工业网络及应用技术 课件 -项目1 认识工业网络

项目1认识工业网络2025/7/2313:28目录1.1项目描述 1.2知识准备 1.3操作任务

认识工业网络实训平台体系结构思考题2025/7/2313:281.1项目描述

1.项目目标（1） 了解工业网络的概念

（2） 了解工业网络的发展概况

（3） 学习现场总线的基本知识

（4） 学习集散控制系统的基本知识

（5） 了解实训室设备型号和功能1.1项目描述2.实践环境

表1.1实训平台设备列表设备名称型号总线类型可编程控制器TM241CEC24TModbus总线(端子和RJ45口)；Ethernet/IP总线（RJ45口）；CANopen总线（端子）触摸屏HMIGXU3512Modbus总线(DP9接口)；Ethernet/IP总线（RJ45口）；变频器ATV320U04M2CModbus总线(端子和RJ45口)；Ethernet/IP总线（RJ45口）；伺服驱动器LXM28AU01M3XModbus总线(端子和RJ45口)；Ethernet/IP总线（RJ45口）；CANopen总线（端子）Zigbee网关ZBRN1Modbus总线(RJ45口)；工业交换机TCSESU083FN0Ethernet/IP总线（RJ45口）；边缘网关ComxBox-INDModbus总线(端子)；Ethernet/IP总线（RJ45口）；工控机HMIRXOHCA3001Ethernet/IP总线（RJ45口）；三层交换机S5008PV2-EIEthernet/IP总线（RJ45口）；硬件防火墙USG6101-ACEthernet/IP总线（RJ45口）；2025/7/2313:281.2知识准备

工业网络是应用于工业领域的网络。网络这一概念已深入人类社会的方方面面，比如民用领域的电信网络、有线电视网络、计算机网络等，可以说目前所处的信息时代就是以网络为核心的。同民用领域的网络类似，工业网络也是一个由诸多节点和连接节点的链路构成的系统，节点之间的信息通过链路传输来完成交换。

