlan)，以改进网络分区和安全 8. 提供两个以太网供电(poe)端口，简化了配备自动安全ip语音 (voip)功能的思科ip电话的部署，以及外部无线接入点的部署，扩展 了网络移动性 9. 通过其模块化设计，提供了1个外部扩展插槽和3个usb端口，能在 未来添加更多服务，从而实现了出色的扩展能力和投资保护 二、现场总线 1、 引言 2 、现场总线定义 3 、现场总线的特点 4 、现场总线用途 5 、现场总线的现状和发展趋势 6 、主流现场总线简介 7、 现场总线应用 1、引言 以现场总线为核心连接现场设备的基础自动化系统 2、 现场总线定义 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控 制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的 数据总线 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字 、双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能 化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字 通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信 息传递问题 3 、现场总线的特点 增强了现场级信息集成能力 开放式、互操作性、互换性、可集成性 系统结构的高度分散性 现场设备的智能化 系统可靠性高、可维护性好 降低了系统及工程成本 对现场环境的适应性 4、现场总线用途 制造业自动化：如汽车制造（机器人、装配线、 冲压线等）、造纸、纺织等行业 过程控制自动化：如石化、制药、水泥、食品、 饮料等； 电力及楼宇自动化：如发电、输配电等 楼宇自动化：如空调、风机、照明等 铁路交通：如信号系统等 5、 现场总线的现状和发展趋势 （1）现场总线的现状 多种现场总线并存 各种总线都有其应用的领域 每种现场总线都有其国际组织和支持背景 多种总线成为国家和地区标准 设备制造商参与多个总线组织 各个总线彼此协调共存 （2）现场总线发展趋势 寻求统一的现场总线国际标准，统一的标准是大势 所趋，目前众多的总线会变成一两种总线标准 industrial ethernet走向工业控制网络 6 、主流现场总线简介 几种主流的现场总线： u 基金会现场总线（foundationfieldbus 简称ff） u can（controllerareanetwork 控制器局域网） u lonworks u devicenet u profibus u hart u cc-link u worldfip u interbus 7 、现场总线应用 （1） 现场总线选型 需考虑特定的比较参数和设计，主要包括： 通信速率和数据延迟 物理互连媒介 抗扰度 比特误差率和总线故障 允许的互连长度 允许的网络节点数量 容易增加额外的节点 功耗、成本、可靠性和隔离要求 现场总线选型需要折衷考虑的因素 常用现场总线应用范围 总线总线名称特点应应用范围围 基金会现场总线 （ff） 基于osi的简化模型（1，2，7层 ),有低速h1和高速h2 工业应用广泛，支持总线供电和本质安全 防爆环境 can 协议分为物理层和数据链路层； 速率最高可达40mbps 最特色的是汽车应用 lonworks 基于osi的7层模型，采用专门 lontalk协议 楼宇自动化，以及分布式监控应用 devicenet 基于can技术，传输率可至 500kbps 低成本的通信方案，较简单 的工业应用。 profibus 支持主-从系统、纯主站系统、多 主多从混合系统等传输方式 dp常用于工厂自动化现场领 域;fms适用于 纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压 开关等; p