第一章 工业控制网络概述.ppt

第一章 工业控制网络概述 控制系统 的发展 20世纪50年代前，第一代过程控制体系结构(制动式或pcs)是基 于(315)psi的气动信号标准。(基地式仪表控制系统） 随后的25年，第二代过程控制体系结构(模拟式或acs)使用的是 (420)ma的模拟信号。（单元组合式模拟仪表控制系统） 到了70年代，从而产生了集中式控制，即第三代过程控制体系结 构(ccs)。（集中式数字控制系统） 80年代，由于微处理器被嵌入到各种仪器设备，仪器设备的智能 化从而产生了分布式控制，即第四代过程控制体系结构（dcs、 plc） 80年代中后期。出现基于现场总线的新一代控制系统（fcs） 1、psi国际压力单位 ：1psi=0.0704千克/平方厘米，常 说的公斤力 2、ccs：concentrate control system 3、dcs：distributed control system 4、fcs：fieldbus control system 5、组态软件：所谓组态设计就是用某一应用软件中提 供的工具 、方法完成工程中某一具体任务的过程。这个 应用软件就是我们所说的组态软件。 /anli/anlicontent2.asp?idg=4 889 1.1概述 1、工业控制网络的发展 产生背景：工业生产的现代化要求 ；与微电子技术 （vlsi是英文very large scale integrated circuit的 缩写,vlsi） 、计算机技术、通信技术、控制技术 、网络技术的发展密切相关 。 20世纪60年代 ：ddc控制 利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以 取代模拟仪表 。 提高了系统的控制精度和控制的灵活性 在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性 能价格比 20世纪80年代：分层控制系统 工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单 一 的ddc控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和 生产工作的管理要求； 中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高 。 在分层控制系统中，由微机作为前置机去对工业设 备 进行过程控制，由中小型计算机对生产工作进行管理 ,从而实现了控制功能和管理信息的分离。 当控制回路数目增加时，前置机及其与工业设备的 通 信要求就会急剧增加，从而导致这种控制系统的通信 变得相当复杂，使系统的可靠性大大降低。 dcs（集散控制）系统 计算机网络技术的迅猛发展，同时也因为生产过程 和 控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网络技术应 用到了控制系统的前置机之间以及前置机和上位机 的数据传输中。 前置机仍然完成自己的控制功能，但它与上位机之 间的数据（上位机的控制指令和控制结果信息）传 输采用计算机网络实现。 上位机在网络中的物理地位和逻辑地位与普通站点 一样，只是完成的逻辑功能不同。 上位机增加了系统组态（组态软件）功能，即网络 的配置功能。这样的控制系统称为dcs（集散控制 ）系统。 dcs系统是计算机网络技术在控制系统中的应用成果，提高了 系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域仍然占据着 相当地位。 dcs系统采用的是普通商业网络的通信协议和网络结构，在解 决工业控制系统的自身可靠性方面没有作出实质性的改进，为 加强抗干扰和可靠性采用了冗余结构，从而提高了控制系统的 成本； dcs不具备开放性，布线复杂，费用高。 20世纪80年代后期 ：现场总线 针对dcs所存在的缺点，在dcs的基础上开始开发 一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实 现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线（ field-bus）。 目前，复杂的多层结构的工业控制网络 背景：控制要求越来越高，系统越来越复杂 多由国际上许多著名的自动化公司开发 如美国罗克韦尔自动化所提出的三层网络结构，以满足生产实 际的要求 虽然多层网络可以使得各层网络根据各自的主要任务选择不同 特性的网络规范，做到有的放矢 ；但这样势必造成网络结构较 为复杂，从而产生新的问题 。 在这种情况下控制网络又出现了开始向扁平化的方向发展的趋 势。 未来趋势：随着工业以太网技术的逐渐成熟，将来出现采用工 业以太网的一网到底结构的控制网络也不会太令人感到震惊。 2、工业控制网与企业网 定义：工业控制网是网络技术在工业控制领域中的 具 体应用,它是工业企业网络中的一个重要组成部分。 