工业控制网络综述

成绩

中国矿业大学

2023级硕士研究生课程考试试卷

考试科目工业控制网络

考试时间2023年5月8日

学生姓名

学号TS13060158

所在院系信息与电气工程学院

任课教师

中国矿业大学研究生院培养管理处印制

工业控制网络的研究现状和开展趋势

目录

第一章前言

第二章工业控制系统回忆0

2.1直接数字控制系统(DDC)0

2.2计算机集中控制系统(CCS)0

2.3分散型控制系统(DCS)1

第三章现代工业控制系统2

3.1现场总线技术2

3.2工业以太网控制网络3

3.3无线工业控制网络5

第四章工业控制网络开展趋势7

第五章结论7

第一章前言

现代信息技术的三大根底是传感器技术、通信技术和计算机技术。随着信息

技术的飞速开展和工业自动化要求的不断提高，控制网络所担负的工作越来越

重。与数据信息网络不同，工业控制领域需要的是一种高速廉价、实时性和开放

性好、可靠性高的网络。

随着计算机技术、通信技术和控制技术的开展，传统的工业控制网络领城正

经历着一场前所未有的变革，传统的工业控制系统逐渐向网络化控制系统开展。

控制系统的结构由最初的仪表控制系统、DDC（直接数字控制系统）、CCS（计

算机集中控制系统），开展到DCS（分散控制系统），最后开展到现在流行的FCS

（现场总线控制系统），而新一代的更高带宽的工业以太网控制系统和无线工业

控制网络又将给工控领域带来新的血液，工业控制网络更加多样化。

第二章工业控制系统回忆

2.1直接数字控制系统（DDC）

直接数字控制系统用于代替所有用于过程控制的模拟仪表，通过计算机直接

参与控制，以数字的方式实现一些常规控制，但难以实现复杂的控制策略，风险

过于集中。

直接数字控制系统控制过程如图2.1所示。

图2.1直接数字控制系统控制流程

DDC直接数字控制系统虽可以用于比拟复杂的系统控制，但是系统结构仍

比拟简单，直接数字控制系统目前主要在空调系统领域得到广泛应用。

图2.2•种典型的中央空调网络控制系统

图2.2是一种典型的中央空调网络控制器，参数的控制包括：温度、湿度、

空气及水压力、空气或水流量、风速、C02浓度，同时包括新风补偿，焰值控

制、最正确工况转换等节能控制算法，同时也可以接受远程信号设定温湿度。

2.2计算机集中控制系统（CCS）

集中控制系统直接面向对象进行控制，能够使用更为先进的控制技术，例如

复杂控制算法和协调控制。

集中式控制系统将过程数据输入输出、数据库的管理、数据的处理与保存、

人机界面、报警与日志记录、报表及系统本身的监督管理等所有功能集中在一台

计算机，虽然结构简单、易于管理，但是系统庞大、可扩展性差、并未形成控制

网络体系。集中控制系统的可靠性很低，整个系统只有一个CPU在工作，实时

性很差，危险高度集中。系统结构如图2.3所示。

图2.3集中控制系统结构

计算机集中控制系统在早期的工控网络中得到了广泛的应用，例如在一种典

型的锅炉供暖系统中，主要由工控机(集控中央计算机)、前端控制器(RTU)、

电动执行机构、数据传输单元组成，该系统将锅炉和循环泵的运行压力、进出口

压力、供回水温度和流量等数据采集、控制、通讯、系统管理和数据存储等，整

合在一个操作平台上，实时控制性好，运行效率高。图2.4显示了该典型系统的

框图。

图2.4集中控制在锅炉供暖系统中的应用

23分散型控制系统(DCS)