工业网络的节点包括工业现场的元件、仪表、装置、设备等，链路既包括硬件，如线缆、发射器、接收器、连接器等，也包括软件，如接口程序、传输协议等，信息则是工业领域里特有的各种控制命令、状态、数据等。2025/7/2313:28一、工业网络技术的发展1、工业控制网络概念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。适应了企业信息集成系统、管理控制一体化系统的发展趋势与需要。工业数据通信系统；生产现场网络系统；网络集成式控制系统。是IT技术在自控领域的延伸;自控领域的IT技术。2025/7/2313:28一、工业网络技术的发展2、控制网络与计算机网络的区别网络节点：计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备工作环境：计算机网络：办公室控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求任务：计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成1.2知识准备2、控制网络与计算机网络的区别特点:实时性、可靠性的要求高；数据帧包含的字节数少控制网络是一类特殊的网络广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。因此：工业控制网络是：以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点、以现场总线作为通信介质，连接成开放式、数字化、多节点通信，从而完成测量控制任务的网络。工业控制网络是应用于企业信息系统现场控制层和过程监控层的网络通信技术，属于一种特殊类型的计算机网络。工业控制网络特别强调数据传输的完整性、可靠性和实时性。2025/7/2313:28一、工业网络技术的发展3、工业网络技术的发展工业网络的基础是控制网络，工业网络技术萌芽于生产线仪表与控制室计算机的互联，兴盛于现场总线，再度发展于工业以太网。20世纪50年代以前，由于生产规模小、检测控制技术尚处于发展阶段，要测控设备的状态和生产过程，采用的是生产设备上安装气动仪表、操作人员现场巡视仪表的方式。安装仪表的测控位置称为测控点，由于仪表的信息仅显示于自身的表盘上，一般不对外传输，测控点都是封闭状态。随着生产规模的扩大，操作人员不仅要获得多个测控点的信息，而且要根据测控信息实行操作控制，于是出现了气动电动单元组合式仪表和集中控制室，测控点的信息以模拟信号（如0.002～0.01MPa的气压信号、0～10mA的直流电流信号、1～5V的直流电压信号等）的方式传输到集中控制室，操作人员在集中控制室内的控制盘上获得设备和生产过程状态，并进行相应的操作控制。2025/7/2313:28一、工业网络技术的发展模拟量信号的传输需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，无法提高测控的实时性和精度，并且传输过程中抗干扰能力差，逐渐被数字信号取代，形成了最初的现场总线，此时数字计算机已开始应用于自动化系统，用一台计算机替代集中控制室原有的全部仪表盘，就是集中数字控制系统，然而，此时数字计算机可靠性还不高，一旦计算机出现故障，则所有控制回路将全部瘫痪，导致停产。计算机技术的不断进步，不仅使计算机本身可靠性得以提高、成本得以降低，而且催生了数字调节器、可编程逻辑控制器（PLC）及DCS系统。DCS即分布式控制系统（DistributedControlSystem），国内也称之为集散控制系统，兴起于20世纪70年代末80年代初，是采用模拟仪表、以数字通信网络为纽带的多级计算机控制系统。DSC是模拟和数字混合系统，功能和性能上较模拟仪表系统和集中数字控制系统都有很大进步，但是受计算机系统早期存在系统封闭缺陷的影响，各DCS产品自成系统不能互联，难以实现互换互操作。2025/7/2313:28一、工业网络技术的发展从DCS开始，计算机网络技术被引入工业控制领域，现场总线的概念也从最初的“现场设备之间公用的信号传输线”转变成“应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术”，计算机网络技术在工业控制领域的广泛应用和快速发展，促使20世纪90年代出现了现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。FCS克服了DCS系统封闭的缺陷，将来自不同厂家但遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线网络连接成系统，同时把PID等基本控制功能从DCS的集中控制室下放到现场设备，并且摒弃了模拟仪表，全部数字化。网络控制系统NCS（NetworkedControlSystem）是20世纪90年代提出的概念，它是指分散在不同位置的传感器、控制器和执行器通过串行实时网络连接组成的闭环控制回路。网络控制系统的特点是将闭环控制回路分散在串行总线上，通过网络互联来完成控制功能，网络上的设备，包括传感器、控制器、执行器等，都看作一个节点，节点之间通过网络传输实时或者非实时信息。FCS着重点是节点之间实时或者非实时信息的传输和共享，而NCS强调在串行实时总线上建立闭环控制回路，从这一点上看，NCS对于网络的实时性要求更高，网络结构也更加分散化。一、工业网络技术的发展4、工业数据通信系统工业数据通信在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。工业数据通信:多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程；它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信工业数据通信的内容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信息与维护信息、零点量程调校信息系统组态、参数修改信息等

