工控通信与现场总线概述知识讲解

1、水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院'控网络技术概述第六章:工控通信与&工控网络技术概述水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院'控网络技术概述水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院'控网络技术概述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 工控网络连接 网络传输介质及特性1.定义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。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 更咼的要求。水电

2、厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院'控网络技术概述现场总线连接示意53'控网络技术概述«!广域网卫星地面站路由器现场控制层HI/HSF矣中继器以太网段 丨服务器HSEMHSELon 0 电动机服务器ATMO网关工作站 軽盘电话ModemH便携机11土丁小打印机绘图仪PLCJL_Lon Works 总.线/O现场总线连接示意53工控网络技术概述传统泵/阀控制系统结构示意图P&V4P&V2P&V3P&V4P&V5水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院'控网络技术概述3.发展趙势(1)以工业PC为基础的工控

3、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水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院'控网络技术概述3.发展趙势(2) PLC(可编程序控制器)得到了广泛的应用大型网络化(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

4、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水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院技术概述3.发展趙势(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：: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；水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院技术概述3.发展趙

5、势(5) 大力研究和发展智能控制系统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。心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 控制系统等水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院二现场总线控制系鮒系訓的特慮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

6、 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,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。结构特点：技术特点: 基础性 灵活性 易用性 分散性 开放性 交互性 自治性 适应性经济性水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院CPUP&V1 P&v 2水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院三、典型现场总线简介h 基金会现场总线(Foundation Fieldbus,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

7、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(Hb31.25kb/s,200m z 400m , 1200m z 900m)与高速(HZlMbps, 2.5Mpbs/750m/500m)± 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、电力等水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院三、典型现场总线简介2. 过程现场总线(Process field bus,Profibus)西门子为首的13家公司，有3种版本 Profibus

8、-FMS ( Fieldbus Message Specification )Profibus-PA ( Process Automation )Profibus-DP ( Decentralised Peripherals )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水电厂计砌自动化和过程控制自动化,翰学院水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院三、典型现场总线简介3、控制器局域网络(Controller Area NetworkfCAN)由德国Bosch开发，起初专为

9、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IMb/s,最远通讯距离可达10km ;成为ISO国际标准;芯片由摩托罗拉ntel等公司生产/介格低廉，用量最大；水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院三、典型现场总线简介4、局部操作网络(Local Operating Network,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 2700

10、m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，铁路也有应用水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院三、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,5OOKbps ;对等(peer to peer) z多主和主从通信方式;可带电更换网络节点,在线修改

11、网络配置； 基于CAN的技术低成本，高可靠性;6. 控制网(ControlNet):.由美国Rockwell Automation推出，交由CI管理 后在全世界范围内拥有包括Rockwell Automation, ABB、Honeywell等70家著名厂商 组成的成员单位;通讯速率5Mb/s,通讯足巨离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;7、P-Net (Process automation Net) 1984年由丹麦Process data A/s公司提出，由 Process-Data Silkebo

12、rg Aps 开发;:采用O SI/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；水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院三、典型现场总线简介& WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol) WorldFIP基于FIP协议z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、

13、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 5Mbps ;水电厂號机空曼应用：过程、制造自动化、晦麒院麒路蹄 ；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；2、工控通信中需要考虑的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

14、 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?3. 工控通信三层网络 (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。3.工控通信三层网络(2)三层网络的共同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-弓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 -将控制分散到整个体系-对设备可有增强的诊&能力(2

15、 )三层网络的共同特点信息层(例如：使用Ethernet)-咼速*艮文传送_高容量数据共享控制层(例如：使用ControlNet)-支持I/O信息f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-确定性和旨重复性(Determinism & Repeatability)设备层(例如：使用DeviceNet)-富器禽于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接四、工控网络连接乂蔑瞪冒鑿益倉翟a空严l.nO&#

16、171;H3Aofuex vxnEUE=ST壬rt VO ffAUEX VOJ豆 wa/oun»o>Terr»四、工控网络连接水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、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。4、工控网络拓扑结构水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接(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

17、.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。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(Token Ring )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。水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接4、工控网络拓扑结构(4)总线拓扑水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网

18、络连接水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接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。水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院四、工控网络连接拓扑结构比较造价安装 难易排错 难易总线低易难环型低易易星型中中易网状高难易单条线路有多条冗余 线路故障一点断，全 网断一点断, 全网断主要 应用LAN、越来越少FDDILANWAN主干水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院五、工

19、控网络传输介质及特性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。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。3.有线介质双绞线屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted

20、 Pair) 50 Q同轴电缆 75 Q同轴电缆光缆3.有线介质双绞线(b)无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP聚氯乙烯绝缘层铜线套层聚噩烯屏蔽髦缘层铜线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。水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院五、工控网络传输介质及特性3.有线介质(2)同轴电缆绝缘保护套层外导体屏薮层绝缘层水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院五、工控网络传输介质及特性水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院五、工控网络传输介质及特

21、性同轴电缆按阻抗分有两种 > 种是50欧姆电缆f 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,速率般是 10Mbps ;另一种是7 5欧姆电缆,用于宽带模拟传输,常用于有 线电视,频带可达300M450MHz ,以铝带为外导 施玄十算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院3.有线介质 光纤多模光纤与单模光纤多模光纤单模光纤输入脉冲输出脉冲光纤的优点不受电源线波动.电磁干扰及空气中腐蚀性化学物质的影响。可提供极宽的频带,功率损失小,无中继传输远。无串音干扰保密性好,不易被截取数据。体积小，重量轻。光纤的缺点安装分接不易,分路、耦合比较麻烦故障排除困难价格较高质地脆、机械

22、强度低室内单芯室内多芯室外铠装介质比较传输 媒体谨率性能抗 干扰座价格弼模拟:300-340CHz;数:字：10-100Mb3s几松里可以低数字關用户楂LAN一萌电150轴缆10M公里內较好略高于TP基带数制言号LAN75 口同 轴电 缆300 450MHz血公里较好模拟传输，可 分多信道混合 传输电视、数 据及CD音频CATV光纤100M-J1 千 Ivlbps羽公里很奸谊巨离備线干 话主 长躍厕4、网络互连设备简介 中继器*网桥心路由器 网关集线器-无源集线器-有源集线器-智能集线器中继器(REPEATER)中继器是 网络物理层上面的连接设备。 适用于完全相同的两类网络 的互连,主要功能是通过对 数据信号的重新发送或者转 发,来扩大网络传输的距离。-交换式集线器水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院五、工控网络传输介质及特性Z水电厂计算机监控系统长春工程学院能源动力工程学院五、工控网络传输介质及特性4、网络互连设备简介:中继器住网桥1心路由器网关心集线器无源集线器有