生产过程的大规化、复杂化，需要处理能力、容错能力、自检能力大幅提高

的计算机控制系统，而传统的集中控制系统已不能满足这些要求，分散型控制系

统应运而生。

分散型控制系统(DCS)是计算机(Computer)、通信(Communication)、CRT

显示、控制(Control)技术开展的产物。它解决了原有集中控制系统(CCS)危险集

中和常规仪表控制系统功能单一的局限性。控制分散、风险分散、操作和管理集

中是它的主要特点。

分散型控制系统有环形、总线型和分级式几种，其中分级式最为普遍，典型

的DCS可分为操作站级、过程控制级和现场仪表级。这种控制系统的特点是集

中管理，分散控制，其根本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监

督管理。

图2.3显示了分散型控制系统的典型结构。

图2.3分散型控制系统结构

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设

计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系

统中各台计算机所承当的任务比拟单一，因此系统中每台计算机的可靠性也得到

提高。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到最

的同时，可从现场获取更多诊断、维护等非控制信息。

世界上存在着大约四十余种现场总线，其中Bosch公司的CAN总线应用较

广泛，CAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)的简称，是国际上

应用最广泛的现场总线之一。CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应

用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

基于CAN总线的汽车车身控制已经有了广泛的应用，如图3.2所示。

图3.2现代车身控制系统

如图3.3所示的是奥迪公司使用的一种使用CAN总线和L1N总线的汽车控

制系统网络。

图3.3汽车控制系统网络

CAN总线应用的同时，应用于不需要CAN总线的性能、带宽及复杂性的低

端系统，如车门控制模块、座椅调节、车灯控制和空调系统中传感器和执行器之

间的通信的本钱较低的LIN总线也得到了运用。

在该汽车控制系统中，通过CAN总线控制的单元主要包括发动机控制单元、

变速箱控制单元、舒适度控制单元、多媒体娱乐系统和系统诊断等。通过LIN

总线控制的单元包括方向盘、雨刮器和报警单元。

3.2工业以太网控制网络

随着应用需求的提高，现场总线的高本钱、低速率、难于选择以及难于互连、

互通、互操作等问题逐渐显露。工业控制网络开展的根本趋势是逐渐趋向于开放

性以及透明的通讯协议，现场总线出现的问题的根本原因在于总线的开放性是有

条件且不彻底的。同时，以太网具有传输速度高、易于安装和兼容性好等优势，

将以太网应用于工业控制领域，构成工业以太网，已成为目前研究的热点。

典型的工业以太网结构如图3.4所示，该系统由现场设备层、控制层以及管

理层构成。各层都有其本质需要和不同类型的信息交换，网络大小、支持设备数

量、网络速度、反应时间和负载大小等方面的不同导致各层所采用的网络技术也

不同。

图3.4典型工业以太网根本结构

图3.5显示了一个思科公司推荐的工业网络的结构，该系统由后台大型机及

效劳器、办公应用、数据效劳器、存储效劳器、人机界面、可编程控制柜及生产

子系统

用数据库备0A服务器用用服务器主机

备机控制主机屏幕显示终端操作台打印机

防火墙

核心核心

交换机交换机

地问中央变电

变电所所交换机

抽放分站主斜井皮人员定位

地面地面工业带机头井卜工业系统

风机房以太坏网以太坏网

水泉房

灯房

人员宓

风机监测发瑟统电力监测皮带监水泵房监安全监控5

系统系统系统测系统系统系统

间的生产机器人组成。

这种典型的网络结构可以保持网络的实时性能,该系统容纳了数据收集、系