一、工业网络技术的发展4、控制系统对网络的要求

工业数据通信的网络结构传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送模拟信号现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信息的公共传输通道控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。工业数据通信网络的规模。三、两个数据节点的简单系统成千上万台设备的复杂网络一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备一、工业网络技术的发展5、工业数据通信系统工业数据通信的网络结构开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备互连为系统互可操作性：互连设备间的信息传送与沟通；互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换通信的实时性：具有严格的时序和定时要求。达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。环境适应性：在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、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二、现场总线与工业以太网1、现场总线现场总线（FieldBus）诞生于20世纪70年代末，最初是指现场设备之间公用的信号传输线。根据国际电工委员会IEC1158，现场总线定义为：“安装在找找火锅城区与的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行多点通信的数据总线”。现场总线是一项以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容的综合技术，在离散制造业、流程工业、交通、楼宇、国防、环境保护等各行业的自动化系统中都有着广泛的应用，是自动化技术发展的热点，一直备受关注，诸多具有国际影响力的自动化公司和企业都在不同程度上进行了现场总线技术和产品的开发，并且有多个国际标准化组织制定了现场总线技术相关标准。二、现场总线与工业以太网1、现场总线现场总线（FieldBus）诞生于20世纪70年代末，最初是指现场设备之间公用的信号传输线。根据国际电工委员会IEC1158，现场总线定义为：“安装在找找火锅城区与的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行多点通信的数据总线”。现场总线是一项以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容的综合技术，在离散制造业、流程工业、交通、楼宇、国防、环境保护等各行业的自动化系统中都有着广泛的应用，是自动化技术发展的热点，一直备受关注，诸多具有国际影响力的自动化公司和企业都在不同程度上进行了现场总线技术和产品的开发，并且有多个国际标准化组织制定了现场总线技术相关标准。二、现场总线与工业以太网2.工业以太网现场总线的蓬勃发展使得现场总线种类一度达到40余种，种类繁多并且互不兼容，而控制网络的发展趋势是更为开放、更为透明，需要能够实现统一、高效、实时的工业网络技术，工业以太网就是适应这一需要而迅速发展起来的。简单的说，工业以太网在技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强调、适用性及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场需要。目前工业以太网主要还是应用在控制级及其以上的各级，测控现场仍然采用现有的现场总线，一方面是全面替代现有现场总线的成本压力，另一方面是工业以太网还要解决应用层的三个问题：实时通信、用于系统组态的对象、用于工程模型的应用协议。但随着以太网传输速率的提高和以太网交换技术的发展，相信这些问题的解决指日可待，有朝一日工业以太网必将全面应用于工业控制领域。二、现场总线与工业以太网3.现场总线的发展过程20世纪70年代，为了解决不同设备之间的互联，有些软件公司开发出一些特殊的专用网络，这被视为现场总线的起点。20世纪80年代中期出现了Interbus、Sensoplex、P-NET、PROFIBUS以及CAN等总线。由于采用现场总线将使控制系统结构简单、系统安装费用减少并且易于维护，用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术越来越受到重视，现场总线种类一度达到40余种。1999年底，针对现场总线的国际标准IEC61158获得通过，共有8种总线被纳入IEC61158标准，它们是：基金会现场总线（FF），ControlNet，Profibus，PNET，FFHSE（FF高速以太网协议），SwiftNet，WorldFIP，Interbus。此外，德国Bosch公司推出的CAN总线成为ISO11898的标准，还有几种现场总线尽管未能成为国际标准，仍然得到了一定的应用，如：HART，Lonworks，CCLink，DeviceNet等。随着IT不断向工业领域渗透，以太网（Ethernet）成为新的现场总线技术，2007年第四版的IEC61158标准的颁布，总线协议的标准增加到20种，其中有近一半基于以太网技术。表1.1列出的是工业自动化领域常见的现场总线。表1.1常见现场总线名称相关组织相关标准主要应用领域基金会现场总线（FF）现场总线基金会IEC61158流程工业PROFIBUS

IEC61158制造业自动化、过程控制自动化、电力系统、楼宇自动化、铁路交通LonWorks

楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制CANCiAISO11898汽车电子系统、制造业自动化、过程控制自动化、电力系统、楼宇自动化、航天CANopenCiAISO11898制造业自动化、铁路自动化、楼宇自动化、汽车及交通DeviceNetODVAIEC62026制造业自动化InterBusInterbusClubIEC61158JB/TIO308.8制造业自动化、汽车工业、仓储Modbus

IEC61158制造业自动化、过程控制自动化、电力系统SERCOS

IEC61158IEC/EN61491伺服系统EtherNet/IPODVA

制造业自动化三、集散控制系统集散控制系统又称分布式控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS）。集散系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统。是计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、图形显示技术(CRT)、控制技术(Control)(简称4C技术)相融合的产物。主要特点：集中管理、分散控制。DCS是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。自下而上分为：现场级、控制级、监控级和管理级；四个不同的层次对应四层计算机网络，分别是：现场网络Fnet(FieldNetwork)、控制网络Cnet(ControlNetwork)、监控网络Snet(SupervisionNetwork)、管理网络Mnet(ManagementNetwork)，系统结构如图1.2所示。三、集散控制系统图1.2典型DCS系统三、集散控制系统1.现场级现场级的设备是位于生产现场的设备，主要有传感器、变送器和执行器；主要功能是将生产过程中的各种物理量转换为电信号并向上层输送，或将控制器输出的控制信号转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。现场级的信息传递方式有传统的4～20mA模拟量传输方式、现场总线的全数字量传输方式以及在4～20mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式等。目前，现场级的信息传递方式向着以现场总线为基础的全数字传输方向发展。2.控制级控制级包括过程控制站和数据采集站。主要设备有控制器和数据输入/输出设备。控制机的主要功能是接收由现场设备（如传感器、变送器）送来的信号，并进行一些必要的转换和处理，送到分散型控制系统，或者按照一定的控制策略计算出所需的控制量，控制现场的执行器。三、集散控制系统3.监控级监控级包括运行员操作站、工程师工作站和计算站。主要硬件设备有计算机及相关外设；主要功能：作为运行人员监视和控制整个生产过程的人机接口、控制工程师用来对系统进行配置、组态、调试、维护，对设计文件归类、整理等工作，以及完成控制过程中复杂的数据处理和运算。4.管理级管理级有厂级管理计算机或是若干个机组的管理计算机。其使用者一般是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。主要任务：监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。四、OSI参考模型OSI参考模型是国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）制订的开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnection，OSI），目的是为了实现不同制造商生产的设备之间能够互联互通。OSI参考模型将开放系统的通信功能划分为7个层次，各层次的协议细节由各层次独立进行，这样一旦引入新技术或者提出新的业务要求时，可以把因功能扩充或变更带来的影响限制在直接有关的层次内。OSI参考模型的原则是将相似的功能集中在同一层次内，每个层次仅对相邻的上下层定义接口。

