PROFIBUS基础与组网应用-项目一 绪论

目录Contents11.1工业网络概述21.2自动控制系统和计算机控制系统31.3工业控制网络1.1工业网络概述01工业网络概述工业控制网络，是指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。随着互联网技术深入应用，工业企业控制网络、企业信息网络、互联网的结合发展，逐步形成了工业互联网。工业互联网（IndustrialInternet）是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。工业网络分层结构按照工业网络功能结构，分为企业资源规划层(ERP)、制造执行系统层（MES）、现场总线控制系统层（FCS）企业资源规划层（ERP），该层通过在分布式的网络结构中构建一个企业信息网络系统中间层为制造执行系统层（MES）,主要负责车间生产管理和计划执行。现场总线控制系统层(FCS)。底层为工业控制网络部分，将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。1.2自动控制系统和计算机控制系统021.2.1自动控制系统概述1.2.2计算机控制系统1.2.1自动控制系统概述一、自动控制系统概念和组成

自动控制，是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象的某些物理量（或状态）自动地按照预定的规律去运行。自动控制系统的组成通常由控制装置和被控对象。控制装置通常包括控制单元、检测变送单元、执行单元组成。1.2.1自动控制系统概述二、控制系统的控制方式

自动控制系统的控制方式按照系统结构划分为开环控制、闭环控制。只有给定量影响输出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量的控制系统称为开环控制。（1）开环控制1.2.1自动控制系统概述开环控制的特点只有输入量对输出量产生控制作用。开环控制系统适应于输入量已知，扰动小的控制场景；一般基于时序和给定逻辑的都是开环控制，比如红绿灯、洗衣机等。1.2.1自动控制系统概述二、控制系统的控制方式

自动控制系统的控制方式按照系统结构划分为开环控制、闭环控制。把输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环，参与控制的系统，称作闭环控制系统。（2）闭环控制1.2.1自动控制系统概述系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，也叫作闭环负反馈控制系统。闭环负反馈控制系统可以自动进行补偿，抗干扰能力强，精度高。适应于设定值为定值的场景，通常用来控制的物理量有温度、压力、流量、电压、转速、位移和力等被控对象：指被控制的机器、设备、或生产过程等。如水塔、锅炉、电动机等。控制装置：对被控对象进行控制的装置。如电动阀、气动阀、伺服电机等给定值：参考输入。如给定温度、压力等干扰：除给定值外，引起被控量变化的因数。如炉温控制系统中的环境温度的变化、煤气的压力变化等。被控量：被控对象中按给定规律变化的物理量。如炉温控制系统中的实际炉温。被控制对象或对象──我们称这些需要控制的工作机器、装备为被控制对象或对象。输出量（被控制量）──将表征这些机器装备工作状态需要加以控制的物理参量，称为被控制量（输出量）。闭环控制系统特点1）闭环控制系统中除前向通道外，还必须有从输出端到输入端的信号传递通道，使输出信号也参与控制，该通道称为反馈通道。闭环控制系统就是由前向通道和反馈通道组成的，控制系统结构复杂。2）闭环控制系统能抑制内部和外部各种形式的干扰，对干扰不甚敏感。因此，可采用不太精密和成本较低的元件来构成控制精度较高的系统。3）对闭环控制系统来说，系统的稳定性，始终是一个首要问题。稳定是闭环控制系统正常工作必要条件。1.2.1自动控制系统概述三、自动控制系统的发展模拟仪表控制系统

计算机控制系统1.2.2计算机控制系统计算机控制系统(ComputerControlSystem，简称CCS)

应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

计算机控制系统主要由控制计算机和被控对象两大部分组成

控制计算机包括计算机本身及外围设备，由硬件和软件系统组成。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件。1.2.2计算机控制系统计算机闭环控制，与常规的按偏模差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和/数转换器这两个环节计算机开环控制：一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则（程序）影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。1.2.2计算机控制系统一、计算机控制系统的硬件（1）主机（计算机）（2）常规外部设备（3）输入输出通道（4）外部设备（5）运行操作台（6）网络通信接口（7）实时时钟（8）工业自动化仪表1.2.2计算机控制系统二、计算机控制系统的软件

软件主要分系统软件和应用软件：系统软件提供计算机运行和管理的基本环境，如Windows，WinNT，UNIX等以及网络平台；应用软件有语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统的编程软件，如Siemens公司的STEP7、TIA博途等1.2.3计算机控制系统的分类一、数据采集系统数据采集系统(Data

Acquisition

System)1.2.3计算机控制系统的分类二、操作指导控制系统操作指导控制系统是基于数据采集系统的一种开环结构。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。1.2.3计算机控制系统的分类三、直接数字控制系统(DDC)DDC系统是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制1.2.3计算机控制系统的分类四、监督计算机控制系统监督计算机控制系统是操作指导控制系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统。1.2.3计算机控制系统的分类五、集散控制系统（DistributedControlSystem）集散控制系统--是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。1）控制分散、信息集中2）系统模块化3）数据通信能力较强4）友好而丰富的人机接口5）可靠性高集散控制系统的特点1.2.3计算机控制系统的分类六、现场总线控制系统（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统是新一代分布式控制结构。现场总线控制系统的特点1）现场通信网络用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。2）现场设备互连现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。3）互操作性对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能。4）分散功能块把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。5）通信线供电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，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。1.2.3计算机控制系统的分类七、工业以太网控制系统工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容。针对工业控制实时性、高可靠性的要求，工业以太网在链路层、网络层增加了不同的功能模块，在物理层增加了电磁兼容性设计，解决了通信实时性、网络安全性、抗强电磁干扰等技术问题工业以太网的体系结构基本上采用了以太网的标准结构，在物理层和数据链路层均采用802.3标准，网络层和传输层则采用TCP/IP协议簇定义了应用层，如实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议1.3.1工业控制网络的特点（1）实时性实时性是指控制系统能在较短且可以预测确定的时间内，完成过程参数的采集、数据处理、控制运算、反馈执行等操作，并且执行时序应满足过程控制对时间限制的要求。（2）开放性开放性是指使用的通信协议、标准等公开，不同制造商的设备可以互联为系统，并实现数据、信息的交换。采用相同协议的设备应具有一定的互操作性和互用性（3）可靠性可靠性是指能对过程信息和控制指令等关键数据能实现可靠的传输（4）环境的适应性控制网络应具有对现场恶劣环境的适应性，如机械环境、气候环境、电磁环境或电磁兼容性。（5）系统的安全性工业自动化网络的安全性包括生产安全和信息安全两方面。1.3.2常见