控制网络与系统集成 第一讲.ppt

陈立定地点 三号楼514室电话mail Ldchen 课程名称 控制网络与系统集成英文名称 ControlNetworkandSystemIntegration 课程的性质和任务 本课程是自动化学科的专业课 课程重点是力图使修读者全面了解控制网络 工业数据通信与系统集成的技术概貌 课程完成后能对学生开展控制网络和系统集成的应用研究和技术开发有一定的指导作用 全面展现工业数据通信 控制网络和系统集成的技术概貌 从介绍网络 通信的基础知识入手 深入地比较多种现场总线各自的技术特点 规范 通信控制芯片 接口电路以及控制网络的设计应用 在此基础上 根据系统集成的要求深入浅出地阐述了控制网络的开放系统互联 参考模型 系统组成 实时操作系统与管理系统等 并结合工程实例论述 课程内容 课程是一门综合性和实践性很强的课程 需要理论方法和大量的实践 了解控制网络和系统集成的基本概念 原理和方法 掌握网络控制系统集成的分析 设计 实施与管理的一般方法 技能和基本的信息处理技术 了解各相关学科和技术领域的重要概念和最新发展 建立完备的系统集成的观念 从整体上研究和解决问题的系统集成建设方法论 善于对来自自然科学 社会科学和工程技术方面相关的科学知识和研究成果进行综合集成 做到理论与实际并重 继承与创新结合 丰富阅历 拓宽视野 为将来从事信息系统工程的理论研究和实用信息系统的设计开发打好基础 基本要求 学时安排 结合本课程的内容撰写论文或读书报告一篇 题目自拟 论文必须严格按照学术论文的规范撰写 要求论点明确 论据可靠 有自己的见解 不要拼凑 不准抄袭 严禁 克隆 要有中英文提要 关键词 引文注明出处 文末列出参考文献目录 字数要求不少于10000字 用A4纸打印一式一份 于2009年2月28日前交任课教师 实验内容和要求 考核要求 可结合华南理工大学 三菱电机FA实验室的背景和控制对象进行小规模网络控制系统的系统集成 参考教材 杨宪惠编著 工业数据通信于控制网络 清华大学出版社 郑文波编著 控制网络技术 清华大学出版社王正友编著 网络规划与系统集成 王达编著 计算机网络远程控制 清华大学出版社 赵强 J2EE应用开发 电子工业出版社 Java2参考大全 第四版 清华大学出版社 第一讲绪论 正在迅速壮大 将覆盖从现场控制到监控 市场 经营管理的各十层次以及从原料采购 生产加工的各个环节 并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程 以适应企业管理控制一体化的应用需求 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 工业数据通信与控制网络技术正是在这种形势下逐渐发展形成的 1 1工业数据通信与控制网络概述 网络技术正在加速装备制造业全球化的进程 并正在改变其生产和流通方式 技术发展特征 技术的融合化产品发展特征 产品的高技术化 绿色化即产品的高附加值化 智能化和系统化系统管理特征 集成化 包括系统集成 软件集成 技术集成和接口集成 和网络化 实现产业的信息化 软件化 高附加值化 高速化高精度化复合化智能化开放化并联驱动化网络化极端化绿色化 1 1 1装备制造业正向全面信息化方向迈进 技术发展趋势 中国 日本乃至亚洲的装备制造业已经不再仅仅局限在亚洲拓展 更积极地扩张其在世界市场的占有份额 1 1工业数据通信与控制网络概述 1 1 2中国装备制造业工厂的烦恼 生产力低 不良品多 开发周期长 浪费多 上层的指示无法传达 现场的信息无法获取 想要推进生产现场的信息化 但不希望高成本 设备运转率 柔性生产 节能 开发周期 产品合格率 生产周期 1 1工业数据通信与控制网络概述 在最大程度满足工厂生产要求的情况下 采购成本 人力成本 安装调试成本 运输成本 维护成本 企划 开发 调试 应用 维护等各个环节 1 1 3控制系统要解决的问题 第一讲绪论 整合工业网络将解决制造业诸多的烦恼 设备运转率提高 生产性提高 开发周期缩短 品质损耗减少 加工时间缩短 制造周期缩短 系统构筑成本降低 1 1 3控制系统要解决的问题 第一讲绪论 提高生产效率 缩短开发 启动时间 缩减设计 调试时间缩减测试 启动时间 降低维护成本 降低现场的维护成本减少停机时间 缩短单位产品的生产时间生产线的整体优化 TCO的削减 工业网络的应用为用户带来收益 1 1 3控制系统要解决的问题 1 1工业数据通信与控制网络概述 用户获益 1 1 4控制系统发展历程 现场总线是工业网络的重要组成部分 网络化智能化 分布式 集中式 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 这是继基地式气动仪表控制系统 电动单元组合式模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统 集散控制系统 DCS 之后控制系统的新型结构形式 20世纪50以来 简单测控功能的基地式气动仪表气动 电动系列的单元组合式仪表集中控制室集中式数字控制系统DCS系统 模拟数字混合系统 控制网络 全分布式控制系统 1 1工业数据通信与控制网络概述 工业数据通信 