现场总线-工业通信与网络技术 教案 第1讲-概论1

工业通信与网络技术教案第1页课程题目第1讲概论（1）现场总线的概念、系统组成、网络架构、现场总线的发展历程课时2学时教学目的：1．了解现场总线的发展历程；2．掌握现场总线的概念、系统组成、网络架构；3．了解现场总线的应用。教学重点与难点：重点：现场总线的概念、组成及网络架构等；难点：现场总线的系统组成及网络架构。教学方法与手段：方法：讲授法手段：课堂教学教学内容与课时分配：1.现场总线的发展历程及应用实例；1学时2.现场总线的概念、系统组成和网络架构。1学时教具：作业与思考：教学后记：备注教学内容工业通信与网络技术教案第14页备注教学内容第1讲绪论（1）一、学习本门课程的主要目的1）掌握现代通信与网络的基本概念、基础知识；2）学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准；3）能够初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口；4）掌握或了解以太网/典型现场总线系统的基本应用技术；5）为进行工业通信网络设计和网络（系统）分析以及撰写工业通信领域的各种通信网络规范奠定一定的基础。二、本门课程的主要内容1）现代通信与网络基本技术；2）基于UART的简单串行通信技术；3）主流（典型）现场总线/（工业）以太网/协议/规范/标准；4）现场总线/（工业）以太网线节点设计；5）现场总线系统应用技术基础。三、课时及授课内容安排第1章概论4学时；第2章网络基础4学时；第3章通信基础8学时；第4章基于UART的简单串行通信（4学时）；第5章CAN总线6学时；第6章DeviceNet总线4学时；第7章实时以太网与工业以太网2学时。四、主要参考教材1）AndrewS.Tanenbaum，DavidJ.Wetherall著.严伟，潘爱民和李晓明译.《计算机网络》（第5版）.清华大学出版社，20122）WilliamStallings著.王海，张娟和张艳译.《数据与计算机通信》（第九版）.电子工业出版社，20123）佟为明.《工业通信与网络技术》.校内教材，2013五、课程内容扩展随着互联网+、能源互联网、工业4.0、智能电网、工业互联网、物联网、智慧家居等概念的提出及其技术的发展，工业通信与网络技术（现场总线技术）已成为自动化及电气工程领域当前和今后的发展热点之一，已在各民用和国防领域中获得了广泛应用；其技术范畴包括数据通信与计算机网络基础知识、CAN总线、DeviceNet、ControlNet、基于UART的简单串行通信、Modbus、EtherNet等内容。图1-1工业4.0图1-2互联网+图1-3工业4.0九大科技支柱图1-4工业4.0三大趋势图1-5互联网对我们生活的改变图1-6互联网对我们生活的影响图1-7机场行李称重管理系统图1-8高速公路现场子站监控结构图图1-9汽车总线生产线现场总线控制系统图1-10工业网络在汽车电子领域的应用图1-11汽车总线上的电子设备图1-12大豆分离蛋白现场总线控制系统图1-13工业4.0图1-14基于现场总线的企业能源计量系统图1-15上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图图1-16低压开关柜传统方式与现场总线智能化方式的比较图1-17能源互联网运行场景示意图图1-18基于通信的智能电网组成六、现场总线的发展历程1．机械式（液动式、气动式）仪表缺点：仪表体积较大，适合单机控制。年代：20世纪30年代到40年代初。2．电动仪表使用4-20mA电流环模拟信号。缺点：线缆较多。年代：20世纪50年代。3．CCS（ComputerControlSystem）中央控制计算机系统包括2种类型：1）SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）监视控制与数据采集系统。2）DDL（DirectDigitalControl）直接数字控制系统。年代：约1962年。特点：控制集中，危险集中，对中央控制计算机要求高。4．DCS（DistributedControlSystem）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统DCS是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。年代：约1976年。5．FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统年代：约1972年。总结（FCS产生的原因）：1）生产力水平的发展所要求；2）由简到繁、再由繁到简的螺旋式上升发展过程。七、现场总线的概念国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（Fieldbus）的定义是：安装在制造或过程区域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称为现场总线。现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，甚至是一个测控系统，它应用于现场测量和/或控制目的，通常被称为：1）现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）2）现场总线3）现场总线系统4）现场总线网络5）现场总线网络系统6）现场总线网络控制系统7）网络控制系统NCS（NetworkControlSystem）八、现场总线系统的组成和网络架构1．现场总线系统的组成图1-19现场总线系统的组成硬件部分：1）总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。2）连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站），包括变送器、执行器、控制器等。软件部分：1）系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括网络配置软件、通信工具软件、监控组态软件和设备编程软件。2）系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。3）网络配置软件——为用计算机进行总线设备/节点网络配置提供平台并按现场总线协议/规范与通信工具软件交换信息的工具软件。如DeviceNetManager、RSNetWorxforDeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP。4）通信工具软件——为计算机与总线设备进行通信，按现场总线协议/规范读取总线设备参数/配置信息、网络配置信息、程序传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx。5）监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的通过简单形象的组态工作即可实现系统监控功能的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。监控组态软件亦称上位机监控组态软件，如RSView32。6）设备编程软件——为系统应用软件提供编程环境的平台软件。当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻辑编程软件）、RSLogix5000（用于Logix平台所包括的各种控制器（如ControlLogixTM）的编程软件）。7）系统用户程序软件——根据系统的工艺流程或功能及其它要求而编写的系统级的用户应用程序。该程序一般运行于作为主站的控制器中或计算机中。8）设备接口通信软件——根据现场总线协议/规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件。9）设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件。2．现场总线控制