四、OSI参考模型OSI参考模型如图1.3所示，自底向上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通常将物理层、数据链路层、网络层称为底层功能，即通信传送功能；传输层、会话层、表示层和应用层称为高层功能，即通信处理功能。互连的两个开放系统中相同层次之间的通信规约称为通信协议。图1.3OSI参考模型四、OSI参考模型1）物理层物理层是开放系统中利用物理传输介质实现物理连接的功能描述和执行连接的规程，提供用于建立、保持和断开物理连接的机械、电气、功能和条件。物理层规定了与网络传输介质连接的机械和电气特性，如何把数据转化为在通信链路上传输的信号，包括节点与传输线路的连接方式、连接器尺寸与排列、数据流传输的方向、数据如何通过信号表示、如何区分信号的“0”“1”状态等。2）数据链路层数据链路层用于数据链路的建立、维持和拆除，实现无差错传输。前文介绍的总线仲裁、同步控制、错误校验等都属于这一层的功能，此外数据链路层还要实现流量控制，使数据的发送速率不大于接收节点的接收能力，防止因接收缓冲能力不足造成报文溢出。四、OSI参考模型3）网络层网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。它的主要功能是利用数据链路层所提供的功能，通过网络连接，将数据包从发送节点传输到接收节点，实现分组转发和路由选择。所谓路由选择，即网络中如果存在多于一条的路径时，通过路由选择，选择出最佳路径。网络层还实现了逻辑寻址，并将逻辑寻址转换成对应的物理寻址。常见的路由器就是属于网络层功能的设备。4）传输层传输层完成收发之间的数据传送控制，在源节点到目的节点之间提供端到端的可靠传输服务，保证整个信息无差错、按顺序地到达目的节点。传输层将要传输的信息分成片段，加上顺序编号，或称为分段号，便于这些片段在接收端重新组成完整的信息。传输层还负责处理包括端口地址报文，以便将所传输的报文与目的节点上的制定程序入口联系起来。四、OSI参考模型5）会话层会话层是网络通信的会话控制器，负责会话管理与控制，包括建立、验证会话双方的连接、维护通信双方的交互操作、控制数据交换方向等，其功能如同一个会议的主持人。6）表示层表示层实现交换数据的格式转换，在发送端将数据转换成收发双方都可以接受的传输格式，在接收端再将这种格式转换成接收者使用的格式。也可用于把应用层的信息转换成能够共同理解的形式，通过对不同控制码、数据字符的解释，是收发双方对传输内容的理解一致。表示层还负责数据的加密解密。表示层仅对格式进行转换，而不会改变内容。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，为用户提供网络访问接口，提供如文件传输访问与管理、邮件服务、虚拟终端等功能。操作任--务认识工业网络实训平台体系结构任务要求了解工业网络实训平台的体系结构；对照表1.1实训平台设备列表，认识实训设备，查阅资料，学习该型号设备的基本功能，并用语言正确描述。1.相关名词（1）IT：这里指的是信息技术（InformationTechnology，IT），信息技术涵盖的范围很广，主要包括：现代计算机、网络通讯等信息领域的技术。（2）OT：这里指的是操作技术(OperationTechnology，OT），OT是工厂内的自动化控制系统操作专员为自动化控制系统提供支持，