第一讲_工业数据通信和控制网络技术基.ppt

现场总线技术,第1讲电气工程学院臧大进,提纲1.1工业数据通信和控制网络技术概述1.1.1工业自动化技术及发展趋势1.1.2控制系统体系结构的演变1.1.3工业数据通信与控制网络1.2工业数据通信和控制网络连接及传输介质1.2.1计算机局域网及其拓扑结构1.2.2网络的传输介质及特性1.2.3信号的传输和编码技术1.2.4介质访问控制方式1.3网络互连参考模型和规范1.3.1基本概念1.3.2网络互连参考模型1.3.3网络互连规范,定义：工业数据通信与控制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。,1.1工业数据通信和控制网络技术概述,(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。,必要性:(1)随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个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。,举例,一个一般过程控制系统,控制器1,执行器,流量,流量变送器,液位,控制器2,液位变送器,1.1.1工业自动化技术及发展趋势工业控制自动化技术：是工业自动化的核心，它是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。它主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。,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。在传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被PLC和DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由价格昂贵的过程计算机或小型机组成。自20世纪90年代以来，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。以工业PC为基础的低成本工业控制自动化系统的特点是：(1)开放的结构，用户可以选择来自不同厂商的不同产品，便于系统集成；(2)PC工控机的软硬件丰富，用户可以得到更高性价比的产品；(3)提供有力、柔性的联网能力；(4)能运行复杂任务，并且可基于多种平台运行。,1、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化已成为主流,2、PLC（可编程序控制器）得到了广泛的应用PLC的发展趋势：向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面：（1）大型网络化。主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。（2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。（3）高可靠性。自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。,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。DCS的特点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。DCS正朝着综合性、开放性发展。总的发展趋势是：（1）各制造厂商都“开放性”上下功夫，力求使自已的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；,（2）大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产品；（3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；（4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；（5）在系统规模的结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求；（6）发展以先进网络通信技术为基础的DCS控制结构，向低成本综合化自动化系统的方向发展。,4、大力发展和采用现场总线技术现场总线：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:(1)可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。(2)从智能传感器到智能调节阀的信号一直保持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。(3)是一种开放式的互联网，它可与同层网络相连，也可与不同层网络相连。(4)降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便。,5、大力研究和发展智能控制系统为什么需要智能控制：工业自动化中工业控制系统的设计和分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实际应用的控制系统由于各种因素的影响，无法获得精确的数学模型；同时，为了提高控制性能，整个控制系统会变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。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、分级递阶智能控制系统、学习控制系统等。,1.1.2控制系统体系结构的演变1、控制系统的发展过程（1）初级控制系统时间：20世纪50年代以前；特点：所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用。此阶段的控制系统均简单、初级控制系统。（2）模拟仪表控制系统时间：60年代至70年代后期；特点：以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列，它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。,（3）集中式数字控制系统时间：80年代初；特点：使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。用一台计算机取代控制室的所有仪表。解决了信号传输及抗干扰问题。