工业数据通信的内容可以追溯久远 但控制网络却是近些年发展形成的 控制网络是在现场总线技术的基础上发展形成的 IEC对现场总线 fieldbus 的定义 由IEC TC65负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC65C WG6定义的 因此 现场总线 一词被定位于生产现场的数据通信技术 现场总线技术已超出了原有的定位范围 不再只是通信标准与通信技术 而成为网络系统与控制系统 与互联网的结合使控制网络又进一步拓宽了视野和作用范围 不再受限于局域网 1 1 4控制系统发展历程 1 1工业数据通信与控制网络概述 控制网络什么 控制网络将多个分散在生产现场 具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点 采用公开 规范的通信协议 以现场总线作为通信连接的纽带 把现场控制设备连接成可以相互沟通信息 共同完成自控任务的网络系统与控制系统 1 1 4控制系统发展历程 1 1工业数据通信与控制网络概述 传统的数据通信到工业数据通信 通信系统 用于设备与设备 设备与人 人与人之间的信息传递 早期的通信系统 如利用烽火台的火光与烟雾的远古时期 书信等现代通信系统 一般都运用电子或电力设备在两点或多点之间传递信息 数据通信 在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换的过程 互联网的出现 工业数据通信 存在大量检测工艺参数数值与状态的变送器和生产过程的控制设备传统的测量控制系统 点到点布线的信号传送方式 数字信号的串行通信 采用网络的连接形式构建数据通道 即数据通信网络 实现串行数据通信的导线就称之为总线 1 1 4控制系统发展历程 1 1工业数据通信与控制网络概述 传统的数据通信到工业数据通信 工业数据通信的总线划分 按通信帧的长短 传感器总线 数据位级的总线 设备总线 字节级的总线 现场总线 数据块级的总线 可支持分包传送 统称为现场总线 问题 在工业数据通信中 与控制作用直接相关的数据帧对通信传输的实时性要求 1 1 4控制系统发展历程 1 2网络集成式控制系统 传统控制与网络化控制的对比 1 系统结构的比较 传统控制系统 1 2 1控制系统的新型结构 1 2网络集成式控制系统 传统控制与网络化控制的对比 1 系统结构的比较 网络化控制 1 2 1控制系统的新型结构 1 2网络集成式控制系统 传统控制与现场总线的对比 2 接线方式的比较 传统控制系统 1 2 1控制系统的新型结构 1 2网络集成式控制系统 接线方式的比较 网络化控制 传统控制与现场总线的对比 2 1 2 1控制系统的新型结构 1 2网络集成式控制系统 1 2 2网络集成式控制系统的特点 控制网络改变了传统控制系统的结构形式 控制网络采用总线式串行通信 为提供更为丰富的控制信息内容创造了条件 控制系统功能可直接在现场完成 实现了彻底的分散到现场的控制系统功能 而不依赖控制室的计算机或控制仪表 打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局 为工业数据的集中管理与远程传送 为自动化系统与其他信息系统的沟通创造了条件 控制网络跟办公网络和internet的结合拓宽了控制系统的视野与作用范围 为实现企业的管理控制一体化 实现远程监视与操作提供了基础条件 1 2网络集成式控制系统 1 2 3控制系统对网络的要求 网络是控制系统运行的动脉 是通信的枢纽 因而网络系统的开放性 互操作性 通信的实时性 对环境的适应性等问题必须解决 开放性 通信协议公开 相关标准的一致性 公开性 强调对标准的共识与遵从 互操作性与互用性 互操作性 是指互连设备间的信息传送与沟通 互用 则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换 通信的实时性 控制网络的基本任务是实现测量控制 要求控制网络能提供相应的实时通信 提供时间发布与时间管理功能 同时也要求提高系统的通信有效性 控制网络通信中的媒体访问控制机制 通信模式 网络管理方式等都会影响到通信的实时性和有效性 对现场环境的适应性 例如在高温 严寒 粉尘环境下能保持正常工作 能抗振动 抗电磁干扰 在易燃易爆环境下能保证本质安全 有能力支持总线供电等 控制网络一个值得研究的问题 随着控制网络的越来越大 通信数据也越来越庞大 通信的拥塞问题和传输机制是网络化控制系统和集成的又一新问题 1 3控制网络在企业网络系统中的地位与作用 1 3 1企业网络系统的层次结构 按网络连接结构划分3层为 底层控制网 企业的内部网以及互联网 形成internet intranet infranet的网络结构 按照网络的功能结构划分3层为 企业资源规划层 制造执行层以及现场控制层 图1 4表示企业网络系统的层次结构 1 3控制网络在企业网络系统中的地位与作用 1 3 1企业网络系统的层次结构 Internet能为企业的生产 管理 经营提供供应链中从原料到市场 涉及方方面面的信息资源 是企业通向外部世界的信息通道 Intranet指企业内部网 由于internet具有地域广 接点多 成员复杂等特点 