第6章：工控通信与现场总线概述.ppt

水电厂计算机监控系统 主讲 贾振国 长春工程学院能源动力工程学院电站控制教研室 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 第六章 工控通信与现场总线概述 工控网络技术概述 一 二 现场总线控制系统体系结构的特点 工业数据通信与控制网络基础 三 四 工控网络连接 网络传输介质及特性 五 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 一 工控网络技术概述 工控网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术 是计算机网络 通信技术与自控技术结合的产物 1 定义 2 必要性 1 企业的信息集成系统正在迅速壮大 2 企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性 对底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 一 工控网络技术概述 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 一 工控网络技术概述 传统泵 阀控制系统结构示意图 P V1 P V2 P V3 P V4 P V5 CPU I O AD DAetc Modules 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 3 发展趋势 1 以工业PC为基础的工控自动化已成为主流 工业控制自动化的三个层次 基础自动化 过程自动化和管理自动化 其核心是基础自动化和过程自动化 工业PC为基础的低成本工控自动化系统的特点 1 开放的结构 2 PC工控机的软硬件丰富 3 柔性的联网能力 4 复杂任务及多种平台运行能力 一 工控网络技术概述 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 3 发展趋势 2 PLC 可编程序控制器 得到了广泛的应用 大型网络化 多功能 高可靠性 3 面向测控管一体化设计的集散控制系统 集散控制系统 也称为分布式控制系统或分散式控制系统 DCS 它采用了标准化 模块化和系列化的设计 由过程控制级 控制管理级和生产管理级组成 以通信网络为纽带 对数据进行集中显示 而操作管理和控制相对分散 是一种配置灵活 组态方便 具有高可靠性的控制系统 分散控制 集中操作 分级管理 分而自治和综合协调 一 工控网络技术概述 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 4 大力发展和采用现场总线技术 3 发展趋势 现场总线 是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式 数字化 双向串行 多节点的通信总线 采用现场总线技术可实现一种具有开放式 数字化和网络化结构的新型自动化控制系统 优势 现场仪表的智能化 控制功能分散化 控制系统开放化 全程数字化 极大地提高抗干扰能力 开放互联 一 工控网络技术概述 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 5 大力研究和发展智能控制系统 3 发展趋势 为什么需要智能控制 智能控制定义 模拟人类学习和自适应的能力 能学习 存储和运用知识 能在逻辑推理和知识推理的基础上进行信息处理 能对复杂系统进行有效的全局性控制 能自主地驱动智能机器实现其目标的过程 智能控制系统的研究范围 模糊逻辑控制 专家控制 神经网络控制 混沌控制 学习控制系统等 一 工控网络技术概述 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 二 现场总线控制系统体系结构的特点 1 定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 也有将现场总线定义为应用在生产现场 在智能测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统 也称为开放式 数字化 多点通信的低成本底层控制系统 2 特点 在体系结构上成功实现了串行连接 一举克服并行连接的许多不足 在技术层面上成功解决了开放竞争和设备兼容两大难题 实现现场设备智能化和控制系统分散化目标 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 二 现场总线控制系统体系结构的特点 结构特点 基础性 灵活性 易用性 分散性 经济性 技术特点 开放性 交互性 自治性 适应性 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 P V1 P V2 P V3 P V4 P V5 CPU DeviceNet接口 NetworkScanner 现场总线泵 阀控制系统结构示意图 二 现场总线控制系统体系结构的特点 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 三 典型现场总线简介 1 基金会现场总线 FoundationFieldbus FF 1994年 由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会 拥有120多个成员 AB ABB Honeywell等 采用OSI ISO物理层 数据链路层和应用层 增加了用户层 有低速 H1 31 25kb s 200m 400m 1200m 900m 与高速 H2 1Mbps 2 5Mpbs 750m 500m 之分 H2逐渐被HSE 100Mb s 甚至更高 取代 支持双绞线 同轴电缆 光缆和无线发射传输介质 应用领域 比如化工 石油 污水处理 电力等 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 2 过程现场总线 Processfieldbus Profibus 三 典型现场总线简介 西门子为首的13家公司 有3种版本Profibus FMS FieldbusMessageSpecification Profibus PA ProcessAutomation Profibus DP DecentralisedPeripherals 采用ISO OSI的物理层 数据链路层和应用层传输速率为9 6kbps 12Mbps 传输距离为100m 1 2km采用总线型 树型 星型支持双绞线和光纤制造自动化和过程控制自动化 电力 铁路交通 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 3 控制器局域网络 ControllerAreaNetwork CAN 三 典型现场总线简介 由德国Bosch开发 起初专为汽车工业设计 遵循ISO OSI模型 采用了物理层和数据链路层 应用层协议允许用户自行开发 采用短帧结构 最可靠 可采用双绞线 同轴电缆 光缆等传输介质 通讯速率最高1Mb s 最远通讯距离可达10km 成为ISO国际标准 芯片由摩托罗拉 Intel等公司生产 价格低廉 用量最大 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 三 典型现场总线简介 4 局部操作网络 LocalOperatingNetwork LON 由美国Echelon公司推出 摩托罗拉 东芝支持倡导 组成LonMARK互操作协会 采用OSI模型全部7层通讯协议 通讯速率从300b s到1 5Mb s 通讯距离可达2700m采用总线型 树型 支持双绞线 同轴电缆 光缆和红外线 电力线 无线发射等传输介质 最大的应用领域在楼宇自动化 在工业控制领域如石油 铁路也有应用 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 三 典型现场总线简介 5 设备网 DeviceNet 由Rockwell推出 交由ODVA管理后得到全球众多制造商的支持 如Omron Hitachi ABB等 采用物理层 数据链路层和应用层 可选数据传输速率125Kbps 250Kbps 500Kbps 对等 peertopeer 多主和主从通信方式 可带电更换网络节点 在线修改网络配置 基于CAN的技术 低成本 高可靠性 