（4）集散控制系统（DCS）组成：由数字调节器、可编程控制（PLC）以及多台计算机构成；特点：当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。但是各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。,（5）现场总线控制系统（FCS）特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。,现场总线控制,集散控制,集中控制,传统泵/阀控制系统结构示意图,P正确使用所传信息;及时处理所传信息要求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,控制系统的通信中往往要考虑以下几个问题：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？,应该根据具体的应用需求来选择不同的网络，不同的应用需求对数据的要求是不同的:对数据量要求的不同。网络上要求传送的数据量可能以兆字节或字节或位来计算。负载量的变化，对网络的带宽有不同要求，。对数据类型要求不同。要求可能是I/O信息，状态突变的信息或显式报文（ExplicitMessaging），程序的上载/下载，诊断信息等对网络性能要求不同。可能要求网络主要处理高速离散量或者模拟量，对工业控制网络特别要求确定性和可重复性。,工业控制网络体系,罗克韦尔自动化提出了三层网络,即设备层，控制层和信息层的体系。,三层网络共同的特点,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,三层网络不同的特点,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网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制;不提供优先级控制缺点：在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率下降。,2令牌环（Token-Ring）介质访问控制方式工作原理：(1)使用一个称之为“令牌”的控制标志，它沿环从一个工作站到另一个工作站不停地进行传递。(2)当某一工作站准备发送信息时，就必须等待，直到检测并捕获到经过该站的令牌为止，然后，将令牌的控制标志从“空闲”状态改变为“忙”状态，并发送出一帧信息。(3)其他的工作站随时检测经过本站的帧，当发送的帧目的地址与本站地址相符时，就接收该帧，待复制完毕再转发此帧，直到该帧沿环一周返回发送站，并收到接收站指向发送站的肯定应答信息时，才将发送的帧信息进行清除，并使令牌标志又处于“空闲”状态，继续插入环中。,令牌环介质访问控制方式的优点:能提供优先权服务，有很强的实时性;在重负载环路中，“令牌”以循环方式工作，效率较高。缺点:控制电路较复杂，令牌容易丢失。这种控制方式只能用在环形网络中。,3令牌总线（TokenBus）介质访问控制方式,令牌总线主要用于总线形或树形网络结构中。它的访问控制方式类似于令牌环，把总线形或树形网络中的各个工作站按一定顺序排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。信息是双向传送，每个站都可检测到其它站点发出的信息。在令牌传递时，都要加上目的地址，所以只有检测到并得到令牌的工作站，才能发送信息。,优点：各工作站对介质的共享权力均等，可设置优先级，也可不设；有较好的吞吐能力，吞吐量随数据传输速率增高而加大；连网距离较CSMA/CD方式大。缺点：控制电路较复杂、成本高；轻载时，线路传输效率低。,1.3网络互连参考模型和规范,1.3.1基本概念1.3.2网络互连参考模型1.3.3网络互连规范,1.3.1基本概念,网络互连是将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络系统，以实现网络的数据资源共享。相互连接的网络可以是同种类型的网络，也可以是运行不同网络协议的异型系统。在相互连接的网络中，每个子网成为网络的一个组成部分，每个子网的网络资源都应该成为整个网络的共享资源，可以为网上任何一个节点所享用。同时，又应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的差异。网络互连技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络设备、网络资源、网络服务成为一个整体。,1.3.2网络互连参考模型1OSI参考模型这个模型是一个计算机系统互连的规范，是指导生产厂家和用户共同遵循的中立的规范。这个规范是开放的，任何人均可免费使用。这个规范是为开放系统设计的，使用这个规范的系统必须向其他使用这个规范的系统开放。这个规范仅供参，可在一定的范围内根据需要进行适当调整。OSI参考模型从本质上来讲是一种通信协议的模型，它一方面集成了之前各种网络的长处，另一方面它也框定了其后各种网络的构架，使用跨平台、跨机种的系统互联得以实现，极大地促进了计算机网络技术的应用和发展。,OSI参考模型为7个层次，各层的协议细节由各层独立进行。分层的原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较大时分层处理，每层只对相邻的上、下层定义接口。,（1）物理层物理层的作用是通过物理介质正确地传送比特信息，要保证发送“”或“”脉冲信号能够被对方正确地检测和接收到。（2）数据链路层数据链路层的作用是建立、维持和拆除链路连接，纠正传输中的差错。（3）网络层网络层的作用是确定数据包的传输路径，建立、维持和拆除网络连接。（4）传输层传输层的作用是控制开放系统之间的数据传送。传输层以下3层建立了具体网络连接，从传输层开始，源计算机和目标计算机之间建立起了直接对话。除了对收发数据的确认外，传输层还负责根据通信的需要调整网络的吞吐量并进一步提高网络通信的可靠性。（5）会话层会话层是依靠传输层以下的通信功能使数据传送功能在开放系统间有效的进行。它按照应用进程之间的约定，按照正确的顺序收、发数据，进行各种形式的对话。,（6）表示层表示层的主要功能是把应用层提供的信息内容变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。（7）应用层应用层的功能是实现各种应用程序之间的信息交换、协调应用进程和管理系统资源。,网络互连设备,中继器网桥路由器网关集线器无源集线器有源集线器智能集线器交换式集线器,2TCP/IP参考模型,它也被广泛应用于只有一次的、客户-服务器模式的请求-应答查询，以及快速递交比准确递交更重要的应用程序，如传输语音或影像。,3现场总线通信模