工业企业网络的结构体系一般采用三种形式 ：目前 对 于这类网络体系结构还没有形成统一的模式 将信息网与控制网络统一组网，然后通过路由器与设备网（现 场总线）进行互联互通构成工业企业网络，其基本结构如图1- 1所示。 现场设备的控制采用嵌入式系统加以实现，该嵌入式系统具有 网络通信能力的接口，能够实现与控制网的信息交换，而控制 网与信息网统一构建组网形成工业企业网，其结构如图1-2所 示。 控制网络信息网络 r r r 现场总线/控制网络 企业网 图1-1 通过互联构建一体化的企业网 控制网络 信息网络 企业网 嵌入式系统 图1-2 通过控制网络构建一体化的企业网 现场总现与intranet 集成。在该方案中，动态数据库一方面根 据现场信息动态的修改自身的数据；另一方面，接收监控站的控 制信息对其进行处理并送往现场。同时，为了保证控制的实时性 ，控制信息也可直接下送至现场，这种网络结构如图1-3所示。 由上述结构可以看出，工业控制网络实际上是工业企 业网的重要组成部分。 工业企业网角度看，工业企业网络的总体结构可以将 其看成上下两层的结构形式，即位于上层的信息网与 位于下层的控制网。 控制网还可进一步划分为控制层与设备层。 与internet一样，“intranet”也是一个合成词，“intra”的意 思是“内部的”，“net”是“network”的缩写，是指网 络，合起来 就是“内部网”，由于它主要是指企业内部的计算机网络，所以 也称“企业内部网”。从原理上来说，intranet其实就是一个局域 网，只是功能非常全面，在intranet内部可以象internet上一样 收发电子邮件，进行www浏览。当然这些操作都只限于在企业 内部，并不能直接从internet获取信息。 什么是intranet 监控站 动态浏览器 动态数据库 控制 信息 现场 信息 现场测控装置 控制 信息 控制 信息 现场 信息 图1-3 现场总线控制网络与intranet信息网络的集成方案 1.2典型工业企业网 企业组织和管理模式的发展 ： 分层递阶式 分布化 、扁平化 网络化 、动态重构化 虚拟企业 、敏捷制造 、分散网络化等概念便是这种 组织与管理模式的体现，同时也是时代发展的要求 与技术推动的结果 1、工业企业网的产生和发展背景 目前，企业网己渗透到国民经济的各个领域，它的发展和应用 ，对企业的产业结构、产品结构、经营管理方式将产生变革性 的影响 它也将成为衡量一个企业科技水平和综合力量的重要标志 企业网的应用不仅可以改造传统产业，提高产品的附加值，而 且对推动企业的发展，促进产业经济信息化也将起到关键性的 作用 在各类企业中应用企业网技术将是我国应该长期坚持的方针， 企业网在企业的生存和发展中占有重要的战略地位 从需求上来说，作为企业信息基础设施的企业网越来越被企业 所重视，企业的需要呼唤着企业网的产生和发展 需求背景 v 在当前市场经济条件下，企业要实现管理现代化， 要 在激烈的市场竞争中求得生存和发展,就必须善于收集 信 息、处理信息、利用信息，开发信息资源。(企业信息 化) 在一个企业的管理过程中，信息是企业预测的基础 ,预测必须 以信息为起点和终点，才能进行分析、演绎和逻辑推理，并进 而得到有用的信息 信息又是企业决策的前提，要使决策者做出正确并切实可行的 决策，就必须及时掌握全面可靠的信息 信息也是指挥和控制生产经营活动的依据，从一定意义上说， 企业生产经营活动的好坏在于管理者驾驭信息能力的强弱 现代社会，充分有效地利用信息资源是一个组织取得成功的重 要条件 企业网作为企业的信息基础设施恰恰适应了这种需要，能够满 足企业对信息的获取、分析和决策的要求 企业信息化 n实质上是将企业的生产过程、物料移动、事 物处理、现金流动、客户交互等业务过程数 字化，通过各种信息系统网络加工生成新的 信息资源，提供给个层次的人们洞悉、观察 各类动态业务中的一切信息，以作出有利于 生产要素组合优化的决策，使企业资源合理 配置，以使企业能适应瞬息万变的市场经济 竞争环境，求得最大的经济效益。 erp将企业业内部所有资资源整合在一起，对对采购购、生产产、 成本、库库存、分销销、运输输、财务财务 、人力资资源进进行规规划，从而 达到最佳资资源组组合，取得最佳效益。erp, （ enterprise resource planning）的合理运用已经经改变变了企业业运作的面貌 。erp通过过运用最佳业务业务 制度规规范（business practice）以及 集成企业业关键业务键业务 流程(business processes)来发问发问 和提高企 业业利润润，市场场需求反应应速度和企业业。 