统配置、系统诊断、网络平安、时钟同步、驱动控制及语音视频等多种控制与监

控信息。

图3.5工业以太网控制系统

工业以太网在煤矿工业中也得到了广泛的应月，采用标准的TCP/IP协议和

工业以太网络技术，将地面和井下设备检测信息和控制信息实时传送到中央控制

室，令使用者及时了解地面和井下的工作和生产恃况，快速发出应对突发事件的

决策指令，实现统一指挥和管理“

图3.6所示的是一种煤矿工业以太环网控制系统结构图，该系统包含了两台

核心交换机，分别与地面以太环网和井下以太环网连接，形成了一定的平安冗余,

地面以太环网与变电所、风机房、抽放站、洗煤厂、灯房连接，井下以太环网与

水泵房、变电所、人员定位系统、皮带检测系统相连。

图3.6一种煤矿工业以太环网控制系统结构图

该井下工业控制网络使用环网技术，从而在任一链路或节点发生故障时，能

保证链路或节点可以倒换，不影响数据的传输，同时，其中一台交换机可以作为

冗余管理器管理冗余网，在正常情况，冗余管理器的其中一个冗余环口处于新开

状态，整个网络是一个线性结构。当网络上连接断开或交换机故障时，它会通过

一个代替路径恢复另外一种线型结构，当问题解决之后，恢复原有的线型结构。

该井下工业控制网络使用了虚拟局域网划分技术，有着较高的局域网平安

性，VLAN之间相互隔离，有效降低了播送风暴对整个局域网带来的影响。

3.3无线工业控制网络

目前，无线通信技术逐渐进入工业控制网络领域，无线工业控制网络具有较

低的安装复杂度以及减少线缆等优点，配置灵活，使用方便，无线技术使工业测

量与控制系统具有本钱低，易于使用和维护，并具有更为广阔的应用前景。无线

传感器网络易于拓展升级，能够有效减少二次投资，提高经济效益.因此,无线

传感器网络在工业控制领域具有广阔的开展前景。

现今工业控制领域使用的无线传感器网络节点,有一半是基于IEEE802.15.4,

主要有：ZigBee,WirdessHART和ISAIOO系列标准，以及中国自主制定的

WIA-PA标准，WIA-PA的网络拓扑结构见图3.7。

图3.7WIA-PA的网络拓扑结构

WIAPA为两层拓扑结构，其下层为星型结构，由簇首和簇成员构成；上层

为网状结构，由网关和各簇首（兼作路由设备）构成，具有自适应跳频功能，以及

两级聚合功能，用以解决工业生产过程中产生的一些特殊问题。

WIA-PA是一种经过实际应用验证的、适合于复杂工业环境应用的无线通信

网络协议。它在时间上（时分多址TDMA）、频率上（FHSS跳频机带IJ）和空间上（基

于网状及星型混合网络拓扑形成的可靠路径传输）的综合灵活性，使这个相对简

单的协议具有嵌人式的自组织和自愈能力，大大降低了安装的复杂性，确保了无

线网络具有长期而且匕预期的性能。

煤矿是中国最重要的产业之一，矿工的生命立安成为人们首先要考虑的问

题，那么矿工定位与跟踪就显得十分必要，目前市面上有着众多井下人员定位系

统，图3.8所示的是一种典型的煤矿平安监控的无线传感网络。

图3.8煤矿平安监控无线传感器网络

该系统拥有三层无线传感网络。

(1)第一层在地面上由以太网构成，来自井下的监控数据传送到监控中心，监

控数据也可以通过互联网访问。

(2)第二层由无线站和转发站组成，无线站获得的数据将被传输到转发站，然

后由主缆传送至地面主站。

(3)第三层是感知层，由矿工携带的便携式无线传感节点组成，无线传感网络

将矿工的位置和环境信息实时上传。

无线传感网络在电力系统中也得到了应用，主要应用在电力系统的自动抄表

系统中，采用无线传感网络实现“最后一公里〃自动抄表是一个非常理想的解决

方案。基于无线传感网络的自动抄表系统结构如图3.9所示。

图3.9无线传感网络自动抄表售电系统结构图

将分布较为集中的电力用户按地理区域分区，并且在用户电子式电能表上安

装无线传感模块，使每个分区的电能表组成一个无线传感网络。

电能表的电量信息及电费、费率、费率时段等信息通过成熟的GPRS/CDMA

等方式上传到主站电量管理系统。手持式售电终端、供电所台式售电终端和银行

的售电系统，经通讯网络连接到主站电量管理系统的数据库效劳器，进行远程售

电。

第四章工业控制网