因而难于管理 安全性差 不能完全适应企业内部网络的使用需要 Intranet可改变企业内部的管理方式 改善企业内部的信息交互与共享状况 可以成为企业应用程序之间 雇主与雇员 雇员与雇员之间 企业与客户之间交换信息的重要手段与媒体 Infranet的原意为下层网 由于控制网络位于工厂网络的底层 因而infranet是控制网络 现场总线的代名词 这种用于自动控制的下层网络 把具有通信功能的控制设备连接起来 在工厂 农场 道路交通 建筑楼群以至社区家庭 形成低成本 高可靠性的分布式控制系统网络 它是企业内部网intranet的特殊网段 也可以通过internet形成特殊的控制系统 Internet intranet infranet的结合相得益彰 进一步提升了企业网络的作用 为企业实现管理控制一体化创造了良好条件 1 3控制网络在企业网络系统中的地位与作用 1 3 2控制网络的地位与作用 控制网络都处于企业网络的底层 它是构成企业网络的基础 而生产过程的控制参数与设备状态等信息是企业信息的重要组成部分 图1 5各功能层次的网络类型 1 3控制网络在企业网络系统中的地位与作用 1 3 2控制网络的地位与作用 企业网络早期的TOP MAP式多层分布式子网的结构逐渐为以太网 FDDI主干网所取代 同时对功能层次的划分也更为简化 底层为控制网络所处的现场控制层 FCS 最上层为企业资源规划层 ERP 而将传统概念上的监控 计划 管理 调度等多项控制管理功能交错的部分 都包罗在中间的制造执行层 MES 中 控制网络的主要作用是为自动化系统传递数字信息 它所传输的信息内容主要是生产装置运行参数的测量值 控制量 阀门的工作位置 开关状态 报警状态 设备的资源与维护信息 系统组态 参数修改 零点量程调校信息等 企业的管理控制一体化系统需要这些控制信息的参与 优化调度等也需要集成不同装置的生产数据 并能实现装置间的数据交换 这些都需要在现场控制层内部 在FCS与MES ERP各层之间 方便地实现数据传输与信息共享 目前 现场控制层所采用的控制网络种类繁多 本层网络内部的通信一致性很差 个异性强 有形形色色的现场总线 控制网络从通信协议到网络节点类型都与数据网络存在较大差异 因此 需要从通信一致性 数据交换技术等方面人手 改善控制网络的数据集成与交换能力 1 3控制网络在企业网络系统中的地位与作用 1 3 3控制网络与上层网络的连接方式 为什么控制网络至今依然保持着它在现场控制层的地位和作用 控制网络所处的特殊环境及所承担的实时控制任务是普通局域网和以太网技术难以取代的 但控制网络需要同上层与外界实现信息交换 控制网络与上层网络的连接方式有以下三种 一是采用专用网关进行通信协议的转换 把控制网段或DCS连接到以太网上 二是将总线网卡和以太网卡插入PC机的PCI插槽内 在PC机内完成数据交换 三是将Web服务器置入PLC或现场控制设备内 借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互 图1 6通过网关连接控制网段与上层网络 图1 7采用PCI卡连接控制网段与上层网络 1 4控制网络的发展与标准化 控制网络技术起源于现场总线 对它的研究开发之热是近些年 1 对自动化系统提出了新的要求 促进了该领域的网络化 信息化进程 2 它本身所蕴涵的技术经济潜力 欧洲 北美 亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术 出现了现场总线技术与产品百花齐放 兴盛发展的态势 例如丹麦ProcessData公司1983年推出的P Net 德国Siemens公司1984年推出的PROFIBUS processfieldbus的缩略语 法国Alston公司1987年推出的FIP factoryinstrumentationprotoco1 等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术 世界上已出现各式各样的现场总线100多种 其中宣称为开放型总线的就有40多种 出现了各种以开发推广现场总线技术为目的的组织 现场总线基金会 FieldbusFoundation FF LonMark协会 PROFIBUS协会 CCLINK协会工业以太网协会 IndustrialEtherNetAssociation lEA 工业自动化开放网络联盟 IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance IAONA 等等 1 4控制网络的发展与标准化 国际标准化组织ISO IEC也进行了该项标准的制定IEC TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作 成效不大 最早成为现场总线国际标准的是CAN 它属于IS011898标准 1993年 IEC现场总线物理层标准IEC61158 2诞生 2007年 由原有的IEC61158 共20种共同构成IEC现场总线国际标准子集IEC61158Ed 4 2007 Type1IECTS61158Type2CONTROLNET Ethernet IPType