v 对于工业企业要想在激烈的市场竞争中求得生存和 发展，必须改善其过程控制和产品制造模式，依靠 虚拟制造、虚拟企业和大大提高自动化水平来实现 规模经营和灵活经营，从而降低产品成本，提高企 业经营效益 企业网实现了企业各部门之间以及企业与外界之间的有效联系 ，实现了现场控制网络与管理信息网络之间的有效联系，为虚 拟制造和虚拟企业的建立创造了条件 以现场总线为基础的现场控制网络使过程控制满足了准确性、 可靠性、开放性的要求，大大提高了其自动化水平 技术背景 飞速发展的计算机技术、网络与通信技术和控制技术 推 动着企业网技术的产生和发展。工业企业网正是这三种 技术在企业中的融合和应用： v 计算机技术 运算速度越来越快，存储容量越来越大，软件资源越来越丰富 ，应用领域越来越广泛 伴随着多媒体技术的发展，它已被用于教育、科研、生产、商 业、娱乐等各个领域，走进了人们生活的每个角落 计算机作为信息处理的工具，它不是孤立存在的，按照某种规 则和要求建立起来的计算机网络更显示了其强大的功能 v 网络与通信技术 高速宽带网的出现大大提高了通信效率，交换以太网、快速以 太网、千兆位以太网、fddi和 atm等网络技术逐渐成熟和完 善 可传输数据、文本，而且可传输声音、图像、视频等多媒体信 息 飞速发展的internet对人们的生活观念、生活方式、工作方式 产生了革命性的影响，人们已经越来越离不开网络。 v 控制技术 20世纪 80年代问世的现场总线是过程控制技术、仪表技术和 计算机网络技术结合的产物 通信协议参照了iso/osi七层参考模型，使得现场总线可以与 上层办公信息网集成到一起，从而使过程自动化、楼宇自动化 ，甚至家庭自动化成为可能 现场总线作为现场控制系统的基础，代表着今后测量与控制领 域技术发展的方向，它将产生的影响和将发挥的作用是难以估 计的 目前，国际上有关现场总线的争议已经演变为一场无形的市场 争夺战 现场总线技术的研究、开发和应用是一个十分复杂的课题 2、工业企业网的基本概念及特性 工业企业网（enterprise network）目前尚无统一 定义，一般是指在一个工业企业范围内将实现信号 检测、控制以及数据传递、处理与计算的设备、装 置或系统连接在一起，以实现企业内的资源共享、 信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业 外信息资源，使得各项事务协调运作，从而实现企 业集成管理和控制的一种网络环境。 企业网是一个企业的信息基础设施，它涉及局域网、广域网、 控制网以及网络互联等技术，是计算机技术、信息技术和控制 技术在企业管理与控制中的有机的统一。 网络技术发展及应用新里程的一个标志 ：网络技术与应用的热 点和重心向企业网技术的转移 工业企业网具有如下特性 ： 范围确定性 ：工业企业网是在有关企业范围内为了实现企业的 集成管理和控制而建成的一种网络环境，具有特定的地域范围 和服务范围，并能实现从现场实时控制到管理决策支持的功能 。 集成性：通过对计算机技术、信息与通信技术和控制技术等技 术的集成达到了现场信号监测、数据处理、实时控制到信息管 理、经营决策等功能上的集成，从而构成了企业信息基础设施 的基本骨架。 安全性：区别于internet和其他广域网，由于企业网是作为相 对独立单位的某个企业的内部网络，在企业信息保密和防止外 部入侵上要求有高度的安全性，确保企业既能通过企业网获取 外部信息和发布内部公开信息，又能相对独立和安全地处理内 部事务而不受外部干涉。 相对开放性：工业企业网是连接企业各部门的桥梁和纽带，它 是一个广域网，并与internet连通，以实现企业对外联系的职 能，也就是说，企业网是作为internet的一个组成部分出现的 ，它具有开放性，但这种开放性是在高度安全措施保障下的相 对的开放性。 3、工业企业网的发展历程 第一阶段 ：20世纪70年代中期开始 ，企业网是指 企业中传统的分时共享中心主机及其各终端所构成 的网络，基本上只限于作业处理，其功能和应用是 有限的 第二阶段 ： 随着局域网技术的发展，企业内不仅中小型计算机而且微型计 算机也能够被连入网络，共享信息与资源 工业以太网、集散控制系统（dcs）以及可编程控制器plc的 产生和发展，工业企业内的现场控制设备也被集成到一起 第三阶段 ：20世纪90年代开始 ，分别以infranet/ extranet技术和现场总线技术（或工业以太网）为 信息网和控制网的依托，形成了当前意义上的工业 企业网概念 4、控制网络与信息网络的互联 控制网络(infranet)与信息网络(intranet)互联的基础 及必要性 （1） 控制网络与企业高层网络之间互联，建立综合实时的信息 库，有利于管理层的决策； （2）现场控制信息和生产实时信息可以及时在企业网内交换，相 关人员能方便地了解企业生产情况； （3）建立分布式数据库管理系统，使数据保持一致性、完整性和 互操作性； （4）对控制网络进行远程监控、远程诊断、维护等，节省大量的 用于交通的投资和人力，特别适用于大型企业； （5）为企业提供完善的信息资源，在完成内部管理的同时，加强 与外部信息的交流，从而带来巨大的经济效益。 