工业控制网络技术基础绪论

工业控制网络技术基础绪论第一页，共52页。教材赵新秋.工业控制网络.中国电力出版社，2009.汪晋宽,吴雨川.工业网络技.北京电子大学出版社.

杨卫华.工业控制网络技术.机械出版社.刘美.集散控制系统及工业控制网络.中国石化出版社第二页，共52页。要求1.上课不能玩手机，若抓到没收；2.有事请假，不允许迟到、早退；3.旷课3次，不允许考试；4.平时成绩40%，考试成绩60%(是否开卷未定）第三页，共52页。第1章绪论1.1工业数据通信与控制网络概述

1.2网络集成式控制系统1.3控制网络在企业网络系统中的地位与作用

习题

第四页，共52页。工业控制网络实例1第五页，共52页。控制系统总体设计实例2第六页，共52页。基于现场总线陶瓷窑控制系统实例3第七页，共52页。CAN总线节点控制器实例4第八页，共52页。LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）5第九页，共52页。现场总线应用实例6第十页，共52页。现场总线应用实例7第十一页，共52页。基于现场总线网络控制系统结构模型第十二页，共52页。1.1工业数据通信与控制网络概述

1.1.1控制网络与现场总线

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，将现场控制设备连接成可相互传递信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线：是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。它由IEC的国际标准化小组SC65C/WG6定义。第十三页，共52页。

a、现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）被誉为新一代控制系统。它采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现了真正的全分布式结构，将控制功能下放到现场，使控制系统更加趋向于分布化、扁平化、网络化、集成化和智能化。下图是两种控制模式的比较。

第十四页，共52页。现场总线控制系统有两个新特征：1、现场总线控制系统是将传统控制系统中的控制器、I/O卡及模拟信号和传输线四部分用统一标准的现场总线来替代，减少了层次传递，使控制系统的结构更趋于扁平化.2、现场总线控制系统用智能现场仪表替代传统控制系统中的模拟现场仪表，其智能体现在：变送器不仅仅具有信号变换、补偿、累加功能，而且具有诸如PID等运算控制功能；执行器不仅具有驱动和调节功能，而且有特性补偿、自校验和自诊断功能。第十五页，共52页。b、现场总线的体系结构第十六页，共52页。

c、现场总线控制系统的技术特点

1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互联为系统并实现信息交换。2、互可操作性与互用性。互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通；互用则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行更换而实现相互替换。3、现场设备的智能化与功能自治性。将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。4、系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了传统控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性和对现场环境的适应性。第十七页，共52页。

d、现场总线控制系统的优越性

1．现场总线使的智能变送器中的微处理器能够直接与数字控制系统通信，而不需要I/O转换，节约了费用；2．现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，大大减少了连线费用；3．现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋予现场仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性；4．现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作员与被控设备之间的交互；5．现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与保修费用；6．现场总线的开放性将使用户有可能对各仪表厂商的产品任意进行选择，并组成系统，而不必考虑接口是否匹配的问题。第十八页，共52页。e、现场总线按照应用行业分类1、过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的HI、Profibus-PA等2、离散控制用现场总线：Profibus-DP、Device-NET等3、楼宇自动化用现场总线：Lonworks等4、车辆制造业用现场总线：CAN等5、飞机制造业用现场总线：SwiftNet等6、农业及养殖业用现场总线：P-Net等第十九页，共52页。f、现场总线的本质1、现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。2、现场设备互连传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。3、互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。4、分散功能块

FCS废弃了传统控制系统的输入/输出单元和控制站，把传统控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成就地控制站。第二十页，共52页。5、通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。6、开放式互连网络既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络实现互连，用户通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。第二十一页，共52页。g、产生多标准的原因1、各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。2、跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。3、有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。4、一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国的大公司。5、IEC是多极化的组织，其代表都来自各个国家的一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。第二十二页，共52页。h、现场总线的现状1、多种总线协调共存；2、每种总线各有其应用领域；3、每种总线各有其国际组织；4、每种总线均有其支持背景；5、设备制造商参加多个总线组织；6、多种总线均作为国家和地区标准；7、工业以太网引入工业领域；第二十三页，共52页。i、现场总线技术的发展和研究热点1、工业以太网（Ethernet）在工业控制领域的应用2、各种现场总线技术的拓展和完善3、现场总线安全技术的研究和开发4、对FCS中本质安全技术的研究。5、现场总线从站设备的开发6、通用的设备管理工具和软件的研究7、总线转换接口的开发8、更多的组态和分析诊断软件的开发和使用第二十四页，共52页。1.1.2工业数据通信

