工业数据通信与控制网络PPT课件

1、.,1,工业数据通信与控制网络,清华大学自动化系 yangxh 62783125-252 阳宪惠,.,2,第1讲 工业数据通信与控制网络概述 主要内容,控制网络与现场总线 控制网络与计算机网络的区别 数据通信系统(网络) 网络化控制系统 全分布式控制系统 传感器总线、设备总线和现场总线 早期的现场总线技术,.,3,控制系统对网络的要求 控制网络在企业网络系统中的地位与作用 控制网络面临的问题 控制网络与上层网络的连接方式 控制网络的技术发展与标准化 课程的几个教学环节,.,4,第1讲 工业数据通信与控制网络概述,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

2、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 本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路、控制网络的设计与应用等,.,5,控制网络与现场总线,什么是现场总线技术？ IEC规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 控制网络： 由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而形成的网络 以现场总线作为通信连接的纽带 完成测量控

3、制任务的网络系统、控制系统,.,6,.,7,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,.,8,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 特点 实时性 可靠性的要求高 数据帧包含的字

4、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。,.,9,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,.,10,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

5、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,.,11,生产现场的网络系统,.,12,网络化连接 传统控制系统的一对一连接 网络化连接,.,13,Network-based control system,.,14,传感

6、器总线、设备总线和现场总线,传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位 如ASI（Actuator Sensor Interface）总线 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节 如CAN（Control Area Network）总线 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度可达到几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus 传感器总线、设备总线可统称为现场总线,.,15,早期的现场总线技术,早期的现场总线（工业电话线），把传感

7、器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如PLC或者是工业计算机。 对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值， 控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。 第一个设备层现场总线： 上世纪70年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出了第一个设备层现场总线系统。 早期(80年代)出现至今还在应用的几种现场总线 General Electric的Genius I/O; Phoenix的Interbus; TURCK的Senseplex; Process Data 的PNET,.,16,Genius I/O 在PLC之间、PLC与人机界面之间

8、传递数据信息 令牌总线,采用分支受限制的总线拓扑； 网段节点数32个；每个节点的输入、输出均为1024位， 传输距离约1000米/传输速率153.6K时;2250米/传输速率38.4K时； 屏蔽双绞线，光缆； 采用FSK频移键控调制信号,.,17,Interbus 在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的方式 总线最多带有64个节点,每个节点的输入、输出数据为16位 覆盖距离最远可达12.5公里 典型传输速率为500Kbps 物理信号连接遵循EIA485标准 采用单总帧结构,数据帧中有效位的比率高,.,18,Senseplex 最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。工作环境靠近

9、电磁场,抗噪声、抗电磁干扰方面的能力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好 Senseplex系统采用主从结构； 连接采用75欧姆同轴电缆； 使用FSK频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; 节点总数为32/64/120个 每个节点的数据输入、输出位均为8位。 主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继器可使该距离增加至400米。 传输速度为187K,.,19,P-Net 用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等 可以形成网络结构较为复杂的系统 EIA-485标准，屏蔽双铰线 传输速率为76.8Kbps 最大传输距离为1200m 每段最多可以连接125个设备。

10、 每帧数据为56位当数据大于56位时 P-Net采用分段结构的多主网络系统,网络中可以连接多至32个主节点。,.,20,P-Net多主网络系统,.,21,小结,从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。 它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。 早期总线技术的缺点 大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短 开放总线的典型范例CAN 有公开统一的技术规范 多个芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitac

11、hi 开放性促进了该技术的发展与推广应用,.,22,新型控制系统结构 网络化控制系统,控制系统的结构变迁 基地式气动仪表 气动、电动系列的单元组合式仪表 集中式数字控制系统 集散控制系统 DCS、PLC 网络化现场控制系统 FCS,.,23,网络化控制系统的特点,结构上形成设备的网络式连接 节省大量线缆、槽架、连接件； 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 增加现场控制设备无需增设新的电缆 实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件 无人值守机站 将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统 支持总线供电 为自动化系统与其它信息系统的沟

12、通，为实现企业的管理控制一体化创造了条件,.,24,网络集成式控制系统,.,25,扩大了操作视野,传统 4-20 mA 只能看到 I/O 子系统,现场总线 视野可以扩展到现场仪表,控制器,控制系统网络,现场总线,远程输入/输出,子系统,控制器,控制系统网络,.,26,网络化、全分布式控制系统,.,27,控制系统对网络的要求,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

13、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,.,28,控制网络在企业网络系统中的地位与作用,企业网络系统的层次结构 Internet-Intranet-Infranet的网络结构 功能层次。 企业资源规划层ERP（Enterprise Resource Planning） 制造执行层MES（Manufacturing Execution System） 现场控制层FCS（Field Control System） 信息类型：运行参数的测量值、控制

14、量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。,.,29,企业网络系统的层次结构,.,30,.,31,.,32,现场控制层面临的问题,控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上DCS、PLC、SCADA等 网络内部的通信一致性差，个异性强 控制网络与信息网络存在较大差异 通信协议，网络节点类型等有较大差异 控制网络与信息网络实现信息交换有难度 实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决,.,33,控制网络与上层网络的连接方式,采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上 将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的

15、PCI插槽内，在PC机内完成数据交换。实现控制网段与上层网络的连接 将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互,.,34,通过网关连接控制网段与上层网络,.,35,采用PCI卡连接控制网段与上层网络,.,36,控制网络的技术发展与标准化,现场总线的百花齐放与兴盛发展 各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种 欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发 形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准 现场总线组织 现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会, Profib

16、us协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）,.,37,现场总线国际标准化组织及标准化进程 IEC/TC65 负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作 于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，于1993年制定了IEC61158-2 历经波及全球的现场总线标准大战，16年的艰难历程后，于2000年初

17、宣布8种现场总线共同构成IEC现场总线国际标准子集 IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S 以后该标准又增加为10种，13种 实时以太网在没有形成正式标准之前以有14个子集,.,38,IEC/17B 负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准 已通过的标准IEC62026，包括 第2部分ASI 第3部分 DeviceNet； 第4部分智能分布式系统SDS（Smart Distributed System）; 第5部分Senseplex ISO 最早成为现场总线国际标准的CAN（ISO11898） 其它有实力、有发展前景的控制网络技术 LonWorks; HART；Modbus；