信息网络与控制网络互连技术的特点 控制网络不同于一般的信息网络，控制网络主要用于生产、生活 设 备的自动控制，对生产过程状态进行检测、监视与控制，一般它 具 有下述自身的技术特点： （1）要求节点有高度的实时性； （2）容错能力强，具有高可靠性和安全性； （3）控制网络协议实用、简单、可靠； （4）控制网络结构的分散性； （5）现场控制设备的智能化和功能自治性； （6）网络数据传输量小和节点处理能力需要减小； （7）性能价格比高。 控制网络与信息网络互联技术在控制领域的应用 internet对传统控制系统的影响 基于局域网的dcs ,但dcs还是封闭式的专用通信、集中与分散结 合 的控制体系；dcs大部分为模拟数字混合的系统，并未形成从控 制 设备到计算机的完整网络，且lan主要用于中、低速的分布式控 制 系统网络 (2) infranet和intranet与现场总线的结合 现场总线将工业过程现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络 将 节点连同控制室内的仪表和控制装置连成控制系统，这种基于现 场 总线的开放型分散控制系统（fcs）即第五代控制系统。 在计算机网络技术的推动下，控制系统向开放性、智 能化与网络化方向发展，产生了控制对象形成的网络，简 称控制网络 infranet（infrastructure network）。 infranet对自身要求较特殊，控制网络相对较小，成本 低，网络流通量的需求减小，响应时间快等等；通过建立 控制所需的优化、可靠的网络平台，把智能设备接入，实 现将家庭、办公室和企业连成一体的分布式控制网络。 优点: 打破了dcs控制系统专用通信的局限性 公开、标准的通信协议 控制功能完全分散到现场的智能仪表及装置上，即使计算机出 现故障，控制系统也不会瘫痪 把dcs系统集中与分散结合的集散结构改变成全分散式结构 infranet和intranet与现场总线的结合，使传统的、封闭的、 僵化的集中式控制系统正在被开放的、灵活的、网络化控制系 统替代 注释： 一般控制网络结果比较简单，以internet为基础的信息网络在 技术上优先于控制网络其技术上成熟的新思想、新理论已融入 控制网络。 5、企业的控制管理层次 公司管理 工厂管理层 监控层 现场层或单元控制层 设备、传感器执行器层 vax (mainframe) workstation vax workstation pc plc,cnc pc up,uc wans lans 现场总 线系统 1 2 3 4 5 图1-4 cim模型 n在1978年，dec公司建立了第一个基于vax（ virtual address extension）即虚拟地址扩展的计算机体系，它 是dec计算机系统特有的复杂指令计算（cisc）体系结 构的计算机vax11、780。当时是基本32位的计算机， 并且能够有高达1mips的运算性能。在那个年代，这台 计算机的速度和性能都是无与伦比的。在当时要值 $200,000。但显然是最棒的。vax是多用户系统，vax 计算机专用的终端只能用于vax系统上，并且可能用于 internet服务，它的唯一性和不兼容性保持着它的安全 基础。 注释： 底层的单元层和设备层是企业信息流和物流的起点 ，以控制为主，能否实现柔性、高效、低成本的控 制管理，直接关系到产品的质量、成本和市场前景 传统的dcs、plc控制系统由于其控制的相对集中 ，导致了可靠性的下降和成本的上升，且无法实现 真正的互操作性 自身系统的相对封闭，与上层管理信息系统的信息 交换也存在一定困难 因此，步入20世纪90年代以来，作为一种趋势，现 场总线系统正逐渐成为该控制领域的主流 工业企业网的功能体系结构 工业企业网技术是一种综合的集成技术，它涉及到计算机技术 、通信技术、多媒体技术、管理技术、控制技术和现场总线技 术等 应用需求的提高和相关技术的发展，要求企业网能同时处理数 据、声音、图像、视频等多媒体信息，满足企业从管理决策到 现场控制自上而下的应用需求，实现对多种媒体、多种功能的 集成 体系结构如图1-5所示 信息网位于工业企业网的上层，是企业数据共享和传输的载体 ，它需满足如下要求： 是高速通信网； 能够实现多媒体的传输； 与internet互联； 是一个开放系统； 满足数据安全性要求； 技术上易于扩展和升级（更新） 数据库 服务器 工作站 信息网 协议转换网关 plcdcs智能变送器智能执行器 控制网 图1-5 工业企业网的功能体系结构 控制网位于工业企业网的下层，与信息网紧密地集成在一起， 服从信息网的操作 又具有独立性和完整性，它的实现既可延用工业以太网，也可 采用自动化领域的新技术现场总线技术，或二者的结合 1.3工业控制网络 n控制网络一般主要用来处理实时现场信息，具有协议简单、容 错性强、安全可靠、成本低廉的特点，是网络控制系统进行实 时控制信息处理的数据流通道。 n控制网络一般指以控制事物对象为特征的计算机网络系统，简 称为infranet(infrastructure networ