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 三 典型现场总线简介 6 控制网 ControlNet 由美国RockwellAutomation推出 交由CI管理后在全世界范围内拥有包括RockwellAutomation ABB Honeywell等70家著名厂商组成的成员单位 通讯速率5Mb s 通讯距离30km 采用物理层 数据链路层和应用层 支持总线型 树型和星型 应用于交通运输 汽车制造 冶金 矿山 电力 食品等领域 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 三 典型现场总线简介 7 P Net ProcessautomationNet 1984年由丹麦ProcessdataA s公司提出 由Process DataSilkeborgAps开发 采用OSI 的物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层 采用屏蔽双绞线 数据传输速率为76 8kbps 传输距离1 2km 多主控制器 主从式总线 每段最多可容纳32个主控制器 应用主要集中农业 水产 饲养 林业 食品等行业 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 三 典型现场总线简介 8 WorldFIP WorldFactoryInstrumentationProtocol WorldFIP基于FIP协议 其最初由法国于80年代开发 并成为法国国家标准和欧洲标准 有WorldFIP协会组织 采用ISO OSI模型物理层 数据链路层 应用层 具有单一的总线结构 可适应不同应用领域的需求不同应用领域采用不同的总线速率 过程控制采用31 25kpbs 制造业为1Mbps 驱动控制为1 5Mbps 主要应用 过程 制造自动化 电力 铁路运输 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 1 工控通信与计算机通信的区别 1 功能上的区别 计算机通讯的功能是可靠地传递信息 现场总线的功能是经济 安全 可靠的传递信息 正确使用所传信息 及时处理所传信息 2 要求上的区别 对计算机通讯的主要要求是传输速度快 对现场总线的要求不仅是传输速度快 而且要求响应快 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 2 工控通信中需要考虑的问题 四 工控网络连接 产品怎样互联在一起 系统中不同产品间要有可靠的互操作性及不同供货商的同类产品要有可互换性 产品将要交换什么样类型的数据 是控制数据 如I O等 还是信息数据 如图文 声音等 系统需要什么样的容吐量 产品怎样被组态 系统能否在将来可以进一步扩充 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 3 工控通信三层网络 四 工控网络连接 1 罗克韦尔自动化三层网络 即设备层 控制层和信息层的体系 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 从底层到高层全部是开放的不需许可证 不用注册 没有任何限制对任何人都是可用的技术产品的可靠的互操作性扁平结构可从高层对以下各层的产品组态及监测以最少层次的网络支持所有层之间的完全桥接层之间通过网桥 网关连接对设备可有增强的诊断能力将控制分散到整个体系 四 工控网络连接 3 工控通信三层网络 2 三层网络的共同特点 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 信息层 例如 使用Ethernet 高速报文传送高容量数据共享控制层 例如 使用ControlNet 支持I O信息 报文的传输和诊断功能开放性技术能够设置信息的优先级支持多主机 广播式和点对点 Peer to Peer 的通信方式高速I O信息和报文的传送有效地数据共享确定性和可重复性 Determinism Repeatability 设备层 例如 使用DeviceNet 有类似于控制层的要求 但更强调降低安装费用 系统调试时间 2 三层网络的共同特点 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 4 工控网络拓扑结构 1 网状拓扑 网状结构是指将各网络结点与通信线路互连成不规则的形状 每个结点至少与其它两个结点相连 或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连 大型互联网一般都采用这种结构 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 4 工控网络拓扑结构 2 星形拓扑 星型结构的每个结点都由一条点到点链路与中心结点 公用中心交换设备 如 交换机 HUB等 相连 信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的 并且只能通过中心站点与其它站点通信 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 4 工控网络拓扑结构 3 环形拓扑 环型结构是各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中 环型结构有两种类型 即单环结构和双环结构 令牌环 TokenRing 是单环结构的典型代表 光纤分布式数据接口 FDDI 是双环结构的典型代表 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 4 工控网络拓扑结构 4 总线拓扑 总线型拓扑结构是常用的局域网拓扑构 在这种拓扑结构中采用一条主干电缆 所有的节点通过其它的传输介质连接在该主干电缆上 主干电缆上安装有吸收信号反射的终结器 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 四 工控网络连接 拓扑结构比较 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 1 传输介质 传输介质是传输信息的载体 是网络中位于发送端与接收端之间的物理通路 资源子网中的各节点和通信子网中的通信处理机 IMP 之间均需通过传输介质连接 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 2 主要特性 1 物理特性 传输介质物理结构的描述 2 传输特性 传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术 传输容量 传输的频率范围 3 连通特性 允许点 点或多点连接 4 地理范围 传输介质最大传输距离 5 抗干扰性 传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响能力 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 3 有线介质 双绞线屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 3 有线介质 1 双绞线 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 双绞线的特点 双绞线的优点 1 价格便宜 2 安装容易缺点 1 易受电器干扰 2 传输速率不快 约10Mbps 双绞线电缆一般用于电话及低速数据或短距离通信上 五 工控网络传输介质及特性 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 3 有线介质 2 同轴电缆 同轴电缆按阻抗分有两种 一种是50欧姆电缆 一般以铜网为外导体 用于基本数字信号的传输 主要用于局域以太网 速率一般是10Mbps 另一种是75欧姆电缆 用于宽带模拟传输 常用于有线电视 频带可达300M 450MHz 以铝带为外导体 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 3 有线介质 3 光纤 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 五 工控网络传输介质及特性 多模光纤与单模光纤 长春工程学院能源动力工程学院 水电厂计算机监控系统 不受电