数据通信：是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换的过程。

工业数据通信：是指在工业生产过程中除计算机及其外围设备之外的各类工艺参数变送器和生产过程控制设备，此类设备的各功能单元间、设备与设备间及设备与计算机间遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据信息的过程。

第二十五页，共52页。1.2网络集成式控制系统1.2.1控制系统的新型结构

现场总线控制系统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、集散式控制系统之后的新型结构。基地式仪表现场总线控制系统开放化标准化集散控制系统DCS数字调节器PLC直接数字控制数字信号集中控制系统模拟信号气动、电动式仪表巡检第二十六页，共52页。1.2.2基于现场总线集散控制系统20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统（TotalDistributedControlSystems，简称集散系统DCS）厂家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由原来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。1、集中控制采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。2、分布式控制将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。3、以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。第二十七页，共52页。4、共性：全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应用系统专业化。5、主要特征：信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平台开放型与应用的专业化。第二十八页，共52页。

集散控制系统举例现场网络控制网络监控网络管理网络第二十九页，共52页。A、基于现场总线集散控制系统体系结构第三十页，共52页。B、功能分层体系及基本结构集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。

集散控制系统体系结构的各层功能第三十一页，共52页。C.集散控制系统特点

1、分散性和集中性系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。

2、自治性和协调性各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

3、友好性采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。

4、适应性、灵活性和可扩充性采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的大小配置。

第三十二页，共52页。5、实时性采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。

6、可靠性广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警，使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。

第三十三页，共52页。D、集散控制系统的组态性集散控制系统的组态类型：1、系统组态完成组成系统的各设备间的连接；2、画面组态完成操作站的各种画面、画面间的连接；3、控制组态完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。第三十四页，共52页。E、集散控制系统的组态界面第三十五页，共52页。F、网络互联技术1、网络互联，是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，构成更大的互联网络系统。解决数据库访问技术。利用调制解调器的数据通信技术和基于TCP/IP解决系统通信技术。2、控制网络与信息网络互联要解决的两个问题：物理互联逻辑互联（即互联软件）3、网络连接方式：对于同构的控制网络与信息网络，可以通过网桥进行连接；对于异构的控制网络与信息网络，则进行网络互联的两种主要部件为路由器和网关。第三十六页，共52页。G、存在问题1、针对通信中存在的时间延迟、数据包丢失、甚至数据链暂时丢失等情况，所对应的延迟补偿技术和信息预测技术；2、在已有的分析与设计方法中，都假设被控对象都是模型精确可知，没有考虑建模的不确定性。因此，在建模存在不确定性的情况下如何设计闭环网络控制系统，仍需要进一步深入研究。3、对随机控制方案的研究，缺乏关于控制器设计的解析方法，控制器的鲁棒性问题尚未得到有效解决。4、当被控对象为非线性对象时，如何进行闭环网络控制系统的分析和网络控制器设计。5、如何对整个控制网络进行优化设计。

第三十七页，共52页。H、集散控制系统发展新趋势1、网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。2、中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和PLC的发展更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系统。3、电控、仪表与计算机（ElectricalInstrumentationComputer，EIC）“机电一体化”将导致各公司的兼并，EIC集成已是大势所趋。4、软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦控制、优化控制和智能控制。5、系统集成化。集散控制系统作为CIMS（计算机集成化制造系统）的基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途径。6、以因特网（Internet）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通信网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控制网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将得到新的发展。第三十八页，共52页。1.2.3控制系统对网络的要求：

1、控制网络的通信系统应具有开放性（指协议、标准公开，遵循相同标准的设备可互连并实现数据的交互）。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从，一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接，通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。2、控制网络中的控制设备应具有互操作性（指互连设备间的信息传输）与互用性（指设备的相互替换）。

互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通;而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。

第三十九页，共52页。3、控制网络应满足系统的时序、实时性及有效性要求。4、控制网络应具有对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。第四十页，共52页。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

网络连接结构划分：底层控制网（Infranet）、